綠肥影響農田土傳病害的研究進展

魏 勇， 高嵩涓， 曹衛東， 段廷玉*

(1.蘭州大學草地農業科技學院/蘭州大學草地農業生態系統國家重點實驗室/農業農村部草牧業創新重點實驗室，甘肅 蘭州 730020； 2.南京農業大學資源與環境科學學院， 江蘇 南京 210095； 3.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/農業部植物營養與肥料重點實驗室， 北京 100081)

作物土傳病害是由存在于土壤中的病原體(真菌、細菌、病毒、線蟲和原生動物等)在環境條件適宜時侵染植物根部或莖部引發的病害[1]。土傳病害病原物的生活史部分或者大部分在土壤中度過，具有很強的隱蔽性[2]，且各類土傳病害的癥狀比較相似，僅從癥狀上對特定病害的診斷較為困難[3]，相對于空氣、水、種苗等傳播途徑的病害更加難以防控[4]。土傳病害病原物生存能力和侵染能力強[5]、寄主范圍廣[6-7]、可在土壤中常年存活并累積[8-9]，導致土傳病害一旦暴發，危害十分嚴重。據報道，立枯絲核菌(Rhizoctoniasolani)、尖孢鐮孢菌(Fusariumoxysporum)等土傳病原菌引致的病害，可導致小麥(Triticumaestivum)、棉花(Gossypiumspp.)、蔬菜等作物減產50%～70%[3]。大麗輪枝菌(Verticilliumdahliae)引致的馬鈴薯黃萎病可造成產量損失10%～15%，嚴重時達30%～50%[10]。連作3～5年的農田，土傳病害可造成作物減產20%～40%，嚴重的減產60%以上甚至絕收[11]。近年來，集約化農業生產模式快速發展[12]，片面追求高產、優質和高效，導致生態環境惡化失衡[13]，土傳病害日益加重，嚴重制約了我國農業的可持續發展。

化學防治是目前農業生產中快速、有效防治土傳病害的主要措施[14]，但存在破壞生物多樣性和原有微生物之間動態平衡、誘導病原物產生抗藥性以及藥物殘留等嚴重問題[15-16]。綠肥是利用栽培或野生綠色植物體作肥料的一種養分完全的清潔有機肥源[17]，是我國傳統農業的精華，按植物學特性劃分一般可分為豆科、非豆科綠肥兩類，其中豆科綠肥由于具有固氮作用，是主要的綠肥種類，非豆科綠肥目前較常見的是十字花科和禾本科作物，還有一些富鉀作用強的菊科、莧科以及一些水生植物[18]。綠肥植物腐解釋放養分，供給后茬作物生長[19]，同時具有提高土壤質量[20]、防止水土流失[21]、減少溫室氣體排放[22]等功能。當其與主作物合理搭配時，還可有效降低土傳病害發生[23]，如馬鈴薯(Solanumtuberosum)-蘇丹草(Sorghumsudanense)、硬粒小麥(T.durum)-埃塞俄比亞芥(Brassicacarinata)、西瓜(Citrulluslanatus)-毛葉苕子(Viciavillosa)輪作模式中，綠肥均可有效減輕其土傳病害的發生[24-26]。近年來，綠肥生產和科研得到了極大重視[18]。在土傳病害日益嚴重、化學藥劑減施的背景下，綠肥在農藥減施、改良土壤、防治作物土傳病害方面具有廣闊的應用前景。

本文基于Web of Science和CNKI數據庫，查閱總結了綠肥對不同類型病原物引起的作物土傳病害的影響及其作用機制，并對本領域研究中存在的問題及下一步重點研究方向進行了分析，以期進一步明確綠肥生態價值，推動綠肥產業發展，并為土傳病害的綠色防控提供參考策略。

1 綠肥對作物土傳病害的防控效果

綠肥對作物土傳病害影響的研究多以真菌和線蟲病害為主，對其他病原微生物引致病害的研究較少。這與目前報道的80%以上植物病害由真菌引致相符，亦與細菌、放線菌、病毒等侵染環境條件條件更加復雜，侵染性相對較弱有關[27]。

