李世豪，陳寧，林松，仉志皓，申建闖，趙赫儀，苗陽陽

（黑龍江八一農墾大學動物科技學院草業(yè)科學系/黑龍江省寒區(qū)飼料資源高效利用與營養(yǎng)調控重點實驗室大慶市163319）

隨著社會的發(fā)展，人民生活水平的提高，人們對特定農作物產品的需求不斷增加，作物商品經濟化時代的到來和產業(yè)化發(fā)展的不斷擴大已成為必然趨勢。受我國土地資源與生產條件現(xiàn)狀的限制，為了滿足人們對某種作物的需求，我國仍然采用大面積的連續(xù)種植作物來維持社會供給，這就給作物連作障礙的發(fā)生提供了條件。同一種作物或者同科作物在同一片地上連續(xù)種植，進行常規(guī)的施肥、澆水、灌溉處理，出現(xiàn)作物生長緩慢、病蟲害增加、產量減少、品質變差等問題，即連作障礙[1]。由此可見作物連作障礙已成為我國農業(yè)發(fā)展障礙之一。因此，尋找作物連作障礙的防控措施對于我國農業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

1 連作障礙的成因及調控方法

1.1 連作障礙的成因

連作障礙的危害大都表現(xiàn)為植株幼苗生長緩慢、根系發(fā)育異常、植株抗逆能力下降、病蟲害發(fā)生猖獗、產量和質量下降、土傳病害發(fā)生嚴重等，嚴重者甚至會導致植株死亡[2]。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[3]?；ㄉB作個體生長發(fā)育緩慢、主莖變矮、根幅縮小、單株結果數(shù)變少、花生仁細小甚至癟粒，最終導致產量降低，減產可達40%[4-5]。小麥長期連作，產量下降一半以上。紫花苜蓿受到連作障礙影響后，因地下部分病害感染從而導致地上部分生長發(fā)育不良，葉片受到不同程度破壞，由外向內逐漸變黃、枯萎、散落，最終導致整顆植株枯死[6]。由此可見，連作障礙已成為一個廣泛存在且嚴重危害生產的問題[2]。

連作障礙的成因主要有自然因素和人為因素，自然因素包括土壤中肥料元素的虧缺、病蟲害加重、土壤微生物結構變化、土壤質地變差、作物化感自毒效應等，并且為多種影響因素綜合作用的結果[6]。人為因素主要受管理者管理方法和專業(yè)知識水平的限制。

馬鈴薯連作能夠顯著影響土壤物理結構，土壤團聚體直徑和穩(wěn)定性下降，抗侵蝕能力減弱，土壤比重、容重增加，孔隙度降低，根系對水分和肥料的吸收利用效率顯著下降，使馬鈴薯植株生長發(fā)育不良，造成塊莖產量和品質下降[7]。另有研究表明，隨著作物連作年限的增加，土壤中的有機質被大量消耗，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，造成嚴重的病蟲害，從而影響作物的產量和品質[8]。

自毒物質降低了黃瓜生長能力和抵抗力，與多年累積的病原菌共同作用，形成嚴重的土傳病害，是連作障礙產生的重要原因[9]。長期連作，馬鈴薯會選擇性吸收土壤中某些營養(yǎng)元素，造成這些元素虧缺，若欠缺的元素得不到及時補充，會引起馬鈴薯缺素癥，使其抗逆性減弱，最終導致產量和品質下降[10]。而未被吸收元素會不斷積累，造成單鹽毒害，使土壤養(yǎng)分失衡[10]。某些作物的根系分泌物均具有自毒作用，通過影響細胞膜透性、酶活性、離子吸收和光合作用等多種途徑影響作物的生長[8]?；ㄉB作障礙的產生主要受到土壤營養(yǎng)失調、病蟲害嚴重、化感自毒物質積累、土壤酶活性下降、土壤微生物區(qū)系變化等多因素影響[11]?；凶远疚镔|是土壤微生物群落演變的重要推動者，長期連作條件下，土壤中積累了大量的植物分泌物和腐解物，其釋放的酚酸不斷累積，極大地控制著土壤中優(yōu)勢微生物種群[12]，因此自毒物質酚酸與土壤微生物數(shù)量和活性關系密切[12]。土壤微生物數(shù)量和自毒物質含量之間呈顯著相關關系，土壤中細菌和真菌數(shù)量對自毒物質總含量影響最大，放線菌數(shù)量和自毒物質綠原酸、阿魏酸、咖啡酸、對羥基苯甲酸、香豆素顯著相關[13]。

