雨养模式下不同轮作模式对谷子光合效率及产量的影响

时丽冉 高汝勇 王玲宝 孙东 刘朋程 李明哲

(1.衡水学院生命科学系，河北 衡水 053000；2.河北鲜达农业科技有限公司，河北 衡水 053000；3.河北省农林科学院旱作农业研究所/河北省农作物抗旱研究实验室，河北 衡水 053000)

引言

谷子是我国主要的特色杂粮作物，种植历史悠久，在禾谷类作物中营养价值最高。种植范围主要分布在我国的西北、华北和东北的干旱、半干旱地区。谷子生育期短，适应性强，具有耐干旱、耐贫瘠的生理特点[1]。谷子在我国北方的生长周期为每年的6—10月，其它时期可种植其它作物，这种在同一块耕地科学有序地换种不同作物的种植方式称为轮作[2]。不同作物对于养分的需求有所不同，因此与连作相比，合理地轮作倒茬有利于作物均衡利用土壤中的营养元素，避免过度损耗土壤肥力，甚至有些轮作方式可以提高土壤肥力，还可以降低病虫害及杂草造成的危害。

围绕谷子连作以及轮作问题，前人做了一些研究。张丽娜等[3]研究了连作和玉米轮作方式下谷子叶片构型以及叶绿素、氮素含量的不同，认为连作种植谷子不符合可持续发展的种植理念，应选择合适的作物轮作制度，以实现谷子高产稳产。卢成达等[4]研究结果表明，采用轮作种植模式后，谷子的产量以及叶片光合性能比长期定点连作方式显著增加。但谷子与不同作物轮作模式的比较研究还较少，徐丽霞等[5]研究了山西省谷子与玉米、马铃薯、大豆等的轮作模式，与连作相比，谷子旗叶过氧化物酶、超氧化物歧化酶和多酚氧化酶活性均显著增加，光合性能也显著提高，白发病发病率显著降低，谷子产量也得到提高。因此，根据不同谷子产区的生态特征和经济需求，选择科学的轮作制度，筛选适合本地区的轮作倒茬作物，提高土地利用率，继而提高农业生产的经济效益，是当下谷子研究领域值得关注的问题。

本研究通过对雨养节水模式下5种不同轮作模式下谷子叶绿素、氮平衡指数、光合效率等生理指标及产量的研究，探究最佳的轮作模式，促进谷子产业的可持续发展。

1 材料与方法

1.1 试验时间与地点

试验在河北省旱作所护驾迟实验站进行(N37°53′27″，E115°42′45″)。试验时间为2020年6月—2022年10月。

1.2 试验材料与方法

1.2.1 试验材料

试验设计为随机区组，共设5种轮作方式处理，分别为小麦-谷子、小黑麦-谷子、二月兰-谷子、油菜-谷子、毛叶笤子-谷子，以休闲-谷子(只种植-季谷子)为对照。3次重复。

1.2.2 试验设计

采用谷子雨后抢墒播种、全生育期不灌溉的雨养模式，或全生育期只进行1次灌溉，即谷子播种时造熵1次，与谷子轮作的经济作物小麦和小黑麦实现播种时造熵1次，其它生育期不灌溉。与谷子轮作的绿肥作物油菜、二月兰和毛叶笤子在谷子生长降雨集中期套播。种植模式见表1。

表1 种植模式

1.3 指标测定方法

在轮作的第3年，谷子灌浆期进行光合性能相关指标的测定。

Dualex植物多酚-叶绿素仪测量小麦叶片叶绿素及氮平衡指数、类黄酮含量，每个处理取旗叶上、中、下3个位置进行测定，避开大叶脉，随机测定10株。

便携式光合测定系统CIRAS-3测定谷子灌浆期旗叶的主要光合指标，包括净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、CO2浓度。测定时避开大叶脉，测定叶片中间位置，随机测定10株。

谷子收获期测定籽粒产量。

1.4 数据处理

使用Microsoft Excel软件对数据进行处理和分析，SPSS 19.0软件进行差异显著性分析

2 结果与分析

2.1 不同轮作模式对谷子叶绿素、类黄酮、氮平衡指数的影响

叶绿素是光合作用过程中最重要的光合色素之一，叶片中叶绿素含量的高低是反映其光合能力的一个重要指标，能够反映植物的生长状况。植物类黄酮(FLAV)是具有广泛生物活性的次生代谢物质，属多酚类化合物，具有抗氧化的作用，对植物胁迫非常敏感。NBI(氮平衡指数)是通过叶绿素和类黄酮的比值计算出来，是反映作物长势的重要指标，NBI已证实能够更精确、更灵敏地反映作物的氮素营养状况[6]，叶片中单位面积氮含量直接影响植物叶绿素的构建。

从表2可以看出，5种不同轮作模式与连作相比，叶绿素、氮平衡指数均增高，类黄酮指数降低。不同的轮作模式变化幅度不同，油菜-谷子增长最多，氮平衡指数与对照相比增加30.2%，叶绿素相对含量增加4.8%，其次是毛叶笤子-谷子。小麦-谷子、小黑麦-谷子、二月兰-谷子表现次于油菜和毛叶笤子，但与对照相比差异也达到了显著水平。类黄酮的变化相反，5种轮作模式下均低于连作对照，油菜-谷子和毛叶笤子-谷子减少最多。

