中药连作障碍防治的微生态研究模式探讨

严铸云，王海，何彪，刘敏，王光志，陈新，万德光

中药连作障碍是指同一药用植物或近缘种连作后，在正常管理的情况下，产生产量降低、品质变劣、生长发育状况变差的现象。随着中药材需求量不断增加，由于耕地的限制、耕作制度的改变、经济利益驱动和种植条件等因素的限制，中药材生产中出现连作和复种连作的面积越来越大。连作常常导致中药生长发育不良，产量和质量降低，甚至不能生长[1]。绝大多数中药忌连作，如人参、西洋参、丹参、黄连、川明参、地黄、三七等常用中药均不能连作。随着人们环保意识加强和生活水平的提高，在质量和数量方面对中药都提出了更高的要求，连作障碍已成为我国中药材生产中亟待解决的一个突出问题。虽然大豆和一些蔬菜连作问题的研究取得了一定进展，但对其机理研究正在成为植物微生态研究的焦点之一，已经引起人们的高度重视。

从药用植物微生态系统的角度研究连作障碍机理是重新理解连作障碍的新思路。以前许多学者对连作障碍进行过多方面的研究，但未揭示连作障碍产生的实质，因而至今仍缺乏有效的防治措施，已有研究常仅针对连作障碍产生的某一方面，如养分、虫害、病害、化感物质等问题。对“植物—土壤—微生物”组成的药用植物微生态系统缺乏整体的研究。因此，应用微生态学的理论重新思考和探讨连作障碍产生的机制及影响因素，并提出相应的措施，具有重要的理论和实践意义。

1 中药连作障碍及其危害

我国是一个中药生产和消费大国，可栽培生产的中药材中大部分品种忌连作。如吉林省是我国人参、西洋参的主产区，但栽过一茬人参或西洋参的土壤在几年甚至几十年内不能再栽种人参或西洋参，否则人参、西洋参须根会大量脱落，病害非常严重，用老参地继续栽种人参，根腐病、疫病、立枯病、猝倒病、菌核病、黑斑病、细菌性软腐病等土传病害也严重[3]。人参连作后其根周皮烂红色、长满病疤，致使人参地上部分死亡，有的地块几乎全部绝收[2]。百合随着连作年份的增加，产量和品质下降、病虫害加重[4]。我们在调查中观察到，川明参连作后植物长势差，根腐病严重，产量减少40%～60%；丹参连作后植株矮小、根结线虫和根腐病严重，根表面疮斑较多，产量减少50%～70%，部分地区甚至绝收。

我国中药材出口呈现日益增加的趋势，许多国外商家都要求提供传统道地产区和按GAP生产的药材。我国耕地面积有限，特别是传统道地产区面积更有限，由此引起的道地产区重茬栽培中药现象已十分普遍。由于前茬土壤再植同种中药出现植物生长衰弱、根系生长不良、病害加重，具有时间和空间上的持久性。增加肥料和农药的使用，以期获得较大的经济回报，出现“道地产区生产非道地药材”已为普遍现象。可见连作障碍已成为一个广泛存在、危害严重的中药材生产，特别是道地药材的生产问题。由此，将危害中医药事业的健康发展。

2 连作障碍的机制

图1 植物微生态系统物质、能量、信息流动示意图

植物与土壤相互作用形成了一个以植物共生体系为中心，植物根际为界面的植物微生态系统。该系统的能量流动、信息流动、物质流动异常强烈（见图1），这种强烈的相互作用结果使土壤物理、化学和生物环境发生了明显变化。其中，土壤物质化学行为特征的变化引发的植物共生体系改变，可能是引起中药连作障碍的重要机制。土壤化学物质的变化主要是根际分泌物、地上部分的淋溶物和微生物的代谢产物等不断进入土壤，一方面使植物根际微生物种群结构改变，一些原来非优势种群成为优势种群，特别是致病菌和病原虫成为优势种群，同时植物生长过程中产生的大量次生代谢产物，使虫卵孵化、群体数量增加，增加浸染植物的机会；另一方面改变植物根系对物质的吸收状况，引起植物代谢库的改变，从而改变植物内共生和表共生体系；此外部分进入土壤的植物分泌物和微生物的代谢产物，能抑制、破坏植物根际的细胞分裂生长，从而给植物造成严重伤害。连作对土壤物理环境产生改变。一方面植物根系改变了土壤气、液、固三相的比例，使土壤微粒结构、Eh、pH、土壤酶活性等发生变化；另一方面植物生长过程会存在养分的偏耗，同时向土壤中分泌的一些自毒物质，影响细胞膜透性、酶活性、离子吸收和光合作用等，这些因素对植物的生长都会产生重要的影响。由此可见，中药连作障碍是多因素综合作用的结果，主要表现为病害、虫害、化感作用和改变共生结构等几个主要方面。

