不同种植模式对连作棉花根系生长和生理指标的影响

吴国丽，魏飞，刘建国，王超凡，马子豪，马怡茹

（石河子大学/ 新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子832003）

作物连作障碍是困扰现代农业生产的复杂问题，其形成机理与防治长期以来一直得到国内外学者的关注。 新疆是我国重要的棉花生产地区，虽然棉花是耐连作的作物，但大面积长时间连作仍然导致了严重的连作障碍[1-2]。多年棉花连作改变了土壤的理化性质，使土壤有益微生物减少、有害微生物增加，导致土传病害加重，产量、品质下降，这严重影响了新疆棉花可持续发展[3-5]。缓解棉花的连作障碍已经成为棉花在新疆绿洲长期种植的重要问题；因此，改革耕作制度，探索绿色健康种植模式对缓解棉花连作障碍具有现实意义。

不同作物连作障碍发生的原因差别很大，但主要来自土壤。 作物长期连作造成连作障碍主要是影响土壤环境，而根系的生长和代谢活性变化是对土壤环境变化的最直接反应[6-8]。有关间作、轮作对根际微生态的影响及其对连作障碍影响方面的研究表明：与连作5年高粱相比，连作3年高粱再与苜蓿、葱轮作可明显促进下茬高粱总根长、 根总表面积及根体积[9]；马铃薯的轮作较连作显著提高了块茎产量、植株生物量及经济生产力，连作马铃薯根际真菌群落结构发生了显著变化[10]；马志鹏等[11]研究表明玉米、大豆间作模式较玉米单作模式在根量、根系表面积、根系体积和根长均有提高，故玉米、大豆间作能改善根系特征，提高土壤有机质及土壤抗腐蚀性；小麦与蚕豆间作改变了蚕豆根际的微生态环境，使根际土壤朝着健康方向转化，最终缓解了蚕豆连作障碍的不良影响[7]。 加强绿色调控技术研发，配置合理的间作和轮作模式, 利用生物多样性调控根际土壤环境，达到缓解棉花连作障碍的目标，为新疆绿洲棉花生产的优质、生态和安全提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2016—2017年在新疆石河子大学农学院试验站（86°03′E，45°19′N）长期连作试验田，试验站海拔404 m，年日照时间超过2 700 h，无霜期在170 d 左右，大于10 ℃的活动积温在3 650 ℃，年平均气温7 ℃，年降水量在205 mm，为温带大陆性气候，降水量少，光热资源充足，是典型的绿洲灌溉农田。供试土壤为棉花连作30年土壤，土壤质地为壤土，土壤pH 7.56，碱解氮含量119.08 mg·kg—1，有效磷含量20.1 mg·kg—1，有效钾含量72.6 mg·kg—1。

1.2 试验设计

土壤取自石河子大学农学院试验站棉花长期连作定位试验田，试验材料选择连作30年的棉田，共设5 个处理（见表1），每处理重复9 次。

表1 试验设计

1.3 试验方法

采用根箱法，根箱尺寸设计为：宽60 cm、高50 cm、厚15cm，一面为透明塑料板，便于观察根系，每个根箱装等质量土壤。 每箱种植3 株棉花，株距15 cm，棉花间作孜然和间作洋葱处理在2 株棉花之间种植洋葱、孜然，种植比例为3∶2。 根箱种植后透明塑料面向下倾斜30°放置，有利于根系往透明塑料板方向生长，便于观察取样。 采用的棉花品种为新陆早45 号，于4月25日播种，在棉花花铃期打开根箱，用喷壶冲刷根系取样，每处理取5 箱（15 株棉花）根系样品分析棉花根系生长特征，4 箱（12 株棉花）根系样品测定生理活性。

1.3 测试项目及方法

1.3.1根系生长指标。在棉花苗期、蕾期和花铃期打开根箱侧板用数码相机拍照、获取不同生育期根系生长图片； 在棉花花铃期采集不同处理的根系，根系采集后用清水洗净，使用扫描仪扫描根系图片，使用WinRHIZO 软件处理图片获得根系指标：根长度、根体积、根表面积。

1.3.2根系生理指标测定。根系活力采用TTC（氯化三苯基四氮唑）还原法测定，根系SOD（超氧化物歧化酶）活性测定采用氮蓝四唑（NBT）法，根系POD（过氧化物酶）活性使用愈创木酚法测定，根系CAT（过氧化氢酶）活性测定采用高锰酸钾滴定法，根系可溶性蛋白含量采用考马斯亮兰法进行测定，根系MDA（丙二醛）含量测定采用硫代巴比妥酸比色法。

