作物连作障碍的成因与机制及其消减策略

在论述作物连作障碍危害的基础上,从植物营养学、土壤学、微生物学角度分析产生作物连作障碍的原因与形成机理,认为作物连作障碍形成是复杂的根际生物学过程,它是由连作作物根系分泌物介导引起根际土壤微生物结构失衡,导致病原微生物增多,土壤酸化和营养封存综合作用的结果。据此,进一步就连作障碍防治措施及修复技术进行归纳总结,为有效克服作物连作障碍提供技术借鉴。     

蚯蚓调控土壤微生态缓解连作障碍的作用机制

连作障碍不仅严重影响作物产量, 而且会导致土壤生物多样性下降、有益微生物减少及病原菌增加等一系列微生态失衡问题。土壤微生态失衡反作用于植物, 导致植物发生更严重的病害、减产等。作为土壤生态系统工程师, 蚯蚓的取食、掘洞和爬行等活动对土壤微生态具有重要的调控作用, 既可以改善土壤环境, 又可以强化土壤生物群落功能, 有望为缓解作物的连作障碍问题提供一条新途径。本文总结了土壤微生态与土壤功能维持及蚯蚓调控土壤生物作用的研究进展, 在此基础上, 结合蚯蚓对化感物质降解作用的研究, 分析了蚯蚓通过调控土壤微生态缓解作物连作障碍的微生物作用机制的三条途径: 直接调控微生物群落、通过改变化感物质组成以及通过调控土壤动物区系调控微生物群落。蚯蚓对微生物群落的调控可改善失衡的土壤根际微生态, 有效缓解作物连作障碍。     

连作障碍与根际微生态研究 Ⅰ. 根系分泌物及其生态效应

作物、蔬菜、果树以及苗木长期连作后,皆出现生长衰退和产量降低。许多研究结果表明,连作条件下土壤生态环境对植物生长有很大的影响,尤以植物残体与病原微生物的分解产物,对植物有致毒作用,并影响植物根系分泌物正常代谢,以致于发生自毒作用。本文围绕根系分泌物与根际微生态的相互关系,系统地介绍连作障碍条件下,影响根系分泌物的环境因素(土壤空气、湿度、养分与微生物)、活性物质(自身毒素、残体分解物、微生物产生毒素)、土壤病原菌等的根际效应,为深入研究根系分泌物与连作障碍的相互作用机制提供启示。     

连作障碍与根际微生态研究Ⅰ.根系分泌物及其生态效应

作物、蔬菜、果树以及苗木长期连作后,皆出现生长衰退和产量降低．许多研究结果表明,连作条件下土壤生态环境对植物生长有很大的影响,尤以植物残体与病原微生物的分解产物,对植物有致毒作用,并影响植物根系分泌物正常代谢,以致于发生自毒作用．本文围绕根系分泌物与根际微生态的相互关系,系统地介绍连作障碍条件下,影响根系分泌物的环境因素（土壤空气、湿度、养分与微生物）、活性物质（自身毒素、残体分解物、微生物产生毒素）、土壤病原菌等的根际效应,为深入研究根系分泌物与连作障碍的相互作用机制提供启示．     

新疆长期棉花连作对土壤理化性状与线虫群落的影响

土壤线虫群落特征是评价和指示土壤生态系统健康状况的重要依据。本研究选取不同连作年限(5、10、15、20和25年)的棉田为样地,采用高通量测序技术,探究土壤性状和线虫群落对棉田长期连作的响应。结果表明: 棉田连作10～15年后,土壤pH、电导率显著升高,有机碳、全氮、有效磷、有效钾、硝态氮含量和土壤微生物生物量碳(MBC)显著降低。在连作棉田中共鉴定出土壤线虫3纲7目18科25属,其中螺旋属在不同连作年限的棉田土壤中均为优势属;土壤植物寄生类线虫在不同连作年限中均为优势营养类群,呈现先降低后增加的趋势,连作25年较其他连作年限植物寄生类线虫增加9.1%～208.6%,其中螺旋属线虫增加了392%。随着连作年限的增加,矮化属、茎属、Discopersicus、中环属和中轮属等植物寄生类线虫被检出。连作15年的棉田土壤中,土壤线虫丰富度指数和自由生活线虫成熟度指数显著降低,植物寄生线虫成熟度指数/自由生活线虫成熟度指数显著升高,Shannon多样性指数和瓦斯乐斯卡指数最低;有效磷和MBC是影响土壤线虫群落变化的主要环境因子。这说明棉田连作10～15年会发生土壤养分失衡,土壤线虫多样性降低,土壤食物网稳定性变差,棉花致病类植物寄生线虫增加,产生连作障碍。     

