百合連作障礙的生物學機理及生物防治技術綜述

周佳民，王小娥，宋 榮，曹 亮，朱校奇，謝 進，戴艷嬌

（1. 湖南省農業環境生態研究所，湖南 長沙 410125；2. 湖南省農業科學院藥用植物研究中心，湖南 長沙 410125；2. 湖南省農業科學院后勤服務中心，湖南 長沙 410125）

百合為百合科植物，富含卵脂類、氨基酸、維生素等營養物質，有養陰潤肺、清心安神的功效[1]，同時還含有豐富以及多糖、皂苷、花青素、生物堿等抗癌活性成分以及增強細胞免疫功能的生物活性成 分[2-3]。百合分為藥用百合、食用百合和觀賞百合3大類。藥用百合主產區主要在湖南的龍山、隆回和江西的萬載等縣，其中龍山縣的百合（卷丹百合）種植面積有0.55 萬hm2[4]，隆回縣的百合（龍牙百合）種植面積近0.33 萬hm2；食用百合主產區分布在甘肅蘭州、江蘇宜興等地，其中甘肅省百合（蘭州百合）種植面積達1.31 萬hm2[5]，江蘇省百合（宜興百合）種植面積超過667 hm2[6]；觀賞百合主產區主要在云南、廣東等地，其中，云南省百合（切花百合）種植面積近2 133 hm2[7-8]。據不完全統計，全國百合種植面積約33 333 hm2。

同一種植物或近緣植物在同一塊土地上連續多年種植以后，即使正常管理情況下，也會出現生育狀況變差、病蟲害嚴重、產量降低、品質變劣的現象，稱為連作障礙（continuous cropping obstacles）[9]。近年來，隨著農業結構的調整，百合種植呈現集約化、連作和種類單一的趨勢，病害多、農藥殘留高等已成為百合產量和品質降低的主要因素，嚴重威脅了百合生產及相關產業的可持續發展。

前人就百合連作的化感自毒作用、土壤理化性狀變化、連作障礙效應、形成機理和防治途徑等方面開展了大量的研究工作[10-18]，但對百合的連作障礙微生物學機理研究相對較少；筆者對百合連作障礙形成的生物學機理及其生物防治技術進行了綜述，展望了百合連作障礙生物防治技術的發展趨勢，旨在為解決百合種植連作障礙提供思路。

1 百合連作的障礙效應

連作對百合植株的生長生理特性、營養代謝、產量和品質均有較大影響[19]。例如連作使百合植株的根系活力下降、株高變矮、葉面積減小、葉綠素含量降低的同時，還降低了百合體內SOD、POD、CAT 的酶活性，使MDA 活性氧自由基不斷積累，導致植株膜脂的正常結構及過氧化功能受損傷，進而直接影響百合的生長發育、干物質積累和鱗莖產量[20-21]。

黃鈺芳等[22]研究認為，百合長期連作后植株長勢變弱、種球退化、大田病蟲害發生嚴重以及鱗莖產量品質下降，且這種大田連作障礙在生產實踐中普遍存在。筆者課題組調查發現，隨著連作障礙的加劇，百合主產區發生轉移，如湖南龍山百合的種植區域逐漸向周邊的湖北來鳳縣、湖南永順縣轉移。這在一定程度上影響了百合的道地性，也制約了當地百合產業的可持續發展。

2 百合連作障礙的生物學機理

2.1 土壤微生物區系變化

土壤微生物包括細菌、真菌、放線菌、藻類、原生動物等，其在植物殘體降解、腐殖質形成及養分轉化與循環中扮演著十分重要的角色。研究表明，土壤微生物群落多樣性指數、豐富度及其均勻度指數均隨著連作年限的增加而降低，連作導致土壤中有益微生物類群減少，而不利微生物類群增加，從而對植株正常的生命活動產生不利影響[23]。百合連作3 a 后，土壤總體微生物群落功能多樣性顯著下降，病害嚴重的土壤中，鐮刀菌（Fusarium）、絲核菌（Rhizoctonia）、黃萎病菌（Verticillium）、青霉菌（Penicillium）、銹腐病菌（Ilyonectria）5 種病原菌在土壤中豐度相對較高，而未發病的百合土壤中豐度相對較高的菌屬只有芽孢桿菌屬（Bacillus）1 種。Shang 等[24]和武志江[25]的研究結果也表明，百合連作土壤中，鏈格孢菌（Alternaria longissim）、灰葡萄孢菌（Botrytis cinereaa）和炭疽刺盤孢菌（Colletotrichumcircinans）等致病菌在連作土壤中相對豐度較高，而叢枝菌根真菌（Mortierella alpina，Glomeromycotan fungus）、木霉屬（Trichoderma sp.）這些植物有益菌相對豐度降低。百合連作土壤中真菌病原菌累積增多，有益菌減少，可能是百合連作產量降低、病害加重的因素之一。馮游滔[26]也得出了相似的研究結論。張亮[27]對觀賞百合首茬和重茬土壤的真菌、細菌、放線菌數量做了對比研究，但對致病菌的種或者亞種未進行鑒定。

