胡雙 孫文靜 高林怡 郭龍妹 王莉莉 黎萬奎
摘要:中醫(yī)藥作為中華民族的瑰寶,在防病治病方面發(fā)揮著巨大作用。為了滿足國內(nèi)外市場(chǎng)需求,藥用植物的栽培面積不斷擴(kuò)大,隨之而來的連作障礙問題也愈發(fā)突出,嚴(yán)重制約了中醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。本文根據(jù)近年來藥用植物連作障礙方面的研究成果,闡述了其危害,從土壤、植物、微生物3個(gè)方面分析其產(chǎn)生的原因,并總結(jié)了目前常用的防控措施,主要有合理施肥、改良耕作制度、品種選育和土壤滅菌,同時(shí)提出存在的一些問題,以期為今后的相關(guān)研究提供參考。
關(guān)鍵詞:藥用植物;連作障礙;化感物質(zhì);土壤酶;根際;防控措施;微生物
中圖分類號(hào): S567.04 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A 文章編號(hào):1002-1302(2021)16-0038-10
連作障礙(continuous cropping obstacles)指在正常的管理措施下,在同一塊地連續(xù)多年種植相同作物而造成的作物產(chǎn)量降低、品質(zhì)變劣、生長狀況變差、病蟲害加劇的現(xiàn)象[1]。歐美國家稱之為“再植病害”或“再植問題”,日本稱之為“忌地現(xiàn)象”或“連作障害”,在我國常稱為“重茬問題”。連作障礙在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中較為普遍,每年給全世界帶來巨大損失。我國是中藥消費(fèi)大國,中藥的進(jìn)出口量逐年增加,種植面積不斷擴(kuò)大。目前,我國常用中藥材有600多種,其中已實(shí)現(xiàn)人工種植的有300多種,種植面積達(dá)220多萬hm2[2]。藥用植物相對(duì)于其他作物而言有特殊的化學(xué)成分和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用,且在生產(chǎn)過程中更易發(fā)生連作障礙,因此克服藥用植物連作障礙問題十分必要。本文根據(jù)近年來國內(nèi)外藥用植物連作障礙方面的文獻(xiàn),對(duì)其危害、產(chǎn)生原因和防控措施進(jìn)行歸納總結(jié)。
1 藥用植物連作障礙的危害
1.1 藥材產(chǎn)量質(zhì)量下降
大量研究發(fā)現(xiàn),藥用植物連作后,受各種因素影響,環(huán)境逐漸不適宜植物生長,導(dǎo)致其生長發(fā)育受阻,產(chǎn)量不斷下降,嚴(yán)重的甚至出現(xiàn)絕收。例如,溫郁金(Curcuma wenyujin Y. H. Chen et C. Ling)連作會(huì)造成地下塊根和地上莖葉的生物產(chǎn)量遠(yuǎn)小于正茬,尤其是生長中期對(duì)地上部分的莖葉生物產(chǎn)量影響最大,蓬莪術(shù)(Curcuma phaeocaulis Val.)連作也會(huì)造成地上莖葉生物產(chǎn)量遠(yuǎn)低于正茬[3]。蒙古黃芪[Astragalus membranaceus var. mongholicus (Bunge) P. K. Hsiao]連作5年后植株生長緩慢,各項(xiàng)生物量指標(biāo)較低,藥材品質(zhì)下降[4]。地黃[Rehmannia glutinosa (Gaertn.) DC.]連作后,其葉綠素含量、光合特性及根系活力在整個(gè)生育周期中均維持在較低水平,產(chǎn)量顯著降低[5]。
