药用植物三七连作障碍研究进展

药用植物三七连作障碍研究进展

三七[dap.a.h.chen]是一种不同于五种人参的植物。它是中国的一种稀有中药。具有活血化瘀功能，临床用于心血管疾病的治疗。三七分布范围狭窄,野生资源极少,目前医药用的绝大多数是通过栽培获得的。云南文山是三七的道地产区,种植面积和产量均占全国90%以上。关于三七的研究,许多学者已经从生物学特性、栽培与育种、植物保护、药理药化和质量标准都做了相关的报道。三七是宿根植物,忌地性极强,有连作障碍现象,难以重茬连作,栽过一茬以后的土壤在几年甚至几十年内不能再栽。同一种植物或近缘植物在同一块土地上连续多年种植以后,即使在正常管理情况下,也会出现生育状况变差、病虫害严重、产量降低、品质变劣的现象,称为连作障碍(continuouscroppingobstacles)。以往连作障碍的研究主要集中在大豆、花生、烟草、棉花和一些蔬菜上,药用植物主要集中在人参、西洋参上。关于三七连作的研究也有报道,但都未能找出连作障碍的原因及解决方法,文章借鉴人参、棉花等作物的连作障碍研究,提出相关的方法,希望对三七的连作障碍有所帮助。1土壤条件的变化日本学者泷岛提出了植物连作障碍的“五大因子学说”,即土壤养分的消耗、土壤反应异常、土壤物理性状的恶化、来自植物的有害物质、土传病害和线虫。根据上述五大因子及现有研究报道,可将导致药用植物产生连作障碍的主要原因归纳为土壤质量下降、土壤微观生态系统发生变化、药用植物自毒作用、土传病害和线虫几个方面。1.1土壤质量下降1.1.1土壤特性及生长土壤的性质包括物理性质和化学性质。物理性质包括土壤比重、容重、孔隙度以及团聚体结构和机械组成等物理性状。土壤团聚体是土壤结构的基本单位和决定土壤肥力的重要因素之一。其大小、形状和稳定性直接影响土壤中水和空气的关系,决定土壤孔隙的分布,并由此影响土壤的许多属性和作物生长。土壤物理性质与其水分、空气、热量状况以及对农田灌排的要求和耕作效果密切相关,它对于调节水、肥、气、热矛盾,进行土壤管理的基础工作,具有非常重要的意义。柴仲平对新疆的棉田土壤进行了物理性质测定,得出连作对其土壤各种物理性状产生了较大的影响,棉田连作会使土壤比重、容重增加,孔隙度下降,并随连作年限的增加数量变化越明显,所以连作不利于维持土壤质地和土壤的持续利用。1.1.2土壤养分含量的增加连作对土壤理化性状的影响主要是长期在同一土壤上种植相同作物,作物对土壤营养元素的片面吸收,以及施肥等农艺措施的不当,连续大量施用性质相同或相似的肥料,由于特定作物对肥料的选择性吸收,使一些养分急剧减少,而另一些养分日益积聚,造成土壤养分不均衡,特别是微量元素的缺乏而引起作物的生育障碍,常常使后作生长不良。对于土壤养分的亏缺在大豆、烤烟、葡萄、番茄等都有相关的报道。浅根性植物在生长过程中对表土层营养元素吸收较多,对各种营养元素的吸收又具有选择性,长时间单一栽种同一植物,吸收的是相同元素,留下的也是相同元素,根际周围的土壤营养平衡失调,同时还会造成土壤中有害元素过剩,土壤浅层单一盐分浓度过高,使植物的正常生长受抑制,甚至造成反渗透,使植株枯竭死亡。三七是浅根性植物,简在友对三七连作的土壤进行了元素分析,三七3年重茬土中铜和钙含量明显低于在茬土中的含量,锌、硼、镁和硅的含量差异不明显,铁、锰、钾和钠的含量在重茬土中明显偏高。1.2土壤微观生态系统变化1.2.1土壤肥力的构成土壤微生物在土壤中养分元素的循环和土壤矿物分解中具有重要作用,对土壤团粒结构形成与稳定起着决定性作用,能够改善土壤结构,从而促进植物的生长。土壤中微生物(主要有3大类群,即细菌、放线菌和真菌)的数量直接影响土壤的生物化学活性和土壤养分的组成与转化,是土壤肥力的重要指标之一。土壤微生物的种类数量多,土壤肥力高。