1.1 綠肥對土傳真菌病害的防控效果

真菌在土傳植物病原物中占主導地位，大麗輪枝菌、立枯絲核菌、尖孢鐮孢菌等均是典型的土傳病原真菌[28]。種植后翻壓或施加外源綠肥對土傳真菌病害具有良好的抑制作用(表1)。

表1 綠肥對土傳真菌病害的影響Table 1 Effects of green manures on soil-borne fungal diseases

土傳病害是限制馬鈴薯生產的重要因素[29]。研究發現，利用甘藍型油菜(B.napus)、印度芥菜(B.juncea)、白菜型油菜(B.campestris)、蕪青(B.rapa)、肥田蘿卜(Raphanussativa)、黃芥菜(Sinapisalba)、蘇丹草、多花黑麥草(Loliummultiflorum)、大麥(Hordeumvulgare)、燕麥(Avenasativa)、黑麥(Secalecereale)，普通蕎麥(Fagopyrumesculentum)以及奧地利冬豌豆(Pisumsativum)等綠肥與馬鈴薯輪作，與馬鈴薯單作或當地的常規輪作模式相比，可顯著降低馬鈴薯黃萎病、粉痂病、根莖潰瘍病、莖腐病、黑痣病、菌核病等土傳病害發病率和為害程度，降幅達到12%～100%[30-33]。亦有研究顯示，適量施加外源綠肥可顯著降低馬鈴薯病害發生，如在馬鈴薯連作田中施加24 t·ha-1的奧地利冬豌豆、西蘭花(B.oleracea)和蘇丹草，可降低黃萎病嚴重度68%以上，但低量施加(6 t·ha-1)時，效果不佳[34]。

對其他作物土傳真菌病害的研究也有相似的結果，如埃塞俄比亞芥-硬粒小麥，毛葉苕子/絳三葉草(Trifoliumincarnatum)-西瓜，白芥(S.alba)/埃塞俄比亞芥-辣椒(Capsicumannuum)，印度芥菜/細葉二行芥(Diplotaxistenuifolia)-黃瓜(Cucumissativus)的綠肥-主作物輪作體系可分別抑制小麥鐮孢菌根腐病、尖孢鐮孢菌西瓜枯萎病、辣椒疫霉根冠腐病和尖孢鐮孢菌黃瓜枯萎病的發生，防效達21%以上[25-26,35-39]。研究還發現，綠肥對土傳病害的防控效果與綠肥種類有關[37-39]，并受綠肥翻壓量的影響[26,39]。

然而，綠肥對土傳真菌病害并非總是正向作用。Conklin等[40]的研究表明，在紅三葉(T.pratense)與堆肥共同改良的土壤中，野生芥菜(B.kaber)腐霉根腐病(Pythiumspp.)的發病率在大多數取樣時間顯著高于未改良土壤，增幅度達10%～70%。Molina等[41]則發現，白芥、東方芥菜(B.Juncea)、燕麥/豌豆(Pisumsativum)混合物、加拿大黃芪(Astragaluscanadensis)、冬黑麥(S.cereale)和蘇丹草均對馬鈴薯黃萎病發病率和嚴重度無明顯影響。

1.2 綠肥對線蟲病害的防控效果

植物寄生線蟲是引致作物土傳病害的另一大主要病原，迄今為止，已報道超過4 100種植物寄生線蟲可危害作物生產[42]，全球每年因植物寄生線蟲造成的損失高達1 570億美元[43]。有關綠肥調控線蟲病害的研究多集中于馬鈴薯、番茄等作物(表2)。

表2 綠肥對土傳線蟲病害的影響Table 2 Effects of green manures on soil-borne diseases caused by nematodes