此外,藥用植物連作還會(huì)導(dǎo)致其次生代謝產(chǎn)物的合成紊亂,出現(xiàn)藥材有效成分含量減少、質(zhì)量下降、臨床療效變差的情況,這是區(qū)別于其他作物連作障礙最突出的特征。白花丹參(Salvia miltiorrhiza f. alba C. Y. Wu et H. W. Li)連作2年后,其地下部鮮質(zhì)量和干質(zhì)量大幅下降,且有效成分二氫丹參酮、隱丹參酮、丹參新酮、丹參酮ⅡA、丹酚酸B和迷迭香酸均不同程度下降[6]。白術(shù)(Atractylodes macrocephala Koidz.)連作后其根長、直徑、體積、單株鮮質(zhì)量、干質(zhì)量及產(chǎn)量均降低,白術(shù)內(nèi)酯Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ降低,且連作1、2年白術(shù)的水分含量和連作3年白術(shù)的灰分含量均不符合2015年版《中華人民共和國藥典》標(biāo)準(zhǔn)[7]。穿龍薯蕷(Dioscorea nipponica Makino)中皂苷類活性成分的含量隨連作年限的增加而逐漸下降[8],廣藿香[Pogostemon cablin (Blanco) Benth.]連作后,其揮發(fā)油、百秋李醇含量也明顯下降[9]。
1.2 自然生態(tài)壞境破壞
由于藥用植物連作障礙的發(fā)生損害了農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)效益,人們?yōu)榱藦浹a(bǔ)損失,盲目地更換或擴(kuò)張種植面積,破壞了原有的自然環(huán)境和植被類型,造成當(dāng)?shù)匚锓N單一、生物多樣性降低、生態(tài)環(huán)境脆弱、水土流失嚴(yán)重。此外,有些藥農(nóng)在連作障礙出現(xiàn)后,盲目增施化肥農(nóng)藥,不僅造成土壤質(zhì)量下降、農(nóng)藥殘留嚴(yán)重,而且往往收效甚微,增加了成本和浪費(fèi)資源。在藥用植物的異地遷移種植中,有的忽略了自然生產(chǎn)規(guī)律,實(shí)際效果不佳,同樣造成了對(duì)自然資源的浪費(fèi)和生態(tài)環(huán)境的破壞。
2 藥用植物連作障礙的產(chǎn)生原因
藥用植物連作障礙的產(chǎn)生過程十分復(fù)雜,是多種因素共同作用的結(jié)果,國內(nèi)外學(xué)者從多角度提出了不同的解釋,總的來說可以概括為土壤、植物和微生物3個(gè)方面。
2.1 土壤因素
2.1.1 土壤物理性狀的改變 藥用植物連作后常發(fā)生土壤物理性狀的改變,長期連作會(huì)打破土壤的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定,使土壤板結(jié)僵化、透氣性差,CO2和有害氣體則不斷積累在根系周圍,當(dāng)達(dá)到一定濃度時(shí),就會(huì)引起根系中毒[10]。當(dāng)土壤中的O2、CO2濃度及孔隙率等無法滿足根系正常生長的需求時(shí),則會(huì)阻礙植物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用,最終嚴(yán)重制約藥用植物的生長發(fā)育。簡(jiǎn)在友等發(fā)現(xiàn),隨連作年限的增加,種植人參(Panax ginseng C. A. Mey)的土壤中的物理性黏粒(粒徑<0.01 mm)逐漸增多,團(tuán)粒結(jié)構(gòu)被破壞,發(fā)生土壤板結(jié),土壤的非活性孔隙比例相對(duì)降低,通氣、透水性能變差,進(jìn)而影響人參藥材的品質(zhì)[11]。祖勒胡瑪爾·烏斯?jié)M江發(fā)現(xiàn),甘草(Glycyrrhiza uralensis Fisch)連作地的土壤容重顯著大于輪作地,土壤養(yǎng)分、總孔隙度顯著小于輪作地[12]。
