張占琴, 王建江，頡健輝 , 2, 田海燕 , 牛 媛 , 楊相昆 , 2

(1.新疆農(nóng)墾科學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.谷物品質(zhì)與遺傳改良兵團(tuán)重點(diǎn)實驗室，新疆 石河子 832000；3.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆 石河子 832000)

新疆棉花生產(chǎn)在中國棉業(yè)發(fā)展中具有舉足輕重的地位[1]，2020年新疆棉花產(chǎn)量516.1萬t，占全國棉花產(chǎn)量的比重為87.3%(國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù))。新疆棉花生產(chǎn)在對全國棉花生產(chǎn)做出巨大貢獻(xiàn)的同時，長期連作引發(fā)的殘膜污染等農(nóng)田生態(tài)問題也是觸目驚心的[2-3]，帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[4]。通過輪作倒茬可以調(diào)節(jié)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境、緩解棉花連作障礙，對保障新疆棉花可持續(xù)生產(chǎn)意義重大[5]。前人研究了綠肥作物，如小麥[5]、苜蓿[6]、草木樨、毛苕子、沙打旺等[7]，以及加工番茄、玉米[8]等與棉花輪作對棉田土壤環(huán)境及棉花產(chǎn)量的影響，認(rèn)為加工番茄、玉米、小麥可作為連作棉田的良好前茬[8]，為當(dāng)?shù)鼐徑饷藁ㄟB作障礙的較佳種植方式[5]，但上述研究涉及棉花光合性能的很少。雖然新疆可與棉花輪作倒茬的作物種類較多，但其前茬作物均為單作，經(jīng)濟(jì)效益有限。加之棉花生產(chǎn)效益較高，導(dǎo)致新疆棉區(qū)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)相對單一，棉花以長期連作為主。本課題組近幾年利用北疆地區(qū)麥?zhǔn)蘸蟮墓鉄豳Y源，利用飼料油菜耐低溫、生長迅速的特點(diǎn)，復(fù)播飼料油菜，一可以翻壓做綠肥，增加有機(jī)質(zhì)；二可以青貯做飼料，發(fā)展畜牧業(yè)。本研究在2017—2018年，利用小麥+復(fù)播飼料油菜與棉花輪作倒茬，研究在前一茬一年種植兩種作物高強(qiáng)度利用土地條件下對后茬棉花生長的影響，以期為解決新疆長期連作棉花輪作倒茬問題提供新的思路。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2017—2018年在新疆石河子市新疆農(nóng)墾科學(xué)院試驗地(85.986°E、44.311°N，海拔460 m)進(jìn)行，該地屬典型的干旱氣候區(qū)，年平均氣溫7.5℃～8.2℃，日照2 318～2 732 h，無霜期147～191 d，年降雨量180～270 mm，年蒸發(fā)量1 000～1 500 mm，≥10℃的活動積溫3 570℃～3 729℃。試驗地土壤類型為鈣積正常干旱土，質(zhì)地為粘壤土，耕層(0～30 cm)土壤基本理化性狀為：有機(jī)質(zhì)含量17.1 g·kg-1、全鹽含量1.17 g·kg-1、全氮含量1.12g·kg-1、全磷含量0.96 g·kg-1、全鉀含量18.4 g·kg-1、水解性氮含量86.73 mg·kg-1、有效磷含量13.83 mg·kg-1、速效鉀含量319.33 mg·kg-1[9]。

1.2 試驗方法

小麥-棉花輪作(wheat-cotton, W-C)處理：選擇連作4 a的棉田輪作春小麥，同年7月份春小麥?zhǔn)斋@后復(fù)播油菜，9月份翻壓做綠肥，次年種植棉花。以5 a以上棉花連作田作為對照(CK)。田間試驗工作于2017年和2018年進(jìn)行，同一年度兩個處理重復(fù)3次，每個處理面積200 m2。兩個處理在年際間重復(fù)2次。

