内蒙古属于北方一熟区,马铃薯是该地区的优势和特色作物,特别是在内蒙古阴山以北地区的农业中马铃薯更是占有举足轻重的地位,对当地农民增收和农业增效起到很大的作用。马铃薯生产中普遍存在连茬或不合理轮作现象,引起土壤有害微生物增多、土壤养分比例失调、土壤盐渍化加重、土壤物理性状恶化、土壤酸化板结等问题,导致作物出现生育状况变差、产量下降、品质变劣等连作障碍,并且该现象逐年加重^[1,2]。

由于作物本身生物学特性及其生产过程中所采取的轮作模式不同,对土壤产生的影响不同,进而对后茬作物产生不同的影响,所以在进行轮作时选择适宜的轮作模式至关重要。合理的轮作模式不仅可以很好地协调不同轮作作物对养分的需求,还可以使土壤保持较长久的生产潜力^[3],从而促进农作物的生长发育,提高农作物的产量。孙玉玲^[4]研究表明,苜蓿茬口的大豆较其他茬口大豆的株高高出5.63~33.63cm。王惠珍等^[5]研究表明,轮作当归较连作当归的净光合速率提高了12.39%~15.78%。杨宁^[6]对豆科绿肥冬小麦轮作提高小麦产量和营养元素含量的效应与土壤机制进行了研究,结果表明,以豆科绿肥为茬口的小麦较连作小麦的产量增加了10%~15%。金杨秀等^[7]在研究大蒜轮作与瓜类枯萎病发病关系时发现,瓜类与大蒜进行轮作并适时休闲可以明显抑制土壤中病原菌菌丝的生长。吴凤芝等^[8]研究得出不同土培条件下黄瓜幼苗的根系分泌物对黄瓜枯萎病病原菌的助长作用不同,在轮作土培条件下随着轮作年限的增加,助长作用有减弱的趋势。合理轮作可减轻农作物病害发生程度,是一项用地和养地相结合的农业技术措施^[9]。有关作物茬口对作物生产的影响已有大量报道。于慧颖等^[10]研究指出,菜豆→芹菜→黄瓜轮作可以有效减轻黄瓜病害,显著提高黄瓜产量;樊虎玲等^[11]研究表明,苜蓿→小麦轮作以苜蓿茬后第2年种植的小麦品质和氨基酸含量为优,到苜蓿茬后第3年,茬口优势效应减弱;程学刚等^[12]研究指出,在大豆盛花期,小麦、玉米、苜蓿茬的大豆平均每天干物质积累量分别是0.45、0.39、0.40g/株,而大豆茬的大豆仅有0.24g/株;彭云等^[13]研究表明,烟株生长期间气温较高的地区烤烟前茬以油菜为宜,而气候冷凉的地区则以小麦或绿肥为最佳前茬。有关马铃薯适宜前茬作物以及轮作周期中作物合理搭配的研究还鲜见报道。本试验针对阴山北麓无霜期短、风沙大、降雨量少、土壤贫瘠的特殊环境,探究了不同轮作模式对该地区马铃薯干物质积累、产量及病害的影响,以期为生产中选择适宜马铃薯种植的轮作模式提供理论依据。

试验于2018年5-9月于内蒙古呼和浩特市武川县大豆铺村进行,该地区位于内蒙古自治区阴山北麓,海拔1 555m,属中温带大陆性季风气候,年平均气温2.6℃,无霜期约110d,年平均降雨量约352mm,年蒸发量约2 068.0mm。土壤属栗钙土,耕层0~20cm土壤碱解氮含量为38.01mg/kg,有效磷含量为21.49mg/kg,速效钾含量为117.72mg/kg,有机质含量为15.55g/kg,pH为8.04。

试验设绿肥春翻→绿肥夏翻→马铃薯（LcLxM）、绿肥春翻→绿肥春翻→马铃薯（LcLcM）、向日葵→向日葵→马铃薯（XXM）、燕麦→向日葵→马铃薯（YXM）4个处理。大田试验,试验地面积0.24hm²。供试马铃薯品种为冀张薯12号,种植密度52 500株/hm²,播种时一次性施史丹利复合肥（含N 16%,P₂O₅ 12%,K₂O 8%）750kg/hm²,在中耕起垄时结合滴灌追施尿素（含N 46.4%）150kg/hm²,在块茎膨大期结合滴灌追施硝酸钙镁（含N 13.6%,MgO 6%,CaO 16%,B 0.1%）75kg/hm²。全生育期灌水和其他管理措施同大田生产。

1.3.1 干重 分别于出苗后15、30、45、60、80d取样,每次每个处理取有代表性的样点4个,每个样点取代表性植株3株,洗净晾干,分器官称量鲜重,并分别取茎、叶、块茎各器官鲜样100g,于105℃下杀青30min,然后降至75℃烘干至恒重,称重。

