果樹(shù)連作障礙形成機(jī)制及解決措施*

張藝燦，劉鳳之，王海波

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹(shù)研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部園藝作物種質(zhì)資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧省落葉果樹(shù)礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)與肥料高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)，植株出現(xiàn)生長(zhǎng)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(jì)作物[6-7]，桃、甜櫻桃、李、杏、蘋(píng)果、棗等果樹(shù)上已有研究報(bào)道[8-11]。連作會(huì)使蘋(píng)果節(jié)間變短、根尖壞死，生長(zhǎng)受到顯著抑制[12]。此外，連作還會(huì)降低果實(shí)的產(chǎn)量和品質(zhì)，影響經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)。輪作及適當(dāng)?shù)男莞捎行Ь徑膺B作障礙，但土地利用率及經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出顯著降低，故尋找連作障礙的形成機(jī)制是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，歸納了誘導(dǎo)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(duì)連作障礙的影響

土壤是植株礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的重要來(lái)源。由于植株存在營(yíng)養(yǎng)吸收偏好，在長(zhǎng)期種植同一種作物的地塊可能出現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)元素失衡現(xiàn)象，進(jìn)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(duì)32 個(gè)連作障礙程度不同的蘋(píng)果園進(jìn)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(fù)相關(guān)。但Wang 等[8]在對(duì)蘋(píng)果進(jìn)行研究時(shí)，提出了不同觀點(diǎn)：連作障礙與土壤中營(yíng)養(yǎng)含量并無(wú)直接的相關(guān)性。Xia 等[15]對(duì)種植冷杉的連作土與非連作土進(jìn)行了營(yíng)養(yǎng)元素分析，結(jié)果顯示，除總磷含量顯著下降外，其他指標(biāo)并無(wú)顯著差異，故其認(rèn)為，土壤營(yíng)養(yǎng)水平對(duì)連作障礙的影響有限。除礦質(zhì)營(yíng)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(píng)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(fù)相關(guān)。此外，土壤pH 值也會(huì)隨著連作年限的增加而逐漸降低[17]。酸化土壤會(huì)抑制根系生長(zhǎng)以及氮、磷、鉀、鈣等營(yíng)養(yǎng)元素的吸收，進(jìn)一步加重對(duì)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(duì)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(jī)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(rèn)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(shí)，遺留的根系及細(xì)枝中的生氰糖苷可大量水解生成苯甲酸[19-20]。此外，細(xì)菌及真菌侵染、線蟲(chóng)危害以及根系損傷也會(huì)誘發(fā)生氰糖苷的水解[21]。當(dāng)桃根系暴露在40 mg/kg 的苯甲酸中時(shí)，其地上部以及地下部的生長(zhǎng)均會(huì)受到明顯抑制[22]。此抑制效應(yīng)業(yè)已在西紅柿、大豆、芥菜和小麥上證實(shí)[23-26]。高濃度的苯甲酸會(huì)使根系細(xì)胞膜上的巰基被氧化，擾亂細(xì)胞膜功能，最終破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)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(píng)果上，發(fā)現(xiàn)蘋(píng)果根系中防御相關(guān)蛋白及活性氧清除蛋白均上調(diào)表達(dá)，說(shuō)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(duì)羥基苯甲酸等物質(zhì)也被證實(shí)具有自毒效應(yīng)[28-30]。然而，自毒物質(zhì)對(duì)植株的影響與其濃度密切相關(guān)[31]。低濃度的自毒物質(zhì)可顯著促進(jìn)植株生長(zhǎng)，增強(qiáng)光合作用；而在高濃度條件下，植株生長(zhǎng)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(yīng)是連作障礙產(chǎn)生的關(guān)鍵。

