棉花連作土壤健康調(diào)理技術(shù)研究進(jìn)展熊又升

摘要：綜述了棉花（Gossypium hirsutum L.）連作土壤發(fā)生的障礙和化肥、農(nóng)藥施用狀況，連作棉花土壤生物退化及其防治的技術(shù)手段和方法，并展望了未來(lái)的研究重點(diǎn)與技術(shù)發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：棉花（Gossypium hirsutum L.）；連作障礙；調(diào)理技術(shù)

中圖分類號(hào)：S562；S158.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）22-5393-03

中國(guó)是棉花（Gossypium hirsutum L.）生產(chǎn)大國(guó)，全國(guó)有2/3的?。ㄊ?、區(qū)）生產(chǎn)棉花，2009～2010年全世界棉花種植面積達(dá)3 040萬(wàn)hm2，皮棉產(chǎn)量達(dá)

2 356萬(wàn)t，其中，中國(guó)棉花生產(chǎn)的種植面積占19.8%。近年來(lái)，中國(guó)棉花生產(chǎn)中不僅廣泛采用如光子和包衣子等先進(jìn)的栽培技術(shù)，并且還普遍使用化學(xué)調(diào)控、平衡施肥和病蟲(chóng)害綜合防治等新技術(shù)。這些技術(shù)的應(yīng)用無(wú)疑在棉花生產(chǎn)中起到了舉足輕重的作用。但是，由于多數(shù)棉田種植棉花都是連作制，加上這些技術(shù)實(shí)施中如化肥、農(nóng)藥等物質(zhì)的施用，給棉田土壤生態(tài)系統(tǒng)造成了破壞，使得棉田土壤長(zhǎng)期處于亞健康狀態(tài)，以致棉花土傳性病害時(shí)有嚴(yán)重發(fā)生，且其難以根治。因此，需要從棉田土壤微生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的角度進(jìn)行調(diào)控和預(yù)防研究。

1 棉花連作土壤發(fā)生障礙性病害的根本原因

棉花連作土壤障礙的具體表現(xiàn)為土傳性病害頻發(fā)、棉苗早衰、土壤生態(tài)環(huán)境惡化等現(xiàn)象。產(chǎn)生的根本原因除與棉花長(zhǎng)期連作自身產(chǎn)生自毒物質(zhì)外，還主要與長(zhǎng)期大量單一使用化肥和農(nóng)藥等有著密切的關(guān)系。棉花連作障礙已經(jīng)嚴(yán)重制約著中國(guó)棉花的產(chǎn)量和質(zhì)量。2010年3月湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院專門針對(duì)長(zhǎng)江流域江漢平原棉區(qū)潛江市120戶棉農(nóng)進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果表明，90%以上農(nóng)戶的棉田耕作制為小麥-棉花和油菜-棉花，連年種植棉花面積占當(dāng)年棉花種植面積的95%以上，其中2007年大面積棉花發(fā)生枯黃萎病造成的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)損失達(dá)15%～35%，嚴(yán)重田塊超過(guò)50%。

在棉花生產(chǎn)過(guò)程中農(nóng)藥的使用是非常普遍的，但大量使用農(nóng)藥，既增加了棉花生產(chǎn)成本，也給棉田土壤環(huán)境造成嚴(yán)重污染，同時(shí)，它可能也是棉田土壤發(fā)生障礙性病害的重要原因之一。棉花生產(chǎn)中防治病蟲(chóng)害使用的農(nóng)藥種類繁多。一類是各種殺蟲(chóng)劑和殺菌劑，達(dá)10余種，如多菌靈、百菌清、阿維菌素、立枯靈、枯萎滅、枯萎靈、黃腐酸鹽等用來(lái)防治棉花立枯病和枯黃萎病。另一類是不同化調(diào)劑、除草劑和催熟劑，如化調(diào)劑有縮節(jié)胺和助壯素，除草劑有氟樂(lè)靈、百草枯、蓋草能、草甘膦、乙草胺等，催熟劑有乙烯利和農(nóng)豐寶等。有關(guān)資料和實(shí)地調(diào)查結(jié)果表明，在棉花生產(chǎn)過(guò)程中農(nóng)藥的使用量基本上沒(méi)有上限。如此大量地使用農(nóng)藥，不僅使棉花產(chǎn)品上帶有農(nóng)藥殘留，而且與棉花間套作種植的糧食、蔬菜、水果以及生態(tài)環(huán)境也會(huì)受到不同程度的污染[1]。

