不同輪作模式對后茬作物小麥產量及生理指標的影響

劉洪慶，付丹丹，武海杰，苗福泓，孫娟，楊國鋒*

(1.青島農業大學生命科學院，山東 青島 266109；2.青島農業大學動物科技學院，山東 青島 266109)

隨著農業生產的逐漸規模化，農區為實現糧食增產，目前基本采用連作或糧-糧輪作模式。由于小麥(Triticumaestivum)、玉米(Zeamays)較其他作物具有產量高、營養價值滿足需要、種植季節互補從而提高土地利用率等優點，所以大部分地區主要采用小麥—玉米輪作[1]方式進行生產。由于忽視“用”“養”相結合的土地保護利用方式，常常會導致土壤沙質化，土質下降，土壤生物遭到嚴重破壞，進而威脅糧食安全[2-5]。因此，在農區如何建立“用”“養”結合的可持續發展耕作模式愈加重要。

紫花苜蓿(Medicagosativa)作為優良的牧草品種，近年來備受關注，逐漸納入農區現行的輪作系統中，苜蓿因其產量高、固氮能力強，而且具有一定的化感作用，能夠有效地減少對化肥和農藥的使用量，降低水源污染及畜產品的污染，順應目前市場對綠色畜產品的總體要求[6]。在農區實行草田輪作，一方面，能夠產出畜產品等動物性飼料——牧草，改善國民膳食結構，促進畜牧業發展；另一方面，引草入田，還能夠打破傳統的耕地模式與畜牧業用地的分割現象，實現二者的有機結合，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耕地的食物產出量[7-8]。 除此之外，還可及時根據糧食的需求調整種植結構，“藏糧于草”是一種經濟且安全的耕作模式[9]。但是有關苜蓿輪作農作物的種植模式，目前研究很少，特別是對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，輪作小麥與其他實際農業生產中的常用輪作模式進行比較，探究苜蓿田輪作對其后茬作物小麥產量及生理指標影響的內在機制，尋求一種適宜在農區種植的、后茬作物維持高產、穩產的合理種植模式，對科學地經營與管理農區草地具有十分重要的理論與現實意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究試驗地位于山東省膠州市膠萊鎮的青島農業大學現代農業科技示范園內(N 36°26′21.51″，E 120°04′43.29″)。該地區屬于暖溫帶季風性氣候，因瀕臨海洋，兼具海洋性氣候特征。冬暖夏涼，雨熱同期，四季分明。該地區年平均氣溫14 ℃，年降水量約為686.5 mm，平均氣壓為101.56 kPa，無霜期為205.5 d，年平均日照時數為2411.6 h[10]。

1.2 材料與處理方法

選擇連續種植4年的紫花苜蓿“三得利”試驗田來輪作小麥(品種“濟麥22”)；以前期種植玉米(品種“鄭單958”)、大豆試驗田同時進行輪作小麥(品種“濟麥22”)作為對照處理。小麥生長間隔期種植玉米。田間試驗工作于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，對該土地深層土壤進行翻耕，收撿殘留苜蓿根，及時耙地耕地，使地面平整，于10月19日機播小麥，深度3～4 cm，行距15 cm左右，播量為225 kg·hm-2。2013年6月25日小麥收獲后休閑季(2013年6月28日)機播玉米，深度5 cm左右，留苗60000株·hm-2。2013年10月4日玉米收獲后，進行第2年的輪作實驗。具體耕作時間為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；田間輪作試驗結束。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-玉米進行輪作；后續第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-玉米進行輪作；后續第2年的田間操作同苜蓿-小麥輪作方式。

1.3 小麥產量及生理指標測定

1.3.1小麥產量的測定 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)進行取樣分析。每試驗區隨機選取3個1 m×1 m的樣方，將小麥植株連根系拔出，用剪刀從根莖結合處將根剪去，將地上部分為莖葉和穗兩部分，分別裝入編好號的網袋，稱其鮮重，樣品自然風干后麥穗脫粒，測定小麥籽粒產量，麥穗出籽率，地上部生物量，計算公式參照邢君等[11]和韋海斌[12]的方法。

籽粒產量(kg·hm-2)=每hm2穗數×穗粒數×千粒重(g，以品種審定公告數據為準)×0.85(測產系數)×10-6

出籽率=(20個穗籽粒重量/20個穗重)×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

1.3.2生理指標的測定 在上述3種輪作模式下，對小麥生長重要時期(孕穗期、抽穗期、灌漿期、成熟期)進行下列指標的測定。

葉色值(soil and plant analyzer development，SPAD)，葉面積指數(leaf area index，LAI)：每區選取20株生長狀況基本相同的小麥植株，通過SPAD-502便攜式葉綠素測定儀測量小麥旗葉葉綠素的相對含量；參照鄭春和[13]的方法計算葉面積指數。每個試驗區選取10株小麥葉片,使用便攜式光合儀(TPS-1光合作用測定儀)測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]：取樣日當天待小麥葉片進行一定時間的光合作用后(16:00左右)，不同試驗區分別選取20株，帶根拔出，迅速帶回實驗室，采用磺胺顯色法進行測定[17]。

1.4 統計分析

采用Excel 2003初步整理實驗數據，用SAS 9.1進行單因素方差分析(ANOVA)和顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同輪作模式下2年試驗期內小麥產量的變化

連續兩年檢測結果顯示，苜蓿田輪作種植小麥較玉米、大豆輪作后續種小麥產量顯著增加(表1)。4年生苜蓿翻耕輪作小麥，2013年AW處理小麥的產量較CW、SW對照組增加了27.45%、56.55%(P<0.05)；地上部生物量AW處理較SW對照組增加了64.17%(P<0.05)，較CW對照組差異不顯著。2014年AW處理小麥的產量較CW、SW對照組增加了52.41%、46.00%(P<0.05)；地上部生物量AW較CW、SW對照組增加了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年試驗期內的小麥產量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個時期均顯著高于玉米、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期葉面積指數(LAI)的變化