1.3 根際微生物對(duì)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(lái)，生物因素對(duì)連作的影響受到很大關(guān)注。將種植蘋(píng)果的土壤經(jīng)過(guò)熏蒸、巴氏消毒或伽馬射線處理，再植植株的生長(zhǎng)勢(shì)顯著增強(qiáng)[33-35]。連作香蕉園經(jīng)過(guò)石灰聯(lián)合碳酸氫銨熏蒸后，植株生長(zhǎng)勢(shì)顯著增強(qiáng)[36]。這表明土壤中的生物成分或顯著地影響著連作效應(yīng)。單一的栽培模式會(huì)造成微生物多樣性降低，且連作會(huì)進(jìn)一步誘導(dǎo)土壤微生物區(qū)系由細(xì)菌型向真菌型轉(zhuǎn)化[37-38]。在連續(xù)3 年種植西瓜的地塊上發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌群落多樣性逐漸下降而真菌群落多樣性增強(qiáng)[1]。對(duì)連作多年的草莓根際真菌進(jìn)行高通量測(cè)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(zhǎng)至對(duì)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(yīng)隨著連作年限的延長(zhǎng)會(huì)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(jìn)一步導(dǎo)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(guān)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(duì)微生物的影響巨大。Kelderer 等[45]對(duì)5 個(gè)連作年限相同的蘋(píng)果園進(jìn)行了微生物群落分析后發(fā)現(xiàn)，不同果園間真菌及細(xì)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(diǎn)有關(guān)。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(huì)誘導(dǎo)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(duì)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(jìn)真菌的生長(zhǎng)，抑制細(xì)菌以及放線菌的繁殖[48]。在低pH 值的誘導(dǎo)下，鐮刀菌會(huì)分泌更多的毒性物質(zhì)脫氧萎鐮菌醇，加重連作對(duì)植株的影響[49]。而土壤pH 值降低的誘因或?yàn)楦H微生物失衡。Mahnkopp 等[16]對(duì)同一地塊上種草與種蘋(píng)果區(qū)域進(jìn)行了取樣分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，二者pH 值無(wú)顯著差異，故蘋(píng)果連作并不是導(dǎo)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(yíng)養(yǎng)循環(huán)有關(guān)，而營(yíng)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(jī)磷過(guò)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(guò)程以及碳的循環(huán)[52]。當(dāng)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(dǎo)致病原菌的大量繁殖，從而加強(qiáng)連作效應(yīng)。

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(lái)源，在群落結(jié)構(gòu)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。基于此，植物根際周邊會(huì)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(yīng)的敏感度顯著高于根系分泌物對(duì)根系生長(zhǎng)的抑制效應(yīng)[55]。例如，玉米根系釋放出的苯并惡唑嗪酮會(huì)吸引假單胞菌的定殖而抑制疫霉屬真菌的生長(zhǎng)[56]，而蘋(píng)果根系分泌的根皮苷等典型酮類物質(zhì)，在病原菌與蘋(píng)果間的相互識(shí)別中發(fā)揮著重要作用。當(dāng)用碳化硅量子熒光標(biāo)記材料標(biāo)記鐮刀菌時(shí)發(fā)現(xiàn)，根皮苷可顯著促進(jìn)鐮刀菌的生長(zhǎng)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(jī)酸均會(huì)顯著改變微生物的群落組成，誘導(dǎo)病原真菌向土壤中釋放H+，并激活細(xì)胞膜上H+-ATP 酶的活性，從而創(chuàng)造一個(gè)不利于有益細(xì)菌生長(zhǎng)的酸性土壤環(huán)境[3]。同時(shí)，棲息在土壤中的真菌可不斷地進(jìn)化并趨向于適應(yīng)寄主植株的新陳代謝活動(dòng)，在不變的土壤環(huán)境中，進(jìn)化的病原菌會(huì)不斷地增加接種數(shù)量，加強(qiáng)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(jìn)一步增強(qiáng)其降解速率[58]。伯克霍爾德菌屬以及不動(dòng)桿菌屬可將苯甲酸降解成黏糠酸以減少對(duì)植株的傷害[59]，而這一過(guò)程主要是通過(guò)鄰苯二酚1,2-雙加氧酶的同功酶實(shí)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(guò)合成拮抗物質(zhì)來(lái)抵抗病原真菌，如假單胞菌的次生代謝產(chǎn)物2,4-二乙酰基間苯三酚及吡咯菌素對(duì)根際病原菌都有一定的抑制效應(yīng)[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(dá)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(guān)，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(zhǎng)期單一的土壤環(huán)境而導(dǎo)致根系自毒物質(zhì)的積累以及微生物群落組成與結(jié)構(gòu)的不平衡，從而引發(fā)的生長(zhǎng)障礙及病害暴發(fā)。緩解連作效應(yīng)可通過(guò)以下幾個(gè)措施實(shí)現(xiàn)。

