楊瑞瑞，呂春華，李任任，耿貴 ，於麗華

（1.黑龍江大學生命科學學院，哈爾濱150080；2.黑龍江省普通高校甜菜遺傳育種重點試驗室，哈爾濱150080）

0 引言

同一作物在同一塊地里連續(xù)種植兩茬或者兩茬以上的現(xiàn)象稱為連作。連作以后，即使在正常生產(chǎn)管理條件下也會產(chǎn)生生長狀況變差、產(chǎn)量降低、品質(zhì)變劣、病蟲害發(fā)生加劇的現(xiàn)象稱為連作障礙（Consecutive monoculture problem）[1-2]，也稱再植病或土壤病。此現(xiàn)象早在公元前300年就已經(jīng)被人們所認識。作物連作在水稻、玉米、小麥等糧食類作物，西瓜、草莓、番茄、黃瓜等果蔬類作物，烤煙、大豆、花生等經(jīng)濟類作物，人參、三七、地黃等藥材類作物，桉樹、杉木等林木栽培種植過程中均有發(fā)生，已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中存在的普遍現(xiàn)象。除很小一部分作物的連作具有促進作用外[3]，絕大部分作物的連作都存在不同程度的連作障礙現(xiàn)象，這嚴重制約了我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。

甜菜（Beta vulgaris L.）是我國乃至世界的兩大糖料作物之一，具有廣泛的種植范圍。除塊根可用做制糖外，制糖之后的廢絲和甜菜莖葉還可用作飼料和生產(chǎn)乙醇等清潔能源，具有很重要的經(jīng)濟價值[4]。甜菜屬于深根系直根作物[5]，為了獲得高產(chǎn)高糖，生產(chǎn)上甜菜種植提倡合理的輪作和耕作制度，在栽培技術上提倡4年以上大區(qū)輪作[6-7]。但由于受到經(jīng)濟利益的驅(qū)動、有限的耕地面積及生產(chǎn)栽培條件等因素的制約，生產(chǎn)上往往通過連作來保證制糖原料甜菜的供給量。機械化是降低成本的重要因素，而機械作業(yè)需要一定的種植規(guī)模；受土地流轉(zhuǎn)問題的制約，成片租地困難又使得規(guī)模種植有一定難度；而且前茬作物使用的除草劑殘留對甜菜多產(chǎn)生藥害，可供規(guī)模種植和可任選輪作的土壤面積受限，是規(guī)模種植的影響因素之一。此外，由于當種植甜菜效益明顯高于其它作物時，農(nóng)民種植甜菜積極性會高，難免連種，不能像大農(nóng)場那樣有相當?shù)耐恋赜杏媱澼喿鱗8]。甜菜連作之后危害很多，主要表現(xiàn)為甜菜幼苗生長緩慢、病蟲害發(fā)生加重、減產(chǎn)減糖等，嚴重時減產(chǎn)可達20%～35%[9]。低產(chǎn)、低糖會直接影響到農(nóng)民的收入及種植積極性，還與制糖企業(yè)的制糖成本密切相關[10]。因此，甜菜的連作障礙已成為生產(chǎn)上亟待解決的問題之一。

1 甜菜連作障礙的表現(xiàn)

連作障礙對植物的生育特性影響較大，不同作物的表現(xiàn)不盡相同，大都表現(xiàn)為植株幼苗生長狀況差、根系發(fā)育異常、植株抗逆能力下降、病蟲害發(fā)生猖獗、產(chǎn)質(zhì)量下降等，嚴重者甚至會導致植株死亡和絕產(chǎn)。如棉田連作使得棉花蕾、花、鈴的脫落數(shù)量、比例均高于非連作棉花[4]；花生連作之后導致個體生長發(fā)育緩慢、主莖變矮、根幅縮小、單株結(jié)果數(shù)變少、花生仁細小甚至癟粒，最終導致產(chǎn)量降低，減產(chǎn)可達40%[5-6]。由此可見，連作障礙己成為一個廣泛存在且嚴重影響生產(chǎn)的問題。

