我國藥用植物輪作模式研究進展△

鐘宛凌，張子龍

北京中醫(yī)藥大學(xué) 中藥學(xué)院，北京 102488

輪作是在同一田地上有順序地輪換種植不同植物的種植方式。連作則相反，是在同一田地上連年種植相同的作物。目前栽培的藥用植物中，根類藥材約占70%，絕大多數(shù)“忌”連作，連作會使植株生長不良，藥材的產(chǎn)量和品質(zhì)均大幅度下降[1]。輪作是生產(chǎn)上用于減少病蟲害、恢復(fù)地力，減輕藥用植物連作障礙的重要措施[2]。目前，輪作在藥用植物栽培中廣泛應(yīng)用。如對黃芪、地黃、薄荷、西洋參、白術(shù)、細辛等實施合理輪作可有效減少田間病害，明顯提高產(chǎn)量[3]。近年來，我國研究者圍繞藥用植物輪作效應(yīng)、輪作機制、輪作模式構(gòu)建等方面開展了大量研究工作，筆者現(xiàn)將該領(lǐng)域的相關(guān)進展概述如下，以期為進一步深入研究奠定基礎(chǔ)。

1 常見藥用植物輪作模式

我國藥用植物輪作模式種類多樣。根據(jù)輪作植物類型可分為藥用植物與農(nóng)作物輪作(簡稱藥-農(nóng)輪作)及藥用植物與藥用植物輪作(簡稱藥-藥輪作)，常見的藥用植物輪作模式見表1。研究表明，水旱輪作模式的應(yīng)用較為普遍，在保障作物安全、增加產(chǎn)量等方面具重要意義[4]。

2 藥用植物輪作的效應(yīng)

2.1 減輕病蟲草害發(fā)生

2.1.1 減輕田間病害 研究表明，甘草葉斑病平均病情指數(shù)在連作兩年的地塊內(nèi)高達96.1，輪作一年后降至75.4，輪作兩年后低至57.3。若種植區(qū)選在高燥地，并進行輪作倒茬，甘草葉斑病的發(fā)生率更低[22-23]。對白術(shù)的研究表明，若與玉米、高粱、水稻等禾本科作物實行3年以上輪作(尤其是水旱輪作)可有效減輕和控制白術(shù)根腐病、白絹病的危害[24-26]。此外，與禾谷類作物輪作或水旱輪作3～5年可防治黃芪紅根病、根腐病、白絹病；與禾本科或豆種作物輪作，有助于防治元胡霜霉病[27]。由此可見，實施合理的輪作，可在很大程度上有效減輕甚至消滅藥用植物田間病害。

表1 我國常見藥用植物輪作模式

2.1.2 有效控制田間害蟲 害蟲對寄主有選擇性，若輪作年限長，專食性或寡食性害蟲通常很難大量滋生危害。因此，抗蟲作物與感蟲作物定期輪作能改變其食物鏈構(gòu)成和生態(tài)環(huán)境，可減輕甚至消滅蟲害。研究表明，細辛及續(xù)隨子等有驅(qū)蟲作用，若把它們作為易遭蟲害藥用植物的前作，可減少甚至避免蟲害發(fā)生[1]。因此，與非寄主植物輪作使害蟲無法找到寄主饑餓而死，從而有效控制藥用植物田間害蟲[28]。

2.1.3 可減少田間雜草 連作常使田間單一雜草增多，導(dǎo)致作物生長受限，而合理輪作可兼顧雜草控制和雜草生物多樣性保護之間的平衡，實現(xiàn)農(nóng)田生態(tài)效益和經(jīng)濟效益的有機統(tǒng)一[29]。寄生性雜草可通過輪作有效消滅，種子雜草可通過輪作得到控制，水旱輪作則易防除各類雜草[30]。國外學(xué)者們也相繼證實了這一觀點[31-32]。白術(shù)、桔梗等常遭受菟絲子侵害，使植株生長衰弱，顏色變黃，與禾本科作物輪作則能消滅菟絲子的危害[33]。因此，在藥用植物栽培過程中，可采用合理輪作對田間雜草進行控制。

