果樹連作障礙形成機制及解決措施*

張藝燦，劉鳳之，王海波

（中國農(nóng)業(yè)科學院果樹研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部園藝作物種質(zhì)資源利用重點實驗室，遼寧省落葉果樹礦質(zhì)營養(yǎng)與肥料高效利用重點實驗室，遼寧興城 125100）

連作障礙也稱重茬、再植障礙，即在同一地塊上連續(xù)種植2 茬及以上同種作物時，植株出現(xiàn)生長緩慢，產(chǎn)量下降，甚至死亡的現(xiàn)象。目前，連作障礙在西瓜、芋頭等蔬菜[1-2]，太子參、人參、地黃等藥用植物[3-5]，煙草、甜菜等經(jīng)濟作物[6-7]，桃、甜櫻桃、李、杏、蘋果、棗等果樹上已有研究報道[8-11]。連作會使蘋果節(jié)間變短、根尖壞死，生長受到顯著抑制[12]。此外，連作還會降低果實的產(chǎn)量和品質(zhì)，影響經(jīng)濟生產(chǎn)。輪作及適當?shù)男莞捎行Ь徑膺B作障礙，但土地利用率及經(jīng)濟產(chǎn)出顯著降低，故尋找連作障礙的形成機制是解決問題的關鍵。本文在前人研究的基礎上，歸納了誘導連作障礙產(chǎn)生的因素，并提出了緩解措施，旨在為后續(xù)的生產(chǎn)研究提供依據(jù)。

1 連作障礙的影響因素

1.1 土壤理化性質(zhì)對連作障礙的影響

土壤是植株礦質(zhì)營養(yǎng)的重要來源。由于植株存在營養(yǎng)吸收偏好，在長期種植同一種作物的地塊可能出現(xiàn)營養(yǎng)元素失衡現(xiàn)象，進而引發(fā)連作障礙。Li等[13]在草莓上研究發(fā)現(xiàn)，與未連作的土壤相比，連作土壤中NH4+-N、總氮、有效磷及有效鉀的含量均顯著降低。Sim 等[14]對32 個連作障礙程度不同的蘋果園進行了土壤取樣，發(fā)現(xiàn)連作的發(fā)生與氮以及微量元素錳和鈷的含量呈顯著負相關。但Wang 等[8]在對蘋果進行研究時，提出了不同觀點：連作障礙與土壤中營養(yǎng)含量并無直接的相關性。Xia 等[15]對種植冷杉的連作土與非連作土進行了營養(yǎng)元素分析，結果顯示，除總磷含量顯著下降外，其他指標并無顯著差異，故其認為，土壤營養(yǎng)水平對連作障礙的影響有限。除礦質(zhì)營養(yǎng)外，土壤的其他特性也顯著影響著連作障礙的發(fā)生。Mahnkopp 等[16]在蘋果上的研究發(fā)現(xiàn)，連作障礙發(fā)生程度與土壤黏度呈顯著負相關。此外，土壤pH 值也會隨著連作年限的增加而逐漸降低[17]。酸化土壤會抑制根系生長以及氮、磷、鉀、鈣等營養(yǎng)元素的吸收，進一步加重對植株的傷害[18]。改善土壤理化性質(zhì)或是抑制連作障礙產(chǎn)生的第一步。

1.2 根系分泌物對連作障礙的影響

根系分泌物是植株-土壤-微生物交流的重要媒介，其主要成分包括酚酸、有機酸、糖、萜類物質(zhì)、酶、黃酮類及蛋白質(zhì)等物質(zhì)[3]。目前，有研究認為根系分泌物中的許多成分具有自毒作用，如苯甲酸，在果園翻新時，遺留的根系及細枝中的生氰糖苷可大量水解生成苯甲酸[19-20]。此外，細菌及真菌侵染、線蟲危害以及根系損傷也會誘發(fā)生氰糖苷的水解[21]。當桃根系暴露在40 mg/kg 的苯甲酸中時，其地上部以及地下部的生長均會受到明顯抑制[22]。此抑制效應業(yè)已在西紅柿、大豆、芥菜和小麥上證實[23-26]。高濃度的苯甲酸會使根系細胞膜上的巰基被氧化，擾亂細胞膜功能，最終破壞細胞結構以及根系組織[26]。將自毒物質(zhì)根皮苷、根皮素以及苯甲酸分別施用到蘋果上，發(fā)現(xiàn)蘋果根系中防御相關蛋白及活性氧清除蛋白均上調(diào)表達，說明這些物質(zhì)可誘發(fā)脅迫傷害[27]。除苯甲酸外，鄰苯二甲酸二異丁酯、棕櫚酸、肉桂酸、歐前胡素、香草醛、阿魏酸、對羥基苯甲酸等物質(zhì)也被證實具有自毒效應[28-30]。然而，自毒物質(zhì)對植株的影響與其濃度密切相關[31]。低濃度的自毒物質(zhì)可顯著促進植株生長，增強光合作用；而在高濃度條件下，植株生長抑制明顯[32]。故自毒物質(zhì)大量產(chǎn)生或土壤清理能力減弱應是連作障礙產(chǎn)生的關鍵。

