油料作物連作障礙形成機(jī)理與生態(tài)修復(fù)措施研究進(jìn)展

汪瑞清　肖運(yùn)萍　魏林根　呂豐娟

摘要：連作對油料作物中的花生、大豆、芝麻生長發(fā)育有顯著的負(fù)面影響，主要表現(xiàn)為植株矮小瘦弱，衰老進(jìn)程加速，干物質(zhì)積累量變少，病蟲害發(fā)生程度加重和產(chǎn)量急速下降。筆者在綜述了國內(nèi)外有關(guān)油料作物連作障礙的文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，認(rèn)為引起油料作物連作障礙的主要因素有土壤和植株?duì)I養(yǎng)元素匱乏、土壤微生物區(qū)系失衡、土壤某些酶活性降低、自毒物質(zhì)積累增多等4個(gè)方面。總結(jié)了目前比較實(shí)用的4項(xiàng)連作障礙生態(tài)修復(fù)技術(shù)，分別為耐重茬優(yōu)良品種的選育與應(yīng)用、抗重茬專用肥的施用、耕作方式的改進(jìn)、生物制劑與土壤消毒劑的應(yīng)用，希望能夠?yàn)橄土献魑锏倪B作障礙提供理論參考。

關(guān)鍵詞：油料作物；連作障礙；生態(tài)修復(fù)；研究進(jìn)展

中圖分類號：S565 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 論文編號：casb14100009

0 引言

連作是指一年內(nèi)或連年在同一塊田地上連續(xù)種植同一種作物的種植方式，有一些文獻(xiàn)上也稱謂“重茬”，而連作障礙是指作物連作后，即使在正常管理情況下，也會產(chǎn)生產(chǎn)量降低、品質(zhì)變劣、生育狀況變差、病蟲害發(fā)生嚴(yán)重等現(xiàn)象。中國油料作物主要有油菜、花生、大豆、芝麻、向日葵5種，目前已經(jīng)明確了存在連作障礙的油料作物主要有花生、大豆、芝麻3種作物。這3種作物2012年在中國的種植面積分別為4.639×10⁶、7.172×10⁶、4.370×10⁵hm²最近幾年隨著全國范圍內(nèi)種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的不斷深入，農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢帶已經(jīng)初步形成，大宗糧食作物生產(chǎn)規(guī)模呈持續(xù)遞減趨勢，而油料作物面積出現(xiàn)了一定程度的增加。這3種作物種植效益相對較高，深受廣大農(nóng)戶的喜愛，但是由于種植土地面積有限，導(dǎo)致連作現(xiàn)象非常嚴(yán)重，連作障礙十分明顯。筆者根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料就花生、大豆、芝麻的連作障礙危害、連作障礙形成機(jī)理及其生態(tài)修復(fù)措施進(jìn)行最新概述，期待能夠?yàn)橛土献魑锏倪B作障礙形成機(jī)理研究提供理論參考，為生態(tài)修復(fù)措施的大面積應(yīng)用提供技術(shù)支持。尤其在芝麻連作障礙形成機(jī)理和生態(tài)修復(fù)措施的研究報(bào)道缺乏的條件下，能夠?yàn)橹ヂ檫B作的相關(guān)研究提供較好的理論和方法指導(dǎo)。

1 連作對油料作物產(chǎn)量、生理指標(biāo)、病蟲害的影響

1.1 連作對油料作物產(chǎn)量的影響

目前關(guān)于油料作物連作障礙研究主要集中在花生和大豆這2種作物上，關(guān)于芝麻的連作障礙研究有少量報(bào)道。在花生連作方面的研究表明，連作會導(dǎo)致花生個(gè)體生長發(fā)育變緩，株高和百果重分別較輪作降低1.8%～12.5%和5.5%～12.8%，單株飽果數(shù)減少32.1%～54.7%，生物產(chǎn)量和莢果產(chǎn)量也分別降低10.9%～24.2%和10.0%～33.4%。大豆連作方面的多數(shù)研究也表明，大豆主產(chǎn)區(qū)均存在不同程度的連作，不同連作年限均可導(dǎo)致大豆生長發(fā)育期間株高、葉面積指數(shù)、葉片生產(chǎn)效率、干物質(zhì)積累總量和積累速率降低，且隨著連作年限加長而降低幅度加大。不同連作年限均使大豆產(chǎn)量降低，減產(chǎn)幅度為6.2%～50%，個(gè)別年份甚至高達(dá)70%以上，減產(chǎn)程度與連作年限間呈正相關(guān)。連作使大豆產(chǎn)量構(gòu)成因素發(fā)生較大變化，造成大豆株莢數(shù)、株粒數(shù)、株粒重、百粒重等明顯減少，導(dǎo)致大豆生長發(fā)育受阻和產(chǎn)量降低。

