茶樹(shù)連作障礙形成機(jī)制及調(diào)控措施研究進(jìn)展

李艷春,陳志鵬,林偉偉,李兆偉,林文雄,*

茶樹(shù)連作障礙形成機(jī)制及調(diào)控措施研究進(jìn)展

李艷春1,2,3,陳志鵬4,林偉偉2,李兆偉2,林文雄2,*

1. 福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所, 福州 350013 2. 福建農(nóng)林大學(xué)農(nóng)業(yè)生態(tài)過(guò)程與安全監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福州 350002 3. 福建省丘陵地區(qū)循環(huán)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心, 福州 350013 4. 福建省安溪縣感德鎮(zhèn)槐川村老固茶葉專(zhuān)業(yè)合作社, 安溪 362400

茶樹(shù)多年宿根連作后茶園土壤退化嚴(yán)重, 茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)大幅下降, 嚴(yán)重制約了我國(guó)茶葉的可持續(xù)生產(chǎn)。面對(duì)如何維持茶樹(shù)高產(chǎn)高質(zhì)這一科學(xué)難題, 連作障礙機(jī)制及其調(diào)控措施成為當(dāng)前茶樹(shù)栽培中急待解決的科學(xué)問(wèn)題。據(jù)此文章從土壤養(yǎng)分失衡、土壤酸化、自毒作用、土壤微生物群落結(jié)構(gòu)失衡、根際微生態(tài)等方面概述了茶樹(shù)連作障礙形成機(jī)制的研究進(jìn)展, 同時(shí)從化學(xué)改良、增施有機(jī)肥、生物質(zhì)材料、生物菌肥、茶園多樣性栽培等方面介紹緩解茶樹(shù)連作障礙的主要措施, 并對(duì)今后茶樹(shù)連作障礙形成機(jī)制的進(jìn)一步研究及防控技術(shù)的發(fā)展方向提出展望, 以期為解決茶樹(shù)連作障礙問(wèn)題提供一些科學(xué)依據(jù)。

茶樹(shù); 連作障礙; 土壤微生物; 自毒物質(zhì); 土壤酸化

0 前言

茶樹(shù)((L.) O. Kuntze)屬山茶科山茶屬的灌木或小喬木, 具有喜酸性土壤和暖濕氣候的生態(tài)特性, 主要分布于磚紅壤、黃紅壤等酸性紅壤地區(qū)。目前, 茶樹(shù)在中國(guó)、印度、越南、日本、斯里蘭卡等國(guó)家廣泛種植。我國(guó)共有21個(gè)省(區(qū)、市)生產(chǎn)茶葉, 地跨熱帶、亞熱帶和溫帶。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì), 2014年我國(guó)茶園總面積274.1 × 104hm2, 占到全球種茶面積的50%以上; 干毛茶總產(chǎn)量達(dá)209.2 × 104t, 占全球茶葉總產(chǎn)量的41.6%; 茶葉出口30.1 × 104t, 出口金額達(dá)12.7億美元[1]?？梢?jiàn), 茶樹(shù)不僅是我國(guó)重要的特色經(jīng)濟(jì)作物, 而且茶葉也成為頗具優(yōu)勢(shì)的出口創(chuàng)匯農(nóng)產(chǎn)品。茶樹(shù)是葉用型植物, 對(duì)氮肥的需求比其它大多數(shù)作物要高很多, 人為長(zhǎng)期大量施用氮肥、少施有機(jī)肥、忽視其它元素的平衡配施, 是導(dǎo)致茶園土壤酸化嚴(yán)重以及養(yǎng)分非均衡退化的重要原因。此外, 由于茶樹(shù)自身喜酸富鋁的生物學(xué)特性以及茶園土壤生境的特殊性, 茶園正面臨著土壤侵蝕、酸化、養(yǎng)分貧瘠化和不均衡退化等各種環(huán)境問(wèn)題[2]。茶樹(shù)多年宿根連作后茶園土壤退化嚴(yán)重, 茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)大幅下降, 大部分農(nóng)民試圖通過(guò)增施氮肥、噴施農(nóng)藥來(lái)維持茶葉的產(chǎn)量, 然而過(guò)量的使用化肥、農(nóng)藥不僅提高了茶葉生產(chǎn)成本, 而且還導(dǎo)致茶葉農(nóng)藥殘留超標(biāo)、土壤微環(huán)境破壞加劇、茶園生態(tài)功能退化等一系列問(wèn)題, 嚴(yán)重制約了我國(guó)茶葉的可持續(xù)生產(chǎn)。面對(duì)如何維持茶樹(shù)高產(chǎn)高質(zhì)這一科學(xué)難題, 連作障礙及其調(diào)控機(jī)制成為了當(dāng)前茶樹(shù)栽培亟待解決的重要內(nèi)容, 是國(guó)內(nèi)外同行研究的前沿?zé)狳c(diǎn)。本文對(duì)茶樹(shù)連作障礙的形成機(jī)制以及調(diào)控措施進(jìn)行綜述, 以期為解決茶樹(shù)連作障礙問(wèn)題提供一些科學(xué)依據(jù)。