1.3.2 马铃薯病害调查 于出苗后60d调查马铃薯植株早疫病和枯萎病发病情况,于出苗后80d第2次调查马铃薯植株枯萎病发病情况,每次每个处理取有代表性的样点4个,在每个样点上采用对角线5点取样法,每点调查2株。收获时调查马铃薯块茎枯萎病、疮痂病、黑痣病发病情况,每个处理取有代表性的样点4个,在每个样点上取10~15kg的马铃薯块茎;根据分级标准计算病情指数,几种病害分级标准如下:

马铃薯植株早疫病分级标准参照方中达^[14]的方法,分为0、1、3、5、7、9六个等级。病情指数=∑（各级病株数×相对级数值）/（调查总株数×9）×100。

马铃薯植株枯萎病病株率的调查参照曲延军等^[15]的方法。茎秆维管束呈虚线状褐变,即为植株枯萎病;发病率（%）=维管束褐变的植株总数/调查植株总数×100。

马铃薯块茎枯萎病发病率的调查参照曲延军等^[15]的方法。横切薯块脐部,块茎维管束呈虚线状褐变,即为块茎枯萎病;发病率（%）=维管束褐变的块茎总数/调查块茎总数×100。

马铃薯块茎疮痂病分级标准参照孙静等^[16]的方法,分为0、1、2、3、4五个等级。病情指数=∑（各级调查病薯数×相对级数值）/（调查总块茎数×4）×100。

马铃薯块茎黑痣病分级标准参照张建平等^[17]的方法,分0、1、2、3、4、5、6七个等级。病情指数=∑（各级调查病薯数×相对级数值）/（调查总块茎数×6）×100。

1.3.3 测产 收获时在每个处理中选有代表性的样点4个,每个样点取2行进行测产,行长5m,行距0.6m,分别记录测产株数,大（薯重≥150g）、中（75g≤薯重<150g）、小薯（薯重<75g）个数及重量,计算产量、单株结薯数、单个块茎重及商品薯率（薯重≥150g为商品薯）。

采用Microsoft Excel 2007与Sigma Plot 13进行试验数据处理,利用SPSS 20.0数据处理系统进行方差分析,运用新复极差比较法进行平均值多重比较。

由表1可见,不同轮作模式下马铃薯单株叶、茎、块茎干物质积累量均随着生育期的推进呈现不断增加的趋势。对整个生育期的单株叶片干物质积累量的平均值进行方差分析,结果发现LcLxM的单株叶片干物质积累量最大,为19.06g/株,分别较LcLcM、YXM和XXM显著增加了9.41%、14.13%、22.57%;其次是LcLcM,为17.42g/株,较XXM显著增加了12.03%。

对整个生育期单株茎干物质积累量的平均值进行方差分析,结果发现LcLxM的单株茎干物质积累量最大,为12.97g/株,分别较LcLcM、YXM和XXM显著增加了9.18%、13.18%、24.83%;LcLcM和YXM分别为11.88和11.46g/株,均显著高于XXM,分别较XXM增加了14.34%和10.30%。

对整个生育期单株块茎干物质积累量的平均值进行方差分析,结果表明LcLxM的单株块茎干物质积累量最大,为66.30g/株,分别较LcLcM、YXM和XXM显著增加了6.66%、9.26%、23.42%;其次为LcLcM和YXM,分别为62.16和60.68g/株,均显著大于XXM,分别较XXM增加了15.71%和12.96%。

根据表2结果,将出苗后天数作为自变量（X）,全株干物质积累量作为因变量（Y）,用Logistic曲线Y=K/(1+e^a+bX)进行回归模拟,得出回归方程（表3）。复相关系数都达到了极显著水平。从回归方程可得出在X=-a/b时,LcLxM、LcLcM和YXM分别在出苗后65.8、65.5、65.8d马铃薯全株干物质积累速率达到最大,分别为2.28、2.15、2.11g/（株·d）,XXM在出苗后63.2d马铃薯全株干物质积累速率达到最大,为1.78g/（株·d）;LcLxM、LcLcM、YXM比XXM的马铃薯全株干物质积累速率高峰期推后了约3d,马铃薯全株最大干物质积累速率分别较XXM高28.09%、20.79%、18.54%。从回归方程可得出,Y=K时,马铃薯全株干物质积累量最大,表现为LcLxM>LcLcM>YXM>XXM,其中LcLxM、LcLcM和YXM的马铃薯全株最大干物质积累量分别较XXM高33.07%、24.90%和23.52%。

由表4可见,在整个马铃薯生育期内,随着生长中心的转移,干物质在叶片、茎和块茎的分配率也在发生变化。叶片和茎中干物质分配率呈现逐渐下降的趋势,块茎干物质分配率呈逐渐增加的趋势。出苗后15d,马铃薯块茎尚未形成,干物质主要分配在茎叶中,其中叶片的分配率为66.53%~71.01%,茎的分配率为28.99%~33.47%。之后马铃薯叶片、茎和块茎并进生长,出苗后30d,叶片分配率为42.89%~44.06%,茎分配率为25.50%~26.58%,块茎分配率为30.44%~30.82%。自此以后,块茎中的干物质分配比例逐渐增大,至出苗后80d达到最大,此时叶片分配率为14.67%~15.96%,茎分配率为10.50%~10.79%,块茎分配率为73.46%~74.83%。对整个生育期干物质在叶片、茎和块茎分配率的平均值进行方差分析,结果发现,各处理间叶片、茎和块茎的干物质分配率差异均未达到显著水平。