根結線蟲(Meloidogynespp.)是目前世界上研究最多、為害最嚴重的植物寄生線蟲。各種根結線蟲可破壞植物根系，造成真菌、細菌的二次侵染[44]，直接或間接導致作物成熟延遲、倒伏，降低作物產量和品質，增加生產成本，降低經濟收入[45]。研究表明，蘇丹草、紫御谷(Pennisetumglaucum)、煙堇(Fumariaparviflora)、甘藍型油菜、印度芥菜、芝麻菜(B.eruca)和大托葉豬屎豆(Crotalariaspectabilis)等綠肥，可顯著降低北方根結線蟲(M.hapla)、南方根結線蟲(M.incognita)、哥倫比亞根結線蟲(M.chitwoodi)、爪哇根結線蟲(M.javanica)等根結線蟲的卵孵化率、2齡幼蟲數量和種群密度，有效抑制線蟲病害發生，減輕其為害程度[46-53]。綠肥影響根結線蟲的作用受翻壓量、土壤特性、初始線蟲種群數量、處理時間等因素影響，在相對高的綠肥翻壓量、合理的翻壓時間、較低的初始線蟲種群數量情況下，抑制效果明顯[49-51]。綠肥對根結線蟲的抑制效果在沙壤土中效果最好，在粘性土壤中效果最差[48]，并隨著時間逐漸減弱[48,50]。在為害較為嚴重的田間，使用綠肥配施殺線蟲劑或混合種植不同綠肥，有助于提升對根結線蟲的防治效果[51,53]。

胞囊線蟲是另一種為害十分嚴重的植物寄生線蟲，其中孢囊線蟲屬(Heteroderasp.)和球囊線蟲屬(Globoderasp.)為害嚴重。胞囊線蟲胞囊可保護內部蟲卵不受傷害，較其他線蟲更難防治[54]。蕓薹屬綠肥的生物熏蒸作用為胞囊線蟲的防治提供了新的選擇。對22種蕓薹屬綠肥葉提取物殺蟲作用的研究發現，有12種對馬鈴薯白線蟲(G.pallida)2齡幼蟲數量減少率達到55%以上；3個含有高濃度2-丙烯硫代葡萄糖苷的芥菜型油菜品系(Nemfix，Fumus和ISCI99) 輪作，結合聚乙烯薄膜覆蓋，可使土壤中95%以上的線蟲蟲卵死亡，較露天土壤中具有更大的毒性效應[55]。但也有研究發現，綠肥作物翻壓未影響線蟲或線蟲病害的發生，如黃芥、油菜和肥田蘿卜的莖葉提取物、根系提取物和整株翻壓還田均未能影響馬鈴薯金線蟲(G.rostochiensis)卵孵化率[56]。其他一些綠肥也未表現出預期的殺蟲防病功效，如套種紫花苜蓿(Medicagosativa)、紅三葉和多年生黑麥草(L.perenne)對大豆胞囊線蟲(H.glycine)種群數量的影響受試驗地點和采樣時間的影響，不確定性較大[57]。

續表2

1.3 綠肥對土傳細菌及放線菌病害的防控效果

綠肥對土傳細菌病害影響的研究主要見于馬鈴薯瘡痂病和煙草青枯病(Ralstoniasolanacearum)。輪作糙伏毛燕麥(A.strigosa)、芥菜可分別使腫痂鏈霉菌(Streptomycesturgidiscabies)和瘡痂鏈霉菌(S.scabiei)引致的馬鈴薯瘡痂病嚴重度降低10%和29%[24,58]，輪作大豆(Glycinemax)可顯著降低甚至阻斷馬鈴薯瘡痂病的發生[59]，而蕎麥對馬鈴薯瘡痂病無顯著影響[30]。對煙草(Nicotianatabacum)的研究表明，雖然研究地點、綠肥種類不盡相同，但各綠肥均能顯著降低青枯病發病率和病情指數[60-62]。僅有少量研究顯示，水煙田復種黑麥草，增加了青枯病發病率[63]。此外，蘇丹草可降低瘡痂鏈霉菌引起的紫花苜蓿疫霉根腐病嚴重度，提高植株存活率[64]。鴨嘴花(Adhatodavasica)的根、分枝和莖均可降低青枯勞爾氏菌引起的番茄青枯病病程曲線下面積[65]。

2 綠肥影響作物土傳病害的相關機制

病害的發生取決于寄主、病原和環境三者之間的相互作用，任何一者的改變都可能改變病害的發生與發展[66]。綠肥對作物土傳病害的影響，同樣表現在對作物、病原和土壤環境的影響。綠肥在種植和翻壓后腐解過程中，會產生大量的次生代謝物、酶和揮發性化合物等[67-68]。一方面，這些物質具備直接促進作物生長、提高作物抵抗病害的能力；另一方面，可以改變土壤理化性質和土壤微生物種群結構的作用，間接抑制病害的發生。