我國學者魏良民等[11]于1995—1998年連續(xù)4年在新疆農(nóng)科院老滿城的田間試驗中發(fā)現(xiàn)，連作后甜菜個體長勢、塊根產(chǎn)量及含糖率逐年下降，且隨連作時間延長，其下降幅度也越大，根腐病發(fā)病程度也在隨連作年限的延長而成倍上升，其主要癥狀表現(xiàn)為從甜菜葉叢著生處開始腐爛，根切面呈黑褐色水浸狀，維管束呈黑褐色。林柏森等[12]的研究發(fā)現(xiàn)，與生茬地相比，無論是單粒種還是多粒種，重茬種植都會使甜菜的產(chǎn)量下降，含糖降低，褐斑病等病害發(fā)生加重，同時使得有害灰分K、Na、ɑ-N含量增加。河西走廊甜菜連作與小麥、玉米、豆類—甜菜輪作比較，甜菜連作3年甜菜塊根平均減產(chǎn)87.41%，含糖率降低1.83個百分點，糖產(chǎn)量減少113.62%，褐斑病發(fā)病早，病蟲害較重[13]。另有學者研究認為，土壤中線蟲的種群數(shù)量與某些土傳病害的發(fā)生密切相關。對新疆產(chǎn)區(qū)的甜菜進行調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，在甜菜根腐病發(fā)生較為嚴重的地段，土壤中地下害蟲數(shù)量較多，這些害蟲在甜菜生長過程中不斷傷害其地下根系，使得根腐病菌更容易侵入[14]。在甘肅重茬和迎茬的甜菜褐斑病、根腐病、黃化毒病和叢根病分別比3年輪作高8.7～23.6、18.2～24.6、16.5～40.8和19.8～34.0個百分點[15]。甜菜連作障礙在我國甜菜各產(chǎn)區(qū)均有不同程度發(fā)生，在內(nèi)蒙古自治區(qū)發(fā)生最為嚴重。

2 甜菜連作障礙的成因

土壤是作物生長的基礎，其理化性質(zhì)直接影響著作物的生長狀況。優(yōu)良的土壤環(huán)境可以更好地滿足作物正常生長對養(yǎng)分的需求。對于連作障礙的形成原因不同學者存在著不同觀點，主要可以歸結(jié)為土壤理化性質(zhì)變化、土壤中微生物區(qū)系的變化及自毒物質(zhì)的積累等方面。

連作障礙是由多個系統(tǒng)內(nèi)的諸多因素綜合作用的結(jié)果，其產(chǎn)生原因很多且機理復雜，涉及作物、土壤、微生物種群等多個生物因素和非生物因素[16]。連作常導致土壤中營養(yǎng)元素含量、pH等理化性質(zhì)及微生物區(qū)系發(fā)生改變，制約作物對土壤中養(yǎng)分的吸收，甚至發(fā)生嚴重的病蟲害，影響作物的正常生長，使得作物的產(chǎn)量和品質(zhì)下降[17-20]。通過對連作黃瓜及人參等的研究發(fā)現(xiàn)[21-22]，隨著作物種植年限的延長，連作土壤的比重和容重增大，總孔度減少，物理性粘粒增加，導致土壤板結(jié)，通氣透水性變差；而如此粘重不易通氣的地塊，為甜菜根腐病等病菌的滋生創(chuàng)造了良好的生長條件，使得甜菜塊根的呼吸作用受到抑制，正常生長受到嚴重影響；作物連作后還會造成土壤EC值升高，含鹽量逐漸增加，并伴有次生鹽漬化的傾向[23]；同時Horton[24]和Ogram[25]對作物的連作障礙研究表明，作物對土壤中礦質(zhì)營養(yǎng)元素的吸收是有特定規(guī)律的，同一種作物長期連作必然造成土壤中某些特定元素的虧缺或積累，進而造成養(yǎng)分失衡，影響作物的正常生長，使得作物的抗逆能力下降，嚴重者會使植株致死。另有研究發(fā)現(xiàn)，隨作物連作年限的增加，土壤中的有機質(zhì)被大量消耗，營養(yǎng)供應失衡，土壤趨于酸化，導致作物對土壤養(yǎng)分的吸收受到抑制，病蟲害加重，從而影響到作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[22]。這與楊驥等[26]對不同輪作年限甜菜的研究結(jié)果一致，隨輪作年限的縮短，土壤中各養(yǎng)分含量均下降。