連作對土壤中微生物影響較大。隨著連作年限的增加，芝麻根際土壤中細菌和放線菌的數(shù)量下降，而真菌的數(shù)量則呈上升趨勢，連作導致土壤微生物環(huán)境惡化，引起根際微生物區(qū)系結構發(fā)生定向改變[14]。西瓜連作3年的根際土壤細菌群落結構有顯著差異，細菌群落OTU數(shù)量和多樣性指數(shù)與連作年限呈負相關。將連作根際土壤細菌群落不同分類水平的菌群相對豐度與發(fā)病率、病情指數(shù)和產量進行相關性分析發(fā)現(xiàn)，從門水平上來說，厚壁菌門和放線菌門與發(fā)病率、病情指數(shù)呈顯著負相關而與產量呈顯著正相關，說明這兩個類群的微生物有顯著的促生抑病作用。進一步細分到屬水平，芽孢桿菌屬、鏈霉菌屬與發(fā)病率、病情指數(shù)呈顯著負相關而與產量呈顯著正相關。將芽孢桿菌屬和放線菌屬確定為克服作物連作障礙的關鍵菌群[1]。

病蟲害的發(fā)生是不可避免的，但是發(fā)生病蟲害會增加病原基數(shù)，成為田間翌年發(fā)病的根源，連作則會導致病蟲害更加嚴重。連作會使土壤微生物區(qū)系由高肥的“細菌群”向低肥的“真菌型”轉化[15]。土傳病害也會加重作物連作障礙，陳志誼等[16]研究發(fā)現(xiàn)，生防菌B-1916、PTS-394能有效控制設施番茄枯萎病、青枯病、根腐病、立枯病等重要土傳病害引起的連作障礙。花生連作引起土壤中微生物選擇性富集，細菌數(shù)量總體下降，真菌數(shù)量顯著上升，病原菌數(shù)量急劇增大，土壤微生物從細菌主導型向真菌主導型轉化，使病原菌更容易侵染植物而引發(fā)作物的各種土傳病害，進而導致連作障礙[17]。近年來的研究結果表明，凡容易引起自毒作用的作物一般也易引起土傳病害產生的連作障礙[18-19]。作物連作障礙的成因與危害之間存在相互作用，土傳病蟲害會造成作物連作障礙，而作物連作也會加劇土傳病蟲害的發(fā)生。

1.2 作物連作障礙的調控方法

克服連作障礙，技術上多以輪作為主，除此之外還有間作套種、土壤滅菌消毒和改良、抗性品種的應用、生物防治等措施[6]。

紫花苜蓿與玉米、小麥輪作能顯著影響土壤微生物組成，降低自毒物質含量，有效改善土壤環(huán)境。在半干旱地區(qū)紫花苜蓿的草田輪作中，以紫花苜蓿-小麥輪作為宜，且輪作2 a小麥對土壤的解毒效果更為明顯，應避免紫花苜蓿-玉米輪作，以維持農田肥力平衡[13]。間作套種可有效提高土地利用率，改善土壤的理化性質，提高土壤的通透性，使作物有效吸收水分和養(yǎng)分[20]?？剐云贩N選育是克服作物連作障礙問題是一項重要措施，通過育種途徑篩選能提高對化感自毒物質的抗性，同時對種植作物的根腐病、鐮刀菌以及一些線蟲等病蟲害都有防治效果的品種。但輪作、間作套種及抗性品種選育時間較長，在生產中不易推廣。

