藥用植物連作障礙研究進展

顧 艷，梅 瑜，徐世強，孫銘陽，張聞婷，周 芳，李靜宇，王繼華

（廣東省農業科學院作物研究所/廣東省農作物遺傳改良重點實驗室/廣東省道地南藥資源保護與利用工程中心，廣東 廣州 510640）

中醫是我國具有民族特色的傳統文化和產業，優質中藥材是支撐這一傳統產業傳承和發展的物質基礎，是關系國計民生的戰略性資源，大力發展和加快推進中藥材產業的現代化發展已經成為國家長期發展規劃的一部分［1］。隨著我國農業供給側結構性改革的推進和《中藥材產業扶貧行動計劃（2017—2020 年）》的發布，國家對中藥材產業的扶持力度不斷增加，中藥材產業發展迎來了新機遇。《全國道地藥材生產基地建設規劃（2018—2025 年）》指出，要加強道地藥材資源保護和生產管理，建立道地藥材標準化生產體系，全面加強道地藥材質量管理，實現綠色防控全覆蓋。我國地域遼闊、地形復雜多樣，氣候環境多變，適合多種藥材生長，是世界中藥資源最豐富的國家之一。目前我國常用中藥材600 多種，其中300 多種已經實現人工栽培，大規模種植品種約有100 種，種植面積超過220 萬hm2，目前已初步形成一批道地藥材優勢產區，中藥產業規模已逾7 800 億元［2-3］。由于近年來隨著國內外對中藥材需求的日益增長，人工栽培藥用植物的種類和面積大幅增加，但受耕地、種植條件及道地性等因素的限制，在藥用植物集約化種植過程中，普遍存在嚴重的連作障礙問題。藥用植物連作會出現植株生長發育不良、病蟲害加重、產量和品質下降等問題，尤其對以塊根塊莖入藥的藥用植物尤為嚴重［4］。研究表明，約70%的塊根類中藥材（如丹參、地黃、人參、半夏、三七等）均存在嚴重的連作障礙問題［5］，連作三七發病率達90%以上，一般認為種植過三七的土壤需連續種植玉米、旱稻等其他作物10 年以上才能再次種植三七［6-9］。由于對連作障礙的作用機理和影響因素缺乏科學認識，大部分種植戶為提高產量和減少病害而盲目加大肥料和農藥的使用，導致農業生產成本增加、農藥殘留超標、藥材品質變劣，農田生態系統進入惡化循環，嚴重阻礙中藥材規范化種植和產業化發展，降低藥農種植積極性和區域經濟發展［10］。鑒于此，本文主要綜述了藥用植物連作障礙的危害、形成機制以及調控策略，以期為藥用植物連作障礙的消減和規范化種植提供思路。

1 藥用植物連作障礙的危害

1.1 影響藥用植物生長發育，降低藥材產量

藥用植物連作后，土壤環境逐漸變得不適宜作物生長，土傳病害加劇，植株長勢變弱易患病，生長發育受到抑制，導致藥材產量下降甚至出現絕收現象。藥用植物連作障礙現象最常見于塊莖類藥材，如人參、太子參、地黃、白術、半夏等。人參和西洋參地種植后要30 年以上才能再次種植，若連作種植人參則70%以上人參須根出現脫落、燒須現象。三七連作后，其種子發芽率明顯降低，成苗率以及株高顯著下降，產量大幅減少［11］。隨著連作年限的增加，白術的株高、莖粗、分枝數，包括其根系的根長、直徑、體積均顯著降低，導致其生長受到抑制，產量嚴重下降［12］。連作影響了藥用植物的生理活性，從而影響作物的生長發育。連作半夏的葉片中葉綠素的質量分數以及各種保護酶（如超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶）活性均下降，在生長后期連作半夏的株高、塊莖直徑、地上部分和地下部分的生物量均顯著降低，導致產量、品質下降［13］。連作地黃在整個生育周期，葉片中葉綠素含量、光合特性以及根系活力均處于較低水平，產量顯著降低［14］。隨著栽培年限的提高，廣藿香的株高、葉面積、根系活力以及根莖葉中過氧化物酶、超氧化物歧化酶和過氧化氫酶均受到一定程度的抑制［15］。

