绿洲灌区水肥耦合对连作饲用型高粱‘近甜1 号’生长的调控效应

丁 亮，董建斌

（1.张掖市农业农村局, 甘肃 张掖 734000；2.张掖市肃南县马蹄乡畜牧兽医工作站, 甘肃 张掖 734000）

连作障碍是导致作物生长发育异常、品质和产量下降以及土壤地力衰退的重要原因之一[1]。高粱(Sorghum bicolor)是我国重要的酿造、粮食和饲料作物。然而，高粱是一种极不耐连作的作物，即使在正常的水肥管理下，连作种植也会出现生长适应性变差、土壤环境恶化，发生连作障碍问题[2-3]。因此，研究连作障碍对高粱生长发育、产量形成、种子品质及土壤生态环境造成的不良影响，对于阐明高粱连作障碍形成的原因、发生机理以及科学指导高粱栽培等具有极其重要的实践意义。目前，关于高粱连作障碍的研究主要集中于连作对高粱生长和土壤环境(理化性质、养分、微生物和酶活性等)、根系分泌物组成和化感物质等的影响[3-7]，轮作对连作高粱生长及其根际土壤环境的影响[8]，施肥对连作高粱生长规律、产量及品质的影响[9-10]，高粱自毒物质降解细菌的筛选[11]，以及调控措施对连作高粱生长及土壤微环境的影响[12]等方面。

‘近甜1 号’(BJ0601)高粱是中国科学院近代物理研究所通过重离子辐射诱变技术培育的，非常适合在我国西北干旱荒漠区沙荒地和盐碱地等土壤中大面积栽培，并且能获得优质高产(鲜产量达75～105 t·hm-2，茎秆可溶性糖25%～30%)的饲用兼糖用型新品种(认定编号：甘认粱2013001)。该优良品种表现出生物鲜产量极高，可溶性糖含量高，抗旱、抗寒、耐涝、耐盐碱性强，适应性广等显著特征，作为重要的能源、糖料和饲料作物在河西走廊地区广泛引种栽植[2]。研究表明，在生态环境恶劣、水资源短缺的河西走廊荒漠绿洲区，‘BJ0601’高粱在绿洲沙荒地种植中生长适应性良好，生物产量大且营养丰富，每年可收获2～3 茬，而且生产力和含糖量均显著高于种植玉米(Zea mays)；尤其是在目前我国玉米种植面积大范围缩减的情况下，绿洲农田以种植玉米为主要产业，种植结构单一且粗放、经济效益差、连年种植造成连作障碍等传统农业面对种植结构调整时，采用种植部分‘BJ0601’代替玉米成为绿洲种植结构调整的方向[13]。然而，目前有关‘BJ0601’的研究主要集中在绿洲灌区不同土地类型、干旱胁迫下的光合特性和水分利用效率[14-15]，以及水肥配置及其适应栽培模式[13]等方面。‘BJ0601’能否连作？连作后其生长适应性如何？连作后土壤地力如何变化？这些问题尚不清楚。

因此，本研究以康建军等[13]确定的‘BJ0601’头茬种植最佳水肥耦合条件(灌溉量7 800 t·hm-2；施肥量600 kg·hm-2)为依据，对河西走廊绿洲区连续种植3 年的‘BJ0601’生长发育、产量、糖含量、种子产量和质量等及土壤养分(有机碳、矿质养分)变化进行分析，旨在明确连作障碍对‘BJ0601’生长适应性、糖含量及土壤地力产生的影响，为我国西北干旱荒漠绿洲灌区‘BJ0601’高粱的科学化、规范化栽培提供理论依据和实践参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于甘肃省张掖市绿洲农业试验示范园区( 100°29′11.5″ E，38°52′11.2″ N，海拔1 356 m)，地处河西走廊中部、黑河流域中游，属温带大陆性干旱气候，年均气温7 ℃，无霜期156 d，年均降水量118 mm，年均蒸发量高达2 390 mm。土壤为砂质土，土壤容重为1.51 g·cm-3；肥力低下，0－20 cm 土层土壤有机质、碱解氢、速效磷和速效钾含量分别为14、26.3、32.8 和134.5 mg·kg-1，土壤pH 7.6。

