不同轮作模式对后茬作物小麦产量及生理指标的影响

刘洪庆，付丹丹，武海杰，苗福泓，孙娟，杨国锋*

(1.青岛农业大学生命科学院，山东 青岛 266109；2.青岛农业大学动物科技学院，山东 青岛 266109)

随着农业生产的逐渐规模化，农区为实现粮食增产，目前基本采用连作或粮-粮轮作模式。由于小麦(Triticumaestivum)、玉米(Zeamays)较其他作物具有产量高、营养价值满足需要、种植季节互补从而提高土地利用率等优点，所以大部分地区主要采用小麦—玉米轮作[1]方式进行生产。由于忽视“用”“养”相结合的土地保护利用方式，常常会导致土壤沙质化，土质下降，土壤生物遭到严重破坏，进而威胁粮食安全[2-5]。因此，在农区如何建立“用”“养”结合的可持续发展耕作模式愈加重要。

紫花苜蓿(Medicagosativa)作为优良的牧草品种，近年来备受关注，逐渐纳入农区现行的轮作系统中，苜蓿因其产量高、固氮能力强，而且具有一定的化感作用，能够有效地减少对化肥和农药的使用量，降低水源污染及畜产品的污染，顺应目前市场对绿色畜产品的总体要求[6]。在农区实行草田轮作，一方面，能够产出畜产品等动物性饲料——牧草，改善国民膳食结构，促进畜牧业发展；另一方面，引草入田，还能够打破传统的耕地模式与畜牧业用地的分割现象，实现二者的有机结合，改变以往“以粮为纲”的思想观念和单一的耕地利用方式，能够较大程度地提高单位农耕地的食物产出量[7-8]。 除此之外，还可及时根据粮食的需求调整种植结构，“藏粮于草”是一种经济且安全的耕作模式[9]。但是有关苜蓿轮作农作物的种植模式，目前研究很少，特别是对其轮作后茬作物的影响知之更少。为此，本研究通过多年生的苜蓿田种植后，轮作小麦与其他实际农业生产中的常用轮作模式进行比较，探究苜蓿田轮作对其后茬作物小麦产量及生理指标影响的内在机制，寻求一种适宜在农区种植的、后茬作物维持高产、稳产的合理种植模式，对科学地经营与管理农区草地具有十分重要的理论与现实意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究试验地位于山东省胶州市胶莱镇的青岛农业大学现代农业科技示范园内(N 36°26′21.51″，E 120°04′43.29″)。该地区属于暖温带季风性气候，因濒临海洋，兼具海洋性气候特征。冬暖夏凉，雨热同期，四季分明。该地区年平均气温14 ℃，年降水量约为686.5 mm，平均气压为101.56 kPa，无霜期为205.5 d，年平均日照时数为2411.6 h[10]。

1.2 材料与处理方法

选择连续种植4年的紫花苜蓿“三得利”试验田来轮作小麦(品种“济麦22”)；以前期种植玉米(品种“郑单958”)、大豆试验田同时进行轮作小麦(品种“济麦22”)作为对照处理。小麦生长间隔期种植玉米。田间试验工作于2012年10月开始，2014年10月截止，为期2年。

苜蓿-小麦轮作(alfalfa-wheat，AW)：2012年9月苜蓿收获第4茬后，对该土地深层土壤进行翻耕，收捡残留苜蓿根，及时耙地耕地，使地面平整，于10月19日机播小麦，深度3～4 cm，行距15 cm左右，播量为225 kg·hm-2。2013年6月25日小麦收获后休闲季(2013年6月28日)机播玉米，深度5 cm左右，留苗60000株·hm-2。2013年10月4日玉米收获后，进行第2年的轮作实验。具体耕作时间为2013年10月15日播种小麦，2014年6月12日收割；2014年6月20日播种玉米，2014年10月1日收获；田间轮作试验结束。玉米-小麦轮作(corn-wheat，CW)：2012年10月前茬玉米收获后，后茬种植小麦-玉米进行轮作；后续第2年的田间操作同苜蓿-小麦轮作方式。大豆-小麦轮作(soybean-wheat，SW)：2012年10月前茬大豆收获后，后茬种植小麦-玉米进行轮作；后续第2年的田间操作同苜蓿-小麦轮作方式。

