王立光，葉春雷，陳 軍，李進(jìn)京，羅俊杰

(甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所，甘肅蘭州730070)

胡麻(Linum usitatissimum)為亞麻科亞麻屬植物，是北溫帶地區(qū)1 a生自花授粉草本油用纖維作物。在我國，胡麻是西北和華北黃土高原地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)作物和油料作物，西北地區(qū)種植面積最大，華北次之。胡麻油因含有多種不飽和脂肪酸、維生素及木酚素等營養(yǎng)成分，食用可以預(yù)防高血脂癥和動脈粥樣硬化，成為人們越來越喜愛的商品食用油，致使對胡麻的需求量急劇增加［1］。但隨著胡麻需求的不斷增長和耕地面積的減少，胡麻連作障礙現(xiàn)象突出，導(dǎo)致胡麻產(chǎn)量下降，品質(zhì)降低，已經(jīng)成為制約胡麻生產(chǎn)的主要問題。

連作障礙是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)的一種現(xiàn)象，早在公元前300年就被人們所認(rèn)識。隨著集約化種植程度提高，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)呈現(xiàn)單一連作種植特點(diǎn)，造成連作障礙現(xiàn)象越來越嚴(yán)重［2］。研究表明，輪作是一種傳統(tǒng)而有效的農(nóng)業(yè)種植模式，由于不同作物類型對土壤理化性質(zhì)和酶活性等的影響也有很大區(qū)別［3］，利用不同作物輪作是克服連作障礙的有效途徑之一［4-6］。選擇正確的作物進(jìn)行輪作不僅有利于提高農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力，提高作物產(chǎn)量，也可以有效改善生態(tài)環(huán)境，消減連作障礙的危害。報(bào)道顯示合理輪作是減輕黃瓜、烤煙、三七及馬鈴薯等作物連作障礙的有效措施［［5，7-10］。在長期的種植和研究中，科研人員對胡麻品種選育［11-13］、規(guī)范化種植［14］、深加工及胡麻油使用價(jià)值［1，15-16］等方面做了大量工作，并取得一系列科研成果，但對胡麻連作障礙的報(bào)道還比較少。實(shí)際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，隨著胡麻種植年限增加，胡麻生長出現(xiàn)明顯減退，胡麻連作障礙現(xiàn)象突出，而輪作小麥可以消減連作障礙的影響，但胡麻連作障礙現(xiàn)象和輪作小麥消減效果及其原因的研究較少，因此，本試驗(yàn)通過研究胡麻連作及輪作小麥對胡麻生長及產(chǎn)量、土壤酶活性、土壤自毒作用的影響，以期建立合理可行的減緩胡麻連作障礙的種植方式，為胡麻栽培及連作障礙的有效調(diào)控提供理論依據(jù)及技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)品種

試驗(yàn)用胡麻品種為隴亞10號，該品種抗倒伏、抗旱、落黃好、高抗枯萎病，適于甘肅省低位山、中位山旱地種植。小麥品種為隴春20號，由甘肅省農(nóng)科院提供。

1.2 田間試驗(yàn)處理

田間試驗(yàn)設(shè)置胡麻連作1 a(TC1)、胡麻連作2 a(TC2)、胡麻連作3 a(TC3)和胡麻-小麥輪作(TR，首年種植胡麻，下年種植小麥，以此類推)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積27 m2(6 m×4.5 m)。為防止小區(qū)間相互影響，小區(qū)間用寬60 cm、高50 cm土埂分割。胡麻種植時(shí)每小區(qū)播種相同數(shù)量胡麻種子，萌發(fā)一個(gè)月后統(tǒng)計(jì)出苗率及測定株高，每隔一個(gè)月測定株高1次，直至收獲。收獲后對胡麻每株產(chǎn)量及千粒重進(jìn)行測定、統(tǒng)計(jì)分析。

1.3 土樣采集

在收獲后分別采集各處理的根際土壤，土壤樣品采集采用“S”型布點(diǎn)，保證各處理10～12個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)小區(qū)采樣土壤充分混合，剔除枯葉、腐葉。一部分土壤用于測定酶活性，一部分用于水提液制備。

1.4 土壤酶活性測定

土壤過氧化氫酶活性采用高錳酸滴定法測定［17］;堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定［18］;脲酶活性采用靛酚藍(lán)比色法測定［17］;蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定［17］。