1.2 试验设计

头茬于2018 年4 月15 日在2017 年种植过玉米、地势平坦、肥力中低下、pH 7.5～8.1 的沙荒地种植；轮作于2019 年4 月15 日在2018 年种植过黄豆(Glycine max)的沙荒地(灌溉施肥量与甜高粱相同)；连作在头茬种植的基础上，继续在2019 年和2020 年连续种植两年。播种前浅翻地(深20 cm)、地面平整后用农业覆膜机覆黑膜(宽幅60 cm，厚0.01 mm)，之后用碾压设备压实、压紧膜两侧覆盖的土壤，然后在膜面处每间隔一段距离(2 m 左右)压土腰带。播种前灌水(600 t·hm-2) 一次，待表层土壤露白后于4 月20 日左右使用穴播机精量播种，双行株距 × 行距：23 cm × 40 cm (每穴2～3 粒种子)，播种 深 度2.0～3.0 cm 左 右，播 种 量13～16 kg·hm-2。试验所采用的小区为油毡、聚乙烯棚膜、砖及水泥砌成的防侧渗无底池(长 × 宽 × 深为4 m × 4 m × 1.5 m)。播种后形成的播种孔用细沙土封严或者用圆柱形设施碾压。种子发芽出苗后释放压膜下幼苗，用细沙土封严播种孔，降低土壤水分和热量的散失，闷杀膜下杂草。待‘BJ0601’出苗10 d 后，测定出苗数；待6 月上旬各处理植株生长至3 片真叶时，间苗，同时掰尽分蘖株后，统计成苗率、株高、叶片数、叶长及叶宽等；同时对各处理植株进行第1 次施肥(尿素：150 kg·hm-2)和灌水(1 200 kg·hm-2)。待植株生长至6 片真叶时进行水肥(复合肥)耦合处理，采用完全随机区组试验设计设置两个水分梯度和3 个施肥水平(N-P2O5-K2O，N ： P ： K=15% ： 15% ：15%)，每个处理重复4 次，整个生育期分别灌溉6 次[1 200 t·(hm2·times)-1]和7 次；灌水次数、每公顷灌水总量以及施肥处理如表1 所列，并根据降水情况、土壤墒情和植株长势，适时定量灌溉。待植株进入拔节期后，结合灌水第2 次追肥(施复合肥量：112.5、225 和337.5 kg·hm-2)，当植株进入抽穗期时，结合灌水第3 次施肥(施复合肥量同第2 次施肥)。7 月初到8 月中旬，此时期‘BJ0601’需水量较大，可适当增加灌水次数，其余月份适当减少灌水次数。10 月初，待‘BJ0601’高粱生育期完成后观测植株生长发育、茎秆鲜生物产量形成、茎秆可溶性糖积累变化、种子品质等指标以及栽培土壤中有机碳、N、P 和K 等土壤养分的变化。

表1 不同耕作方式下‘BJ0601’灌水次数、相应的灌溉量及施肥处理Table 1 Irrigation timing, amount, and fertilization treatment of ‘BJ0601’under different tillage methods

1.3 测定指标及方法

生长指标。选取4 个1 m × 1 m 的样方，用计数法记录不同处理小区成苗数，同时计算成苗率：成苗率 = (成苗数/播种粒数) × 100%；并在每个样方内选取10 株代表性植株测定株高、叶片数、叶长(宽)；在生育期结束，各处理分别选取10 株代表性植株测量植株高度。

生物产量。生育期结束后，在选取的代表性小区样方内测定地上部鲜生物产量，然后在105 ℃烘箱中杀青10 min，并在80 ℃条件下烘干，直至重量恒重，称量干物质积累量，统计单位面积鲜(干)物质产量。

