棉花連作對土壤質量的影響

摘要： 綜述了棉花（Gossypium hirsutum L.）連作引起土壤質量下降的主要因素，包括土壤理化性質、土壤微生物數量、土壤微生物群落結構及土壤酶的變化等，探討了改善土壤質量、緩解棉花連作障礙的有效途徑，以期為解決棉花連作障礙問題提供一定的參考。

關鍵詞：棉花（Gossypium hirsutum L.）；連作；土壤微生物；土壤酶

中圖分類號：S562；S344.4；S158 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）24-5962-04

連作是指在同一地塊上連續兩茬以上種植同一種作物或同一科作物；作物連作以后，即使在正常的栽培管理措施下，也會使植株長勢變弱，產量和品質下降，這種現象被稱為連作障礙[1]。連作問題在農業生產中普遍存在， 可引起土壤質量下降、作物減產以及病蟲害危害加劇等連作障礙的發生，在中國棉花（Gossypium hirsutum L.）主產區，連作現象非常普遍，隨著連作年限的延長，許多棉田發生棉花死苗、病蟲害頻繁發生、生長不良、早衰、產量下降等連作障礙現象。國內外研究表明，連作障礙是由多種因素作用的結果，其本質是土壤根際微生態系統失調或惡化[2-5]。本研究就棉花連作對土壤理化性狀、土壤微生物數量、土壤微生物群落結構、土壤酶的影響進行了綜述，以及對緩解連作障礙的途徑進行了探討。

1 連作對土壤理化性狀的影響

土壤基礎肥力是棉花高產的重要保障，棉區棉花面積擴大，倒茬困難而長期連作，導致土壤肥力下降。范君華等[6]研究發現南疆干旱區連作棉田中土壤鹽分和養分狀況表現為：總鹽、K、Na、速效鉀減少，而有機質、全氮、速效氮、速效磷、有效錳呈增加趨勢，有效鐵、有效銅、有效鋅的變化沒有規律。劉建國等[7]利用棉花長期連作定點微區試驗，研究不同連作年限棉田土壤物理、化學性狀的動態變化。結果表明，隨著連作年限的增加，棉田土壤容重下降，連作5、10、15和20年土壤有機質含量分別比種植1年的增加10.56%、18.09%、37.34%和55.64%，土壤含鹽量呈上升趨勢，隨著連作年限的增加，土壤堿解氮含量增加，土壤速效鉀含量呈下降的趨勢，有效磷含量在連作5年時達到最大值，隨后下降，連作10、15和20年之間的變化幅度較小。韓春麗等[8]對新疆綠洲地區不同連作棉田土壤中9種礦質元素含量和棉田養分收支量等進行了分析。結果表明，棉田土壤中微量元素和大量元素均有一定程度的貧化趨勢，長期連作導致土壤中Mo的消耗最為嚴重，說明棉花對Mo的吸收能力最強，因此，提出棉花長期單一種植，應重點補充Mo、Zn和Cu微量元素肥料，酌情補充Mg、K等大量元素肥料。棉田Ca、Na含量較新疆土壤背景低，預示棉田土壤在向脫鹽堿方向發展，但兩元素在秸稈中的比例較高。因此，棉花長期連作農田應注意防止耕作層土壤向次生鹽堿化方向發展。劉瑜等[9]以長期連作棉田為研究對象，對5～15年連作棉田土壤理化性質和生物學性狀進行測定，結果表明，棉花長期連作對土壤肥力性狀影響顯著，表層土壤（0～20 cm）肥力明顯高于亞表層（20～40 cm）。

2 連作對土壤微生物的影響

2.1 連作對土壤微生物數量的影響

在中國棉花主產區，連作現象非常普遍，隨著連作年限的延長，許多棉田發生棉花死苗、病蟲害頻繁發生、生長不良、早衰、產量下降等連作障礙現象，眾多研究表明連作障礙的發生與根際微生態失衡有關[10，11]。根系分泌物中的自毒物質、酚酸類物質的化感效應導致土壤根際微生態系統失調或惡化[12]，病原微生物富集，土傳病害加重[13，14]，作物減產，土壤質量下降[15]。同時連作也降低了微生物多樣性水平，造成細菌型土壤向真菌型土壤轉化，最終表現為連作障礙。顧美英等[16]對棉花多年連作的土壤微生態進行了研究，結果表明，隨著連作年限的延長，細菌數量和生理菌群有先增加后減少的趨勢，真菌數量總體上呈現增加的趨勢，這說明連作對微生態的影響在持續積累。連作最直接的負面影響是導致微生物多樣性趨向單一，使病原微生物增多，特別是土傳病害加重，作物的抗病性下降[17]。王汝賢等[18]通過對抗枯萎病品種連作田微生物數量變化的研究表明，隨著棉花抗病品種連作年限的增加，土壤中棉花枯萎菌、尖孢鐮刀菌的數量及細菌類群均減少，而真菌、放線菌和線蟲的總數量以及對棉花枯萎菌有抵制作用的放線菌、細菌的數量逐漸增加。認為棉花抗病品種連作田土壤中棉枯萎菌數量的減少，是土壤致病力下降的主要原因，而棉枯萎菌數量減少則主要是棉花抗病品種在長期連作下根系分泌物中的抑菌物質對病菌抑制的結果。

