轮作小麦消减胡麻连作障碍的效应研究

王立光，叶春雷，陈 军，李进京，罗俊杰

(甘肃省农业科学院生物技术研究所，甘肃兰州730070)

胡麻(Linum usitatissimum)为亚麻科亚麻属植物，是北温带地区1 a生自花授粉草本油用纤维作物。在我国，胡麻是西北和华北黄土高原地区重要的经济作物和油料作物，西北地区种植面积最大，华北次之。胡麻油因含有多种不饱和脂肪酸、维生素及木酚素等营养成分，食用可以预防高血脂症和动脉粥样硬化，成为人们越来越喜爱的商品食用油，致使对胡麻的需求量急剧增加［1］。但随着胡麻需求的不断增长和耕地面积的减少，胡麻连作障碍现象突出，导致胡麻产量下降，品质降低，已经成为制约胡麻生产的主要问题。

连作障碍是农业生产过程中经常出现的一种现象，早在公元前300年就被人们所认识。随着集约化种植程度提高，现代农业呈现单一连作种植特点，造成连作障碍现象越来越严重［2］。研究表明，轮作是一种传统而有效的农业种植模式，由于不同作物类型对土壤理化性质和酶活性等的影响也有很大区别［3］，利用不同作物轮作是克服连作障碍的有效途径之一［4-6］。选择正确的作物进行轮作不仅有利于提高农业生态系统的生产力，提高作物产量，也可以有效改善生态环境，消减连作障碍的危害。报道显示合理轮作是减轻黄瓜、烤烟、三七及马铃薯等作物连作障碍的有效措施［［5，7-10］。在长期的种植和研究中，科研人员对胡麻品种选育［11-13］、规范化种植［14］、深加工及胡麻油使用价值［1，15-16］等方面做了大量工作，并取得一系列科研成果，但对胡麻连作障碍的报道还比较少。实际生产过程中发现，随着胡麻种植年限增加，胡麻生长出现明显减退，胡麻连作障碍现象突出，而轮作小麦可以消减连作障碍的影响，但胡麻连作障碍现象和轮作小麦消减效果及其原因的研究较少，因此，本试验通过研究胡麻连作及轮作小麦对胡麻生长及产量、土壤酶活性、土壤自毒作用的影响，以期建立合理可行的减缓胡麻连作障碍的种植方式，为胡麻栽培及连作障碍的有效调控提供理论依据及技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验品种

试验用胡麻品种为陇亚10号，该品种抗倒伏、抗旱、落黄好、高抗枯萎病，适于甘肃省低位山、中位山旱地种植。小麦品种为陇春20号，由甘肃省农科院提供。

1.2 田间试验处理

田间试验设置胡麻连作1 a(TC1)、胡麻连作2 a(TC2)、胡麻连作3 a(TC3)和胡麻-小麦轮作(TR，首年种植胡麻，下年种植小麦，以此类推)处理，每个处理重复3次，随机区组排列，小区面积27 m2(6 m×4.5 m)。为防止小区间相互影响，小区间用宽60 cm、高50 cm土埂分割。胡麻种植时每小区播种相同数量胡麻种子，萌发一个月后统计出苗率及测定株高，每隔一个月测定株高1次，直至收获。收获后对胡麻每株产量及千粒重进行测定、统计分析。

1.3 土样采集

在收获后分别采集各处理的根际土壤，土壤样品采集采用“S”型布点，保证各处理10～12个采样点，每个小区采样土壤充分混合，剔除枯叶、腐叶。一部分土壤用于测定酶活性，一部分用于水提液制备。

1.4 土壤酶活性测定

土壤过氧化氢酶活性采用高锰酸滴定法测定［17］;碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定［18］;脲酶活性采用靛酚蓝比色法测定［17］;蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定［17］。

