多樣性種植是設(shè)施蔬菜土壤健康保持及障礙消減的重要途徑

文丨吳鳳芝

我國是設(shè)施園藝面積最大的國家，約有300萬公頃，占世界總面積的85%以上。設(shè)施園藝在我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮了重要作用，是保障園藝產(chǎn)品周年生產(chǎn)、周年供應(yīng)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收，助推鄉(xiāng)村振興的重要途徑。然而，隨著我國設(shè)施蔬菜生產(chǎn)不斷趨向?qū)I(yè)化、規(guī)模化和產(chǎn)業(yè)化，以及“一村一品”的單一集約化種植, 由此導致的蔬菜作物生長變差、產(chǎn)量降低、品質(zhì)變劣、病蟲害嚴重等連作障礙問題，已成為制約我國設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題。黨的二十大提出“要樹立大食物觀，要向設(shè)施農(nóng)業(yè)要食物”，給設(shè)施蔬菜生產(chǎn)提出了新的要求，因此，針對設(shè)施蔬菜土壤連作障礙問題，如何進行治理以及保持土壤健康是目前亟待解決的問題。

一、設(shè)施土壤障礙成因及田間表現(xiàn)

2023年中央一號文件提出，“實施設(shè)施農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化提升行動，集中連片推進老舊蔬菜設(shè)施改造提升”。2023年3月，全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心組織了6組相關(guān)專家，對我國設(shè)施園藝主產(chǎn)區(qū)老舊設(shè)施基地的設(shè)施改造及連作障礙治理情況進行了調(diào)研。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，老舊設(shè)施占比約40%；種植10年以上的設(shè)施土壤，均不同程度的出現(xiàn)了土壤障礙，其主要田間表現(xiàn)為生長勢差、產(chǎn)量降低、死苗率高、土傳病害嚴重等。連作障礙的成因一般可歸結(jié)為三方面：一是主要由于水肥管理不當，由化學因子引起的土壤環(huán)境惡化，包括土壤酸化、鹽漬化以及養(yǎng)分失衡（包括C/N降低）；二是主要由于栽培制度和化學投入品不合理，由生物學因子引起的土壤環(huán)境惡化，包括土壤致病微生物豐度增加，有益微生物豐度降低，土壤微生物區(qū)系失衡，土壤微生物多樣性降低等；三是由于蔬菜作物連作所引起的自毒作用，包括地上部淋溶物、根系分泌物和植株殘體腐解物等。

研究發(fā)現(xiàn)，自毒作用會加重土壤化學因子和生物學因子導致的危害。在土壤連作障礙治理中，應(yīng)該針對不同形成原因有針對性地采取相應(yīng)措施。近日，中國農(nóng)業(yè)大學和山東農(nóng)業(yè)大學根據(jù)土壤質(zhì)量指數(shù)，把土壤分為健康、輕度障礙、中度障礙和重度障礙4個等級，并提出應(yīng)根據(jù)不同土壤障礙等級采取不同的治理措施。

二、減輕土壤連作障礙的主要措施

目前關(guān)于土壤連作障礙的防控措施主要包括嫁接、土壤消毒、淹水、秸稈還田、平衡施肥、多樣性種植（間套輪作，以及伴生、填閑等）等。輪作、間套作等是我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的精華，是祖先留給我們的寶貴財富，通過輪作、間套作可以充分利用光、熱、水、肥等資源來提高產(chǎn)量、減輕病害，這已成為業(yè)界共識。《齊民要術(shù)》中就有“谷田必須歲易”的記載，民間也有“豆見豆，必定瘦；瓜茬種瓜，種了白搭；新種一年發(fā)，連種三年塌；要想富，地里開個雜貨鋪”之說，“雜貨鋪”就是指多樣性種植。

隨著設(shè)施蔬菜發(fā)展的專業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化，以及“一村一品”規(guī)模化的單一種植，傳統(tǒng)的輪作、間套作變得難以實現(xiàn)，針對“間作難”“輪作難”的問題，東北農(nóng)業(yè)大學設(shè)施園藝與蔬菜生理生態(tài)團隊發(fā)明和創(chuàng)建了“伴生”“填閑”等多項綠色生態(tài)多樣性種植技術(shù)。

三、控病增產(chǎn)的綠色生態(tài)多樣性種植技術(shù)