环渤海湾苹果产区老果园与连作果园土壤线虫群落特征

应用类群多样性、类群丰富度、个体密度和功能类群指数等群落参数,于2009年5-10月分3次对环渤海湾苹果栽植区老果园不同位置和连作果园取样研究了土壤线虫群落特征。结果表明:苹果连作对果园土壤生物环境具有明显的恶化作用,连作果园土壤环境条件恶劣;对功能类群指数的统计表明,苹果连作明显改变了果园土壤中植物寄生性线虫r-选择和k-选择的比例,与自由生活线虫比较,连作对植物寄生线虫影响更明显;连作提高了果园的土壤线虫PPI/MI,说明连作对果园土壤健康的扰动最大;土壤不同食性线虫数量统计结果显示,环渤海湾苹果栽植区植食性线虫数量未达线虫伤害阈值,线虫不是引起环渤海湾地区苹果连作障碍的主要原因。     

烟草连作障碍与土壤理化性质及微生物多样性特征的关联

【背景】烟草是我国最重要的经济作物之一,其忌连作的特点严重影响了我国烟草产业的发展。【目的】通过研究烟草连作障碍、土壤理化性质和微生物多样性特征的关系,为解决烟草连作障碍问题、制定有效的烟草生产技术提供理论基础。【方法】选择连作障碍严重烟田和克服连作障碍烟田作为研究对象,基于高通量测序技术,探究烟田连作障碍情况、烟田理化性质与土壤微生物多样性的联系。【结果】克服连作障碍的烟田土壤pH、总氮和有机质含量显著高于连作障碍严重的烟田土壤,克服连作障碍烟田和连作障碍严重烟田土壤微生物多样性之间不存在显著差异,但土壤微生物优势群落发生了显著改变,烟田土壤的pH、有机质、有效磷、总氮都与微生物群落显著相关。【结论】烟田克服连作障碍的差异,可能与烟田土壤的理化性质以及微生物组成的差异有关,此研究为解决湘西烟区连作障碍问题提供理论基础和技术支持。     

连作对浙贝母生长及土壤性质的影响

采用大田试验,分别在浙贝母种植的头茬、二茬及四茬田里进行植物及土壤取样,分析土壤理化性质、微生物区系、关键酶等指标.结果表明:随着连作年数的增加,浙贝母连作土壤中有效氮、有效磷及有效钾的含量显著降低,但有机质含量逐年增加,土壤呈酸化趋势;根区土壤中细菌、放线菌及微生物总量呈线性减少,但真菌数量呈线性增长;重茬根区土壤的脲酶、过氧化氢酶活性显著低于头茬土,但多酚氧化酶及蔗糖酶活性出现增加现象.在连作障碍下,浙贝母叶内膜脂过氧化程度加剧,SOD、POD等抗氧化酶活性降低,地上、地下部生物量以及根长、根表面积均显著降低.说明浙贝母连作障碍是由于土壤营养元素缺乏、根际酸化、微生物区系改变、氧化胁迫加剧等多原因造成的.     

缓解花生连作障碍的根际促生菌分离及功能鉴定

【目的】长期连作障碍严重降低花生生产的产量及品质,根际促生菌可有效降解土壤中自毒化感物质、抑制植物病原菌生长及促进植物生长,从而有效缓解连作障碍问题。筛选优化具有缓解花生连作障碍能力的多功能根际益生微生物,验证其益生作用能力,为根际促生菌株在连作障碍中的应用提供理论依据及技术支持。【方法】采集连作12年地块花生根际土壤,利用以酚酸为唯一碳源的筛选培养基获得具有酚酸自毒化感物质降解及利用能力的根际促生菌,通过16S rRNA基因测序进行系统发育分析,确定根际促生菌菌株的分类地位,并验证其对植物病原菌生长抑制能力及解磷、解钾、产植物激素吲哚乙酸能力。【结果】从连作12年的花生发病土壤中获得7株可高效降解酚酸类自毒物质且降解底物多样的根际微生物菌株,经16S rRNA测序比对分别为克雷伯氏菌B02 (Klebsiella sp. B02)、克雷伯氏菌B07(Klebsiella sp. B07)、克雷伯氏菌B15 (Klebsiella sp. B15)、芽孢杆菌B28 (Bacillus sp. B28)、不动杆菌P09(Acinetobacter sp. P09)、布鲁氏杆菌VA05 (...     