可溶性糖含量。不同处理选择15 株代表性植株挂牌标记，收获期完整挖出整株植株，分成叶、茎秆和根系(用水清洗干净)。烘干的各部位样品经粉碎、研磨后，均匀混合过2 mm 筛，采用蒽酮法测定各组织中可溶糖含量。

种子产量和质量。生育期结束后，在选取的代表性小区样方内收获种子，经脱粒、晾晒至标准水分后，去除杂物称其重量，测定种子产量。采用百粒法统计种子千粒重；采用烘干法测定种子水分含量；种子含水量 = (烘前重 - 烘后重)/烘前重 × 100%；种子发芽数占种子总数百分比计算种子发芽率。

土壤养分含量。采用四分法收集各处理不同深度(0－10、10－20、20－40、40－60 cm)土壤样品，阴凉处晾干后过0.5 cm 筛后，供不同土层土壤有机碳、氮、磷和钾含量测试分析。重铬酸钾氧化－分光光度法测定有机碳含量，碱解扩散法测定碱解氮含量，碳酸氢钠浸提－钼锑抗比色法测定速效磷含量，醋酸铵浸提－火焰光度法速效钾含量。

1.4 统计分析

采用完全随机设计的方差分析 (one-way ANOVA)进行数据分析，各试验处理间的多重比较采用最小显著极差法(LSD 法)。利用SPSS 15.0 软件分析试验数据，并用Excel 软件作图。

2 结果与分析

2.1 连作两年对‘BJ0601’生长适应性的影响

2.1.1 对生长发育的影响

在灌水总 量7 800 t·hm-2和 施肥量600 kg·hm-2耦合下，与头茬和轮作相比，连作两年对‘BJ0601’幼苗的生长产生一定的抑制作用(表2)；与头茬相比，‘BJ0601’苗期单位面积内株高、叶片数、叶长和叶宽分别显著降低41.6%、25.0%、27.5%和35.2%(P< 0.05)，但是出苗数、成苗率差异不显著。与轮作种植相比，连作两年‘BJ0601’除株高显著降低(17.7%)外，其他各指标差异不显著(P> 0.05)。

表2 连作种植两年‘BJ0601’苗期生长发育变化Table 2 Changes in growth and development of ‘BJ0601’at seedling stage after two years of continuous cropping

2.1.2 对生产力的影响

当灌水总量7 800 t·hm-2、施肥量600 kg·hm-2耦合下，头茬‘BJ0601’单位面积生物产量达到最高(表3)，为78.5 t·hm-2，生产力趋于稳定，高水肥耦合对‘BJ0601’生物产量的提高无显著影响(P> 0.05)。当灌水量(7 800 t·hm-2)一定时，随着施肥量的增加，头茬、轮作和连作‘BJ0601’株高大部分差异不显著，但是生物产量(鲜重和干重)呈增加趋势；当灌水总量7 800 t·hm-2、施肥量600 kg·hm-2条件下与对照和低施肥量相比，头茬、轮作和连作‘BJ0601’茎秆鲜重分别增加28.1%和18.4%、19.1%和13.4%、13.5%和8.5%。然而，在灌水量为7 800 t·hm-2，施肥量600 kg·hm-2条件下，连作对‘BJ0601’生物产量产生抑制作用；与头茬和轮作相比，连作两年后‘BJ0601’茎秆鲜重显著降低了18.3%和10.7%。

表3 连作两年‘BJ0601’株高和生物产量的变化Table 3 Changes in plant height and biological yield of ‘BJ0601’after two years of continuous cropping

