不同輪作模式對(duì)后茬作物小麥產(chǎn)量及生理指標(biāo)的影響

劉洪慶，付丹丹，武海杰，苗福泓，孫娟，楊國(guó)鋒*

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)院，山東 青島 266109；2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，山東 青島 266109)

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的逐漸規(guī)?；r(nóng)區(qū)為實(shí)現(xiàn)糧食增產(chǎn)，目前基本采用連作或糧-糧輪作模式。由于小麥(Triticumaestivum)、玉米(Zeamays)較其他作物具有產(chǎn)量高、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值滿足需要、種植季節(jié)互補(bǔ)從而提高土地利用率等優(yōu)點(diǎn)，所以大部分地區(qū)主要采用小麥—玉米輪作[1]方式進(jìn)行生產(chǎn)。由于忽視“用”“養(yǎng)”相結(jié)合的土地保護(hù)利用方式，常常會(huì)導(dǎo)致土壤沙質(zhì)化，土質(zhì)下降，土壤生物遭到嚴(yán)重破壞，進(jìn)而威脅糧食安全[2-5]。因此，在農(nóng)區(qū)如何建立“用”“養(yǎng)”結(jié)合的可持續(xù)發(fā)展耕作模式愈加重要。

紫花苜蓿(Medicagosativa)作為優(yōu)良的牧草品種，近年來(lái)備受關(guān)注，逐漸納入農(nóng)區(qū)現(xiàn)行的輪作系統(tǒng)中，苜蓿因其產(chǎn)量高、固氮能力強(qiáng)，而且具有一定的化感作用，能夠有效地減少對(duì)化肥和農(nóng)藥的使用量，降低水源污染及畜產(chǎn)品的污染，順應(yīng)目前市場(chǎng)對(duì)綠色畜產(chǎn)品的總體要求[6]。在農(nóng)區(qū)實(shí)行草田輪作，一方面，能夠產(chǎn)出畜產(chǎn)品等動(dòng)物性飼料——牧草，改善國(guó)民膳食結(jié)構(gòu)，促進(jìn)畜牧業(yè)發(fā)展；另一方面，引草入田，還能夠打破傳統(tǒng)的耕地模式與畜牧業(yè)用地的分割現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)二者的有機(jī)結(jié)合，改變以往“以糧為綱”的思想觀念和單一的耕地利用方式，能夠較大程度地提高單位農(nóng)耕地的食物產(chǎn)出量[7-8]。 除此之外，還可及時(shí)根據(jù)糧食的需求調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，“藏糧于草”是一種經(jīng)濟(jì)且安全的耕作模式[9]。但是有關(guān)苜蓿輪作農(nóng)作物的種植模式，目前研究很少，特別是對(duì)其輪作后茬作物的影響知之更少。為此，本研究通過多年生的苜蓿田種植后，輪作小麥與其他實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的常用輪作模式進(jìn)行比較，探究苜蓿田輪作對(duì)其后茬作物小麥產(chǎn)量及生理指標(biāo)影響的內(nèi)在機(jī)制，尋求一種適宜在農(nóng)區(qū)種植的、后茬作物維持高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的合理種植模式，對(duì)科學(xué)地經(jīng)營(yíng)與管理農(nóng)區(qū)草地具有十分重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究試驗(yàn)地位于山東省膠州市膠萊鎮(zhèn)的青島農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技示范園內(nèi)(N 36°26′21.51″，E 120°04′43.29″)。該地區(qū)屬于暖溫帶季風(fēng)性氣候，因?yàn)l臨海洋，兼具海洋性氣候特征。冬暖夏涼，雨熱同期，四季分明。該地區(qū)年平均氣溫14 ℃，年降水量約為686.5 mm，平均氣壓為101.56 kPa，無(wú)霜期為205.5 d，年平均日照時(shí)數(shù)為2411.6 h[10]。

1.2 材料與處理方法

選擇連續(xù)種植4年的紫花苜蓿“三得利”試驗(yàn)田來(lái)輪作小麥(品種“濟(jì)麥22”)；以前期種植玉米(品種“鄭單958”)、大豆試驗(yàn)田同時(shí)進(jìn)行輪作小麥(品種“濟(jì)麥22”)作為對(duì)照處理。小麥生長(zhǎng)間隔期種植玉米。田間試驗(yàn)工作于2012年10月開始，2014年10月截止，為期2年。