表2 不同轮作模式对谷子叶绿素、类黄酮、氮平衡指数的影响

2.2 不同轮作模式对谷子光合特征的影响

光合作用是植物进行有机物积累的过程。气孔是植物叶片与外界环境进行气体交换的主要通道，其在控制水分损失和获得碳素即生物量产生之间的平衡中起着关键的作用，并且与蒸腾作用有密切关系，二者呈正相关。

由表3可以看出，不同轮作模式和休闲谷子相比，净光合速率增大，气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率也都增加，差异显著。油菜-谷子轮作模式下，这几个指标增加幅度最大，净光合速率增加了12.9%，气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率增加的幅度也最大，其次是毛叶笤子-谷子。另外3种轮作模式这几个光合指标也表现为升高，但升高幅度低于油菜和毛叶笤子。

2.3 不同轮作模式对谷子产量的影响

不同的轮作模式显著影响作物产量，由表4可知，与对照连作谷子相比，轮作后的谷子产量全部提高20%以上，差异达到了显著水平。油菜-谷子轮作模式下产量最高，产量达243kg·667m-2，比休闲-谷子模式185kg·667m-2增加了31.3%，其次是毛叶笤子-谷子。小黑麦-谷子轮作产量提高最少，但也比连作模式增加了20%。

表3 不同轮作模式对谷子光合性能指标的影响

表4 不同轮作模式对谷子产量的影响

3 讨论

有研究表明，谷子连作种植会产生生长发育不良、品质产量下降。李夏等[7]通过研究谷子连续2年、3年、4年的连作，发现连作影响谷子功能叶片的代谢，随着连作年限的增多，叶片功能期缩短，植株衰老加剧，最终导致谷子产量降低。从土壤角度研究，连作导致土壤酶活性降低、土壤养分失调、容重增大、孔隙度下降、土壤质量下降等连作障碍现象，不利于耕地资源的可持续利用[8]。在土地资源和水资源匮乏的情况下，改变连作这种不科学的田间生产方式，通过合理的轮作方式、节水方式，提高土地利用率是可持续发展农业的发展方向之一。

本实验表明，在雨养模式下，谷子连作与轮作相比，产量及影响产量的重要生理指标均有显著变化。

用多酚-叶绿素仪测定的几个参数，表现为叶绿素含量提高、氮平衡指数提高、类黄酮含量降低。本实验采用的是在田间无损状况下快速测量谷子叶片单位面积叶绿素的相对含量，不影响谷子的光合作用。氮平衡指数是指单位面积氮含量，氮素直接影响植物叶绿素的合成。因此，叶绿素含量和氮平衡指数呈正相关，氮素与光合作用也呈正相关。李映雪等[9]研究结果表明，不同小麦品种籽粒蛋白质含量与不同时期的叶片氮含量均呈正相关关系。宋森楠[10]的研究表明，冬小麦各生育期的氮平衡指数与籽粒蛋白质相关性均达到了极显著水平，其中灌浆中后期最为准确。本文研究表明，不同轮作模式下谷子灌浆期叶片的氮平衡指数也显著提高，这有利于谷子籽粒蛋白质的积累，从而提高产量。轮作后谷子类黄酮含量比连作降低，表明连作对谷子生长已造成一定程度的胁迫，轮作模式能为谷子生长提供适宜的土壤环境及营养条件。

不同轮作模式下，谷子叶片净光合速率明显提高，光合速率体现的是叶绿体将光能最终转化为稳定化学能的能力，是叶片进行光合作用的最终结果。不良环境会造成植物光合速率的降低。高水平的净光合速率有利于谷子植株的生长，提高有机物的积累。气孔导度的增大，导致进入气孔的胞间CO2浓度增大，对光合速率也有促进作用。气孔增大也引起蒸腾速率增大，这些变化代表轮作模式下谷子生长较旺盛。

最后的产量也表明，几种轮作模式下谷子的产量比连作模式产量显著提高。在5种不同的连作模式中，油菜-谷子产量提高最多，其次是毛叶笤子-谷子。

前人的研究表明，轮作之所以有利于植物的生长，原因在于轮作可以改善土壤营养成分，轮作后的土壤由于根际分泌物，土壤中微生物的丰富度提高，微生物参与土壤养分元素的转化，对土壤团粒结构也有影响[11]。本试验的5种轮作模式中，小麦采用了收获籽粒后秸秆还田的模式，3种绿肥二月兰、油菜、毛叶笤子均采取了粉碎还田的种植模式，而小黑麦主要用途为饲草，所以没有进行秸秆还田，这也是导致不同轮作方式土壤肥力有区别的原因。至于5种轮作模式对土壤营养元素及微生物的影响还有待于进一步研究。

4 结论

本试验设计了5种不同轮作模式，经过3年积累，均能缓解连作造成的障碍，对谷子生长有明显的促进作用，实现了改良土壤的作用。从经济效益角度考虑，小麦-谷子、小黑麦-谷子虽然增加产量不及油菜和毛叶笤子，但能够实现2季作物的收获，经济效益最高，而油菜和毛叶笤子对土壤肥力的贡献最大，有利于科学养地。本研究为优化谷子种植模式提供了科学依据。