作物連作障礙研究進(jìn)展

楊緒清

(揚(yáng)州市江都區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)綜合服務(wù)中心,江蘇 揚(yáng)州 225200)

作物連作障礙廣泛存在于各類作物種植中,無論是傳統(tǒng)的糧油棉等大宗作物,還是茶果蔬等特色經(jīng)濟(jì)作物,都存在不同程度的連作障礙,其發(fā)生程度與連作年限、復(fù)種指數(shù)呈正相關(guān)。連作障礙是當(dāng)前農(nóng)業(yè)研究中較為熱門的一個(gè)課題,關(guān)于其危害、成因和機(jī)理,當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究報(bào)道頗多。筆者通過查閱相關(guān)文獻(xiàn),詳細(xì)分析了連作障礙的危害、成因和綜合治理技術(shù),以期為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中預(yù)防和解決作物連作障礙提供理論參考。

1 作物連作障礙的危害

根際微生態(tài)失衡、礦質(zhì)元素轉(zhuǎn)化利用受限、根際致病菌拮抗微生物數(shù)量減少和土傳病害明顯加重是連作障礙中較為嚴(yán)重的幾大危害[1,2]。設(shè)施栽培長(zhǎng)期連作導(dǎo)致土壤肥力下降、營(yíng)養(yǎng)失衡,嚴(yán)重影響草莓產(chǎn)量和品質(zhì)[3];對(duì)芹菜連作地土壤分析發(fā)現(xiàn),隨著連作年限的增加,土壤中堿解氮和有效磷逐漸增加,土壤有機(jī)質(zhì)逐年減少[4];連作地土壤水溶性鹽類易積累并發(fā)生次生鹽漬化,通過抑制黃瓜植株根系水分吸收將影響植株生長(zhǎng)發(fā)育[5];此外,連作會(huì)導(dǎo)致花生植株弱小、生長(zhǎng)發(fā)育緩慢和產(chǎn)量品質(zhì)下降等,且隨著連作年限增加,各種癥狀逐年加重[6];馬鈴薯連作會(huì)導(dǎo)致幼苗凈光合速率降低、葉片SPAD值下降,馬鈴薯株高、莖粗以地上部生物量在連作3年后均顯著低于對(duì)照[7];還有研究發(fā)現(xiàn),連作地葡萄根腐病、霜霉病等發(fā)生頻次明顯增加[8];連作也會(huì)導(dǎo)致藥用植物土傳病害發(fā)生[9]。

2 作物連作障礙成因分析

2.1 土壤理化性質(zhì)改變

連續(xù)多年種植同一種作物,會(huì)導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)發(fā)生明顯改變,主要表現(xiàn)為土壤容重和比重增加、孔隙度降低、根系對(duì)水分和肥料的吸收利用效率明顯下降等,致使作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降。若土壤中某些營(yíng)養(yǎng)元素長(zhǎng)期虧缺且得不到及時(shí)補(bǔ)充,會(huì)使其抗逆性減弱,而未被吸收元素長(zhǎng)期累積會(huì)造成單鹽毒害,使土壤養(yǎng)分失衡,導(dǎo)致連作障礙發(fā)生。農(nóng)民為追求效益,盲目加大化肥施用量,破壞土壤緩沖和離子平衡,導(dǎo)致土壤酸化。研究表明,土壤鋅錳、鋅鐵比例嚴(yán)重失調(diào)導(dǎo)致連作障礙[10]。因土壤鹽漬化增加土壤溶液濃度,增大土壤滲透勢(shì),導(dǎo)致作物根系吸收能力降低,影響作物抗逆性和土壤養(yǎng)分有效性,最終導(dǎo)致植株生長(zhǎng)發(fā)育遲緩[11,12]。

2.2 土壤生態(tài)環(huán)境被破壞

2.2.1 土壤微生物群落失衡

土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)改變,如有益細(xì)菌、放線菌等減少和鐮刀菌等的富集將導(dǎo)致連作障礙發(fā)生,微生物群落結(jié)構(gòu)惡化引起的土傳病害是藥用植物連作障礙的直接原因[13]。病原體能克服甚至接管植物免疫系統(tǒng),刺激誘導(dǎo)根系分泌代謝產(chǎn)物,擴(kuò)大生態(tài)位競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),使根際微生態(tài)系統(tǒng)不斷惡化,從而導(dǎo)致連作障礙[14,15]。連作3年的西洋參土壤中細(xì)菌群落多樣性指數(shù)降低,真菌群落多樣性顯著提升[16];而在白術(shù)連作土壤中,真菌群落多樣性變化正好相反[17]。從連作花生根際土樣中分離出的鐮刀菌,能引起花生果腐病和根腐病,立枯絲核菌引起花生立枯病等[18]。隨著草莓連作年限增加,其土壤真菌多樣性不斷增加,鐮刀菌屬和腐質(zhì)霉屬等含量也顯著增加[19]。