1.5 土壤水提液制備及自毒作用測定

分別稱取40 g根際土壤置于棕色試劑瓶內(nèi)，加入400 mL蒸餾水，充分震蕩后置于搖床振蕩提取48 h，過濾獲得100 mg·mL-1浸提液母液(1 g·mL-1為1 mL蒸餾水中含有1 g所采樣品干物質(zhì)的提取液)，于4℃冰箱保存，用于后續(xù)試驗(yàn)。選取大小一致的胡麻種子(隴亞10號)，經(jīng)20%NaClO消毒15 min，滅菌蒸餾水漂洗5次，均勻擺放在鋪有兩層濾紙，大小一致的90 mm滅菌培養(yǎng)皿中，每皿擺放40粒，分別加入不同濃度的提取液8 mL，對照組為蒸餾水(CK)，每個(gè)處理3次重復(fù)。將培養(yǎng)皿置于25℃恒溫，光照12 h，黑暗12 h的人工氣候室培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)，種子萌發(fā)以胚根突破種皮為標(biāo)準(zhǔn)。種子萌發(fā)過程中，每隔1 d加入對應(yīng)的3 mL提取液，保持濾紙濕潤，每隔24 h統(tǒng)計(jì)1次發(fā)芽數(shù)，第3天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽勢(GP)，第7天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率(GR)和發(fā)芽指數(shù)(GI)，挑選第一天萌發(fā)的幼苗10株，吸水紙吸干，測定根長(RL)、株高(SL)、根鮮重(RW)和苗鮮重(SW)。計(jì)算各處理發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)(VI)并計(jì)算各指標(biāo)的抑制率。計(jì)算公式如下:

發(fā)芽率(GR)=7 d正常發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%

發(fā)芽勢(GP)=前3 d內(nèi)正常發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%

式中，Gt為在第t天發(fā)芽的種子數(shù);Dt為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)。

式中，S為第7天測得的整株幼苗鮮重(g)。

式中，Ti為測試項(xiàng)目的處理值，T0為對照值。RI＞0表示具有促進(jìn)作用，RI＜0表示具有抑制作用。RI絕對值越大，表明其化感作用潛力(促進(jìn)或抑制)越大。

綜合效應(yīng)(SE):以供體對同一受體各測試項(xiàng)目(發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、根長、苗高、根鮮質(zhì)量、苗鮮質(zhì)量)的抑制百分率(RI)的算術(shù)平均值表示。SE＜0時(shí)表示抑制作用，SE＞0時(shí)表示促進(jìn)作用，絕對值的大小代表綜合化感作用強(qiáng)弱。

1.6 數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft Excel軟件對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過SPSS 20.0軟件，對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因子方差分析，用新復(fù)極差法(Duncan)做顯著性分析，利用軟件sigmaplot 10.0和Adobe Photoshop作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 輪作小麥對胡麻生長及產(chǎn)量的影響

圖1表明，隨著胡麻連作年限的增加，表現(xiàn)出連作障礙，而輪作小麥具有顯著的消減作用。TC3處理出苗率降低至67.8%，而TR處理出苗率較TC3顯著增加，為 73.2%，與 TC1(73.5%)和 TC2(72.9%)處理無顯著差異(圖1A)。整個(gè)生長過程發(fā)現(xiàn)，萌發(fā)2個(gè)月內(nèi)TC3處理株高雖略矮，但與同時(shí)期其他處理組間胡麻株高沒有明顯差異，生長1個(gè)月平均株高都在7 cm左右，生長2個(gè)月平均株高達(dá)到12 cm左右，從第3個(gè)月開始的后期生長過程中，TC3平均株高顯著低于其他處理組，而TR處理胡麻株高與TC1無顯著差異，收獲時(shí)TC3胡麻株高僅為60.7 cm，而TR、TC1和TC2處理的平均株高分別為69.7、70.6 cm和69.1 cm(圖1B)。收獲后統(tǒng)計(jì)籽粒千粒重及單株胡麻籽粒產(chǎn)量發(fā)現(xiàn)，隨著連作年限增加，胡麻籽粒千粒重降低，而TR處理可以明顯提升籽粒千粒重(圖1C);TR處理單株產(chǎn)量與千粒重的表現(xiàn)一致(圖1D)。