1 茶樹(shù)連作障礙問(wèn)題

連作障礙(Continuous cropping obstacles), 又稱(chēng)忌地現(xiàn)象(Soil sickness)、再植病害(Replant disease)或再植問(wèn)題(Replant problem), 是指同種作物或者同科近緣作物在同一地塊連續(xù)栽培, 即使栽培管理正常, 也會(huì)表現(xiàn)出作物生長(zhǎng)發(fā)育受阻、產(chǎn)量品質(zhì)下降、病害加重的現(xiàn)象[3–4]。茶樹(shù)連作障礙問(wèn)題主要表現(xiàn)為三個(gè)方面[5–6], 首先是盛產(chǎn)期后茶樹(shù)茶葉產(chǎn)量表現(xiàn)出逐年下降趨勢(shì); 其次是茶籽在茶園土壤中不能正常萌發(fā)成苗; 第三是在老茶園中改植換種茶苗時(shí), 茶苗的成活率低、幼苗生長(zhǎng)衰弱, 根系發(fā)育不良、容易腐爛, 植株矮化, 節(jié)間縮短, 葉片失綠, 葉面積縮小, 抽條困難等。鳥(niǎo)王茶在貴州省有大規(guī)模的種植, 通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn), 隨著種植年限增加, 鳥(niǎo)王茶百芽重、發(fā)芽密度、產(chǎn)量均呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì), 6—10年茶樹(shù)產(chǎn)量最高, 11—15年茶樹(shù)產(chǎn)量比6—10年茶樹(shù)降低了69.1%[7]。鐵觀音茶樹(shù)幼苗在正常的培育、修剪、采摘控制下, 經(jīng)3—4年后營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)均進(jìn)入旺盛期, 茶葉品質(zhì)和產(chǎn)量迅速提高, 茶樹(shù)開(kāi)始進(jìn)入定型階段。在采養(yǎng)合理、肥培管理正常的情況下, 青壯年期可持續(xù)到20—30年, 甚至更長(zhǎng), 然后進(jìn)入衰老期。李艷春調(diào)查發(fā)現(xiàn)[8], 20年鐵觀音茶樹(shù)的光合速率、茶芽密度和茶產(chǎn)量較10年茶樹(shù)分別降低了13.3%、24.6%和54.6%; 茶青的氨基酸、咖啡堿、茶多酚和兒茶素含量也比10年茶樹(shù)的顯著降低。在生產(chǎn)實(shí)踐中, 福建省安溪縣的茶農(nóng)通常對(duì)20年茶齡左右的鐵觀音茶園采取推倒重建(即將茶樹(shù)挖掉、舊土翻下、新土翻上)的方式進(jìn)行改造, 解決連作障礙給生產(chǎn)上帶來(lái)的問(wèn)題。茶園的再植更新周期長(zhǎng), 嚴(yán)重制約了茶葉的可持續(xù)生產(chǎn), 茶樹(shù)連作障礙已成為我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一個(gè)急待解決的難題。

2 茶樹(shù)連作障礙形成機(jī)制

作物連作障礙被認(rèn)為是植物有機(jī)體與土壤內(nèi)含物諸多因素綜合作用結(jié)果的外觀表現(xiàn), 其產(chǎn)生的原因十分復(fù)雜。目前普遍認(rèn)為導(dǎo)致連作障礙的原因主要有以下三個(gè)方面[3, 9–10]: (1)土壤理化性質(zhì)改變; (2)植物活體通過(guò)淋溶、殘?bào)w分解、根系分泌等方式向土壤釋放自毒物質(zhì)而產(chǎn)生自毒作用; (3)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)失衡, 病原微生物數(shù)量增加, 病蟲(chóng)害嚴(yán)重(表1)。