2.2 提高中藥材產(chǎn)量和品質(zhì)

國內(nèi)外長期試驗表明：與連作相比，在不增加投入情況下，合理輪作可有效提高產(chǎn)量和品質(zhì)[34]。同一地塊上不同藥用植物倒茬，可使藥材增產(chǎn)。如以地黃作前茬的黃芪，其產(chǎn)量比黃芪重茬的產(chǎn)量高50%[18]。楊建忠等[35]試驗表明隨輪作年限的延長，三七產(chǎn)量和質(zhì)量呈上升趨勢，且輪作5年以上更優(yōu)。此外，厚樸林下輪作玄參、大黃的種植模式有利于厚樸的生長，提高厚樸皮的產(chǎn)量[19]。當(dāng)歸栽培中合理輪作倒茬也可提高當(dāng)歸產(chǎn)量和藥理作用[36]。田間調(diào)查表明，與小麥、玉米等輪作的黃芪比連作的黃芪增產(chǎn)30%～50%，且顏色均勻無黑斑，外表光滑，根粗條順、長[15]。由此可知，輪作模式的合理應(yīng)用不失為保證藥材產(chǎn)量和品質(zhì)的良好措施之一。

2.3 有效克服連作障礙

藥用植物連作障礙普遍存在，尤以根或根莖類藥材更為嚴重。造成連作障礙的原因目前主要歸結(jié)為：土壤理化性質(zhì)惡化、土壤土傳病害和自毒作用等[1]?，F(xiàn)代研究表明，輪作(尤其是水旱輪作)是克服連作障礙的有效措施。如朱波等[9]證實番紅花-水稻輪作能有效緩解番紅花的連作障礙，并可提高土地資源利用率。張子龍等[37]通過試驗發(fā)現(xiàn)輪作可改善三七連作土壤的微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)及理化性狀，利于三七連作障礙的消減。此外，太子參也可通過水旱輪作使連作障礙得到較好緩解[38]。

2.4 充分利用農(nóng)業(yè)資源

人類的耕作活動使土壤生態(tài)環(huán)境遭到很大破壞，許多物種瀕臨滅絕。而輪作有助于保護土壤生態(tài)環(huán)境和物種多樣性，且有機質(zhì)增加、土壤肥力得到提高，能減少化肥和農(nóng)藥施用量并使作物產(chǎn)量得到提高[39]。此外，輪作中合理搭配前后作植物，緊密銜接茬口，既能充分利用各種資源，又能錯開農(nóng)忙季節(jié)，做到不誤農(nóng)時、精耕細作[1]。

3 輪作的作用機制

3.1 改善土壤理化性質(zhì)

輪作能在不同程度上改善土壤理化性質(zhì)。如細辛地輪作人參后，土壤疏松不板結(jié)，肥力明顯提高[16]。豆科植物可促進固氮菌固氮[40]，也能給土壤留下更多富含氮素的有機殘體，增強土壤生物學(xué)活性。另外，輪作也可提高土壤過氧化氫酶和土壤脫氫酶的活性，進而促進輪作作物生長[28]。研究表明，種植黃連后改種水稻的土壤pH值明顯上升，收獲黃連當(dāng)年pH為3.95，種植水稻3年間，pH分別為4.69、4.51、5.00。土壤全氮、堿解氮及速效鉀含量均隨水稻種植年限增加而增加，與第1年相比，種植3年水稻的土壤堿解氮增加了27.6 mg·kg-1，速效鉀增加了59.9 mg·kg-1，全磷則降低11%，差異顯著。土壤主要養(yǎng)分呈現(xiàn)相對高氮、高鉀、低磷的狀態(tài)，為黃連種植提供了較好環(huán)境[10]。