1.2 影響藥用植物次生代謝過程，降低藥材品質

連作障礙不僅會降低藥材產量，還會影響藥材品質。連作導致次生代謝產物合成減少，藥材中有效成分含量顯著降低，品質下降，甚至出現不符合藥典標準、臨床療效變差的情況［16］。白術連作1～2 年的水分含量以及連作3 年的灰分含量均未達到《中華人民共和國藥典》標準，其白術內酯Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ均顯著降低，品質下降［12］。連作半夏的塊莖后期加工時會出現腐爛和折干率低下的現象，其塊莖粉末中有效成分浸出物的質量分數低于0.9%，有機物質量分數低于0.25%，低于《中華人民共和國藥典》標準［17］。連作對白花丹參生長和品質的最大影響期為第2 年，連作2 年后的白花丹參地下部鮮重和干重均顯著降低，其脂溶性成分二氫丹參酮、隱丹參酮、丹參酮Ⅱ、小丹參新酮均不同程度下降，水溶性成分丹酚酸B 和迷迭香酸含量下降超過60%［18］。穿心蓮的連作障礙主要表現為活性成分降低，研究表明，連作1～2 年的穿心蓮中穿心蓮內酯和脫水穿心蓮內酯含量均顯著降低［19］。廣藿香連作后，其有效成分百秋李醇的含量明顯下降［20］。

1.3 影響土地資源利用，破壞生態環境

藥用植物在生長過程中會產生很多次生代謝物，某些物質會進入土壤，隨著連作年限延長，土壤中的某類物質逐漸累積，達到一定濃度會嚴重影響植物生長。某些藥用植物連作障礙非常嚴重，栽種一茬后幾年甚至幾十年都不能再種植，降低復種指數，土地資源得不到有效利用而浪費。由于連作會導致作物病蟲害加劇和產量降低，農民盲目使用化肥和農藥會造成土壤農藥殘留。為獲得質量好、產量高的藥材，藥農盲目更換種植地點，擴大種植面積，轉移傳統種植區，有可能破壞原有的自然生態，導致該區域內環境的生物多樣性遭到嚴重破壞。

2 藥用植物連作障礙的形成機理

連作障礙的發生原因非常復雜，是“植物-土壤-微生物”3 個系統內共同作用的結果，發生原因主要包括土壤養分虧缺和失衡、化感自毒作用以及根際微生態破壞導致土傳病害加重［20］。

2.1 土壤養分虧缺和失衡

藥用植物對礦質元素以及微量元素的吸收具有選擇性，某一類作物吸收土壤養分特別是微量元素的種類和比例具有特定規律［12］。藥用植物連作會造成土壤中某些元素虧缺，養分平衡被打破，影響作物的生長發育［22-23］。三七連作3 年后，土壤中鎂、銅、鈣含量減少，而鐵、錳、鈉含量卻發生富集，營養元素比例失調，顯著影響三七的品質［24］。白術隨著連作年限的增加，其根際土壤中有機質、全氮、有效磷、速效鉀等大量元素含量差異不大，但是微量元素如有效鐵和鋁以及交換性錳等含量顯著增加［25-26］。藥用植物連作引起某些養分偏耗，會導致土壤團粒結構和孔隙性被破壞，土壤板結，透氣性差，物理性狀惡化等。研究表明，人參隨著種植年限的增加，土壤中物理性黏粒（粒徑＜0.01 mm）增加，土壤非活性空隙比例降低，土壤團粒結構被破壞，導致土壤板結，透水性透氣性變差，嚴重影響人參的生長和品質［27］。長期單一種植某一類藥用植物，根系分泌物中的化學物質在根際土壤中大量累積，會發生元素間的拮抗作用，進而使土壤酸堿度失去平衡，土壤pH 降低，酸化現象加重［25］。作物連作條件下還會影響土壤酶活性，進而影響藥用植物的生長發育［28］。研究表明，連續種植三七3 年的土壤中，其蛋白酶、蔗糖酶、磷酸酶、過氧化氫酶以及脲酶活性與未種植過三七的土壤相比顯著降低［29］。玄參連作嚴重影響玄參生長，造成死苗和爛根現象，根際土壤中多酚氧化酶和酸性磷酸酶的活性顯著降低，這可能是影響玄參產生連作障礙的關鍵性酶［30］。