1.5 土壤水提液制备及自毒作用测定

分别称取40 g根际土壤置于棕色试剂瓶内，加入400 mL蒸馏水，充分震荡后置于摇床振荡提取48 h，过滤获得100 mg·mL-1浸提液母液(1 g·mL-1为1 mL蒸馏水中含有1 g所采样品干物质的提取液)，于4℃冰箱保存，用于后续试验。选取大小一致的胡麻种子(陇亚10号)，经20%NaClO消毒15 min，灭菌蒸馏水漂洗5次，均匀摆放在铺有两层滤纸，大小一致的90 mm灭菌培养皿中，每皿摆放40粒，分别加入不同浓度的提取液8 mL，对照组为蒸馏水(CK)，每个处理3次重复。将培养皿置于25℃恒温，光照12 h，黑暗12 h的人工气候室培养箱内培养，种子萌发以胚根突破种皮为标准。种子萌发过程中，每隔1 d加入对应的3 mL提取液，保持滤纸湿润，每隔24 h统计1次发芽数，第3天统计发芽势(GP)，第7天统计发芽率(GR)和发芽指数(GI)，挑选第一天萌发的幼苗10株，吸水纸吸干，测定根长(RL)、株高(SL)、根鲜重(RW)和苗鲜重(SW)。计算各处理发芽指数和活力指数(VI)并计算各指标的抑制率。计算公式如下:

发芽率(GR)=7 d正常发芽种子数/供试种子数×100%

发芽势(GP)=前3 d内正常发芽种子数/供试种子数×100%

式中，Gt为在第t天发芽的种子数;Dt为相应的发芽天数。

式中，S为第7天测得的整株幼苗鲜重(g)。

式中，Ti为测试项目的处理值，T0为对照值。RI＞0表示具有促进作用，RI＜0表示具有抑制作用。RI绝对值越大，表明其化感作用潜力(促进或抑制)越大。

综合效应(SE):以供体对同一受体各测试项目(发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数、根长、苗高、根鲜质量、苗鲜质量)的抑制百分率(RI)的算术平均值表示。SE＜0时表示抑制作用，SE＞0时表示促进作用，绝对值的大小代表综合化感作用强弱。

1.6 数据分析

利用Microsoft Excel软件对原始数据进行处理，通过SPSS 20.0软件，对数据进行单因子方差分析，用新复极差法(Duncan)做显著性分析，利用软件sigmaplot 10.0和Adobe Photoshop作图。

2 结果与分析

2.1 轮作小麦对胡麻生长及产量的影响

图1表明，随着胡麻连作年限的增加，表现出连作障碍，而轮作小麦具有显著的消减作用。TC3处理出苗率降低至67.8%，而TR处理出苗率较TC3显著增加，为 73.2%，与 TC1(73.5%)和 TC2(72.9%)处理无显著差异(图1A)。整个生长过程发现，萌发2个月内TC3处理株高虽略矮，但与同时期其他处理组间胡麻株高没有明显差异，生长1个月平均株高都在7 cm左右，生长2个月平均株高达到12 cm左右，从第3个月开始的后期生长过程中，TC3平均株高显著低于其他处理组，而TR处理胡麻株高与TC1无显著差异，收获时TC3胡麻株高仅为60.7 cm，而TR、TC1和TC2处理的平均株高分别为69.7、70.6 cm和69.1 cm(图1B)。收获后统计籽粒千粒重及单株胡麻籽粒产量发现，随着连作年限增加，胡麻籽粒千粒重降低，而TR处理可以明显提升籽粒千粒重(图1C);TR处理单株产量与千粒重的表现一致(图1D)。

