甘薯輪作機理研究進展

王維 侯會 耿曉月 董韋 蘇涵 張巧鳳 徐振

(江蘇徐淮地區徐州農業科學研究所，江蘇 徐州 221000)

前言

甘薯(Dioscorea esculenta(Lour.)Burkill)是薯蕷科、薯蕷屬纏繞草質藤本，在我國，甘薯作為一種糧食作物因適應性強、產量高、耐存儲、耐運輸而廣泛種植[1,2]。甘薯根據其品種特性可鮮食、烤食、菜用等，又因淀粉含量較高，其加工產品如甘薯粉條、薄餅等也在市場上廣受歡迎。隨著經濟提升，人們生活改善，甘薯中花青素、胡蘿卜素、纖維素等營養成分也成為消費人群關注熱點。近年來，工業行業迅猛發展，耕地不斷縮減，甘薯主栽地區連年種植，加劇了土壤結構破壞、肥力下降、病蟲害滋生等生產障礙[3]，甘薯的商品性逐年下降，對主栽地區經濟造成打擊。為避免連作障礙對甘薯產業造成的影響，與多種作物輪作成為甘薯的主要耕作制度。

1 甘薯輪作制度的主要作用

輪作指的是在同一田塊上，按照季節或者年份輪流栽培不同作物或復種的耕作制度。在這種模式下合理選擇輪作作物能夠有效地改善土壤結構，保護土壤微生物多樣性[4]，阻止作物致病菌蔓延[5]，調節土壤成分從而降低植物殘體與病原菌的代謝產物對植物產生的致毒性。目前已有多種研究表明，甘薯與小麥[6]、水稻[7]、玉米[8]、花生、油菜等輪作，配合水肥管理能夠取得良好的生產效益。

1.1 土壤理化性質改善

不同植物對土壤中養分和礦物質吸收程度有著顯著差異，同時重金屬離子對植物生長可能存在脅迫，長期連作不僅會加劇土壤中的重金屬離子對植物的不利影響，還會使植物生長需要的特定養分持續流失。甘薯是喜鉀作物，土壤中速效鉀豐富能夠促進地上部分合成的養分到達塊根，從而使根部旺長，為防止土壤鉀素失衡，甘薯與大豆或小麥輪作能夠調節土壤酸堿度，對有機質、速效氮、有效磷和速效鉀等養分平衡起到穩定作用。甘薯與玉米輪作還可以提高對氨基酸類、碳水化合物、羧酸類等的分解吸收。

連續種植同一種作物還很可能造成土壤酸堿度失衡，由于重茬導致土壤陽離子交換量減少，元素間發生拮抗作用，導致土壤pH降低，加之甘薯一般采用大田栽培，酸性雨水會加劇土壤酸化，影響甘薯生長發育。合理輪作可以提高土壤pH值，減緩土壤酸化的進程，為甘薯生長提供pH約為5～7的穩定土壤酸堿度。

在塊根類作物栽培過程中，為提高產量常施入大量肥料，過量的肥料堆積會加速土壤次生鹽漬化，造成土層板結，耕性減退。土壤含鹽量過高還會影響植株根系吸收水分和養分的能力，可能會導致植株缺水缺素發育不良。而輪作過程中不同茬作物對肥料種類和量的需求有所差異，因此輪作也能夠改善土壤耕性。

土壤肥力很大程度上取決于土壤酶活性的高低，土壤酶能通過影響土壤化學性質來控制作物生長進程，如主要作用是催化二糖水解生成單糖的蔗糖酶，其活性體現著有機碳的轉換進度。過氧化氫酶能夠分解有害自由基，其活性強度與土壤呼吸強度密切相關；對有機磷脫磷速度起提升效果的磷酸酶，其活性反映出土壤中磷的流轉方式和進程。忌重茬塊根類植物的研究表明，連年種植使蔗糖酶、磷酸酶、土壤蛋白酶、過氧化氫酶等活性顯著降低，成為部分根莖類作物連作障礙的主要原因。相關大田試驗顯示，與豆科作物輪作后田塊中的各種酶活性均有所提高，因此輪作模式更利于土壤酶活性的保持。

