小麥與半夏輪作對減輕半夏連作障礙的效應

何志貴,應 浩,董娟娥,馬小奇,梁宗鎖,3

(1. 西北農(nóng)林科技大學 生命科學學院，陜西楊凌 712100；2. 桂林旅游學院 食品加工與營養(yǎng)健康實驗教學中心，廣西桂林 541006； 3. 浙江理工大學 生命科學學院，杭州 310018)

半夏[Pinelliaternata(Thunb.) Breit.]為天南星科(Araceae)半夏屬多年生草本植物[1]。目前半夏藥材主要來自人工種植，但連作會導致病蟲害加重、產(chǎn)量和品質(zhì)下降[2]。連作障礙在其他很多藥材種植中也存在，如地黃、人參、太子參、當歸等，嚴重制約了中藥產(chǎn)業(yè)和當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展[3]。研究發(fā)現(xiàn)，引發(fā)連作障礙的原因主要有土壤化感作用、養(yǎng)分失衡、微生物群落改變、有害物質(zhì)積聚及理化性狀惡化等[4-5]。因此，本研究選用連作1 a 地、輪作2 a地和輪作3 a地種植的半夏為研究對象，測定不同時期內(nèi)的半夏生長發(fā)育指標及有效成分質(zhì)量分數(shù)，研究不同年限連作條件下及與小麥輪作后半夏生長發(fā)育、產(chǎn)量及有效成分的變化，明確連作對半夏產(chǎn)量和品質(zhì)造成的影響，為生產(chǎn)上減輕半夏連作障礙提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

甘肅省天水市清水縣是半夏藥材主產(chǎn)地。地處東經(jīng)105°45′，北緯34°32′，海拔1 420 m，年均溫4.8 ℃，全年≥0 ℃積溫為2 313～4 001 ℃，≥10 ℃ 積溫為1 678～3 366 ℃。年日照時數(shù)2 076.9 h，無霜期169 d，年均降水量574.3 mm，高寒陰濕，地勢平坦，適宜半夏生長，試驗地土壤為中性或微酸性的沙質(zhì)黑壤土，礦質(zhì)養(yǎng)分豐富。

供試半夏種莖來源于甘肅華亭縣，經(jīng)西北農(nóng)林科技大學化學與藥學院舒志明先生鑒定為天南星科半夏屬植物半夏的塊莖。

1.2 試驗設計

試驗于2014年10月至2015年8月在清水縣永清鎮(zhèn)泰山廟塬進行，依次選擇連作1 a CCY1(-半夏-半夏)、輪作2 a CRY2(半夏-小麥-小麥-半夏)和輪作3 a CRY3(半夏-小麥-小麥-小麥-半夏)的試驗地，以前茬為連續(xù)種植4 a 小麥的地(小麥-小麥-小麥-小麥-半夏)為對照，小區(qū)面積4 m×1.5 m，重復3次。播種前施底肥農(nóng)家肥0.95 kg·m-2，復合肥83 g·m-2。播種量為2.67 kg·m-2，2014-10-16播種。2015-03-26搭建小拱棚，常規(guī)管理，2015-04-24起陸續(xù)出苗，2015-08-15采收，測定產(chǎn)量及品質(zhì)。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 生長指標及產(chǎn)量的測定 葉面積、株高和倒苗率分別在5月15日、5月23日、6月5日、7月5日、7月20日、8月5日進行測定。測定樣品時，選用1 m2的繩框，在每小區(qū)中按對角線分別選取5點[6]，每點測定15株葉面積、株高及倒苗數(shù)，并分別計算1 m2內(nèi)半夏倒苗率。倒苗率=每平方倒苗數(shù)/(每平方的活苗數(shù)+每平方倒苗數(shù))×100%(每平方內(nèi)半夏植株變黃或已枯死的苗數(shù)計為倒苗數(shù))。