多樣性種植作為增加農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性的重要措施，具有重要的生態(tài)功能。2000年，朱有勇院士在《自然》雜志上發(fā)表了“水稻基因多樣性與病害控制”一文，證實了利用水稻抗感品種混種可以減輕稻瘟病的病害程度，進而建立了利用生物多樣性控制病害的理論并進行了生產(chǎn)實踐。截至目前，大量的研究結(jié)果表明，隨著植物多樣性的增加，可以使植物生產(chǎn)力增加，這主要是由于物種互補的原因（而不是抽樣效應(yīng)），并且這種作用會隨時間而增強。有研究發(fā)現(xiàn)，在多樣性種植的組合中，遺傳距離越遠，帶來的生產(chǎn)率越高；在多樣性種植中，提高土壤微生物多樣性是減輕土傳病害的主要途徑。因此，我們根據(jù)“蔬菜栽培學”“植物種間互作”和“化感作用”原理，利用百合科的蔥蒜類，禾本科中的小麥，豆科的菜豆、豌豆、蠶豆，十字花科的小白菜、油菜等，進行番茄、黃瓜和辣椒的多樣性種植技術(shù)研究，建立了多種基于提高土壤微生物多樣性的生態(tài)栽培模式。

（一）伴生栽培

2011年，東北農(nóng)業(yè)大學的“一種克服黃瓜連作障礙的伴生栽培方法”獲國家發(fā)明專利。伴生栽培是指選用對主栽作物具有控病或促生作用的植物，將其在不單獨占用土地的情況下種植在主栽作物一側(cè)（便于機械化栽培），使其與主栽作物形成伴生關(guān)系，這種栽培方式不以收獲伴生植物為主要目的。目前建立的伴生栽培模式共有4 套，一是小麥伴生瓜類栽培（黃瓜、西瓜），提高瓜類產(chǎn)量10%以上，霜霉病、角斑病、枯萎病發(fā)病率降低15%以上；二是分蘗洋蔥伴生番茄栽培，提高番茄產(chǎn)量6.9%~19.6%，灰霉病、黃萎病、枯萎病的發(fā)病程度顯著降低，篩選出的2個控制番茄根結(jié)線蟲的伴生分蘗洋蔥品種，降低番茄根結(jié)線蟲發(fā)病率分別為68.7% 、68.1%，另外，由于分蘗洋蔥根系分泌物能活化土壤中不能被植物利用的磷，進而可以減施磷肥30%左右；三是蒲公英伴生黃瓜栽培，提高黃瓜產(chǎn)量5%以上，降低黃瓜發(fā)病率15%以上；四是蒲公英伴生辣椒栽培，辣椒疫病防效達66%~78%（利用蒲公英種植對辣椒疫病防控及增產(chǎn)增效的生態(tài)栽培法，發(fā)明專利，東北農(nóng)業(yè)大學，2021年）。

伴生栽培與傳統(tǒng)間套作的區(qū)別在于：一是傳統(tǒng)間套作的作物以收獲為目的，如傳統(tǒng)的甘藍套種番茄，甘藍是要收獲的，而伴生栽培中的伴生植物不以收獲為目的。如小麥伴生黃瓜栽培中，伴生的小麥是不以收獲為目的的，當小麥生長到30-50cm時，全被割放在壟溝，以免影響通風透光，同時小麥秸稈翻入土壤后可以提供一定養(yǎng)分，其目的是通過小麥根系分泌物和秸稈腐解物改善黃瓜根際微生態(tài)環(huán)境，促進黃瓜生長，降低病害率。而伴生番茄的分蘗洋蔥是可以收獲的，可以提高單位面積的產(chǎn)出; 二是傳統(tǒng)間套作的作物是隔行、隔壟、隔畦或隔株種植，沒有強調(diào)與主栽作物的距離，但伴生栽培的伴生植物要求距主栽作物根際10 cm以內(nèi), 其目的是實現(xiàn)根際調(diào)控，伴生作物種植在主栽作物的同一壟或畦內(nèi)，不單獨占用壟或畦；三是伴生栽培不改變原主栽作物的種植方式，比如農(nóng)戶在同一塊菜田中連續(xù)種植番茄時，在番茄定植或定植緩苗后距番茄5-10cm處種植分蘗洋蔥即可，根據(jù)市場需求，分蘗洋蔥可以間拔采收青蔥，也可以一次性收獲蔥頭，既解決了因番茄單一種植帶來的土壤連作障礙問題，同時又增加了產(chǎn)品的多樣性，提高了土地的單位面積產(chǎn)出及經(jīng)濟效益。

