生物炭在缓解兰州百合连作障碍中的应用研究进展

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　　摘要    针对兰州百合连作障碍造成的产量及品质下降等问题，归纳了现有农艺技术、化学药品、微生物制剂等措施对缓解连作障碍的效应，基于农艺技术缓解连作障碍周期长、见效慢，而化学药品使用对生态环境具有负面影响等缺点，分析了生物炭在缓解连作障碍中的可能机制及其在兰州百合生产中的应用前景，以期在兰州百合连作障碍缓解方面探索出新技术、新方法，为构建兰州百合绿色生产提供理论依据和技术支撑。
　　关键词    兰州百合;连作障碍;生物炭;绿色生产
　　中图分类号    S682.2+9        文献标识码    A
　　文章编号   1007-5739（2020）11-0059-03      开放科学（资源服务）标识码（OSID）
　　Biochar  Application  Advance  on  Alleviating  Continuous  Cropping  Obstacles  of  Lanzhou  Lily
　　DA Yan-feng    CUI Jia-jia    ZHANG En-he *
　　（Agronomy College，Gansu Agricultral University，Lanzhou Gansu 730070）
　　Abstract    In order to solve the problems of yield and quality degradation caused by continuous cropping obstacles in Lanzhou lily，the effects of existing agronomic technology，chemicals and microbiological preparations on alleviating the continuous cropping obstacles were summarized.Based on the disadvantages of agronomic technology，such as long cycle，slow effect，and negative effect of chemical use on ecological environment，the possible mechanism of biochar in alleviating continuous cropping obstacles and its application prospect in Lanzhou lily production were analyzed.That is aim to explore new technologies and new methods to alleviate the continuous cropping obstacle of Lanzhou lily，and to provide theoretical basis and technical support for constructing green production of Lanzhou lily.
　　Key words    Lanzhou lily;continuous cropping obstacle;biochar;green production
　　兰州百合（Lilium davidii Duch.Var.unicolor Cotton）是国家地理标志产品，具有较高的食用价值和药用价值，因其属于典型的狭域性分布植物，仅适宜种植在甘肃中部兰州周边二阴山区[1]。因市场需求及特色产业的迅速发展，在经济效益驱动下，兰州百合种植面积迅速扩张，由于耕地资源有限，轮作倒茬困难，商品种球形成周期长以及根系的“跳根”现象，连作障碍日趋严重，产量和品质持续下降等问题日趋严重[2]。与历史高产时期相比，兰州百合产量下降了33.3%，独头率下降了42.8%以上，对兰州百合产业的发展造成了严重威胁[3]。因此，连作障碍已成为兰州百合产业发展亟待解决的障碍因子。