生物防治主要是使土壤中有益的微生物發(fā)揮作用，競爭性抑制土壤中有害微生物，降低土壤中有害微生物及一些病原菌對作物的侵害，改良土壤理化性質，提高作物的健康狀況以及增強抗病能力，從而減少病蟲害的發(fā)生[21]。其優(yōu)勢為成本低、效率高、綠色又環(huán)保。如生防細菌菌劑在緩解連作引起的病蟲害方面具有明顯的優(yōu)勢[22]。劉紫英等研究表明，篩選得到的L501枯草芽孢桿菌，能夠降解草莓根系分泌物中是主要有害化感物質——苯甲酸，并且對草莓根腐病菌具有拮抗作用，可用于修復草莓重茬[23]。雖然該方法綠色環(huán)保，但該辦法存在有益微生物在土壤環(huán)境內生存競爭能力弱、效果不持久等問題。

土壤滅菌消毒是簡單有效的連作障礙控制途徑。對土壤的滅菌消毒包括物理、化學、生物滅菌消毒三大措施。物理消毒法指的是對連作的土壤采用微波和土壤電處理等方法使其溫度升高，以此來消滅土壤中微生物，使土壤環(huán)境得到凈化，但其投入較高，操作較復雜，因此在國內很難大面積的實施[24]。生物熏蒸主要指植物有機質在分解過程中產生揮發(fā)性氣體抑制或殺死土壤中有害真菌、土壤線蟲等有害生物。但目前多使用蕓薹屬植物，其他使用植物研究較少。而土壤熏蒸殺菌劑殺菌消毒是簡單快速的連作障礙控制途徑。主要包括溴甲烷、棉隆、威百畝、氯化苦等，但這些熏蒸劑大都污染環(huán)境且對人體有害。因此尋找替代熏蒸劑的土壤消毒研究變得非常重要。

2 苦參堿概述及農業(yè)應用

2.1 苦參堿簡介

苦參堿廣泛存在于苦參（Sophoraflavescens）、苦豆子（Sophora alopecuroides）及廣豆根（Radix sophoraesubprostrata）等豆科植物中，屬于四環(huán)喹嗪啶類化合物[25]，具有鎮(zhèn)靜、鎮(zhèn)痛、解熱、降溫等中樞抑制性作用[26-27]，對結核桿菌、心血管系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、抗腫瘤等方面均有較好的藥用價值[28-30]。同時，苦參堿因其具有較好的殺蟲、抑菌、生長調節(jié)等農用活性[31]，且對人畜低毒、易降解、對環(huán)境安全、不傷害天敵、有利于生態(tài)平衡，成為當前少數(shù)最具推廣應用前景的植物源農藥之一，使其在醫(yī)學和農業(yè)領域具有較大的發(fā)展前景[31-32]。

2.2 苦參堿在農業(yè)上的應用

苦參堿已在生產上廣泛應用，具有殺蟲、殺菌和刺激植物生長的綜合功效。并且在環(huán)境中易分解，是一種環(huán)境友好型農藥?？鄥A對病菌具有抑制作用?？梢种菩←湷嗝共。℅ibberella zeae）、蘋果炭疽?。℅lomerella cingulata）、番茄灰霉?。˙otrytis cirerea）菌[33]。對香蕉灰紋病菌、黃瓜炭疽病菌、葡萄白腐病菌、棉花黃萎病菌、黃瓜枯萎病菌、小麥紋枯病菌、水稻稻瘟病菌、辣椒疫霉病菌菌絲生長，抑制率均在80%以上，尤其是對黃瓜炭疽病菌、葡萄白腐病菌菌絲生長的抑制率高達90%以上[34]。室內毒力測定試驗表明，苦參堿水劑對黃瓜灰霉病菌的毒力較強；田間藥效結果顯示，隨著3%苦參堿水劑用量的增加，對黃瓜灰霉病的田間防治效果增強[35]?？鄥A對供試林木病原真菌孢子萌發(fā)均有抑制作用，其中苦參堿對楊褐斑病菌和龍竹材霉變菌抑制作用較強，對供試林木病原真菌菌絲有抑制作用[36]。

