棉花連作土壤健康調理技術研究進展熊又升

摘要：綜述了棉花（Gossypium hirsutum L.）連作土壤發生的障礙和化肥、農藥施用狀況，連作棉花土壤生物退化及其防治的技術手段和方法，并展望了未來的研究重點與技術發展方向。

關鍵詞：棉花（Gossypium hirsutum L.）；連作障礙；調理技術

中圖分類號：S562；S158.3 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）22-5393-03

中國是棉花（Gossypium hirsutum L.）生產大國，全國有2/3的?。ㄊ小^）生產棉花，2009～2010年全世界棉花種植面積達3 040萬hm2，皮棉產量達

2 356萬t，其中，中國棉花生產的種植面積占19.8%。近年來，中國棉花生產中不僅廣泛采用如光子和包衣子等先進的栽培技術，并且還普遍使用化學調控、平衡施肥和病蟲害綜合防治等新技術。這些技術的應用無疑在棉花生產中起到了舉足輕重的作用。但是，由于多數棉田種植棉花都是連作制，加上這些技術實施中如化肥、農藥等物質的施用，給棉田土壤生態系統造成了破壞，使得棉田土壤長期處于亞健康狀態，以致棉花土傳性病害時有嚴重發生，且其難以根治。因此，需要從棉田土壤微生態系統恢復的角度進行調控和預防研究。

1 棉花連作土壤發生障礙性病害的根本原因

棉花連作土壤障礙的具體表現為土傳性病害頻發、棉苗早衰、土壤生態環境惡化等現象。產生的根本原因除與棉花長期連作自身產生自毒物質外，還主要與長期大量單一使用化肥和農藥等有著密切的關系。棉花連作障礙已經嚴重制約著中國棉花的產量和質量。2010年3月湖北省農業科學院專門針對長江流域江漢平原棉區潛江市120戶棉農進行了調查，結果表明，90%以上農戶的棉田耕作制為小麥-棉花和油菜-棉花，連年種植棉花面積占當年棉花種植面積的95%以上，其中2007年大面積棉花發生枯黃萎病造成的產量和經濟損失達15%～35%，嚴重田塊超過50%。

在棉花生產過程中農藥的使用是非常普遍的，但大量使用農藥，既增加了棉花生產成本，也給棉田土壤環境造成嚴重污染，同時，它可能也是棉田土壤發生障礙性病害的重要原因之一。棉花生產中防治病蟲害使用的農藥種類繁多。一類是各種殺蟲劑和殺菌劑，達10余種，如多菌靈、百菌清、阿維菌素、立枯靈、枯萎滅、枯萎靈、黃腐酸鹽等用來防治棉花立枯病和枯黃萎病。另一類是不同化調劑、除草劑和催熟劑，如化調劑有縮節胺和助壯素，除草劑有氟樂靈、百草枯、蓋草能、草甘膦、乙草胺等，催熟劑有乙烯利和農豐寶等。有關資料和實地調查結果表明，在棉花生產過程中農藥的使用量基本上沒有上限。如此大量地使用農藥，不僅使棉花產品上帶有農藥殘留，而且與棉花間套作種植的糧食、蔬菜、水果以及生態環境也會受到不同程度的污染[1]。

隨著中國棉花單產水平的逐漸提高，棉花上氮肥的用量也在不斷增加。據有關研究報道[2]，20世紀90年代末和21世紀初，黃淮海棉區華北平原亞區，皮棉單產為1 500 kg/hm2時，棉花純氮施用量一般為187.5～225 kg/hm2，皮棉產量以施用純氮195 kg/hm2左右為最高，棉花純氮施用量超過225 kg/hm2，產量反而降低；黃淮亞區，皮棉產量1 500 kg/hm2 左右時，棉花純氮施用量一般在225 kg/hm2左右；長江中下游棉區皮棉產量一般在1 500 kg/hm2左右時，棉花純氮施用量一般在225～300 kg/hm2。近年來，長江中下游棉區和黃淮棉區普遍采用移栽地膜覆蓋栽培模式，棉花的單產水平大幅度提高，施氮水平進一步增加，氮肥使用量在適量基施的基礎上，一般追施2～3次，可以有效地增加棉花伏桃和早秋桃，從而充分發揮棉花單株生產潛力。2008年湖北省農業科學院對長江中游地區的湖北江陵、鄂州、仙桃和浠水的棉花施肥狀況進行了調查，結果表明，大面積棉花施肥量為N 225～315 kg/hm2、P2O5 37.5～90.0 kg/hm2、K2O 81～135 kg/hm2。2009年3月對長江流域湖北省潛江市棉區120余戶棉農的調查結果表明，棉花全生育期平均每公頃施肥量為氮（N）315.0 kg、磷（P2O5）187.5 kg、鉀（K2O）267.0 kg，其說明當地棉農氮肥施用量明顯偏高，氮磷鉀肥料養分三元素比例不合理，調查數據表明，大面積棉田土壤養分不平衡現象確實存在，而且是越來越嚴重，這樣勢必給棉花土壤健康生產帶來極為不利的影響。

