輪間套作種植模式消除煙草連作障礙的機理研究進展

凌愛芬，肖麗霞，孫延國，王德權，董小衛

(1.四川省煙草公司涼山州公司，四川西昌 615000；2.中國農業科學院煙草研究所，農業農村部煙草生物學與加工重點實驗室，山東青島 266101；3.山東濰坊煙草有限公司，山東濰坊 261061；4.山東中煙工業有限責任公司，山東濟南250014)

煙草作為我國重要的經濟作物之一，對社會的經濟發展有著舉足輕重的作用，同時煙草種植也是煙區農民收入的重要組成部分[1]。由于受種植條件限制、投入成本制約及經濟利益驅動，煙草連作已成為普遍現象，進而引起連作障礙，對煙葉產量、質量造成不利影響。據調查，每年由煙草連作造成的經濟損失高達40億元，這對我國煙草農業的良性發展產生了嚴重影響[2]，因此，如何解決由煙草連作引起的一系列問題成為有關部門和眾多學者的研究重點，近幾年，學者們從調整煙草種植模式的角度出發，開展了大量研究。該研究從土壤理化性狀變化、土壤微生物群落結構變化、煙草化感自毒作用等方面，綜述了目前煙草輪作模式、間套作模式緩解消除連作障礙的機理，以期為煙草連作障礙難題的防治及煙草農業持續穩定發展提供參考。

1 煙草連作障礙的產生機理

煙草連作障礙的產生機理較為復雜，它是諸多因素相互作用于植株的一種外在表現[3]。

目前研究認為，煙草連作障礙的產生機理主要歸結為3個方面：土壤理化性狀惡化、土壤微生物群落結構改變、煙草化感自毒作用[2-5]，而研究認為化感自毒作用是導致連作障礙的主導因子[5-6]。

1.1 連作造成土壤理化性狀惡化作物對各養分的需求不同，因此會從土壤中選擇性的吸收，常年連作會使某些養分虧損或富集，造成土壤養分失衡[7]，從而影響植株生長。有研究表明，煙草多年連作會引起肥料利用率、土壤pH、土層有機質、氮和鉀含量等各方面的變化。隨著植煙年限的延長，土壤中氮、磷、鉀肥的利用率也逐年降低，平均每年氮肥下降4.8%，磷肥下降0.7%，鉀肥下降3.2%[8]；表層土壤酸化明顯，酸化原因可能與常年施用相同生理酸性肥料有關[9-10]；各土層的有機質、氮和鉀含量均發生不同程度變化，其中0～20 cm土層的表現是含量開始積累，而20～40 cm土層則表現為虧缺，兩土層中速效氮、速效磷和速效鉀的分布趨于不協調[11]。另外，付仲毅等[12]研究表明，煙草短期連作對土壤碳庫影響不大，長期連作降低了土壤碳庫，使土壤性質趨劣。

土壤酶能促進土壤有機質與礦物質礦化、促進土壤的養分遷移與循環，是土壤活力的重要指標。研究發現，土壤中一些重要的酶，如酸性磷酸酶、蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶、轉化酶、中性磷酸酶等，隨著植煙年限增加活性會逐漸降低[13-14]。影響土壤酶活性的主要因素是土壤pH、根系分泌物及根際微生物活動。連作土壤由于pH 的變化導致土壤的酸化或鹽漬化，根系分泌物中有毒物質積累及微生物數量和豐度的變化，都會直接或間接造成土壤中酶活性的變化。

1.2 連作造成土壤微生物群落結構失衡細菌型土壤是土質良好的一個重要指標，而真菌型則是土質衰竭的標志[15-16]。隨著連作年限增加，土壤微生物多樣性與數量發生變化，其中對細菌產生的影響最大，土壤有從細菌型向真菌型轉變的趨勢，進而改變土壤微生物群落結構，破壞土壤微生物生態平衡[17]。隨著黃瓜連作茬次增加，其根際土壤微生物區系的幾種主要微生物類群發生變化，有的出現富集，有的消失，種群開始趨于單一化[18]。通過煙草連作和輪作間的研究對比可以看出，連作土壤的Shannon多樣性指數、豐富度指數及微生物群落結構多樣性均低于輪作土壤[19]；連作土壤的細菌豐度呈先增加后降低趨勢，致病菌增多，而輪作土壤細菌豐度變化較穩定[20]；連作導致土壤真菌群落結構發生變化，致病菌增多，且隨著連作年限增加影響越大[21]。張翔等[22]也發現，隨連作年限增加，土壤細菌、放線菌和有益真菌數量逐漸減少，而腐霉等有害菌群數量增加。