　　轮作倒茬、间作、套作等农艺技术对连作障碍的缓解作用已经得到广泛证实，然而这类技术对连作障碍的作用见效周期比较长，加之土地资源受限，在经济效益的驱动下往往被种植者忽视[4-5]。目前，在生产中主要依賴化学药剂防治百合连作造成的病虫害，这种方法不仅不能从根本上解决连作障碍，反而造成土壤污染等问题[6]。生物炭对土壤质量以及植物根部环境产生积极的改善作用，进而抑制植物土传病害的发生，因符合低碳、循环、可持续发展的要求得到了研究者的广泛关注[7-8]。但是生物炭技术在兰州百合连作障碍防治中的应用尚不成熟，缺乏充分的理论支撑和实践借鉴。
　　鉴于现有兰州百合连作障碍防治技术周期长、防效低、见效慢、应用难度较大等问题，本文在分析药用植物连作障碍产生的原因基础上，归纳了现有连作障碍调控技术效果及不足，分析生物炭缓解兰州百合连作障碍的可能机理及应用前景，以期为兰州百合连作障碍缓解技术的改良提供科学依据，更好地推动特色农产品产业发展。
　　1    药用植物连作障碍产生的原因
　　我国常用和大宗药材的70%左右通过人工栽培获得，许多药用植物在种植过程中表现出不同程度的连作障碍，对其产量和品质的影响较大，如百合、三七（Panax notoginseng（Burk.）F.H.Chen）、人参（Panax ginseng C.A.Mey）、地黄（Digitalis purpurea L.）等中药材尤为严重[9]。药用植物连作障碍是许多因素综合作用的表现，不同植物产生连作障碍的原因也不尽相同。 　　1.1    土壤化学性质的改变
　　由于各类植物对土壤中的营养元素偏好不同，长期连作会造成某些养分的缺素或富集，土壤养分失衡从而影响植物的正常生长。三七对土壤铜、钙、镁元素吸收量较大，种植3年后会造成这3类元素含量显著降低，但是铁、锰、钾、钠在土壤中产生富集，品质也会受到影响[10]。百合连作中会造成土壤速效钾和pH值显著降低、磷元素富集的现象，钾的严重亏缺可能是引起百合连作障碍的重要因素[11]。浙贝母（Bulbus fritillariae thunbergii L.）也因其连作年限的增加造成土壤速效氮、速效磷及速效钾含量显著降低，土壤有机质含量升高，土壤呈酸化趋势[12]。
　　1.2    土传病虫害加重
　　一般来讲，土传病虫害的侵染和发生具有专一性，长期连作会导致有害微生物、病原菌和虫害的累积，导致土壤生物环境恶化。人参长期连作造成锈腐病、立枯病、菌核病、线虫等累积，加重了人参烂根病，导致人参品质下降[13]。土壤中细菌和真菌数量随地黄连作年限的增加呈减少趋势，而放线菌数量增多，连作2年的土壤中的放线菌约是连作1年的4倍[14]。
　　1.3    自毒作用的危害
　　自毒作用是指植物（或微生物）通过地上部淋溶挥发、根系分泌物或残体分解，向环境中释放化学物质，对同种类型植物种子萌发和植株生长造成抑制作用[15]。耕地资源的有限性加之药材多年生、根系入药等特点，多年连作导致许多药用植物种植中产生自毒作用，严重影响了中药材的可持续生产[16]。作物的初生根和次生根根端在生长过程中不同程度地向土壤释放化感物质，且以酚酸类为主，这些分泌物会影响作物本身胚根和幼苗的生长，甚至会引起根部腐烂、病虫害加重及产量、品质下降[17-18]。植物残体在土壤中的分解转化也会释放有毒物质，对相邻或下茬作物产生抑制作用[19]。
　　2    连作障碍调控技术研究进展
　　在连作障碍的研究和生产中，通过加强连作地田间管理水平、化学药剂消减自毒作用，改善连作土壤理化性状及微生物环境，以期调控连作障碍对植物生长的抑制，提高药材产量和品质。
　　2.1    调整种植制度