1.3 根際微生物對連作障礙的影響

除土壤環(huán)境以及自毒物質(zhì)等非生物因素外，近年來，生物因素對連作的影響受到很大關注。將種植蘋果的土壤經(jīng)過熏蒸、巴氏消毒或伽馬射線處理，再植植株的生長勢顯著增強[33-35]。連作香蕉園經(jīng)過石灰聯(lián)合碳酸氫銨熏蒸后，植株生長勢顯著增強[36]。這表明土壤中的生物成分或顯著地影響著連作效應。單一的栽培模式會造成微生物多樣性降低，且連作會進一步誘導土壤微生物區(qū)系由細菌型向真菌型轉化[37-38]。在連續(xù)3 年種植西瓜的地塊上發(fā)現(xiàn)，細菌群落多樣性逐漸下降而真菌群落多樣性增強[1]。對連作多年的草莓根際真菌進行高通量測序，發(fā)現(xiàn)土壤真菌多樣性增加，尤其是土傳病原真菌[39]。在連作條件下，鐮刀菌的數(shù)量可增長至對照的5 倍[40]。而有益微生物如假單胞菌、伯克霍爾德菌、芽孢桿菌以及具有生防作用的木霉屬與黏帚霉屬真菌豐度顯著下降[41-42]。這一效應隨著連作年限的延長會變得更加明顯。故連作障礙或是由環(huán)境變化引起的微生物群落失衡而進一步導致病害集中暴發(fā)[43-44]。了解各環(huán)境因素與微生物群落的相互影響是尋找連作障礙解決方案的關鍵。

1.3.1土壤理化性質(zhì)與根際微生物間的相互影響

土壤是根際微生物生存的載體，其理化性質(zhì)對微生物的影響巨大。Kelderer 等[45]對5 個連作年限相同的蘋果園進行了微生物群落分析后發(fā)現(xiàn)，不同果園間真菌及細菌群落顯著不同。這表明根系的生物組分可能與農(nóng)事操作及土壤特點有關。Schreiter等[46]研究3 種不同類型土壤發(fā)現(xiàn)，土壤微生物群落受到土壤理化性質(zhì)如pH 值、礦質(zhì)元素以及碳、氮等元素含量的影響。土壤質(zhì)地如沙粒含量及碳氮比不同均會誘導微生物活性群落發(fā)生變化[47]。其中，研究最多的為土壤pH 值對根際微生物的影響。連作土壤pH 值逐年降低，而低pH 值可激活真菌休眠孢子，有力促進真菌的生長，抑制細菌以及放線菌的繁殖[48]。在低pH 值的誘導下，鐮刀菌會分泌更多的毒性物質(zhì)脫氧萎鐮菌醇，加重連作對植株的影響[49]。而土壤pH 值降低的誘因或為根際微生物失衡。Mahnkopp 等[16]對同一地塊上種草與種蘋果區(qū)域進行了取樣分析，結果發(fā)現(xiàn)，二者pH 值無顯著差異，故蘋果連作并不是導致pH 值降低的誘因。而Fazio 等[50]研究表明，pH 值變化可能與土壤營養(yǎng)循環(huán)有關，而營養(yǎng)循環(huán)的主要參與者即為根際微生物。例如，假單胞菌在降解有機磷過程中發(fā)揮著重要作用[51]；芽孢桿菌以及類芽孢桿菌參與了礦化的早期過程以及碳的循環(huán)[52]。當連作引發(fā)微生物群落失衡后，土壤健康遭到破壞，土壤理化環(huán)境發(fā)生改變而導致病原菌的大量繁殖，從而加強連作效應。