2.1.2 土壤化學(xué)性狀的改變 土壤酸化是指氫離子在土壤內(nèi)部產(chǎn)生并從土壤外部輸入,導(dǎo)致土壤pH值降低和鹽基飽和度降低的過程,它將導(dǎo)致土壤中重金屬元素的溶解和釋放,并減少氮、磷、鉀、有效硼和有效硅等營養(yǎng)元素含量,不利于藥用植物的生長發(fā)育。在自然條件下,土壤酸化過程相對(duì)較慢,平均每過229萬年土壤的pH值下降1個(gè)單位,但受人為活動(dòng)影響,土壤酸化加速,有研究發(fā)現(xiàn),我國農(nóng)田土壤pH值在1980—2000年平均下降了0.5個(gè)單位[13]。目前,已經(jīng)在多種藥用植物如人參、孩兒參[Pseudostellaria heterophylla (Miq.)Pax ex Pax et Hoffm.]、西洋參(Panax quinquefolius L.)、丹參(Salvia miltiorrhiza Bunge)、白術(shù)、三七[Panax notoginseng (Burk.) F. H. Chen]、地黃、白花蛇舌草(Hedyotis diffusa Willd.)、大蒜(Allium sativum L.)、烏頭(Aconitum carmichaelii Debx.)等中出現(xiàn)該問題,主要是長期連作導(dǎo)致土壤中酚酸類物質(zhì)積累造成的。
土壤鹽漬化是一個(gè)日益嚴(yán)峻的全球性問題,對(duì)植物生長發(fā)育的影響顯著,主要是由于化肥的濫用造成土壤鹽分積累過多。鹽對(duì)植物的毒害作用一方面是由于土壤中鈉的積累導(dǎo)致水的有效利用減少,另一方面是由于鈉、氯離子對(duì)植物的毒性作用[14]。此外,鹽脅迫還會(huì)造成藥用植物光合作用下降[15],如當(dāng)歸[Angelica sinensis (Oliv.) Diels]連作葉片的光合特性、光合色素含量及藥材揮發(fā)油含量顯著降低,造成當(dāng)歸的產(chǎn)量、質(zhì)量下降[16]。丙二醛(MDA)作為植物在鹽脅迫下膜脂過氧化的主要產(chǎn)物,其含量可代表細(xì)胞膜的損傷程度,反映了植物的鹽脅迫和耐鹽性[14]。脯氨酸(Pro)是一種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),其含量可作為植物抗逆性的生理指標(biāo)[17]。蘭州百合[Lilium davidii var. willmottiae (E. H. Wilson) Raffill]連作后,其葉片光合色素含量顯著降低,光合熒光參數(shù)劣化,葉片超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)活性下降,滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)MDA、Pro含量增加,可溶性蛋白含量降低[18];半夏[Pinellia ternata (Thunb.) Breit.]連作后也出現(xiàn)了類似的情況,但可溶性蛋白、可溶性糖含量升高[19]。以上研究結(jié)果均表明,連作后出現(xiàn)的土壤鹽漬化是造成連作障礙的重要因素之一。
2.1.3 土壤養(yǎng)分失衡 由于藥用植物在生長過程中對(duì)土壤中營養(yǎng)元素的需求有一定規(guī)律,并且在同類或近緣植物根系的分布情況相似,其根系大致停留在同一土層深度,長期連作必然造成土壤中某些元素的虧損或富集,從而造成土壤養(yǎng)分的偏耗,使土壤營養(yǎng)元素失衡,進(jìn)而影響下茬植株的正常生長[20]。此外,由于土壤中的氮、磷、鉀等大量元素更易受到人們關(guān)注,能夠及時(shí)通過施肥給予補(bǔ)充,因此藥用植物在生長過程中對(duì)微量元素的競(jìng)爭(zhēng)十分激烈,而且可能受到外界環(huán)境如溫度、濕度等的誘導(dǎo),使其在特定時(shí)期對(duì)某種元素的吸收增多,長期惡性循環(huán)后形成“木桶效應(yīng)”,對(duì)藥用植物的生長十分不利。高桐梅等發(fā)現(xiàn),隨著芝麻(Sesamum indicum L.)連作年限的增加,土壤速效氮、磷、鉀含量和交換性鈣、鎂含量及有效錳、硼、鐵、銅、鋅含量均下降,土壤供肥能力變差[21]。吳鳳云發(fā)現(xiàn),三七連作后土壤pH值、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、速效磷和全鉀含量下降,而土壤Ca2+、Mg2+、HCO-3和全磷含量升高[22]。劉姣姣等發(fā)現(xiàn),隨著花椒(Zanthoxylum bungeanum Maxim)連作年限的增加,土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量和速效氮、速效磷、速效鉀等含量均有所降低,土壤pH值為8.09~8.48,呈弱堿性[23]。