许艳丽对大豆的研究得出连作后土壤微生物区系发生变化,连作的土壤微生物总数和细菌总数明显低于在茬区,而真菌总数则高于非连作地,细菌与真菌的比值减小,而放线菌数量变化不大;封海胜、徐瑞富和赵萌对花生及西瓜的研究表明,随着连作年限的增加,植物根际土壤中的真菌数量明显增加,细菌数量明显减少。此外对棉田、玉米、怀牛膝和烟草的研究都表明土壤中微生物的数量和种类对土壤的肥力都具有重要的作用。官会林对三七的研究表明,霉菌、放线菌及细菌中的厌氧生长菌会降低土壤肥力,从而引发三七根腐病的发生。薛泉宏也指出连作障碍的发生与连作作物根区土壤微观生态系统发生退化、病内原菌数量增加、有益菌数量下降有密切关系。1.2.2土壤酶活性的变化土壤中一切生化反应都是在土壤酶的参与下完成的,土壤酶活性反映了土壤中各种生物化学过程的强度和方向。土壤中的脲酶、过氧化氢酶、氧化还原酶、土壤脱氢酶、磷酸酶、多酚氧化酶,多糖酶、转化酶活性与土壤有机质呈显著相关关系。土壤中的脲酶能水解尿素生成氨,其活性影响着土壤氮素代谢状况;过氧化氢酶能够促进对生物体有毒害作用的过氧化物的分解,能有效防止土壤及生物体在新陈代谢过程中产生的过氧化氢对生物体的危害;土壤氧化还原酶参与有机质的分解、腐殖质的合成、土壤养分的转化、污染物降解等过程。土壤脱氢酶是一种胞内酶,它存在于所有活体微生物体内,常被认为是土壤微生物活性的一个有效指标;磷酸酶能水解尿素和有机磷化合物,为作物提供有效磷养分;土壤多酚氧化酶与土壤有机质的形成有关,是腐殖化的一种媒介;连作土壤的多酚氧化酶活性的变化直接影响了土壤中酚的含量,从而妨碍了植株的正常生长发育;多糖酶能分解土壤中的多糖,土壤中多糖含量的降低会对土壤中腐殖质的形成产生影响,从而影响土壤肥力;连作土壤pH值与土壤脲酶、转化酶、过氧化氢酶、磷酸酶的活性之间存在着显著正相关,这说明连作大豆的土壤pH变化是影响土壤酶活性的主要因素。有许多研究表明连作后的土壤,各种酶的含量和活性都呈不同程度的变化,但对于药材特别是三七还未有相关的报道。1.3化感作用对植物根系混合物的作用所谓自毒作用(self-allelochemicals)就是指某些植物通过地上部淋溶、根系分泌、植物残体在土壤中分解等途径释放出一些物质对同茬或下茬同种或同科植物生长产生抑制作用的现象。作物连作障碍与根系分泌物的自毒作用有关。药用植物在连作条件下,随着连作年限的增加,根系分泌的某些自毒物质逐渐积累,当积累到一定的程度时,就改变了土壤微环境,尤其是植物残体腐解物与病原微生物的代谢产物对植物产生致毒作用,并连同植物根系分泌物中的自毒物质一起影响植株代谢,最后导致化感自毒作用的发生,引起连作障碍。根系分泌物是一类复杂的混合物,主要包括碳水化合物、氨基酸、有机酸、黄酮类化合物等,这些混合物在特定的土壤环境下,影响种子的萌发、生长、营养元素的活化、微生物群落的分布等。研究发现,人参根系分泌物的化感作用具有破坏人参根源愈伤组织膜的功能,影响细胞核数量,使细胞分裂和生长受阻,抑制其根源愈伤组织生长。西洋参茎叶、须根和根系分泌物中存在活性较高的自毒物质,自毒作用是造成西洋参连作障碍的重要原因之一。对三七的研究表明,三七水培液和三七鲜根水提液对三七的种子萌发及幼苗生长均存在显著抑制作用;三七总皂苷及三七鲜根水提液对三七根病病原菌毁坏柱孢菌和腐皮镰刀菌的生长却表现出促进作用。游佩进用不同质量浓度的三七连作土壤水提液对三七种子萌发及幼苗生长进行生物测定,结果表明,三七连作土壤水提液对三七的发芽率、发芽指数、根长、苗高、鲜质量、硝酸还原酶活性均有不同的化感作用。随着三七连作土壤水提液质量浓度的不断提高,连作土壤对三七苗高、鲜质量的抑制作用也明显增加。李培栋对花生的研究得出,酚酸物质会抑制花生幼苗的生长,提高花生的发病率,可能是因为酚酸物质破坏花生细胞膜的完整性而使病原菌入侵,影响花生生长,产生连作障碍。还有研究表明地黄、苍术、当归等也都存在明显的自毒作用。