W-C處理，2017年種植棉花，2016年同一地塊種植小麥+復(fù)播飼料油菜，然后翻壓做綠肥。2016年以前均是棉花連作。2018年在另一地塊重復(fù)W-C處理，本地塊2018年種植棉花，2017年同一地塊種植小麥+復(fù)播飼料油菜，然后翻壓做綠肥。2017年以前均是棉花連作。

CK處理一直在同一地塊連續(xù)種植棉花。

1.3 試驗材料及其田間管理

春小麥品種為新春22號，2016、2017年分別于4月4日和4月13日播種、4月10日和4月22日出苗。行距15 cm，播量為375 kg·hm-2。采用滴灌的方式，在播種的同時鋪設(shè)滴灌帶，滴灌帶鋪設(shè)在土壤1～2 cm深處，滴灌帶間距60 cm，每根滴灌帶負(fù)責(zé)4行小麥的灌溉。分別于2016年7月20日和2017年7月17日收獲，公頃收獲穗數(shù)分別為450萬、480萬穗，產(chǎn)量分別為7 500、8 205 kg·hm-2。2016年春麥生育期灌水6 000 m3·hm-2，隨水滴施尿素454 kg·hm-2，滴灌肥(N∶P2O5∶K2O=6%∶30%∶30%)268 kg·hm-2。2017年春麥生育期灌水6 300 m3·hm-2，隨水滴施尿素376 kg·hm-2，滴灌肥(N∶P2O5∶K2O=6%∶30%∶30%)239 kg·hm-2。

油菜品種為華油雜62號，由華中農(nóng)業(yè)大學(xué)提供，每公頃播量10.5 kg，播種時將油菜種與重過磷酸鈣按照1∶10比例混合均勻，采用小麥24行條播機(jī)沿著原小麥茬口錯行免耕播種，行距為15 cm。2016年7月21日播種，7月26日出苗。全生育期追肥5次，每公頃用尿素150 kg。全生育期澆水5次，灌水量為6 750 m3·hm-2。10月20日測產(chǎn)，鮮物質(zhì)產(chǎn)量57 669 kg·hm-2。隨后機(jī)械粉碎翻壓作綠肥。

利用同樣的方法于2017年7月17日免耕播種油菜，7月24日出苗，全生育期追肥5次，隨水追施322.5 kg·hm-2尿素，滴灌肥(N∶P2O5∶K2O=6%∶30%∶30%)268 kg·hm-2。全生育期澆水5次，灌水量為6 750 m3·hm-2。9月28日測產(chǎn)，鮮物質(zhì)產(chǎn)量66 827 kg·hm-2。隨后機(jī)械粉碎翻壓作綠肥。

棉花品種為陸地棉新陸早45號，2017年于4月21日播種，4月22日滴灌出苗水225 m3·hm-2，4月28日出苗，9月6日收獲，生育期131 d。全生育期灌溉量6 345 m3·hm-2，隨水滴施尿素600 kg·hm-2，滴灌肥(N∶P2O5∶K2O=6%∶30%∶30%)345 kg·hm-2。

2018年于4月25日播種，4月27日滴灌出苗水225 m3·hm-2，5月3日出苗，10月1日收獲，生育期151 d。全生育期灌溉量6 750 m3·hm-2，隨水滴施尿素898.5 kg·hm-2，滴灌肥(N∶P2O5∶K2O=6%∶30%∶30%)571.5 kg·hm-2。

棉花采用1膜6行45 cm+20 cm寬窄行種植模式，地膜寬205 cm，每個播幅1條膜，寬2.1 m，膜間行距60 cm，株距10 cm，種植密度26×104株·hm-2，一膜鋪設(shè)3條滴灌帶，滴灌帶鋪設(shè)在窄行中間，即一根滴灌帶負(fù)責(zé)兩行棉花的灌溉[10]。

