輪作制度對(duì)土壤生態(tài)的影響研究進(jìn)展

李小霞 靳鯤鵬 曹晉軍

摘要? ? 單一作物連作方式易造成土壤質(zhì)量下降、土壤環(huán)境惡劣、田間害蟲增加、作物出現(xiàn)新的病害等，嚴(yán)重影響作物的安全性。作物輪作方式則具有增加生物多樣性、減少土壤侵蝕、改善土壤肥力和土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤酶活性、提高作物產(chǎn)量、利于進(jìn)行病蟲害管理以及田間除草等優(yōu)點(diǎn)。本文闡述了輪作對(duì)土壤理化性質(zhì)、土壤酶活性、土壤微生物多樣性、土傳病害等土壤特性的影響，并綜述了輪作制度土壤生態(tài)影響的研究現(xiàn)狀，以期為有效緩解連作障礙提供參考。

關(guān)鍵詞? ? 輪作;連作障礙;土壤結(jié)構(gòu);土壤生態(tài)

中圖分類號(hào)? ? S344.1? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼? ? A? ? ? ? 文章編號(hào)? ?1007-5739（2019）06-0154-02

Abstract? ? Continuous cropping of single crop is liable to cause soil quality decline，poor soil environment，increase of field pests，emergence of new diseases of crops，so it seriously affects the crop safety. Crop rotation has the advantages of increasing biodiversity，reducing soil erosion，improving soil fertility and soil structure，increasing soil enzyme activity，increasing crop yield，facilitating the management of pests，diseases and weeding in the field. The effects of crop rotation on soil physical and chemical properties，soil enzyme activities，soil microbial diversity，soil-borne diseases and other soil characteristics were discussed in this paper. The current research status of soil ecological impacts of rotation system was summarized，in order to provide reference for effectively alleviating continuous cropping obstacles.

Key words? ? rotation;continuous cropping obstacle;soil structure;soil ecology

作物長(zhǎng)期連作會(huì)造成養(yǎng)分過(guò)分積累或過(guò)度消耗，長(zhǎng)勢(shì)減弱，產(chǎn)量和品質(zhì)降低，而且會(huì)出現(xiàn)病蟲害加重現(xiàn)象，即所謂的連作障礙。連作障礙在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍存在，已經(jīng)引起人們的高度重視，因而需要構(gòu)建有效克服連作障礙的種植模式，從而為作物產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供理論和技術(shù)支撐，有效緩解連作障礙。作物輪作是一種可以有效避免連作障礙的種植模式，可以改善土壤環(huán)境，維持土壤生境平衡，減少蟲害以及土傳病害等。呂? 毅等[1]發(fā)現(xiàn)通過(guò)輪作不同植物對(duì)連作土壤環(huán)境和平邑甜茶幼苗根系影響差異較大，輪作小麥和小蔥使土壤有機(jī)質(zhì)含量得到了增加，輪作馬鈴薯使土壤速效氮、速效磷及有效銅、鐵、鋅的含量顯著增加，輪作小蔥、小麥、花生均能增加土壤細(xì)菌總量，同時(shí)降低土壤中有害真菌數(shù)量，特別是輪作小蔥，不僅加大了土壤中細(xì)菌與真菌的比值，同時(shí)還能降低土壤中酚酸類物質(zhì)總量，并且提高了根系保護(hù)性酶活性。李? 威等[2]通過(guò)在大棚輪作蒜苗、白菜和萵苣，發(fā)現(xiàn)均能顯著增加土壤中的微生物總量、細(xì)菌數(shù)量，同時(shí)細(xì)菌與真菌的比例增大，真菌數(shù)量減少;基質(zhì)中蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶和過(guò)氧化氫酶活性也都表現(xiàn)較高水平。無(wú)論在大田還是大棚，輪作都能明顯改善土壤結(jié)構(gòu)、減弱連作障礙，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)。

1? ? 輪作對(duì)土壤特性的影響

1.1? ? 輪作對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

土壤是作物生長(zhǎng)的基地，為作物提供養(yǎng)料和生長(zhǎng)所需的物質(zhì)。土壤的pH值、EC值、有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分等均從一定程度上反映了土壤質(zhì)量狀況。長(zhǎng)期連作會(huì)改變土壤理化性質(zhì)，造成作物病害和減產(chǎn)。輪作可以在一定程度上改善土壤理化性質(zhì)。