1.2 連作對油料作物生理指標(biāo)的影響

多項(xiàng)有關(guān)花生連作的研究表明，連作能夠顯著降低花生葉片中SOD、POD和CAT等酶的活性和可溶性蛋白質(zhì)的含量，促進(jìn)MDA的積累，最終導(dǎo)致對作物生長發(fā)育不利。具體表現(xiàn)為花生連作1～2年，葉片中SOD、POD和CAT的活性和可溶性蛋白質(zhì)的含量降低9.8%～37.5%；MDA含量連作1～2年增加7.1%～18.4%。同時(shí)花生連作1～5年也會使花生葉片的光合強(qiáng)度、葉綠素、可溶性糖、氨基酸等生理指標(biāo)分別降低1.8%～13.7%、5.2%～23.2%、7.6%～32.1%、6.3%～40.7%?？梢钥闯觯ㄉB作會促進(jìn)有毒物質(zhì)的積累，蛋白質(zhì)合成受阻，導(dǎo)致植物的生理壽命變短。關(guān)于連作對大豆植株生理指標(biāo)的影響報(bào)道較少，鄭桂萍等人研究發(fā)現(xiàn)連作大豆根系中總糖量低于輪作，連作不施肥時(shí)表現(xiàn)為盛花期、初莢期、鼓粒期分別降低0.72%、0.45%、4.05%，連作施肥時(shí)表現(xiàn)為初莢期和鼓粒期降低0.63%和2.15%。

1.3 連作對油料作物病蟲害的影響

據(jù)劉美昌等的報(bào)道，連作1年的花生收獲時(shí)葉部病害的病情指數(shù)比輪作增加43.2%，而連作2年的病情指數(shù)較輪作處理增加129.7%，連作年限越長，花生發(fā)病率越高，越不利于植物的正常生長。關(guān)于連作大豆病蟲害發(fā)生情況也有少量研究，結(jié)果都表明連作會導(dǎo)致大豆病害加重，蟲害發(fā)生程度增多。連作4年會使大豆不同生育時(shí)期的根部病害明顯加重，分枝期、盛花期、鼓粒期的病情指數(shù)達(dá)到78.1%以上，從而使連作大豆根系的吸收能力降低，影響了植株的正常生長發(fā)育，最終導(dǎo)致產(chǎn)量降低㈣。連作1～4年的大豆根腐病病情指數(shù)分別比輪作增加12.5%、38.0%、91.0%和116.5%，灰斑病病情指數(shù)成倍增加，同時(shí)孢囊線蟲危害也隨著連作年限增加而愈加嚴(yán)重。

2 油料作物連作障礙形成機(jī)理

2.1 土壤和植株有效養(yǎng)分的匱乏

多數(shù)研究表明土壤養(yǎng)分匱乏是油料作物連作障礙形成的主要原因之一，但是關(guān)于連作使養(yǎng)分失衡的原因大致可以分為以下3點(diǎn)：首先，連作能夠使土壤pH下降，而土壤pH降低能導(dǎo)致土壤中有效養(yǎng)分的比例發(fā)生變化，從而引起土壤連作障礙的產(chǎn)生；其次，由于油料作物對土壤養(yǎng)分的選擇性吸收，特別是對某些中微量元素更有特殊需求。油料作物中花生和大豆都是豆科作物，雖然能夠自身固氮，但連作后對特定養(yǎng)分的吸收，導(dǎo)致最終土壤營養(yǎng)失調(diào)，打破了原有土壤養(yǎng)分平衡，植株抗性減弱，導(dǎo)致作物發(fā)病率增加，造成產(chǎn)量和品質(zhì)都下降；最后，連作不利于油料作物對養(yǎng)分的吸收，連作影響植株根系正常生長，養(yǎng)分吸收能力降低，導(dǎo)致植株體內(nèi)養(yǎng)分含量減少，最終導(dǎo)致植株生長發(fā)育不良，抵抗病原菌的能力下降，病害發(fā)生幾率明顯增加。