2.2 化感自毒作用

在植物生長過程中，植物的根、莖、葉等部位的化學物質通過揮發、淋溶、枯枝腐解以及根系分泌等方式進入土壤及周圍環境中，其中某些物質會影響作物的生長發育，被稱為化感物質。化感自毒作用是指化感物質抑制同種植物生長發育的現象，其廣泛存在于自然界中，一直被認為是導致藥用植物連作障礙的主要因素之一［31］。研究表明，半夏產生的有機酸類、酚類等化感物質有強烈的自毒作用，能顯著抑制半夏種芽萌發和幼苗生長，這可能是半夏連作地出苗率低、倒苗嚴重的原因之一［32-33］。百合植株各器官產生的酯類、酚類等次生代謝物在土壤中積累而產生的自毒作用是導致其連作障礙的重要原因［34］。近年來，多種化感物質從不同植物的根際被分離和鑒定，主要包括有機酸、酚酸、萜類化合物、黃酮類化合物等［35-37］。前人研究主要集中在糧食作物和園藝作物上，隨著中藥材產業的發展，藥用植物化感物質及其自毒作用的研究逐漸受到重視并取得一些進展。研究表明，常見塊根類藥材如地黃、三七、半夏、白術、人參中的化感物質主要包含酚酸類、有機酸類、帖類、生物堿類、皂苷等［38-44］。藥用植物化感物質存在于植株根、莖、葉各個部位以及根際土壤中，對種子萌發和幼苗生長有較強烈的抑制作用。廣藿香連作土壤顯著影響廣藿香扦插苗不定根的形成和生長，根系活力和生長速率都受到不同程度抑制［45］。藿香根際土壤水浸液和植株根、莖、葉的水浸提液對其種子萌發和幼苗生長均表現出顯著抑制作用，且有較強的濃度效應，其化感自毒作用表現為葉＞根＞莖［46］。相同濃度下，白術的自毒作用表現為莖葉高于根水浸提液；相同部位條件下，幼苗期自毒作用顯著高于孕蕾期和結實期；白術水浸提液自毒作用的濃度效應顯著，整體表現為低濃度促進、高濃度抑制，在頭花蓼中也呈現類似規律［34,47］。藥用植物的化感自毒作用與連作年限也有關，隨著種植年限的增加，其根系分泌物皂苷對三七出苗率、成活率以及幼苗生長的抑制作用越強［42］。以上研究均表明，化感物質的持續累積而產生的自毒作用是藥用植物連作障礙發生的重要因素，化感自毒作用的強度與植株部位、種類和濃度以及所處的生育期均有密切聯系。

2.3 根際微生態破壞及土傳病害加重

藥用植物在生長過程中，根系會分泌大量有機物質，包括有機酸類、酚酸類、脂肪酸類、氨基酸類、糖類、蛋白質等。根系分泌物為土壤根際微生物提供大量的營養物質，在調控根際微生態系統結構與功能方面發揮重要作用，介導植物-土壤-微生物之間的相互作用［48］。隨著分子生物學技術的不斷發展，熒光定量和高通量測序等技術逐漸運用到土壤微生物分析中，進一步揭示在連作條件下作物根際土壤的多樣性和群落結構的變化。大量研究結果表明，連作顯著改變了藥用植物根際微生物多樣性和群落結構，隨著連作年限的增加，有益微生物量逐漸減少，而有害微生物則逐漸增加，導致根際土壤中微生物類型從“細菌型”轉向“真菌型”。土壤中真菌/細菌比值越高，真菌數量越多，土壤的生態系統越不穩定，易被病害感染，是地力衰竭的標志［24］。研究表明，半夏連作土壤中真菌數量顯著高于輪作土壤，而細菌和放線菌數量顯著低于輪作土壤，連作后土壤中真菌成為優勢種群［17,49］。在太子參的連作地塊上也表現出相同規律，并且隨著連作年限的增加，太子參根腐病的發病率和病情指數逐漸增高，與土壤中真菌數量成正相關［50］。