此外，水旱輪作模式對改善土壤理化性狀，提高土壤肥力有特殊意義。其機理為改善土壤通氣透水條件，消除土壤中有害物質(zhì)(Mn2+、Fe2+、H2S及鹽分等)，調(diào)整礦物元素活性狀態(tài)，調(diào)節(jié)土壤pH值等[41]。

3.2 減輕植物化感自毒作用

近年來，我國在實施作物輪作，減輕化感作用方面，進行了深入研究并取得重要進展[42]。根系分泌是大部分植物產(chǎn)生化感自毒作用的重要途徑[43]，而輪作可有效降低其危害[1]。研究表明，輪作可適當(dāng)減輕菊花分泌物自毒作用所導(dǎo)致的連作障礙[12]。人參-細辛輪作系統(tǒng)中，細辛根系的辛辣分泌物對老參地中的人參殘體分泌物及有害微生物有拮抗、減少及殺滅作用，而對人參有益微生物活性有加強作用，從而有助于減輕人參根系分泌物的自毒作用[16]。此外，水旱輪作可通過直接減少甚至清除某些易溶于水的根系分泌物，或通過水季嫌氧分解和旱季礦化等方式來快速分解有機質(zhì)從而減輕藥用植物自毒作用[41]。

3.3 調(diào)節(jié)土壤微生物區(qū)系

3.3.1 減少病原菌數(shù)量并增加拮抗菌數(shù)量 通過合理輪作，可使前茬遺留的病原菌喪失寄主，數(shù)量顯著減少，從而抑制病害[44]。德國科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，合理輪作有益于抑制殼針孢屬病原菌對洋甘菊的危害[45]。葉文斌等[14]研究顯示，當(dāng)歸和馬鈴薯輪作可有效減少土壤中引起當(dāng)歸連作障礙的尖孢鐮刀菌的數(shù)量。此外，輪作還可促進土壤中對病原菌有拮抗作用微生物的活動，從而抑制病原菌滋生[46]。因此，通過抗病藥材與易感病藥材進行合理輪作，便可減少病原菌在土壤中的積累[3]。

3.3.2 改善微生物群落結(jié)構(gòu) 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)對植物生長發(fā)育具有重要影響，而許多微生物的數(shù)量與土壤中植物根際分泌物的量呈正相關(guān)[43]。研究表明，輪作可改善土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)，作用機制如下：

1)增加有益微生物群的活性，重新建立土壤生態(tài)系統(tǒng)平衡[47]。輪作可提高甘草土壤中真菌、放線菌等有益微生物的數(shù)量，增加土壤N的質(zhì)量分數(shù)、使腐殖質(zhì)形成增多，從而利于甘草生長[13]；輪作3年可使黃連土壤中細菌、放線菌的數(shù)量分別增加0.5倍、9.6倍，真菌數(shù)量下降約7%，從而提高產(chǎn)量[10]；丹參與油菜、小麥輪作可使細菌和放線菌的數(shù)量增加，輪作4年后細菌數(shù)量增加近1倍，放線菌數(shù)量增加2倍多，而真菌數(shù)量則下降30%，既減少病害發(fā)生，又縮短土壤恢復(fù)年限[48]。對人參的研究表明，細辛根系分泌物能降低土壤中的人參根病菌，并促進有益微生物增殖；有益微生物的數(shù)量增加和活性增強又會抑制某些致病菌的滋生。因此，老參地輪作6年細辛后，土壤中人參根病菌減少至新林地的水平甚至更低，大大提高了土地利用率[16]。

2)提高微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的多樣性，改善土壤生態(tài)環(huán)境。輪作植物根系殘體的不同使微生物群落產(chǎn)生差異，有利于維持土壤微生物多樣性，從而抑制連作系統(tǒng)下有害微生物的繁殖，使后茬作物產(chǎn)量提高[28]。對太子參的研究發(fā)現(xiàn)，輪作可提高太子參土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的多樣性，減少自毒物質(zhì)的積累，從而克服太子參連作障礙，使太子參的產(chǎn)量和品質(zhì)得以提高[49]。