隨著中國(guó)棉花單產(chǎn)水平的逐漸提高，棉花上氮肥的用量也在不斷增加。據(jù)有關(guān)研究報(bào)道[2]，20世紀(jì)90年代末和21世紀(jì)初，黃淮海棉區(qū)華北平原亞區(qū)，皮棉單產(chǎn)為1 500 kg/hm2時(shí)，棉花純氮施用量一般為187.5～225 kg/hm2，皮棉產(chǎn)量以施用純氮195 kg/hm2左右為最高，棉花純氮施用量超過(guò)225 kg/hm2，產(chǎn)量反而降低；黃淮亞區(qū)，皮棉產(chǎn)量1 500 kg/hm2 左右時(shí)，棉花純氮施用量一般在225 kg/hm2左右；長(zhǎng)江中下游棉區(qū)皮棉產(chǎn)量一般在1 500 kg/hm2左右時(shí)，棉花純氮施用量一般在225～300 kg/hm2。近年來(lái)，長(zhǎng)江中下游棉區(qū)和黃淮棉區(qū)普遍采用移栽地膜覆蓋栽培模式，棉花的單產(chǎn)水平大幅度提高，施氮水平進(jìn)一步增加，氮肥使用量在適量基施的基礎(chǔ)上，一般追施2～3次，可以有效地增加棉花伏桃和早秋桃，從而充分發(fā)揮棉花單株生產(chǎn)潛力。2008年湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院對(duì)長(zhǎng)江中游地區(qū)的湖北江陵、鄂州、仙桃和浠水的棉花施肥狀況進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果表明，大面積棉花施肥量為N 225～315 kg/hm2、P2O5 37.5～90.0 kg/hm2、K2O 81～135 kg/hm2。2009年3月對(duì)長(zhǎng)江流域湖北省潛江市棉區(qū)120余戶棉農(nóng)的調(diào)查結(jié)果表明，棉花全生育期平均每公頃施肥量為氮（N）315.0 kg、磷（P2O5）187.5 kg、鉀（K2O）267.0 kg，其說(shuō)明當(dāng)?shù)孛揶r(nóng)氮肥施用量明顯偏高，氮磷鉀肥料養(yǎng)分三元素比例不合理，調(diào)查數(shù)據(jù)表明，大面積棉田土壤養(yǎng)分不平衡現(xiàn)象確實(shí)存在，而且是越來(lái)越嚴(yán)重，這樣勢(shì)必給棉花土壤健康生產(chǎn)帶來(lái)極為不利的影響。

2 棉花連作土壤障礙的發(fā)生機(jī)制及其修復(fù)

棉花連作土壤障礙是由連茬種植的棉花作物和土壤微生物共同產(chǎn)生的一種土壤生物障礙，即表現(xiàn)在同一田塊連續(xù)多年種植棉花會(huì)出現(xiàn)棉花產(chǎn)量和品質(zhì)下降，棉花病蟲(chóng)害加重，甚至造成絕收，而改種其他作物卻能夠正常生長(zhǎng)。所以，棉花土壤障礙是土壤的相對(duì)退化。棉花連作土壤發(fā)生生物學(xué)障礙的主導(dǎo)因素是生物，包括連茬種植的棉花和在棉花根區(qū)、棉花根表土壤中生長(zhǎng)的大量土壤微生物。該障礙也被稱作棉花土壤的連茬病害。其實(shí)質(zhì)是棉花連茬種植引起的土壤微觀生態(tài)系統(tǒng)即棉花根區(qū)微觀土壤生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)了微生物區(qū)系異常和化學(xué)物質(zhì)異常[3]。棉花連作土壤微生物區(qū)系的異常表現(xiàn)是：棉花根區(qū)或根表土壤中病原菌數(shù)量大幅度增加，達(dá)到或超過(guò)棉花發(fā)病閾值，有益微生物的數(shù)量明顯下降，棉花土壤原有的微生物生態(tài)平衡遭到破壞，導(dǎo)致棉花土傳病害發(fā)生，直接影響棉花根系分泌物和根系的生理生化活動(dòng)。棉花連作土壤中化學(xué)物質(zhì)異常表現(xiàn)是：首先，棉花在生長(zhǎng)過(guò)程中通過(guò)根系、葉片等器官將其產(chǎn)生的某些代謝產(chǎn)物釋放到土壤中，主要是棉花根系分泌物；其次，土壤中的有害微生物向土壤中分泌有害代謝產(chǎn)物；還有棉花在生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)某種營(yíng)養(yǎng)元素的偏好吸收，導(dǎo)致棉花土壤系統(tǒng)中營(yíng)養(yǎng)元素的不平衡及某種元素的虧缺；此外，棉花殘?bào)w腐解后向土壤中釋放對(duì)棉花本身有害的化學(xué)成分也有影響。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同農(nóng)作物連作障礙的現(xiàn)象和機(jī)理做了大量研究。劉素萍等[4]研究了棉花根系分泌物中糖和氨基酸對(duì)棉花枯萎菌的影響，結(jié)果表明，棉花感病品種的根系分泌物中葡萄糖和蔗糖含量是抗病品種的2～3倍，在檢測(cè)的6個(gè)棉花品種中都含有12種氨基酸，其種類和含量因棉花品種不同而有異，在檢測(cè)的12種氨基酸中丙氨酸、組氨酸、天門冬氨酸、異亮氨酸和脯氨酸對(duì)棉花枯萎菌生長(zhǎng)略有刺激作用，絲氨酸、精氨酸、賴氨酸和谷氨酸則有抑制作用。有學(xué)者研究表明[5-15]，常發(fā)生連作障礙的大豆、棉花和草莓等作物，其根系分泌物中的糖和氨基酸等組分在低濃度下對(duì)多種病原菌生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，在高濃度下有抑制作用。大量試驗(yàn)研究結(jié)果表明[16-22]，在相同地塊連續(xù)種植棉花時(shí)，由于棉花對(duì)氮磷鉀和硼營(yíng)養(yǎng)元素的偏好吸收會(huì)導(dǎo)致土壤中這些元素缺乏，即使通過(guò)施肥補(bǔ)充，也難使棉花土壤中的營(yíng)養(yǎng)達(dá)到真正意義上的平衡，它會(huì)影響棉花的正常生長(zhǎng)發(fā)育。棉花全生育期吸收的氮磷鉀等養(yǎng)分量較大，其虧缺造成的營(yíng)養(yǎng)脅迫會(huì)誘導(dǎo)棉花產(chǎn)生更多的特定根系分泌物，這些棉花根系分泌物中有些屬于棉花自毒物質(zhì)。即養(yǎng)分的虧缺促進(jìn)了棉花某些自毒物質(zhì)的大量分泌，從而加重了自毒物質(zhì)對(duì)棉花正常生長(zhǎng)和發(fā)育的影響。