2.1 土壤理化性質(zhì)改變

2.1.1 土壤養(yǎng)分失衡

作物生長(zhǎng)所必需的各種營(yíng)養(yǎng)元素之間存在一定比例, 在同一塊土地上多年連續(xù)栽培同一種作物時(shí), 由于作物對(duì)某一同種營(yíng)養(yǎng)元素的特異性吸收過(guò)多, 而對(duì)另外一些營(yíng)養(yǎng)元素吸收過(guò)少或不吸收, 而施肥管理又未能按作物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的需求進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)充, 就會(huì)導(dǎo)致一種或幾種營(yíng)養(yǎng)元素的超量或虧缺, 引起作物的生理障礙, 導(dǎo)致連作障礙發(fā)生[11]。茶樹(shù)是多年生葉用經(jīng)濟(jì)作物, 為追求茶葉產(chǎn)量, 農(nóng)民普遍增施大量氮肥, 不施或少施磷肥、鉀肥, 導(dǎo)致大量茶園土地缺乏有效磷、有效鉀的狀況日趨嚴(yán)峻, 極易造成土壤中氮、磷、鉀3種元素比例嚴(yán)重失調(diào)。王晟強(qiáng)等[12]發(fā)現(xiàn), 長(zhǎng)期種植老川茶后土壤團(tuán)聚體全氮、堿解氮、全磷和有效磷含量增加, 速效鉀含量卻逐年降低。有研究發(fā)現(xiàn)[13–14], 長(zhǎng)期種植茶樹(shù)導(dǎo)致土壤養(yǎng)分的累積(即所謂的營(yíng)養(yǎng)封存), 相反地, 也有研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期栽培茶樹(shù)導(dǎo)致茶園土壤養(yǎng)分匱乏[15]。因此, 有關(guān)土壤養(yǎng)分失衡與茶樹(shù)連作障礙的關(guān)系尚不明確。

2.1.2 土壤酸化

茶樹(shù)為喜酸作物, 最適宜茶樹(shù)生長(zhǎng)的土壤pH為5.0—6.0, pH低于4.5時(shí)茶樹(shù)生長(zhǎng)受到抑制, 產(chǎn)量和品質(zhì)受到影響。我國(guó)不同地區(qū)茶園都表現(xiàn)出土壤酸化加重, 適宜茶樹(shù)生長(zhǎng)的茶園比例不斷減少。對(duì)福建省107個(gè)典型茶園土壤的調(diào)查發(fā)現(xiàn), 土壤pH < 4.5的茶園占86.9%, 而其中pH < 4.0的嚴(yán)重酸化茶園占28%, pH在4.50—5.50之間符合高效生產(chǎn)條件的茶園占10.3%, pH > 5.5的占2.8%[16]。對(duì)江西省203個(gè)代表性茶園調(diào)查發(fā)現(xiàn), 茶園土壤pH整體較酸, pH低于4.5的強(qiáng)酸性茶園占到43%[17]。2008—2010年間江蘇省21個(gè)典型茶園土壤pH低于茶樹(shù)生長(zhǎng)適宜范圍下限pH 4.5的茶園占81.9%, 其中pH低于4.0茶園比例達(dá)42.8%[18]。對(duì)湖南省10個(gè)丘崗茶園土壤的調(diào)查分析發(fā)現(xiàn): 10個(gè)茶園土壤平均pH值低于4.0, 其中3個(gè)茶園的土壤pH值低于4.5, 土壤酸化十分嚴(yán)重[19]。研究發(fā)現(xiàn), 隨著種植年限增加, 茶園土壤pH值下降, 可溶性鋁含量增加, 當(dāng)可溶性鋁達(dá)到一定濃度時(shí), 可能直接對(duì)茶樹(shù)產(chǎn)生毒害, 包括抑制茶樹(shù)根系的生長(zhǎng), 也可能通過(guò)抑制植物對(duì)養(yǎng)分(如鉀、鎂等)的吸收, 影響茶樹(shù)的產(chǎn)量和品質(zhì)[20]。另外, 土壤酸化還會(huì)對(duì)土壤酶活性及土壤微生物種群變化產(chǎn)生影響, 從而直接或間接影響作物的生長(zhǎng)[21–22]。