8月15日采收后，按小區(qū)采收藥材，測定后折算成每667 m2產(chǎn)量。

1.3.2 半夏塊莖品質(zhì)的測定 隨機選取連作1 a地、輪作2 a地、輪作3 a地和對照地中種植的半夏，去皮曬干、粉碎，重復3次。

半夏塊莖水分、總灰分、酸不溶性灰分參照中國藥典(2015版)第一部附錄ⅨK第一法進行測定[1]。水溶性浸出物參照中國藥典(2015版)第一部附錄XA浸出物測定法(冷浸法)[1]測定。還原糖質(zhì)量分數(shù)采用3，5-二硝基水楊酸比色法[7]測定。可溶性糖質(zhì)量分數(shù)采用蒽酮-濃硫酸比色法[7]測定?？偵飰A采用酸性染料比色法[8]測定。琥珀酸的測定參照《中國藥典》2015年版附錄ⅧA)，用鹽酸滴定液(0.1 mol/L)滴定，并將滴定的結(jié)果用空白試驗校正，測定琥珀酸質(zhì)量分數(shù)，每1 mL氫氧化鈉滴定液(0.1 mol·L-1)相當于5.904 mg的琥珀酸(C4H6O4)[1]。鳥苷質(zhì)量分數(shù)采用液相色譜法測定[2,8]。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計方法 采用SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用Duncan’s法進行各處理間顯著性差異分析(P≤0.05)，采用Excel 2010進行整理作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同年限連作和輪作對半夏株高的影響

圖1表明，半夏生長過程中株高的增長隨著不同種植處理呈現(xiàn)不同的生長趨勢。連作1 a地中半夏株高長至6月15日開始呈下降趨勢，且長勢緩慢。由于半夏生長至6月15日后受病害影響，出現(xiàn)死苗現(xiàn)象，后期塊莖又重新發(fā)芽，但仍然處于不生長狀態(tài)，差異極為顯著，與對照相比降低70.65%。2 a輪作地半夏在6月15日后基本停止生長，與對照相比降低49.26%，其后各生長時段株高基本一致；輪作3 a地半夏株高隨著生長期的延長而增高，與對照相比長勢趨于一致。至采摘期8月5日最后所測株高綜合顯示，連作1 a<輪作2 a<輪作3 a。

2.2 不同年限連作和輪作對半夏葉面積的影響

圖2表明，連作1 a半夏葉面積從5月16日至6月15日呈增大趨勢，長勢與輪作2 a基本一致。但在6月15日至8月5日期間呈下降趨勢，8月5日降至最低，與對照相比，減少了62.44%，差異顯著。輪作2 a半夏葉面積在各生長時期表現(xiàn)平穩(wěn)生長態(tài)勢，到8月5日后與對照和輪作3 a相比基本無差異。輪作3 a半夏葉面積在6月中旬達到最高值，與8月5日連作1 a和輪作2 a所測葉面積相比分別增加了201.58%和17.09%，但是輪作3 a半夏葉面積在整個生長期內(nèi)長勢與對照基本一致。綜合相比，連作1 a<輪作2 a<輪作3 a。

不同小寫字母表示同一時期不同處理差異顯著(P<0.05)，下同 Different lowercase letters in same column indicate significant difference among various treatments in the same period(P<0.05)，the same below

圖1連作與輪作對半夏株高的影響
Fig.1EffectsofcontinuouscroppingandcroprotationonplantheightofPinelliaternata

圖2 連作與輪作對半夏葉面積的影響Fig.2 Effects of continuous cropping and crop rotation on leaf area of Pinellia ternata

2.3 不同年限輪作和連作對半夏倒苗率的影響

圖3顯示，連作1 a地中半夏倒苗率非常嚴重，整個生長周期逐月遞增，在7月20日之后倒苗率達到87.97%，與對照和輪作3 a地中半夏倒苗率呈顯著差異。輪作2 a半夏倒苗率在6月15日開始增加，后期呈穩(wěn)定趨勢，8月5日所測數(shù)據(jù)顯示，輪作2 a半夏倒苗率與對照相比增加69.67%，有一半以上倒苗發(fā)生。輪作3 a在整個生長周期長勢較好，倒苗率較低，只有13.88%，與對照相近。