在兩年的試驗中，苜蓿輪作模式下小麥葉面積指數均最高，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期旗葉凈光合速率(Pn)的變化

連續兩年小麥4個重要時期的旗葉凈光合速率(Pn)如圖3所示。在兩年的試驗中，玉米、大豆輪作模式下均表現出相同規律，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，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期旗葉蒸騰速率(Tr)的變化

兩年試驗中苜蓿-小麥輪作模式下孕穗期旗葉的蒸騰速率均最低；以后各個時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個時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生長期均呈先增后降的趨勢，抽穗期處于最高水平(圖5)。

2.7 不同輪作模式下2年試驗期內小麥產量與生理指標間的相關性

為探究小麥產量與生理指標間的相互關系，對這3種模式處理下各個生理指標與小麥產量進行了回歸分析(表2)。表明小麥產量與旗葉葉色值、葉面積指數、旗葉凈光合速率、蒸騰速率、硝酸還原酶活性呈現較為明顯的相關性，說明不論何種模式，這幾個生理指標都表現出對小麥產量的提高有明顯的促進作用，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Physiological indicators測定時期Measurement period回歸方程Regression equation回歸系數Regression coefficients (R2)旗葉葉色值Soil and plant analyzer development各時期平均Average of each periody=122.41x+93.9450.8330葉面積指數Leaf area index各時期平均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各時期平均Average of each periody=151.04x-402.330.7226

3 討論與結論

草田輪作是推動農業、畜牧業、草業實現可持續發展的重要措施。在我國南方農區，利用牧草產業發展其他行業(如畜牧業、漁業等)、擴大肥料來源、增加土壤肥力。有研究表明，水稻連續輪作造成土壤變差，水稻和馬鈴薯、油菜等輪作的土壤全氮(total nitrogen，TN)和土壤有機質(soil organic matter，SOM)，產量與TN/SOM之間的正相關關系為水稻油菜輪作對水稻產量的影響提供了證據[18]。所以，實行草田輪作不僅能改善土壤和生物多樣性，還能使農區獲得更大收益，以實現其科學發展[19]。寧夏東部鹽池縣城郊實行苜蓿與馬鈴薯等作物分別進行輪作，土壤肥力情況得到很大改善，土壤中微生物數量顯著增加[20]。甘肅靖遠縣的草田輪作制度大大增加了該地區植被覆蓋率，并且極大地改善了甘肅省及其周邊的綠色生態環境[21]。

本研究連續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與籽粒產量呈現較明顯的正相關關系 (R2=0.8330；R2=0.9876) ，說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，從而保障其高產和穩產，是一個比較有效的種植模式。眾所周知，農作物產量高低不僅受到其光合強度的影響，其葉面積的多少也是決定性因素。王強生等[22]和高海濤等[23]的試驗提出，采用一定的措施，提高小麥的葉面積系數和葉綠素的含量，能夠使小麥保持較強的光合效率、維持較高的灌漿速度，延長葉片的功能期，而且能夠很好地協調產量和各影響因素之間的相互關系，提高小麥的千粒重和結實小穗數量，從而能夠起到增產效果。另外，本研究中也發現苜蓿-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，對其產量影響較大。

有研究表明，谷類作物在分蘗期最易受到土壤板結和澇害的危害，如果生長條件差，作物在莖伸長階段分蘗數減少，從而導致穗數減少，谷物產量損失[24]。Abid等[25]研究結果表明，嚴重干旱脅迫下，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，灌漿速率加快，開花后縮短灌漿持續時間(grouting filling duration，GFD)，并減少糧食產量。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，使其增加植物對干旱的耐受性，相應地增加作物產量。本研究表明，各種輪作方式對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)和籽粒產量相關程度比較高，對其產量影響較大，其他時期相關程度比較小，說明無論哪種種植模式，都主要是通過對其后期光合速率的影響提高其產量。

有學者研究發現，在自然界中，除有機氮化合物外，植物主要吸收的氮是銨態氮(NH4+-N)和硝態氮(NO3--N)，銨態氮可以被直接吸收利用，而硝態氮需要硝酸還原酶(NR)還原后轉換成銨態氮被吸收和利用，從而提高作物產量和品質[26]。本試驗的結果表明無論哪種種植模式，小麥整個生長期內的NR活性一直保持很高的水平，與小麥籽粒產量間(R2=0.7226) 存在一定正相關關系。特別是在苜蓿-小麥輪作模式下，第1年后茬作物小麥的NR活性持續高于其他兩種輪作模式，且在第2年繼續輪作種植時仍然保持較高的活性，說明苜蓿地輪作可以改善其后茬作物對氮肥的利用，有利于小麥產量的積累。

綜上所述，本研究得到以下結論：1)苜蓿-小麥輪作模式下，后茬作物小麥的產量明顯優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如旗葉葉色值、葉面積指數，在生長的4個重要時期均顯著高于玉米、大豆輪作小麥模式；葉色值大小與小麥產量呈正相關關系，小麥旗葉葉色值越大，產量越高；小麥籽粒產量與其生長的灌漿期、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性。3)硝酸還原酶活性在苜蓿-小麥輪作模式中持續保持較高的水平，說明苜蓿田輪作可以改善后茬作物對氮肥的利用率，達到后茬作物的持續高產穩產。所以，苜蓿田輪作小麥種植模式對后茬作物小麥產量及生理指標有明顯的促進作用，明顯高于其他兩種農業生產中的常用模式，且能提高后續作物產量，適宜在農區進行推廣，是一種較為適宜的草田輪作模式。