水旱輪作對設施蔬菜連作障礙調控的研究現狀

王燕 ，楊蒙立 ，王波 ，程立寶 ，李良俊

（1.江蘇揚州大學水生蔬菜研究室，225009；2.揚州市揚子蔬菜科技發展有限公司）

設施栽培是我國蔬菜種植的一種重要栽培方式，我國現有設施栽培面積410.7萬hm2，其中設施蔬菜種植面積達380多萬hm2，且種植面積呈持續增長趨勢。設施栽培打破了傳統農業受季節條件的限制，實現了農產品反季節上市，在蔬菜生產和供應中起著舉足輕重的作用[1]。然而設施栽培易受高溫、高濕的特殊環境及過量施肥的影響，土壤酸化、次生鹽漬化、病蟲害重發等連作問題逐年加劇，已成為影響設施栽培的一個重要限制因子，并且制約了我國設施蔬菜產業的可持續發展。連作障礙是指在同一土壤中連續種植同一種或科的植物時，即便給予正常的栽培管理也會出現植物生長勢變弱、產量和品質下降的現象[2]。水旱交替種植作物可使土壤系統在季節間進行干濕交替變化，形成特殊的水旱輪作生態系統，這種生態系統間的水熱條件強烈變換，引起土壤物理、生物、化學等特性在不同作物和季節間交替變化，從而減少土壤中的有害物質，改善土壤連作障礙，所以，水旱輪作是克服連作障礙最經濟有效的途徑[3，4]。連作障礙是土壤中有害物質長期積累的結果，其發生是由多種因素共同決定的。本文主要綜述連作障礙的發生原因、水旱輪作栽培模式對設施蔬菜連作障礙的調控，以期為設施水旱輪作改善連作障礙提供參考。

1 土壤連作障礙的主要因素

1.1 土壤理化性狀的改變

①土壤結構變化 土壤結構是維持土壤功能的基礎，能夠影響土壤中水、氣、熱和養分的移動，也直接影響植物的生長發育[5]。隨著連作年限的增加，土壤中粉粒和黏粒增加、沙粒含量減少，質地變得黏重，降低土壤的保肥保水能力，影響土壤對養分的吸收和轉運[6]。設施連作5 a后，土壤板結嚴重，耕作層變淺，容重增大，通氣性、透水性變差，土壤緩沖能力下降，致使植物抗性降低，生長發育受阻，病害頻發[7]。

②土壤養分失衡 土壤養分是否能滿足植物的正常生長需要，主要取決于土壤中各種養分的存在形態、含量，影響養分轉化的土壤環境條件，土壤保持有效養分的能力等[8]。在同一土地上連續種植同一作物，植物根系分布范圍、深淺及根系吸收的養分每年基本上都一樣，導致土壤中營養元素匱乏或比例失衡。有研究表明，連作3茬的設施黃瓜土壤，K含量下降了64.2%，N、P明顯過剩，土壤中養分嚴重失衡[9]；連作4 a和10 a的設施番茄土壤，雖然硝態氮含量有所增加，但速效磷的含量分別下降了10.3%～30.0%和2.4%～31.1%，并且隨著連作年限的增加，速效磷的含量逐年下降[10]；辣椒連作會造成土壤中有機質、氮、磷、鉀等養分失衡，連作20 a后，土壤中硝態氮、速效磷和速效鉀含量明顯下降[11，12]。另外，多年連作的大豆土壤根際表現為鋅、鎂、硼等微量元素含量下降[13]，連作障礙降低了土壤中鋅的含量，影響大豆產量。隨著連作年限增加，黃瓜根區的微量元素銅和錳的含量逐年降低，加之在連作黃瓜中重施尿素、磷酸二銨、硫酸鉀等大量元素肥料而較少施微肥，導致土壤中微量元素更加缺乏[14]。