　　实践证明，轮作可有效均衡利用土壤中的营养物质、改善土壤理化特性、免除和减少病虫害，消减连作障碍。百合与水稻轮作可显著减少蛴螬的数量和虫害程度[20]。太子参与水稻轮作较重茬太子参产量提高了50%以上，有效缓解了连作障碍[21]。但是，轮作倒茬的实施往往受到市场利益驱动、土地资源有限、轮作年限较长的限制，如兰州百合轮作倒茬消除连作障碍一般需要4～5年，导致生产者难以接受。因此，有研究者提出，轮作倒茬与间作搭配以缩短消除连作障碍的周期，可通过提高寄主抗性、改变土壤生物环境、改善土壤理化性状等消减连作障碍的危害[22-23]。
　　2.2    合理栽培措施
　　选用优良品种、合理施肥制度等科学的栽培措施对连作障碍也有一定的缓解作用。很多植物存在严重的化感自毒作用，但是同一植物不同品种的自毒作用存在差异，有些品种化感自毒作用很弱，有些品种则很强，忌连作。对经济作物紫花苜蓿（Medicago sativa L.）化感自毒作用的研究表明，由于不同品种的紫花苜蓿植株中自毒物质含量不同，其自毒作用强弱也存在差异[24]。
　　不同品种之间化感自毒作用差异的研究多集中在粮食作物、经济作物以及园艺作物中，针对药用植物的研究还相对较少，搜集并筛选自毒作用弱的药用植物品种是缓解药用植物连作障碍的有效方法[25-27]。此外，通过合理施肥能平衡土壤養分，改善土壤结构，调整微生物群落结构，达到缓解连作障碍的目的。
　　三七连作土壤中腐殖质和速效钾含量大幅度下降，而其他元素的含量则不同程度地上升，高钾低氮的施肥方式有利于提高三七总生物量和产量[28]。合理施用有机肥也能有效缓解药用植物连作障碍，在连续种植3 年白术的土壤中施用蚕沙发酵有机肥，能显著提高白术产量及质量[29]。因此，在生产中，由于有机肥、无机肥各自的缺陷，故不能局限于单种肥料的施用，应针对每个药用植物特性，选配出合适的有机肥-无机肥施肥配方，缓解药用植物连作障碍。在实际生产过程中，可以通过灌水、晒田、精耕细作等方式，降低土壤中的化感自毒物质含量以及致病菌、害虫虫源等。
　　2.3    土壤环境改良
　　连作条件下，土壤中病原菌数量增加，导致作物土传病害加重[30]。在农业生产中，可通过土壤消毒的方法抑制连作土壤病原菌，减少作物土传病害。可以向土壤中施加农药或者化学药品（溴甲烷、甲醛及过氧乙酸等）来杀灭土壤中的病原菌，以达到增产的目的，但是过多施用化学药品会导致环境污染，不利于生态农业的发展[31]。强还原土壤灭菌方法是一种对土壤灭菌的新方法，主要是通过向土壤中添加有机物，然后灌水和覆膜，以制造强还原环境，从而降低土壤中病原微生物的数量，改善土壤结构，缓解连作障碍[32]。目前，关于强还原土壤灭菌的研究多集中在园艺作物上，鲜有关于其在缓解药用植物连作障碍方面的研究。
　　土壤微生物在植物养分吸收与利用方面占据了重要地位。一方面，土壤微生物可以通过直接改变植物根系形态及生理来影响根系对养分的吸收;另一方面，土壤微生物通过分解有机物等途径释放土壤养分，从而改善植物根际微生态[33]。外源施加微生物菌剂能改善当归根际土壤养分含量和微生物群落结构，进而影响当归幼苗的养分吸收效率，提高当归育苗质量[34]。此外，土壤微生物能够降解土壤中的化感自毒物质，抑制病原菌生长[35-36]。从人参根际土中筛选出的5种能降解人参中主要化感自毒物质的细菌，对棕榈酸、邻苯二甲酸二异丁酯以及丁二酸二异丁酯等有明显的降解作用，其降解液对人参幼苗生长的抑制作用减小[35]。然而，目前关于微生物制剂缓解药用植物化感自毒作用的研究尚处于起步阶段，微生物制剂种类也相对较少。 　　3    生物炭缓解连作障碍机制及其在兰州百合中的应用前景
　　生物炭是一种有机碳含量高、多孔性、碱性、吸附能力强、多用途的材料[36]。农作物秸秆、废弃树枝、养殖业固体废弃物等都可以作为生产生物炭的原料，以生物炭制备取代农林废弃物焚烧可有效减少农田温室气体排放，增加“农业碳汇”，减少农业面源污染。因此，生物炭在绿色农业发展中的应用前景广阔[8]。