煙草連作導致土壤微生物群落多樣性降低及有害微生物種群增加，出現這種現象的原因推測與煙草連作產生的根系分泌物積累有關。研究發現，煙草根系分泌物粗提物對病原菌生長的促進率為16.8%，而對拮抗菌的生長抑制率達到29.4%[23]。連作情況下，根系分泌物中積累的有害物質使微生物從種群、數量到生長、發育等受到嚴重影響，打破了菌落平衡，使煙草的生存微環境不斷惡化，病害加劇，產值降低，造成連作障礙[24]。

1.3 煙草連作與化感自毒作用根系分泌物是土壤化感物質的主要來源[25]，近年來，在植物化感作用研究中發現，包括煙草在內的多種植物的根系分泌物中存在自毒物質[26-28]，這些自毒物質顯著抑制植物生長。單一作物常年連作導致根系分泌物大量積累引起自毒作用，被認為是引起作物連作障礙的主導因子[6]。譚小兵等[29]研究發現，煙草根系分泌物中存在自毒物質，且會對植株產生自毒作用，隨著自毒物質濃度的增加，自身種子萌發和幼苗生長明顯受抑制，煙苗總葉綠素含量和根系活力降低，葉片和根系相對電導率上升，根際和葉的pH降低，幼苗葉片和根系MDA 含量增加。郭亞利等[30]研究發現，對幼苗生長和根系活力抑制作用表現最強的是根系分泌物中的中性組分，3種不同組分均能降低根系對NO3-、H2PO4-和K+離子的吸收，其中中性組分對H2PO4-吸收的影響最大，而酸溶性組分對K+的吸收抑制作用較強。

根系分泌物產生化感自毒作用的機制主要表現在以下方面：一是一些化感物質會抑制植株的光合作用和呼吸作用[6]。二是一些化感物質會影響土壤的養分形態和水平[31]，導致土壤養分失衡。三是一些化感物質積累會抑制有益微生物的生長減少其多樣性，而有毒物質與相關有害微生物相互促生導致根際土壤微生物結構惡化，加劇病害的發生[32-34]。研究發現，酚酸類物質及其轉化產物是連作作物致毒物的主要成分[35]，其中阿魏酸和肉桂酸在連作土壤中較易積累，而且阿魏酸的分泌速率要高于其他生物毒性的酚酸類[36]。于會泳等[37]研究發現，隨著植煙年限延長，煙草根系和土壤中的化感物質隨之增加且不易轉化，其中對煙草化感作用最強的物質為苯甲酸，而化感作用較弱的為羥基丁酸。劉艷霞等[38]的研究進一步表明，苯甲酸和3-苯丙酸均能明顯改變根際土壤微生物區系，降低土壤微生物多樣性，顯著增加有害微生物數量的同時大大降低有益微生物數量，且兩種酚類同時存在的危害效果遠大于單一酚類。

2 輪作模式消除煙草連作障礙的機理

煙草連作土壤積累大量化感自毒物質造成土壤微生物結構惡化、養分失衡、病害加重等是造成煙草連作障礙的主要因素，研究表明，合理輪作對植煙土壤理化性狀改良、煙草病蟲害防治及煙草生長微環境改善等具有重要積極作用。