2 结果与分析

2.1 不同种植模式对棉花根长的影响

由图1 可见，在棉花苗期，与对照相比，间作孜然和轮作小麦处理的棉花根长分别增加139.2%和150.4%，且差异显著；间作洋葱和轮作苜蓿处理分别增加57.8%和降低22.9%，但差异不显著。 在棉花蕾期，间作洋葱、轮作小麦和轮作苜蓿处理的棉花根长显著大于对照处理，分别增加285.32%、124.4%和62.5%；间作孜然处理的根长度也大于对照（增加31.3%），但差异不显著。 在棉花花铃期，与对照相比，间作洋葱、间作孜然、轮作苜蓿和轮作小麦处理的根长度均有所增加，增幅分别为242.5%、7.5%、43.3%和103.6%，其中，间作洋葱、轮作苜蓿和轮作小麦处理的根长与对照相比达显著水平（P＜0.05）。 在蕾期和花铃期不同处理对棉花根长的影响均表现为： 间作洋葱＞轮作小麦＞轮作苜蓿＞间作孜然。

图1 不同种植模式对棉花根长的影响

2.2 不同种植模式对棉花根表面积的影响

图2 不同种植模式对棉花不同时期根表面积的影响

不同处理对棉花根表面积的影响见图2。 在棉花苗期，间作洋葱、间作孜然和轮作小麦处理的根表面积显著大于对照，分别增加199.5%、127.8%和140.1%；轮作苜蓿处理的根表面积低于对照处理（下降20.2%），但差异不显著。在棉花蕾期，间作洋葱和轮作小麦处理的根表面积显著大于对照，增幅分别为188.8%和86.3%，间作孜然和轮作苜蓿处理的根表面积分别比对照增加22.9%和31.6%，但差异不显著。在棉花花铃期，与对照相比，间作洋葱、间作孜然、 轮作苜蓿和轮作小麦处理的根表面积分别增加242.5%、41.6%、63.3%和164.6%，其中间作洋葱和轮作小麦处理与对照相比差异达显著水平（P＜0.05）。

2.3 不同种植模式对棉花根体积的影响

由图3 可见，随着生育期的推进不同处理棉花根体积逐渐增加。在棉花苗期，间作孜然、间作洋葱和轮作小麦处理的根体积显著大于棉花连作处理，分别增加112.4%、121.8%和129.5%。 在棉花蕾期，间作洋葱、间作孜然、轮作苜蓿和轮作小麦处理的根体积分别比棉花对照增加216.9%、7.6%、49.2%和118.4%，其中间作洋葱、轮作苜蓿和轮作小麦处理与对照差异显著（P＜0.05）。 在棉花花铃期，与对照相比，间作洋葱、间作孜然、轮作苜蓿和轮作小麦处理的根体积均增加，增幅分别为236.5%、73.6%、11.6%和42.5%，其中间作洋葱处理与对照差异显著。

图3 不同种植模式对棉花根体积的影响

棉花根体积增长速率（比较同时段根体积增加量） 在不同生育阶段均表现为间作洋葱＞轮作苜蓿＞轮作小麦＞棉花连作＞间作孜然，苗期到蕾期根体积增长量分别是2.11 cm3·d—1、1.08 cm3·d—1、0.95 cm3·d—1和0.47 cm3·d—1，蕾期到花铃期的增长量分别为8.68 cm3·d—1、5.12 cm3·d—1、2.73 cm3·d—1和2.38 cm3·d—1。

2.4 不同种植模式对棉花根系活力及抗氧化保护酶活性的影响

图4 不同种植模式对棉花（鲜物质质量）根系活力、SOD、POD 和CAT 活性的影响

不同处理对棉花根系活力及抗氧化保护酶活性的影响见图4。 结果表明，不同间作及轮作处理的根系活力均大于对照，各处理棉花花铃期根系活力的表现为间作洋葱＞轮作小麦＞间作孜然＞轮作苜蓿＞对照，其中间作洋葱和轮作小麦根系活力显著大于对照，分别比对照增加53.6%和38.9%；间作孜然、 轮作苜蓿分别比对照增加17.3%和13.7%，但差异不显著。在棉花花铃期，间作洋葱、间作孜然、 轮作苜蓿和轮作小麦处理的根系SOD 活性与对照相比分别增加66.8%%、3.66%、28.9%和53.3%，其中间作洋葱、轮作苜蓿和轮作小麦处理与对照差异显著。 间作洋葱、轮作苜蓿和轮作小麦处理的根系POD 活性大于对照，增幅分别为125.4%、53.8%和94.4%，且差异显著；间作孜然处理的根系POD 活性也大于对照（增幅16.59%），但差异不显著；间作洋葱、轮作苜蓿和轮作小麦处理的根系CAT 活性显著大于对照，分别比对照增加110.7%、101.7%和124.7%；间作孜然处理比对照增加16.6%，但差异不显著。