　　研究者在生物炭影响土壤理化性状、改变土壤微生物数量和群落结构、影响土壤病原菌数量、吸附植物根系产生的化感物质及病原菌分泌的致病因子和诱导植物抗病性等方面作了一些研究，从不同方面证明、揭示了生物炭防控土传病害的作用和机理[36-38]。这些研究结果对应用生物炭缓解兰州百合连作障碍具有重要的理论支撑作用。
　　3.1    生物炭对土壤理化性状的改善
　　生物炭具备较大的比表面积和多孔特性，有利于提高土壤孔隙度，降低土壤容重和紧实度，增强土壤持水能力，改善了植物生长的土壤环境，在粉砂土壤中施用25 g/kg生物炭可使土壤容重降低12.3%，从而降低土壤紧实度[39]。生物炭特有的理化特性使其赋有较强的吸附能力和较大的离子交换量，增强了土壤养分的固持能力[40]。有研究证明，木材生物炭通过增加土壤对氮素的吸附性而提高了植物对氮素的利用率[37]。另外，生物炭中含有碱性物质，且可通过盐基离子交换降低土壤中的氢离子，因而能有效提高土壤pH值，对促进土壤微生物活性、抑制病原菌生长、提高作物养分利用效率有积极作用[38-39]。因此，通过施用生物炭调节土壤理化性状，改善兰州百合生长的土壤环境，缓解连作障碍是可能的。
　　3.2    生物炭对土壤微生物的影响
　　生物炭对土壤微生物环境的影响对连作障碍起到调节作用。生物炭的多孔性为土壤微生物提供生存繁殖的栖息地，并且对土壤微生物起到保护作用，显著提高土壤微生物数量和活性[41]。土壤中施用生物炭促进多种可有效抑制植物病害的有益微生物生长，如革兰氏阴性细菌、放线菌、酵母菌等的数量，均随生物炭的添加而显著增加[42]。土壤微生物群落结构对生物炭的添加也表现出积极的响应，细菌因生物炭吸附作用而避免被冲离土壤，从而增加了土壤细菌丰度，添加生物炭可使黑土中的细菌多样性增加25%[43]。可以推测，生物炭对土壤微生物群落结构的影响，必然对土壤中病原菌的增殖和侵染以及植物的生长和抗病性能等方面有所影响。针对生物炭改变土壤微生物群落结构及有益微生物数量的影响，从而增强兰州百合抗病性乃至缓解连作障碍方面有待进一步研究。
　　3.3    生物炭对根系分泌物的吸附作用
　　生物炭因其较强的吸附能力，可能通过吸附根系分泌物、病原菌分泌物等有机物质抑制土传病原菌对植物的侵染。但是，目前关于生物炭吸附根系分泌物的相关研究未见报道，对于生物炭吸附土壤外源化感物质以及植株浸提液中化感物质的相关研究较多。苯乙烯酸、香豆酸和阿魏酸等化感物质能降低丛枝菌根真菌在植物根部的定殖，而土壤施用3%生物炭能消除这种影响[44]。通过生物炭处理24 h后，可显著降低玉米（Zea mays L.）植株浸提液对玉米种子胚根生长的抑制作用，胚根长度较未添加生物炭处理增加6～12倍[45]。小麦秸秆生物炭处理对辣椒叶浸提液产生的自毒作用也有显著的抑制作用[8]。由此可见，在土壤中适量施用生物炭，可能是缓解兰州百合自毒作用的有效措施。
　　4    结语
　　前人对关于种植业中连作障碍形成机理及调控技术的研究做了大量工作，提出了如轮作倒茬、间作、土壤微生物菌剂、土壤改良剂等方法来调控连作障碍对各类植物的危害，以促进连作植物的生长[46]。但是，现有调控技术的见效周期及造成的生态问题尚有争议。生物炭技术是一种实现农林废弃物碳化还田行之有效的新型技术，研究生物炭对连作兰州百合生长的促进效应，挖掘生物炭对兰州百合连作障碍的缓解作用，对这一特色产业绿色永续发展具有重要的意义。
　　5    参考文献
　　[1] 徐学军，梁玉文，胡相莉.百合新品种兰州百合1号[J].中国蔬菜，2010，1（13）：30-31.
　　[2] 樊生丰，师桂英，李丽，等.兰州百合土壤浸提液对不同作物的化感作用[J].甘肃农业大学学报，2018，53（1）：78-82.
　　[3] 张元英.浅议兰州百合产量和品质下降问题[J].农民致富之友，2016（20）：96.
　　[4] 张琳，王晓，史国玉，等.中药连作障碍形成及其时空效应理论探讨[J].现代中药研究与实践，2014（5）：78-83.