棉花連作土壤障礙的主要問(wèn)題是棉花土壤微生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了生物退化，棉花根區(qū)土壤病原菌數(shù)量增加，有益菌數(shù)量下降，棉花根系分泌、殘?bào)w腐解向土壤中釋放自毒物質(zhì)，營(yíng)養(yǎng)元素因棉花連作對(duì)某些元素的偏好吸收而失去平衡等。因此，其修復(fù)主要是讓棉花土壤微生態(tài)系統(tǒng)得以恢復(fù)。由于過(guò)去對(duì)棉花連作障礙的克服主要從土傳性病害防治角度考慮，并提出了許多技術(shù)措施，但仍未從根本上得到解決。特別是有時(shí)棉花并不發(fā)病，但生長(zhǎng)較差，通過(guò)采取施肥或灌溉措施，效果仍然不明顯。因此，只有恢復(fù)或改善棉花根區(qū)微觀土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，才能從根本上解決棉花連作土壤的障礙問(wèn)題。

從生態(tài)恢復(fù)的角度，棉花土壤微生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)較傳統(tǒng)的宏觀尺度的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)相對(duì)更容易。首先，通過(guò)特定程序篩選出能在棉花根區(qū)土壤中定殖、對(duì)病原菌具有較強(qiáng)抑制作用、對(duì)人類健康無(wú)害、對(duì)棉花生長(zhǎng)有促進(jìn)作用、對(duì)土壤中棉花產(chǎn)生的自毒物質(zhì)有降解作用的有益微生物；然后，通過(guò)工業(yè)發(fā)酵制成活菌制劑，再利用棉花苗床育苗接種、移栽蘸根接種或拌種等方式，將這些有益菌引入棉花根區(qū)微觀土壤生態(tài)系統(tǒng)，改變棉花根區(qū)系統(tǒng)的生物組成，分解該系統(tǒng)中棉花釋放的自毒物質(zhì)；另外，注重棉花的平衡施肥和有機(jī)肥的施用，供給土壤有益菌營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等，可以使發(fā)生過(guò)生物障礙的棉花根區(qū)微觀土壤生態(tài)系統(tǒng)得到恢復(fù)或改善到健康狀態(tài)[23]。其次，控制棉花連作土壤中病原菌增殖，必須減少棉花根區(qū)微觀土壤生態(tài)環(huán)境中病原菌數(shù)量，從而提高棉花植株抗病性。通常采用的主要技術(shù)有：①通過(guò)棉花輪作減少病原菌。棉花輪作是解決棉花連作障礙最為簡(jiǎn)單而有效的方法。通過(guò)輪作改種其他作物，使前茬作物根區(qū)土壤中的大量病原菌失去寄主棉花和適宜的微觀土壤環(huán)境，減少棉花連作土壤中的病原菌數(shù)量。②采用土壤化學(xué)物理消毒法消滅棉花土壤中的病原菌[24]。但是，這些方法在生產(chǎn)中難以應(yīng)用，而且還會(huì)帶來(lái)新的土壤環(huán)境污染問(wèn)題，同時(shí)也會(huì)殺死土壤中的有益生物，破壞棉花根區(qū)微生態(tài)平衡。③增加棉花根區(qū)拮抗性微生物的數(shù)量，以抑制棉花土壤中病原菌數(shù)量。向棉花連作土壤中接種棉花生防菌活菌制劑，使拮抗菌在棉花土壤微生態(tài)系統(tǒng)中大量繁殖，成為棉花土壤中優(yōu)勢(shì)微生物種群，并利用這些菌產(chǎn)生的抗性物質(zhì)或重寄生等作用抑制土壤中特定病原菌生長(zhǎng)。