2.2 轮作小麦对土壤酶活性的影响

胡麻连作导致土壤酶活性发生变化，轮作小麦可以消减连作对土壤酶活性的影响(图2)。土壤蔗糖酶测定表明，TC2处理其活性与TC1无显著差异，而TC3处理其活性降低至20.52 mg·g-1·d-1，TR处理与TC1土壤蔗糖酶活性分别为24.48 mg·g-1·d-1和 24.61 mg·g-1·d-1(图 2A)。过氧化氢酶活性随着连作年限增加逐渐降低，从TC1的2.35 mL·g-1·h-1降低到 TC2 的 2.16 mL·g-1·h-1，TC3处理其活性只有1.90 mL·g-1·h-1，轮作小麦后活性明显高于连作胡麻，其活性达到2.41 mL·g-1·h-1，与TC1土壤中过氧化氢酶活性无显著差异(图2B)。土壤脲酶活性随着连作年限增加表现出先降低后升高的趋势，而轮作小麦可以消减其活性降低的趋势，使酶活性保持在TC1处理土壤脲酶活性的水平(图2C)。轮作小麦后土壤碱性磷酸酶活性与TC1处理无显著差异，且明显高于TC2和TC3处理(图2D)。

图1 各处理胡麻出苗率、株高及产量Fig.1 The emergence rate，plant height and yield of different treatments

图2 各处理的土壤酶活性Fig.2 Soil enzyme activity of different treatments

2.3 土壤水提液对胡麻的化感效应

TR和TC2、TC3处理土壤水提液对胡麻种子发芽指数(GI)、发芽势(GP)、发芽率(GR)和活力指数(VI)表现出不同的化感作用，轮作可以消减由于连作导致的土壤水提液对种子萌发抑制作用增强的趋势(表1)。与CK和TC1相比，TR处理土壤水提液对种子萌发各项指标几乎没有改变，3组处理间无显著性差异。随着连作年限的增加，土壤水提液对种子萌发表现出明显的抑制作用，导致发芽指数、发芽率、发芽势和活力指数降低，且抑制作用随着连作年限增加而增强。由表2可见，在相同水提液浓度下，TR处理土壤水提液对种子发芽势和发芽率表现出的化感作用抑制率为-4.17%，明显低于TC2(-5.21%)和TC3(-9.38%)水提液的抑制率，但高于TC1(-2.08%)的水提液抑制率;对于发芽指数抑制率和活力指数抑制率，TR的化感作用抑制率最低，分别为-1.50%和1.51%，且明显低于TC1水提液对发芽指数(-7.50%)和活力指数(-1.51%)的抑制率。

表1 土壤水提液对种子萌发的影响Table 1 Effects of aqueous extracts from soil on seed germination indices

表2 土壤水提液对种子萌发和幼苗生长的化感自毒效应抑制率/%Table 2 The inhibition rate of allelopathy autotoxicity of aqueous extracts from soil on seed germination and seedling growth

由表3可见，TR土壤水提液对胡麻苗高和苗重的影响与CK、TC1和TC2土壤水提液的影响相比无显著性差异，苗高和苗重都分别维持在3.50 cm和50.0 mg左右，但与TC3土壤水提液处理具有显著性差异。TR土壤水提液对胡麻根长和根重的影响与TC2和TC3具有显著性差异，与CK和TC1土壤水提液处理无显著性差异。以CK为对照，TR土壤水提液对胡麻幼苗苗高和苗重表现出促进作用，与TC1无显著性差异;TC3土壤水提液对胡麻幼苗苗高和苗重表现出抑制作用，TC2土壤水提液对苗高的促进作用明显弱于TR和TC1，对苗重的影响与TR和TC1无显著差异。TR土壤水提液对胡麻幼苗根长和根重表现出微弱的抑制作用，但其绝对值与CK和TC1差异不显著，与TC2和TC3差异显著。

各处理土壤水提液对胡麻影响的综合效应为:TR≥TC1＞TC2＞TC3(图3)。TR处理土壤水提液综合效应表现为0.21%的微弱促进作用，TC1处理土壤水提液综合效应为-1.02%的弱抑制作用，而TC2和TC3土壤水提液综合效应表现为强的抑制作用，分别为-8.61%和-17.01%，且连作年限越久，抑制作用越强，说明轮作小麦改善了土壤的自毒效应，而连作种植加剧土壤的自毒作用。