2.1 輪作模式對土壤理化性狀的改良不同作物對土壤養分吸收的種類和比例有不同的規律，因此，煙草與其他作物輪作，可有效緩解因長期連作導致的土壤養分失調、酸化等問題，提高土壤有機質含量[39-40]。研究發現，我國云南、貴州、湖南三大煙區的土壤養分共性特點是輪作土壤有機質、全氮、堿解氮含量均高于連作土壤，而全磷、有效磷、全鉀、交換性鉀等的含量各有不同，表明輪作種植可緩解養分失衡問題[41]。陽顯斌等[42]研究發現，煙草與大蒜輪作種植，可提高根際和非根際土壤有機質含量、非根際土壤速效氮含量、根際速效磷和速效鉀含量。張科等[43]研究發現，煙草連作土壤pH不斷下降，而煙草-玉米輪作土壤pH無明顯變化，表明輪作具有較強的土壤pH緩沖能力，而連作土壤的有效磷、速效鉀含量均高于輪作。張翔等[22]研究發現，與連作相比，輪作土壤有機質含量明顯提高。晉艷等[44]研究表明，輪作土壤中某些指標均高于連作土壤，如pH、全鉀、速效硼、速效鋅、交換性鎂等。譚玉蘭等[45]研究表明，豆科牧草紫花苜蓿、紫云英及禾本科牧草多花黑麥草與煙草輪作可顯著提高土壤有機質含量，降低土壤容重，增加土壤平均孔隙度，使土壤物理特性改善。

輪作模式對土壤酶活性產生積極影響，與連作相比，輪作種植可提高多種酶活性。張科等[43]研究發現，與輪作相比，煙草連作土壤脲酶、蔗糖酶活性受到抑制。賈健等[46]研究發現，煙草-大豆輪作土壤蔗糖酶、脲酶和蛋白酶的活性均高于連作處理。土壤酶活性受pH影響，且與微生物量呈正相關，輪作模式下土壤pH相對穩定，微生物數量、群落結構多樣性均高于連作模式，因此可保持較高的土壤酶活性。

2.2 輪作模式對土壤微生物群落結構的改善農田生態系統中，不同種植模式下的土壤微生物區系各有不同。賈健等[47]發現，輪作模式可使土壤中的菌落數量如細菌和放線菌增加，豐富微生物種群，細菌/真菌比例提高，使群落結構得到改善。一般來說，隨著土壤細菌、放線菌數量增加，真菌數量減少，該土壤種植農作物的病害發生率會降低[16-17]。賈志紅等[48]利用PCR-DGGE技術和段玉琪等[19]利用PCR-RFLP技術研究發現，煙草輪作土壤的細菌群落豐富度指數、輪作Shannon-wiener等均大于連作，表明輪作土壤中的微生物群落較為豐富。齊虹凌等[49]同樣發現輪作可提高根際土壤細菌多樣性。陳浩等[50]通過研究輪作和有機肥化肥配施的種植模式發現，此模式可穩定土壤pH，提高土壤有機質含量、微生物生物量及細菌多樣性指數，增強土壤酶活性，從而實現作物優質高產、土壤健康循環。此外，楊洋等[51]研究發現，煙草-玉米輪作種植模式可明顯減弱病毒病發生。

土壤微生物區系的形成與根系分泌物成分密切相關。與連作相比，輪作模式下限制或促進某些細菌生長的物質不會大量積累，從而能保證土壤中微生物群落的多樣性。一些酚酸類物質如蘋果酸、乳酸、富馬酸等在不同濃度條件下對煙草黑脛病病菌作用差異較大，主要表現是低濃度促進，高濃度抑制[52]；根系分泌物中的某些低分子有機酸如肉桂酸、苯甲酸等能夠降低土壤pH，從而促進真菌的生長和繁殖，改變土壤真菌群體結構[23]。

2.3 輪作作物對煙草的化感作用煙草連作障礙產生的原因中，煙草根系分泌物的自毒作用起主導作用。化感作用需要化感物質達到一定的濃度才能實現[37]，在輪作種植模式下，不同作物的根系分泌物不同，因此不會造成某種有毒物質的大量積累，可有效消除化感自毒作用。部分前茬種植作物的根系分泌物、殘體分解物還會對后茬煙草產生有益化感作用[53]。釧有聰等[54]研究發現，大蒜與烤煙輪作可有效防治黑脛病，其機理為大蒜根系分泌物中的苯并噻唑和2 種含硫化合物二烯丙基二硫醚、烯丙基甲基二硫醚能明顯抑制煙草黑脛病菌菌絲生長，且抑制作用與供試濃度呈正相關。張立猛等[55]研究表明，玉米-煙草輪作體系下，玉米根系既能吸引游動孢子，而且其根系分泌物中含有對煙草疫霉菌起抑制作用的苯并噁嗪類化合物，可有效控制黑脛病的發生。研究表明，大多數作物秸稈對后茬作物的化感抑制作用主要發生在作物秸稈在土壤中腐解的初期，在一定時間后，化感抑制作用消失，隨后作物秸稈將表現出增加土壤肥力、改善土壤結構的正效應，從而增加作物產量[56]。因此，煙草移栽時間應與秸稈或綠肥的還田時間保持合適的時間間隔。