有學者認為，連作障礙是由自毒物質(zhì)在土壤中長期積累所致[27-28]。在對煙草等許多作物的研究中自毒物質(zhì)的積累已被證明是導致連作障礙的一個重要因素。作物在其生長過程中通過揮發(fā)、葉面浸出、根系分泌及植物組織腐解[29-31]等方式向環(huán)境中釋放次生代謝產(chǎn)物，其中的根系分泌物和植物殘株腐解物是土壤中自毒物質(zhì)的主要來源。王長魁等[13]在研究甜菜不同輪作方式效應及對后茬作物的影響中指出，甜菜連作會破壞土壤平衡，且根系分泌的有毒有害物質(zhì)增多會使得甜菜根腐病、立枯病、褐斑病等病害及甘藍夜蛾、草地螟、金龜子、跳甲、象甲等蟲害加重。且隨種植年限的增長，導致自毒作用的物質(zhì)會在連作土壤中逐漸積累，如通過對連作花生土壤的研究發(fā)現(xiàn)，土壤中對羥基苯甲酸、香草酸和香豆酸等自毒物質(zhì)的含量隨連作年限有逐年累加趨勢[32-33]；這些自毒物質(zhì)在土壤中積累達到特定濃度后就會對作物植株的正常生長產(chǎn)生自毒作用，影響種子的發(fā)芽、幼苗的生長及根系對養(yǎng)分的吸收。

還有學者認為，連作障礙是由于根附近富集的代謝產(chǎn)物及植物組織腐解物為土壤微生物提供的營養(yǎng)條件和寄主環(huán)境影響了微生物種群的分布所致[34-36]。這些物質(zhì)一方面促進病原菌的增殖或孢子萌發(fā)，使得有害微生物大量增殖，另一方面又使得病原拮抗菌數(shù)量及種類減少，最終導致土壤微生物多樣性水平下降。如西瓜、甜瓜等根系分泌物中的酚酸類化感物質(zhì)可促進尖孢鐮刀菌孢子的萌發(fā)。在對連作花生[37]、棉花[38]等多種作物的研究中發(fā)現(xiàn)，隨連作年限的增加，根際土壤中的真菌、細菌比例失調(diào)，細菌和放線菌數(shù)量明顯減少，真菌數(shù)量增多，土壤由細菌型向著真菌型轉(zhuǎn)變；而土壤的“真菌化”已被證明是地力下降的一個主要表征。

同時也有越來越多的學者認為，形成連作障礙的上述3個因素間存在著協(xié)同作用，連作導致土壤的理化性質(zhì)發(fā)生變化，使得土壤中的化感自毒物質(zhì)聚集，同時，土壤中的病原菌大量增殖，導致連作障礙的發(fā)生，這些變化反過來又影響土壤的理化性質(zhì)，最終導致連作障礙逐年加劇[39-41]。

3 甜菜連作障礙的消減技術

近年來，由于作物需求量的不斷上升，有關連作障礙的減緩措施也成為了生產(chǎn)上亟待解決的熱點問題之一。有些作物的連作障礙，通過特殊的栽培調(diào)控措施可以得到解決，但絕大多數(shù)作物的連作障礙至今還沒有切實可行的消減技術，如大豆、花生和人參、地黃等。目前生產(chǎn)上主要通過以下途徑或措施來達到消減甜菜連作障礙的目的。

3.1 選擇合理的耕作栽培制度

大量研究表明，很多作物的根分泌物與某些土傳病害的發(fā)生密切相關[42]。根據(jù)某些特殊種類的根分泌物對病原菌的化感作用，結(jié)合種植地的不同情況，在田間生產(chǎn)中實行合理的耕作栽培制度，能夠顯著改善作物的礦質(zhì)營養(yǎng)[43]，同時還可以調(diào)節(jié)土壤肥力，改善土壤微生態(tài)環(huán)境和微生物多樣性，從而對土傳病原菌實現(xiàn)有效的天然調(diào)控，減輕病蟲害的發(fā)生，改善作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，進而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[44]，是目前最為高效且行之有效防治連作障礙產(chǎn)生的方法之一。如東北農(nóng)業(yè)大學吳鳳芝課題組研究發(fā)現(xiàn)將小麥、洋蔥、大蒜等作物與黃瓜間作后，黃瓜根際土壤中的微生物多樣性顯著提高，同時黃瓜枯萎病、角斑病、霜霉病等多種病害的發(fā)生也明顯降低，黃瓜的產(chǎn)質(zhì)量得以間接提高[45-46]；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中設施蔬菜栽培常將深根性蔬菜（茄果類、瓜類、豆類等）與淺根性速生蔬菜（白菜、綠葉菜類、蔥蒜類等）輪作倒茬或行間套種，栽培系統(tǒng)中淺根性蔬菜有吸鹽洗鹽的作用，蔥蒜類對預防根部病害和根結(jié)線蟲危害又非常有效[47]，二者混作還可充分利用土壤中的水分和養(yǎng)分條件；有灌溉條件地區(qū)可在種植甜菜之前播種小麥或大麥，小麥或大麥幼苗可在分蘗前噴施除草劑除掉，首先長大的小麥或大麥幼苗一方面可有效減輕甜菜幼苗的風沙危害和凍害，另一方面亦具有明顯減輕連作土壤中甜菜幼苗化感自毒危害的作用。值得注意的是，某些作物釋放的化感物質(zhì)會對另一種作物的生長發(fā)育產(chǎn)生抑制效應，生產(chǎn)上若不慎選擇了不合理的種植制度就會使得作物減產(chǎn)，造成不必要的經(jīng)濟損失[48]。