1.3 小麦产量及生理指标测定

1.3.1小麦产量的测定 在上述3种轮作模式下，分别于小麦成熟期(2013年6月25日、2014年6月12日)进行取样分析。每试验区随机选取3个1 m×1 m的样方，将小麦植株连根系拔出，用剪刀从根茎结合处将根剪去，将地上部分为茎叶和穗两部分，分别装入编好号的网袋，称其鲜重，样品自然风干后麦穗脱粒，测定小麦籽粒产量，麦穗出籽率，地上部生物量，计算公式参照邢君等[11]和韦海斌[12]的方法。

籽粒产量(kg·hm-2)=每hm2穗数×穗粒数×千粒重(g，以品种审定公告数据为准)×0.85(测产系数)×10-6

出籽率=(20个穗籽粒重量/20个穗重)×100%

地上部生物量(kg·hm-2)=去粒植株鲜重×(整株植株烘干重/整株植株鲜重)×每hm2株数

1.3.2生理指标的测定 在上述3种轮作模式下，对小麦生长重要时期(孕穗期、抽穗期、灌浆期、成熟期)进行下列指标的测定。

叶色值(soil and plant analyzer development，SPAD)，叶面积指数(leaf area index，LAI)：每区选取20株生长状况基本相同的小麦植株，通过SPAD-502便携式叶绿素测定仪测量小麦旗叶叶绿素的相对含量；参照郑春和[13]的方法计算叶面积指数。每个试验区选取10株小麦叶片,使用便携式光合仪(TPS-1光合作用测定仪)测定小麦旗叶光合速率(net photosynthetic rate，Pn)及蒸腾速率(transpiration rate，Tr)。硝酸还原酶(nitrate reductase，NR)活性[14-16]：取样日当天待小麦叶片进行一定时间的光合作用后(16:00左右)，不同试验区分别选取20株，带根拔出，迅速带回实验室，采用磺胺显色法进行测定[17]。

1.4 统计分析

采用Excel 2003初步整理实验数据，用SAS 9.1进行单因素方差分析(ANOVA)和显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同轮作模式下2年试验期内小麦产量的变化

连续两年检测结果显示，苜蓿田轮作种植小麦较玉米、大豆轮作后续种小麦产量显著增加(表1)。4年生苜蓿翻耕轮作小麦，2013年AW处理小麦的产量较CW、SW对照组增加了27.45%、56.55%(P<0.05)；地上部生物量AW处理较SW对照组增加了64.17%(P<0.05)，较CW对照组差异不显著。2014年AW处理小麦的产量较CW、SW对照组增加了52.41%、46.00%(P<0.05)；地上部生物量AW较CW、SW对照组增加了70.96%、87.58%(P<0.05)。3种模式处理情况下，小麦的果穗出籽率差异均不显著。

表1 不同轮作模式下2年试验期内的小麦产量Table 1 Wheat production in the 2-year test period under different cropping patterns

AW: 苜蓿-小麦轮作Alfalfa-wheat; CW: 玉米-小麦轮作Corn-wheat; SW: 大豆-小麦轮作Soybean-wheat. 同列不同字母表示差异性显著(P<0.05)。Different small letters in the same column indicate significant differences (P<0.05).

2.2 不同轮作模式下小麦不同生育时期旗叶叶色值(SPAD值)的变化

苜蓿-小麦轮作模式下旗叶叶色值在4个时期均显著高于玉米、大豆轮作小麦模式。特别是在孕穗期和灌浆期，两年的结果差异性非常明显。而玉米和大豆的两种轮作模式两年间差异不明显(图1)。

2.3 不同轮作模式下小麦不同生育时期叶面积指数(LAI)的变化

在两年的试验中，苜蓿轮作模式下小麦叶面积指数均最高，且2年间没有大的变化；而大豆与玉米轮作模式相近。第2年的玉米和大豆的两种轮作模式间虽有差异，但差异性较小(图2)。

