不同种植模式对重庆荞麦产量和发育的影响

张瑞丰， 张智勇， 陶建波， 王艺钢，雷蕾， 阮仁武， 易泽林

西南大学 农学与生物科技学院，重庆 400715

荞麦属于蓼科(Polygonaceae)荞麦属(Fagopyrum), 是一种起源于我国, 具有悠久栽培历史的药食两用作物, 目前我国主要有甜荞、 苦荞两个栽培品种, 在全国范围内广泛种植[1]． 荞麦的营养价值丰富, 含有多种蛋白质、 氨基酸、 膳食纤维[2], 而不饱和脂肪酸以及硼、 碘、 硒等多种微量元素的含量远高于水稻、 小麦等主要粮食作物[3]． 更重要的是, 荞麦中还含有以芦丁为主的多种黄酮类物质, 具有抗氧化、 消炎、 降血脂等多方面的功效, 经常食用, 对包括“三高”在内的人体多种慢性疾病有预防和辅助治疗的作用[4]．

荞麦具有生育期短、 抗逆性强、 耐瘠薄的特点[5], 适宜种植于地形条件复杂、 环境较差的地区． 我国是世界上荞麦种植面积最大的栽培国之一, 全国荞麦的产区主要集中在西南、 西北、 华北等的高寒或高海拔地区[1]． 近年来, 世界荞麦需求日益增加, 国际荞麦价格远高于国内, 我国作为荞麦生产及出口大国, 生产的荞麦产品更具备国际竞争优势和发展潜力[6]． 在重庆地区, 甜荞、 苦荞都有一定的种植面积, 以苦荞为主, 但缺乏系统的种植模式, 农民主要采用自留种, 田间管理较为粗放． 因此研究不同种植模式对荞麦产量及发育的影响, 为系统种植荞麦从而提升其单产提供理论依据, 具有现实指导意义．

种植模式是指在一年内于同一农田上采用特定的作物结构与时空配置的规范化种植方式． 其中作物轮作和连作是两种常见的种植方式． 连作指常年在同一地块连续种植相同或相似作物的种植模式, 亦叫做重茬[7]． 相同地块上, 多年来连续种植同一种作物, 即使对于田间作物仍进行正常的管理, 也同样还是会出现田间作物的生长发育状况恶化、 病虫害现象加重、 产量连续下降、 作物籽粒品质变劣的现象, 这被称为连作障碍现象． 荞麦的连作障碍较为严重, 多年连续种植后, 地上部干质量下降、 叶片对活性氧的代谢速率减慢使其快速衰老, 使成熟期荞麦籽粒产量降低、 品质变差和生长发育状况极度恶劣[8-9]． 因此, 荞麦忌连作, 应依据当地气候条件, 合理地轮作倒茬, 以提高综合效益并避免连作障碍． 但在重庆的荞麦生产实践中, 荞麦与不同作物轮作对于产量和荞麦生长发育的相关研究还较为缺乏． 本研究选择大豆、 小麦作为不同茬口, 通过2018-2020年的多年试验, 对4个不同荞麦品种的产量及产量构成因素、 植株形态和根系指标进行了测定, 以此来探究重庆地区适宜的荞麦种植模式, 以期为荞麦产业的进一步发展提供理论支撑．

1 材料与方法

1.1 试验基本情况

1.1.1 试验地概况

试验于2018-2020年在重庆市北碚区歇马科研基地(19°51′N, 106°37′E)进行, 该试验基地属亚热带季风性气候, 平均海拔为350 m, 年平均气温18.7 ℃, 多年平均降水量880 mm, 降雨主要集中在每年5-9月, 试验地土壤为沙壤土, 2018年播种前试验地土壤概况见表1．

表1 试验地土壤概况

1.1.2 试验材料

本试验选用荞麦品种为酉荞2号(YQ2), 乌克兰大粒荞(W), 酉荞1号(YQ1), 九江苦荞(J); 轮作小麦品种为川麦42; 轮作大豆品种为西豆8号． 试验选用的各作物品种均由西南大学农学与生物科技学院特色作物研究所提供．