苜蓿-小麥輪作(alfalfa-wheat，AW)：2012年9月苜蓿收獲第4茬后，對(duì)該土地深層土壤進(jìn)行翻耕，收撿殘留苜蓿根，及時(shí)耙地耕地，使地面平整，于10月19日機(jī)播小麥，深度3～4 cm，行距15 cm左右，播量為225 kg·hm-2。2013年6月25日小麥?zhǔn)斋@后休閑季(2013年6月28日)機(jī)播玉米，深度5 cm左右，留苗60000株·hm-2。2013年10月4日玉米收獲后，進(jìn)行第2年的輪作實(shí)驗(yàn)。具體耕作時(shí)間為2013年10月15日播種小麥，2014年6月12日收割；2014年6月20日播種玉米，2014年10月1日收獲；田間輪作試驗(yàn)結(jié)束。玉米-小麥輪作(corn-wheat，CW)：2012年10月前茬玉米收獲后，后茬種植小麥-玉米進(jìn)行輪作；后續(xù)第2年的田間操作同苜蓿-小麥輪作方式。大豆-小麥輪作(soybean-wheat，SW)：2012年10月前茬大豆收獲后，后茬種植小麥-玉米進(jìn)行輪作；后續(xù)第2年的田間操作同苜蓿-小麥輪作方式。

1.3 小麥產(chǎn)量及生理指標(biāo)測(cè)定

1.3.1小麥產(chǎn)量的測(cè)定 在上述3種輪作模式下，分別于小麥成熟期(2013年6月25日、2014年6月12日)進(jìn)行取樣分析。每試驗(yàn)區(qū)隨機(jī)選取3個(gè)1 m×1 m的樣方，將小麥植株連根系拔出，用剪刀從根莖結(jié)合處將根剪去，將地上部分為莖葉和穗兩部分，分別裝入編好號(hào)的網(wǎng)袋，稱其鮮重，樣品自然風(fēng)干后麥穗脫粒，測(cè)定小麥籽粒產(chǎn)量，麥穗出籽率，地上部生物量，計(jì)算公式參照邢君等[11]和韋海斌[12]的方法。

籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2)=每hm2穗數(shù)×穗粒數(shù)×千粒重(g，以品種審定公告數(shù)據(jù)為準(zhǔn))×0.85(測(cè)產(chǎn)系數(shù))×10-6

出籽率=(20個(gè)穗籽粒重量/20個(gè)穗重)×100%

地上部生物量(kg·hm-2)=去粒植株鮮重×(整株植株烘干重/整株植株鮮重)×每hm2株數(shù)

1.3.2生理指標(biāo)的測(cè)定 在上述3種輪作模式下，對(duì)小麥生長(zhǎng)重要時(shí)期(孕穗期、抽穗期、灌漿期、成熟期)進(jìn)行下列指標(biāo)的測(cè)定。

葉色值(soil and plant analyzer development，SPAD)，葉面積指數(shù)(leaf area index，LAI)：每區(qū)選取20株生長(zhǎng)狀況基本相同的小麥植株，通過SPAD-502便攜式葉綠素測(cè)定儀測(cè)量小麥旗葉葉綠素的相對(duì)含量；參照鄭春和[13]的方法計(jì)算葉面積指數(shù)。每個(gè)試驗(yàn)區(qū)選取10株小麥葉片,使用便攜式光合儀(TPS-1光合作用測(cè)定儀)測(cè)定小麥旗葉光合速率(net photosynthetic rate，Pn)及蒸騰速率(transpiration rate，Tr)。硝酸還原酶(nitrate reductase，NR)活性[14-16]：取樣日當(dāng)天待小麥葉片進(jìn)行一定時(shí)間的光合作用后(16:00左右)，不同試驗(yàn)區(qū)分別選取20株，帶根拔出，迅速帶回實(shí)驗(yàn)室，采用磺胺顯色法進(jìn)行測(cè)定[17]。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2003初步整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用SAS 9.1進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA)和顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同輪作模式下2年試驗(yàn)期內(nèi)小麥產(chǎn)量的變化