2.4 不同轮作模式下小麦不同生育时期旗叶净光合速率(Pn)的变化

连续两年小麦4个重要时期的旗叶净光合速率(Pn)如图3所示。在两年的试验中，玉米、大豆轮作模式下均表现出相同规律，即孕穗期旗叶的净光合速率较高；随着抽穗期灌浆期的到来，净光合速率基本变化不大，成熟期显著开始下降；但在苜蓿-小麦轮作模式下，抽穗期与灌浆期的光合速率升高的比较显著。而到成熟期下降的也更少。

2.5 不同轮作模式下小麦不同生育时期旗叶蒸腾速率(Tr)的变化

两年试验中苜蓿-小麦轮作模式下孕穗期旗叶的蒸腾速率均最低；以后各个时期的蒸腾速率逐渐升高，在成熟期均处于最高水平，而其他轮作模式这一特征不是很明显(图4)。

图1 2013和2014年不同种植模式下小麦旗叶叶色值Fig.1 SPAD of wheat flag leaf under the different planting patterns in 2013 and 2014 不同小写字母表示差异显著(P<0.05),下同。Different letters indicate significant differences (P<0.05), the same below.

图2 2013和2014年不同种植模式下小麦旗叶叶面积指数Fig.2 LAI of wheat flag leaf under the different planting patterns in 2013 and 2014

图3 2013和2014年不同种植模式下小麦旗叶净光合速率Fig.3 Pn of wheat flag leaf under the different planting patterns in 2013 and 2014

2.6 不同轮作模式下小麦不同生育时期旗叶硝酸还原酶(NR)活性的变化

在第1年，苜蓿-小麦轮作模式，硝酸还原酶活性4个时期都显著高于其他两种模式；第2年，差异不显著。不论哪种模式，硝酸还原酶活性在小麦的各个生长期均呈先增后降的趋势，抽穗期处于最高水平(图5)。

2.7 不同轮作模式下2年试验期内小麦产量与生理指标间的相关性

为探究小麦产量与生理指标间的相互关系，对这3种模式处理下各个生理指标与小麦产量进行了回归分析(表2)。表明小麦产量与旗叶叶色值、叶面积指数、旗叶净光合速率、蒸腾速率、硝酸还原酶活性呈现较为明显的相关性，说明不论何种模式，这几个生理指标都表现出对小麦产量的提高有明显的促进作用，特别是在多年生苜蓿田改种小麦轮作模式后，在种植第一年利用氮肥效率更高，光合作用提高更加明显。

图4 2013和2014年不同种植模式下小麦旗叶蒸腾速率Fig.4 Tr of wheat flag leaf under the different planting patterns in 2013 and 2014

图5 2013和2014年不同种植模式下小麦旗叶硝酸还原酶活性Fig.5 Nitrate reductase (NR) activity of wheat flag leaf under the different planting patterns in 2013 and 2014

生理指标Physiological indicators测定时期Measurement period回归方程Regression equation回归系数Regression coefficients (R2)旗叶叶色值Soil and plant analyzer development各时期平均Average of each periody=122.41x+93.9450.8330叶面积指数Leaf area index各时期平均Average of each periody=1334.8x+1991.70.9876旗叶净光合速率Net photosynthetic ratio孕穗期Booting stagey=-251.42x+110280.5616灌浆期Milk-filling stagey=213.54x+1692.30.5018成熟期Maturity stagey=218.47x+4806.40.7594旗叶蒸腾速率Transpiration ratio孕穗期Booting stagey=-1523.6x+120760.8462成熟期Maturity stagey=676.94x+2427.50.5949硝酸还原酶活性Nitrate reductase activity各时期平均Average of each periody=151.04x-402.330.7226

3 讨论与结论

草田轮作是推动农业、畜牧业、草业实现可持续发展的重要措施。在我国南方农区，利用牧草产业发展其他行业(如畜牧业、渔业等)、扩大肥料来源、增加土壤肥力。有研究表明，水稻连续轮作造成土壤变差，水稻和马铃薯、油菜等轮作的土壤全氮(total nitrogen，TN)和土壤有机质(soil organic matter，SOM)，产量与TN/SOM之间的正相关关系为水稻油菜轮作对水稻产量的影响提供了证据[18]。所以，实行草田轮作不仅能改善土壤和生物多样性，还能使农区获得更大收益，以实现其科学发展[19]。宁夏东部盐池县城郊实行苜蓿与马铃薯等作物分别进行轮作，土壤肥力情况得到很大改善，土壤中微生物数量显著增加[20]。甘肃靖远县的草田轮作制度大大增加了该地区植被覆盖率，并且极大地改善了甘肃省及其周边的绿色生态环境[21]。