1.4土壤病害的种类三七的主要病害有根腐病、黑斑病、疫霉病、圆斑病、灰霉病、病毒病、锈腐病和白粉病。其中跟土壤有关的有根腐病、疫霉病、圆斑病、灰霉病、锈腐病等,目前对于这些病害的研究也比较多[25,26,53,54,55,56,57]。三七的土传病害在连作地中尤为严重,应该加强此方面的研究。1.5对害虫的使用方法三七由于种植方式的特殊性,化学农药使用较多,故危害的害虫也相对较少,目前报道的主要有地老虎,蛞蝓,根结线虫和害鼠,对于这方面的报道不多。2克服障碍2.1土壤污染环境对土壤微生物和细菌群落的影响土壤日光消毒可以控制多种病原真菌、细菌、杂草和线虫,土壤日晒与其他的物理、化学和生物方法具有兼容性。暴晒后,土壤的化学、物理和生物状况会发生一定的变化,土壤中的铵态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO-3)、镁离子(Mg2+)、钙离子(Ca2+)浓度增加,土壤的导电性增加;日光消毒使土壤中微生物数量发生了明显变化,土壤中的有益细菌、真菌和放线菌的种群数量增加,土传有害生物种群数量降低,发病率减少,同时还可增加土壤的团粒结构。日光消毒还应用于黄瓜、草莓等作物上。2.2耕作及复配制剂的使用土壤灭菌是目前克服连作障碍的重要途径之一,尤其是对于连作后土传病害加重的药用植物,采用化学药剂熏蒸是一种常用的土壤灭菌方法。有机硫熏蒸剂是三七连作栽培上广泛使用的土壤熏蒸灭菌剂,马承铸的研究表明,三七连作地于播种前和移苗前用98%大扫灭粉粒剂(20~40g/m2)和35%钾-威百液剂(30~50mL/m2)进行耕作层土壤熏蒸处理,对三七出苗和成苗率无显著影响,而杂草和线虫发生量比对照均减少90%~95%。若土壤熏蒸后再施入益生菌剂,并结合使用高效复配杀菌剂,则可以很好地解决三七的连作障碍。此外,用灭生性土壤消毒剂氯化苦对连作西洋参基质进行消毒,可显著提高存苗率,减少根病发生。2.3作生长推广轮作是生产上恢复土壤地力、减少病虫害、减轻药用植物连作障碍的重要措施,合理的轮作方式可以提高土壤生物学活性。轮作广泛应用于人参、豆类、小麦、玉米、牧草、蔬菜、花卉及果树等经济作物。三七进行轮作的周期较长,约8~10年,但三七连作土壤对三七、莴苣和白菜具有化感作用,所以要找到合适的轮作植物。2.4对土壤肥力的影响对连作三七的生长发育、产量和土壤理化性质的初步研究,表明利用草木灰本身的养分特点可以有效地调节土壤pH值,减缓土壤酸化,提高土壤肥力,叶面喷施EM菌肥促进三七生长,对缓解三七连作的作用明显。也有许多研究表明施用混合基肥,能使土壤疏松、通气良好、保水力强、土壤有机质增多,配施有机肥不仅为当季作物提供有效养分,还能明显提高土壤肥力和生物活性,改善土壤氮的代谢特性,是提升高产稻田的生产力的主要原因。增施硼、锌、镁、铁、锰、铜等微量元素,补充连作土壤中消耗的矿质营养元素,同时也有助于增强作物的抗病力,提高产量。2.5采取合理措施,改善土壤生态位,恢复土植物化感作用可在种间进行,也可以在种内进行。孙浩提出,有效利用化感植物资源,提高环境质量。种植化感覆盖植物可减少投入,保护环境,降低土壤侵蚀率,通过免耕减少除草剂使用量,利用生物防治控制杂草生长,减少化肥需求。通过土壤生态系统的基础土壤生态位,可以了解到土壤生态系统进化的程度和现状,从而确定和采取合理的技术措施,改善土壤生态位,使退化土壤生态系统得以恢复与重建。以前的化感作用主要说植物的自毒作用,没有考虑到不同植物间的相互作用,这个是研究化感作用的新的方向。2.6防病毒2.6.1对微生物的影响利用颉颃微生物防治植物根部病害,是将培养好的颉颃微生物药剂施入土壤中,或是通过在土壤中加入有机物等措施提高原有的颉颃微生物的活性,从而降低土壤中病原菌的密度,抑制病原菌的活动,减轻病害的发生。2.6.2生物有机肥覆盖对病害发生的影响通过接种有益微