2.1.3 对可溶性糖含量的影响

不同耕作方式下，灌水量7 800 t·hm-2、施肥量600 kg·hm-2耦合对‘BJ0601’根、茎秆和叶片中可溶性糖含量产生显著影响(表4)。当灌水量(7 800 t·hm-2)一定时，随着施肥量的增加，头茬、轮作和连作‘BJ0601’茎秆和根系中可溶性糖含量显著增加(P< 0.05)，但叶片糖含量差异不显著，且在灌水量7 800 t·hm-2、施肥量600 kg·hm-2耦合条件下，头茬、轮作和连作‘BJ0601’茎秆可溶性糖含量均最高；根系次之，叶片最低。虽然连作‘BJ0601’生物产量要比头茬和轮作种植低(表3)，但在灌水量7 800 t·hm-2、施肥量600 kg·hm-2耦合条件下，头茬叶片和茎秆可溶性糖含量高于轮作和连作；头茬根系可溶性糖含量与轮作和连作相比差异不明显。

表4 连作两年‘BJ0601’不同部位可溶性糖含量的变化Table 4 Changes in sugar contents in leaves, stems, and roots of ‘BJ0601’after two years of continuous cropping

2.1.4 对种子产量和质量的影响

不同耕作方式下，灌水量7 800 t·hm-2和施肥量600 kg·hm-2耦合对‘BJ0601’种子产量和质量产生一定的影响(表5)。当灌水量(7 800 t·hm-2)一定时，随着施肥量的增加，头茬、轮作和连作‘BJ0601’种子千粒重、含水量和发芽率大部分差异不显著(P＞0.05)，但是单位面积种子产量呈增加趋势；与对照和低施肥量相比，头茬、轮作和连作‘BJ0601’种子产量分别增加了104.4%和13.5%、42.0%和28.0%、41.3%和25.2% (P< 0.05)。当灌水量7 800 t·hm-2和施肥量600 kg·hm-2时，头茬单位面积种子产量最大，为2 029.5 kg·hm-2；轮作次之(925.1 kg·hm-2)；连作第2 年最低(677.2 kg·hm-2)；与头茬和轮作相比，连作两年后‘BJ0601’种子产量显著降低了66.6%和26.8% (P< 0.05)。

表5 连作两年‘BJ0601’种子产量和质量的变化Table 5 Changes in seed yield and quality of ‘BJ0601’after two years of continuous cropping

2.2 连作3 年对‘BJ0601’生长适应性的影响

2.2.1 对苗期生长发育的影响

在灌水总量7 800 t·hm-2、施肥量600 kg·hm-2处理下，连作3 年对‘BJ0601’苗期生长发育产生显著的抑制作用(表6)。与头茬相比，连作3 年‘BJ0601’出苗数、成苗率及株高分别降低了11.5%、11.4%和43.7%；与轮作相比，连作3 年出苗数、成苗率及株高分别降低了11.5%、11.4%和19.5% (P< 0.05)。高水肥(灌水总量9 000 t·hm-2、施肥量825 kg·hm-2)耦合对‘BJ0601’的生长发育具有明显的促进作用；与灌 水 总 量7 800 t·hm-2、施 肥 量600 kg·hm-2处 理 相比，尽管‘BJ0601’单位面积出苗数、成苗率差异不显著，但‘BJ0601’苗期株高显著增加了21.8% (P< 0.05)。

表6 连作3 年‘BJ0601’苗期生长发育变化Table 6 Changes in growth and development of ‘BJ0601’at seedling stage after three years of continuous cropping

2.2.2 对生物产量、茎秆含糖量和种子产量的影响

在灌水总量7 800 t·hm-2、施肥量600 kg·hm-2处理下，连作3 年对‘BJ0601’茎秆鲜重和种子产量产生显著抑制作用(表7)。与头茬和轮作相比，连作3 年‘BJ0601’茎秆鲜重分别降低了26.4%和19.5%，种子产量分别降低了71.5%和37.4% (P< 0.05)，但茎秆中可溶性糖含量差异不显著(P> 0.05)。在高水肥(灌水总量9 000 t·hm-2、施肥量825 kg·hm-2)耦合下，‘BJ0601’茎秆鲜重和种子产量显著增加；与最佳水肥下连作3 年处理相比，高水肥耦合下连作3 年的‘BJ0601’茎秆鲜重(74.9 t·hm-2)和种子产量(962.6 kg·hm-2)分别增加了29.6%和66.3%，且茎秆鲜重与头茬种植相比无显著差异。

