甘薯輪作機(jī)理研究進(jìn)展

王維 侯會(huì) 耿曉月 董韋 蘇涵 張巧鳳 徐振

(江蘇徐淮地區(qū)徐州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇 徐州 221000)

前言

甘薯(Dioscorea esculenta(Lour.)Burkill)是薯蕷科、薯蕷屬纏繞草質(zhì)藤本，在我國(guó)，甘薯作為一種糧食作物因適應(yīng)性強(qiáng)、產(chǎn)量高、耐存儲(chǔ)、耐運(yùn)輸而廣泛種植[1,2]。甘薯根據(jù)其品種特性可鮮食、烤食、菜用等，又因淀粉含量較高，其加工產(chǎn)品如甘薯粉條、薄餅等也在市場(chǎng)上廣受歡迎。隨著經(jīng)濟(jì)提升，人們生活改善，甘薯中花青素、胡蘿卜素、纖維素等營(yíng)養(yǎng)成分也成為消費(fèi)人群關(guān)注熱點(diǎn)。近年來(lái)，工業(yè)行業(yè)迅猛發(fā)展，耕地不斷縮減，甘薯主栽地區(qū)連年種植，加劇了土壤結(jié)構(gòu)破壞、肥力下降、病蟲(chóng)害滋生等生產(chǎn)障礙[3]，甘薯的商品性逐年下降，對(duì)主栽地區(qū)經(jīng)濟(jì)造成打擊。為避免連作障礙對(duì)甘薯產(chǎn)業(yè)造成的影響，與多種作物輪作成為甘薯的主要耕作制度。

1 甘薯輪作制度的主要作用

輪作指的是在同一田塊上，按照季節(jié)或者年份輪流栽培不同作物或復(fù)種的耕作制度。在這種模式下合理選擇輪作作物能夠有效地改善土壤結(jié)構(gòu)，保護(hù)土壤微生物多樣性[4]，阻止作物致病菌蔓延[5]，調(diào)節(jié)土壤成分從而降低植物殘?bào)w與病原菌的代謝產(chǎn)物對(duì)植物產(chǎn)生的致毒性。目前已有多種研究表明，甘薯與小麥[6]、水稻[7]、玉米[8]、花生、油菜等輪作，配合水肥管理能夠取得良好的生產(chǎn)效益。

1.1 土壤理化性質(zhì)改善

不同植物對(duì)土壤中養(yǎng)分和礦物質(zhì)吸收程度有著顯著差異，同時(shí)重金屬離子對(duì)植物生長(zhǎng)可能存在脅迫，長(zhǎng)期連作不僅會(huì)加劇土壤中的重金屬離子對(duì)植物的不利影響，還會(huì)使植物生長(zhǎng)需要的特定養(yǎng)分持續(xù)流失。甘薯是喜鉀作物，土壤中速效鉀豐富能夠促進(jìn)地上部分合成的養(yǎng)分到達(dá)塊根，從而使根部旺長(zhǎng)，為防止土壤鉀素失衡，甘薯與大豆或小麥輪作能夠調(diào)節(jié)土壤酸堿度，對(duì)有機(jī)質(zhì)、速效氮、有效磷和速效鉀等養(yǎng)分平衡起到穩(wěn)定作用。甘薯與玉米輪作還可以提高對(duì)氨基酸類、碳水化合物、羧酸類等的分解吸收。

連續(xù)種植同一種作物還很可能造成土壤酸堿度失衡，由于重茬導(dǎo)致土壤陽(yáng)離子交換量減少，元素間發(fā)生拮抗作用，導(dǎo)致土壤pH降低，加之甘薯一般采用大田栽培，酸性雨水會(huì)加劇土壤酸化，影響甘薯生長(zhǎng)發(fā)育。合理輪作可以提高土壤pH值，減緩?fù)寥浪峄倪M(jìn)程，為甘薯生長(zhǎng)提供pH約為5～7的穩(wěn)定土壤酸堿度。

