作物連作障礙研究進展

楊緒清

(揚州市江都區農業技術綜合服務中心,江蘇 揚州 225200)

作物連作障礙廣泛存在于各類作物種植中,無論是傳統的糧油棉等大宗作物,還是茶果蔬等特色經濟作物,都存在不同程度的連作障礙,其發生程度與連作年限、復種指數呈正相關。連作障礙是當前農業研究中較為熱門的一個課題,關于其危害、成因和機理,當前國內外研究報道頗多。筆者通過查閱相關文獻,詳細分析了連作障礙的危害、成因和綜合治理技術,以期為農業生產中預防和解決作物連作障礙提供理論參考。

1 作物連作障礙的危害

根際微生態失衡、礦質元素轉化利用受限、根際致病菌拮抗微生物數量減少和土傳病害明顯加重是連作障礙中較為嚴重的幾大危害[1,2]。設施栽培長期連作導致土壤肥力下降、營養失衡,嚴重影響草莓產量和品質[3];對芹菜連作地土壤分析發現,隨著連作年限的增加,土壤中堿解氮和有效磷逐漸增加,土壤有機質逐年減少[4];連作地土壤水溶性鹽類易積累并發生次生鹽漬化,通過抑制黃瓜植株根系水分吸收將影響植株生長發育[5];此外,連作會導致花生植株弱小、生長發育緩慢和產量品質下降等,且隨著連作年限增加,各種癥狀逐年加重[6];馬鈴薯連作會導致幼苗凈光合速率降低、葉片SPAD值下降,馬鈴薯株高、莖粗以地上部生物量在連作3年后均顯著低于對照[7];還有研究發現,連作地葡萄根腐病、霜霉病等發生頻次明顯增加[8];連作也會導致藥用植物土傳病害發生[9]。

2 作物連作障礙成因分析

2.1 土壤理化性質改變

連續多年種植同一種作物,會導致土壤理化性質發生明顯改變,主要表現為土壤容重和比重增加、孔隙度降低、根系對水分和肥料的吸收利用效率明顯下降等,致使作物產量和品質下降。若土壤中某些營養元素長期虧缺且得不到及時補充,會使其抗逆性減弱,而未被吸收元素長期累積會造成單鹽毒害,使土壤養分失衡,導致連作障礙發生。農民為追求效益,盲目加大化肥施用量,破壞土壤緩沖和離子平衡,導致土壤酸化。研究表明,土壤鋅錳、鋅鐵比例嚴重失調導致連作障礙[10]。因土壤鹽漬化增加土壤溶液濃度,增大土壤滲透勢,導致作物根系吸收能力降低,影響作物抗逆性和土壤養分有效性,最終導致植株生長發育遲緩[11,12]。

2.2 土壤生態環境被破壞

2.2.1 土壤微生物群落失衡

土壤中微生物群落結構改變,如有益細菌、放線菌等減少和鐮刀菌等的富集將導致連作障礙發生,微生物群落結構惡化引起的土傳病害是藥用植物連作障礙的直接原因[13]。病原體能克服甚至接管植物免疫系統,刺激誘導根系分泌代謝產物,擴大生態位競爭優勢,使根際微生態系統不斷惡化,從而導致連作障礙[14,15]。連作3年的西洋參土壤中細菌群落多樣性指數降低,真菌群落多樣性顯著提升[16];而在白術連作土壤中,真菌群落多樣性變化正好相反[17]。從連作花生根際土樣中分離出的鐮刀菌,能引起花生果腐病和根腐病,立枯絲核菌引起花生立枯病等[18]。隨著草莓連作年限增加,其土壤真菌多樣性不斷增加,鐮刀菌屬和腐質霉屬等含量也顯著增加[19]。