表7 连作3 年‘BJ0601’生物产量、茎秆糖含量和种子产量的变化Table 7 Changes in biological yield and sugar content of stem and seed yield of ‘BJ0601’after three years of continuous cropping

2.3 连作3 年对‘BJ0601’土壤地力变化的影响

连作对‘BJ0601’土壤地力产生显著影响(表8)。与头茬和轮作相比，连作3 年后土壤有机碳、碱解氮、速效磷和速效钾含量呈明显降低趋势。在灌水量7 800 t·hm-2、施肥量600 kg·hm-2耦合下，与头茬和轮作相比，连作3 年后10－20 cm 土层有机碳、碱解氮、速效磷和速效钾含量显著下降25.6%和26.8%、41.8%和30.5%、46.2%和27.9%、23.6%和14.5% (P<0.05)，其他土壤耕作层(0－10、20－40和40－60 cm)碱解氮、速效磷和速效钾含量变化与10－20 cm 土层相一致。在高水肥(灌水总量9 000 t·hm-2、施肥量825 kg·hm-2)耦合下，不同土层土壤碱解氮、速效磷和速效钾含量呈明显增加趋势。与灌水量7 800 t·hm-2，施肥量600 kg·hm-2耦合连作3 年相比较，高水肥耦合连作3 年10－20 cm 土层碱解氮、速效磷和速效钾含量分别提高43.9%、49.0%和24.6%，其他土层碱解氮、速效磷和速效钾含量的提升效果与10－20 cm 土层相一致。

表8 连作障碍对‘BJ0601’土壤养分含量的影响Table 8 Effects of continuous cropping of ‘BJ0601’on soil nutrient contents

3 讨论与结论

连作障碍问题在农业生产中普遍存在，各种农作物都会或轻或重的发生连作障碍问题，只是在植物科属间存在显著的差异。连作抑制作物正常生长，破坏土壤微生物平衡，最终导致作物病虫害加重，产量降低，品质下降[16]。连作障碍在多种作物上均有所表现，并且在许多农作物的生产中得到广泛证实[17-19]。目前，大量的研究表明，作物连作障碍问题的发生是许多原因综合叠加作用的结果，土壤微生境变化(有益微生物减少、有害微生物增加；土壤性质变坏，次生盐渍化及土壤酸化严重；线虫大发生，影响作物正常生长。)和植物的自毒作用(作物通过地上部淋溶、根系分泌和残茬腐解等途径释放有毒有害物质，对作物产生抑制作用)是公认的造成连作障碍发生的关键因素[1,20-21]。李永刚等[22]研究认为，低浓度的根系分泌物对玉米苗期生长的影响不明显，但高浓度时对玉米生长的抑制作用较大，且随着玉米连作年限的增加玉米生长的抑制作用越加明显。邢会琴等[23]研究表明，玉米连作种植导致土壤微生物种群结构失衡，有益微生物数量减少，土壤真菌化现象严重，植物病原菌大量积累，造成土壤主要养分降低，病害发生严重。连作种植后由于高粱根系释放的物质相对单一，造成土壤中微生物的代谢组分结构单一，进而对土壤中微生物群落的功能产生抑制作用，最终导致土壤微环境发生变化，进而诱发连作障碍问题[8]。樊芳芳[24]和再吐尼古丽·库尔班等[16]对高粱连作障碍的研究结果也证明：随着连作时间的增加，高粱连作种植3 年后，其株高、茎粗、叶面积、秸秆生物产量及籽粒产量等显著降低，并且土壤养分含量显著下降。本研究也得到了相似的结果，连作对‘BJ0601’生长适应性和土壤地力产生显著的影响，并且随着连作年限(3 年)的增加，‘BJ0601’生长适应性显著抑制，土壤地力出现衰退迹象，进而影响到‘BJ0601’的生长发育及产量形成。在灌水量7 200 t·hm-2、施肥量600 kg·hm-2耦合下，与头茬相比，连作3 年后‘BJ0601’生长发育受到显著抑制(表2 和表7)、茎秆鲜重和种子产量均呈下降趋势(表3 和表5)，土壤养分逐渐下降(表8)，土壤地力出现衰退迹象。这与樊芳芳等[3]、王劲松等[8]的研究一致。造成这种结果的原因可能由于：1)连作种植对土壤物理性质、微量元素及有效养分产生消极的影响，致使‘BJ0601’根区土壤有机碳、N、P 及K 等养分含量显著减低，造成土壤养分不均衡，致使土壤肥力下降；2)连作种植的生产方式使土壤中病原菌数量不断增加，根际土壤微生物生态失衡；3)‘BJ0601’根系通过分泌释放有毒、有害化学物质而导致自毒作用[3,5,8]。

