設(shè)施農(nóng)業(yè)作物連作障礙與對(duì)策措施研究

馬 躍，劉愛群，滕 龍，楊 光

（遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所，遼寧沈陽(yáng)110161）

連作是指一年內(nèi)或連年在同一塊田地上連續(xù)種植同一種或同一科作物的種植方式，也有把一年內(nèi)或連年在同一塊田地上連續(xù)種植易感染相同線蟲或病原菌的作物也稱為連作[1]。連作障礙是指同種作物或近緣作物在同一土壤上連續(xù)種植引起的作物生長(zhǎng)發(fā)育異常的現(xiàn)象，癥狀一般為生長(zhǎng)發(fā)育不良、產(chǎn)量和品質(zhì)下降、病蟲害加劇，極端情況下不出苗或局部死苗、苗弱等現(xiàn)象[2]。瀧島在前人研究基礎(chǔ)上提出了連作障礙五大因子學(xué)說，包括土壤養(yǎng)分失衡、土壤理化性狀惡化、土壤有害生物積聚、植物產(chǎn)生的有害物質(zhì)在土壤中積累、土壤微生物區(qū)系劣變5 個(gè)方面[1]。目前很多作物被發(fā)現(xiàn)存在連作障礙問題，其影響因素也各有差異[3-4]，設(shè)施農(nóng)業(yè)由于受場(chǎng)地和生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益的影響或驅(qū)動(dòng)，作物連作較為普遍，連作障礙造成的生產(chǎn)問題和經(jīng)濟(jì)損失也較為突出。因此，關(guān)于連作障礙的研究一直是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)尤其是設(shè)施農(nóng)業(yè)中的重要研究?jī)?nèi)容，如何解決連作障礙問題對(duì)于促進(jìn)設(shè)施農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

1 連作障礙對(duì)作物的影響

設(shè)施栽培條件下受微氣候因素，如光照強(qiáng)度、溫度、濕度、通氣性等影響，土壤環(huán)境更容易惡化，連作障礙對(duì)作物產(chǎn)量和品質(zhì)影響更加嚴(yán)重[5-6]。設(shè)施黃瓜連作達(dá)3 年以上時(shí)便表現(xiàn)出明顯的連作障礙現(xiàn)象，隨種植年限的延長(zhǎng)，連作障礙范圍和嚴(yán)重程度不斷加劇，導(dǎo)致黃瓜產(chǎn)量和品質(zhì)嚴(yán)重降低[7]。劉嬌嬌等[8]對(duì)設(shè)施條件下番茄連作的植株生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量進(jìn)行了研究，相對(duì)連作1 茬的番茄，連作7 茬的株高和莖粗顯著降低。連作番茄葉片和果實(shí)中的全鉀含量顯著降低，連作7 茬的番茄較連作4 茬的產(chǎn)量降低了15%[9]。連作障礙會(huì)減小百合葉面積，降低光合作用，影響體內(nèi)活性氧代謝，并導(dǎo)致干物質(zhì)積累和鱗莖產(chǎn)量降低[10]。連作條件下草莓生長(zhǎng)發(fā)育不良，黃萎病和根腐病等病害發(fā)病率增加，嚴(yán)重影響產(chǎn)量和品質(zhì)[11-12]。西瓜連作導(dǎo)致枯萎病發(fā)病率較高，產(chǎn)量和品質(zhì)下降嚴(yán)重[13]。大量研究表明，番茄、黃瓜、冬瓜等作物連作枯萎病發(fā)生率也會(huì)不同程度增加，并且連作還會(huì)增加根腐病發(fā)病率，進(jìn)而使作物產(chǎn)量和品質(zhì)受到嚴(yán)重影響[14-15]。

2 連作障礙主要影響因素

目前，針對(duì)連作障礙國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者做了大量的研究工作，多種研究表明連作障礙產(chǎn)生的因素非單一，多種因素相互影響，較為復(fù)雜。