4 高效輪作模式構(gòu)建

4.1 輪作植物篩選

4.1.1 輪作植物篩選一般原則 輪作植物篩選應(yīng)從前后茬植物的親緣關(guān)系、收獲部位、病害發(fā)生特點及對養(yǎng)分需求的差異互補性等方面考慮[50]。通常需符合以下原則：1)同科屬植物不能輪作。如玄參和地黃不可輪作；黃芪應(yīng)避免與豆科作物輪作。2)根類藥用植物，以谷類作物作其前茬比較適宜。如山藥以根莖入藥，需較多磷鉀肥，可通過谷類作物作前茬提供。從酚酸類物質(zhì)影響角度來看，禾本科作物玉米、小麥等可以作為三七的輪作植物[51]。3)葉類和全草類藥用植物，以豆科作物或蔬菜作前茬較好。如莨菪、薄荷等生長需充足的氮肥，可以具有固氮作用的豆科植物為前茬。4)以種子繁殖的藥用植物，要求播種在無草、水分充足的田地上。因此，最好安排在中耕作物或成熟期早的作物之后，以便有充足時間進行土壤耕作，消滅雜草和積蓄水分。5)有相同病蟲害的植物之間不宜輪作，以避免病蟲害的大量發(fā)生。如地黃和花生、珊瑚菜因均有枯萎病和根線蟲病，不宜彼此輪作[52]。

4.1.2 基于雙向化感作用的篩選原則 化感作用是指植物通過淋溶、揮發(fā)、殘體分解和根系分泌等途徑向環(huán)境中釋放化學(xué)物質(zhì)，從而對自身或周圍其它植物(包括微生物)生長發(fā)育間接產(chǎn)生有利或有害作用的化學(xué)生態(tài)學(xué)現(xiàn)象[53]。輪作模式“A→B→A”系統(tǒng)中，A植物(前茬)可能對B植物(后茬)產(chǎn)生化感抑制作用(A→B)，同樣B植物(前茬)也可能對A植物(后茬)產(chǎn)生化感抑制作用(B→A)。輪作是充分利用化感促進作用，減少化感抑制作用的一項生態(tài)農(nóng)業(yè)技術(shù)[39]。因此，篩選輪作植物時，應(yīng)考察A、B植物互為供體和受體，即彼此之間的“雙向”化感作用。具體而言，應(yīng)篩選與藥用植物無明顯相克作用的植物作為其輪作植物，構(gòu)建合理的“藥用植物→輪作植物→藥用植物”輪作體系。該方法正視了目前輪作研究中常忽略的A、B間“雙向”化感作用，可提高輪作植物篩選的準確性及篩選效率。目前，該方法已在三七輪作植物篩選中得到初步應(yīng)用，表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景[54-55]。

4.1.3 其他篩選原則 可根據(jù)根際微生物群落結(jié)構(gòu)的變化并結(jié)合藥材的質(zhì)量、產(chǎn)量，確定適宜的輪作植物。如玉米不宜與藥用植物燈盞花輪作種植[50]；西洋參宜與紫蘇輪作，且在輪作時用紫蘇子作西洋參的肥料效果更佳[17]。大蒜與瓜類藥材輪作，可有效減輕瓜類藥材的枯萎病[3]。同時還需注意，應(yīng)挖掘豆科植物與禾本科植物輪作的潛在價值，以提高地力，保持生物多樣性，控制病蟲草害，增加產(chǎn)量，降低生態(tài)成本[40]。