2.1.4 土壤酶活性降低 土壤酶作為土壤系統(tǒng)的重要組成部分,是土壤中動(dòng)植物殘?bào)w分解、植物根系分泌和土壤微生物代謝的產(chǎn)物,是一類具有催化活性的特殊物質(zhì),參與了土壤中有機(jī)質(zhì)的分解和腐殖質(zhì)的形成等生化過程,是土壤質(zhì)量和土壤生物活性的綜合表現(xiàn)[24]。土壤酶活性受土壤性質(zhì)和環(huán)境條件的影響,可以代表土壤中物質(zhì)代謝的旺盛程度,并在一定程度上反映植物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用情況[25-26]。如CAT能夠酶促分解對(duì)植株、土壤產(chǎn)生毒害作用的過氧化氫;蔗糖酶(SUC)可將土壤中的蔗糖轉(zhuǎn)化為可被植物利用的葡萄糖和果糖;脲酶(URE)是土壤中對(duì)尿素轉(zhuǎn)化起重要作用的酶類,可表征土壤的供氮能力;磷酸酶(PHO)能酶促分解各種有機(jī)磷,為植物生長提供有效磷素;蛋白酶(PRO)參與土壤中蛋白質(zhì)、氨基酸及其他含蛋白質(zhì)氮的有機(jī)化合物的轉(zhuǎn)化;多酚氧化酶(PPO)可以驅(qū)動(dòng)土壤中芳香族化合物的分解與轉(zhuǎn)化,從而消除土壤中芳香族污染物對(duì)土壤質(zhì)量的不良影響[27-29]。表1為近年來關(guān)于藥用植物連作對(duì)土壤酶活性影響的報(bào)道,可以看出,連作后多數(shù)土壤酶活性降低,不利于土壤的健康穩(wěn)定和藥用植物的生長發(fā)育,而PPO活性上升可能受到土壤干濕狀況、溶解氧含量、pH值和溫度等因素影響[38],會(huì)阻礙有機(jī)質(zhì)礦化時(shí)產(chǎn)生的酚類中間產(chǎn)物合成腐殖質(zhì),造成酚類化合物的積累[39],從而引起植物中毒。
2.2 植物因素
藥用植物連作后,常常會(huì)出現(xiàn)化感自毒現(xiàn)象。早在1938年,Mahboobi等便首次提出化感作用(selfalleloppathy)這一概念[40-42],即植物通過淋溶、揮發(fā)、腐解及其根系分泌物等特殊途徑釋放一些物質(zhì)對(duì)植物、微生物的生長產(chǎn)生促進(jìn)或抑制的現(xiàn)象?;凶饔闷毡榇嬖谟谧匀唤缰校饕ɑ衅ψ饔?、自毒作用、自促作用和互惠作用[43]。自毒作用即一種發(fā)生在種內(nèi)的生長抑制作用,植物連作后,前茬植物殘?bào)w與病原微生物的代謝產(chǎn)物可對(duì)植物產(chǎn)生毒害,連同植物分泌的自毒物質(zhì)共同干擾植株生長代謝,最終形成了植物的化感自毒現(xiàn)象[44]?;形镔|(zhì)種類多樣,存在于藥用植物的各個(gè)組織中,引起藥用植物自毒的機(jī)制主要是破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)、影響光合作用、影響活性氧的代謝和干擾激素代謝平衡等[45]。表2為近年來關(guān)于藥用植物化感自毒方面的報(bào)道,相對(duì)來說,它們較其他藥用植物不耐連作,更易受到化感物質(zhì)的侵害。從科級(jí)上看,藥用植物主要集中在菊科、百合科、唇形科、豆科和五加科;從植物類型上看,這些植物大多為草本植物,且以多年生草本為主;從化感物質(zhì)上看,主要是酚酸類物質(zhì),還包括藥用植物的一些特有成分。從文獻(xiàn)報(bào)道的頻率上來看,主要集中在一些市場(chǎng)需求大和栽培面積廣的藥用植物,如白術(shù)、大蒜、丹參、人參、西洋參、三七、地黃和太子參等,它們的連作障礙問題也更加嚴(yán)重。但不表明未被報(bào)道的藥用植物就沒有化感自毒的情況,可能是因?yàn)槠湟吧Y源已滿足市場(chǎng)需求而不需要大規(guī)模的人工栽培或是因?yàn)閱栴}不突出而并沒給人們帶來實(shí)質(zhì)性的損失,所以未得到關(guān)注。