輪作模式下前茬作物對后茬煙草產量、質量的積極影響，通過化感直接作用和改良土壤性狀、改善土壤微生物群落結構等間接作用共同實現，其中根系分泌物發揮重要紐帶作用。

3 間套作模式消除煙草連作障礙的機理

煙草與其他作物合理間作或套作，可充分利用光能，減輕煙草某些病蟲害，改善土壤理化性狀，提高煙葉質量，對用地養地、解決糧煙爭地矛盾及提高單位土地生產效益有積極意義。研究表明，間套作模式對土壤理化性狀改良、微生物群落結構改善、煙草化感作用等有重要影響。

3.1 間套作模式對土壤理化性狀的改良合理的間套作種植模式能夠改善作物礦質營養，均衡養分供應，避免作物間養分競爭。陽顯斌等[42]研究發現，煙蒜套作模式較連作處理，土壤中有機質含量高，煙株根際土壤速效養分供應能力強，特別是對磷的活化利用。吳凱等[57]研究表明，煙草與富鉀綠肥籽粒莧間作種植，可提高土壤中速效鉀含量，對緩效鉀含量影響不大；而籽粒莧翻壓還田處理土壤速效鉀含量顯著高于不還田處理，且煙葉鉀含量增加。時安東等[58]研究發現，連續6年采用年內間作，年間就地輪作的種植模式能顯著改善土壤有效養分含量，保持各有效養分比例適宜，從而保證植株的養分需求。賈健等[46]研究發現，煙草套作處理的根際土壤蔗糖酶、脲酶、蛋白酶等的活性顯著高于連作處理，但低于輪作處理。

間套作改善作物土壤養分供應的可能機理主要有：①根系分泌物中的有機酸類物質能夠活化根際土壤中的磷、鐵、鉀等營養，將其轉變為植物可以利用的營養；②根系分泌物或地上部的種間互作能誘導作物的根系構型和礦質營養吸收相關基因的表達發生變化，形成空間上的營養生態位互補，增強根系吸收礦質營養的能力，充分利用土壤營養資源；③改變土壤生物多樣性(土壤動物和微生物)，而土壤的生物多樣性能夠促進作物礦質養分的吸收；④提高了土壤中某些酶活性，促進了有機氮、磷向無機氮、磷的轉化，提高了土壤無機氮、磷的濃度[59]。

3.2 間套作模式對土壤微生物群落結構的改善間套作的種植模式能改善土壤微生物群落數量、種類及穩定性，改善作物根際微環境，降低病害發生率，從而使土壤質量、作物的產量和品質等都有所改善[60-61]。涂勇等[62]研究表明，烤煙-大豆帶狀套作可顯著增加作物根際土壤的細菌、放線菌及一些與土壤氮素代謝相關的功能性微生物數量，減少真菌數量，從而降低土傳病害的發生率，改善土壤的代謝循環。李忠俊等[63]的研究同樣發現，隨著放線菌數量增多，某些有害菌生長受到抑制，病害發生率降低。馮俊喜等[64]研究發現，小麥-烤煙套作的土壤微生物多樣性指數在各個取樣時期均高于連作對照。張開虹等[65]研究表明，煙草與甘薯、丹參和大豆間作使根際細菌群落的豐富度提高。劉冰冰等[66]研究發現，5種香料作物與烤煙的間作明顯增加了土壤根際土可培養細菌的多樣性，薄荷、香茅草、香葉天竺葵間作類型在緩解煙草連作障礙方面具有優勢。