③土壤次生鹽漬化和酸化 設施栽培施肥量較大，常年覆蓋薄膜使設施內土壤得不到雨水淋洗，土壤中鹽離子交換減緩，鹽分富集于土壤表層，次生鹽漬化發生[15，16]。土壤中 SO42-、Cl-、Ca2+等鹽分離子的增多是導致次生鹽漬化發生的主要原因之一，連作4 a的番茄土壤中SO42-、Cl-、Ca2+含量呈增加趨勢，土壤鹽漬化加重[6，16]。蔬菜大棚中土壤含鹽量隨連作年限的增加呈逐年上升的趨勢，連作9 a的蔬菜大棚，含鹽量達2.3 g/kg，連作6～9 a和10 a以上的土壤含鹽量變異系數分別達到了108.6%和103.6%，Ca2+、Mg2+和NO3-等離子含量均顯著上升，土壤出現不同程度的鹽漬化[17，18]。

設施多年的連作重茬，抑制了銨化菌、硝化菌等有益微生物生長，影響肥料分解，且設施內有機肥施用量少、土壤緩沖能力下降，導致土壤酸化。設施內連作6 a和8 a的辣椒土壤，pH值明顯下降，與相鄰的麥田土壤pH值相比，分別下降了4.94%、5.41%[11，12]。連作 20 a 的西瓜土壤 pH 值為 5.89，比連作6 a的西瓜土壤pH值下降了2.22，土壤酸化嚴重[19]。

④土壤酶活性變化 土壤酶是土壤中的微生物、植物根系及其他生物細胞產生的胞內酶和胞外酶的總稱[20]。在土壤生態系統中，土壤酶活性的強弱影響土壤肥力的大小，反映土壤中多種生物化學過程的強弱，是評價土壤生產力、肥力和生物活性的指標[21]。脲酶[22]、磷酸酶[20]、過氧化氫酶[23]等各類酶能夠為植物生長提供氮、磷等營養元素，提高土壤中的生物活性、破壞土壤中分解的過氧化氫，減少對植物的傷害；多酚氧化酶[24]活性的升高會使土壤有機質在礦化過程中酚類化合物積累，引起植物中毒。設施內連作的植物不同，土壤酶活性表現出不同的變化，黃瓜隨著連作年限的增加，多酚氧化酶活性逐年升高，而西瓜隨種植年限的增加，多酚氧化酶活性則呈先升高后下降的趨勢[18，23]；土壤脲酶、轉化酶、過氧化氫酶[23]、磷酸酶[20]等酶活性均呈逐年下降的趨勢，致使土壤中氮、磷等養分元素的轉化降低，有毒物質積累，連作障礙更加突出。

1.2 土壤中微生物變化

設施在為蔬菜生長和發育創造有利環境條件的同時也為各類微生物的生存和繁衍提供了棲息場所。土壤微生物參與土壤的形成發育、物質演變，是衡量土壤肥力的指標之一。土壤中各大類微生物（細菌、真菌、放線菌）數量能反映土壤微生物區系狀況[25]。土壤細菌是土壤微生物的重要組成部分，細菌數量的減少會導致土壤養分循環速率下降，使土壤速效養分的供應減少。西瓜連作土壤中細菌數量急劇下降，影響了土壤養分循環，連作障礙越發嚴重[20，26]。不同作物根系微生物對連作的響應不同，隨連作年限增加，大蒜[27]、茄子[28]、馬鈴薯[29]連作土壤中，細菌和放線菌數量呈降低趨勢，真菌數量逐年升高；番茄[30]、黃瓜[14，31]連作土壤中，細菌和放線菌數量呈先升高后降低的倒馬鞍形變化，真菌數量逐年增加。細菌型土壤是高肥力的生物指標，真菌型土壤是地力衰竭的標志[10]，在連作土壤中，真菌數量均逐年上升，使土壤從高肥的細菌型向低肥的真菌型轉變，土壤性狀惡化，植物根系活力下降，誘發各種病害發生。