2.2 土壤微生物區(qū)系失衡

根際土壤微生物多樣性降低和微生物種群增加被認(rèn)為是作物連作中的普遍現(xiàn)象。油料作物中大豆、花生、芝麻都隨著連作年限的不斷增加，土壤及作物根際的真菌數(shù)量大幅度增加，其中花生連作5年后真菌數(shù)量從0.5×10⁴cfigg干土增加到1.5×10⁴cfu/g干土，而土壤中的一些有益微生物（亞硝酸細(xì)菌和硝酸細(xì)菌）的生長受到抑制，連作1年分別減少38.1%和33.1%，連作第2年均減少80%以上。而一些有害微生物迅速得到繁殖，土壤微生物生態(tài)平衡遭到破壞，從而致使大豆、花生、芝麻生長發(fā)育不良，造成減產(chǎn)和品質(zhì)降低。同時(shí)土壤中的細(xì)菌和放線菌數(shù)量大幅度減少，細(xì)菌和放線菌分別從8.2×10⁶、7.5×10⁵cfu/g干土減少到4.4×10⁶、2.6x10⁵cfu/g干土。土壤從細(xì)菌型向真菌型轉(zhuǎn)化，而真菌數(shù)量增多又被認(rèn)為是土壤地力衰竭的標(biāo)志之一。植物病原菌中以真菌為主，真菌數(shù)量的增加，導(dǎo)致利用植物體為營養(yǎng)的腐生菌和病原菌增加，因此往往使花生病害增加，而細(xì)菌的變化對土壤養(yǎng)分和植物的生長影響更大，因?yàn)橥寥乐屑?xì)菌無論在分解有機(jī)質(zhì)和促進(jìn)植物生長上都有較大益處。顏艷偉等人研究表明從連作花生田根際土壤中分離鑒定出7種優(yōu)勢細(xì)菌、7種優(yōu)勢真菌和7種優(yōu)勢放線菌。7種優(yōu)勢細(xì)菌分別為Leifsonia xyli、氯酚節(jié)桿菌、黃色微桿菌、鞘氨醇單胞菌屬、巴斯德菌屬、簡單芽孢桿菌和巨大芽孢桿菌；7種優(yōu)勢真菌分別為枝狀枝孢菌、產(chǎn)紫青霉、哈茨木霉有性型、Exophialapisciphila、微紫青霉、曲霉和大麗輪枝菌；7種優(yōu)勢放線菌分別為紫紅鏈霉菌、華麗黃鏈霉菌、Streptomyces panaciterrae、不產(chǎn)色鏈霉菌、假淺灰鏈霉菌、纖維素鏈霉菌和金色鏈霉菌。胡江春等人發(fā)現(xiàn)連作大豆根際土壤真菌富集，以其優(yōu)勢真菌回接大豆，紫青霉菌能強(qiáng)烈抑制大豆生長發(fā)育，認(rèn)為連作大豆土壤中該菌的大量存在及其產(chǎn)生的毒素是大豆連作障礙產(chǎn)生的主要因素。

2.3 土壤酶活性下降

土壤酶活性下降被認(rèn)為是連作花生和大豆中主要障礙因子之一。據(jù)孫秀山等人報(bào)道，隨花生連作年限的增加，土壤的堿性磷酸酶、蔗糖酶、脲酶等土壤酶活性基本呈現(xiàn)隨連作年限延長而下降的現(xiàn)象，下降幅度依次為堿性磷酸酶活性>蔗糖酶>脲酶。堿性土壤連作花生地中土壤真菌顯著抑制堿性磷酸酶活性，土壤細(xì)菌對堿性磷酸酶、蔗糖酶和脲酶活性均有顯著促進(jìn)作用。有研究表明花生連作土壤pH的變化與土壤酶活性的密切相關(guān)。不過也有研究表明，大豆不同連作年限及生育時(shí)期對酶活性的影響均不同，與作物品種、根系分泌物和殘茬腐解物的數(shù)量和種類密切相關(guān)。