本研究连续两年的轮作模式研究中，苜蓿-小麦轮作模式下较其他两种轮作模式小麦旗叶叶色值和叶面积指数与籽粒产量呈现较明显的正相关关系 (R2=0.8330；R2=0.9876) ，说明多年苜蓿田种植后轮作小麦模式有利于后茬作物小麦的叶色改善和叶面积的提高，从而保障其高产和稳产，是一个比较有效的种植模式。众所周知，农作物产量高低不仅受到其光合强度的影响，其叶面积的多少也是决定性因素。王强生等[22]和高海涛等[23]的试验提出，采用一定的措施，提高小麦的叶面积系数和叶绿素的含量，能够使小麦保持较强的光合效率、维持较高的灌浆速度，延长叶片的功能期，而且能够很好地协调产量和各影响因素之间的相互关系，提高小麦的千粒重和结实小穗数量，从而能够起到增产效果。另外，本研究中也发现苜蓿-小麦轮作后，可以显著提高后茬作物小麦的净光合速率、降低其蒸腾速率，特别是在轮作第一年效果比较明显，对其产量影响较大。

有研究表明，谷类作物在分蘖期最易受到土壤板结和涝害的危害，如果生长条件差，作物在茎伸长阶段分蘖数减少，从而导致穗数减少，谷物产量损失[24]。Abid等[25]研究结果表明，严重干旱胁迫下，低氮情况下，植物在干旱胁迫期间光合作用和叶绿素(chlorophyll，Chl)荧光显著下调，灌浆速率加快，开花后缩短灌浆持续时间(grouting filling duration，GFD)，并减少粮食产量。但在高氮情况下，虽然遭受干旱胁迫，但是高氮能够保持植物较高的叶水势，使其增加植物对干旱的耐受性，相应地增加作物产量。本研究表明，各种轮作方式对后茬作物小麦净光合速率主要是灌浆期(R2=0.5018)、成熟期(R2=0.7594)和籽粒产量相关程度比较高，对其产量影响较大，其他时期相关程度比较小，说明无论哪种种植模式，都主要是通过对其后期光合速率的影响提高其产量。

有学者研究发现，在自然界中，除有机氮化合物外，植物主要吸收的氮是铵态氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3--N)，铵态氮可以被直接吸收利用，而硝态氮需要硝酸还原酶(NR)还原后转换成铵态氮被吸收和利用，从而提高作物产量和品质[26]。本试验的结果表明无论哪种种植模式，小麦整个生长期内的NR活性一直保持很高的水平，与小麦籽粒产量间(R2=0.7226) 存在一定正相关关系。特别是在苜蓿-小麦轮作模式下，第1年后茬作物小麦的NR活性持续高于其他两种轮作模式，且在第2年继续轮作种植时仍然保持较高的活性，说明苜蓿地轮作可以改善其后茬作物对氮肥的利用，有利于小麦产量的积累。

综上所述，本研究得到以下结论：1)苜蓿-小麦轮作模式下，后茬作物小麦的产量明显优于其他两种轮作模式。2)苜蓿-小麦轮作模式下，后茬作物的生理指标如旗叶叶色值、叶面积指数，在生长的4个重要时期均显著高于玉米、大豆轮作小麦模式；叶色值大小与小麦产量呈正相关关系，小麦旗叶叶色值越大，产量越高；小麦籽粒产量与其生长的灌浆期、成熟期的净光合速率提高、孕穗期蒸腾速率越低、成熟期蒸腾速率提高具有更高的相关性。3)硝酸还原酶活性在苜蓿-小麦轮作模式中持续保持较高的水平，说明苜蓿田轮作可以改善后茬作物对氮肥的利用率，达到后茬作物的持续高产稳产。所以，苜蓿田轮作小麦种植模式对后茬作物小麦产量及生理指标有明显的促进作用，明显高于其他两种农业生产中的常用模式，且能提高后续作物产量，适宜在农区进行推广，是一种较为适宜的草田轮作模式。