圖3 連作與輪作對半夏倒苗的影響Fig.3 Effects of continuous cropping and crop rotation on seedling laying rate of Pinellia ternata

2.4 不同年限連作和輪作對半夏塊莖產(chǎn)量的影響

圖4顯示，隨著半夏與小麥輪作年限延長，產(chǎn)量逐年增加，輪作3 a>輪作2 a>連作1 a。輪作3 a半夏產(chǎn)量與連作1 a相比提高509.36%，與輪作2 a相比提高91.779%。連作1 a半夏與對照相比減產(chǎn)86.72%，差異顯著，基本絕收。說明輪作小麥3 a以上半夏土壤有利于其自身的生長，對連作土壤有一定的改善。

圖4 連作和輪作小麥對半夏塊莖產(chǎn)量的影響Fig.4 Effects of continuous cropping and crop rotation on yield of Pinellia ternata tubers

2.5 連作和輪作對半夏塊莖水分、總灰分、酸不溶性灰分和浸出物的影響

對半夏連作地進行小麥2 a和3 a小麥倒茬修復后，再種植半夏。經(jīng)過一輪生長周期后，測定連作1 a和輪作2 a、輪作3 a半夏塊莖有效成分質(zhì)量分數(shù)。如表1所示，除總灰分連作1 a、輪作2 a、輪作3 a處理與對照之間無顯著差異外，其他3個指標均與對照存在顯著差異。特別是浸出物的質(zhì)量分數(shù)，連作1 a、輪作2 a和輪作3 a分別比對照降低 21.71%、14.99%和1.75%。經(jīng)輪作3 a 修復后，半夏浸出物質(zhì)量分數(shù)升高，達到18.083 7%，與對照相比無明顯差異，并超過了國家藥典標準。

2.6 連作和輪作對半夏塊莖中可溶性糖、還原糖、琥珀酸、生物堿和鳥苷質(zhì)量分數(shù)的影響

表2結(jié)果表明，連作1 a地中的半夏塊莖可溶性糖質(zhì)量分數(shù)與輪作2 a、輪作3 a及對照相比，分別下降51.09%、66.13%和66.63%，差異顯著。其中，輪作小麥3 a后，半夏塊莖中可溶性糖質(zhì)量分數(shù)快速積累，接近對照。連作1 a半夏中的還原糖質(zhì)量分數(shù)與對照相比降低23.81%，但輪作2 a和輪作3 a及對照相比差異不明顯。琥珀酸質(zhì)量分數(shù)各處理表現(xiàn)為：連作1 a半夏與輪作2 a、輪作3 a及對照相比分別降低12.95%、25.30%和26.77%。輪作2 a、輪作3 a中的琥珀酸質(zhì)量分數(shù)基本接近對照，差異性不明顯。在生物堿活性成分上，與對照相比，連作1 a和輪作2 a降幅比較明顯，分別降低17.13%和7.73%，輪作3 a與對照相比無明顯差異。連作半夏在鳥苷活性成分上，通過所測數(shù)據(jù)顯示，連作、輪作和對照無差異，基本不受連作影響。

連作條件下半夏各有效成分與對照相比，降低最大的是可溶性糖，然后依次是琥珀酸、還原糖、生物堿和鳥苷。輪作小麥3 a后半夏有效成分最接近對照的依次是生物堿、鳥苷、琥珀酸、還原糖和可溶性糖。

表1 連作和輪作對半夏塊莖質(zhì)量標準的影響Table 1 Effects of continuous cropping and crop rotation on quality of Pinellia ternata tuber %

注：同列不同小寫字母表示同一時期不同處理差異顯著(P<0.05)。下同。

Note:Different lowercase letters in same column indicate significant difference among different treatments in the same period(P<0.05). The same below.