2.3 微生物因素
2.3.1 微生物種類和數(shù)量降低 土壤微生物是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,主要包含細(xì)菌、放線菌和真菌三大類群,其數(shù)量不僅可以反映能量代謝的過程,還可反映土壤肥力狀況,在土壤養(yǎng)分循環(huán)和土壤礦物分解中起著重要作用,土壤微生物可以產(chǎn)生和利用各種大氣成分(如N2、O2、H2、NO、N2O、CO2、CH4、H2S等),其種類和數(shù)量直接影響土壤的生化活性和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化,并調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分動(dòng)態(tài)[96-99]。一般情況下,土壤中細(xì)菌最多,放線菌和真菌較少[10],而連作會(huì)顯著改變藥用植物根際微生物群落結(jié)構(gòu),造成微生物種類和數(shù)量降低,且根際土壤中真菌數(shù)量增多、細(xì)菌數(shù)量減少,土壤微生物類型由細(xì)菌型向真菌型過渡。眾多學(xué)者一致認(rèn)為,真菌型土壤是地力衰退的標(biāo)志[100]。肖春萍等研究發(fā)現(xiàn),人參栽培年限增加會(huì)顯著抑制人參根際土壤微生物活性及微生物量的積累[101]。張周等發(fā)現(xiàn),玉竹連作后,根際土壤中細(xì)菌、放線菌數(shù)量分別較對(duì)照土壤降低了12.4%、13.2%,真菌數(shù)量則增加了239%,好氧自生固氮菌、氨化細(xì)菌、無機(jī)磷細(xì)菌數(shù)量分別降低了36.3%、48.6%、71.1%,而有機(jī)磷細(xì)菌數(shù)量增加了12.1%[102]。以上研究結(jié)果均表明,連作不利于土壤微生物的穩(wěn)態(tài),從而導(dǎo)致藥用植物產(chǎn)生連作障礙。
2.3.2 致病菌增多和益生菌減少 大量研究結(jié)果表明,土壤微生物群落在土壤生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性中發(fā)揮著重要作用[103-104]。連作后土壤環(huán)境發(fā)生改變,逐漸不適宜多數(shù)微生物的生存,土壤微生物的種類、數(shù)量都下降,此時(shí)環(huán)境有利于有害微生物的入侵和生存,使得土壤中的有益微生物量隨著土壤連作年限的增加而逐漸減少,有害微生物量逐漸增加。通過長期積累,植物根際被有害微生物占據(jù),有益微生物的繁殖被抑制,造成嚴(yán)重的土傳病害如根腐病、黑腐病、銹腐病、全蝕病、枯萎病等的發(fā)生,最終形成連作障礙。地黃野生狀態(tài)土壤菌群和頭茬土壤菌群相類似,其中變形菌門、厚壁菌門占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位,根際富含芽孢桿菌、假單胞菌等有益生防菌,但重茬地黃根際土壤滋生大量病原菌,益生菌群減少,患病地黃根際土壤中總細(xì)菌與總真菌的比值由 7.63×109降至 8.70×106,而且不同連作年限地黃根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)也存在一定差異[105-106]。太子參連作后,根際土壤中真菌群落結(jié)構(gòu)與功能多樣性都發(fā)生明顯改變,其多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)隨連作年限增加而下降,益生菌含量顯著降低,而病原菌種類及多樣性增加,尤其是尖孢鐮刀菌(Fusarium oxysporum)含量升高幅度較大[107]。