1.2 土壤微生物環境改良

土壤微生物群落對土壤生態系統穩定性至關重要，嚴重影響土壤肥力、顆粒結構、營養成分利用率，在土壤質量評價體系中不可缺少。相關試驗表明，甘薯致病真菌數量會隨著連作年限增加，從而加重甘薯栽培區域病害，進而導致其商品性下降。種植方式和年限能夠影響土壤微生物群落種類和生物量碳含量，與連作相比，輪作制度豐富了土壤微生物群落多樣性，土壤中放線菌、細菌、革蘭氏陽性菌生物量得以增加，真菌比例相對降低，甘薯與小麥、水稻等谷類作物輪作均能獲得顯著效果。甘薯與玉米輪作還可以提高對氨基酸類、羧酸類、碳水化合物等物質的利用能力。

此外，多年重茬條件下未及時清理的植株、脫落物和根系分泌物都會進入耕層，阻礙根際土壤微生物的生長發育和繁殖，也會破壞甘薯根際土壤微生物群體的豐富性和穩定性，造成土壤板結，致病病源種類增加，引發各種病害，如甘薯根土蝽、莖線蟲病、根腐病等。因此，甘薯與谷類作物輪作，或水旱輪作，能夠有效緩解甘薯重茬造成的土壤低肥化和真菌化。

1.3 緩解自毒作用

造成根莖類作物連作后長勢不良的因素除了栽培條件外,還有植物的自毒作用。自毒作用在種內發生，對植物生長有著抑制作用。連作年限越長土壤生態環境越惡劣，隨著植物根系分泌的自毒物質不斷積累，連同常年堆積的植物殘體與病原物質的代謝產物均可能造成自毒作用發生。部分根莖類作物的根系分泌物長期積累可能會導致植株抗病害能力減弱，并對地下部生長和根際土壤微生物環境造成一定程度的不利影響。 有研究通過氣相色譜-質譜聯用儀對丹參根際土壤浸提液進行非靶向鑒定，發現其中含有水溶性有機酸、苯甲酸及其衍生物、脂肪族醛、長鏈脂肪酸、烯醇和酮、苯、酚類及其衍生物等低分子有機化合物，以及烴、醇、酯類物質為主的有機物。其中多數成分也在其他根莖類作物的根際土壤中檢測到，并在不同程度上抑制作物生長。目前尚未有研究詳細說明甘薯根系分泌物的具體組成成分，同作為根莖類作物，其根系分泌物中也可能存在抑制植株生長的組分，為避免其可能對甘薯生產造成不利影響，應當采取輪作的種植模式適當緩解其自毒作用。

2 甘薯輪作模式在生產中的應用

2.1 薯麥輪作

薯麥輪作是我國目前甘薯主要的種植制度，該模式在長江中下游地區和北方地區廣泛應用。甘薯和小麥的生育期內對鉀肥的需求量都較大，合理施用鉀肥有利于薯麥增產提質。寧運旺等通過連續3a田間試驗說明，薯麥輪作模式下，只在甘薯種植季施用足量鉀肥，單株結薯數和單個甘薯質量有顯著提高，田間總產量也有所增加。在甘薯種植季結束后收集地上部分薯蔓進行還田，其中積累的鉀素可以滿足小麥生長對鉀的需求，同理，麥秸還田也可適當減少鉀肥的施用量，在這種施肥管理模式下，供試地區土壤含鹽量得到良好控制，在節約生產成本的前提下使甘薯和小麥的產量和品質都得到一定保障。遵義市旱地小麥-玉米-甘薯分帶間套輪作模式下主要對甘薯施以鉀肥，3種作物均可獲得較高產量。淮安市淮陰區趙集鎮采用甘薯與小麥無公害輪作技術，選取國內高產優質的“徐薯18”等甘薯品種與小麥輪作，結合田間水肥管理，使甘薯黑斑病、小地老虎和小麥紋枯病等病蟲害均得到良好控制。喬月靜等通過試驗說明，與甘薯連作模式相比，大豆-黑麥-甘薯輪作模式對甘薯根部土壤線蟲種類豐富性更加有利，土壤甘薯莖線蟲數量明顯下降，減少殺線劑施用量的同時優質甘薯產量提高，增加經濟收益的同時對生態環境友好。張偉彬研究發現，對薯麥輪作田塊以1∶1的比例施用化肥和有機肥，能在輪作基礎上進一步改善土壤微生物群落結構。