如表5所示,马铃薯植株早疫病病情指数以XXM最低,显著低于LcLxM和YXM,分别降低了39.99%和32.62%;在出苗后60d,各处理马铃薯植株枯萎病发病率均为0.00%,至出苗后80d,XXM、YXM和LcLcM的马铃薯植株枯萎病发病率均显著低于LcLxM;马铃薯块茎黑痣病病情指数在各处理间均存在显著性差异,从低到高表现为XXM<YXM<LcLxM<LcLcM;马铃薯块茎疮痂病病情指数以LcLxM最低,其次是XXM和YXM,这3个处理均显著低于LcLcM;马铃薯块茎枯萎病发病率以YXM最低,显著低于LcLxM、LcLcM和XXM,其次以XXM和LcLcM较低,均显著低于LcLxM。

如表6所示,马铃薯产量在各处理间均存在显著性差异,从高到低表现为LcLxM>LcLcM>YXM>XXM,LcLxM的产量分别较YXM和XXM增加了10.54%和15.46%,LcLcM的产量较XXM增加了12.20%;马铃薯商品薯率以LcLcM最高,为78.17%,显著高于LcLxM、XXM和YXM;其次为XXM,为73.56%,显著高于YXM;LcLxM、LcLcM的单个块茎重显著高于XXM 21.17%、15.50%,LcLxM、LcLcM较YXM增加了17.89%、12.37%。各处理间单株结薯数差异不显著。

干物质是产量形成的基础,不同的轮作模式对作物干物质积累量有不同的影响。彭云^[18]研究表明,不同前作的烟株生长前期干物质量差异不大,而前作为绿肥和休闲的烤烟在后期干物质积累量明显高于前作为小麦和油菜,产量以前作绿肥和休闲的烤烟最高。本试验研究表明,不同轮作模式下的马铃薯叶片、茎和块茎干物质积累量基本表现为LcLxM>LcLcM>YXM>XXM;马铃薯全株干物质积累最大速率和最大干物质积累量从高到低均表现为LcLxM>LcLcM>YXM>XXM;马铃薯全株干物质积累最快速率出现的时间,LcLxM、LcLcM和YXM较XXM迟约3d;任少勇^[19]研究表明,在马铃薯整个生育期内,随着生长中心的转移,叶片、茎和块茎的干物质分配率也在变化,干物质分配率在叶片和茎中逐渐下降,在块茎中逐渐增加。本试验研究表明,出苗后15d,叶片干物质分配率在66.53%~71.01%,茎干物质分配率在28.99%~33.47%,出苗后80d,叶片干物质分配率降到了14.67%~15.96%,茎干物质分配率降到了10.50%~10.79%,块茎干物质分配率则达到了73.46%~74.83%,各处理间叶片、茎秆和块茎干物质分配率无显著差异。

黄光荣^[20]研究得出相对于小麦-烤烟和油菜-烤烟轮作,以大蒜为前茬,对于防治和减轻烤烟病害效果显著,对烤烟病害的防治效果高达93%。本试验研究表明,不同轮作模式间马铃薯几种病害发生程度存在差异。马铃薯植株早疫病病情指数、块茎黑痣病病情指数、块茎疮痂病病情指数均以XXM处理最低。马铃薯块茎枯萎病发病率以YXM处理最低。

一般轮作可使作物增产5%~8%,适当的轮作方式可增产10%~15%,元生朝^[21]报道增产20%左右。确定合理的轮作系统,对于提高农产品产量及保持土壤可持续生产有着重要的意义。本试验研究表明,不同轮作模式的马铃薯产量从高到低表现为LcLxM>LcLcM>YXM>XXM,且LcLxM的产量分别较YXM和XXM显著增加了10.54%和15.46%,LcLcM的产量较XXM显著增加了12.20%。

在内蒙古阴山北麓地区,不同轮作模式的马铃薯各器官干物质积累量、全株最大干物质积累速率、全株最大干物质积累量和产量均表现为绿肥春翻→绿肥夏翻→马铃薯轮作模式最高,其次是绿肥春翻→绿肥春翻→马铃薯轮作模式,再次是燕麦→向日葵→马铃薯轮作模式,向日葵→向日葵→马铃薯轮作模式最低。不同轮作模式下马铃薯植株及块茎病害发生情况均表现为绿肥春翻→绿肥夏翻→马铃薯、绿肥春翻→绿肥春翻→马铃薯轮作模式发病程度最重,其次为燕麦→向日葵→马铃薯轮作模式,向日葵→向日葵→马铃薯轮作模式发病程度最低。