3 讨论与结论

连作种植往往造成土壤环境恶化，导致生长发育状况变差，继而下茬产量下降，品质劣化。实施合理的轮作制度，既可以调节农田生态环境，改善土壤肥力、调节土壤酶活性，减少自毒物质积累，有利于作物生长和有益微生物的繁衍，又可以减少病原物存活，减少病害，提高作物产量［7，19-23］。本研究大田试验结果表明:胡麻连作导致连作障碍，对胡麻生长和产量造成不利影响，致使植株变矮，产量下降，而轮作小麦可以消减连作障碍的影响(图1)。

表3 土壤水提液对幼苗生长的影响Table 3 Effects of aqueous extracts from soil on seeding growth

图3 各处理胡麻生长的综合效应Fig.3 Synthesis effect of different treatments on oil flax growth

土壤酶在驱动土壤代谢、生物循环及土壤肥力等方面起着重要作用［24-25］，土壤酶活性通常被作为衡量土地肥力的指标。蔗糖酶参与土壤中碳水化合物的转化，使蔗糖水解为葡萄糖和果糖，转化为植物和微生物能利用的营养物质，其活力强弱反映土壤熟化程度和肥力水平［26］。本研究表明，TC3处理土壤蔗糖酶活性下降，TR与TC1或TC2的蔗糖酶活性没有显著性差异。过氧化氢酶可以将过氧化氢分解为水和氧气，解除过氧化氢的毒害作用，其活性在一定程度上反映了土壤微生物代谢的强度［27］。本研究结果显示，随着连作年限的增加，过氧化氢酶活性呈下降趋势，而TR处理过氧化氢酶活性未降低，保持在TC1酶活性水平。脲酶是土壤酶中唯一对尿素的转化作用具有重大影响的酶，尿素肥料只有经过脲酶水解才能被作物吸收利用，但脲酶活性过强，也会导致局部氨浓度增高不利于作物生长。本研究表明，随着连作年限增加，脲酶活性先降低后升高，而TR处理脲酶活性未发生变化，保持在连作1 a酶活性水平。土壤磷酸酶可以酶促分解各种有机磷化合物，为植物提供有效磷［28］。本研究表明，连作导致土壤碱性磷酸酶活性降低，但轮作无显著影响。本试验中胡麻连作年限与酶活性的关系与黄玉茜等［29］对花生连作研究和高杨等［30］关于荞麦连作对酶活性研究结果一致。通过4种土壤酶活性测定发现，轮作小麦处理酶活性保持在TC1处理土壤酶活性水平，这表明TR处理对胡麻连作障碍的消减作用，部分是通过保持土壤酶活性实现的。

化感自毒作用被认为是连作障碍的重要因素之一。自毒物质通过挥发、根系分泌、地上部分淋洗和植物残体分解等途径向环境中释放，对植物种子萌发及生长产生影响。郭俊霞等［31］研究表明，丹参连作土壤水提液对其幼苗生长具有抑制作用。马铃薯、花生、棉花、半夏和人参根系分泌物都具有明显的自毒作用，影响种子萌发及植株生长［32-36］。种子萌发及幼苗生长试验表明，随着胡麻种植年限的增加，土壤水提液对自身种子萌发和幼苗生长的化感自毒作用增强，抑制种子萌发及幼苗生长，而轮作小麦可以减弱自毒作用。本试验综合化感效应显示，连作后土壤水提液出现抑制作用，且化感自毒作用随着连作年限增加而逐渐增强，但是轮作小麦后，可以在一定程度上缓解自毒作用，表现出促进作用。该研究成果证实，轮作小麦可以通过改善土壤的化感自毒作用，消减胡麻连作障碍，从而利于植株生长和增加产量。轮作小麦可能通过减少土壤自毒物质的进入消减土壤内已有的自毒物质，从而达到对胡麻连作障碍的消减作用，当然也可能还存在其他方面的作用机制。因此，在胡麻种植中，利用小麦构建合理的轮作倒茬种植模式，有利于消减胡麻连作障碍的发生，对胡麻生产具有重要意义。