　　[5] 陈玲，董坤，杨智仙，等.连作障碍中化感自毒效应及间作缓解机理[J].中国农学通报，2017，33（8）：91-98.
　　[6] 孙跃春，林淑芳，黄璐琦，等.药用植物自毒作用及调控措施[J].中国中药杂志，2011，36（4）：1-5.
　　[7] 陈温福，张伟明，孟军.农用生物炭研究进展与前景[J].中国农业科学，2013，46（16）：3324-3333.
　　[8] 马艳，王光飞.生物炭防控植物土传病害研究进展[J].中国土壤与肥料，2014（6）：14-20.
　　[9] 张敏，谈献和，张瑜，等.中药材连作障碍[J].现代中药研究与实践，2012，26（1）：83-85.
　　[10] 简在友，王文全，游佩进.三七连作土壤元素含量分析[J].中国现代中药，2009，11（4）：10-11.
　　[11] 喻敏，余均沃，曹培根，等.百合連作土壤养分及物理性状分析[J].土壤通报，2004，35（3）：377-379. 　　[12] 廖海兵，李云霞，邵晶晶，等.連作对浙贝母生长及土壤性质的影响[J].生态学杂志，2011，30（10）：2203-2208.
　　[13] 蒋国斌，谈献和.中药材连作障碍原因及防治途径研究[J].中国野生植物资源，2007，26（6）：32-34.
　　[14] 陈慧，郝慧荣，熊君，等.地黄连作对根际微生物区系及土壤酶活性的影响[J].应用生态学报，2007，18（12）：2755-2759.
　　[15] MCGEER P L，MCGEER E G.Autotoxicity and Alzheimer disease[J].Arch Neurol，2000，57（6）：789-790.
　　[16] 孙跃春，林淑芳，黄璐琦，等.药用植物自毒作用及调控措施[J].中国中药杂志，2011，36（4）：1-5.
　　[17] 李美，高兴祥，高宗军，等.艾蒿对不同植物幼苗的化感作用初探[J].草业学报，2010，19（6）：114-119.
　　[18] 袁云云，咸洪泉，洪永聪，等.花生根系分泌物的鉴定及其化感效应分析[J].花生学报，2011，40（3）：24-29.
　　[19] 张新慧，郎多勇，张恩和.当归根际土壤水浸液的自毒作用研究及化感物质的鉴定[J].中草药，2010，41（12）：2063-2066.
　　[20] 李泽森，何卫蓉，彭建波，等.水旱轮作对龙山百合病虫草害的控制效应[J].现代园艺，2013（18）：9-10.
　　[21] 吴林坤，吴红淼，朱铨，等.不同改良措施对太子参根际土壤酚酸含量及特异菌群的影响[J].应用生态学报，2016，27（11）：3623-3630.
　　[22] 侯慧，董坤，杨智仙，等.间作系统根-土互作与连作障碍缓解机制[J].中国农学通报，2016，32（29）：105-112.
　　[23] 唐艺玲，雷晓青，李雪芹，等.中药材与其他植物间作的效益及机理研究进展[J].中药材，2019，42（3）：693-697.
　　[24] 罗小勇，孙娟. 23种紫花苜蓿不同品种及器官间化感活性差异的研究[J].草业学报，2012，21（2）：83-91.
　　[25] 董艳，董坤，郑毅，等.不同抗性蚕豆品种根系分泌物对枯萎病菌的化感作用及根系分泌物组分分析[J].中国生态农业学报，2014，22（3）：292-299.
　　[26] 许露露，潘文杰，张国平.烟草自毒效应的品种间差异研究[J].浙江大学学报（农业与生命科学版），2012，38（2）：119-126.
　　[27] 赵绪生，齐永志，甄文超.不同抗连作障碍品种草莓根系分泌物化感物质差异分析及其化感效应[J].河北农业大学学报，2012，35（3）：100-105.
　　[28] 欧小宏，金航，郭兰萍，等.平衡施肥及土壤改良剂对连作条件下三七生长与产量的影响[J].中国中药杂志，2012，37（13）：1905-1911.