2.2.2 土壤酶活性改變

土壤酶活性與連作年限的延長有著密不可分的聯系,影響植株物質循環和能量交換能力,且年限越長、影響越嚴重。土壤酶活性反映土壤中物質代謝的旺盛程度和對養分的吸收利用情況[20]。煙土連作10年,其土壤磷酸酶和蔗糖酶活性隨連作年限增加而顯著降低,而脲酶活性增加[21];黨參根際土壤酶活性會發生變化,酶活性表現為先降低、后升高,隨時間加長可能再次出現降低,從而導致連作障礙[22];此外,連作初期植物根際分泌物不斷增加,可能會誘導土壤中某些酶的活性提高[23];但不同連作年限下的土壤酶活性是否會呈現出不同變化,需要進一步驗證[24]。

2.2.3 土傳病蟲害加劇

隨著種植年限的增加,番茄根周圍土壤根結線蟲的數量呈上升趨勢,西瓜、甜瓜等瓜類連作后,根結線蟲病等病害也出現加重情況[25];連作可以明顯改變番茄土壤細菌群落結構和土壤真菌優勢種群結構,多數土傳病害由真菌引起[26];連作導致西洋參根際土壤優勢細菌種類明顯減少,病害霉菌類群顯著增加,解磷、解鉀、自生固氮菌比例出現失調現象[27]。研究表明,西洋參重茬地根際真菌數量減少50%以上,多樣性指數降低39%以上,青霉屬和曲霉屬真菌比例擴大,根際土壤真菌多樣性指數與西洋參根病指數呈顯著負相關[28]。

2.3 作物自毒作用

自毒物質對同種植物會產生不利影響,可損壞細胞壁、改變細胞結構及抑制細胞分裂,使作物體內生長素、脫落酸等含量、酶功能及活性、運輸氨基酸和合成蛋白質等受到影響[29]。一般自毒物質為有機酸、醌類、生物堿、類萜、香草酸和水楊酸等化學物質,這類化學物質通過影響作物土壤酶活性、養分代謝等抑制作物生長發育過程。自毒物質累積可降低蘭州百合植株的自我調節能力,通過氧化應激、滲透脅迫等導致植株生長發育不良,最終影響百合品質[30];此外,芝麻根系分泌物中潛在的酸類、酰胺類和酯類等化感物質,可能導致芝麻連作障礙逐年加劇[31]。

3 作物連作障礙綜合治理

3.1 土壤改良與田間管理

3.1.1 土壤消毒和改良

當下太陽能消毒和石灰氮消毒應用較為廣泛,與藥劑消毒相比,其對土壤結構破壞較小且無副作用。采用石灰氮消毒能改善靈芝連作障礙[32];利用太陽光暴曬土壤消毒,可明顯控制土壤中病原菌數量,提高連作草莓產量[33];土壤調理劑能顯著改善土壤的理化性狀,增強作物抗病抗旱能力,激活土壤原有拮抗菌作用,提高作物品質和產量[34];此外,土壤電處理技術和酒精處理可改善土壤理化性狀、減輕土壤污染[35]。土壤化學消毒一般采用硫磺粉熏蒸、福爾馬林拌土、嗅甲烷和1,3-二氯丙烯滅菌等方法[36]。

3.1.2 加強田間養分管理

可根據作物的需肥規律、土壤供肥特性等,合理施肥和施用微量元素,調整土壤酸堿度,推廣測土配方施肥,增施有機肥、秸稈和微生物肥。研究表明,施用磷石膏專用復混肥可顯著緩解紅壤地區的花生連作障礙,增加土壤全氮、速效氮和速效鉀含量,產量顯著得到提高[6];連作人參土壤中加入微生物菌劑可豐富土壤微生物群落結構,改善土壤物理結構及調節土壤pH值等[37];腐植酸銨、有機肥與微生物肥配施,對于馬鈴薯連作障礙有明顯緩解作用[38]。