大量研究發現，不同作物尤其是非寄主作物間套作種植可以有效限制病原體和有害物質的傳播和繁殖；此外，由于作物根系分泌物、作物殘體和根系殘留物等在土壤中積累，使土壤微生物營養物質條件改變，從而影響了土壤中微生物的種類、數量及多樣性[67-68]。

3.3 間套作作物對煙草的化感作用與單作相比，間套作模式中由于另一種作物的存在，豐富了根系分泌物的種類、數量和組分，減少了煙草自毒物質的積累，同時，由于煙草與低位作物處于同一時空條件下，間套作作物更容易對煙草產生化感作用。薛超群等[69]研究發現，煙草間作花生、黑麥草、大蒜等作物均可降低黑脛病菌數量和病情指數，其中煙草間作大蒜對煙草黑脛病防控效果最顯著；而大蒜根系分泌物中被證明具有抑制黑脛病菌生長的苯并噻唑、二烯丙基二硫醚、烯丙基甲基二硫醚等物質[54]。周德海等[70]發現秦煙96 與桔梗連續間作3年后，對煙草黑脛病的控制效果明顯，其中一個原因可能是兩種作物的根系發生交互作用產生了某些物質抑制了病害的發生。趙新梅等[53]研究發現，玄參和川明參這兩種藥材均可與煙草進行輪(間套)作，前者的水浸液對煙草幼苗的生長表現出雙重濃度效應，后者雖對煙草幼苗生長的影響不大，但偏向促進作用。徐潔等[71]通過煙草-玫瑰的間作種植模式發現，玫瑰散發的某些香氣物質可能會促進煙草中PR2和24K類萌發素蛋白等防衛反應蛋白的表達，從而增強煙株的抗病性，但此研究還發現，玫瑰香氣會使煙草的光合作用降低，從而抑制煙株的生長發育。李枝樺等[72]研究發現，煙草與香原料作物(薰衣草、迷迭香、香葉天竺葵等)間作后，香原料植物的部分致香物質轉移到煙葉，導致間作煙葉致香物質種類多于對照。

間套作系統通過根系分泌物、土壤微環境、根系構型變化、冠層結構等對煙葉生長、質量產生有利影響，其中根系分泌物發揮了重要紐帶作用。

4 問題與展望

構建合理的煙草輪作、間作或套作種植模式，通過土壤理化性狀改良、微生物群落結構改善、作物的化感作用等，能夠有效緩解防治連作障礙問題，提高煙葉產量、品質。作物根系分泌物在介導作物-作物、作物-土壤、作物-微生物等的相互作用中有著重要作用[47]。目前有關煙草與其他作物輪作、間作及套作種植模式的研究眾多，針對輪間套作模式防治連作障礙的機理，大多從土壤養分、酶活性、微生物群落結構改善等方面進行探討，缺乏系統的機理研究，特別是對煙草與其他作物的根系分泌物在其中發揮的串聯介導作用研究較少。根系分泌物是植物與周圍環境進行物質交換、信號傳遞的重要媒介，研究由根系分泌物介導的植物-土壤-微生物三者之間的根際相互關系或稱之根際對話機制已成為當前國內外優先研究的重要領域[21]。相比煙草連作模式，煙草輪間套作種植模式具有更好的生態效益，但目前產區推廣應用比例仍較低，主要是因為對種植模式作用機理的研究不透徹導致輪間套作模式構建不夠合理，經濟效益不理想，煙農較難接受。因此，在未來的研究中，應重點注意以下幾個方面：①煙草與搭配作物根系分泌物化感直接作用的研究。目前眾多研究中僅對少數幾種搭配作物進行了探索，而對其他搭配作物根系分泌物與煙草之間的相互化感作用研究較少。②加強煙草根系分泌與植株、土壤、微生物相互作用機制的研究。目前研究表明，根系分泌物在植株-土壤-微生物的互作體系內起重要的紐帶作用，相比其他作物，煙草中關于此方面的研究較少。明確煙草輪間套作體系下根系分泌物的種類、濃度及其對土壤、微生物等產生作用的機理，是解決煙草連作障礙問題的關鍵。