在塊根類作物栽培過(guò)程中，為提高產(chǎn)量常施入大量肥料，過(guò)量的肥料堆積會(huì)加速土壤次生鹽漬化，造成土層板結(jié)，耕性減退。土壤含鹽量過(guò)高還會(huì)影響植株根系吸收水分和養(yǎng)分的能力，可能會(huì)導(dǎo)致植株缺水缺素發(fā)育不良。而輪作過(guò)程中不同茬作物對(duì)肥料種類和量的需求有所差異，因此輪作也能夠改善土壤耕性。

土壤肥力很大程度上取決于土壤酶活性的高低，土壤酶能通過(guò)影響土壤化學(xué)性質(zhì)來(lái)控制作物生長(zhǎng)進(jìn)程，如主要作用是催化二糖水解生成單糖的蔗糖酶，其活性體現(xiàn)著有機(jī)碳的轉(zhuǎn)換進(jìn)度。過(guò)氧化氫酶能夠分解有害自由基，其活性強(qiáng)度與土壤呼吸強(qiáng)度密切相關(guān)；對(duì)有機(jī)磷脫磷速度起提升效果的磷酸酶，其活性反映出土壤中磷的流轉(zhuǎn)方式和進(jìn)程。忌重茬塊根類植物的研究表明，連年種植使蔗糖酶、磷酸酶、土壤蛋白酶、過(guò)氧化氫酶等活性顯著降低，成為部分根莖類作物連作障礙的主要原因。相關(guān)大田試驗(yàn)顯示，與豆科作物輪作后田塊中的各種酶活性均有所提高，因此輪作模式更利于土壤酶活性的保持。

1.2 土壤微生物環(huán)境改良

土壤微生物群落對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性至關(guān)重要，嚴(yán)重影響土壤肥力、顆粒結(jié)構(gòu)、營(yíng)養(yǎng)成分利用率，在土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)體系中不可缺少。相關(guān)試驗(yàn)表明，甘薯致病真菌數(shù)量會(huì)隨著連作年限增加，從而加重甘薯栽培區(qū)域病害，進(jìn)而導(dǎo)致其商品性下降。種植方式和年限能夠影響土壤微生物群落種類和生物量碳含量，與連作相比，輪作制度豐富了土壤微生物群落多樣性，土壤中放線菌、細(xì)菌、革蘭氏陽(yáng)性菌生物量得以增加，真菌比例相對(duì)降低，甘薯與小麥、水稻等谷類作物輪作均能獲得顯著效果。甘薯與玉米輪作還可以提高對(duì)氨基酸類、羧酸類、碳水化合物等物質(zhì)的利用能力。

此外，多年重茬條件下未及時(shí)清理的植株、脫落物和根系分泌物都會(huì)進(jìn)入耕層，阻礙根際土壤微生物的生長(zhǎng)發(fā)育和繁殖，也會(huì)破壞甘薯根際土壤微生物群體的豐富性和穩(wěn)定性，造成土壤板結(jié)，致病病源種類增加，引發(fā)各種病害，如甘薯根土蝽、莖線蟲(chóng)病、根腐病等。因此，甘薯與谷類作物輪作，或水旱輪作，能夠有效緩解甘薯重茬造成的土壤低肥化和真菌化。

1.3 緩解自毒作用

造成根莖類作物連作后長(zhǎng)勢(shì)不良的因素除了栽培條件外,還有植物的自毒作用。自毒作用在種內(nèi)發(fā)生，對(duì)植物生長(zhǎng)有著抑制作用。連作年限越長(zhǎng)土壤生態(tài)環(huán)境越惡劣，隨著植物根系分泌的自毒物質(zhì)不斷積累，連同常年堆積的植物殘?bào)w與病原物質(zhì)的代謝產(chǎn)物均可能造成自毒作用發(fā)生。部分根莖類作物的根系分泌物長(zhǎng)期積累可能會(huì)導(dǎo)致植株抗病害能力減弱，并對(duì)地下部生長(zhǎng)和根際土壤微生物環(huán)境造成一定程度的不利影響。 有研究通過(guò)氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀對(duì)丹參根際土壤浸提液進(jìn)行非靶向鑒定，發(fā)現(xiàn)其中含有水溶性有機(jī)酸、苯甲酸及其衍生物、脂肪族醛、長(zhǎng)鏈脂肪酸、烯醇和酮、苯、酚類及其衍生物等低分子有機(jī)化合物，以及烴、醇、酯類物質(zhì)為主的有機(jī)物。其中多數(shù)成分也在其他根莖類作物的根際土壤中檢測(cè)到，并在不同程度上抑制作物生長(zhǎng)。目前尚未有研究詳細(xì)說(shuō)明甘薯根系分泌物的具體組成成分，同作為根莖類作物，其根系分泌物中也可能存在抑制植株生長(zhǎng)的組分，為避免其可能對(duì)甘薯生產(chǎn)造成不利影響，應(yīng)當(dāng)采取輪作的種植模式適當(dāng)緩解其自毒作用。