1.4 測定項目與方法

在棉花開花后第5、15、25、35、45天，于8∶00—12∶00利用PAM-2500便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x(WALZ，Germany)，采用2030-B 葉夾測定光系統(tǒng)II(PSII)葉綠素?zé)晒鈪?shù)。同時用Li-6400便攜式光合測定系統(tǒng)(Li-Cor，USA)測定氣體交換參數(shù)。測定部位為棉花主莖的倒數(shù)第二片葉，3次重復(fù)。氣體交換參數(shù)每個重復(fù)測定10片葉片，熒光參數(shù)每個重復(fù)測定3片葉片。氣體交換參數(shù)及熒光參數(shù)的種類和測定、快速光響應(yīng)曲線測定及擬合方法參考楊相昆[9]的方法。棉花收獲前，參考YANG等[10]的方法，對小區(qū)產(chǎn)量及品質(zhì)進(jìn)行測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)錄入和整理采用Microsoft Excel 2010(Microsoft Corporation)進(jìn)行，并計算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。作圖采用SigmaPlot 12.5(Systat Software Inc.)軟件，并用Adobe Illustrator CS5(Adobe Systems Incorporated)軟件對圖片進(jìn)行處理。采用SPSS 23.0(International Business Machines Corp)對研究數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，多重比較采用LSD法，所有檢驗以P<0.05為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。在多因素方差分析時，采用單因素一般線性模型分析不同處理對觀測變量的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 輪作倒茬對長期連作棉花氣體交換參數(shù)的影響

從圖1可以看出，輪作倒茬后顯著提高了棉花凈光合速率(Pn)和氣孔導(dǎo)度(Cond)，尤其是在生育后期這種趨勢更明顯。對胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)影響不大。在2018年花后45 d，連作棉花(CK)Ci值較輪作倒茬處理(W-C)低，而Ls值較輪作倒茬處理(W-C)高，根據(jù)FARQUHAR等[11]的理論，2018年連作棉花在花后45 d凈光合速率降低主要是由氣孔因素引起的。而在2017年，連作棉花在生育后期光合作用的主要限制因素則是非氣孔因素。

注：誤差棒表示標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=3)。W-C：小麥-棉花輪作；CK：棉花長期連作；Pn：凈光合速率；Cond：氣孔導(dǎo)度；Ci：胞間CO2濃度；Tr：蒸騰速率；WUE：水分利用效率；WUEi：潛在水分利用效率；Ls：氣孔限制值；LUE：光能利用率。下同。

輪作倒茬能提高棉花開花后期的光能利用率(LUE)和水分利用效率(WUE)，而在生育后期，輪作倒茬模式下潛在水分利用效率(WUEi)有所降低。這可能是秸稈還田后棉花長勢較旺盛，沒有經(jīng)過水分脅迫鍛煉，所以WUEi有所降低。

多因素方差分析結(jié)果表明(表1)，不同處理對Pn和WUE影響達(dá)到了極顯著水平，對其他幾個氣體交換參數(shù)的影響則不顯著。不同年份對Cond、Tr、WUEi和LUE的影響不顯著。除了Cond和LUE外，開花后天數(shù)對其余氣體交換參數(shù)的影響均達(dá)到了極顯著的水平。

表1 2017―2018年不同氣體交換參數(shù)多因素方差分析F值

2.2 輪作倒茬對長期連作棉花葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/h3>

從圖2可以看出，輪作倒茬與否對棉花生育前期Fv/Fm值(光系統(tǒng)II(PSII)最大光化學(xué)量子產(chǎn)量，Maximum photochemical quantum yield of Photo System II)影響無規(guī)律可循，年際間差別很大。但在生育后期，輪作倒茬都降低了棉花的Fv/Fm值。而在兩年間，輪作倒茬都顯著提高了Y(II)值(棉花PSII的實際光化學(xué)量子產(chǎn)量)。尤其是在2018年的生育后期，這種趨勢更加明顯。

從圖2 可以看出，輪作倒茬后，棉花光化學(xué)猝滅系數(shù)(qL)較高，即PSⅡ反應(yīng)中心的開放程度較高，光化學(xué)反應(yīng)活性高。這與輪作倒茬后棉花Pn較高結(jié)果是一致的。而長期連作棉田棉花則是在整個生育期內(nèi)非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)較高。表明長期連作條件下棉花光化學(xué)反應(yīng)降低，吸收的光能熱耗散占的比例較高。