3.2 優化種植制度和方式

3.2.1 合理輪作和間作套種

輪作和間作套種在改善微生物群落結構、減輕作物病害率、促進有益酶活性和積累有效養分等方面發揮作用。研究表明,半夏與小麥輪作能顯著提升根際土壤中有益真菌OTUs豐度,有效抑制病原真菌OTUs[39];玉米花生間作改善了土壤微環境,提高了花生產量和品質[40];廣藿香間作紫蘇可在一定程度上緩解廣藿香連作障礙[41];大蒜和向日葵間作能顯著提高兩茬口黨參根部產量[42];蒙古黃芪與三七間作后可以顯著增加土壤養分含量,使微生物群落結構逐漸轉向以細菌主導型[9,43]。

3.2.2 嫁接技術

嫁接技術一方面可以提高根系對水分和礦物營養的吸收,改善礦物質吸收比例;另一方面是有效防止土壤病害傳播、克服連作障礙的重要栽培方法,廣泛應用于蔬菜、果樹等作物。試驗表明,以“五葉香”絲瓜作砧木,可以顯著提高夏秋黃瓜產量,降低病毒病發病率,提高果實品質[44];嫁接在一定程度上修復了肉桂酸和香草酵脅迫給土壤生態帶來的不利影響,改善了土壤環境[45];嫁接葡萄苗與自根苗葡萄相比,顯示出明顯的抗病性優勢[46]。

3.3 生物防治

3.3.1 使用生物農藥

生物農藥是防治病、蟲、草等有害生物的新型農藥,具有安全、無污染的特點,包括微生物農藥、農用抗生素和生物化學農藥等。研究表明,使用生物農藥“蔬得康”防治香蕉枯萎病,對香蕉盆栽和大田均有防效,且對香蕉長勢有促進作用[47];紫莖澤蘭提取液在一定程度上抑制百合鐮刀菌[48];海島素加殺菌劑對百合灰霉病、基腐病有顯著抗病增產效果[49]。

3.3.2 增施微生物肥料

微生物肥料能夠增加土壤中氮元素、抗生素含量,促進土壤中營養物質的轉化、刺激植物生育進程和病蟲害防治[50]。研究表明,復合微生物菌劑可提高大櫻桃土壤中溶磷固氮功能有關的細菌豐度,減少病原菌及寄生線蟲數量,增產提質效果明顯[51];施用生物有機肥提高了黃瓜和棉花的防御酶活性,改善了根際土壤微生態環境[52,53];施用生物有機肥可改善土壤微生態環境,對甜瓜連作障礙有一定的緩解作用[54]。

3.3.3 接種根際有益微生物

根際有益微生物在防治有害真菌、細菌和病毒等病害方面也有重要作用。研究表明,有益微生物菌肥BM增加了太子參重茬土壤根際微生物群落多樣性和豐富度,并可抑制真菌病害[55];貝萊斯芽孢桿菌具有促生和拮抗能力,貝萊斯芽孢桿菌B006菌劑對茄子有促生作用,并可提高茄子產量[56];貝萊斯芽孢桿菌XC1具有拮抗作用,可減輕土壤中有害菌,菌肥中營養成分改善了連作土壤養分,緩解了蘋果連作障礙[57]。

4 展望

作物連作障礙的形成原因和機理較為復雜,克服連作障礙的技術和方法還需要進一步探究。針對作物連作障礙的消減機制可以從作物-土壤-微生物的角度出發,應結合合理施肥、輪作、土壤處理等多種手段。目前,微生物制劑發展前景較好,可以考慮在土壤中添加有益細菌和真菌,在不影響農業生態系統的前提下,采取改善土壤質量、富集有益微生物菌群和增加養分獲取等措施,從而達到減少連作障礙的目的。

根際在促進植物吸收土壤養分、協調環境脅迫以及調節土壤微生物群落等方面發揮了重要作用[58,59]。未來連作障礙的研究應該建立在完善的根際微生態系統理論上,不斷完善對根際微生態的系統性建設。