2.2 自毒作用

自毒作用是化感作用的一種特殊作用方式, 指植株通過(guò)揮發(fā)、雨水淋溶、植株殘?bào)w分解以及根系分泌等途徑向周?chē)h(huán)境釋放化感物質(zhì), 這些化感物質(zhì)可對(duì)其自身產(chǎn)生毒害作用, 被認(rèn)為是連作障礙發(fā)生的重要因素之一[23]。曹潘榮和駱世明[5]認(rèn)為, 茶園土壤中能積累茶樹(shù)自毒物質(zhì), 并在一定程度上對(duì)茶樹(shù)起毒害作用, 還指出多酚類(lèi)和咖啡堿是茶樹(shù)自毒作用的主要物質(zhì)。王海斌等[24]研究發(fā)現(xiàn), 隨著種植年限增加, 黃金桂茶樹(shù)根部土壤的自毒潛力呈上升趨勢(shì)。Ye等[25]研究發(fā)現(xiàn), 宿根連作9年以上的茶樹(shù)(包括鐵觀音、黃金桂、本山)的根際土壤有較強(qiáng)的自毒作用, 是引起茶樹(shù)產(chǎn)量和品質(zhì)下降的重要原因。Arafat等[26]在鐵觀音茶樹(shù)根系分泌物中鑒定到原兒茶酸、表沒(méi)食子兒茶素、表沒(méi)食子兒茶素沒(méi)食子酸酯、表兒茶素、(+)-兒茶素、表兒茶素沒(méi)食子酸酯、花旗松素等七種物質(zhì), 并認(rèn)為(+)-兒茶素對(duì)宿根連作茶樹(shù)根際細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化的影響較大。有學(xué)者認(rèn)為[27], 植物根系分泌的自毒物質(zhì)進(jìn)入土壤后勢(shì)必發(fā)生一系列的物理、化學(xué)及生物學(xué)變化過(guò)程, 如土壤吸附、微生物分解、轉(zhuǎn)化、加工等, 即自毒物質(zhì)并不是在前、后茬作物間直接發(fā)揮毒害作用, 化感自毒物質(zhì)只是一個(gè)誘因, 根系分泌物更多地是通過(guò)改變根際微生態(tài)平衡來(lái)間接影響植物地下部和地上部的生長(zhǎng)發(fā)育。因此, 一些學(xué)者認(rèn)為根系分泌物的間接生態(tài)效應(yīng)及其引起的土壤微生態(tài)結(jié)構(gòu)失衡是導(dǎo)致形成植物連作障礙的主要因素[28]。

2.3 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)失衡, 病原微生物增加

目前, 大多數(shù)的學(xué)者認(rèn)為土壤微生物區(qū)系的惡化以及微生物種群的失衡, 即土壤中一些有益微生物數(shù)量減少, 而有害微生物增多成為優(yōu)勢(shì)菌群, 是產(chǎn)生連作障礙的重要因素。許多作物如辣椒、草莓、花生、黃瓜、茄子等連作后, 細(xì)菌和放線菌在根際土壤中的數(shù)量下降, 相反地, 真菌在根際土壤中的數(shù)量顯著増加, 根際土壤微生物區(qū)系發(fā)生了從“細(xì)菌型”向“真菌型”的變化, 一些病原菌增加, 導(dǎo)致作物發(fā)生了嚴(yán)重的病害[29–33]。隨著連作年限增加, 茶樹(shù)根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生大幅度變化, 如土壤微生物量減少、群落多樣性降低、代謝能力低或者說(shuō)是更適合貧瘠條件的微生物菌群增多, 根際土壤環(huán)境質(zhì)量出現(xiàn)整體下降趨勢(shì)[34]。李艷春等[8, 35–36]研究發(fā)現(xiàn), 隨著種植年限增加, 鐵觀音茶樹(shù)根際土壤微生物種群的豐富性指數(shù)、均勻度指數(shù)、香農(nóng)多樣性指數(shù)都明顯降低, 一些對(duì)植物生長(zhǎng)有益的細(xì)菌屬(如假單胞菌、產(chǎn)黃桿菌、慢生根瘤菌、分枝桿菌、鞘氨醇單胞菌)急劇減少, 而某些病原真菌數(shù)量(如鏈格孢菌)卻不斷增多。對(duì)連作茶樹(shù)根際固氮菌的研究發(fā)現(xiàn): 青壯年茶樹(shù)根際的固氮菌種類(lèi)和數(shù)量豐富, 群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜穩(wěn)定、均勻、優(yōu)勢(shì)度不明顯, 而衰老茶樹(shù)根際的固氮菌種類(lèi)和數(shù)量相對(duì)較少, 群落結(jié)構(gòu)也變得單一、離散、優(yōu)勢(shì)度明顯[37]。此外, 一些學(xué)者對(duì)茶樹(shù)根際微生物種群間的拮抗關(guān)系也進(jìn)行了研究。通過(guò)同皿對(duì)峙培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)木霉菌對(duì)茶紫紋羽病毒和茶白絹病菌具有抑制作用[38]。但目前對(duì)連作茶樹(shù)根際微生物的研究還停留在現(xiàn)象描述上, 是哪些關(guān)鍵的特異微生物在茶樹(shù)連作障礙形成的根際生物學(xué)過(guò)程中扮演重要角色尚不清楚。