連續(xù)兩年檢測(cè)結(jié)果顯示，苜蓿田輪作種植小麥較玉米、大豆輪作后續(xù)種小麥產(chǎn)量顯著增加(表1)。4年生苜蓿翻耕輪作小麥，2013年AW處理小麥的產(chǎn)量較CW、SW對(duì)照組增加了27.45%、56.55%(P<0.05)；地上部生物量AW處理較SW對(duì)照組增加了64.17%(P<0.05)，較CW對(duì)照組差異不顯著。2014年AW處理小麥的產(chǎn)量較CW、SW對(duì)照組增加了52.41%、46.00%(P<0.05)；地上部生物量AW較CW、SW對(duì)照組增加了70.96%、87.58%(P<0.05)。3種模式處理情況下，小麥的果穗出籽率差異均不顯著。

表1 不同輪作模式下2年試驗(yàn)期內(nèi)的小麥產(chǎn)量Table 1 Wheat production in the 2-year test period under different cropping patterns

AW: 苜蓿-小麥輪作Alfalfa-wheat; CW: 玉米-小麥輪作Corn-wheat; SW: 大豆-小麥輪作Soybean-wheat. 同列不同字母表示差異性顯著(P<0.05)。Different small letters in the same column indicate significant differences (P<0.05).

2.2 不同輪作模式下小麥不同生育時(shí)期旗葉葉色值(SPAD值)的變化

苜蓿-小麥輪作模式下旗葉葉色值在4個(gè)時(shí)期均顯著高于玉米、大豆輪作小麥模式。特別是在孕穗期和灌漿期，兩年的結(jié)果差異性非常明顯。而玉米和大豆的兩種輪作模式兩年間差異不明顯(圖1)。

2.3 不同輪作模式下小麥不同生育時(shí)期葉面積指數(shù)(LAI)的變化

在兩年的試驗(yàn)中，苜蓿輪作模式下小麥葉面積指數(shù)均最高，且2年間沒有大的變化；而大豆與玉米輪作模式相近。第2年的玉米和大豆的兩種輪作模式間雖有差異，但差異性較小(圖2)。

2.4 不同輪作模式下小麥不同生育時(shí)期旗葉凈光合速率(Pn)的變化

連續(xù)兩年小麥4個(gè)重要時(shí)期的旗葉凈光合速率(Pn)如圖3所示。在兩年的試驗(yàn)中，玉米、大豆輪作模式下均表現(xiàn)出相同規(guī)律，即孕穗期旗葉的凈光合速率較高；隨著抽穗期灌漿期的到來(lái)，凈光合速率基本變化不大，成熟期顯著開始下降；但在苜蓿-小麥輪作模式下，抽穗期與灌漿期的光合速率升高的比較顯著。而到成熟期下降的也更少。

2.5 不同輪作模式下小麥不同生育時(shí)期旗葉蒸騰速率(Tr)的變化

兩年試驗(yàn)中苜蓿-小麥輪作模式下孕穗期旗葉的蒸騰速率均最低；以后各個(gè)時(shí)期的蒸騰速率逐漸升高，在成熟期均處于最高水平，而其他輪作模式這一特征不是很明顯(圖4)。

圖1 2013和2014年不同種植模式下小麥旗葉葉色值Fig.1 SPAD of wheat flag leaf under the different planting patterns in 2013 and 2014 不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05),下同。Different letters indicate significant differences (P<0.05), the same below.

圖2 2013和2014年不同種植模式下小麥旗葉葉面積指數(shù)Fig.2 LAI of wheat flag leaf under the different planting patterns in 2013 and 2014

圖3 2013和2014年不同種植模式下小麥旗葉凈光合速率Fig.3 Pn of wheat flag leaf under the different planting patterns in 2013 and 2014

2.6 不同輪作模式下小麥不同生育時(shí)期旗葉硝酸還原酶(NR)活性的變化

在第1年，苜蓿-小麥輪作模式，硝酸還原酶活性4個(gè)時(shí)期都顯著高于其他兩種模式；第2年，差異不顯著。不論哪種模式，硝酸還原酶活性在小麥的各個(gè)生長(zhǎng)期均呈先增后降的趨勢(shì)，抽穗期處于最高水平(圖5)。