2.1 土壤酸化或次生鹽漬化

大量的研究表明長(zhǎng)期連作會(huì)導(dǎo)致土壤酸化，土壤酸化是連作障礙的主要表現(xiàn)[16-17]。馬燦等[18]對(duì)連作番茄土壤pH 研究表明，隨著連作年限增加，土壤pH 不斷下降。郭紅偉等[19]研究辣椒連作1 年、4 年和6 年后的土壤pH 分別降低了5.93%、6.35%和7.49%。土壤pH 的下降，會(huì)影響土壤結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分狀況和生物學(xué)特性，從而對(duì)作物生長(zhǎng)造成影響[20]。孫雪婷等[21]分析了連作三七土壤理化性質(zhì)和酶活性的變化，隨著連作年限的增加，土壤pH 顯著下降，土壤脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶、蛋白酶及磷酸酶活性也呈下降趨勢(shì)。土壤有機(jī)質(zhì)含量連作1 年、2 年和3 年分別降低了73%、87%和83%[22]。劉來[23]研究發(fā)現(xiàn)連作導(dǎo)致的土壤酸化加快鹽基離子的流失，引起作物缺鈣、缺鎂。同時(shí)活化釋放土壤中難溶性鋁，導(dǎo)致植物生長(zhǎng)受到限制[24]。土壤連作還會(huì)造成某些作物對(duì)土壤中養(yǎng)分偏好吸收，導(dǎo)致土壤鹽漬化[25]。次生鹽漬化會(huì)造成植物體內(nèi)大量積累Na+，Na+與K+之間有競(jìng)爭(zhēng)作用，則導(dǎo)致植物體內(nèi)K+數(shù)量下降，而Na+還會(huì)代替K+參與細(xì)胞質(zhì)和液泡膜的形成，產(chǎn)生一系列生理毒害問題；同時(shí)Na+與K+作用不同會(huì)鈍化某些酶活性，也不參與蛋白質(zhì)合成及調(diào)控氣孔開關(guān)，由此造成植物生理代謝紊亂[26]。

2.2 土壤養(yǎng)分失衡

土壤養(yǎng)分失衡是產(chǎn)生連作障礙的重要原因之一。設(shè)施農(nóng)業(yè)連作土壤中，養(yǎng)分失衡主要表現(xiàn)為大量元素不斷富集，而部分中微量元素有所降低[20]。姜佰文等[27]研究證明隨著連作年限的增加，土壤中不同形態(tài)的氮、磷、鉀含量顯著升高。而隨著連作年限的增長(zhǎng)，土壤中鋅、鐵、硼和錳的含量出現(xiàn)降低現(xiàn)象[28]。茄子連作4 茬后土壤中鈣鎂元素含量顯著下降[29]。番茄長(zhǎng)期連作，降低土壤有效態(tài)鈣含量，導(dǎo)致番茄臍腐病發(fā)病率顯著增加[30]。土壤養(yǎng)分失衡與土壤酸化導(dǎo)致鹽基離子流失以及作物帶走大量鹽基離子和微量元素有關(guān)[20]。也有研究表明連作后土壤中部分微量元素含量增加[31]。山東壽光設(shè)施番茄土壤鐵、錳、銅、鋅、硼等微量元素含量隨連作年限而升高，可能也與土壤酸化后加快土壤中部分礦物質(zhì)溶解有關(guān)[32-33]。