2.4 根際微生態(tài)與連作障礙

根際微生態(tài)系統(tǒng)是以植物為主體, 根際為核心, 植物—土壤—微生物及其環(huán)境條件相互作用過(guò)程為主要內(nèi)容的生態(tài)系統(tǒng)[39]。在根際微生態(tài)系統(tǒng)中, 植物、土壤、微生物及其環(huán)境因子之間通過(guò)能流、物流和信息流的相互作用、相互制約而形成了一個(gè)具有高度組織性的復(fù)雜整體。作物連作后, 一方面可導(dǎo)致土壤中某些養(yǎng)分的缺乏, 進(jìn)而影響作物生長(zhǎng)發(fā)育; 另一方面作物根系不斷地向土壤中分泌根系分泌物, 會(huì)對(duì)作物根系造成逆境脅迫、自毒作用, 導(dǎo)致作物生長(zhǎng)發(fā)育受阻。土壤養(yǎng)分缺乏、根系分泌物累積等根際土壤微環(huán)境變化, 會(huì)造成根際土壤微生物的選擇性適應(yīng), 使得某些特定微生物類(lèi)群得到富集, 最終改變土壤中微生物種群的平衡。如寄主植物番茄根分泌物中的多種有機(jī)酸和氨基酸對(duì)青枯病菌()具有化學(xué)誘導(dǎo)作用(趨化作用)[40]。黃瓜植株根系分泌物的化感自毒物質(zhì)肉桂酸抑制根系生長(zhǎng), 增加黃瓜枯萎病()的發(fā)病率[41]。營(yíng)養(yǎng)條件的改變, 如缺磷, 菜豆根系合成的類(lèi)黃酮類(lèi)和酚酸類(lèi)等刺激微生物的信號(hào)物質(zhì)有的增加而有的減少, 通過(guò)信號(hào)物質(zhì)定向調(diào)控不同根際微生物群落動(dòng)態(tài)[42]。反過(guò)來(lái), 根際微生物也能影響根系分泌物的組分和數(shù)量。如立枯絲核菌()感染黃瓜后, 黃瓜根中茉莉酸和水楊酸的含量顯著增加, 誘導(dǎo)植株對(duì)病原菌做出防御性反應(yīng)[40]。可見(jiàn), 導(dǎo)致連作障礙發(fā)生的因素不是單一或孤立的, 而是相互關(guān)聯(lián)又相互影響的, 是植物—土壤—微生物系統(tǒng)內(nèi)多種脅迫因子綜合作用的結(jié)果。這種觀點(diǎn)也是2011年第六屆世界化感作用大會(huì)與第三屆國(guó)際根際會(huì)議的主流思想[43–44]。因此, 對(duì)連作障礙機(jī)理的研究必須建立在根際微生態(tài)系統(tǒng)功能的水平上, 若僅從植物自身、土壤微生物和根系分泌物等的某個(gè)方面進(jìn)行研究, 很難反映出導(dǎo)致連作障礙的成因。目前, 對(duì)茶樹(shù)連作障礙的研究已取得一些成果, 但缺乏系統(tǒng)研究。茶樹(shù)根系分泌物如何介導(dǎo)根際微生物區(qū)系定向演變、哪些根系分泌物起主導(dǎo)作用以及關(guān)鍵的特異微生物如何在連作障礙形成的根際生態(tài)學(xué)過(guò)程中扮演重要角色尚不清楚, 這些都是亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