作物生長(zhǎng)需要在一定的土壤酸堿環(huán)境下進(jìn)行，長(zhǎng)期連作致使土壤pH值降低，造成土壤酸化。通過(guò)作物輪作的方式，可有效提高土壤pH值。徐? 寧等[3]通過(guò)輪作不同蔬菜發(fā)現(xiàn)，輪作大蔥和苦瓜可提高土壤pH值，降低土壤酸化程度，為黃瓜生長(zhǎng)提供適宜環(huán)境。王克磊等[4]通過(guò)大田試驗(yàn)得出，輪作可以使土壤pH值上升0.9，有效調(diào)節(jié)了土壤酸堿度，減緩?fù)寥浪峄^(guò)程。土壤EC值即土壤電導(dǎo)率，其大小能夠反映土壤中混合鹽的含量，并從一定程度反映出土壤污染狀況。土壤EC值過(guò)高，即土壤外界環(huán)境中鹽分過(guò)高，致使植株根系受損，不能正常吸收水分和營(yíng)養(yǎng)，導(dǎo)致植株出現(xiàn)萎蔫、黃化、組織壞死或植株矮小等癥狀。徐? 寧等[3]和王克磊等[4]發(fā)現(xiàn)，通過(guò)作物輪作，均可降低土壤EC值，有效防止土壤出現(xiàn)次生鹽漬化現(xiàn)象。

土壤有機(jī)質(zhì)、有效氮、有效磷、有效鉀等成分是作物生長(zhǎng)不可或缺的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，缺少則導(dǎo)致作物不能正常生長(zhǎng)，出現(xiàn)病害等現(xiàn)象。除了施肥外，近幾年研究者紛紛通過(guò)輪作方式來(lái)提高土壤的有效成分。蘭? 廷等[5]通過(guò)田間試驗(yàn)研究不同綠肥輪作模式效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)綠肥輪作各處理的土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效鉀均顯著高于對(duì)照處理，增加幅度分別為8.73%～15.59%、11.79%～19.64%和5.80%～37.19%。陳丹梅等[6]研究表明，烤煙—油菜—玉米、烤煙—油菜—水稻、烤煙—苕子—水稻均能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，增幅為16.26%～45.14%，其中烤煙—苕子—水稻輪作模式增幅最為顯著。與原始土壤比較，烤煙—油菜—玉米、烤煙—油菜—水稻輪作模式的有效氮分別提高了10.0%和32.5%;在輪作處理的土壤中，有效磷含量均得到了增加，相比原始土壤提高了1.13～3.67倍。

1.2? ? 輪作對(duì)土壤酶活性的影響

土壤酶是一種具有催化功能的蛋白質(zhì)，其來(lái)源于植物的根系分泌物和土壤微生物以及動(dòng)植物殘?bào)w的分解，其活性高低可以反映土壤中各種生物化學(xué)反應(yīng)的強(qiáng)度和方向[7]。常見土壤酶有脲酶、蔗糖酶、磷酸酶、過(guò)氧化氫酶等。脲酶是一種能夠特異性地催化尿素水解釋放出氨和二氧化碳的酶，是土壤中氮素來(lái)源的催化劑。蔗糖酶催化蔗糖水解生成葡萄糖和果糖，其活性能夠反映有機(jī)碳的分解與轉(zhuǎn)化效率。磷酸酶可加速有機(jī)磷的脫磷速度，根據(jù)其所處酸堿環(huán)境分為堿性磷酸酶、中性磷酸酶和酸性磷酸酶，其活性能夠反映土壤磷素的生物轉(zhuǎn)化方向和強(qiáng)度。過(guò)氧化氫酶是分解作物有害自由基的一種活性酶，其活性能夠反映土壤呼吸強(qiáng)度的大小。

長(zhǎng)期連作會(huì)降低土壤酶活性，輪作模式可使土壤酶活性得到進(jìn)一步發(fā)揮。秦舒浩等[8]通過(guò)大田試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與連作馬鈴薯比較，輪作豆科植物使連作田土壤脲酶、堿性磷酸酶和過(guò)氧化氫酶活性均顯著提高。吳鳳芝等[9]采用盆栽試驗(yàn)，通過(guò)在大棚對(duì)蔬菜進(jìn)行輪作和連作，發(fā)現(xiàn)輪作土壤的過(guò)氧化氫酶、脲酶和轉(zhuǎn)化酶的活性顯著高于連作7年的土壤，并且發(fā)現(xiàn)，連作年限越長(zhǎng)，過(guò)氧化氫酶、脲酶和轉(zhuǎn)化酶的活性降低越明顯。

1.3? ? 輪作對(duì)土壤微生物多樣性的影響

土壤中微生物種類多、數(shù)量大，在土壤發(fā)育、作物生長(zhǎng)過(guò)程中作用重大，其通過(guò)自身活動(dòng)，促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)形成，分解有機(jī)質(zhì)，調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)，并且能夠降解殘留的有機(jī)農(nóng)藥。土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的核心，其在參與調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分循環(huán)與能量流動(dòng)方面具有廣泛作用。土壤微生物的種類和組成不同，對(duì)土壤酶活性的質(zhì)和量都能引起差異[10]。