2.2 土壤酶環境變化

土壤酶是表征土壤質量水平的一個重要生物指標，土壤酶活性對生態系統的物質轉化、能量流動及土壤肥力的形成起著重要作用，可作為評價土壤肥力的重要指標[28]。孫鴻強等[29]研究表明，百合連作使得大田土壤pH 值和含鹽量均上升，出現土壤鹽堿化的趨勢；同時，土壤酶環境也發生了變化。隨著百合連作年限增加，大田土壤過氧化氫酶和蔗糖酶活性降低，脲酶和堿性磷酸酶活性增加。張亮[27]也得出了相似的研究結論，重茬百合大田土壤中過氧化氫酶活性降低，重茬百合的生長勢有所降低，進而影響百合的產量。

2.3 植株抗性酶活性變化

植物在進化過程中逐漸形成了消除活性氧的抗氧化酶系與非酶促系統，過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）、超氧化物岐化酶（SOD）是保護酶系統的主要酶，在植物遭受逆境時，可通過清除活性氧等自由基來減輕對植物細胞膜的傷害，進而提高植物細胞對逆境脅迫的抵抗力[30]。其中，POD 對植物的呼吸作用和光合作用都有一定的保護作用，可清除體內活性氧[31]，CAT 主要清除線粒體電子傳遞、脂肪酸氧化中產生的H2O2[32]。在生產實踐中，百合在連作 2 a 以后，植株可能會出現生長勢減弱、抗逆性和抗病 性下降的現象，導致百合發病率升高，主要原因是百合連作破壞了百合植物體內活性氧產生與清除之間的動態平衡，引起活性氧的積累，出現氧化脅迫，破壞生物膜的結構和功能，進而影響植物的正常生長，甚至導致植物死亡[33]。為維持體內活性氧的動態平衡，植物的抗性酶活性會隨環境發生變化，徐品三等[34]研 究表明，長期連作使百合植株中CAT 和SOD 含量下降， POD 活性先升高后降低，MDA 含量持續升高，進而 破壞抗氧化酶代謝平衡，使百合植株生長受到抑制、抗性降低。孫鴻強等[29]研究認為，連作顯著降低了蘭州百合的SOD、POD、CAT 活性，提高了葉片MDA 和脯氨酸含量，且隨著連作茬數增加，這種變化程度加劇，引發百合體內活性氧代謝失調以及其他生理代謝紊亂，從而影響百合干物質積累和產量形成[35]。

黃煒等[36]就化感自毒物質2,4-二叔丁基苯酚與尖孢鐮刀菌（F.oxysporum）、茄病鐮刀菌（F.solani）等致病微生物對蘭州百合枯萎病的協同作用進行了研究，結果表明：2,4-二叔丁基苯酚與致病鐮刀菌對蘭州百合枯萎病的發生具有協同作用，外源2,4-二叔丁基苯酚可加重由茄病鐮刀菌或尖孢鐮刀菌侵染所引起的蘭州百合枯萎病發病程度。2,4-二叔丁基苯酚通過改變植物根際栽培介質酶活性，促進栽培介質微生物類型由“細菌型”向“真菌型”過渡，劣化植株根際微生態環境，抑制根系生長發育，破壞植株抗氧化酶系統與自由基之間的動態平衡，降低葉片光合效率，進而降低植株生長勢，抑制植株的生長，最終降低植株的抗病性。但目前有關百合連作大田的土壤微生物、土壤酶和植株抗性酶活性的關聯性及調控機制的研究報道不多。