3 茶樹(shù)連作障礙防控措施

目前, 針對(duì)茶園普遍存在的土壤酸化、肥力退化、土壤生物退化等問(wèn)題, 采取的改良措施主要有以下幾個(gè)方面(表2):

3.1 化學(xué)改良

石灰或者石灰石粉是最傳統(tǒng)、最常用的酸性土壤改良材料, 但施用石灰對(duì)于提高茶樹(shù)產(chǎn)量和品質(zhì)的作用不明顯, 并且容易引起土壤復(fù)酸化, 還可能導(dǎo)致土壤板結(jié)。在長(zhǎng)期施用銨態(tài)氮的茶園中使用白云石粉有較好效果, 不僅可提高土壤pH, 而且也明顯提升了茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)[45]。白云石粉的施用量依據(jù)酸化程度確定, 在秋冬季與基肥混合施用, 每年或隔二三年施用一次。研究發(fā)現(xiàn), 0.75 g·kg–1石灰石 + 2.5 g·kg–1生物炭 + 0.25 g·kg–1過(guò)磷酸鈣配制的改良劑將茶園土壤pH提升到5.49, 對(duì)土壤養(yǎng)分的提升作用較大, 茶葉品質(zhì)品質(zhì)明顯提升, 改良效果較好[46]。此外, 一些成分類(lèi)似于石灰和石膏的工業(yè)廢棄物, 如粉煤灰、赤泥、堿渣等。研究發(fā)現(xiàn)[47], 堿渣施用量為4500 kg·hm–2時(shí), 可將土壤pH從4.54調(diào)節(jié)至5.51, 達(dá)到最適合茶樹(shù)生長(zhǎng)的酸度條件, 并且提高了茶葉中茶多酚、咖啡堿、兒茶素、氨基酸和葉綠素含量, 降低了茶葉中鉛含量, 使茶葉品質(zhì)得到改善。

表1 茶樹(shù)連作障礙發(fā)生的可能機(jī)制

3.2 增施有機(jī)肥

與傳統(tǒng)管理茶園相比, 分別施用商品有機(jī)肥、菜籽餅、堆肥等純有機(jī)肥的茶園土壤pH、有機(jī)碳和全氮含量均有增加, 微生物生物量碳也顯著增加; 并且施用時(shí)間越長(zhǎng), 有機(jī)碳和微生物生物量碳也越高; 但無(wú)機(jī)氮、有效磷、速效鉀含量卻有所降低, 因此為保證有機(jī)茶園的長(zhǎng)期可持續(xù)生產(chǎn), 需要更多的富含氮的有機(jī)肥料以及天然磷肥和鉀肥[48]。蔣宇航等[49]研究發(fā)現(xiàn), 施用豆科綠肥14.3 t·hm–2和羊糞15 t·hm–2均能提高鐵觀音茶樹(shù)根際土壤pH值、有機(jī)質(zhì)和全氮含量、酶活性、微生物群落豐度和菌群多樣性。徐華勤等[50]發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥施用(餅肥+磷鉀肥+稻草覆蓋)能增加茶園土壤微生物量碳10.84%, 增加微生物量氮17.77%, 顯著提高茶園土壤嫌氣性自生固氮菌和氨化細(xì)菌的數(shù)量?？梢?jiàn), 針對(duì)酸化、貧瘠的紅壤, 有機(jī)肥比石灰等化學(xué)改良劑更具優(yōu)勢(shì)。

