轮作制度对土壤生态的影响研究进展
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摘要 单一作物连作方式易造成土壤质量下降、土壤环境恶劣、田间害虫增加、作物出现新的病害等，严重影响作物的安全性。作物轮作方式则具有增加生物多样性、减少土壤侵蚀、改善土壤肥力和土壤结构、提高土壤酶活性、提高作物产量、利于进行病虫害管理以及田间除草等优点。本文阐述了轮作对土壤理化性质、土壤酶活性、土壤微生物多样性、土传病害等土壤特性的影响，并综述了轮作制度土壤生态影响的研究现状，以期为有效缓解连作障碍提供参考。
关键词 轮作;连作障碍;土壤结构;土壤生态
中图分类号 S344.1 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2019）06-0154-02
Abstract Continuous cropping of single crop is liable to cause soil quality decline，poor soil environment，increase of field pests，emergence of new diseases of crops，so it seriously affects the crop safety. Crop rotation has the advantages of increasing biodiversity，reducing soil erosion，improving soil fertility and soil structure，increasing soil enzyme activity，increasing crop yield，facilitating the management of pests，diseases and weeding in the field. The effects of crop rotation on soil physical and chemical properties，soil enzyme activities，soil microbial diversity，soil-borne diseases and other soil characteristics were discussed in this paper. The current research status of soil ecological impacts of rotation system was summarized，in order to provide reference for effectively alleviating continuous cropping obstacles.
Key words rotation;continuous cropping obstacle;soil structure;soil ecology
作物長期连作会造成养分过分积累或过度消耗，长势减弱，产量和品质降低，而且会出现病虫害加重现象，即所谓的连作障碍。连作障碍在农业生产中普遍存在，已经引起人们的高度重视，因而需要构建有效克服连作障碍的种植模式，从而为作物产业发展提供理论和技术支撑，有效缓解连作障碍。作物轮作是一种可以有效避免连作障碍的种植模式，可以改善土壤环境，维持土壤生境平衡，减少虫害以及土传病害等。吕 毅等[1]发现通过轮作不同植物对连作土壤环境和平邑甜茶幼苗根系影响差异较大，轮作小麦和小葱使土壤有机质含量得到了增加，轮作马铃薯使土壤速效氮、速效磷及有效铜、铁、锌的含量显著增加，轮作小葱、小麦、花生均能增加土壤细菌总量，同时降低土壤中有害真菌数量，特别是轮作小葱，不仅加大了土壤中细菌与真菌的比值，同时还能降低土壤中酚酸类物质总量，并且提高了根系保护性酶活性。李 威等[2]通过在大棚轮作蒜苗、白菜和莴苣，发现均能显著增加土壤中的微生物总量、细菌数量，同时细菌与真菌的比例增大，真菌数量减少;基质中蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性也都表现较高水平。无论在大田还是大棚，轮作都能明显改善土壤结构、减弱连作障碍，进而提高作物产量和品质。
1 轮作对土壤特性的影响
1.1 轮作对土壤理化性质的影响
土壤是作物生长的基地，为作物提供养料和生长所需的物质。土壤的pH值、EC值、有机质、养分等均从一定程度上反映了土壤质量状况。长期连作会改变土壤理化性质，造成作物病害和减产。轮作可以在一定程度上改善土壤理化性质。
作物生长需要在一定的土壤酸碱环境下进行，长期连作致使土壤pH值降低，造成土壤酸化。通过作物轮作的方式，可有效提高土壤pH值。徐 宁等[3]通过轮作不同蔬菜发现，轮作大葱和苦瓜可提高土壤pH值，降低土壤酸化程度，为黄瓜生长提供适宜环境。王克磊等[4]通过大田试验得出，轮作可以使土壤pH值上升0.9，有效调节了土壤酸碱度，减缓土壤酸化过程。土壤EC值即土壤电导率，其大小能够反映土壤中混合盐的含量，并从一定程度反映出土壤污染状况。土壤EC值过高，即土壤外界环境中盐分过高，致使植株根系受损，不能正常吸收水分和营养，导致植株出现萎蔫、黄化、组织坏死或植株矮小等症状。徐 宁等[3]和王克磊等[4]发现，通过作物轮作，均可降低土壤EC值，有效防止土壤出现次生盐渍化现象。