伴生栽培破解了設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中輪作難、間套作難的問題，已經(jīng)被越來越多的人所接受，目前，除以上的伴生栽培模式外，各地根據(jù)地域栽培特點及栽培作物，在生產(chǎn)中出現(xiàn)了“大蔥伴生番茄”“大蔥伴生辣椒”“大蔥伴生西甜瓜”“分蔥伴生甜瓜”“香蔥伴生番茄”“韭菜伴生火龍果”“圓蔥、大蒜伴生草莓”等多種伴生栽培模式。

（二）設(shè)施辣椒/菜豆間作共生技術(shù)

“一種棚室辣椒與菜豆間作共生技術(shù)”于2020年獲國家發(fā)明專利。在不影響辣椒定植株數(shù)的前提下，以3:1比例直播菜豆。菜豆可以在兩行辣椒之間，也可以在辣椒行外側(cè)。一是有效減輕辣椒疫病及“三落”；二是可以提高辣椒產(chǎn)量20%左右；三是單位面積產(chǎn)量（辣椒+菜豆）提高40%以上。

（三）設(shè)施番茄套作菜豆栽培技術(shù)

在越夏番茄生產(chǎn)中，由于夏季高溫經(jīng)常造成番茄日灼和裂果現(xiàn)象，影響番茄的商品性，因此，在番茄定植大約2個月時，每隔2-3株番茄直播1株菜豆，為了適宜機械播種，可以在距番茄根際5-10cm處成行播種菜豆，間距70-100cm。該項技術(shù)不但可解決番茄連作引起的土壤連作障礙問題，又能減輕地上部番茄果實的日灼和裂果現(xiàn)象，同時因菜豆具有固氮作用，可以一定程度上減少氮肥的施用。目前該項技術(shù)已在遼寧省北票市、吉林省榆樹市等地大面積應(yīng)用。

（四）填閑

填閑也可以稱為短期輪作，指在設(shè)施露地的休閑期，種植具有特殊性狀的作物，是以土壤修復、阻控養(yǎng)分流失等為目的的一種栽培模式。種植的填閑作物可以收獲也可以不收獲，主要是將其作為綠肥翻耕于土壤中。填閑可以平衡土壤養(yǎng)分，提高土壤pH，增加土壤微生物多樣性。目前的研究顯示，填閑作物主要包括小麥、豌豆、蠶豆、蘇丹草、毛苕子、籽粒莧、甜玉米、小白菜、油菜等。有研究表明，小麥填閑可使黃瓜增產(chǎn)10%以上，同時減施化肥30%左右；小麥和豌豆混合填閑，可促進辣椒幼苗生長，降低發(fā)病率；籽粒莧填閑可顯著減少番茄根結(jié)線蟲的發(fā)生；小白菜、油菜和小麥填閑不僅促進番茄幼苗生長，而且顯著減輕了番茄青枯病的病害程度。研究表明，填閑可以通過填閑作物根系分泌物和腐解物改變土壤微生物組，進而減少病害，增加作物的產(chǎn)量。

填閑也是解決設(shè)施蔬菜輪作難的主要措施之一，目前在我國許多地區(qū)得到應(yīng)用，例如甜玉米填閑（玉米—果菜輪作）在河南、河北、天津、北京、山西等地均有應(yīng)用；小麥、麥豆混合、蘇丹草等填閑在黑龍江、吉林、遼寧、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、山東、河南、河北等地均有應(yīng)用。在不同地區(qū)根據(jù)種植特點，可在夏季設(shè)施休閑期或秋茬拉秧后，采用機播和機翻等方式填閑作物。