2 甘薯輪作模式在生產(chǎn)中的應(yīng)用

2.1 薯麥輪作

薯麥輪作是我國(guó)目前甘薯主要的種植制度，該模式在長(zhǎng)江中下游地區(qū)和北方地區(qū)廣泛應(yīng)用。甘薯和小麥的生育期內(nèi)對(duì)鉀肥的需求量都較大，合理施用鉀肥有利于薯麥增產(chǎn)提質(zhì)。寧運(yùn)旺等通過(guò)連續(xù)3a田間試驗(yàn)說(shuō)明，薯麥輪作模式下，只在甘薯種植季施用足量鉀肥，單株結(jié)薯數(shù)和單個(gè)甘薯質(zhì)量有顯著提高，田間總產(chǎn)量也有所增加。在甘薯種植季結(jié)束后收集地上部分薯蔓進(jìn)行還田，其中積累的鉀素可以滿足小麥生長(zhǎng)對(duì)鉀的需求，同理，麥秸還田也可適當(dāng)減少鉀肥的施用量，在這種施肥管理模式下，供試地區(qū)土壤含鹽量得到良好控制，在節(jié)約生產(chǎn)成本的前提下使甘薯和小麥的產(chǎn)量和品質(zhì)都得到一定保障。遵義市旱地小麥-玉米-甘薯分帶間套輪作模式下主要對(duì)甘薯施以鉀肥，3種作物均可獲得較高產(chǎn)量?；窗彩谢搓巺^(qū)趙集鎮(zhèn)采用甘薯與小麥無(wú)公害輪作技術(shù)，選取國(guó)內(nèi)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的“徐薯18”等甘薯品種與小麥輪作，結(jié)合田間水肥管理，使甘薯黑斑病、小地老虎和小麥紋枯病等病蟲(chóng)害均得到良好控制。喬月靜等通過(guò)試驗(yàn)說(shuō)明，與甘薯連作模式相比，大豆-黑麥-甘薯輪作模式對(duì)甘薯根部土壤線蟲(chóng)種類豐富性更加有利，土壤甘薯莖線蟲(chóng)數(shù)量明顯下降，減少殺線劑施用量的同時(shí)優(yōu)質(zhì)甘薯產(chǎn)量提高，增加經(jīng)濟(jì)收益的同時(shí)對(duì)生態(tài)環(huán)境友好。張偉彬研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)薯麥輪作田塊以1∶1的比例施用化肥和有機(jī)肥，能在輪作基礎(chǔ)上進(jìn)一步改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。

2.2 花生-甘薯輪作

相關(guān)報(bào)道表明，與花生輪作可以減緩田塊真菌化，豐富有益細(xì)菌多樣性。劉亞軍等選取甘薯“商薯17號(hào)”、花生“商花5號(hào)”和小麥“商麥167”，分別設(shè)計(jì)甘薯連作、甘薯-花生、甘薯-小麥輪作3種種植模式進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)甘薯―花生輪作模式能夠提高土壤微生物對(duì)羧酸類、氨基酸、碳水化合物等的利用率，改善土壤微生物環(huán)境。David L Jordan等學(xué)者研究顯示，在甘薯收獲后種植花生，能使花生豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。此外，花生-甘薯輪作是南安市旱地主要種植模式之一。中國(guó)熱科院示范推廣花生-甘薯輪作模式，提高了土地利用效率該模式有利于海南撂荒土地的復(fù)耕復(fù)種。