3.3 生物質(zhì)材料

作物秸稈一般呈中性或者偏堿性, 因富含各種營(yíng)養(yǎng)元素如氮、鉀、碳、鈣、鎂等以及灰分元素而被作為改良酸性土壤的生物質(zhì)材料, 但其缺點(diǎn)在于施入土壤后極易被微生物分解。而由農(nóng)作物秸稈在厭氧條件下低溫?zé)峤猱a(chǎn)生的生物質(zhì)炭比較穩(wěn)定, 不易被微生物分解, 可以克服直接使用秸稈存在的不足。生物質(zhì)炭改良土壤的優(yōu)點(diǎn)在于[51]: (1)具有較高的pH, 可以中和土壤酸度, 降低鋁對(duì)作物的毒害作用; (2)本身富含營(yíng)養(yǎng)元素, 可以提高土壤有效養(yǎng)分的含量; (3)具有較大的表面積和高度的孔隙結(jié)構(gòu)可以提高對(duì)養(yǎng)分的保持能力; (4)生物質(zhì)炭的多孔結(jié)構(gòu)為微生物提供了活動(dòng)場(chǎng)所, 有利于微生物群落的發(fā)展。吳志丹等[52]研究發(fā)現(xiàn), 在茶園中施用小麥秸稈燒制的生物質(zhì)炭8、16、32、64 t·hm–2, 均可不同程度地提高土壤pH值, 降低交換性酸含量, 提高土壤陽(yáng)離子交換量和鹽基飽和度, 但對(duì)茶葉產(chǎn)量影響不明顯。李茴[53]研究發(fā)現(xiàn), 施用生物質(zhì)炭能顯著提高茶園土壤pH值; 與純施肥實(shí)驗(yàn)組相比, 施用10 t·hm–2的生物質(zhì)炭同時(shí)分別配施200、225、250 kg N·hm–2時(shí), 均能不同程度地提高土壤CEC、有機(jī)質(zhì)、全氮以及速效磷含量, 并提高茶鮮葉產(chǎn)量。李艷春等[54]研究發(fā)現(xiàn), 常規(guī)施肥基礎(chǔ)上再施用40 t·hm–2生物質(zhì)炭不僅可改善茶園土壤酸化狀況和土壤肥力, 而且能增加土壤微生物的代謝活性和微生物量、提高多樣性指數(shù)、改善微生物群落結(jié)構(gòu), 對(duì)宿根連作鐵觀音茶樹(shù)的生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用。目前, 生物質(zhì)炭對(duì)退化土壤的改良還停留在試驗(yàn)階段, 其改良機(jī)理還不完全清楚, 生物質(zhì)炭大規(guī)模農(nóng)用的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)還有待評(píng)價(jià)。

3.4 生物菌肥

通過(guò)調(diào)控茶樹(shù)根際微生物的組成和群落結(jié)構(gòu), 維持微生物群落多樣性, 也是防治茶樹(shù)連作障礙的一條重要途徑。生物菌肥是一種含活體微生物的活體制品, 施用生物菌肥可以增加植物營(yíng)養(yǎng)元素的供應(yīng)量, 產(chǎn)生植物生長(zhǎng)激素或者抑制有害微生物, 從而達(dá)到增產(chǎn)目的。茶樹(shù)生物菌肥是一種在合理配比的有機(jī)物中植入有益微生物(如木霉、固氮菌、磷細(xì)菌、鉀細(xì)菌等)制備而成的一種新型肥料。印度“Reginisms”生物肥開(kāi)發(fā)中心開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的“P · S · M”等系列茶樹(shù)生物菌肥, 已經(jīng)在印度茶園被廣泛施用, 并取得良好的施用效果。我國(guó)生產(chǎn)的“百禾福(Biofert)”和“宜耕”茶樹(shù)生物菌肥在茶園的施用效果也比較明顯[55]。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn), 與滅活基質(zhì)處理相比, 施用生物菌肥(磷細(xì)菌+鉀細(xì)菌)能分別增加茶園土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、水解氮、速效磷、速效鉀5.2%、13.4%、11.9%、35.4%、11.6%、38.2%。茶葉產(chǎn)量增加23.9%[56]。但目前有關(guān)茶樹(shù)生物菌肥的產(chǎn)品很有限, 并且還存在產(chǎn)品的有效成分比較低, 微生物種類(lèi)不穩(wěn)定, 品種容易退化等問(wèn)題。另外, 茶樹(shù)生物菌肥產(chǎn)品目前還處在肥效試驗(yàn)上, 離田間實(shí)際應(yīng)用還有較大差距。

表2 茶園土壤改良措施及其效果概況

注: CEC、SOM、TN、TP、TK、AN、AP、AK分別表示陽(yáng)離子交換量、土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀。