　　[29] 王博林，倪方方，徐建中，等.蚕沙发酵肥对连作白术产量和品质的影响[J].浙江中医药大学学报，2016，40（4）：258-264.
　　[30] 袁玉娟，胡江，凌宁，等.施用不同生物有机肥对连作黄瓜枯萎病防治效果及其机理初探[J].植物营养与肥料学报，2014（2）：372-379.
　　[31] 刘星，张书乐，刘国锋，等.土壤生物消毒对甘肃省中部沿黄灌区马铃薯连作障碍的防控效果[J].应用生态学报，2015，26（4）：1205-1214.
　　[32] 朱同彬，孙盼盼，党琦，等.淹水添加有机物料改良退化设施蔬菜地土壤[J].土壤学报，2014（2）：335-341.
　　[33] 沈仁芳，赵学强.土壤微生物在植物获得养分中的作用[J].生态学报，2015，35（20）：6584-6591.
　　[34] 祝英，彭轶楠，巩晓芳，等.不同微生物菌剂对当归苗生长及根际土微生物和养分的影响[J].应用与环境生物学报，2017（3）：511-519.
　　[35] 李勇，龙期良，丁万隆，等.微生物降解对人参自毒作用的缓解效应[J].中国中药杂志，2014，39（15）：2868.
　　[36] 孙广正，姚拓，刘婷，等.植物根际促生菌对3种土传真菌病害病原的抑制作用[J].微生物学通报，2014，41（11）：2293-2300.
　　[37] HIDETOSHI A，BENJAMINK S，HAEFELEM S，et al.Biochar amend-ment techniques for upland rice production in Northern Laos：1.soil physical properties，leaf SPAD and grain yield[J].Field Crops Research，2009，111（1）：81-84.
　　[38] STEINER C，GLASER B，GERALDES T W，et al.Nitrogen retention and plant uptake on a highly weathered central Amazonian Ferralsol amended with compost and charcoal[J].Journal of Plant Nutrition and Soil Science，2008，171（6）：893-899.
　　[39] GRABER E R，HAREL Y M，KOLTON M，et al.Biochar impact on development and productivity of pepper and tomato grown in fertigated soilless media[J].Plant & Soil，2010，337（1/2）：481-496. 　　[40] PEAKE L R，REID B J，TANG X.Quantifying the influence of biochar on the physical and hydrological properties of dissimilar soils[J].Geoderma，2014，235/236：182-190.
　　[41] TAGHIZADEHTOOSI A，CLOUGH T J，SHERLOCK R R，et al.Biochar adsorbed ammonia is bioavailable.[J].Plant & Soil，2012，350（1/2）：57-69.
　　[42] WARNOCK D D，LEHMANN J，KUYPER T W，et al.Mycorrhizal resp-onses to biochar in soil-concepts and mechanisms[J].Plant & Soil，2007， 300（1/2）：9-20.
　　[43] ELAD Y，DAVID D R，HAREL Y M，et al.Induction of systemic resista-nce in plants by biochar，a soil-applied carbon sequestering agent.[J].Phytopathology，2010，100（9）：913-921.
　　[44] PIETIK？魧INEN J，KIIKKIL？魧 O，FRITZE H.Charcoal as a Habitat for microbes and its effect on the microbial community of the underlying humus[J].Oikos，2000，89（2）：231-242.
　　[45] ELMER W H，PIGNATELLO J J.Effect of biochar amendments on myc-orrhizal associations and fusarium crown and root rot of asparagus in replant soils[J].Plant Disease，2011，95（95）：960-966.
　　[46] ROGOVSKA N，LAIRD D，CRUSE R M，et al.Germination tests for ass-essing biochar quality[J].Journal of Environmental Quality，2012，41（4）：1014-1022.
　　基金項目   国家自然科学基金（31560380）;甘肃省高等学校创新能力提升项目（2019A-072）;甘肃农业大学校级自列项目（GSAU-ZL2015-007）。
　　作者简介   达艳凤（1991-），女，甘肃敦煌人，在读硕士研究生。研究方向：中药材栽培与质量评价。
　　通信作者
　　收稿日期   2020-02-21
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