1.3 自毒作用

設施栽培條件下，土壤中一些帶有病原微生物的植株殘體代謝產物對植物有致毒作用，并且植物根系分泌的自毒物質影響植株代謝，導致作物自毒作用發生[32]。自毒作用通過作用于植物細胞膜，改變細胞膜透性，影響植物的生理代謝過程，進而抑制植物的 生長 發育[33]。黃瓜[34]、番 茄[35]、豌 豆[36]、甜瓜[37]和西瓜[38]根系的分泌物和殘茬能夠引起自毒作用，從中分離出的一些物質可以通過影響植物的細胞膜透性、酶活性和光合作用等抑制植物的生長。西瓜根系分泌物使西瓜植株相對電導率和膜透性增加，根系中的總酚含量升高，并且這些根系分泌物降低了西瓜體內的葉綠素含量，光合產物積累減少，導致西瓜根系生長受到抑制，影響果實正常膨大[38]。對羥基苯甲酸[39]、阿魏酸、香草酸、肉桂酸[40]和香草醛[41]等根系分泌物對植物生長有抑制作用，這些物質通過影響植物的光合作用、水分吸收、蛋白質合成等途徑來影響植物的生長。閔紅[10]從連作3 a的草莓大棚土壤中檢測到了對羥基苯甲酸、香草酸、香草醛和阿魏酸等酚酸物質，并且這些物質隨連作年限的增加而呈累積趨勢，連作障礙問題突出。

2 水旱輪作對土壤連作障礙的調控

水旱輪作是指在同一塊田地上有序地輪換種植水生作物與旱生作物的一種種植方式，是保持地力、維持作物持續增加產量的一項重要措施[4]。由于水作和旱作的交替變化，影響了土壤氧化還原電位的變化；同時，土壤水熱條件的明顯轉換，也使土壤的理化性狀及生物特性在不同季節間交替變換，減輕連作障礙的發生及為害[42]。

2.1 水旱輪作減輕土壤次生鹽漬化及酸化

連作障礙的一個主要表現是連作土壤次生鹽漬化和酸化，在連作土壤上實行水旱輪作能大大減輕土壤鹽漬化和酸化問題。設施鹽漬土的鹽分離子主要由 Ca2+、Mg2+、K+、Na+、SO42-、NO3-、HCO3-和 Cl-這8種離子組成，水旱輪作通過調節鹽分離子的含量來改變連作土壤的鹽漬化和酸化問題[43，44]。項玉英等[45]調查發現，實行水旱輪作的蔬菜大棚土壤鹽分積累較少，在番茄生產老區（有10 a的種植歷史），實行番茄—水稻輪作模式，其土壤含鹽量≤0.3%；草莓與早稻輪換種植，土壤含鹽量為0.06%～0.10%，耕作層土壤鹽分積累較少。袁建玉等[46]選擇設施連作5 a（前茬作物為絲瓜）、土壤鹽漬化嚴重的田塊，以絲瓜與豆瓣菜進行水旱輪作，其耕作層土壤的電導率（EC）降低了 70.3%，NO3-、SO42-、Cl-含量分別下降了 61.5%、52.3%、82.1%，HCO3-含量上升 ；Ca2+、Mg2+、Na+、K+含 量 分 別 下 降 了 49.4% 、69.6%、66.7%、79.5%；土壤中的pH值上升了0.37，絲瓜與豆瓣菜水旱輪作緩解了設施土壤的酸化問題，降低了土壤中的鹽分含量，使設施連作障礙得到改善。在設施連作鹽漬化嚴重的土壤中淹水栽培水蕹菜，1個月后，土壤表層（1～10 cm）和根系吸收層 （10～20 cm）的EC值大幅度下降，鹽分離子NO3-、SO42-含 量分別由 2 193.9、809.5 mg/kg 降至326.9、273.5 mg/kg；淹水栽培 2 個月后，0～40 cm 各土層中的EC值降幅達60.3%～81.8%，主要鹽分離子也出現不同程度的降低，土壤鹽漬化問題減輕，酸化也得到了緩解[47]。