3.2 選育具有優(yōu)良性狀抗逆性強的品種

品種是決定產(chǎn)質(zhì)量的先決因素，植物自身的遺傳特性決定了植物產(chǎn)生化感物質(zhì)的類別和數(shù)量，因此抗性育種是控制甜菜根部病害最有效的途徑。如美國的FC系列，意大利的SESI系列，我國的甜研309、甜研206等品種都是抗（耐）根病的品種[49]。但生產(chǎn)上為了追求產(chǎn)量和省工，主要引種國外高產(chǎn)甜菜單胚種，而我國的生態(tài)條件畢竟與國外有差異，且國外品種的適應性有限，因此，加強我國高產(chǎn)、抗病型甜菜品種的研制就顯得尤為重要。此外，有學者提出可通過基因手段來進行抗連作品種的選育[50]：在充分了解甜菜化感作用遺傳機制的基礎上，定位控制化感性狀的基因，找到其主效和輔助基因后探索控制化感作用的基因與控制其他優(yōu)良性狀的基因間的連鎖關系，然后通過基因工程將控制產(chǎn)生化感作用的基因轉(zhuǎn)入至優(yōu)質(zhì)甜菜品種中，借此來提高甜菜對化感自毒物質(zhì)的抗性。但由于目前在分子生物學水平上對連作障礙的研究有限，再加上這方面工作難度較大，使得該項技術并不成熟，利用基因工程技術減輕連作障礙的研究尚處在積極探索中。

3.3 合理施肥

甜菜是一種需肥量大、吸肥力強的作物，平均每生產(chǎn)一噸塊根，氮、磷、鉀3種大量元素的消耗量分別是糧食作物的1.6～2.0、2.0、3.0倍[51]。因此，種植過甜菜之后的地塊土壤地力消耗嚴重，后茬作物難續(xù)。通過向土壤中適量追加添加營養(yǎng)元素的肥料，可在一定程度上緩解由連作導致的營養(yǎng)元素缺乏，但生產(chǎn)上普遍只重視富含氮、磷、鉀等大量營養(yǎng)元素化肥的施用，忽略了微量元素肥和有機肥的施用，使土壤的緩沖能力和離子平衡能力下降或遭到破壞，pH值降低，某些養(yǎng)分的有效性降低，導致土壤中Ca、Mg、B、Mo等植物必需營養(yǎng)元素的缺乏，使得作物植株發(fā)生多種生理及土傳性病害[52]；而過量施用化肥又易導致土壤板結(jié)，加重土壤的鹽漬化現(xiàn)象，再加上甜菜幼株頂土能力差，土壤板結(jié)直接限制了甜菜的出芽率。因此，合理施肥是生產(chǎn)上確保甜菜高產(chǎn)高糖的一個必備條件。馬林等[14]研究發(fā)現(xiàn)在春耕前將腐熟豬糞作為基肥通過深翻入土后，土壤肥力得到了有效提高，甜菜的產(chǎn)量比施豬糞前高出近一倍。因此，在施用農(nóng)家肥的基礎上合理配施化肥，并適量增施微量元素肥，可有效改善土壤結(jié)構(gòu)，增強土壤的蓄水保水性，并滿足甜菜正常生長對各種元素的需求。目前，生產(chǎn)上無機—有機復合肥料在改善作物質(zhì)量、提高產(chǎn)量等方面發(fā)揮著重要作用。