1.3.2根系分泌物與微生物間的相互影響

根系分泌物是根際微生物重要的物質(zhì)和能量來源，在群落結構及組成中具有十分重要的作用。不同植物及同一植物不同品種的根系分泌物組成均顯著不同?；诖耍参锔H周邊會吸引不同的微生物定殖，根際微生物也被稱為植株的“第二基因組”[53]。根系分泌物的某些特定物質(zhì)可以吸收或擊退某些微生物，從而影響群落組成[54]，且此效應的敏感度顯著高于根系分泌物對根系生長的抑制效應[55]。例如，玉米根系釋放出的苯并惡唑嗪酮會吸引假單胞菌的定殖而抑制疫霉屬真菌的生長[56]，而蘋果根系分泌的根皮苷等典型酮類物質(zhì)，在病原菌與蘋果間的相互識別中發(fā)揮著重要作用。當用碳化硅量子熒光標記材料標記鐮刀菌時發(fā)現(xiàn)，根皮苷可顯著促進鐮刀菌的生長以及孢子萌發(fā)[31]。在太子參上的研究發(fā)現(xiàn)，根系分泌物中的酚酸和有機酸均會顯著改變微生物的群落組成，誘導病原真菌向土壤中釋放H+，并激活細胞膜上H+-ATP 酶的活性，從而創(chuàng)造一個不利于有益細菌生長的酸性土壤環(huán)境[3]。同時，棲息在土壤中的真菌可不斷地進化并趨向于適應寄主植株的新陳代謝活動，在不變的土壤環(huán)境中，進化的病原菌會不斷地增加接種數(shù)量，加強侵略性[57]。

有益微生物可有效降解自毒物質(zhì)。假單胞菌可有效降解酚酸類物質(zhì)，且低濃度的Fe、Cu、Pb、Zn 以及Mn 可刺激并進一步增強其降解速率[58]。伯克霍爾德菌屬以及不動桿菌屬可將苯甲酸降解成黏糠酸以減少對植株的傷害[59]，而這一過程主要是通過鄰苯二酚1,2-雙加氧酶的同功酶實現(xiàn)。在pH值為7 的環(huán)境下，該酶具有較高活性[60]。除降解自毒物質(zhì)外，根際有益微生物還可通過合成拮抗物質(zhì)來抵抗病原真菌，如假單胞菌的次生代謝產(chǎn)物2,4-二乙?；g苯三酚及吡咯菌素對根際病原菌都有一定的抑制效應[61]。芽孢桿菌Bacillus subtilis50-1是拮抗鐮刀菌的生防菌，其生防效率可以達67.8%[62]。有益微生物豐度及種類的增加為降解自毒物質(zhì)及抑制病原菌提供了可能。

2 解決措施

連作障礙與土壤理化性質(zhì)惡化、根系分泌物積累以及微生物群落紊亂顯著相關，且三者之間相互影響，共同作用。基于以上分析，連作障礙或可定義為由于連續(xù)種植同種作物形成長期單一的土壤環(huán)境而導致根系自毒物質(zhì)的積累以及微生物群落組成與結構的不平衡，從而引發(fā)的生長障礙及病害暴發(fā)。緩解連作效應可通過以下幾個措施實現(xiàn)。

2.1 加強土壤管理

土壤肥力雖不是連作障礙發(fā)生的決定因素，但土壤肥力決定了連作障礙的發(fā)生程度[33]。劉威[63]的研究表明，在秋季施用生物有機復合肥可顯著提高土壤營養(yǎng)元素含量，改善光合作用，促進植株生長。在葡萄根際施入生物有機肥可顯著促進根系生長，根際礦質(zhì)元素及有機質(zhì)含量均顯著提高[64]。施用海藻肥可顯著促進連作蘋果的生長，提高抗氧化酶以及土壤酶活性[65]。除改善生長外，有機物料的添加還可促進酚類物質(zhì)的轉化以減少植株損傷，吸附根系分泌物以減少對病原菌的促生作用，改善土壤微生態(tài)，增加有益微生物的豐度[66-68]。但也有報道稱，施用有機肥并不能在短期內(nèi)顯著改變土壤微生物特性[69]，微生物群落功能的改變關鍵在于土壤生物化學性質(zhì)的變化。故在保證營養(yǎng)的前提下，施用肥料應以改善土壤理化性質(zhì)為主[70]。