2.2 輪作小麥對土壤酶活性的影響

胡麻連作導(dǎo)致土壤酶活性發(fā)生變化，輪作小麥可以消減連作對土壤酶活性的影響(圖2)。土壤蔗糖酶測定表明，TC2處理其活性與TC1無顯著差異，而TC3處理其活性降低至20.52 mg·g-1·d-1，TR處理與TC1土壤蔗糖酶活性分別為24.48 mg·g-1·d-1和 24.61 mg·g-1·d-1(圖 2A)。過氧化氫酶活性隨著連作年限增加逐漸降低，從TC1的2.35 mL·g-1·h-1降低到 TC2 的 2.16 mL·g-1·h-1，TC3處理其活性只有1.90 mL·g-1·h-1，輪作小麥后活性明顯高于連作胡麻，其活性達(dá)到2.41 mL·g-1·h-1，與TC1土壤中過氧化氫酶活性無顯著差異(圖2B)。土壤脲酶活性隨著連作年限增加表現(xiàn)出先降低后升高的趨勢，而輪作小麥可以消減其活性降低的趨勢，使酶活性保持在TC1處理土壤脲酶活性的水平(圖2C)。輪作小麥后土壤堿性磷酸酶活性與TC1處理無顯著差異，且明顯高于TC2和TC3處理(圖2D)。

圖1 各處理胡麻出苗率、株高及產(chǎn)量Fig.1 The emergence rate，plant height and yield of different treatments

圖2 各處理的土壤酶活性Fig.2 Soil enzyme activity of different treatments

2.3 土壤水提液對胡麻的化感效應(yīng)

TR和TC2、TC3處理土壤水提液對胡麻種子發(fā)芽指數(shù)(GI)、發(fā)芽勢(GP)、發(fā)芽率(GR)和活力指數(shù)(VI)表現(xiàn)出不同的化感作用，輪作可以消減由于連作導(dǎo)致的土壤水提液對種子萌發(fā)抑制作用增強(qiáng)的趨勢(表1)。與CK和TC1相比，TR處理土壤水提液對種子萌發(fā)各項(xiàng)指標(biāo)幾乎沒有改變，3組處理間無顯著性差異。隨著連作年限的增加，土壤水提液對種子萌發(fā)表現(xiàn)出明顯的抑制作用，導(dǎo)致發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽率、發(fā)芽勢和活力指數(shù)降低，且抑制作用隨著連作年限增加而增強(qiáng)。由表2可見，在相同水提液濃度下，TR處理土壤水提液對種子發(fā)芽勢和發(fā)芽率表現(xiàn)出的化感作用抑制率為-4.17%，明顯低于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;對于發(fā)芽指數(shù)抑制率和活力指數(shù)抑制率，TR的化感作用抑制率最低，分別為-1.50%和1.51%，且明顯低于TC1水提液對發(fā)芽指數(shù)(-7.50%)和活力指數(shù)(-1.51%)的抑制率。

表1 土壤水提液對種子萌發(fā)的影響Table 1 Effects of aqueous extracts from soil on seed germination indices

表2 土壤水提液對種子萌發(fā)和幼苗生長的化感自毒效應(yīng)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可見，TR土壤水提液對胡麻苗高和苗重的影響與CK、TC1和TC2土壤水提液的影響相比無顯著性差異，苗高和苗重都分別維持在3.50 cm和50.0 mg左右，但與TC3土壤水提液處理具有顯著性差異。TR土壤水提液對胡麻根長和根重的影響與TC2和TC3具有顯著性差異，與CK和TC1土壤水提液處理無顯著性差異。以CK為對照，TR土壤水提液對胡麻幼苗苗高和苗重表現(xiàn)出促進(jìn)作用，與TC1無顯著性差異;TC3土壤水提液對胡麻幼苗苗高和苗重表現(xiàn)出抑制作用，TC2土壤水提液對苗高的促進(jìn)作用明顯弱于TR和TC1，對苗重的影響與TR和TC1無顯著差異。TR土壤水提液對胡麻幼苗根長和根重表現(xiàn)出微弱的抑制作用，但其絕對值與CK和TC1差異不顯著，與TC2和TC3差異顯著。

各處理土壤水提液對胡麻影響的綜合效應(yīng)為:TR≥TC1＞TC2＞TC3(圖3)。TR處理土壤水提液綜合效應(yīng)表現(xiàn)為0.21%的微弱促進(jìn)作用，TC1處理土壤水提液綜合效應(yīng)為-1.02%的弱抑制作用，而TC2和TC3土壤水提液綜合效應(yīng)表現(xiàn)為強(qiáng)的抑制作用，分別為-8.61%和-17.01%，且連作年限越久，抑制作用越強(qiáng)，說明輪作小麥改善了土壤的自毒效應(yīng)，而連作種植加劇土壤的自毒作用。

3 討論與結(jié)論

連作種植往往造成土壤環(huán)境惡化，導(dǎo)致生長發(fā)育狀況變差，繼而下茬產(chǎn)量下降，品質(zhì)劣化。實(shí)施合理的輪作制度，既可以調(diào)節(jié)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，改善土壤肥力、調(diào)節(jié)土壤酶活性，減少自毒物質(zhì)積累，有利于作物生長和有益微生物的繁衍，又可以減少病原物存活，減少病害，提高作物產(chǎn)量［7，19-23］。本研究大田試驗(yàn)結(jié)果表明:胡麻連作導(dǎo)致連作障礙，對胡麻生長和產(chǎn)量造成不利影響，致使植株變矮，產(chǎn)量下降，而輪作小麥可以消減連作障礙的影響(圖1)。