2.2 水旱輪作調節土壤中的礦質營養

在連作設施內實行水旱輪作，一方面能夠調節土壤中N、P、K和一些微量元素的含量，改善土壤養分狀況，更大限度地提高土壤養分的利用率；另一方面可增加P、K的供應，保持作物持續高產[48，49]。趙海濤等[50]的研究表明，在連作5 a的大棚草莓土壤上種植水生蔬菜（水芹和蕹菜），表層土壤有效磷和有機質含量均顯著增加，可見水旱輪作顯著改變了連作土壤耕作層（0～15.0 cm）的土壤性質。通過周期性的水旱輪作換茬，土壤中有機質活性增加，有機質的腐殖化和礦質化比例協調，提高了土壤中有機質的含量；水旱輪作使土壤中的碳氮比介于10～16，有利于土壤中殘留物質在分解過程中養分的釋放，這也說明，水旱輪作中土壤腐殖質程度高，氮礦化能力強[51]，同時，水旱輪作也有助于提高土壤對磷的吸附能力[42]。

實行水旱輪作不僅僅只是改善土壤中N、P、K這些大量元素的含量，同樣對土壤中的一些微量元素也有調節作用。旱改水能促進碳酸鹽結合態銅、氧化錳結合態銅和殘留態銅向代換態銅、無定形鐵結合態銅和有機態銅轉化，提高土壤中銅的有效性和可移動性[52]。

2.3 水旱輪作對土壤微生物的影響

土壤微生物數量能及時準確地反映土壤肥力和質量的演變趨勢[53]。土壤微生物量對土壤系統中養分循環和植物有效性的作用主要表現在兩個方面：一是微生物量自身含有一定的碳、氮、磷和硫，可看成是一個有效養分的儲備庫；二是土壤微生物能夠通過新陳代謝推動這些元素的流動和轉化[54]。趙海濤等[50]以連作5 a的大棚草莓與水生蔬菜（水芹、蕹菜）輪作，其耕作層土壤的真菌和放線菌數量均顯著下降。連作棉田土壤與水稻輪作后土壤中微生物結構得到明顯改善，細菌比例提高，氨化細菌和硝化細菌增多，有利于土壤中銨態氮通過硝化作用轉化為硝態氮，避免銨態氮過多的積累引起作物銨中毒；通過水旱輪作，土壤的B/F值[（細菌+放線菌）/真菌]有增加趨勢，說明水旱輪作能使長期連作的棉田土壤從低肥的真菌型土壤向高肥的細菌型土壤轉化，土壤肥力增加、有害物質減少[55]。同時，水旱輪作能夠改善土壤的通氣性，利于氨化細菌、自生固氮菌、硝化細菌、好氣性纖維素分解菌、磷肥分解菌等數量增加[56]，調節連作土壤的微生物結構。

2.4 水旱輪作對病蟲草害的防控作用

水旱輪作對病蟲害有一定的防治作用。鐘偉榮等[57]的調查顯示，在茄子—水稻—茄子的栽培模式中，茄子的平均病株率為8.3%，而在茄子—豇豆類或速生菜—茄子輪作模式中，茄子青枯病平均病株率為33.6%，其病株率是水旱輪作的4.1倍，可見水旱輪作能夠有效減輕茄子青枯病的發生。王海霞等[58]比較了水旱輪作和常規連作番茄田的病害發生情況，發現常規連作番茄田的青枯病、枯萎病、根結線蟲病發病率分別比水旱輪作田增加了12%、16%、8%，說明水旱輪作有效殺死了部分病菌，降低了植株的發病率。

實行水旱輪作對連作障礙田塊中的雜草也有一定的抑制作用。王淑彬等[59]的研究表明，水旱輪作的晚稻田比連作晚稻田的雜草總覆蓋度減少80%，紫云英—早稻—晚玉米輪作模式中的晚玉米田比紫云英—早玉米—晚玉米輪作模式中的晚玉米田雜草總覆蓋度減少24%。強勝等[60]連續5 a對江蘇省主棉區水旱輪作及旱旱連作兩種種植制度下的棉田雜草種群密度進行定田調查，結果表明水旱輪作能夠顯著降低棉田草害的發生程度。

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