2.5 不同种植模式对棉花可溶性蛋白含量的差异

从图5 可知，与对照相比，不同间作和轮作处理均增加棉花根系可溶性蛋白含量，其中轮作苜蓿处理增加44.2%、间作洋葱处理增加48.9%和轮作小麦处理增加50.7%，且差异均显著；间作孜然处理增加5.3%，但无显著差异。

图5 不同种植模式对棉花花铃期根系可溶性蛋白含量的影响

2.6 不同种植模式对棉花MDA 含量的影响

由图6 可见，各处理棉花根系的MDA 含量表现为对照＞间作孜然＞轮作苜蓿＞轮作小麦＞间作洋葱处理，不同间作和轮作处理均降低了棉花根系MDA 含量，均显著低于对间作洋葱显著低于间作孜然和轮作苜蓿，轮作小麦显著低于间作孜然。

图6 不同种植模式对棉花花铃期根系MDA 含量的影响

3 讨论

土壤中化感自毒物质的积累是作物连作障碍发生的重要原因之一，土壤根际环境的受根系分泌物、秸秆残茬腐解、地上部化感物质淋溶及微生物残体等释放的化感物质的影响，不同作物所释放的化感物质不同，不同作物对不同化感物质的敏感性也不同[7,12]，在单一连续种植条件下自毒化感物质在土壤中有积累的趋势，因此不同作物间作和轮作通过增加生物多样性，可以避免某些化感物质累积。同时间作对植物的养分有效利用和养分循环产生深刻的影响，也对植物的存活、竞争、演替和防御能力起着重要的调节作用[13-14]。 前期研究表明香草醛、对羟基苯甲酸、阿魏酸和香草醛是棉花的主要化感物质，引起棉花连作自毒障碍，并随连作棉花年限增加化感物质逐渐积累, 通过棉花间作洋葱、孜然和轮作苜蓿、小麦均降低了棉花根际土壤中对羟基苯甲酸、阿魏酸和香草醛的含量[15]。 本研究表明棉花间作洋葱、孜然和轮作苜蓿、小麦都可促进棉花根系发育，与连作31年棉花相比增加棉花根长、根表面积和根体积，并促进棉花根系代谢，增加棉花根系活力，SOD、POD、CAT 活性以及增加可溶性蛋白含量，研究结果与徐强等[16]研究认为线辣椒和玉米间作可通过增强根系活力等特征来加强对养分的吸收结论一致。长期连作土壤经轮作处理后能增加改变土壤微生物群落结构及土壤酶活性，能对作物根系生长发育起促进作用，进而影响地上部生长发育[17-19]。 小麦间作西瓜在西瓜定植40 d后，与西瓜单作相比，间作西瓜叶片MDA 含量和PAL 活性分别降低44.43%和8.68%，SOD 和PPO活性升高17.3%和84.5%[20]。 徐雪风等[21]研究连作马铃薯轮作油葵后种植马铃薯，改善了马铃薯叶片的光合作用及生理特性。 王劲松等[9]研究发现轮作促进了高粱地上部与根系的生长,这些研究与本试验结果一致。 本研究中，不同间作及轮作作物对连作棉花根系生长及生理代谢的影响能力不同，间作洋葱和轮作小麦棉花根系各项指标均高于间作孜然和轮作苜蓿，这可能是由于不同作物根系分泌物不同，调控根际土壤微生物群落、土壤生物活性的机理各有不同，从而对土壤微生物群落影响不同所造成的[22]。

4 结论

在棉花连作30年土壤基础上，棉花间作洋葱、间作孜然、轮作小麦和轮作苜蓿4 种种植模式均可以促进棉花根系发育，增加棉花根长、根表面积和根体积；促进棉花根系的生理活性，提高棉花根系活力, SOD、POD、CAT 活性以及增加可溶性蛋白含量。 不同种植模式间存在差异，4 种种植模式对棉花根系生长的影响表现为间作洋葱＞轮作小麦＞轮作苜蓿＞间作孜然处理。