2 棉花連作土壤障礙的發生機制及其修復

棉花連作土壤障礙是由連茬種植的棉花作物和土壤微生物共同產生的一種土壤生物障礙，即表現在同一田塊連續多年種植棉花會出現棉花產量和品質下降，棉花病蟲害加重，甚至造成絕收，而改種其他作物卻能夠正常生長。所以，棉花土壤障礙是土壤的相對退化。棉花連作土壤發生生物學障礙的主導因素是生物，包括連茬種植的棉花和在棉花根區、棉花根表土壤中生長的大量土壤微生物。該障礙也被稱作棉花土壤的連茬病害。其實質是棉花連茬種植引起的土壤微觀生態系統即棉花根區微觀土壤生態系統出現了微生物區系異常和化學物質異常[3]。棉花連作土壤微生物區系的異常表現是：棉花根區或根表土壤中病原菌數量大幅度增加，達到或超過棉花發病閾值，有益微生物的數量明顯下降，棉花土壤原有的微生物生態平衡遭到破壞，導致棉花土傳病害發生，直接影響棉花根系分泌物和根系的生理生化活動。棉花連作土壤中化學物質異常表現是：首先，棉花在生長過程中通過根系、葉片等器官將其產生的某些代謝產物釋放到土壤中，主要是棉花根系分泌物；其次，土壤中的有害微生物向土壤中分泌有害代謝產物；還有棉花在生長過程中對某種營養元素的偏好吸收，導致棉花土壤系統中營養元素的不平衡及某種元素的虧缺；此外，棉花殘體腐解后向土壤中釋放對棉花本身有害的化學成分也有影響。

目前，國內外學者對不同農作物連作障礙的現象和機理做了大量研究。劉素萍等[4]研究了棉花根系分泌物中糖和氨基酸對棉花枯萎菌的影響，結果表明，棉花感病品種的根系分泌物中葡萄糖和蔗糖含量是抗病品種的2～3倍，在檢測的6個棉花品種中都含有12種氨基酸，其種類和含量因棉花品種不同而有異，在檢測的12種氨基酸中丙氨酸、組氨酸、天門冬氨酸、異亮氨酸和脯氨酸對棉花枯萎菌生長略有刺激作用，絲氨酸、精氨酸、賴氨酸和谷氨酸則有抑制作用。有學者研究表明[5-15]，常發生連作障礙的大豆、棉花和草莓等作物，其根系分泌物中的糖和氨基酸等組分在低濃度下對多種病原菌生長有促進作用，在高濃度下有抑制作用。大量試驗研究結果表明[16-22]，在相同地塊連續種植棉花時，由于棉花對氮磷鉀和硼營養元素的偏好吸收會導致土壤中這些元素缺乏，即使通過施肥補充，也難使棉花土壤中的營養達到真正意義上的平衡，它會影響棉花的正常生長發育。棉花全生育期吸收的氮磷鉀等養分量較大，其虧缺造成的營養脅迫會誘導棉花產生更多的特定根系分泌物，這些棉花根系分泌物中有些屬于棉花自毒物質。即養分的虧缺促進了棉花某些自毒物質的大量分泌，從而加重了自毒物質對棉花正常生長和發育的影響。

棉花連作土壤障礙的主要問題是棉花土壤微生態系統發生了生物退化，棉花根區土壤病原菌數量增加，有益菌數量下降，棉花根系分泌、殘體腐解向土壤中釋放自毒物質，營養元素因棉花連作對某些元素的偏好吸收而失去平衡等。因此，其修復主要是讓棉花土壤微生態系統得以恢復。由于過去對棉花連作障礙的克服主要從土傳性病害防治角度考慮，并提出了許多技術措施，但仍未從根本上得到解決。特別是有時棉花并不發病，但生長較差，通過采取施肥或灌溉措施，效果仍然不明顯。因此，只有恢復或改善棉花根區微觀土壤生態系統的健康狀況，才能從根本上解決棉花連作土壤的障礙問題。