2.2 連作對土壤微生物群落結構的影響

土壤微生物是棉田土壤生態系統的重要組成成分，對土壤肥力的演變、植物有效養分的持續供給、有害生物的綜合防治及土壤修復都起著舉足輕重的作用。土壤微生物群落結構和組成的多樣性不僅作為評價土壤環境和土壤肥力變化的靈敏生物指標，而且對于提高土壤生態系統的穩定性與和諧性，增強對土壤微生態環境惡化的緩沖能力至關重要。國內外的研究表明，連作、輪作等栽培方式，對土壤微生物的群落多樣性和功能產生顯著影響，進而影響土壤質量和生產力[19]。婁陽洋等[20]對棉花連作與稻、棉輪作土壤細菌群落結構差異進行了DGGE分析，發現稻棉輪作群落結構變異較明顯，在稻、棉輪作的棉田土壤的蕾期出現了特殊種類，并占優勢地位。顧美英等[21]以南北疆不同連作年限棉花根際土壤為研究對象，研究了連作對棉花根際土壤微生物群落多樣性的影響，結果表明，不同連作年限棉花根際土壤微生物碳源利用和功能多樣性差異顯著，荒地土壤微生物活性較低，連作年限較短時，根際土壤微生物群落的平均顏色變化率（AWCD）和Shannon指數較高，長期連作則呈下降趨勢。因此棉花長期連作使棉花根際土壤微生物群落多樣性降低，發生連作障礙，進而導致棉花產量降低。

3 連作對土壤酶的影響

土壤酶活性與土壤質量以及土壤生物數量和生物多樣性相互聯系，可在一定程度上反映土壤生物學肥力質量變化[22]。顧美英等[16]研究表明，脲酶和蛋白酶活性隨連作年限增加表現為先增加后減少趨勢，蔗糖酶、多酚氧化酶和過氧化氫酶活性與連作年限關系不明顯。張偉等[23]通過棉花連作定點微區試驗研究了棉花長期連作和活性炭處理后棉田土壤酶活性的變化。結果表明，棉花連作影響土壤酶活性的變化，隨著棉花連作年限的增加棉田土壤脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性降低，多酚氧化酶活性呈先降低后升高的趨勢。朱新萍等[24]采用田間采樣及室內測試的方法，研究了新疆棉區不同連作年限棉田的4種主要土壤酶活性特征及其與土壤肥力的關系。結果表明，棉田連作對過氧化氫酶的影響不明顯，與荒地比較，脲酶和堿性磷酸酶在耕作后均有所增加，到5～7年普遍達到最大值，之后有所下降；蔗糖酶則到3～5年達到最大值，之后有所下降；土壤過氧化氫酶與pH、土壤有機質、全氮、全磷、速效氮和速效磷含量呈正相關，脲酶與全氮和堿解氮呈顯著和極顯著正相關。

4 緩解連作障礙的有效途徑

4.1 選擇抗病品種，合理輪作

目前還沒有一種非常有效緩解棉花連作障礙的途徑，根據連作帶來的問題采取預防為主的措施。選擇高抗炭疽病、立枯病、根腐病、枯萎病和黃萎病的品種。在播種前曬種、進行種子包衣可以有效預防炭疽病、根腐病、黃萎病等。采用棉花與兩萎病非寄主植物輪作、水旱輪作防病效果顯著。從土壤養分保持的角度分析，作物輪作能使土壤進行自然演替，可維持土壤肥力并改善土壤結構，減少土壤侵蝕過程[25]。

4.2 合理施肥和田間管理

土壤養分限制是造成連作障礙的重要因子之一[26]，同時作物連作易引起養分虧缺或比例失衡而導致營養障礙[27，28]。提倡農家肥與氮、磷、鉀化肥合理配施能夠有效緩解棉花連作障礙。生產中應適期早播，及時預防病蟲草害，適時化控、打頂，從而提高連作棉田子棉產量和經濟效益。

4.3 秸稈還田

作物秸稈富含多種養分和生理活性物質，實行秸稈還田能改善土壤物理性狀、補充土壤養分、提高土壤的生物有效性，從而增加作物產量[29-34]。但是棉花長期連作的負面效應與棉花秸稈還田正面效應同時存在[35]。李彥斌等[36]研究了秸稈不同還田量及不同腐解時間對后茬棉花抗氧化物酶活性和光合生理特性的影響，發現棉花秸稈腐解產物在一定程度上抑制了棉花種子的萌發，延長了種子出苗時間，影響棉花植株生長；并且隨著腐解時間的延長和秸稈還田數量的增加，棉花單葉凈光合速率、氣孔導度等光合參數降低，說明秸稈還田保持在一定量時表現為正效應，再增加秸稈還田量，秸稈腐解產生的化學物質具有一定的自毒效應，會對連作棉花種子萌發、抗氧化物酶活性和光合生理造成影響。

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