塊根類藥用植物（如人參、地黃、三七、半夏等大宗藥材）在種植過程中連作障礙嚴重，在連作土壤中鐮刀菌屬（Fusarium）、立枯絲核菌（Rhizoctonia solani）、腐霉菌（Pythium）、尖孢鐮刀菌（Fusarium oxysporum）等有害病菌大量增殖，尤其尖孢鐮刀菌的致病性最廣泛［51-54］。研究發現，在地黃連作的根際土壤細菌數量減少，真菌數量增加，隨著連作年限延長，根際土壤中土傳病菌鐮刀菌屬和絲核菌屬的含量均增加，芽孢桿菌屬（Bacillus）和假單胞菌屬（Pseudomonas）等有益菌屬含量下降［55-56］。三七連作中根腐病為其主要病害，研究發現，有根腐病的三七根內和根際的假單胞屬細菌多樣性顯著增加，推斷假單胞菌屬（PseudomonasW.migula）是根腐病的主要致病菌［57］。采用DGGE 和qRT-PCR 技術對連作太子參根際土壤菌群進行分析，發現隨著連作年限的增加，有害病原菌致病尖孢鐮刀菌、腸桿菌（Kosakonia sacchari）和踝節霉菌（Talaromyces helicus）的豐度都有所上升，而有益菌包括假單胞菌屬、伯克氏菌屬（Burkholderia）和短小芽孢桿菌（Bacillus pumilus）在連作土壤中逐年減少［58］。Wu 等［59-60］采用高通量測序技術對不同連作年限的太子參根際土壤進行測序分析，結果顯示有害病原真菌鐮刀菌屬和踝節菌屬（Talaromyces）的豐度呈現上升趨勢，有益菌如假單胞菌目（Pseudomonadales）、伯克氏菌目（Burkholderiales）和鏈霉菌目（Streptomycetales）青霉菌屬（Penicillium）的豐度降低，同時土壤中動物區系的群落結構也發生變化，植物寄生蟲、植物病原體和寄生蟲的相對豐度增加，雜食動物的相對豐度顯著降低［61］。在藥用植物的連作根際土壤中，植物根系分泌物介導植物和微生物之間的互作，根系分泌物改變根際土壤的微生態環境，造成植物根際土壤中致病菌增多、有益菌群逐漸減少，從而導致土傳病害加重，成為藥用植物連作障礙的重要原因。

3 藥用植物連作障礙的調控措施

3.1 選育抗病品種

不同藥用植物對連作障礙的耐受程度不同，同一品種內單株之間對病害的抗性也有差異。抗性品種受病害或其他逆境的危害較非抗性品種輕，而且這種抗性是可遺傳的生物學特性。因此，可以利用植物的抗性特征，選育抗病害、抗重茬的優質高產品種。據報道，云南省大理州南澗縣無量山上有一個海拔1 860 m的山地三七種植園，已連續種植10 余年，且不施農藥和化肥，該三七種植園沒有發生嚴重病害，也未發現明顯的連作障礙，并且三七質量優良［62］。以優良種源作為研究對象，探究藥用植物耐連作的分子機制，則可以通過品系繁育和定向培育技術，不斷強化抗連作、抗病害的優良性狀，從而從種源上解決連作障礙問題。此外，品種選育能夠促進藥用植物的進化，對生產實際有重要意義，但采用該方法較困難。