④利用營(yíng)養(yǎng)和空間競(jìng)爭(zhēng)等途徑減少棉田土壤中病原菌數(shù)量，使棉花土壤微生物區(qū)系保持在正常狀態(tài)下。從已發(fā)生棉花連作障礙的土壤或其他類似生態(tài)區(qū)的土壤中篩選能產(chǎn)生抗生素、并在棉花根區(qū)或棉花根表土壤中定殖的有益菌，通過(guò)工業(yè)發(fā)酵，人工大量繁殖有益菌，制備成棉花土壤微生態(tài)修復(fù)劑，將其接種到棉花根區(qū)土壤中，抑制棉花病原菌生長(zhǎng)繁殖，調(diào)整失衡的棉田土壤微生物生態(tài)，將病害降低到不影響棉花生產(chǎn)的程度。

3 未來(lái)研究重點(diǎn)及技術(shù)發(fā)展方向

1）未來(lái)應(yīng)從宏觀和微觀兩個(gè)層面開(kāi)展棉花連作障礙方面的研究。在宏觀層面上，應(yīng)著重研究解決棉花連作土壤障礙造成棉花產(chǎn)量損失的綜合應(yīng)對(duì)技術(shù)；微觀層面著力研究連作土壤發(fā)生障礙的機(jī)理，揭示障礙因子與環(huán)境因素的關(guān)系，為減少和防控棉花土壤障礙的發(fā)生，提出棉花連作土壤健康調(diào)理技術(shù)的理論依據(jù)。

2）重點(diǎn)研究棉花連作土壤發(fā)生障礙的生物學(xué)和化學(xué)致毒機(jī)理。研究棉花連作土壤微生物變化與土壤-棉花病害抑制的相關(guān)性。因?yàn)橥寥?作物自身病害抑制性是土壤健康的重要表征，所以，具體應(yīng)從土壤微生物數(shù)量、生物量、多樣性及活性等多層面揭示棉花連作土壤微生物與土壤-作物病害的抑制性相關(guān)參數(shù)。

3）技術(shù)發(fā)展方向。對(duì)現(xiàn)行傳統(tǒng)技術(shù)的總結(jié)、篩選、驗(yàn)證和集成，利用現(xiàn)代分子生物技術(shù)和方法、地理信息系統(tǒng)，開(kāi)展不同區(qū)域或棉花品種內(nèi)生菌快速分離、鑒別（益生菌和病原菌共生條件等）的技術(shù)研究，形成技術(shù)（微生態(tài)制劑）產(chǎn)品是未來(lái)解決棉花土傳性病害技術(shù)的發(fā)展方向。棉花連作障礙因子評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定及其體系構(gòu)建，是未來(lái)棉花連作土壤健康調(diào)控的重要基礎(chǔ)[25]。以長(zhǎng)江流域、西北內(nèi)陸和黃河流域三大棉區(qū)棉花長(zhǎng)期連作土壤障礙因子篩查及評(píng)價(jià)為基礎(chǔ)，重點(diǎn)研究棉花連作土壤障礙生物修復(fù)技術(shù)、營(yíng)養(yǎng)調(diào)控技術(shù)、化學(xué)自毒物質(zhì)消減技術(shù)對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育影響的作用機(jī)理，構(gòu)建其主產(chǎn)棉區(qū)棉花連作土壤障礙因子動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，明確棉花長(zhǎng)期連作土壤的主要障礙因子，形成棉花連作土壤障礙生物修復(fù)、營(yíng)養(yǎng)調(diào)控和間套作栽培技術(shù)體系，并集成棉花連作土壤健康調(diào)控技術(shù)體系。

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（責(zé)任編輯 潘 峰）