綠肥栽培和利用方式多種多樣，主要包括輪作、間作、套作和外源綠肥施加等。間套作影響作物土傳病害的相關機制已有較為系統的研究，主要包括促進作物養分吸收、增加作物異質性、改變田間小氣候、稀釋土壤病原物密度及根系分泌物對病原菌的化感效應等[65]。而輪作和外源施加兩種綠肥模式對土傳病害具有更深層次的影響和更多種的作用機制。

2.1 綠肥促進主作物養分吸收，提高作物健康水平

綠肥在種植過程活化土壤中的難吸收養分，又在腐解過程釋放速效養分，保證了作物的養分供給，提高了作物的整體健康水平。同時，各養分也會影響病原對作物的侵染，從而影響病害的發生。研究表明，提高氮的有效性可以抑制一些病原生長，并影響植物防御系統的激發和部署[69]。野花生豆(C.mucronata)等豆科綠肥翻壓后向土壤中釋放大量的速效氮，增加了咖啡樹枝條、葉片和漿果數，顯著降低咖啡褐斑病(Cercosporacoffeicola)病葉率和每葉病斑數[70]。絳三葉草和毛葉苕子的固氮作用是其抑制西瓜枯萎病的機制之一[37]。

作物遭受病原侵染時，體內會產生與抗病代謝過程相關的酶、酚類和糖類等大分子物質。酚類物質是植物次生代謝物的主要類型之一，具有天然的抗氧化活性，對植物抵御逆境脅迫具有重要作用[71]。在棉花現蕾期和花玲期施加油菜綠肥均可提高棉花根系和葉片中的酚類物質含量，顯著降低棉花黃萎病發病率和病情指數[72]。

2.2 綠肥抑制病原微生物

綠肥部分化合物的水解產物具有直接滅殺或抑制土壤病原物的能力。硫代葡萄糖苷是十字花科蕓薹屬綠肥的重要次生代謝物，其水解產物異硫氰酸酯具有滅殺土壤病原物的能力[73]。研究表明，蕓薹屬綠肥的提取物可顯著抑制病原真菌的菌落大小[74]和線蟲2齡幼蟲的數量[55]，蕓薹屬綠肥抑制小麥根腐病[25]、煙草青枯病[60]、葡萄根結線蟲[50]和馬鈴薯胞囊線蟲[55]等病害的主要機制是其腐解釋放異硫氰酸鹽，通過減少土壤病原物種群數量，直接抑制作物病害的發生。

蘇丹草中蜀黍苷水解釋放的氰化氫，是一種有效的殺線蟲化合物[75]，常被用于管理線蟲病害。與蕓薹屬綠肥相似，蘇丹草可通過氰化氫對線蟲的毒殺作用，降低線蟲卵孵化率，減少2齡幼蟲數量，控制線蟲病害發生。但受限于氰化物濃度和田間管理措施，蘇丹草對線蟲的抑制效果隨著時間逐漸減弱，在一個月內最為有效[47-48]。

綠肥對病原物的抑制能力受綠肥種類、綠肥翻壓量、腐解程度和土壤理化性質等多種因素影響，并具有一定的時效性[76]。較高的綠肥翻壓量可提供更高濃度的次生代謝物濃度[77-78]，較高的土壤溫度可促進次生代謝物的水解[79]，增加土壤含水量可延長異硫氰酸鹽的有效性，增加與病原物的接觸時間[50,55]。

2.3 綠肥介導不利于病原物生存的土壤環境

綠肥培肥地力的作用主要體現在改變土壤理化性質，如改變土壤養分、酶活性和pH等[80-81]。病原菌的生存同樣依賴于適宜的土壤理化性質，土壤各組分的變化均會對病原菌產生影響。土壤養分是植物與病原菌為滿足自身新陳代謝競爭的首要目標，土壤pH是土壤重要的理化指標，影響綠肥誘導的土壤抑制效果[82]，土壤酶活性的失調與土傳病害發生亦有密切關系[83]。研究表明，施加綠肥后，土壤總碳、硝態氮和二乙酸熒光素含量升高[84]，改變了土壤交換性酸[59]，使土壤不利于病原體存活或活動，是其抑制主作物土傳病害的機制之一。