1.1.3 试验设计

本试验采用裂区试验设计, 主区为3种不同的种植模式, 分别为大豆-荞麦轮作(A1, D3)、 荞麦连作(A2, D2)和小麦-荞麦轮作(A3, D1)． 裂区为4种不同的荞麦品种, 分别为两个甜荞品种酉荞2号(YQ2, B1)、 乌克兰大粒荞(W, B2), 两个苦荞品种酉荞1号(YQ1, B3)、 九江苦荞(J, B4)． 小区面积6 m2(3 m×2 m), 试验设置3次重复． 播种前两天在固定试验地块整地． 秋季荞麦于每年8月底播种, 12月初收获; 春季连作荞麦于2月末播种, 5月末收获． 各品种种植密度均为90万株/hm2, 每小区播种5行, 行距0.33 m, 各小区间隔0.5 m, 播种行与区组走向垂直, 试验地4周播种3行保护行, 播种前一次性施总养分≥45%的高浓度硫酸钾复合肥(含N 15%、 P2O515%、 K2O 15%)300 kg/hm2作为种肥, 并按常规管理． 轮作大豆于每年3月下旬播种, 7月上旬收获; 轮作小麦于每年12月中旬播种, 次年5月中旬收获．

1.2 取样、 测定项目和方法

1.2.1 荞麦植株地上部分测定

分别在荞麦开花期、 灌浆期和成熟期随机选取10株长势一致且未倒伏的植株, 贴近地表用剪刀剪取植株, 用于测定荞麦地上部分鲜质量． 株高测量: 量取荞麦茎秆基部至该茎顶端的距离, 即为株高(cm); 植株干质量: 将采集的荞麦植株放于80 ℃恒温干燥箱中烘干至恒质量．

1.2.2 荞麦产量及产量构成因素测定

待田间荞麦籽粒中70%～80%成熟时每个小区单独收获, 风干后(含水量≤14%)脱粒实测小区产量, 折合成公顷产量． 并在每个小区随机取10株长势一致的植株, 测定单株的粒数、 粒质量、 千粒质量． 每个小区3次重复, 取平均值．

1.2.3 荞麦根系特征测定

分别于开花期、 灌浆期和成熟期对每个小区取样． 用剪刀剪去荞麦茎秆第一节间以上部分, 参照王静等[10]的方法加以修改, 用小铲挖取以植株为中心, 长、 宽各20 cm, 深30 cm的土块, 装入孔径为0.4 mm的尼龙网袋中, 浸泡24 h, 然后用流水轻轻冲洗干净, 取得完整根系． 清洗干净的根系, 放入中晶8370扫描仪的专用透明塑料托盘中, 并用蒸馏水浸没, 放入扫描仪, 静止状态下用镊子慢慢将根系分散展开, 然后进行扫描． 用GXY-A软件对扫描得到的根系图片进行数据分析, 获得总根长、 根总表面积、 根总体积、 平均根直径和根尖数等指标参数． 测定完根系形态指标后取出根系并于80 ℃下烘干至恒质量, 然后使用精度为0.001 g的电子天平测量根系干物质量．

1.3 数据分析

用Excel 2019对数据进行初步整理和汇总及作图, 通过DPS 7.05和SPSS 25.0进行进一步数据统计分析, 用R语言和Origin 2021作图, 利用LSD法进行显著性分析, 并利用典型相关法进行相关性分析．

2 结果与分析

2.1 3种不同种植模式对荞麦产量及产量构成因素的影响

由图1可知, 荞麦-大豆轮作下荞麦籽粒产量高于荞麦-小麦轮作处理, 再高于荞麦连作处理, 3种不同种植模式下荞麦籽粒产量差异显著(p<0.05)． 不同品种的荞麦在连作模式下, 产量均逐年降低, 酉荞2号、 乌克兰大粒荞、 酉荞1号和九江苦荞经过3年的连作, 其产量由2018年的978.31 kg/hm2降低为2020年的880.63 kg/hm2, 平均降低了97.68 kg/hm2, 减产幅度达到 9.98%．

YQ2为酉荞2号, W为乌克兰大粒荞, YQ1为酉荞1号, J为九江苦荞, A1为荞麦-大豆轮作, A2为荞麦连作, A3为荞麦-小麦轮作, 数据为3次重复的平均值±标准差, 不同小写字母表示在p<0.05水平差异具有统计学意义． 下同．图1 3种不同种植模式对荞麦产量的影响