2.4 自毒物質(zhì)積累

自然界很多植物根系能夠分泌出化感物質(zhì)，如花生、大豆、豌豆等，這些植物根系分泌的化感物質(zhì)能夠?qū)χ車渌参锂a(chǎn)生化感作用，有些情況下對自身也產(chǎn)生毒害，抑制了植物的生長。韓麗梅等人證明了大豆和花生的根系分泌物中都存在化感物質(zhì)，其中大豆根系分泌物中能被二氯甲烷提取出來的主要是有機(jī)酸類、醇類、酯類、酮類、醛類、酚類、苯類、烴類等有機(jī)化合物，而在連作花生土壤中根系分泌物主要有對羥基苯甲酸、香草酸和香豆酸三種，且隨著連作年限的增加而增加，連作10年后3種酚酸總量高達(dá)11.09 mg/kg干土，顯著高于連作3年和6年的土壤。關(guān)于根系分泌物對大豆和花生的影響最大的時(shí)期也不同，2周后根系分泌物對大豆胚根生長表現(xiàn)出極顯著的化感抑制作用，而相對花生而言結(jié)莢期根系分泌物化感物質(zhì)在土壤中的累積，自毒作用表現(xiàn)最為明顯，并認(rèn)為很可能是導(dǎo)致花生連作障礙的主要原因之一，這為花生連作障礙的生態(tài)修復(fù)提供了依據(jù)。

3 生態(tài)修復(fù)措施

有關(guān)連作障礙的生態(tài)修復(fù)措施最近一些年成為了連作障礙研究的熱點(diǎn)問題之一。根據(jù)生態(tài)修復(fù)措施的種類大致可以分為4大類，分別為耐重茬優(yōu)良品種的選育與應(yīng)用、抗重茬專用肥研制與應(yīng)用、耕作方式的改變、生物制劑與土壤消毒劑應(yīng)用。

3.1 開展耐重茬優(yōu)良品種的選育與應(yīng)用

人們在研究化感作用中發(fā)現(xiàn)植物對化感物質(zhì)的敏感程度在植株間存在差異，如同為葫蘆科的西瓜、甜瓜、黃瓜、蛇瓜和西葫蘆的自毒作用存在很大差別，因此提出了通過育種手段來提高植物對化感物質(zhì)的抗性，并進(jìn)一步利用化感作用的觀點(diǎn)，研究人員已在同屬豆科的大豆上做過有益嘗試。陳海山等人采用抗性強(qiáng)且豐產(chǎn)性較好的7個(gè)品種進(jìn)行田間小區(qū)試驗(yàn)，評價(jià)和篩選抗（耐）連作大豆品種。試驗(yàn)結(jié)果表明，‘抗線5號較其它6個(gè)品種出苗率高，根表胞囊線蟲雌蟲數(shù)量較少，產(chǎn)量最高為2298 kg/hm²，各項(xiàng)產(chǎn)量構(gòu)成因素表現(xiàn)也最好。在多年重茬地上開展抗重茬品系的篩選試驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)代分子育種技術(shù)，進(jìn)行抗重茬品種的選育意義重大，是解決油料作物大豆、花生、芝麻連作障礙的有效手段之一。

3.2 抗重茬專用肥的研制與應(yīng)用

童朝陽等人成功研制出了大豆專用復(fù)混肥，在連作大豆上的應(yīng)用效果表明，大豆專用復(fù)混肥較常規(guī)施肥顯著提高了連作大豆抗逆境傷害的能力及自由基清除系統(tǒng)的酶活性，減輕了膜脂過氧化的程度，并提高了根系活力和根系生長量。臺蓮梅等也認(rèn)為施用不同有機(jī)肥的處理區(qū)均比對照區(qū)根腐病發(fā)生程度輕，且表現(xiàn)出大豆整個(gè)生育期不論株高、干物質(zhì)積累以及產(chǎn)量均比對照區(qū)高，尤以施用雞糞區(qū)為顯著。該項(xiàng)研究的成功也為連作障礙的生態(tài)修復(fù)提供了較好的方向，通過在作物專用肥的基礎(chǔ)上添加有機(jī)肥、沸石、腐殖酸、稀土、微量元素等物質(zhì)，形成抗重茬的專用肥，有重要意義。