注：Fv/Fm：光系統(tǒng)Ⅱ(PSII)最大光化學(xué)量子產(chǎn)量；Y(II)：PSII實際量子產(chǎn)量；qL：光化學(xué)猝滅系數(shù)；NPQ：非光化學(xué)猝滅系數(shù)。下同。

多因素方差分析結(jié)果表明(表2)，不同處理對Y(II)、qL的影響達(dá)到了極顯著水平，年份對qL的影響不大，對其余熒光參數(shù)的影響達(dá)到了極顯著的水平。不同生育時期對熒光參數(shù)的影響均達(dá)到了極顯著水平。

表2 2017—2018年葉綠素?zé)晒鈪?shù)多因素方差分析F值

2.3 不同處理下棉花快速光響應(yīng)曲線特征

由圖3及表3可以看出，在絕大多數(shù)時間，輪作倒茬模式下棉花實際電子傳遞速率(ETR)及最大電子傳遞速率(ETRmax)均高于連作模式。在花后25 d之前，輪作倒茬模式下棉花最大光合效率(α)較連作模式高，在此之后，則是連作模式光能利用效率較高。2018年輪作倒茬模式下棉花對強(qiáng)光的耐受程度均高于連作模式，而在2017年，則是在生育后期(開花35 d之后)輪作倒茬模式下棉花對強(qiáng)光的耐受程度均高于連作模式。

表3 各處理花后不同時期棉花最大電子傳遞速率(ETRmax)、最大光合效率(α)和半飽和光強(qiáng)(Ik)

圖3 2017—2018年花后不同時期棉花的快速光響應(yīng)曲線

多因素方差分析結(jié)果表明(表4)，不同處理對α影響不顯著，而對ETRmax和半飽和光強(qiáng)(Ik)影響則達(dá)到了極顯著水平。不同年份對ETRmax影響不顯著。開花后天數(shù)(DAF)對3個擬合參數(shù)均有顯著或極顯著影響。

表4 2017—2018年棉花葉片光響應(yīng)曲線擬合參數(shù)多因素方差分析F值

2.4 輪作倒茬對長期連作棉花產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

通過表5可以看出，輪作倒茬后，籽棉產(chǎn)量有所提高，輪作倒茬模式下，2017年增產(chǎn)6.70%，2018年增產(chǎn)幅度達(dá)16.11%，且處理間差異顯著(P<0.05)。通過表6可以看出，輪作倒茬與長期連作模式相比，品質(zhì)差別不大，處理間差異不顯著。輪作倒茬模式下，纖維整齊度略有提高，短纖維指數(shù)略有降低，同時，馬克隆值也略有降低。

表6 2017—2018年棉花品質(zhì)性狀

3 討 論

長期連作可導(dǎo)致植株葉片葉綠素相對含量下降[12]、主莖功能葉生理活性及膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低[13]，不利于光合作用的進(jìn)行，凈光合速率、蒸騰速率[14]及氣孔導(dǎo)度、水分利用效率[15]下降，降低了干物質(zhì)的積累，影響了產(chǎn)量的形成[13]。隨著連作年限的增加，光合速率下降越明顯，特別是連作20 a后光合速率下降更加明顯[12]。而輪作倒茬可以克服連作對棉花光合產(chǎn)生的不利影響，改善光合效率。盧成達(dá)等[16]研究發(fā)現(xiàn)，輪作會改善谷子葉片的光合指標(biāo)參數(shù)及根系發(fā)育指標(biāo)參數(shù)，減輕連作障礙、提高產(chǎn)量；楊堅群等[17]研究表明，輪作倒茬顯著提高了花生葉面積指數(shù)、葉片凈光合速率、葉綠素含量，促進(jìn)光合作用，提高了籽仁產(chǎn)量；杜瑩等[18]研究指出，輪作和有機(jī)肥處理不同程度地增加了連作小白菜的光合速率和干物質(zhì)量。