2.4 綠肥改變土壤微生物組成，提升對病原物的競爭和拮抗

土壤微生物在土傳病害傳播與控制、有機質周轉與肥力提升、養分轉化與根系促生、污染物分解與轉化等方面發揮著重要作用[12]。土壤微生物豐度和結構是土壤質量的重要指標。土壤微生物尤其是根際微生物對植物健康至關重要，苗期根際土壤細菌群落結構和功能決定未來植物的健康[85]，原生動物群落組成可預測未來植物健康[86]。綠肥翻壓或施加可顯著提高土壤微生物種群數量，改變土壤微生物類群組成[87]，與病原菌形成“競爭和拮抗效應”，是綠肥減輕作物病害的主要機制[24]。綠肥翻壓后，土壤微生物數量、多樣性和活性普遍提高，在作物根際旺盛生長，消耗大量的能源，減少病原物可利用能源而限制其大量增殖，減輕病害發生；同時，有益微生物數量增加，對病原物產生拮抗作用，抑制病原生長。

一些研究發現，翻壓綠肥后，可通過增加叢枝菌根真菌定殖水平[88]、提高拮抗鏈霉菌和細菌豐度，產生更多的病原菌抑制活性物質、提高非致病性鐮孢菌屬[如木賊鐮孢菌(F.equiseti)]等土壤微生物種群數量，增加生物防治的潛力[31,89]，提高作物根際具有抑制病原菌和誘導植物產生系統抗性的細菌多樣性和類群豐度[38-39]等方式，達到長期抑制病害的目的。

土壤微生物與植物土傳病害的發生息息相關，部分土壤微生物與病原物之間競爭養分、空間和侵染位點，部分土壤微生物可產生代謝產物、酶等抑制病原菌生長，還有部分土壤微生物可直接滅殺病原物，都是土壤微生物抑制土傳病害發生的可能機制。綠肥可改良土壤微生物結構，為植物健康提供重要保障[90]。

3 問題與展望

近年來，國家大力推進生態文明建設，全面實施綠色發展、鄉村振興等戰略。綠肥不僅是實現“一控兩減三基本”目標和踐行“綠水青山就是金山銀山”理論的重要途徑，更是實現耕地用養結合、農業清潔生產、減輕作物土傳病害危害的重要技術保障和有效措施。然而，綠肥對土傳病害的影響是一個復雜的過程，綠肥對土傳病害的防效受綠肥種類、病原類型和利用方式等多種因素影響，在實際生產中，防效不盡相同，存在一定局限性。綠肥-主作物的合理搭配是發揮綠肥抑制土傳病害功能的前提，應充分考慮綠肥的生長和功能特征，匹配適宜的綠肥利用方式，根據田間管理措施、氣候條件、土壤理化性質等條件，針對不同種植系統，研發構建合理的綠肥-主作物種植模式，挖掘綠肥防控土傳病害的潛力。

現有研究多關注綠肥對作物產量、土壤養分、化肥減施和其腐解過程中溫室氣體排放的影響，對于綠肥調控主作物病害的關注較少，尤其缺乏綠肥-主作物病害一體化防控的研究，這是今后應加強的方向。同時，目前的研究對不同綠肥作物調控主作物病害機制的研究不夠深入，缺少基于生物信息學和高通量測序技術解析綠肥調控主作物病害的生理生化及分子機理。綠肥翻壓量影響主作物病害的機理多集中于從養分吸收利用、次生代謝物等角度，少見上述因素及環境因子與微生物多樣性、功能菌群等互作視角的闡釋。缺少綠肥調控主作物病害在化肥農藥減施、提質增效、培肥地力及推動農業可持續發展等方面的社會經濟學研究。

綠肥產業發展迅速，探究和利用綠肥對系統內主作物病害的調控作用，是發展我國生態農業這一傳統瑰寶，保障人民食物安全的重要舉措。在加強應用、機理和社會經濟學研究的基礎上，構建合理的綠肥-主作物種植制度，利用綠肥提高土壤微生物多樣性、促進作物形成健康根際微生物菌群的特點，研發其與根際促生菌、生防菌等其他有機改良劑或與適當的化學防控措施之間的協同應用，篩選和培育群體水平生防功能菌群，是保障土壤健康，實現土傳病害綠色防控的有效途徑，具有廣闊的研究和應用前景。