2.7 不同輪作模式下2年試驗(yàn)期內(nèi)小麥產(chǎn)量與生理指標(biāo)間的相關(guān)性

為探究小麥產(chǎn)量與生理指標(biāo)間的相互關(guān)系，對(duì)這3種模式處理下各個(gè)生理指標(biāo)與小麥產(chǎn)量進(jìn)行了回歸分析(表2)。表明小麥產(chǎn)量與旗葉葉色值、葉面積指數(shù)、旗葉凈光合速率、蒸騰速率、硝酸還原酶活性呈現(xiàn)較為明顯的相關(guān)性，說(shuō)明不論何種模式，這幾個(gè)生理指標(biāo)都表現(xiàn)出對(duì)小麥產(chǎn)量的提高有明顯的促進(jìn)作用，特別是在多年生苜蓿田改種小麥輪作模式后，在種植第一年利用氮肥效率更高，光合作用提高更加明顯。

圖4 2013和2014年不同種植模式下小麥旗葉蒸騰速率Fig.4 Tr of wheat flag leaf under the different planting patterns in 2013 and 2014

圖5 2013和2014年不同種植模式下小麥旗葉硝酸還原酶活性Fig.5 Nitrate reductase (NR) activity of wheat flag leaf under the different planting patterns in 2013 and 2014

生理指標(biāo)Physiological indicators測(cè)定時(shí)期Measurement period回歸方程Regression equation回歸系數(shù)Regression coefficients (R2)旗葉葉色值Soil and plant analyzer development各時(shí)期平均Average of each periody=122.41x+93.9450.8330葉面積指數(shù)Leaf area index各時(shí)期平均Average of each periody=1334.8x+1991.70.9876旗葉凈光合速率Net photosynthetic ratio孕穗期Booting stagey=-251.42x+110280.5616灌漿期Milk-filling stagey=213.54x+1692.30.5018成熟期Maturity stagey=218.47x+4806.40.7594旗葉蒸騰速率Transpiration ratio孕穗期Booting stagey=-1523.6x+120760.8462成熟期Maturity stagey=676.94x+2427.50.5949硝酸還原酶活性Nitrate reductase activity各時(shí)期平均Average of each periody=151.04x-402.330.7226

3 討論與結(jié)論

草田輪作是推動(dòng)農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、草業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要措施。在我國(guó)南方農(nóng)區(qū)，利用牧草產(chǎn)業(yè)發(fā)展其他行業(yè)(如畜牧業(yè)、漁業(yè)等)、擴(kuò)大肥料來(lái)源、增加土壤肥力。有研究表明，水稻連續(xù)輪作造成土壤變差，水稻和馬鈴薯、油菜等輪作的土壤全氮(total nitrogen，TN)和土壤有機(jī)質(zhì)(soil organic matter，SOM)，產(chǎn)量與TN/SOM之間的正相關(guān)關(guān)系為水稻油菜輪作對(duì)水稻產(chǎn)量的影響提供了證據(jù)[18]。所以，實(shí)行草田輪作不僅能改善土壤和生物多樣性，還能使農(nóng)區(qū)獲得更大收益，以實(shí)現(xiàn)其科學(xué)發(fā)展[19]。寧夏東部鹽池縣城郊實(shí)行苜蓿與馬鈴薯等作物分別進(jìn)行輪作，土壤肥力情況得到很大改善，土壤中微生物數(shù)量顯著增加[20]。甘肅靖遠(yuǎn)縣的草田輪作制度大大增加了該地區(qū)植被覆蓋率，并且極大地改善了甘肅省及其周邊的綠色生態(tài)環(huán)境[21]。

本研究連續(xù)兩年的輪作模式研究中，苜蓿-小麥輪作模式下較其他兩種輪作模式小麥旗葉葉色值和葉面積指數(shù)與籽粒產(chǎn)量呈現(xiàn)較明顯的正相關(guān)關(guān)系 (R2=0.8330；R2=0.9876) ，說(shuō)明多年苜蓿田種植后輪作小麥模式有利于后茬作物小麥的葉色改善和葉面積的提高，從而保障其高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)，是一個(gè)比較有效的種植模式。眾所周知，農(nóng)作物產(chǎn)量高低不僅受到其光合強(qiáng)度的影響，其葉面積的多少也是決定性因素。王強(qiáng)生等[22]和高海濤等[23]的試驗(yàn)提出，采用一定的措施，提高小麥的葉面積系數(shù)和葉綠素的含量，能夠使小麥保持較強(qiáng)的光合效率、維持較高的灌漿速度，延長(zhǎng)葉片的功能期，而且能夠很好地協(xié)調(diào)產(chǎn)量和各影響因素之間的相互關(guān)系，提高小麥的千粒重和結(jié)實(shí)小穗數(shù)量，從而能夠起到增產(chǎn)效果。另外，本研究中也發(fā)現(xiàn)苜蓿-小麥輪作后，可以顯著提高后茬作物小麥的凈光合速率、降低其蒸騰速率，特別是在輪作第一年效果比較明顯，對(duì)其產(chǎn)量影響較大。