4.2 輪作模式的確定

輪作模式因地理位置、季節(jié)、植物的生長習(xí)性、市場需求等不同而存在差異。在篩選確定輪作植物的基礎(chǔ)上，各區(qū)域需因地制宜，擇優(yōu)選擇茬口類型，科學(xué)判定輪作周期，以確定優(yōu)質(zhì)高效的藥用植物種植模式。例如百合連作易患立枯病致低產(chǎn)，旱地種植以3～4年輪作1次為宜，水旱輪作宜2年1次[56]。同一地塊，黃芪需和農(nóng)作物輪作5年以上才可再重復(fù)種植[15]。對三七輪作的研究也表明，三七輪作年限至少5年才能保證三七總皂苷含量達標[57]；且三七前茬旱季應(yīng)多種植豆類植物和(或)綠肥(紫云英、苜蓿)以增加土壤肥力，在水季基肥中應(yīng)多施有機肥+秸稈或綠肥，以保證種植三七時土壤已有足夠肥力[41]。

4.3 輪作模式評價

對所確定的藥用植物輪作模式進行合理評價，是篩選高效輪作模式并進行示范推廣的前提和基礎(chǔ)。為了獲得全面準確的評價結(jié)果，建立多方位、多層次、多指標的輪作模式綜合評價體系十分必要[58]。生產(chǎn)實踐中可以從生態(tài)效益、社會效益和經(jīng)濟效益三個方面對藥用植物輪作模式的綜合效益進行評價，具體的評價指標及其內(nèi)涵如表2所示。

表2 藥用植物輪作模式綜合評價指標

注：IFI取值為0～1，值越高，表明土壤肥力越強，肥力指標包括理化性質(zhì)、養(yǎng)分含量、微生物性質(zhì)等[59]。

藥用植物輪作模式評價可采用綜合指數(shù)法(CIM)，具體為：1)分別將生態(tài)效益、社會效益和經(jīng)濟效益項目下的各指標無量綱化，并賦予權(quán)重；2)再將各指標數(shù)值與對應(yīng)權(quán)重相乘求和，得到該項目的評價指數(shù)[61]；3)對3個項目賦予權(quán)重，計算綜合評價指數(shù)。根據(jù)綜合評價指數(shù)(CI)大小，即可對供試藥用植物輪作模式進行評價。此外，還可采用TOPSIS法、RSR法及AHP法等多指標綜合評價方法對藥用植物的輪作模式進行全面系統(tǒng)評價。通過綜合評價結(jié)果，可初步篩選出綜合效益好的藥用植物輪作模式。之后再結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境特點，因地制宜對其進一步優(yōu)化，最終建立高效、穩(wěn)產(chǎn)的藥用植物輪作模式。

5 展望

隨著我國中醫(yī)藥事業(yè)的蓬勃發(fā)展，各類中藥商品需求逐年增長，藥用植物的栽培面積也不斷增加，但連作障礙卻制約著中藥材生產(chǎn)。輪作是用地與養(yǎng)地相結(jié)合的農(nóng)業(yè)措施，也是緩解連作障礙最為有效且容易實施的方法，近年來受到了廣泛關(guān)注。2016年，國家頒布《探索實行耕地輪作休耕制度試點方案》，開展了連續(xù)3年的輪休耕試點工作，力度逐年加大，旨在使輪作休耕制度化、常態(tài)化[63]。但由于自然環(huán)境差異大、政策提出時間短、國情特殊等原因，目前我國藥用植物輪作研究進展緩慢，存在缺乏理論指導(dǎo)，執(zhí)行力度不夠，實踐成果少等諸多問題[39]。為此，探索高效輪作模式構(gòu)建的原理和方法，合理構(gòu)建藥用植物輪作模式，深入研究輪作機理，推廣藥用植物輪作技術(shù)顯得尤為必要。相信隨著現(xiàn)代科技手段的不斷發(fā)展，藥用植物輪作研究的若干領(lǐng)域必將取得重要突破，藥用植物輪作模式及輪作技術(shù)的合理應(yīng)用將會大大促進我國中藥材產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，為中醫(yī)藥事業(yè)發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。