3.2 建立合理的耕作制度

許多研究表明，農業生態系統內部功能可以通過系統內部動植物和微生物栽培多樣性水平來調節，可利用農業生物多樣性來改善土壤、抑制病蟲害暴發。同一作物不同品種或不同作物間進行混作或者間作，可以使寄主和有害生物多樣化，任何一種有害生物都不能達到大規模流行，從而有效控制病蟲害［63］，同時多種作物栽培所產生的多樣性根系分泌物可修復由單一化種植導致的微生物群落結構破壞和惡化的根際生態系統。輪作、間作、套作是避免連作障礙發生的傳統而有效的農業種植模式，可以有效提高農業生態系統多樣性、改善植物對養分的吸收平衡、穩定土壤微生物的生態環境。研究發現，將中藥材蒼術（Atractylodes lancea）與花生間作，蒼術根系分泌物能夠有效抑制土壤中尖孢鐮刀菌的生長，有效減少連作花生的土傳病害并增加花生產量［64］。桔梗（Platycodon grandiflorus）和大蔥（Allium fistulosum）間作能有效增加桔梗根系分泌物總含量，使根際土壤中放線菌門（Actinobacteria）、硝化螺旋菌（Nitrospirae）、擬桿菌（Bacteroides）、假單胞菌（Pseudomonas）等有益菌豐度增加，有效緩解桔梗的連作障礙，提高產量和品質［65］。藥用植物和糧食作物輪作也是克服連作障礙的重要途徑，白術與玉米輪作可減少病蟲害發生，顯著提高白術苗的存活率、株高、冠幅和單株根莖鮮重，從而提高產量［66］。南方藥用植物與水稻輪作也是常見的種植模式，在水稻種植期間，土壤處于強還原狀態，可以有效抑制有害病菌的生長，同時灌水排干過程可有效減少化感自毒物質在土壤中的殘留，恢復土壤健康生態。作物多樣性種植有助于增加根系分泌物的種類和含量，提高根際微生物多樣性，改善植物根際微生態環境，減少植物病害。可見，通過建立合理的間作、套作、輪作制度，可以修復土壤微生物失衡和不健康的土壤環境，是一種有效控制連作障礙的新策略。

3.3 土壤滅菌

藥用植物連作后，土壤中存在大量病原性細菌、真菌和病毒等有害微生物。土壤滅菌就是通過一定技術手段阻止病原微生物進一步繁殖或直接將其殺死，從而達到緩解連作障礙的目的。化學方法主要采用甲醛、氯化苦、硫磺粉等消毒劑進行熏蒸，或者通過施入多菌靈、棉龍、1,3-二氯丙烯、黃腐酸鉀、甲基碘、異硫氰酸甲酯、異硫氰酸烯丙酯、環氧丙烷、威百畝、二氧化硫、疊氮化鈉、硫酰氟、石灰氮等土壤消毒劑［67］。對三七連作土壤進行氯化熏蒸處理可顯著提高三七苗存活率、株高和鮮重，既可改善其根際微環境，又能保證三七質量，是防治三七連作障礙的較好方法［68］。王峰等［69］研究發現，用氯化苦消毒三七連作土壤后，致病菌假單胞菌屬和鞘脂單胞菌屬相對豐度下降，而伯克氏均屬、節桿菌屬等有益菌相對豐度增加，且對下茬輪作烤煙的生長也有改善。強還原土壤滅菌是指通過施用易分解的有機物料、覆膜或者灌溉阻止空氣進入，為土壤創造一個強還原狀況，從而達到殺滅有害病菌的效果，是一種環境友好的土壤改良技術［70］。該技術最早是由日本科學家在研究水稻可持續種植時提出的，該法能殺滅土傳病原菌，對真菌和細菌類病原菌的殺菌率可達90%以上，此外還能有效抑制雜草生長，提高土壤有機質含量，改善土壤理化性狀［70-71］。李云龍等［72］使用該方法顯著消減連作三七土壤中的連作障礙因子，提高幼苗存活率，降低發病率。地黃連作土壤經過強還原后，胃瘤球菌屬和腸球菌屬等厭氧異養型細菌相對豐度顯著提高，形成富含 Fe2+和有機酸等抑制病原菌的土壤環境，強還原處理顯著提高了連作地黃的存活率和產量［73］。該方法在實際應用中受到成本、可操作性等因素的影響，因此推廣受到一定限制，還有待進一步改良。物理方法主要有高溫悶棚、蒸汽消毒、太陽能消毒和深翻土壤等［67］。對連續種植太子參15 年和8 年的土壤進行熱處理，太子參產量最高分別增長545.16%和139.29%。連作土壤經60 ℃處理6 h，或在較高溫度（90 ℃或120 ℃）下處理3 h 即能顯著增產，土壤熱處理可能是通過抑制連作土壤中的有害微生物而緩解太子參的連作障礙，提高太子參產量［74］。物理方法相比化學方法更加綠色環保，不會污染環境。