從生態恢復的角度，棉花土壤微生態系統的恢復較傳統的宏觀尺度的生態系統恢復相對更容易。首先，通過特定程序篩選出能在棉花根區土壤中定殖、對病原菌具有較強抑制作用、對人類健康無害、對棉花生長有促進作用、對土壤中棉花產生的自毒物質有降解作用的有益微生物；然后，通過工業發酵制成活菌制劑，再利用棉花苗床育苗接種、移栽蘸根接種或拌種等方式，將這些有益菌引入棉花根區微觀土壤生態系統，改變棉花根區系統的生物組成，分解該系統中棉花釋放的自毒物質；另外，注重棉花的平衡施肥和有機肥的施用，供給土壤有益菌營養物質等，可以使發生過生物障礙的棉花根區微觀土壤生態系統得到恢復或改善到健康狀態[23]。其次，控制棉花連作土壤中病原菌增殖，必須減少棉花根區微觀土壤生態環境中病原菌數量，從而提高棉花植株抗病性。通常采用的主要技術有：①通過棉花輪作減少病原菌。棉花輪作是解決棉花連作障礙最為簡單而有效的方法。通過輪作改種其他作物，使前茬作物根區土壤中的大量病原菌失去寄主棉花和適宜的微觀土壤環境，減少棉花連作土壤中的病原菌數量。②采用土壤化學物理消毒法消滅棉花土壤中的病原菌[24]。但是，這些方法在生產中難以應用，而且還會帶來新的土壤環境污染問題，同時也會殺死土壤中的有益生物，破壞棉花根區微生態平衡。③增加棉花根區拮抗性微生物的數量，以抑制棉花土壤中病原菌數量。向棉花連作土壤中接種棉花生防菌活菌制劑，使拮抗菌在棉花土壤微生態系統中大量繁殖，成為棉花土壤中優勢微生物種群，并利用這些菌產生的抗性物質或重寄生等作用抑制土壤中特定病原菌生長。④利用營養和空間競爭等途徑減少棉田土壤中病原菌數量，使棉花土壤微生物區系保持在正常狀態下。從已發生棉花連作障礙的土壤或其他類似生態區的土壤中篩選能產生抗生素、并在棉花根區或棉花根表土壤中定殖的有益菌，通過工業發酵，人工大量繁殖有益菌，制備成棉花土壤微生態修復劑，將其接種到棉花根區土壤中，抑制棉花病原菌生長繁殖，調整失衡的棉田土壤微生物生態，將病害降低到不影響棉花生產的程度。

3 未來研究重點及技術發展方向

1）未來應從宏觀和微觀兩個層面開展棉花連作障礙方面的研究。在宏觀層面上，應著重研究解決棉花連作土壤障礙造成棉花產量損失的綜合應對技術；微觀層面著力研究連作土壤發生障礙的機理，揭示障礙因子與環境因素的關系，為減少和防控棉花土壤障礙的發生，提出棉花連作土壤健康調理技術的理論依據。

2）重點研究棉花連作土壤發生障礙的生物學和化學致毒機理。研究棉花連作土壤微生物變化與土壤-棉花病害抑制的相關性。因為土壤-作物自身病害抑制性是土壤健康的重要表征，所以，具體應從土壤微生物數量、生物量、多樣性及活性等多層面揭示棉花連作土壤微生物與土壤-作物病害的抑制性相關參數。

3）技術發展方向。對現行傳統技術的總結、篩選、驗證和集成，利用現代分子生物技術和方法、地理信息系統，開展不同區域或棉花品種內生菌快速分離、鑒別（益生菌和病原菌共生條件等）的技術研究，形成技術（微生態制劑）產品是未來解決棉花土傳性病害技術的發展方向。棉花連作障礙因子評價指標的確定及其體系構建，是未來棉花連作土壤健康調控的重要基礎[25]。以長江流域、西北內陸和黃河流域三大棉區棉花長期連作土壤障礙因子篩查及評價為基礎，重點研究棉花連作土壤障礙生物修復技術、營養調控技術、化學自毒物質消減技術對棉花生長發育影響的作用機理，構建其主產棉區棉花連作土壤障礙因子動態監測和地理信息系統數據庫，明確棉花長期連作土壤的主要障礙因子，形成棉花連作土壤障礙生物修復、營養調控和間套作栽培技術體系，并集成棉花連作土壤健康調控技術體系。

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（責任編輯 潘 峰）