與大田連作比較，輪作后的大田，其在微生物種類和數(shù)量上，都能得到有效改善。鄧玉清等[11]對(duì)不同番茄輪作模式下土壤微生物多樣性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，番茄與黃秋葵或花生輪作有利于增加土壤微生物多樣性，改變土壤細(xì)菌的種群結(jié)構(gòu)，且輪作黃秋葵和花生都顯著增加了土壤中可培細(xì)菌、放線菌數(shù)量、微生物總量和細(xì)菌/真菌的值，降低了土壤可培養(yǎng)真菌的數(shù)量。細(xì)菌型是土壤肥力提高的標(biāo)志，真菌型是土壤肥力降低的標(biāo)志[12]。李? 喆等[13]研究發(fā)現(xiàn)，在不同輪作方式下，煙田土壤微生物總量變化較大，輪作后土壤微生物總量顯著高于連作土壤。因此，在大田耕作過(guò)程中可以選擇不同種植制度和種植模式來(lái)調(diào)控土壤微生物，從而改善土壤肥力，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)[14]。

1.4? ? 輪作對(duì)土傳病害的影響

近年來(lái)，土傳病害對(duì)作物產(chǎn)量和質(zhì)量造成了嚴(yán)重影響，已成為限制我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。土傳病害是指真菌、細(xì)菌、線蟲和病毒等病原體隨病殘?bào)w生活在土壤中，在條件適宜時(shí)，能從作物根部或莖部侵害作物，從而引起作物病害。土傳病害與空氣、水及種苗等傳播途徑的病害相比，其致病菌棲息于土壤中，難以根治，被稱為植物癌癥[15]。

土傳病害很多是由不同病原菌復(fù)合侵染的結(jié)果，其致害機(jī)理較為復(fù)雜。長(zhǎng)年連作會(huì)引起嚴(yán)重的土傳病害，其致病機(jī)理是連作導(dǎo)致根系自身分泌的有害物質(zhì)增多，這些有害物質(zhì)不斷累積會(huì)引起土壤中有害微生物的數(shù)量增加、土壤酸堿度失調(diào)、土壤理化性質(zhì)惡化，從而遏制了作物根系發(fā)揮正常功能[16-17]，最終引起土傳病害。Jin等[18]發(fā)現(xiàn)，烤煙長(zhǎng)期連作使得黑脛病和赤星病的發(fā)病率提高，并降低了煙葉產(chǎn)量和質(zhì)量。輪作在一定程度上能夠減輕土傳病害[19]。李亞莉等[20]發(fā)現(xiàn)，甜脆豆與胡麻和小麥輪作可以減輕根腐病的發(fā)生，而重、迎茬甜脆豆根腐病發(fā)病則較重。

2? ? 輪作制度對(duì)土壤生態(tài)影響的研究現(xiàn)狀

為進(jìn)一步改善土壤結(jié)構(gòu)，從土壤這個(gè)根本上促進(jìn)農(nóng)作制度的創(chuàng)新發(fā)展，2016年中央各部聯(lián)合印發(fā)《探索實(shí)行耕地輪作休耕制度試點(diǎn)方案》。自此方案頒布實(shí)施以來(lái)，全國(guó)部分地區(qū)開始對(duì)耕地輪作制度進(jìn)行探索研究?？傮w而言，輪作制度得到了較好地實(shí)施推廣。通過(guò)探索研究不同的輪作模式，在輪作范圍和面積上都得到了擴(kuò)增，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益。以云南省陸良縣為例，通過(guò)水旱輪作技術(shù)的大面積推廣，為糧食持續(xù)增產(chǎn)和農(nóng)民持續(xù)增收節(jié)支提供了堅(jiān)實(shí)的科技支撐。同時(shí)，結(jié)合新型技術(shù)，可節(jié)約水資源、減少環(huán)境污染、改善土壤環(huán)境，對(duì)可持續(xù)農(nóng)業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)及綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展都具有極其重要的意義[21]。

雖然輪作制度得到了一定的實(shí)施推廣，但還存在不少問(wèn)題，如面積不大、模式不優(yōu)、管理不善、效益不高等，特別是輪作制度對(duì)土壤生境的改變，還沒有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，并且由于地區(qū)環(huán)境的差異，加之作物輪作模式多樣化，使得輪作制度在土壤生態(tài)環(huán)境的研究過(guò)程中，對(duì)土壤各項(xiàng)生化指標(biāo)、微生物指標(biāo)和土壤病蟲害等指標(biāo)的研究深入不夠。因此，還需在輪作對(duì)土壤特性的影響方面深入研究。通過(guò)探索新模式，提高農(nóng)民對(duì)土壤這個(gè)根基的認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步加強(qiáng)管理、科學(xué)規(guī)劃，加大惠農(nóng)補(bǔ)農(nóng)政策力度，從而調(diào)動(dòng)農(nóng)民積極性，讓創(chuàng)新在農(nóng)田和農(nóng)民這個(gè)“大舞臺(tái)”上落地生根，使得輪作制度在改善土壤生態(tài)環(huán)境方面得到最大程度地發(fā)揮，最終讓輪作制度從根本上成為一項(xiàng)增產(chǎn)提質(zhì)、強(qiáng)農(nóng)富農(nóng)惠農(nóng)的政策。

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