施肥能够减轻连作对高粱生长状况及产量的影响[6,9]。研究表明，施肥对高粱的农艺性状和产量均有显著影响，其中施NPK 肥后显著促进了高粱的生长发育，其中对高粱的籽粒产量和千粒重的促进效果最好，本研究结果与王劲松等[25]和崔佩佩[26]的高粱施肥试验所得出的研究结果相一致，所不同在于不同高粱品种对施肥方式的反应存在一定的差异性。本研究表明，施肥对‘BJ0601’生长发育和生物产量等产生显著影响。与头茬种植最佳水肥耦合条件(灌溉量7 800 t·hm-2；施肥量600 kg·hm-2)相比较，同等水肥需求下连作3 年后‘BJ0601’出现明显的连作障碍问题，而高水肥耦合(灌溉总量9 000 t·hm-2；施 肥 总 量825 kg·hm-2)缓 解 了 连 作 障 碍 对‘BJ0601’生长的不利影响，使‘BJ0601’获得高产，并在一定程度上抑制土壤地力的衰退(表7 和表8)，说明由于高水肥作用提高了土壤肥力，促进了‘BJ0601’根系对养分和水分的吸收，增强了其叶片的光合和养分利用效率，提高了生物产量和种子产量，进而降低了连作障碍对‘BJ0601’生长的影响。此外，科学合理的轮作是解决连作障碍的有效措施，轮作可以缓解或克服连作障碍[27-29]。本研究表明，在灌水总量为7 800 t·hm-2，施肥量600 kg·hm-2处理下，连作3 年后‘BJ0601’生长适应性及土壤地里显著下降，而同等水肥耦合下轮作种植显著克服了‘BJ0601’连作障碍问题，使‘BJ0601’生物产量、种子产量以及土壤养分显著提高(表7 和表8)，说明轮作种植有效调节了‘BJ0601’高粱与土壤养分和病虫害之间的关系，抑制了土壤微生境的变化，有效改善了土壤的理化性状，缓解了连作障碍对‘BJ0601’高粱生长造成的不良影响[8]。然而，到目前为止，有关连作对‘BJ0601’生长适应性(水、盐、高温胁迫等抗逆生理适应性、生理代谢等)及土壤环境(土壤理化性质、微环境等)的研究较少，如何从根本上缓解或消减‘BJ0601’的连作障碍问题(影响程度、减产多少，随连作时间怎么变)、主导因子(养分平衡、微生态环境、病菌还是自毒作用？)以及如何保持其可持续性等问题有待深入研究。

连作障碍严重影响‘BJ0601’生长适应性，造成‘BJ0601’生长发育受阻、生物产量下降、土壤地力衰退。因此，在生产实践中须对绿洲土壤灌水、施肥、耕作以及管理等措施进行有机协调，以保证‘BJ0601’高的生产力和水分利用效率，维持其可持续性。