3 藥用植物連作障礙的防控措施
3.1 合理施肥
3.1.1 施用有機(jī)肥 無機(jī)肥料使全球氮磷循環(huán)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了安全運(yùn)行空間,對(duì)生物多樣性、人類健康和大氣產(chǎn)生了負(fù)面影響[108-109]。有機(jī)肥是我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的主要肥料,每年因養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生大量的禽畜糞便,將這些廢料資源作為主要原料加工成有機(jī)肥施入土壤,不僅解決了糞便污染問題,還可以提高土壤生態(tài)系統(tǒng)的抗逆性和恢復(fù)力,有利于維持農(nóng)業(yè)生態(tài)平衡[110]。有機(jī)肥質(zhì)地細(xì)膩,幾乎適用于各種作物和大部分土壤,富含多種營養(yǎng)元素及生理活性物質(zhì),能起到培肥保墑的作用,長期施用可有效改善地力,增加土壤中氮、磷、鉀等元素的含量,促進(jìn)有機(jī)質(zhì)更新,可使作物明顯增產(chǎn);此外,其分解會(huì)抑制病原菌的繁殖與傳播,增加細(xì)菌、放線菌數(shù)量,調(diào)節(jié)土壤pH值、生理缺素等癥狀,顯著減輕病蟲害的發(fā)生;同時(shí)能夠降低土壤有機(jī)、無機(jī)復(fù)合度和土壤容重,有效減輕土壤板結(jié)嚴(yán)重等問題[111]。陳希等發(fā)現(xiàn),在育苗與大田移栽時(shí)都施用生物有機(jī)肥,不僅能有效減小滁菊根際土壤尖孢鐮刀菌數(shù)量、提升土壤酶活性,而且能顯著促進(jìn)滁菊生長,提高其產(chǎn)量及質(zhì)量[112]。王博林等發(fā)現(xiàn),施用蠶沙發(fā)酵肥顯著提高了白術(shù)有效成分含量,且產(chǎn)量也有所增加,從而有效緩解了白術(shù)連作障礙[113]。石雷磊等在對(duì)杭白菊的研究中也發(fā)現(xiàn)了同樣的結(jié)果[114]。
3.1.2 施用微生物菌肥 微生物菌肥是指以致病因子為靶標(biāo),篩選高效促生防病抗逆有益微生物菌株,將獲得的菌株制成菌劑,添加到有機(jī)物料中進(jìn)行發(fā)酵,并將其用于改善土壤環(huán)境的一種有機(jī)肥料[2]。微生物菌肥中包含大量的微生物活體,除具有一般肥料的功能之外,可以明顯增加土壤的微生物量,構(gòu)建穩(wěn)定健康的土壤微環(huán)境。微生物菌肥施用后,有益微生物提前定殖于植物根際,不僅促進(jìn)了植物的生長發(fā)育,而且對(duì)植物病害具有生物防治作用。多種微生物可以誘導(dǎo)植物產(chǎn)生PPO、POD、脂氧合酶(LOX)和苯甲氨酸解氨酶(PAL)等參與植物防御反應(yīng),有利于防病抗病[115]。有些微生物還可以分泌抗菌素類物質(zhì),形成優(yōu)勢(shì)種群來抑制其他種類微生物的生長,阻止了病原菌的入侵和擴(kuò)散,有效緩解了藥用植物的連作障礙。吳莉雅等發(fā)現(xiàn),施用菌肥處理對(duì)太子參的連作障礙有良好的緩解效果,能夠提高重茬種植太子參的品質(zhì)[116]。沈?qū)氂畹劝l(fā)現(xiàn),施用微生物菌肥能不同程度地使豌豆(Pisum sativum L.)株高、節(jié)莢高度、結(jié)莢節(jié)數(shù)、單莢粒數(shù)、有效莢數(shù)、單株產(chǎn)量和百粒質(zhì)量增加,能夠有效增產(chǎn)[117]。
3.2 改良耕作制度