3.4 適當調(diào)整播期

甜菜是一種比較耐寒的作物，苗期可耐低溫，其種子甚至在低于1℃的條件下也能發(fā)芽，而如此低溫不適合土壤中某些致病菌的生長[53]。因此，適時早播是一個很好的選擇，不但可以錯過致病菌的侵染，還可使植株鮮重高峰期提前，為產(chǎn)量形成和糖分積累奠定良好的物質(zhì)基礎[53]。肖華等[54]、王少槐等[55]研究發(fā)現(xiàn)，早播可使甜菜青頭量減少，生育期延長，早播21～40 d可增產(chǎn)9.8%～11.7%，含糖增加，且隨苗齡的延長，植株抗凍能力明顯增強。但溫度過低會使甜菜的發(fā)芽時間延長；溫度過高，又會影響根系正常生長。因此選擇一個合適的播期就顯得尤為重要，研究已經(jīng)表明當土壤5 cm深的低溫達到1.5℃時為最佳播期，即可開始播種。

3.5 施用微生物制劑

伴隨現(xiàn)代生物技術的發(fā)展，生物防治因其對人畜低毒或無毒、不污染環(huán)境等眾多優(yōu)點，已逐步成為防治作物病蟲草害、減輕連作障礙的一個重要手段。通過土壤中的有益微生物或其他生物與有害微生物競爭生存空間，使土壤中的病原菌或有害微生物數(shù)量下降，在一定程度上可以減弱其對根系的侵染力，降低土傳病害發(fā)病率，從而解決實際生產(chǎn)中存在的連作障礙問題[56]。目前，國外在甜菜生產(chǎn)上廣泛應用的有赤眼蜂、蘇云金桿菌、木霉菌等。而我國對甜菜連作障礙的生物防治還處于試驗階段。另有研究發(fā)現(xiàn)土壤中的有益微生物可以從土壤中篩選出來通過分解自毒物質(zhì)來達到防治連作障礙的目的。郝永娟等[57]研究由叢枝菌根VA菌和使用農(nóng)業(yè)廢棄物菇渣培養(yǎng)的拮抗木霉菌劑組成的生物土壤添加劑（BSA）對連作黃瓜生長的影響時發(fā)現(xiàn)該添加劑不僅可以改善土壤理化性狀，補充土壤養(yǎng)分，還可以促進植株生長，激活土壤中原有的拮抗菌，有效增強植株抗性，在一定程度上緩解了連作障礙。宋柏權(quán)等[58]在移栽田噴施微生態(tài)制劑提高了甜菜幼苗根長、株高、植株干重及增大根冠比率、葉片SPAD含量，增強了葉片光合能力，降低了甜菜根腐病發(fā)病率，提高了甜菜塊根產(chǎn)量、含糖和產(chǎn)糖量。因此，生物防治將是未來我國防治連作障礙的一個重要研究方向。

4 甜菜連作障礙防治研究前景

甜菜連作障礙是生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)多個因素相互作用所致。任何一項單獨的措施或幾項措施的簡單疊加都難以達到徹底克服連作障礙的理想效果。預防甜菜連作障礙最為有效的方法就是建立良好的甜菜輪作制度。要建立良好的甜菜輪作制度最重要的是建立合理的甜菜生產(chǎn)布局和制糖企業(yè)布局，根據(jù)可種植甜菜耕地面積建設制糖企業(yè)，避免甜菜制糖企業(yè)布局過分集中。同時選擇合理的耕作栽培制度，選擇化感自毒不明顯、抗耐根腐病和褐斑病的優(yōu)良性狀的品種，合理施肥、適當調(diào)整播期和施用微生物制劑等技術可一定程度減輕甜菜連作障礙造成的減產(chǎn)減糖后果。

伴隨現(xiàn)代分子生物學、生態(tài)學技術在農(nóng)業(yè)科學研究等應用領域的迅猛發(fā)展，運用分子生物學、生態(tài)學等技術消減連作障礙必將是今后的一個發(fā)展趨勢。如何減少甜菜化感自毒物質(zhì)向田間的釋放、如何提高土壤降解甜菜化感自毒物質(zhì)的能力、如何提高甜菜抗病害能力等將是今后甜菜連作障礙防治的研究方向。