茶树连作障碍形成机制及调控措施研究进展

茶树多年宿根连作后茶园土壤退化严重, 茶叶产量和品质大幅下降, 严重制约了我国茶叶的可持续生产。面对如何维持茶树高产高质这一科学难题, 连作障碍机制及其调控措施成为当前茶树栽培中急待解决的科学问题。据此文章从土壤养分失衡、土壤酸化、自毒作用、土壤微生物群落结构失衡、根际微生态等方面概述了茶树连作障碍形成机制的研究进展, 同时从化学改良、增施有机肥、生物质材料、生物菌肥、茶园多样性栽培等方面介绍缓解茶树连作障碍的主要措施, 并对今后茶树连作障碍形成机制的进一步研究及防控技术的发展方向提出展望, 以期为解决茶树连作障碍问题提供一些科学依据。     

滁菊连作土壤中尖孢镰刀菌的分离、鉴定及变化特征

采用传统平板培养法及尖孢镰刀菌专性培养基对滁菊连作土壤的真菌和尖孢镰刀菌进行分析测定,结果表明,在滁菊连作条件下,土壤中真菌和尖孢镰刀菌的数量显著增加,平均分别达到8.71×105 cfu/g干土和3.12×104cfu/g干土,各自是对照土壤的2.24倍和5.57倍。土壤中尖孢镰刀菌数量显著增加可能是导致滁菊连作障碍的重要因素。     

大棚蔬菜轮/连作系统土壤肥力与微生物因子综合评价

从土壤肥力与微生物因子探索连茬障碍机理,以期为其提供科学依据。研究草莓番茄轮作(RST)、番茄连作4年(CT4)和番茄连作10年(CT10)3种蔬菜种植模式根际与非根际土壤微生物区系及生理菌群,并对土壤肥力与微生物生物因子进行主成分分析。结果表明根际土壤微生物三大类群和生理菌群数量均高于非根际,根际效应显著。番茄连作根际与非根际土壤细菌和放线菌数量呈现先增加后减少趋势;真菌数量呈线型增加趋势,CT4和CT10在根际与非根际较RST分别增加9.09%和2.11%、75.48%和57.72%。番茄连作根际土壤硝化细菌和好气性自生固氮菌数量的减少,氨化细菌与好气性纤维素分解菌在短期连作表现为增加长期减少的变化趋势;解钾菌、无机磷和有机磷细菌数量在根际与非根际土壤均减少。在6种研究的种植模式中,RST根际土壤状况最好,其次为CT4的根际与RST非根际土壤,CT10的根际土壤、CT4与CT10非根际土壤状况最差。结论是蔬菜连作造成土壤质量下降,连作年限越长下降越显著。     

生物炭对温室黄瓜不同连作年限土壤养分和微生物群落多样性的影响

以温室黄瓜连作6年和10年土壤添加质量比为5%生物炭为处理,以不添加生物炭为对照,采用桶栽的方法,研究了生物炭对不同年限连作土壤养分和微生物群落多样性的影响.结果表明: 与连作土壤相比,生物炭处理的连作6年土壤的黄瓜单株产量提高11.4%,连作10年土壤产量提高62.8%.施入生物炭显著降低了2种连作土壤容重,显著提高了有机质、速效磷含量、阳离子交换量(CEC)和pH;显著提高了土壤细菌数量和细菌/真菌,降低了真菌和尖孢镰刀菌数量,使土壤类型由真菌型向细菌型转变,尤其对连作10年土壤作用最为明显,土壤细菌和细菌/真菌分别是未处理的2.00和3.64倍,真菌和尖孢镰刀菌数量分别是未处理的54.8%和55.9%.土壤微生物群落碳源利用分析表明,10年连作土壤施入生物炭可显著提高土壤微生物活性、Shannon指数和均匀度指数,分别是未处理的1.50、2.14和1.31倍,同时显著提高了土壤微生物对糖类、氨基酸类、酚酸类和胺类碳源的利用强度,分别是未处理的1.62、1.81、1.74和1.93倍.相关性分析表明,土壤容重、速效磷含量、CEC和pH 4个指标对微生物群落变化的影响较显著.综上,生物炭通过对连作土壤理化性质及土壤微生物生态系统的改善,优化了黄瓜根区环境,促进了黄瓜产量的提高,缓解了温室黄瓜连作障碍.     