3.2.1 輪作 一種藥用植物可以和其他科的藥用植物輪作,也可以和非藥用植物輪作,輪作是緩解藥用植物連作障礙問題最簡(jiǎn)單且方便的方法。輪作后,可有效避免藥用植物的化感自毒現(xiàn)象,一種藥用植物產(chǎn)生的化感物質(zhì)對(duì)同種或相似種植物有一定的迫害,但是對(duì)其他植物不一定存在傷害,并且輪作植物不同,效果也不同,需要通過不斷探索來尋求最合適的輪作植物才能將損失最小化,利益最大化。沈玉聰研究阿魏酸等酚酸類物質(zhì)及三七總皂苷等皂苷類物質(zhì)對(duì)玉米(Zea mays L.)、小麥(Triticum aestivum L.)、白菜(Brassica rapa var. glabra Regel)的化感抑制強(qiáng)度發(fā)現(xiàn),小麥更適合作為三七的輪作作物[118]。輪作后由于植物根系分泌的物質(zhì)不同,改善了土壤環(huán)境,有利于提高微生物的種類和數(shù)量,抑制病原菌繁殖,重建土壤微生態(tài)的平衡。黃芪輪作后,優(yōu)化了根際土壤細(xì)菌群落α多樣性指數(shù),同時(shí)還保留了較多的特異OTU數(shù),表明輪作處理可以提高根際細(xì)菌多樣性及豐富度[4],并且提高黃芪根際土壤酸性磷酸酶(ACP)和URE活性,降低根腐病發(fā)病率,提高黃芪根冠比及毛蕊異黃酮葡萄糖苷、芒柄花苷含量[119]。
3.2.2 間作套種 間作套種是對(duì)土地資源和種植空間進(jìn)行充分利用的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式,又稱立體農(nóng)業(yè)[120]。由于不同植物根系分泌物不同且需要的養(yǎng)分也有所差異,因此該方法可以避免土壤養(yǎng)分偏耗問題,亦不會(huì)引起土壤微生物失衡,可以維持土壤微生物多樣性。并且植物交替種植就像隔離帶、防火墻一樣,通過阻隔病害的發(fā)生、發(fā)展和流行,構(gòu)成了天然的物理屏障。王鵬等研究發(fā)現(xiàn),桔梗與大蔥間作后,土壤微生物總量、細(xì)菌數(shù)量增加,真菌數(shù)量減少,并且土壤細(xì)菌數(shù)量與真菌數(shù)量的比值升高[121]。此外,間作栽培在空間上實(shí)現(xiàn)了立體化搭配,增加了間作植物葉面光合有效輻射,有利于提高作物的群體光能利用率和群體光合效率[122]。曾文丹等研究發(fā)現(xiàn),木薯(Manihot esculenta Crantz)間作套種栽培技術(shù),不僅可提高復(fù)種指數(shù)、延長光合作用時(shí)間,同時(shí)能夠改善田間的氣候環(huán)境,減少病蟲害的發(fā)生和除草劑的使用,降低種植成本,增加單位土地面積的經(jīng)濟(jì)效益[123]。
3.3 品種的選育
不同藥用植物對(duì)連作的耐受能力不同,即使是同種藥用植物,其耐受能力在不同環(huán)境下也有變化,有的植株抵抗不良?jí)木秤绊懙哪芰σ獜?qiáng),并且這種抗性具有遺傳性。呂豐娟等通過對(duì)芝麻萌發(fā)期和田間耐性進(jìn)行篩選研究,成功獲得耐連作能力較為穩(wěn)定的金黃麻、武寧黑芝麻[124]。如果能夠掌握藥用植物耐連作的分子機(jī)制,就能通過選種、選配、品系繁育和定向培育等技術(shù)措施,將抗旱、抗酸、抗鹽、抗病蟲害、抗連作等優(yōu)良性狀保留下來,并不斷強(qiáng)化,從而有效解決連作障礙問題。此外,品種選育對(duì)藥用植物的進(jìn)化有巨大作用,對(duì)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)也有實(shí)際意義,是最有效的方法,但也是較困難的方法。
3.4 土壤滅菌