2.1 病害危害

植物根分泌物直接或间接地影响植物病原菌，主要是抵消了土壤的抑菌作用，诱导病原菌繁殖和萌发，也可能抑制了病原菌拮抗微生物的生长。任何生物的、物理的、化学的和机械的因素都可以通过刺激和抑制作用来影响植物的生理代谢活动和功能，从而影响根分泌物质的种类和数量，以及根际微生物的种群结构。药用植物病害发生必备的条件有：①感病植物品种；②植物体表面有足够的病原繁殖体或接种体密度；③繁殖体迅速萌芽和浸染植物所需的信息物质和营养物质；④适合病原菌活动的生物、物理和化学环境。特定条件下，普通根际微生物能变为病原菌，能够产生抑制植物或促进病原菌定植的物质，诱导植物发生病害。如Pseeudomonas sp.属细菌对菜豆就是机会致病菌。

植物根系起到选择性培养基的作用，凡营养需求与“天然选择培养基”成分吻合的微生物，则在根际土壤中大量繁殖，成为该特殊区域微生物区系中的优势类群（数量最多），其他微生物数量相对减少；若上述大量繁殖的微生物为有益菌，则促进作物生长；如为病原菌，则侵染作物根系，导致作物发病。在同一块地中连续种植某一种药用植物就会建立起专化性病原群体，根系分泌物可诱导厚垣孢子、卵孢子和菌核的萌发，以及休眠菌丝的活化。根际分泌物对某些致病菌有趋化作用[5]。如大豆重茬后危害较严重的病害主要是根腐病，重茬越久患病越严重；大豆连作3年以上，土壤微生物数量与组成发生改变，细菌数量减少，真菌成为优势种群，重茬较正茬增加18.0%～35.5%，并以青霉菌、镰刀菌、立枯丝核菌占多数[6]。植物病原微生物侵染根部，导致碳水化合物、氨基酸、蛋白质、脂类和核酸等物质代谢的改变，使根的分泌作用加强，根际周围微生物种群数量也增加，病原菌侵染根部，破坏了细胞膜透性，使细胞内化合物以扩散方式释放至根际[7～8]。可见，根系分泌物和根际微生物与连作障碍之间有着明显的相互关系。

现代中药农业的最大特点是单一品种的大面积种植，这给病原菌在土壤中的富集提供了适宜而丰富的营养物质，并在寄主衰亡后在植物残体上继续繁殖，药用植物连作更加重了这已趋势。

2.2 线虫危害

中药栽培中的虫害种类较多，其中线虫种类多、分布广、寄主范围广、适应环境能力强、繁殖快，对作物具有较大的危害作用。部分植物的根系分泌物有促进线虫繁殖的作用，大豆根系分泌物可促进孢囊线虫的孵化，重茬越久孢囊线虫病和根前蝇的患病越严重[6]。常常连作后导致线虫种群数量急剧增加，加剧了对植物的危害。据FAO保守估计，全世界每年因线虫在21种作物上的危害所造成的经济损失就达777亿美元。寄生植物的线虫可以引起许多重要的植物线虫病害，如大豆胞囊线虫病、花生根结线虫病、甘薯茎线虫病和水稻干尖线虫病等[9]。我们在调查中观察到，全国8省26个产地的丹参均有不同程度的根结线虫危害，尤以河北、四川、山东、河南较为严重，其中山东部分传统丹参产区由于孢囊线虫病危害，无法再生产丹参，而改种桃树。此外，有些线虫还能传播真菌、细菌和病毒，促进它们对药用植物的危害。