3.5 茶園多樣性栽培

復(fù)合茶園生態(tài)系統(tǒng)的建立如林茶復(fù)合、果茶復(fù)合等間套作模式, 可以克服單作茶園的弊端, 改善茶園小氣候, 增加茶園生態(tài)系統(tǒng)物種多樣性, 提高肥料利用率, 實(shí)現(xiàn)保護(hù)土壤、增加產(chǎn)量和提高品質(zhì)的目的。研究發(fā)現(xiàn), 茶柿間作可防止茶園土壤進(jìn)一步酸化, 增加土壤有效養(yǎng)分, 抑制茶樹(shù)根系有機(jī)酸分泌[57]。茶樹(shù)和白三葉草間作能形成茶樹(shù)—伴生生物群落系統(tǒng)的立體環(huán)境, 可通過(guò)自我調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)茶園的生態(tài)平衡, 促進(jìn)茶樹(shù)生長(zhǎng), 增加茶葉產(chǎn)量, 改善茶葉品質(zhì)[58]; 茶園間作大豆或者花生能有效提高茶葉的生物成分含量(包括茶多酚、氨基酸、咖啡堿及水浸出物等), 改善茶葉品質(zhì)[59]?？梢?jiàn), 茶園多樣性栽培能提高茶園生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。但目前茶園多樣性栽培模式并未得到大面積推廣, 需要不斷從理論和實(shí)踐方面逐步完善和提高。

4 展望

茶樹(shù)連作障礙的產(chǎn)生是根際微生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)各種因素相互作用、相互影響的結(jié)果。目前大多數(shù)研究只從化感自毒作用、根際微生物等某一方面進(jìn)行現(xiàn)象描述, 缺乏對(duì)根際微生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)不同因子間相互作用的系統(tǒng)研究。因此, 闡明各障礙因子之間的關(guān)系以及各因子對(duì)連作障礙的貢獻(xiàn), 是揭示茶樹(shù)連作障礙機(jī)理的重要內(nèi)容。

茶樹(shù)連作障礙影響因素多, 形成機(jī)理復(fù)雜, 緩解連作障礙的技術(shù)需進(jìn)一步建立和完善。一方面, 以導(dǎo)致連作障礙的病原微生物為靶標(biāo)進(jìn)行目的菌株的篩選并研發(fā)微生物菌劑, 將其應(yīng)用于改善連作障礙。另一方面, 可以利用生物之間的化感作用原理生產(chǎn)各種生物調(diào)控劑、土壤改良劑等進(jìn)行多種方法綜合防治。此外, 通過(guò)采用轉(zhuǎn)基因技術(shù), 改變根際自生細(xì)菌, 以達(dá)到改變土壤微生物結(jié)構(gòu)、消除連作造成的微生物結(jié)構(gòu)的破壞的目的。這些都將是未來(lái)茶樹(shù)連作障礙防控的有效手段。

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Research advances in mechanisms and preventions of continuous cropping obstacles of tea plants

LI Yanchun1,2,3, CHEN Zhipeng4, Lin Weiwei2, Li zhaowei2, LIN Wenxiong2,*

1. Agricultural Ecology Institute, Fujian Academy of Agricultural Sciences, Fuzhou 350013, China 2. Fujian Provincial Key Laboratory of Agroecological Processing and Safety Monitoring, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China 3. Fujian Engineering and Technology Research Center for Recycling Agriculture in Hilly Areas, Fuzhou 350013, China 4. Laogu Tea Professional Cooperative in Huaichuan village, Gande town, Anxi 362400, China

Long-term continuous ratooning of tea plants can lead to substantial yield and quality declines and soil degradation, which has become a major problem in the sustainable production of tea orchards. To maintain the high yield and quality of tea plants, the illumination on the formation mechanism of continuous cropping obstacles and its prevention measures become an urgent scientific problem. This paper summarizes the possible mechanism that causes the continuous cropping obstacle of tea plants, including soil nutrient imbalance, soil acidity, autotoxicity effects, microbial deterioration and rhizospheric microecology. In addition, this review summarizes the current prevention measures, such as chemical remediation, the application of organic fertilizers, biomass materials, and biological bacterial fertilizers, and diversification cultivation. Moreover, future prospects on the mechanism study and further prevention technology of continuous cropping obstacles of tea plants are put forward. This paper probably provides a scientific basis for solving the problem of continuous cropping obstacle of tea plants.

tea plants; continuous cropping obstacles; soil microbes; autotoxic substances; soil acidity

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.05.030

S181

A

1008-8873(2019)05-225-08

2018-06-27;

2018-08-14

福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2019J01100); 福建省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2017R1016-2)

李艷春(1980—), 女, 山西忻州人, 博士, 助理研究員, 主要從事生態(tài)農(nóng)業(yè)研究, E-mail: lyc7758@163.com

林文雄, 男, 博士, 教授, 主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)研究, E-mail: wenxiong181@163.com

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