3 百合連作障礙的生物防治技術

生物防治技術主要是通過有益微生物或生物的次生代謝產物來抑制或消滅土壤中某種病原菌或有害生物，因具有綠色、環保、高效的優點，目前生物防治技術已逐步成為防治作物病蟲害、減輕連作障礙的重要手段[37]。

3.1 使用生物農藥

目前，化學制劑是防治百合連作障礙的主要手段，化學防治雖然快速有效，但存在產品品質下降、污染環境、破壞土壤根際微生物環境等問題。因此，選用高效低毒低殘留的生物農藥防治百合連作障礙是熱點和難點。

李麗等[38]研究表明，紫莖澤蘭提取液對百合鐮刀菌有一定的抑制作用，海島素加殺茵劑對百合灰霉病、基腐病有明顯的抗病增產效果[39]。張雪松等[40]研究表明，在西洋參連作土壤中施用紫蘇根粉可以提高根重和產量，對克服西洋參連作障礙十分有益，但對減輕西洋參大田病害作用不明顯。劉樹芳等[41]以268 份放線菌次生代謝產物對百合灰霉病菌的抑菌活性進行了室內篩選，結果表明部分放線菌次生代謝產物中存在對百合灰霉病具有較高抑制活性的物質，但百合生物藥劑的篩選和大田應用效果未見研究報道。

3.2 施用微生物制劑

在土壤中加入拮抗菌及有益微生物，通過與植物病原進行營養和位點的競爭，誘導植物抗性機制的表達，從而使植物產生抗生性代謝產物，抑制病原的繁殖，降低土壤中病原菌密度，調整根際微生態環境，促進植物生長，進而實現控制連作障礙的目的[42]。在百合大田中噴施優生菌肥，能提高百合植株株高、莖粗、葉片數、產量及其總糖、粗淀粉、水溶性糖、粗纖維、粗蛋白含量等指標，可有效促進植株生長發育、使枯萎期延遲，提高百合鱗莖產量和品質[43]。施用光合菌劑肥料、納米生物肥，可以增強觀賞百合生長勢，提高著色指數，增大花徑，大幅延長花期；同時，還可以提高花瓣可溶性糖含量，促進花瓣花色苷和類胡蘿卜素的合成，改善鮮花品質[44-45]。武志江等[46]研究認為，解淀粉芽孢桿菌對百合鐮刀菌具有較強的拮抗作用，在百合枯萎病的生物防治中具有潛在的應用價值，李斌等[47]就百合連作障礙的生防制劑進行了研制，但大田應用技術研究報道較少。

3.3 施加生物質材料

連作障礙的形成主要與土壤生物環境的變化有關，長期連作會改變土壤中微生物群落的結構和多樣性，有益物種會減少或消失，而有害物種或病原體的豐度會增加[48]。施用生物炭、土壤改良劑、作物秸稈等生物質材料，可以改變土壤的理化性質和生物學特性，改善土壤酶活性及土壤微生物群落結構，在百合連作障礙防治方面表現出一定的效果[49]。周麗靖等[50]研究表明，生物炭的添加提高了百合連作土壤的有機質、堿解氮、有效磷和有效鉀的含量，在一定程度上提高了土壤酶活性，有益細菌鞘氨醇單胞菌屬（Sphingomonas）的豐度也有所升高，而蘭州百合主要致病真菌鐮刀菌屬的豐度下降，降低了百合枯萎病發生；施用一定量生物炭還可以促進百合植株根系增長，提高百合植株根系活力，誘導百合植株保護酶活性升高，機體的抗逆性和自我調節以及對環境的適應能力增強，對克服百合的連作障礙、提高土壤肥力有明顯的促進作用[20,51]。孫繼民等[52]還研制了一種調理百合連作土壤微生態系統的土壤調理劑，但未見大田應用報道。

百合連作障礙是植物—土壤—微生物系統內諸多因素綜合作用的結果，采用物理技術或生物技術防治百合連作障礙，對環境和產品污染小，但存在見效慢、效果不穩定等不足，前人對此做了大量的研究工 作[53-54]，但有關百合的連作障礙的生物機理及生物調控機制的研究報道不多，隨著人們環保意識的逐漸加強，綠色環保的生物防治技術配合農藝措施等綜合調控機制將會引起更大的關注，將成為今后解決百合連作障礙的技術發展趨勢。