2.3 化感作用

“化感作用”是指植株向环境中释放某些化学物质，影响周围其它植株生理、生化代谢及生长过程的现象，具有化感作用的物质称“化感化合物”。Candolle.D[10]认为作物连作减产的原因，可能是由于根部分泌有毒物质并积于土壤所致。其作用机理可概括为：一种植物产生的生克物质渗入到其它植物体内，影响受体植物细胞膜的透性、营养元素的吸收和运输、有机物质的代谢、光合和呼吸作用，以及植物解剖结构、植物体内酶的活性和激素平衡的变化等等。如抑制种子萌发和幼苗生长，抑制萌发过程中的关键酶，阻碍萌发过程；抑制蛋白质合成及细胞分裂，抑制光合和呼吸作用，抑制酶活性，影响水分代谢和营养的吸收等。挥发作用、淋溶、植物体分解、根系分泌是克生物质产生克生效应的几种重要方式。化感作用物质的产生与作用程度，取决于植物生长环境、植物组织年龄、品种等不同因素。营养不良、土壤缺氧、干旱等不利条件，会使某些植物的毒素抑制剂增加。在多雨或温度高的地区或年份，溶解在雨水或露水中的植物克生物质的作用显著增强。近年来植物化感作用研究已成植物保护学、生态学、植物学、农学和林业学等相关领域研究的热点问题。

药用植物连作后生长不良，产量下降，是一种适应性的自我抑制，是植物对环境胁迫条件自我调节以减少能量消耗方式。但从自然选择和植物种类演化来看，自我抑制是非常必要的，具有重要的生态学意义。

2.4 共生结构的改变

植物是由植物与其共生微生物（内生菌、表共生菌和菌根菌）组成植物共生系统（又称超有机体）[11]，这种共生系统决定了植物的生长、发育、繁殖和生态适应过程。微生物与植物协同进化，形成了共生关系，微生物参与植物的一切生命活动，包括吸收、分解、合成、生长、发育、患病和死亡[12]。其中内生真菌具有促进植物的生长发育、提高植物的抗逆性、产生与宿主相同或相似的化学物质、产生具抑菌活性的物质、促进宿主某些代谢产物的形成和生长[13]。同时植物共生系统结构决定了其生态位，如美国黄石公园地热源的高温地带上生长的一种耐高温植物Dichanthelium lanuginosum，其惊人的耐高温特性与其植物共生系统中的菌类Curvularia protuberata相关[14]。同时，同一种植物生长在不同环境[15～16]和不同生长年限[17]内生真菌的种群结构也不相同。药用植物连作后，内生细菌、放线菌和真菌的结构发生了改变，如川明参连作后土壤根际真菌菌落数增加、放线菌和细菌数量减少，植物内生真菌、内生放线菌数量增加，内生细菌数量减少[18]。由此可见，药用植物连作后共生结构的变化引起植株生理、生化代谢及生长过程改变，是连作障碍发生的重要因素。

2.5 其他因素

土地高度集约化利用现状下，过量使用氮肥使土壤产生次生盐渍化和土壤酸化，也成为连作障碍的重要原因，部分可以通过客土的办法解决，但需消耗巨大的人力、物力、财力，其成本也较高。此外，单一品种长期连作，忽视了均衡施肥导致土壤中某一元素的缺乏也会引起连作障碍。

综上可见，连作问题是有多种因素综合作用的结果（见图2）。虽连作障碍中不同时期不同土壤条件下各种因素所造成的抑制程度不尽相同，但植物微生态系统的失调，可能是连作障碍发生的主要原因。首先，植物生长中向土壤排泄（淋溶或根分泌）了大量的物质，其中可能包含自毒物质；根系分泌物可诱导厚垣孢子、卵孢子和菌核的萌发，以及休眠菌丝的活化，刺激线虫等害虫卵的孵化，引起虫害增加。其次，根系分泌物不仅为根际微生物提供所需的能源，而且不同根系分泌物直接影响着根际微生物的数量和种群结构，这些微生物分解植物残茬产生大量分解产物，一方面继续影响土壤微生物的种群结构，另一方面也可能部分为自毒物质，这些物质一直持续到下茬植物生长周期或更长。多年连作情况下，土壤中已积累的和当茬分泌的自毒物质会抑制植物生长。