2.3 自毒物質(zhì)與化感作用

一些植物能夠釋放一些化學(xué)物質(zhì)而抑制自身及下茬同類植物的生長(zhǎng)，這種現(xiàn)象被稱為自毒作用。酚酸類、醇類、吡喃類、胺類、醛類、烷烴等物質(zhì)被認(rèn)為是根系分泌物中的主要化感物質(zhì)，連作可增加上述根系分泌物引起作物產(chǎn)生自毒作用，導(dǎo)致連作障礙發(fā)生，影響作物生長(zhǎng)并降低作物產(chǎn)量[34]。番茄自毒物質(zhì)主要是肉桂酸等物質(zhì)，黃瓜植株殘?bào)w和根系也會(huì)分泌酚酸類物質(zhì)，當(dāng)自毒物質(zhì)積累一定程度，就會(huì)對(duì)番茄和黃瓜產(chǎn)生抑制和毒害作用，一般隨著連作年限增加，化感物質(zhì)的作用增強(qiáng)[37]，主要是因?yàn)楹芏嘤卸疚镔|(zhì)不容易分解，隨著連作年限增加，土壤中有害物質(zhì)積累越來越多，自毒作用也越明顯[35-38]。某些根系分泌物的化感物質(zhì)還會(huì)對(duì)一些微生物產(chǎn)生毒害作用，抑制它們的生長(zhǎng)繁殖，顯著抑制以某些特定物質(zhì)為代謝基質(zhì)的微生物類群[20]。

2.4 土壤微生物區(qū)系劣變

土壤微生物對(duì)作物生長(zhǎng)和土壤健康起著重要作用。張重義等[39]研究認(rèn)為連作條件下微生物群落結(jié)構(gòu)失衡和功能失調(diào)是引起連作障礙的重要原因之一。與輪作相比，連作導(dǎo)致細(xì)菌群落多樣性和植物促生菌數(shù)量顯著降低，而土壤中病原菌數(shù)量增加[20]。馬寧寧等[40-41]采用PCR-DGGE技術(shù)研究了設(shè)施番茄連作土壤微生物群落結(jié)構(gòu)變化，連作土壤微生物多樣性顯著下降。設(shè)施番茄連作6 年以上后，土壤中根結(jié)線蟲急劇增加[42]。相對(duì)于總微生物群落結(jié)構(gòu)，連作對(duì)土壤活性微生物群落結(jié)構(gòu)的影響程度更大，連作土壤脲酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶的活性也顯著下降[43]。土壤微生物區(qū)系劣變還表現(xiàn)在放線菌和真菌豐度增加，而細(xì)菌豐度降低。馬燦等[18]研究表明，連作8 年的土壤中真菌數(shù)量增加了183.79%。甄文超等[44]對(duì)草莓連作土壤微生物區(qū)系進(jìn)行研究，連作草莓土壤真菌數(shù)量增加，細(xì)菌和放線菌數(shù)量則降低。

3 連作障礙的緩解措施

連作障礙嚴(yán)重影響了設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，在不降低作物產(chǎn)量品質(zhì)和不增加經(jīng)濟(jì)成本的基礎(chǔ)下，解決連作障礙問題一直是農(nóng)業(yè)科研人員努力的方向[45]。

3.1 選擇抗病品種或嫁接

隨著育種專業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外相繼培育出多種抗病品種，或利用砧木的抗病性，采用嫁接技術(shù)來防治土傳病害。

3.2 改良土壤

合理施用有機(jī)肥（蚓糞和畜禽糞便）、生物碳和秸稈等有機(jī)碳源，可改善土壤理化性質(zhì)，增加土壤及根際有益微生物的種群和活性，促進(jìn)土壤健康[46]。土壤物理消毒或化學(xué)消毒，以及調(diào)節(jié)土壤pH 等方法也可有效緩解連作障礙，如在酸化土壤中施用生石灰調(diào)節(jié)土壤pH、通過高溫對(duì)土壤進(jìn)行殺菌、在土壤中噴灑濃度為2%的酒精進(jìn)行消毒等。

3.3 改善種植制度

改善種植制度，如輪作、套作、間作等可有效緩解連作障礙[47]。楊尚東等[48]對(duì)輪作后番茄土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，輪作顯著提高了土壤微生物多樣性和部分酶活性，并發(fā)現(xiàn)部分促生菌出現(xiàn)。

3.4 微生物調(diào)節(jié)

通過施用微生物菌肥、生物調(diào)節(jié)劑等方式，利用微生物營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)或拮抗作用等途徑提高有益微生物數(shù)量和活性，抑制或消除病原微生物生長(zhǎng)繁殖，進(jìn)而調(diào)節(jié)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能。