药用牡丹的自毒作用及其防治措施

自毒作用是同种植物个体之间的一种化学作用,是植物经过长期环境适应与进化选择而获得的一种避免种内竞争的机制。药用牡丹皮是中国著名的道地中药材,连作障碍会影响药用牡丹皮的产量、质量及产品安全,在药用牡丹皮的GAP生产中明确提出禁止连作和重茬。综述了自毒作用的定义、特点、自毒物质的种类、释放途径及作用机理,并结合药用牡丹的生物学特征及研究现状等问题分析了药用牡丹连作障碍中的自毒作用。认为药用牡丹的自毒作用是连作障碍的主要原因之一,自毒作用可以通过牡丹根系分泌产生自毒物质、植株残体分解释放有害物质及专性或兼性病虫害产生的毒素来实现,并在此基础上提出连作障碍的防治措施和研究展望,以期实现药用牡丹皮生产的可持续发展。     

摩西斗管囊霉改善连作花生根际土壤的微环境

花生(Arachis hypogaea)长期连作导致土壤环境恶化, 严重影响产量和品质。丛枝菌根真菌(AMF)作为有益真菌能够与80%的陆生植物根系形成共生关系, 这种共生体能够改善植物根系微环境, 提高植物对营养物质的吸收和对逆境胁迫的抗性。为了探究AMF对花生连作土壤微环境的影响, 该研究通过对花生连作土壤接种和未接种摩西斗管囊霉(Funneliformis mosseae)试验, 在花生不同生长期检测根际土壤的酶活性、土壤矿物质含量、土壤微生物群落结构和多度的变化情况, 以及对连作花生产量和品质的影响。研究结果表明: 1)摩西斗管囊霉能够显著提高花生根际土壤蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶和硝酸还原酶的活性; 2)摩西斗管囊霉显著增加花生连作土壤中全氮、全磷、全钾、速效磷和速效钾的含量; 3)摩西斗管囊霉显著降低土壤中有害真菌曲霉菌属(Aspergillus)的多度, 减少镰刀菌属(Fusarium)和赤霉菌属(Gibberella)的多度, 但是没有达到显著水平, 显著增加有益细菌放线菌Gaiella属的多度; 4)摩西斗管囊霉显著提高连作花生的产量, 增加籽仁中蛋白质、油酸和亚油酸的含量。因此, 摩西斗管囊霉能够改善连作花生根际土壤微生态环境, 增强连作土壤对致病菌的抵抗能力, 从而缓解连作障碍对花生根系的危害。     

连作改变土壤性状对甜叶菊产量和品质的影响

为了解连作障碍的产生机理，对甜叶菊(Stevia rebaudiana)连作后的土壤性状变化进行了研究，并探讨土壤性状与叶片干质量和甜菊糖苷之间的相关性。结果表明，连作2 a和3 a的土壤pH值、有机质、速效磷、脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶、磷酸酶和甜叶菊叶片干质量及甜菊糖苷组分含量均无显著差异。连作4 a后，土壤pH值、全氮和速效钾含量显著下降，分别比对照降低了10.07%、14.38%和24.79%，土壤电导率(EC)和速效磷含量显著增加，是对照的2.57和1.70倍；土壤脲酶、蔗糖酶、磷酸酶活性、微生物量碳和微生物量氮在连作4 a降到最低，比对照分别降低了63.68%、72.03%、47.43%、78.35%和41.07；多酚氧化酶则在连作4a达到最高，是对照的4.22倍；与对照相比，连作4a的叶片干质量和甜菊苷含量降低了29.51%和16.00%，莱鲍迪苷A含量则增加了22.19%。叶片干质量及甜菊糖苷含量与土壤性状间存在着相关性。因此，连作通过改变土壤性状影响甜叶菊产量和品质，生产中最大连作年限不宜超过3 a。