2.2 花生-甘薯輪作

相關報道表明，與花生輪作可以減緩田塊真菌化，豐富有益細菌多樣性。劉亞軍等選取甘薯“商薯17號”、花生“商花5號”和小麥“商麥167”，分別設計甘薯連作、甘薯-花生、甘薯-小麥輪作3種種植模式進行比較，發現甘薯―花生輪作模式能夠提高土壤微生物對羧酸類、氨基酸、碳水化合物等的利用率，改善土壤微生物環境。David L Jordan等學者研究顯示，在甘薯收獲后種植花生，能使花生豐產穩產。此外，花生-甘薯輪作是南安市旱地主要種植模式之一。中國熱科院示范推廣花生-甘薯輪作模式，提高了土地利用效率該模式有利于海南撂荒土地的復耕復種。

2.3 其他輪作模式的應用

近6a來，廣西壯族自治區東蘭縣依靠其獨有的生態氣候，組織推廣綠色高效的水稻—紫薯水旱輪作種植模式，取得良好效益，帶動當地農民脫貧致富。河北省燕山淺丘陵地區作為雜糧主產區，為提高作物效益，減少農藥施用量，采用了谷薯間作輪作一體化栽培模式，提高甘薯產量的同時大幅減輕了谷子病害的發生，提高了土地利用率的同時實現豐產穩產。此外，浙江淳安縣楓樹嶺作為藥材產區，將甘薯與元胡輪作，在甘薯收獲后冬季土地閑置期間種植了元胡，由于元胡作為藥材具有較高經濟價值，該模式實現了糧食作物與藥材的雙豐收。

3 存在問題和展望

雖然甘薯輪作制度在部分甘薯栽培地區示范推廣并取得一定效果，但還存在不少亟待解決的問題。如，種植面積不足、輪作模式不適合、田間管理過于粗放導致效益沒有達到預期。

由于不同地區種植條件的多方差異，選用的輪作模式豐富多樣，使得輪作制度在土壤生態環境的研究中，其各項理化特性、有益菌群種類和土壤常見致病病源等指標的探索整理尚未系統全面；加之甘薯根際土壤微環境和甘薯根系分泌物相關聯報道尚不詳細，對指導實際生產缺乏廣泛性和準確性。但是隨著分析檢測技術的進步，如GC-MS、LC-MS、HPLC等數據庫不斷擴增，對植株根際土壤微生物代謝產物和植株根系分泌物組分分析水平逐漸提升，在輪作模式對栽培環境特性的成效方面愈加探索，對改善土壤生態環境在理論上更有指導意義。

北方消費者對甘薯的消費習慣大部分還停留在鮮食、烤食和加工產品，菜用甘薯還沒有在市場上受到廣泛關注，菜用甘薯主要使用部位是莖尖部分，其口感脆嫩、營養豐富，在國際上頗受歡迎，是夏季蔬菜的優質選擇，如“薯綠1號”。若根據各地栽培特色探索出合理種植模式，有助于菜用甘薯的推廣。

近年來由于耕地縮減，農業相關部門高度重視土地利用率，2016年中央各部聯合印發《探索實行耕地輪作休耕制度試點方案》。自此方案頒布以來，全國各地均結合當地作物種類、土壤、氣候、消費習慣等開始對耕地輪作制度進行模式開發，大部分地區探索出的輪作模式得以推廣示范，地區間相互參考借鑒并加以改進，各地的農業經濟收入、消費者認可度、生態資源可持續利用水平均有所提升。同時，隨著種植模式創新，水資源利用率得到提高、化肥、殺蟲劑、殺菌劑等造成的農殘污染大幅減少、土壤環境得到優化，符合目前所提倡的生態友好型綠色農業。