此外，苦參堿還有促進種子發(fā)芽和植物生長的作用。經苦參堿水溶液處理后的綠豆種子的形態(tài)及生理指標都有不同程度的促進作用，其中80 mg/L苦參堿水溶液濃度長勢最佳，研究認為，苦參堿水溶液對綠豆種子萌發(fā)及幼苗生長起促進作用[37]。隨著苦參堿制劑濃度的增加，玉米種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率以及幼苗根長、葉長、鮮質量、干質量、葉綠素含量和可溶性糖含量均出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象；70 mg/L苦參堿制劑處理的玉米種子及幼苗各項指標均為最高?？鄥A制劑對玉米種子萌發(fā)和幼苗生長具有一定的促進作用[38]。趙仲任等[39]報道苦參堿具有明顯的刺激植物生長作用，如苦參堿處理的離體黃瓜子葉鮮重和干重隨苦堿濃度的增加而明顯增加，均與對照差異顯著。苦參堿能刺激番茄幼苗生長，增強抗逆性[40]。在對苜蓿研究方面，霍平慧[41]發(fā)現(xiàn)300～500 mg/mL苦參堿濃度范圍對苜蓿種子萌發(fā)有一定的刺激作用。苗陽陽等研究苦參堿對根瘤菌在紫花苜蓿體內運移及幼苗生長影響時發(fā)現(xiàn)，添加適宜濃度苦參堿后不但促進根瘤菌由苜蓿根部向地上部分的莖和葉內運移定殖，同時對紫花苜蓿植株的單株結瘤數(shù)、單株根瘤重、生物量均有促進作用[42]。

3 苦參堿調控作物連作障礙的前景

3.1 苦參堿對連作土壤中微生物的影響

土壤微生物是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成成分之一，并在物質循環(huán)和能量轉化中占有重要的地位。影響土壤微生物多樣性及群落結構特征的因素主要是植被特性和土壤特性。微生物在土壤中的分布與活動，反映了土壤各因素對微生物的生態(tài)分布、生化特性以及對其功能的影響和作用；也反映了微生物對植物生長發(fā)育、土壤肥力和物質循環(huán)與能量轉化的影響和作用，進而揭示土壤的現(xiàn)狀和趨向，所以土壤微生物可以作為評價土壤肥力、植株生產性能的重要指標。因此土壤微生物是引起連作障礙的重要因素，調整土壤微生物群落結構，可減輕蘋果連作障礙[43]。向老齡果園土中加入不同量的苦參堿后，可使連作土壤中腐皮鐮孢菌（F.solani）、層出鐮孢菌（F.proliferatum）、串珠鐮孢菌（F.moniliforme）和尖孢鐮孢菌（Fusarium oxysporum）的基因拷貝數(shù)減少。苦參堿對真菌有滅菌作用和較強的抗真菌活性，苦參堿對真菌的抑制，可以減緩土壤微生物從細菌主導型向真菌主導型轉化，減輕病原菌對植物侵染[44]。老齡果園土中添加苦參堿后，細菌/真菌比值增大，改善了土壤的微生態(tài)環(huán)境，可創(chuàng)造利于平邑甜茶幼苗的生長環(huán)境[45]。

3.2 苦參堿對連作植物生理的影響

植物連作后土壤環(huán)境惡化、土壤有害微生物數(shù)量增加，抑制植物生長。當植株的生長受到一定程度的抑制時，酶活性的高低可體現(xiàn)遭受逆境脅迫的大小。而苦參堿具有殺菌的作用，對土壤環(huán)境中的有害菌具有一定的抑制作用，能改善連作對植株造成的逆境脅迫。適宜濃度的苦參堿可誘導番茄植株體內的抗氧化酶活性提高，有利于番茄對抗脅迫條件下植株體內活性氧的激增[40]。王珂向連作土壤中添加0.1‰的苦參堿后，平邑甜茶根系抗氧化酶SOD、POD和CAT活性提高，根系MDA的含量減少，幼苗的抗性得到增強。0.05‰和0.1‰的苦參堿處理平邑甜茶時可提高葉片的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度，使幼苗能夠更好的進行光合作用，促進幼苗體內有機物的積累。

由此表明苦參堿處理連作平邑甜茶可保護植株免受連作逆境脅迫，促進光合作用的發(fā)揮，有利于植物生長，使植株的吸收能力變強，促進有機物在體內的積累，增強連作植物的生長能力。