四、我國設(shè)施蔬菜多樣性種植的研究與應(yīng)用展望

小麥伴生黃瓜栽培

分蘗洋蔥伴生番茄栽培

收獲的伴生分蘗洋蔥的蔥頭

我國設(shè)施蔬菜集約化的單一種植體系，均配置大量的化肥、農(nóng)藥等外部化學投入品，易造成諸如土壤退化、化學污染、生物多樣性喪失等一系列問題。

多樣性種植（間套作、伴生、填閑等）提高體系生產(chǎn)力（作物產(chǎn)量）這一結(jié)論已被大量研究證實。

多樣性種植（間套作、伴生、填閑等）提高體系生產(chǎn)力（作物產(chǎn)量）這一結(jié)論已被大量研究證實，近年來我國蔬菜科技工作者研發(fā)了多種多樣性種植模式，除以上介紹的多樣性種植模式外，還有諸如甘藍/菜豆—玉米、水芹—黃瓜、小白菜—茄子/甜椒/豇豆/番茄、水稻/番茄、空心菜/黃瓜等輪作模式，玉米/辣椒、芹菜/黃瓜、芹菜/番茄等間套作模式。但由于受設(shè)施高效利用和高度集約化規(guī)模種植以及用工難、用工貴的影響，多樣性種植的推廣應(yīng)用面積及規(guī)模受到了一定限制。隨著我國設(shè)施機械化、自動化、智能化以及綠色蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，多樣性種植將會得到更好發(fā)展與應(yīng)用。

（一）宜機化栽培下的多樣性種植模式研究

機械化程度不高是限制多樣性種植應(yīng)用的主要問題，由于勞動力成本的上升，以及農(nóng)村勞動力缺乏等情況的逐漸加劇, 這一問題顯得越來越突出。因此，我們一方面要篩選出促生、控病、防蟲的間套作（伴生）作物，與主栽作物進行合理配置；另一方面，要研究其機械化種植參數(shù)，研究出更多適合機械化的多樣性種植技術(shù)，使除主栽作物外，間套作（伴生、填閑）作物也適合機械化種植及收獲，這對于提高設(shè)施蔬菜生產(chǎn)率以及適應(yīng)設(shè)施現(xiàn)代化發(fā)展都是必要的。

（二）多樣性種植與養(yǎng)分資源利用

在多樣性種植體系中，種植的伴生（間套作）作物會帶走或活化一部分土壤養(yǎng)分，如分蘗洋蔥伴生番茄體系中，分蘗洋蔥根系分泌物能活化土壤中難溶的磷；在番茄套種菜豆體系中，菜豆收獲時會帶走一部分養(yǎng)分但也會通過固氮作用增加土壤的氮素營養(yǎng)；在填閑體系中，作為綠肥的填閑作物會增加土壤養(yǎng)分，而作為短期輪作可以收獲的填閑作物（甜玉米等）會帶走一部分土壤養(yǎng)分，與單作相比，土壤養(yǎng)分均發(fā)生了變化。如何弄清這種養(yǎng)分變化并根據(jù)其變化進行科學合理的養(yǎng)分管理，對于土壤健康保持及連作障礙消減均是值得研究的問題。

（三）多樣性種植將在綠色蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展中發(fā)揮更大作用

綠色蔬菜生產(chǎn)的主要特征是盡可能少地投入外部化學品，充分利用生物循環(huán)，重視土壤健康，保護生物多樣性的生態(tài)環(huán)境友好型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系。間套作（伴生等）由于具有活化土壤難以利用的磷素，充分發(fā)揮豆科植物生物固氮潛力等特征, 從而滿足減少化學肥料的要求。其次, 利用間套作（伴生）使作物合理配置, 可以減少作物病蟲害, 從而滿足減少或者完全不施用化學農(nóng)藥的要求。如通過伴生作物與主栽作物互作，改變主栽作物根系分泌物，招募更多有益微生物，一方面直接殺死病原菌，另一方面通過提高誘導抗性而提高主栽作物對病害的抗性，進而減少病害；通過種植蜜源植物吸引天敵，種植驅(qū)蟲植物驅(qū)趕害蟲，達到減少蔬菜蟲害，減少農(nóng)藥和化肥使用的目的。因此，隨著我國綠色蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，多樣性種植技術(shù)將發(fā)揮更大作用。

總之，間套作是人類在長期實踐中積累下來的寶貴財富，蘊含了豐富的生態(tài)學原理, 如何在將這些科學原理挖掘出來，豐富生態(tài)學理論的同時, 進一步對其進行完善，發(fā)揚光大，并不斷創(chuàng)新，以適應(yīng)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要，是農(nóng)業(yè)科技工作者的重要任務(wù)。相信隨著人們對綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)認識的提高，以及我國設(shè)施農(nóng)業(yè)機械化水平的提升，多樣性種植技術(shù)將會在土壤健康保持及障礙消除方面發(fā)揮更大作用。