前人研究輪作倒茬對棉花的影響主要集中在棉田土壤環(huán)境及棉花產(chǎn)量方面[5-8]，結(jié)合光合性能的較少。魏飛等[5]研究指出，在新疆長期連作棉田輪作小麥和苜蓿，可發(fā)揮輪作增加植物多樣性、改良土壤生態(tài)環(huán)境的效果，促進(jìn)棉花根系發(fā)育，提高棉花葉片光合生產(chǎn)能力和生物量。本研究結(jié)果與上述研究類似，輪作倒茬后，顯著提高了棉花凈光合速率和氣孔導(dǎo)度，尤其是在生育后期，這種趨勢更明顯(圖1)，提高了棉花的光能利用率和水分利用效率(圖1)、提高了PSⅡ反應(yīng)中心的光化學(xué)反應(yīng)活性、實際電子傳遞速率及PSII的實際光化學(xué)量子產(chǎn)量提高(圖2)，上述光合效率的改善促進(jìn)了產(chǎn)量的提高(表5)。魏飛等[5]研究指出，輪作小麥對棉花生長的促進(jìn)效果優(yōu)于輪作苜蓿，本文僅研究了小麥?zhǔn)斋@后復(fù)播飼料油菜作綠肥對棉花光合性能的影響，若在以后研究方案中再添加小麥、綠肥單作倒茬的處理，研究結(jié)果將更具有理論指導(dǎo)意義，這也是我們下一步研究的方向。

唐志敏等[12]研究表明，棉花連作主要是通過降低葉片PSII原初光能轉(zhuǎn)換效率和光化學(xué)熒光猝滅系數(shù)，引起單葉光合速率下降，最終影響棉花植株生理生長。本研究也發(fā)現(xiàn)，輪作倒茬顯著提高了棉花PSII的實際光化學(xué)量子產(chǎn)量和光化學(xué)猝滅系數(shù)(圖2)，凈光合速率較高(圖1)。而長期連作條件下棉花光化學(xué)反應(yīng)降低，吸收的光能熱耗散占的比例較高，導(dǎo)致整個生育期內(nèi)非光化學(xué)猝滅系數(shù)較高(圖3)。唐志敏等[12]研究指出，棉花連作5～10 a 的PSII原初光能轉(zhuǎn)換效率和PSII潛在活性均表現(xiàn)出先下降后上升的趨勢，光合活性受到暫時抑制，光合器官并未受到損傷。在本研究中，輪作倒茬在棉花生育中期提高了PSⅡ最大光化學(xué)量子產(chǎn)量，而在生育后期卻降低了棉花的PSⅡ最大光化學(xué)量子產(chǎn)量(圖2)。這也表明，棉花連作年限不長不會對棉花的光反應(yīng)中心造成損傷。

韓光明等[19]研究指出，當(dāng)連作年限較長時，光合速率下降的主要原因是非氣孔因素，而許楠等[20]則認(rèn)為，連作5 a引起烤煙葉片光合作用減弱不僅僅是由氣孔因素引起的，連作還限制了葉肉細(xì)胞對CO2的利用能力。本研究也表明，2018年連作棉花在花后45 d凈光合速率降低主要是由氣孔因素引起的。而在2017年，連作棉花在生育后期光合作用的主要限制因素則是非氣孔因素(圖1)。

4 結(jié) 論

長期連作棉田輪作倒茬后，棉花開花中后期葉片PSⅡ反應(yīng)中心的光化學(xué)反應(yīng)活性提高了8.31%～25.59%，開花前期和后期的實際電子傳遞速率分別提高47.78%和71.28%，棉花PSII的實際光化學(xué)量子Y(II)提高了3.42%～23.39%、凈光合速率提高了44.88%～50.37%，尤其是在生育后期這種趨勢更明顯；輪作倒茬提高了棉花18.82%～59.17%的光能利用率和28.01%～68.35%的水分利用效率。上述光合效率的改善促進(jìn)了棉花產(chǎn)量的提高。輪作倒茬模式對棉花品質(zhì)的影響不明顯，輪作模式下棉花纖維整齊度略有提高，短纖維指數(shù)略有降低。