3.3 苦參堿對連作植物生長的影響

生物量是反映植物生長的常用指標。連作土壤中加入0.1‰的苦參堿后，平邑甜茶幼苗的長勢較旺，幼苗的株高、地莖、干質量和根系指標顯著增加。幼苗株高增長，地莖增加，表明適量的苦參堿可能促進幼苗植株莖細胞伸長和分裂。吲哚乙酸（IAA）和赤霉素（GA）可以使植物的莖伸長[46]，經過苦參堿處理后可能促進了植株中IAA和GA的含量，使細胞的伸長生長加快，并且有可能使細胞分裂素（CTK）的含量增多，所以細胞的體積逐漸擴大，莖粗也擴大。趙仲任等[39]也報道了苦參堿可以顯著刺激植物生長。在植物的整個生長發(fā)育過程中，根系具有非常重要的作用，它既可以吸收水分和營養(yǎng)物質，又能夠支撐植物地上部的生長[47]。老齡果園土壤中添加0.05‰和0.1‰的苦參堿，增加了平邑甜茶幼苗根的長度、根面積、根的體積，提高了根系的呼吸速率，根系的吸收能力增強了，使根系可以有效吸收土壤中的養(yǎng)分和水分，有助于幼苗在連作土壤中的生長。

土壤根際微生物是土壤中各種生物學和生物化學過程的重要構成因子，它對植物的根系構型有重要的影響，同時植物根系構型的改變也會影響微生物群落的構成與分布[48]。適宜量的苦參堿，可以改善土壤根際微環(huán)境，抑制部分有害菌，為根系生長提供良好的環(huán)境。

4 展望

由于我國耕地資源有限，連作障礙已成為限制作物種植的一個瓶頸問題。面對連作障礙這一大難題，研究者已開展了廣泛研究，初步了解關于連作障礙的成因、危害及調控辦法，對出現(xiàn)的問題也做出了相應處理，但對連作障礙的調控研究尚未全方位進行。且目前調控連作障礙的方法各有優(yōu)點和弊端，尚未取得理想的緩解連作障礙的方法。因此，仍應繼續(xù)深入研究，實現(xiàn)快速、高效、綠色環(huán)保緩解作物連作障礙的手段和方法。

目前緩解連作障礙的方法主要有客土、輪作、間作及土壤熏蒸等。但客土的工作量大、成本高、輪作和間作在短期內效果不明顯，溴甲烷熏蒸雖然效果較好，但由于其對環(huán)境的破壞，已被禁用。

針對上述問題，一種環(huán)境友好型、低毒、無殘留的物質——苦參堿，其對作物連作障礙調控研究顯得尤為重要。前人已經廣泛研究發(fā)現(xiàn)苦參堿在農業(yè)領域的殺蟲抑菌和促進作物生長的作用，近年來苦參堿調控植物連作方面的潛力日益凸顯。王珂等[44-45]發(fā)現(xiàn)苦參堿調控連作蘋果、平邑甜茶土壤效果明顯，具有一定的可行性和應用前景。且苦參堿作為一種調控作物連作障礙的新興手段，具有以下優(yōu)勢。

（1）在“綠水青山就是金山銀山”發(fā)展理念背景下，苦參堿作為一種植物源農藥，具有的低毒、低殘留、環(huán)保型、對人畜無毒無害等特點，符合當前生態(tài)發(fā)展的理念。

（2）苦參堿可作為一種植物生長調節(jié)劑，提高玉米[38]、綠豆[37]、小麥[49]、苜蓿[41-42]等多種作物生長，是促進植物生長發(fā)育的一種新興方式，具有高效、廣譜、顯著的調控效應，可以成為當前調控植物抗逆性、增加產量質量的一種重要技術措施。

（3）苦參堿具有殺菌活性成分，既能抑制菌體的生物合成又能影響菌體的生物氧化過程，而且殺菌譜較廣[50]。因此可調控連作土壤微生物群落的組成和多樣性。

綜上所述，苦參堿作為一種調控作物連作的新興手段，具有一定的潛力和較好的應用前景。但目前的研究僅停留在盆栽試驗階段，距離實際生產中使用仍具有一定的距離。且關于苦參堿緩解植物連作的具體機理仍不清楚。因此，需要更多的試驗數(shù)據(jù)支持苦參堿在實際生產中的應用。