3.4 施用微生物菌肥

微生物菌肥是指以致病因子為靶標篩選高效促生防病抗逆有益微生物菌株，并將其制備成菌劑、添加到有機物料中進行發酵而形成的一種有機肥料［67］，除具有一般肥料功能外，還具有生物防治作用。微生物菌肥能改善土壤環境，增強土壤中有益微生物數量，抑制土傳病害菌群，從而促進植物生長發育［75］。目前，功能微生物菌劑主要包括芽孢桿菌屬、假單胞菌屬、木霉屬等。已有研究表明，包含芽孢桿菌和木霉菌的生物菌肥在一定程度上改變土壤環境，使具有抗真菌活性的有益微生物相對豐度增加，改變環境中微生物的群落結構，從而有效抑制土傳致病菌［76］。從白術根際土壤中分離出的芽孢桿菌、木霉菌、鏈霉菌均可以提高白術出苗率，有效防治白術根腐病［77］。在人參連作土壤中加入微生物菌劑，其土壤微生物群落結構和功能多樣性朝著正茬的根際微生態方向逐漸變化［78］。含有芽孢桿菌和假單胞菌的當歸專用生物菌肥能顯著促進當歸根的生長，提高土壤微生物數量和土壤中脲酶、酸性磷酸酶和堿性磷酸酶的活性，對當歸的促生和增產效果顯著［79］。添加不同微生物菌肥對連作土壤的改良效果不同，但是均能提高土壤微生物多樣性，改善土壤微生態環境，說明有針對性地改變土壤有益菌群、提高土壤微生物多樣性能有效緩解太子參連作障礙，提高其產量和品質［80］。微生物菌劑是一種改良土壤的有效方式，但是目前菌劑的穩定性、有效定植以及安全性等問題仍然制約微生物菌肥的發展和推廣，還需要進一步研究和改良，同時可結合滴灌、噴灌、拌種等不同施肥方式配合對應的農藝措施幫助促生菌在根際定殖生長，以達到穩定的促生效果，但田間效果還需進一步驗證。

4 展望

隨著我國中藥材需求日益增加，藥用植物規模化和集約化種植面積不斷擴大，其連作障礙問題也逐漸凸顯，在兼顧產量的同時對中藥材的品質要求也在不斷提高，新的需求和形勢對藥用植物的種植提出更高要求，目前迫切需要開展中藥材綠色高效種植技術規程和標準制定。集約化的農業生產方式不可避免地帶來嚴重的連作障礙問題，盡管目前針對藥用植物的連作障礙問題已作了大量研究，取得許多成果，但是與其他作物相比仍較滯后，且研究偏向于傳統大宗藥材，如人參、地黃、太子參、半夏、白術等塊根塊莖類藥材，但連作障礙現象在藥用植物中非常普遍，亟需加強其他類型藥用植物的連作障礙研究。藥用植物連作障礙是由植物-土壤-微生物三者共同作用引起的，根際是三者物質、能量和信息交換的場所，對植物的生長發育起決定性作用，但是三者之間的內在影響機制以及互作效應不太清楚，整體研究還不夠深入和系統，因此目前仍無法從根本上解決問題，僅能在某種程度上得到緩解。由此可見，對根際的研究將是未來研究的熱點和難點，是解決連作障礙問題的關鍵所在。在調控策略的研究中，大多研究都是從單一因素進行分析，存在較大局限性，實際生產中連作障礙因子非常復雜，且各因素間也存在互作，應加強從多角度、多手段同時實施來進行研究。此外，藥用植物與其他作物相比較，除關注產量外，還要更加注重內在有效成分的含量（即藥效品質），因此對栽培技術的要求更加嚴格。藥用植物的生長特性與所在生長區域特征有關，可能導致的連作障礙原因也不盡相同，需要有針對性地對不同因素主導的藥用植物連作障礙采取相應措施。此外，連作障礙的緩解應綜合多種措施，包括種植模式的選擇，如土壤消毒、施用微生物肥料等，同時需要配套田間水肥管理等農藝措施，未來應針對不同藥用植物連作障礙現象逐步形成標準化、規范化的種植技術方案。