表2 連作和輪作對半夏塊莖有效成分質(zhì)量分數(shù)的影響Table 2 Effects of continuous cropping and crop rotation on mass fraction of active ingredients in Pinellia ternata tuber %

3 討 論

在連作條件下的土壤生態(tài)環(huán)境對植物生長影響很大，植物根系與土壤和微生物之間會產(chǎn)生互作關系，引起一系列生理生化反應。各營養(yǎng)元素間的拮抗作用影響到植物對某些元素的吸收，容易出現(xiàn)缺素癥狀，最終使生育受阻，產(chǎn)量和品質(zhì)下降[9]。試驗表明，連作半夏隨著與小麥輪作時間的延長，其株高和葉面積均逐漸增加，倒苗率逐漸降低；這與筆者課題組前期研究結(jié)果一致[2,10]。劉偉等[6]在研究不同年限連作對丹參生長的影響時也發(fā)現(xiàn)，丹參連作種植后的幼苗生長長勢逐漸減弱，出現(xiàn)嚴重病害，表現(xiàn)出與半夏藥材相似的連作障礙效應。

連作半夏在5月中下旬開始倒苗，比輪作2 a的提前近1個月，這可能與連作地微生物群落發(fā)生變化[11]、養(yǎng)分失衡[12]及根際分泌有害物質(zhì)[13]有關，也因此破壞了根際土壤的生態(tài)平衡。筆者推測，輪作3 a半夏地中，土壤微生態(tài)環(huán)境可能得到了修復，因此半夏在各時段內(nèi)的株高、葉面積和倒苗率等各項生長指標均顯著優(yōu)于連作1 a地和輪作2 a地，半夏地上部分植株健壯，病害較輕。

半夏植株生長指標直接影響地下塊莖產(chǎn)量，這是因為地上部分長勢與地下塊莖發(fā)育繁殖有著直接的相關性[14]。連作地半夏倒苗期提前，病蟲害嚴重，6月中旬已開始大面積死苗，從而導致半夏株高降低、塊莖腐爛率升高，這與沈?qū)氃频萚15]在研究馬鈴薯連作生長中所表現(xiàn)出的連作障礙效應相似[15]。通過與小麥輪作3 a，土壤中病害較連作1 a輕，植株抵抗力也變強，因而半夏產(chǎn)量接近對照。而連作時半夏繁殖系數(shù)極低，產(chǎn)量僅有播種量的1/3，這與梅艷等[14]的研究結(jié)果一致。

連作時半夏塊莖中可溶性糖、還原糖和生物堿質(zhì)量分數(shù)均低于輪作3 a和對照，琥珀酸質(zhì)量分數(shù)低于國家標準。這說明植物殘體與病原物的代謝產(chǎn)物對植物有致毒作用，并連同植物根系分泌的自毒物質(zhì)一起影響植株代謝，在一定程度上抑制了有效成分的合成與積累，這與馮業(yè)強等[16]對太子參連作障礙效應的研究結(jié)果中連作與輪作時糖質(zhì)量分數(shù)無顯著差異的結(jié)果不大一致；雖然輪作2 a處理下半夏塊莖中糖質(zhì)量分數(shù)、有機酸質(zhì)量分數(shù)與對照無明顯差異，但生物堿及水溶性浸出物質(zhì)量分數(shù)顯著低于對照，這充分反映半夏連作障礙效應是導致半夏塊莖品質(zhì)降低及病蟲害升高的主要原因。

綜上，研究表明半夏在連作的環(huán)境中，幼苗生長受到阻礙，死苗、倒苗大面積蔓延，產(chǎn)量和品質(zhì)急劇下降，經(jīng)輪作3 a后，半夏在整個生長周期內(nèi)各生長指標、有效成分質(zhì)量分數(shù)與對照接近，說明適當時間進行倒茬輪作有利于緩解半夏的連作障礙。因此，深入研究半夏連作障礙的效應，探索消減連作障礙的生態(tài)調(diào)控措施，構(gòu)建“半夏-土壤-環(huán)境”的生態(tài)系統(tǒng)，是緩解半夏連作障礙的有力途徑。