2.2 間作或種植覆蓋物

由于不同植株根系分泌物成分差異較大，故聚集在根系周邊的微生物也顯著不同。增加果園中植物的種類可在一定程度上增加微生物豐度，以降低連作障礙影響。Manici 等[71]利用盆栽試驗將連作蘋果幼苗分別與苜蓿、大麥、金盞菊混合種植，結果表明，3 個處理中病原真菌的侵染率均顯著降低，細菌群落多樣性增強。此外，覆蓋物種植還可顯著改善土壤理化性質(zhì)，王小龍等[72]通過在葡萄行間種植黑麥草顯著改善了土壤pH 值，緩解了連作引發(fā)的土壤酸化問題。覆蓋物種植還可有效防止地表暴曬引起的有機質(zhì)降解及土壤酶活性的降低[73]，改善果實品質(zhì)[74]。故在果樹下種植合適的覆蓋物對緩解連作效應、增強土壤健康及提高果品質(zhì)量都具有十分重要的作用。

2.3 選擇連作障礙耐受型砧木或品種

不同的砧木或品種對連作障礙的表現(xiàn)不同。張春禹[75]提出，連作對自根砧M26、G41、Rel:54-118以及G11 的影響較小，這些應為抗重茬砧木。倪蔚茹等[76]認為，蘋果‘富士2001’及‘宮崎’品種可抵抗連作危害。Rumberger 等[77]對連作敏感型砧木與耐受型砧木分析后發(fā)現(xiàn)，二者菌落結構相差十分明顯。砧木的基因型差別越大，微生物群落結構相差越明顯[78]。這可能與不同砧木的根系分泌物成分不同相關。故在果園更新時，選擇重茬耐受型砧木或品種是緩解連作障礙的重要措施。此外，選擇與前茬砧木基因型差異較大的砧木或可在一定程度上緩解連作障礙。

2.4 施用微生物肥料

根際微生物群落失調(diào)是連作障礙產(chǎn)生的關鍵，改善根際微環(huán)境是所有措施的落腳點。目前，已從土壤中分離出可抑制病原菌生長、可降解自毒物質(zhì)等多功能的微生物菌種并開發(fā)形成菌劑。肖蓉等[79]在連作蘋果園中施用復合微生物菌劑后，通過序列分析發(fā)現(xiàn)，果園中微生物多樣性增強，土壤微生態(tài)得到了修復。王建斌等[80]將微生物復合菌劑與有機肥混合回填到栽培坑后，再植蘋果連作效應消失。故合理有效地施用有益微生物肥料是解決連作障礙的關鍵技術。

3 當前工作重點及展望

基于連作障礙成因分析，本團隊從以下幾個方面開展了葡萄連作障礙研究：①連續(xù)7 年解剖葡萄樹體，得出了葡萄各時期礦質(zhì)元素吸收運轉規(guī)律[81]，為科學施肥、保持土壤營養(yǎng)元素平衡提供了數(shù)據(jù)支撐；②在盆栽及無土栽培條件下，對22 個葡萄砧木品種進行抗重茬能力篩選，以期找到抗性較強的砧木品種；③利用果園生草改善根際土壤健康，發(fā)現(xiàn)葡萄根際種植黑麥草可有效緩解土壤酸化[72]；④從多年生葡萄根際土壤中篩選出25 株有益細菌，為微生物肥料的開發(fā)奠定了基礎。

連作障礙嚴重制約了水果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，尋找有效的解決措施對行業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展具有重要作用。目前，更多先進的技術手段，如熒光標記、土壤微生物測序等已應用到連作障礙的研究中并得出了重要結論。但目前仍存在一些問題，可作為下一步研究的重點：①果樹連作障礙的研究大多以蘋果為研究對象，部分結論不一定具有普適性；②根際微生物是連作障礙產(chǎn)生的中心環(huán)節(jié)，但目前對根際微生物的研究不夠深入，可培養(yǎng)微生物占比較小，常見微生物的種屬劃分不夠細致且功能不清，應繼續(xù)加強加深對根際微生物的研究與功能開發(fā)。