在轮作模式下, 随着轮作年限的增加, 荞麦各品种的籽粒产量均有所提高． 4个不同的荞麦品种经过3年的荞麦-大豆轮作, 其产量达到1 180.42 kg/hm2, 平均提高了150.10 kg/hm2, 其增产幅度为14.57%． 在荞麦-小麦轮作模式下, 4个不同的荞麦品种经过3年轮作, 其产量为1081.19 kg/hm2, 平均提高了92.82 kg/hm2, 增产幅度为9.39%． 连作阻碍了荞麦籽粒的高产, 轮作促进荞麦产量的提升, 且荞麦-大豆轮作比荞麦-小麦轮作更易使荞麦籽粒获得高产．

由表2、 表3、 表4可知, 同一种植模式下荞麦不同品种间籽粒产量差异显著, 不同种植模式和荞麦品种间的相互作用对产量有极显著影响(p<0.01)． 4个不同荞麦品种, 均是在荞麦-大豆轮作制度下获得最高产量, 其中酉荞2号产量最高(1359.02 kg/hm2)． 从各产量构成因素来看, 3年间不同种植模式对荞麦成熟期单株粒数和单株粒质量均呈显著影响(p<0.05), 2018年和2019年不同种植模式对荞麦千粒质量无显著影响, 而2020年荞麦种植模式对千粒质量的影响呈现显著． 荞麦各产量性状均呈现品种间的差异, 且达到显著． 不同种植模式和荞麦品种间的相互作用对荞麦单株粒数有极显著影响(p<0.01)． 相比于荞麦连作, 轮作使荞麦的单株粒数增加, 单株粒质量增加, 千粒质量也随之增加． 荞麦各产量性状在不同种植模式下的表现, 荞麦-大豆轮作处理优于荞麦-小麦轮作处理, 再优于荞麦连作处理．

表2 2018年3种不同种植模式对荞麦产量及产量构成因素的影响

表3 2019年3种不同种植模式对荞麦产量及产量构成因素的影响

表4 2020年3种不同种植模式对荞麦产量及产量构成因素的影响

2.2 3种不同种植模式对荞麦植株形态特征的影响

从图2可知, 随着荞麦生育期的推进, 荞麦株高不断增加． 不同种植模式对荞麦株高的影响达到显著, 荞麦株高的大小存在品种差异且达到显著． 不同种植模式和荞麦品种之间的相互作用对荞麦株高的影响未达到显著, 且各荞麦品种在荞麦-大豆轮作模式下荞麦株高均可获得最大值． 相较于荞麦连作处理, 酉荞2号、 乌克兰大粒荞、 酉荞1号和九江苦荞在荞麦-大豆轮作模式下开花期株高分别增高了21.3%、 19.74%、 21.16%和26.74%; 灌浆期株高分别增高了16.59%、 18.3%、 16.55%和17.94%; 成熟期株高分别增高了9.76%、 22.25%、 15.19%和19.54%．

A1、 A2、 A3为荞麦-大豆轮作处理、 荞麦连作处理和荞麦-小麦轮作处理; T1、 T2、 T3、 T4为荞麦-大豆轮作下酉荞2号、 乌克兰大粒荞、 酉荞1号、 九江苦荞处理; T5、 T6、 T7、 T8为荞麦连作下酉荞2号、 乌克兰大粒荞、 酉荞1号、 九江苦荞处理; T9、 T10、 T11、 T12为荞麦-小麦轮作下酉荞2号、 乌克兰大粒荞、 酉荞1号、 九江苦荞处理． 数据为3次重复的平均值±标准差, 不同小写字母表示在p<0.05水平差异具有统计学意义． 下同．图2 不同种植模式对荞麦株高(a,b,c)的影响

从图3可知随着荞麦生育期的推进, 荞麦地上部分的鲜质量与干质量均不断增加． 不同种植模式对荞麦地上部分鲜质量(和干质量)的影响达到显著, 荞麦地上部分鲜质量(和干质量)的大小存在品种差异也达到显著, 且均是在荞麦-大豆轮作模式下鲜质量达到最大值． 相较于荞麦连作处理, 酉荞2号、 乌克兰大粒荞、 酉荞1号和九江苦荞在荞麦-大豆轮作模式下开花期地上部鲜质量分别增高了45.46%、 76.78%、 56.99%和88.94%; 灌浆期鲜质量分别增加了56.73%、 106.87%、 55.73%和105.5%; 成熟期鲜质量分别增加了30.39%、 93.22%、 45.04%和54.95%． 而在干质量方面, 相较于荞麦连作处理, 酉荞2号、 乌克兰大粒荞、 酉荞1号和九江苦荞在荞麦-大豆轮作模式下开花期地上部干物质量积累分别增加了52.08%、 69.33%、 23.86%和94.38%; 灌浆期干物质量积累分别增加了37.43%、 108%、 77.93%和71.29%; 成熟期则分别增加了33.42%、 68.52%、 29.51%和55.63%．