2.1 加強(qiáng)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(jī)復(fù)合肥可顯著提高土壤營(yíng)養(yǎng)元素含量，改善光合作用，促進(jìn)植株生長(zhǎng)。在葡萄根際施入生物有機(jī)肥可顯著促進(jìn)根系生長(zhǎng)，根際礦質(zhì)元素及有機(jī)質(zhì)含量均顯著提高[64]。施用海藻肥可顯著促進(jìn)連作蘋(píng)果的生長(zhǎng)，提高抗氧化酶以及土壤酶活性[65]。除改善生長(zhǎng)外，有機(jī)物料的添加還可促進(jìn)酚類物質(zhì)的轉(zhuǎn)化以減少植株損傷，吸附根系分泌物以減少對(duì)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(bào)道稱，施用有機(jī)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(guān)鍵在于土壤生物化學(xué)性質(zhì)的變化。故在保證營(yíng)養(yǎng)的前提下，施用肥料應(yīng)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(yàn)將連作蘋(píng)果幼苗分別與苜蓿、大麥、金盞菊混合種植，結(jié)果表明，3 個(gè)處理中病原真菌的侵染率均顯著降低，細(xì)菌群落多樣性增強(qiáng)。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(guò)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(wèn)題。覆蓋物種植還可有效防止地表暴曬引起的有機(jī)質(zhì)降解及土壤酶活性的降低[73]，改善果實(shí)品質(zhì)[74]。故在果樹(shù)下種植合適的覆蓋物對(duì)緩解連作效應(yīng)、增強(qiáng)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(duì)連作障礙的表現(xiàn)不同。張春禹[75]提出，連作對(duì)自根砧M26、G41、Rel:54-118以及G11 的影響較小，這些應(yīng)為抗重茬砧木。倪蔚茹等[76]認(rèn)為，蘋(píng)果‘富士2001’及‘宮崎’品種可抵抗連作危害。Rumberger 等[77]對(duì)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(jié)構(gòu)相差十分明顯。砧木的基因型差別越大，微生物群落結(jié)構(gòu)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(guān)。故在果園更新時(shí)，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(guān)鍵，改善根際微環(huán)境是所有措施的落腳點(diǎn)。目前，已從土壤中分離出可抑制病原菌生長(zhǎng)、可降解自毒物質(zhì)等多功能的微生物菌種并開(kāi)發(fā)形成菌劑。肖蓉等[79]在連作蘋(píng)果園中施用復(fù)合微生物菌劑后，通過(guò)序列分析發(fā)現(xiàn)，果園中微生物多樣性增強(qiáng)，土壤微生態(tài)得到了修復(fù)。王建斌等[80]將微生物復(fù)合菌劑與有機(jī)肥混合回填到栽培坑后，再植蘋(píng)果連作效應(yīng)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(guān)鍵技術(shù)。

3 當(dāng)前工作重點(diǎn)及展望

基于連作障礙成因分析，本團(tuán)隊(duì)從以下幾個(gè)方面開(kāi)展了葡萄連作障礙研究：①連續(xù)7 年解剖葡萄樹(shù)體，得出了葡萄各時(shí)期礦質(zhì)元素吸收運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律[81]，為科學(xué)施肥、保持土壤營(yíng)養(yǎng)元素平衡提供了數(shù)據(jù)支撐；②在盆栽及無(wú)土栽培條件下，對(duì)22 個(gè)葡萄砧木品種進(jìn)行抗重茬能力篩選，以期找到抗性較強(qiáng)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(xì)菌，為微生物肥料的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

連作障礙嚴(yán)重制約了水果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，尋找有效的解決措施對(duì)行業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展具有重要作用。目前，更多先進(jìn)的技術(shù)手段，如熒光標(biāo)記、土壤微生物測(cè)序等已應(yīng)用到連作障礙的研究中并得出了重要結(jié)論。但目前仍存在一些問(wèn)題，可作為下一步研究的重點(diǎn)：①果樹(shù)連作障礙的研究大多以蘋(píng)果為研究對(duì)象，部分結(jié)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(duì)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(jiàn)微生物的種屬劃分不夠細(xì)致且功能不清，應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)加深對(duì)根際微生物的研究與功能開(kāi)發(fā)。