2.3 其他輪作模式的應(yīng)用

近6a來(lái)，廣西壯族自治區(qū)東蘭縣依靠其獨(dú)有的生態(tài)氣候，組織推廣綠色高效的水稻—紫薯水旱輪作種植模式，取得良好效益，帶動(dòng)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民脫貧致富。河北省燕山淺丘陵地區(qū)作為雜糧主產(chǎn)區(qū)，為提高作物效益，減少農(nóng)藥施用量，采用了谷薯間作輪作一體化栽培模式，提高甘薯產(chǎn)量的同時(shí)大幅減輕了谷子病害的發(fā)生，提高了土地利用率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。此外，浙江淳安縣楓樹(shù)嶺作為藥材產(chǎn)區(qū)，將甘薯與元胡輪作，在甘薯收獲后冬季土地閑置期間種植了元胡，由于元胡作為藥材具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值，該模式實(shí)現(xiàn)了糧食作物與藥材的雙豐收。

3 存在問(wèn)題和展望

雖然甘薯輪作制度在部分甘薯栽培地區(qū)示范推廣并取得一定效果，但還存在不少亟待解決的問(wèn)題。如，種植面積不足、輪作模式不適合、田間管理過(guò)于粗放導(dǎo)致效益沒(méi)有達(dá)到預(yù)期。

由于不同地區(qū)種植條件的多方差異，選用的輪作模式豐富多樣，使得輪作制度在土壤生態(tài)環(huán)境的研究中，其各項(xiàng)理化特性、有益菌群種類和土壤常見(jiàn)致病病源等指標(biāo)的探索整理尚未系統(tǒng)全面；加之甘薯根際土壤微環(huán)境和甘薯根系分泌物相關(guān)聯(lián)報(bào)道尚不詳細(xì)，對(duì)指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)缺乏廣泛性和準(zhǔn)確性。但是隨著分析檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，如GC-MS、LC-MS、HPLC等數(shù)據(jù)庫(kù)不斷擴(kuò)增，對(duì)植株根際土壤微生物代謝產(chǎn)物和植株根系分泌物組分分析水平逐漸提升，在輪作模式對(duì)栽培環(huán)境特性的成效方面愈加探索，對(duì)改善土壤生態(tài)環(huán)境在理論上更有指導(dǎo)意義。

北方消費(fèi)者對(duì)甘薯的消費(fèi)習(xí)慣大部分還停留在鮮食、烤食和加工產(chǎn)品，菜用甘薯還沒(méi)有在市場(chǎng)上受到廣泛關(guān)注，菜用甘薯主要使用部位是莖尖部分，其口感脆嫩、營(yíng)養(yǎng)豐富，在國(guó)際上頗受歡迎，是夏季蔬菜的優(yōu)質(zhì)選擇，如“薯綠1號(hào)”。若根據(jù)各地栽培特色探索出合理種植模式，有助于菜用甘薯的推廣。

近年來(lái)由于耕地縮減，農(nóng)業(yè)相關(guān)部門(mén)高度重視土地利用率，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》。自此方案頒布以來(lái)，全國(guó)各地均結(jié)合當(dāng)?shù)刈魑锓N類、土壤、氣候、消費(fèi)習(xí)慣等開(kāi)始對(duì)耕地輪作制度進(jìn)行模式開(kāi)發(fā)，大部分地區(qū)探索出的輪作模式得以推廣示范，地區(qū)間相互參考借鑒并加以改進(jìn)，各地的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)收入、消費(fèi)者認(rèn)可度、生態(tài)資源可持續(xù)利用水平均有所提升。同時(shí)，隨著種植模式創(chuàng)新，水資源利用率得到提高、化肥、殺蟲(chóng)劑、殺菌劑等造成的農(nóng)殘污染大幅減少、土壤環(huán)境得到優(yōu)化，符合目前所提倡的生態(tài)友好型綠色農(nóng)業(yè)。