图3 不同种植模式对荞麦鲜质量(A, B, C)和干质量(a, b, c)的影响

2.3 3种不同种植模式对荞麦根系指标的影响

由表5可知, 不同种植模式对荞麦根系生物量的积累和形态具有较大影响, 并使得根系干质量、 根平均直径、 总根长、 总根体积、 总根表面积、 根尖数等6个根系指标呈现显著差异, 而不同品种间则不总是存在显著差异． 总体来看, 在荞麦的各个生长期, 不同品种的荞麦经过轮作处理后的根系指标要高于连作处理, 且在荞麦-大豆轮作模式下达到最高值．

表5 3种不同种植模式对荞麦根系形态的影响

3 讨论

3.1 荞麦不同种植模式对产量及植株形态特征的影响

不同作物轮作处理下, 其产量优于连作处理, 轮作在一定程度上促进了作物产量的形成． 牛倩云等[11]在谷子轮连作定位试验的研究中发现, 大豆-马铃薯-谷子轮作处理后其谷子产量显著高于谷子连作处理． 刘珊廷等[12]在木薯轮连作对比试验后发现, 木薯经轮作处理后, 其产量显著提高, 每公顷产量相较连作增加了11.99 t． 刘星等[13]在研究中发现马铃薯轮作处理后植株总生物量和块茎产量与连作相比显著提高． 柴继宽[14]在研究中发现, 燕麦连作后产量逐年降低, 燕麦-豌豆-胡麻-燕麦单序轮作提高了燕麦产量, 且高于连作． 本研究轮作处理下的籽粒产量显著提升, 与JIANG等[15]研究结果一致． 此外, 在试验中发现, 荞麦连作处理下, 籽粒产量逐年降低, 酉荞2号、 乌克兰大粒荞、 酉荞1号和九江苦荞经过3年的连作, 其产量平均降低了9.98%, 会产生严重的连作障碍, 这与高扬[7]研究结果一致． 同时, 轮作处理下荞麦产量显著高于连作处理, 且随着轮作年限的增加, 产量逐渐升高． 可能是由于作物轮作处理下, 通过促进叶片活性氧代谢[8]、 渐渐改善土壤微生物环境、 增强土壤酶对土壤营养物质的转化和对次级代谢产物的分解, 土壤各主要营养物质含量的提升, 从而改善了土壤环境[16], 最终逐年提升荞麦的产量．

在不同作物参与的轮作系统中, 其对产量的增益效果有所差异． 李争艳等[17]在研究中发现, 由玉米和高粱分别参与苜蓿的轮作系统中, 其苜蓿产量较连作显著提升, 玉米-苜蓿轮作处理和高粱-苜蓿轮作处理下, 其产量分别是连作处理下的1.27倍和1.13倍． 本研究中荞麦-大豆轮作和荞麦-小麦轮作处理下其产量较连作平均提高了14.57%和9.39%, 不同轮作制度处理对荞麦产量的提高差异显著, 与赵涛等[8]研究结果一致． 本研究中, 荞麦不同轮作系统间的产量差异可能是豆科作物参与轮作后, 根系留下了富含氮的残留物, 也给土壤中增添了更多的固氮菌, 使土壤肥力增加, 从而对荞麦产量的提高更有优势．

不同作物轮作处理下, 其各时期农艺性状优于连作处理, 轮作在一定程度上促进了植株的生长效率． 如谷景龙[18]在玉米轮连作定位试验后发现, 轮作显著提高了玉米百粒质量． 柴继宽[14]发现, 燕麦轮作下穗长、 每穗小穗数、 穗节数/花序和千粒质量相较连作处理有所提高, 单枝生殖枝数、 种子粒数和单株种子重明显提高． 徐雪风等[19]在研究中发现, 油葵-马铃薯轮作后, 马铃薯株高、 茎粗和地上部干质量较连作显著增大． 荞麦各时期农艺性状轮作处理也优于连作处理, 在轮作下荞麦株高、 单株粒数、 单株粒质量都增加, 且最适茬口为大豆, 与胡彦君等[9]研究一致． 荞麦轮作处理下, 各时期株高、 地上部分鲜质量和干质量相较荞麦连作处理显著增大, 轮作促进了荞麦的生长, 且荞麦-大豆轮作下更能促进生长． 同时, 轮作处理下, 土壤各主要营养物质含量增多, 荞麦生长的土壤环境优于连作处理, 且在荞麦-大豆轮作下土壤环境条件优于荞麦-小麦轮作处理, 更能促进荞麦地上部分的生长和干物质的积累．