3.3 改進(jìn)耕作方式

臺蓮梅等人結(jié)果表明，重茬大豆連年間隔深松耙茬2年較對照分別增產(chǎn)21.2%和16.2%。大豆生育期間調(diào)查發(fā)現(xiàn)，間隔深松比翻地大豆根腐病減輕，大豆株高、莖粗、干物質(zhì)積累增加，并使根系數(shù)量增多。不同茬口作物對連作大豆的危害有一定的緩解作用，苜蓿茬3年連作大豆比玉米茬3年連作大豆增產(chǎn)10.4%，比4年連作大豆極顯著增產(chǎn)26.7%。在黑龍江省黑土平原區(qū)的研究表明秋整地對連作大豆效果更好。秋整地大豆的灰斑病發(fā)生程度、籽粒紫斑粒率和蟲食率均低于春整地，秋整地產(chǎn)量較春整地增產(chǎn)16%以上，可能是秋耕后土壤翻動(dòng)經(jīng)過冬季低溫和冰雪天氣，多數(shù)病原菌被低溫凍死。因此，耕作方式的改進(jìn)對連作障礙的修復(fù)也有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3.4 生物制劑與土壤消毒劑

范文艷等人結(jié)果表明，在大豆的不同生育時(shí)期，復(fù)合生防菌群處理的大豆根際細(xì)菌、真菌和放線菌在數(shù)量上發(fā)生了較大改變。在大豆真葉期和復(fù)葉期，復(fù)合生防菌群接種處理大豆根際細(xì)菌較對照增幅分別達(dá)到71.8%和114.3%，而根際真菌較對照減少12.9%和22.3%。施用復(fù)合生防菌群可有效降低土傳病原菌鐮孢菌屬和絲核菌屬的比例，并且提高根瘤菌、固氮菌、木霉屬、假單胞菌屬和芽孢桿菌屬等有益菌的比例。張根偉等人為防治花生連作病害，應(yīng)用微生態(tài)平衡原理，研制出一種由具有良好親和性的BSD-2、T42、BM-7和BR-5菌株混合組成的復(fù)合生物制劑，并進(jìn)行田間應(yīng)用效果試驗(yàn)，其應(yīng)用效果最好，不同菌株間表現(xiàn)出相互增效作用，莢果產(chǎn)量增加15.6%～19.1%，提高了田間應(yīng)用效果的穩(wěn)定性。薛德林等人分離得到海洋放線菌菌株MB97，經(jīng)微生物學(xué)系統(tǒng)鑒定及16SrDNA序列分析，定名為玫瑰黃鏈霉菌。將該菌制成生物制劑，在克服大豆連作障礙中應(yīng)用，以75 kg/hm²用量作為基肥一次施入，田間試驗(yàn)結(jié)果表明，在微區(qū)條件下以重茬6年大豆為對照，可使大豆增產(chǎn)19.4%；大面積示范試驗(yàn)，可使大豆增產(chǎn)13.9%～18.3%；經(jīng)黑龍江省、湖北省兩年22點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)，可使大豆平均增產(chǎn)15.2%。葛洪濱等研究認(rèn)為施用土壤消毒劑（生石灰、多菌靈、五氯硝基苯、敵克松）可以提高連作花生的成苗率，降低花生生長期內(nèi)葉斑病和銹病的發(fā)病率，可建立較為理想的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量結(jié)構(gòu)，增產(chǎn)達(dá)到極顯著水平，其中以五氯硝基苯的增產(chǎn)幅度最大，生石灰次之。

4 展望

在油料作物花生和大豆的連作障礙對土壤理化及農(nóng)藝性狀的影響等方面開展了大量研究，但是不同生態(tài)修復(fù)措施在改善作物根際微環(huán)境和修復(fù)土壤連作障礙機(jī)制等方面需要深入研究。今后的重點(diǎn)發(fā)展方向是加強(qiáng)不同區(qū)域、土壤、氣候特征條件下的油料作物連作障礙形成機(jī)理及多因子互作效應(yīng)研究，尤其是芝麻連作障礙表現(xiàn)最為明顯，但是相關(guān)研究不夠，最終形成油料作物連作障礙生態(tài)修復(fù)綜合調(diào)控措施，為油料作物的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)做出重大貢獻(xiàn)，為中國食用油的安全供給提供有力保障。