表3 土壤水提液對幼苗生長的影響Table 3 Effects of aqueous extracts from soil on seeding growth

圖3 各處理胡麻生長的綜合效應(yīng)Fig.3 Synthesis effect of different treatments on oil flax growth

土壤酶在驅(qū)動土壤代謝、生物循環(huán)及土壤肥力等方面起著重要作用［24-25］，土壤酶活性通常被作為衡量土地肥力的指標(biāo)。蔗糖酶參與土壤中碳水化合物的轉(zhuǎn)化，使蔗糖水解為葡萄糖和果糖，轉(zhuǎn)化為植物和微生物能利用的營養(yǎng)物質(zhì)，其活力強(qiáng)弱反映土壤熟化程度和肥力水平［26］。本研究表明，TC3處理土壤蔗糖酶活性下降，TR與TC1或TC2的蔗糖酶活性沒有顯著性差異。過氧化氫酶可以將過氧化氫分解為水和氧氣，解除過氧化氫的毒害作用，其活性在一定程度上反映了土壤微生物代謝的強(qiáng)度［27］。本研究結(jié)果顯示，隨著連作年限的增加，過氧化氫酶活性呈下降趨勢，而TR處理過氧化氫酶活性未降低，保持在TC1酶活性水平。脲酶是土壤酶中唯一對尿素的轉(zhuǎn)化作用具有重大影響的酶，尿素肥料只有經(jīng)過脲酶水解才能被作物吸收利用，但脲酶活性過強(qiáng)，也會導(dǎo)致局部氨濃度增高不利于作物生長。本研究表明，隨著連作年限增加，脲酶活性先降低后升高，而TR處理脲酶活性未發(fā)生變化，保持在連作1 a酶活性水平。土壤磷酸酶可以酶促分解各種有機(jī)磷化合物，為植物提供有效磷［28］。本研究表明，連作導(dǎo)致土壤堿性磷酸酶活性降低，但輪作無顯著影響。本試驗(yàn)中胡麻連作年限與酶活性的關(guān)系與黃玉茜等［29］對花生連作研究和高楊等［30］關(guān)于蕎麥連作對酶活性研究結(jié)果一致。通過4種土壤酶活性測定發(fā)現(xiàn)，輪作小麥處理酶活性保持在TC1處理土壤酶活性水平，這表明TR處理對胡麻連作障礙的消減作用，部分是通過保持土壤酶活性實(shí)現(xiàn)的。

化感自毒作用被認(rèn)為是連作障礙的重要因素之一。自毒物質(zhì)通過揮發(fā)、根系分泌、地上部分淋洗和植物殘?bào)w分解等途徑向環(huán)境中釋放，對植物種子萌發(fā)及生長產(chǎn)生影響。郭俊霞等［31］研究表明，丹參連作土壤水提液對其幼苗生長具有抑制作用。馬鈴薯、花生、棉花、半夏和人參根系分泌物都具有明顯的自毒作用，影響種子萌發(fā)及植株生長［32-36］。種子萌發(fā)及幼苗生長試驗(yàn)表明，隨著胡麻種植年限的增加，土壤水提液對自身種子萌發(fā)和幼苗生長的化感自毒作用增強(qiáng)，抑制種子萌發(fā)及幼苗生長，而輪作小麥可以減弱自毒作用。本試驗(yàn)綜合化感效應(yīng)顯示，連作后土壤水提液出現(xiàn)抑制作用，且化感自毒作用隨著連作年限增加而逐漸增強(qiáng)，但是輪作小麥后，可以在一定程度上緩解自毒作用，表現(xiàn)出促進(jìn)作用。該研究成果證實(shí)，輪作小麥可以通過改善土壤的化感自毒作用，消減胡麻連作障礙，從而利于植株生長和增加產(chǎn)量。輪作小麥可能通過減少土壤自毒物質(zhì)的進(jìn)入消減土壤內(nèi)已有的自毒物質(zhì)，從而達(dá)到對胡麻連作障礙的消減作用，當(dāng)然也可能還存在其他方面的作用機(jī)制。因此，在胡麻種植中，利用小麥構(gòu)建合理的輪作倒茬種植模式，有利于消減胡麻連作障礙的發(fā)生，對胡麻生產(chǎn)具有重要意義。