3.2 荞麦不同种植模式对根系的影响

根系、 土壤营养环境和土壤微生物群落相互作用共同决定着作物根际土壤环境, 作物轮作使土壤环境发生改变, 植物根系形态也会发生一系列的变化, 其直接影响着植物根系对水分和营养物质的吸收[19-20]． 荞麦连作不仅抑制其地上部分生产, 还阻碍其地下部分生长, 荞麦根系长度、 根表面积与产量呈显著正相关[21], 而轮作较连作能显著提高作物根系干物质量、 根长、 根表面积、 根尖数等各项根系指标, 从而有助于提高产量． 如, 王劲松等[22]在研究中发现, 高粱轮作处理后总根长、 根总表面积、 根总体积相比于连作处理均有了显著提高, 轮作促进了高粱根系在土壤中的分布． 樊芳芳等[23]在玉米-高粱轮作与高粱连作对比试验中发现, 轮作处理后高粱根系的干物质量、 根总表面积和根总体积均显著高于连作处理． 杨德光等[24]在玉米轮作后发现玉米轮作处理相较玉米连作其根长显著增长． 魏飞等[20]对棉花轮作试验后的研究结果表明, 与棉花连作相比, 小麦-棉花轮作和苜蓿-棉花轮作均促进了棉花根系的生长, 棉花总根长、 根系干质量和根系表面积显著增大． 宋佳承[25]在对马铃薯多年的轮连作定位试验后发现, 藜麦-马铃薯轮作处理和玉米-马铃薯轮作处理后马铃薯根系干质量、 总根长、 总根表面积、 总根体积、 根平均直径、 根尖数皆显著高于连作处理．

本研究结果与学界研究结果一致, 荞麦-大豆轮作和荞麦-小麦轮作相较于荞麦连作, 荞麦根系干物质量、 根平均直径、 总根长、 总根体积、 总根表面积、 根尖数均有显著提高, 产量也相较提高． 这可能是因为荞麦经过轮作处理后, 土壤大团聚体数量持续增长, 土壤环境改善, 促进了荞麦根系活动[16]． 轮作优化了荞麦根系在土壤中的分布, 增强了根系对土壤环境中水分和营养物质的吸收, 进而促进了荞麦地上部和根系的生长发育．

4 结论

在重庆地区的多年轮作试验表明, 3种不同种植模式对荞麦产量及其构成要素均呈显著影响． 荞麦-大豆轮作下荞麦籽粒产量高于荞麦-小麦轮作处理, 再高于荞麦连作处理． 相比于荞麦连作, 轮作使荞麦的单株粒数增加, 单株粒质量增大, 千粒质量也随之增加． 3种不同种植模式对荞麦的植株形态有显著影响． 相同荞麦品种, 荞麦-大豆轮作处理下的株高、 鲜质量和干质量高于荞麦-小麦轮作处理, 再高于荞麦连作处理． 相同生育时期, 轮作处理下荞麦地上部生物量积累速度加快, 且荞麦-大豆轮作模式下地上部生物量的积累速率获得最大值, 更有利于荞麦各时期的生长和发育． 随着荞麦生育期的不断推进, 3种不同种植模式对荞麦根系干质量、 根平均直径、 总根长、 总根体积、 总根表面积和根尖数呈逐渐增加的趋势． 不同种植模式对荞麦根系性状影响显著． 相同生育时期, 荞麦-大豆轮作处理下根系形态各指标高于荞麦-小麦轮作处理, 再高于荞麦连作处理． 荞麦-大豆轮作模式下荞麦根系更加粗壮, 须根更多, 更有利于根系对植株周围土壤中营养物质的吸收． 总之, 在重庆地区的荞麦栽培中进行荞麦-大豆轮作处理, 有利于提高荞麦产量、 改善植株形态和根系指标．