有研究表明，谷類作物在分蘗期最易受到土壤板結(jié)和澇害的危害，如果生長(zhǎng)條件差，作物在莖伸長(zhǎng)階段分蘗數(shù)減少，從而導(dǎo)致穗數(shù)減少，谷物產(chǎn)量損失[24]。Abid等[25]研究結(jié)果表明，嚴(yán)重干旱脅迫下，低氮情況下，植物在干旱脅迫期間光合作用和葉綠素(chlorophyll，Chl)熒光顯著下調(diào)，灌漿速率加快，開花后縮短灌漿持續(xù)時(shí)間(grouting filling duration，GFD)，并減少糧食產(chǎn)量。但在高氮情況下，雖然遭受干旱脅迫，但是高氮能夠保持植物較高的葉水勢(shì)，使其增加植物對(duì)干旱的耐受性，相應(yīng)地增加作物產(chǎn)量。本研究表明，各種輪作方式對(duì)后茬作物小麥凈光合速率主要是灌漿期(R2=0.5018)、成熟期(R2=0.7594)和籽粒產(chǎn)量相關(guān)程度比較高，對(duì)其產(chǎn)量影響較大，其他時(shí)期相關(guān)程度比較小，說(shuō)明無(wú)論哪種種植模式，都主要是通過對(duì)其后期光合速率的影響提高其產(chǎn)量。

有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在自然界中，除有機(jī)氮化合物外，植物主要吸收的氮是銨態(tài)氮(NH4+-N)和硝態(tài)氮(NO3--N)，銨態(tài)氮可以被直接吸收利用，而硝態(tài)氮需要硝酸還原酶(NR)還原后轉(zhuǎn)換成銨態(tài)氮被吸收和利用，從而提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)[26]。本試驗(yàn)的結(jié)果表明無(wú)論哪種種植模式，小麥整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)的NR活性一直保持很高的水平，與小麥籽粒產(chǎn)量間(R2=0.7226) 存在一定正相關(guān)關(guān)系。特別是在苜蓿-小麥輪作模式下，第1年后茬作物小麥的NR活性持續(xù)高于其他兩種輪作模式，且在第2年繼續(xù)輪作種植時(shí)仍然保持較高的活性，說(shuō)明苜蓿地輪作可以改善其后茬作物對(duì)氮肥的利用，有利于小麥產(chǎn)量的積累。

綜上所述，本研究得到以下結(jié)論：1)苜蓿-小麥輪作模式下，后茬作物小麥的產(chǎn)量明顯優(yōu)于其他兩種輪作模式。2)苜蓿-小麥輪作模式下，后茬作物的生理指標(biāo)如旗葉葉色值、葉面積指數(shù)，在生長(zhǎng)的4個(gè)重要時(shí)期均顯著高于玉米、大豆輪作小麥模式；葉色值大小與小麥產(chǎn)量呈正相關(guān)關(guān)系，小麥旗葉葉色值越大，產(chǎn)量越高；小麥籽粒產(chǎn)量與其生長(zhǎng)的灌漿期、成熟期的凈光合速率提高、孕穗期蒸騰速率越低、成熟期蒸騰速率提高具有更高的相關(guān)性。3)硝酸還原酶活性在苜蓿-小麥輪作模式中持續(xù)保持較高的水平，說(shuō)明苜蓿田輪作可以改善后茬作物對(duì)氮肥的利用率，達(dá)到后茬作物的持續(xù)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。所以，苜蓿田輪作小麥種植模式對(duì)后茬作物小麥產(chǎn)量及生理指標(biāo)有明顯的促進(jìn)作用，明顯高于其他兩種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的常用模式，且能提高后續(xù)作物產(chǎn)量，適宜在農(nóng)區(qū)進(jìn)行推廣，是一種較為適宜的草田輪作模式。