土壤有机质、有效氮、有效磷、有效钾等成分是作物生长不可或缺的营养物质，缺少则导致作物不能正常生长，出现病害等现象。除了施肥外，近几年研究者纷纷通过轮作方式来提高土壤的有效成分。兰 廷等[5]通过田间试验研究不同绿肥轮作模式效果，结果发现绿肥轮作各处理的土壤有机质、碱解氮和速效钾均显著高于对照处理，增加幅度分别为8.73%～15.59%、11.79%～19.64%和5.80%～37.19%。陈丹梅等[6]研究表明，烤烟—油菜—玉米、烤烟—油菜—水稻、烤烟—苕子—水稻均能提高土壤有机质含量，增幅为16.26%～45.14%，其中烤烟—苕子—水稻轮作模式增幅最为显著。与原始土壤比较，烤烟—油菜—玉米、烤烟—油菜—水稻轮作模式的有效氮分别提高了10.0%和32.5%;在轮作处理的土壤中，有效磷含量均得到了增加，相比原始土壤提高了1.13～3.67倍。 1.2 轮作对土壤酶活性的影响
土壤酶是一种具有催化功能的蛋白质，其来源于植物的根系分泌物和土壤微生物以及动植物残体的分解，其活性高低可以反映土壤中各种生物化学反应的强度和方向[7]。常见土壤酶有脲酶、蔗糖酶、磷酸酶、过氧化氢酶等。脲酶是一种能够特异性地催化尿素水解释放出氨和二氧化碳的酶，是土壤中氮素来源的催化剂。蔗糖酶催化蔗糖水解生成葡萄糖和果糖，其活性能够反映有机碳的分解与转化效率。磷酸酶可加速有机磷的脱磷速度，根据其所处酸碱环境分为碱性磷酸酶、中性磷酸酶和酸性磷酸酶，其活性能够反映土壤磷素的生物转化方向和强度。过氧化氢酶是分解作物有害自由基的一种活性酶，其活性能够反映土壤呼吸强度的大小。
长期连作会降低土壤酶活性，轮作模式可使土壤酶活性得到进一步发挥。秦舒浩等[8]通过大田试验发现，与连作马铃薯比较，轮作豆科植物使连作田土壤脲酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性均显著提高。吴凤芝等[9]采用盆栽试验，通过在大棚对蔬菜进行轮作和连作，发现轮作土壤的过氧化氢酶、脲酶和转化酶的活性显著高于连作7年的土壤，并且发现，连作年限越长，过氧化氢酶、脲酶和转化酶的活性降低越明显。
1.3 轮作对土壤微生物多样性的影响
土壤中微生物种类多、数量大，在土壤发育、作物生长过程中作用重大，其通过自身活动，促进土壤结构形成，分解有机质，调节植物生长，并且能够降解残留的有机农药。土壤微生物是土壤生态系统的核心，其在参与调节土壤养分循环与能量流动方面具有广泛作用。土壤微生物的种类和组成不同，对土壤酶活性的质和量都能引起差异[10]。
与大田连作比较，轮作后的大田，其在微生物种类和数量上，都能得到有效改善。邓玉清等[11]对不同番茄轮作模式下土壤微生物多样性进行研究发现，番茄与黄秋葵或花生轮作有利于增加土壤微生物多样性，改变土壤细菌的种群结构，且轮作黄秋葵和花生都显著增加了土壤中可培细菌、放线菌数量、微生物总量和细菌/真菌的值，降低了土壤可培养真菌的数量。细菌型是土壤肥力提高的标志，真菌型是土壤肥力降低的标志[12]。李 喆等[13]研究发现，在不同轮作方式下，烟田土壤微生物总量变化较大，轮作后土壤微生物总量显著高于连作土壤。因此，在大田耕作过程中可以选择不同种植制度和种植模式来调控土壤微生物，从而改善土壤肥力，提高作物产量和品质[14]。
1.4 轮作对土传病害的影响
近年来，土传病害对作物产量和质量造成了严重影响，已成为限制我国农业可持续发展的重要因素。土传病害是指真菌、细菌、线虫和病毒等病原体随病残体生活在土壤中，在条件适宜时，能从作物根部或茎部侵害作物，从而引起作物病害。土传病害与空气、水及种苗等传播途径的病害相比，其致病菌栖息于土壤中，难以根治，被称为植物癌症[15]。
土传病害很多是由不同病原菌复合侵染的结果，其致害机理较为复杂。长年连作会引起严重的土传病害，其致病机理是连作导致根系自身分泌的有害物质增多，这些有害物质不断累积会引起土壤中有害微生物的数量增加、土壤酸碱度失调、土壤理化性质恶化，从而遏制了作物根系发挥正常功能[16-17]，最终引起土传病害。Jin等[18]发现，烤烟长期连作使得黑胫病和赤星病的发病率提高，并降低了烟叶产量和质量。轮作在一定程度上能够减轻土传病害[19]。李亚莉等[20]发现，甜脆豆与胡麻和小麦轮作可以减轻根腐病的发生，而重、迎茬甜脆豆根腐病发病则较重。
2 轮作制度对土壤生态影响的研究现状
为进一步改善土壤结构，從土壤这个根本上促进农作制度的创新发展，2016年中央各部联合印发《探索实行耕地轮作休耕制度试点方案》。自此方案颁布实施以来，全国部分地区开始对耕地轮作制度进行探索研究。总体而言，轮作制度得到了较好地实施推广。通过探索研究不同的轮作模式，在轮作范围和面积上都得到了扩增，取得了较好的经济效益、社会效益和生态效益。以云南省陆良县为例，通过水旱轮作技术的大面积推广，为粮食持续增产和农民持续增收节支提供了坚实的科技支撑。同时，结合新型技术，可节约水资源、减少环境污染、改善土壤环境，对可持续农业、生态农业及绿色农业的发展都具有极其重要的意义[21]。
虽然轮作制度得到了一定的实施推广，但还存在不少问题，如面积不大、模式不优、管理不善、效益不高等，特别是轮作制度对土壤生境的改变，还没有达到预期目标，并且由于地区环境的差异，加之作物轮作模式多样化，使得轮作制度在土壤生态环境的研究过程中，对土壤各项生化指标、微生物指标和土壤病虫害等指标的研究深入不够。因此，还需在轮作对土壤特性的影响方面深入研究。通过探索新模式，提高农民对土壤这个根基的认识，进一步加强管理、科学规划，加大惠农补农政策力度，从而调动农民积极性，让创新在农田和农民这个“大舞台”上落地生根，使得轮作制度在改善土壤生态环境方面得到最大程度地发挥，最终让轮作制度从根本上成为一项增产提质、强农富农惠农的政策。
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