藥用植物連作后,由于改變了土壤壞境,使大量病原微生物滋生,受植物分泌的物質(zhì)誘導(dǎo),生活于土壤中的植物病原性真菌、細(xì)菌、病毒和線蟲侵染植物根、莖部,導(dǎo)致土傳病害十分嚴(yán)重。而土壤滅菌就是為了使土壤壞境不利于病原微生物的進(jìn)一步繁殖或是直接將其殺滅,達(dá)到控制病原微生物、緩解連作障礙的目的,其方法可分為物理方法和化學(xué)方法。物理方法主要有高溫悶棚、蒸汽消毒、熱水消毒、火焰消毒、太陽能消毒和深翻土壤等[2]。任永權(quán)研究發(fā)現(xiàn),對(duì)15、8年連作土壤進(jìn)行熱處理后,太子參產(chǎn)量最高分別增長了545.16%、139.29%[125]。連作土壤于60 ℃處理6 h,或在較高溫度(90 ℃或120 ℃)下處理3 h即能達(dá)到顯著的增產(chǎn)效果。化學(xué)方法主要是施用化學(xué)消毒劑,如氯化苦、棉隆、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(huán)氧丙烷、威百畝、二氧化硫、疊氮化鈉、硫酰氟、石灰氮等[2]。王峰等發(fā)現(xiàn),用氯化苦消毒土壤后,三七主要致病菌假單胞菌屬、鞘脂單胞菌屬細(xì)菌占比均大幅下降,而對(duì)三七生長有益的伯克氏菌屬、節(jié)桿菌屬細(xì)菌占比則相對(duì)增高,并且三七種植后輪作作物烤煙的生長情況也得到極大改善,有助于三七種植后土地的自然修復(fù),從而提高三七種植后土地的利用率[126]。但土壤滅菌存在殺死益生菌的風(fēng)險(xiǎn),需要慎重考慮和選擇。
4 存在的問題和展望
盡管目前藥用植物連作障礙問題已經(jīng)受到眾多研究者的關(guān)注,并取得了諸多成果,但相較于其他作物的研究仍滯后,且研究不夠深入和系統(tǒng),未能揭示其中的內(nèi)在機(jī)制,因此無法從根本上解決該問題,僅能做到緩解。在緩解措施上,大多數(shù)研究?jī)H對(duì)單項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行分析,鮮有通過多種手段同時(shí)施用來進(jìn)行處理的研究,存在較大局限性。藥用植物相較于其他作物而言更加注重其內(nèi)在藥效成分,對(duì)于栽培技術(shù)的要求更加嚴(yán)格,因此對(duì)于連作障礙發(fā)生后的環(huán)境修復(fù)也更加必要。但更重要的應(yīng)該是藥用植物栽培過程中的動(dòng)態(tài)監(jiān)控,應(yīng)盡量避免連作障礙的發(fā)生,而目前該方面的研究十分匱乏,需要科研人員與時(shí)俱進(jìn),不斷融入新的方法與技術(shù)手段才能實(shí)現(xiàn)。
總的來說,連作障礙是植物、土壤、微生物3個(gè)因素共同作用的結(jié)果,而根際恰是三者的結(jié)合之處。根際被認(rèn)為是植物的第2個(gè)基因組,是根-土-微生物相互作用的熱點(diǎn)[127]。根際錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系表明,三者均可被操縱或設(shè)計(jì)成有利于植物的方向,以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的農(nóng)業(yè)收益[128]。由此可見,根際將是未來研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn),也是解決藥用植物連作障礙問題的關(guān)鍵。此外,藥用植物不同,可能導(dǎo)致其連作障礙的主要原因不同,且和地域特征有一定的關(guān)聯(lián),因此需要有針對(duì)性地對(duì)不同因素主導(dǎo)的連作障礙問題采取相應(yīng)的措施,同時(shí)也可以采用多種手段,達(dá)到有效和快速緩解連作障礙的目的。藥用植物連作障礙是一個(gè)非常復(fù)雜的問題,需要多學(xué)科交叉融合才有望將其解決。藥用植物連作障礙是在大規(guī)模栽培的情況下才產(chǎn)生的,野生藥用植物根本不會(huì)出現(xiàn)連作障礙或者其連作障礙沒有被人們認(rèn)識(shí)到,是中醫(yī)藥大發(fā)展背景下出現(xiàn)的問題,需要我們不斷去探索和發(fā)現(xiàn)其中的奧秘,才能更好地推動(dòng)中醫(yī)藥的持續(xù)健康發(fā)展。
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