2.2.2 土壤酶活性改變

土壤酶活性與連作年限的延長(zhǎng)有著密不可分的聯(lián)系,影響植株物質(zhì)循環(huán)和能量交換能力,且年限越長(zhǎng)、影響越嚴(yán)重。土壤酶活性反映土壤中物質(zhì)代謝的旺盛程度和對(duì)養(yǎng)分的吸收利用情況[20]。煙土連作10年,其土壤磷酸酶和蔗糖酶活性隨連作年限增加而顯著降低,而脲酶活性增加[21];黨參根際土壤酶活性會(huì)發(fā)生變化,酶活性表現(xiàn)為先降低、后升高,隨時(shí)間加長(zhǎng)可能再次出現(xiàn)降低,從而導(dǎo)致連作障礙[22];此外,連作初期植物根際分泌物不斷增加,可能會(huì)誘導(dǎo)土壤中某些酶的活性提高[23];但不同連作年限下的土壤酶活性是否會(huì)呈現(xiàn)出不同變化,需要進(jìn)一步驗(yàn)證[24]。

2.2.3 土傳病蟲害加劇

隨著種植年限的增加,番茄根周圍土壤根結(jié)線蟲的數(shù)量呈上升趨勢(shì),西瓜、甜瓜等瓜類連作后,根結(jié)線蟲病等病害也出現(xiàn)加重情況[25];連作可以明顯改變番茄土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和土壤真菌優(yōu)勢(shì)種群結(jié)構(gòu),多數(shù)土傳病害由真菌引起[26];連作導(dǎo)致西洋參根際土壤優(yōu)勢(shì)細(xì)菌種類明顯減少,病害霉菌類群顯著增加,解磷、解鉀、自生固氮菌比例出現(xiàn)失調(diào)現(xiàn)象[27]。研究表明,西洋參重茬地根際真菌數(shù)量減少50%以上,多樣性指數(shù)降低39%以上,青霉屬和曲霉屬真菌比例擴(kuò)大,根際土壤真菌多樣性指數(shù)與西洋參根病指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)[28]。

2.3 作物自毒作用

自毒物質(zhì)對(duì)同種植物會(huì)產(chǎn)生不利影響,可損壞細(xì)胞壁、改變細(xì)胞結(jié)構(gòu)及抑制細(xì)胞分裂,使作物體內(nèi)生長(zhǎng)素、脫落酸等含量、酶功能及活性、運(yùn)輸氨基酸和合成蛋白質(zhì)等受到影響[29]。一般自毒物質(zhì)為有機(jī)酸、醌類、生物堿、類萜、香草酸和水楊酸等化學(xué)物質(zhì),這類化學(xué)物質(zhì)通過影響作物土壤酶活性、養(yǎng)分代謝等抑制作物生長(zhǎng)發(fā)育過程。自毒物質(zhì)累積可降低蘭州百合植株的自我調(diào)節(jié)能力,通過氧化應(yīng)激、滲透脅迫等導(dǎo)致植株生長(zhǎng)發(fā)育不良,最終影響百合品質(zhì)[30];此外,芝麻根系分泌物中潛在的酸類、酰胺類和酯類等化感物質(zhì),可能導(dǎo)致芝麻連作障礙逐年加劇[31]。

3 作物連作障礙綜合治理

3.1 土壤改良與田間管理

3.1.1 土壤消毒和改良

當(dāng)下太陽能消毒和石灰氮消毒應(yīng)用較為廣泛,與藥劑消毒相比,其對(duì)土壤結(jié)構(gòu)破壞較小且無副作用。采用石灰氮消毒能改善靈芝連作障礙[32];利用太陽光暴曬土壤消毒,可明顯控制土壤中病原菌數(shù)量,提高連作草莓產(chǎn)量[33];土壤調(diào)理劑能顯著改善土壤的理化性狀,增強(qiáng)作物抗病抗旱能力,激活土壤原有拮抗菌作用,提高作物品質(zhì)和產(chǎn)量[34];此外,土壤電處理技術(shù)和酒精處理可改善土壤理化性狀、減輕土壤污染[35]。土壤化學(xué)消毒一般采用硫磺粉熏蒸、福爾馬林拌土、嗅甲烷和1,3-二氯丙烯滅菌等方法[36]。

3.1.2 加強(qiáng)田間養(yǎng)分管理

可根據(jù)作物的需肥規(guī)律、土壤供肥特性等,合理施肥和施用微量元素,調(diào)整土壤酸堿度,推廣測(cè)土配方施肥,增施有機(jī)肥、秸稈和微生物肥。研究表明,施用磷石膏專用復(fù)混肥可顯著緩解紅壤地區(qū)的花生連作障礙,增加土壤全氮、速效氮和速效鉀含量,產(chǎn)量顯著得到提高[6];連作人參土壤中加入微生物菌劑可豐富土壤微生物群落結(jié)構(gòu),改善土壤物理結(jié)構(gòu)及調(diào)節(jié)土壤pH值等[37];腐植酸銨、有機(jī)肥與微生物肥配施,對(duì)于馬鈴薯連作障礙有明顯緩解作用[38]。