图2 连作障碍发生的微生态过程示意图

同时根系分泌物可能刺激土壤有害微生物增加，土传病虫害加重，作物根系分泌物和植株残体腐解物给病原菌提供了丰富的营养和寄主，从而使病原菌数量不断增加，而有益细菌的种类和数量随着连作年限的增加而减少；机会致病菌和土壤线虫等浸染植物，导致植株生长受到抑制，产量降低等连作障碍现象。

3 连作障碍的防治策略

药用植物微生态系统是由植物—土壤—微生物及其环境相互作用形成的特殊生态系统，协调三者的关系可能是解决连作障碍问题的关键。连作障碍“起因于生态失衡，要终结于生态平衡”这是中药连作障碍微生态防治的中心思想。目前连作障碍的防治通常采用生物措施和化学调控的办法加以解决，其中化学防治措施是植物本身，而生物防治措施则是通过调控植物共生体系与其生长环境来减少连作障碍的危害，与其他措施相比微生态调控措施的优势更为明显。目前主要的防治措施有：

3.1 利用抗病品种和嫁接技术

抗性育种是解决中药连作障碍问题最有效、最经济的途径，但至今没有发现对再植病有全面免疫力或较高抗性的品种。此外，可利用嫁接的方法来防治根系病害，如通过嫁接减轻了设施黄瓜连作障碍[19]。根分泌物组成和含量的变化是不同生态型植物对其生存环境长期适应的结果,特异性根分泌物作为一个重要的遗传性状,在植物营养遗传改良中已受到人们的日益重视[20]。因此药用植物的育种中应关注抗性品种的选育。

3.2 接种微生物

化学农药对连茬土传病害防效差，寻找新的防治途径已成为相关研究者面临的重大课题。连茬种植土传病害防治的经验教训启示：连茬种植土传病害：“起因于微生态失衡，要终结于微生态平衡。”利用拮抗性微生物，通过“以菌治菌”的生态学方法控制土传病害是一种从根本上解决问题的思路。目前针对大豆根腐病筛选出了病原菌拮抗菌株[21]。可见，筛选有益菌，人工大量繁殖有益菌，将有益菌接种到作物根区，抑制病原菌生长繁殖，调整失衡的微生物生态，将病害降低到不影响生产的程度。

3.3 降解作物自毒物质

自毒物质是引起植物生长受限的主要因素，采取微生物技术，将根系分泌、作物残体腐解形成的有毒有害物质分解掉，解除自毒物质的抑制作用[20]。如何利用有益微生物的分解机能消除自毒物质、解决自毒问题是目前正在进行的课题，也是连作障碍防治技术研究的热点。

3.4 物质调控

化学调控包括元素补给和生长调控两方面。植物对某些元素具有富集性，长期连作易造成缺素症，针对性补充单一种植造成的某种营养元素的缺乏，有利于缓解障碍的发生。同时，连作障碍表现出根系发育不良的情况，采用植物生长调节剂调整植物株型，可增加植物根系生长，能增强植物的抗逆性，减少减产。

3.5 增施有机改良剂

各种土壤生态因子平衡发展是种植出高质量药材的重要因素之一。土壤增施有机改良剂，改善土壤生态环境，调节土壤酶活性。施生态有机肥能改善土壤微生物群落结构，提高连作土壤中微生物群落的代谢能力和功能多样性，达到控制病害和恢复土壤健康的效果；同时能改良土壤结构，改善土壤微生物的营养条件，提高土壤微生物多样性，降解有毒物质的积累。

3.6 其他

采用生物农药、低残留农药和间套作在中药连作障碍防治方面均有一定效果[22]。但实行轮作、轮作休地、休耕等传统措施，可以从根本上防治连作障碍的发生。

4 展望

化学农药防治药用植物连茬土传病害效果差，生态危害大，同时危及产品安全性，寻找新的防治途径已成为相关研究者面临的重大课题。连作障碍防治的历史经验教训启示：连作障碍“起因于微生态失衡，要终结于微生态平衡。”利用微生态学的理论和研究模式，以“损有余而补不足”，“调和阴阳，陶冶万物，化正天下，易於决流抑队”为策略，调整土壤失衡的微生态环境，将病虫害降低到不影响中药材生产的程度，是中药连作障碍微生态防治的思想精髓和基本模式。

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