3.2 優(yōu)化種植制度和方式

3.2.1 合理輪作和間作套種

輪作和間作套種在改善微生物群落結(jié)構(gòu)、減輕作物病害率、促進(jìn)有益酶活性和積累有效養(yǎng)分等方面發(fā)揮作用。研究表明,半夏與小麥輪作能顯著提升根際土壤中有益真菌OTUs豐度,有效抑制病原真菌OTUs[39];玉米花生間作改善了土壤微環(huán)境,提高了花生產(chǎn)量和品質(zhì)[40];廣藿香間作紫蘇可在一定程度上緩解廣藿香連作障礙[41];大蒜和向日葵間作能顯著提高兩茬口黨參根部產(chǎn)量[42];蒙古黃芪與三七間作后可以顯著增加土壤養(yǎng)分含量,使微生物群落結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)向以細(xì)菌主導(dǎo)型[9,43]。

3.2.2 嫁接技術(shù)

嫁接技術(shù)一方面可以提高根系對(duì)水分和礦物營(yíng)養(yǎng)的吸收,改善礦物質(zhì)吸收比例;另一方面是有效防止土壤病害傳播、克服連作障礙的重要栽培方法,廣泛應(yīng)用于蔬菜、果樹等作物。試驗(yàn)表明,以“五葉香”絲瓜作砧木,可以顯著提高夏秋黃瓜產(chǎn)量,降低病毒病發(fā)病率,提高果實(shí)品質(zhì)[44];嫁接在一定程度上修復(fù)了肉桂酸和香草酵脅迫給土壤生態(tài)帶來的不利影響,改善了土壤環(huán)境[45];嫁接葡萄苗與自根苗葡萄相比,顯示出明顯的抗病性優(yōu)勢(shì)[46]。

3.3 生物防治

3.3.1 使用生物農(nóng)藥

生物農(nóng)藥是防治病、蟲、草等有害生物的新型農(nóng)藥,具有安全、無污染的特點(diǎn),包括微生物農(nóng)藥、農(nóng)用抗生素和生物化學(xué)農(nóng)藥等。研究表明,使用生物農(nóng)藥“蔬得康”防治香蕉枯萎病,對(duì)香蕉盆栽和大田均有防效,且對(duì)香蕉長(zhǎng)勢(shì)有促進(jìn)作用[47];紫莖澤蘭提取液在一定程度上抑制百合鐮刀菌[48];海島素加殺菌劑對(duì)百合灰霉病、基腐病有顯著抗病增產(chǎn)效果[49]。

3.3.2 增施微生物肥料

微生物肥料能夠增加土壤中氮元素、抗生素含量,促進(jìn)土壤中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、刺激植物生育進(jìn)程和病蟲害防治[50]。研究表明,復(fù)合微生物菌劑可提高大櫻桃土壤中溶磷固氮功能有關(guān)的細(xì)菌豐度,減少病原菌及寄生線蟲數(shù)量,增產(chǎn)提質(zhì)效果明顯[51];施用生物有機(jī)肥提高了黃瓜和棉花的防御酶活性,改善了根際土壤微生態(tài)環(huán)境[52,53];施用生物有機(jī)肥可改善土壤微生態(tài)環(huán)境,對(duì)甜瓜連作障礙有一定的緩解作用[54]。

3.3.3 接種根際有益微生物

根際有益微生物在防治有害真菌、細(xì)菌和病毒等病害方面也有重要作用。研究表明,有益微生物菌肥BM增加了太子參重茬土壤根際微生物群落多樣性和豐富度,并可抑制真菌病害[55];貝萊斯芽孢桿菌具有促生和拮抗能力,貝萊斯芽孢桿菌B006菌劑對(duì)茄子有促生作用,并可提高茄子產(chǎn)量[56];貝萊斯芽孢桿菌XC1具有拮抗作用,可減輕土壤中有害菌,菌肥中營(yíng)養(yǎng)成分改善了連作土壤養(yǎng)分,緩解了蘋果連作障礙[57]。

4 展望

作物連作障礙的形成原因和機(jī)理較為復(fù)雜,克服連作障礙的技術(shù)和方法還需要進(jìn)一步探究。針對(duì)作物連作障礙的消減機(jī)制可以從作物-土壤-微生物的角度出發(fā),應(yīng)結(jié)合合理施肥、輪作、土壤處理等多種手段。目前,微生物制劑發(fā)展前景較好,可以考慮在土壤中添加有益細(xì)菌和真菌,在不影響農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的前提下,采取改善土壤質(zhì)量、富集有益微生物菌群和增加養(yǎng)分獲取等措施,從而達(dá)到減少連作障礙的目的。

根際在促進(jìn)植物吸收土壤養(yǎng)分、協(xié)調(diào)環(huán)境脅迫以及調(diào)節(jié)土壤微生物群落等方面發(fā)揮了重要作用[58,59]。未來連作障礙的研究應(yīng)該建立在完善的根際微生態(tài)系統(tǒng)理論上,不斷完善對(duì)根際微生態(tài)的系統(tǒng)性建設(shè)。