三七连作障碍成因及其控制研究进展

2015-04-24叶丽琴张子龙

山地农业生物学报 2015年3期

孙萌，叶丽琴，张子龙

(北京中医药大学中药学院，北京 100102)

三七［Panaxnotoginseng(Burk.)F.H.Chen］为五加科人参属植物，是我国名贵中药材，具有化瘀止血、活血定痛功效，临床用于治疗心血管系统疾病。三七分布范围狭窄，主要分布在北纬23°～24°，东经104°～107°范围，现仍未发现野生群体，均为人工栽培。由于特殊的地理环境和得天独厚的自然条件，云南文山种植的三七在品质、种植面积、产量上世界公认第一。但连作障碍严重制约了三七产业的发展，每年因此造成的损失已达上千万，是当前急需解决的问题［1］。

连作障碍是指在同一块土地上连续种植同一种植物，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。本文就三七连作的障碍效应、连作障碍形成原因及其控制研究进展进行综述，并就进一步的研究方向进行探讨，以期为解决三七连作障碍提供参考，为三七种植业可持续发展奠定基础。

1 三七连作的障碍效应

三七属于免耕阴蔽栽培的多年生宿根植物，在地时间长，且其性喜温暖阴湿。三七连作的障碍效应主要表现为:①种子发芽障碍，种子发芽率、发芽指数明显降低。张子龙［2］等的试验表明，连作 2年土上三七种子的发芽率和发芽指数分别比新土上的发芽率和发芽指数降低8.18%和16.56%;②生长障碍，成苗率和株高显著下降。与新土相比，连作3年土上三七的成苗率和株高降幅分别达到41.41%和20.17%。③病害严重，产量下降。三七在种植一茬后继续连作易导致根腐病等病害的发生与流行，常年因此损失5% ～20%，严重的损失70%以上，部分“七园”甚至毁园绝收［3］，严重影响了三七的产量和质量。④轮作间隔年限长，种植区外延，药材道地性难以保证。调查显示，种植三七后的土地要经过轮作或休闲8～10年以上才能重新种植［4］。由此造成文山境内未种植过三七的土地十分稀缺，七农纷纷到周边区域寻找土地资源种植三七，三七的道地性难以保证。

2 三七连作障碍形成原因

对于连作障碍成因，日本学者泷岛［5］提出了“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。基于这五大因子结合目前对三七连作障碍的研究报道，可将三七连作障碍形成原因归纳为以下三方面。

2.1 土壤理化性状劣变

三七生长要求土质疏松、有机质含量较为丰富、排水和保湿的土壤［6］。三七连作会导致土壤的物理性状恶化、土壤板结、透气性差，化学性状改变。如刘莉等［7］研究发现，种植三七后土壤中的粉粒、粘粒和胶粒下降，大的粉砂、细砂、中砂、粗砂及砾石等成分增加，而且三七根冠部位、根冠脱落的根缘细胞及根际微生物能分泌粘液，与土壤的粘结作用形成了土壤颗粒的团聚体，造成土壤板结、透气性变差;种植三七分泌的根系分泌物也会导致土壤酸性增强，土壤酸化会抑制三七对P、Ca、Mg等元素的吸收，土壤有机质、腐殖质含量和阳离子交换量也有一定程度的降低。

种植三七后，土壤的部分营养元素不足或过剩，营养元素比例失调。简在友等［8］发现，三七3年连作土中铜和钙的含量明显低于新土中的含量，而铁、锰、钾和钠的含量显著髙于新土;欧小宏等［9］研究也发现，与新土相比，间隔3年的三七连作土中全氮、全磷、碱解氮、有效磷等成分的含量大幅增加，速效钾含量及土壤钾素与氮素养分间比例则大幅降低，有效铜、有效锌和有效硼等微量元素比较缺乏。杨野等［10］的研究则认为，连作不会引起土壤中、微量元素养分亏缺而诱发连作障碍，但其造成三七种植土壤中、微量元素养分比例失衡，这可能是产生连作障碍的原因之一;刘大会等［11］发现连作造成三七种植土壤磷素的相对富集和钾素的相对亏缺也证明了这一点。

2.2 土壤生物学环境变化

三七连作土传病害的爆发，是土壤微生物群落结构失衡和微生态环境恶化的结果。研究发现，三七连作土传病害的发生与土壤微生物的种群结构及其优势微生物的种群比例密切相关，三七健康植株土壤比根腐病植株土壤中的原核微生物多样性(特别是植物益生菌和放线菌类群)更为丰富［12］。与新土相比，种植三七后土壤细菌、亚硝化细菌、芳香族分解菌、放线菌、固氮菌和钾细菌的数目均减少，但真菌数目没有达到显著性差异［13］。虽然三七健康植株和根腐病植株的根际土壤真菌多样性和代谢活性差异不显著，但真菌群落组成存在明显差异，与根腐病植株根际土壤相比，健康植株根际土壤中火丝菌属Pyronema和被孢霉属Mortierella等真菌类群的相对丰度较高，而尖孢镰孢菌F.ox‐ysporum和刺座霉属的Volutellacolletotrichoides的相对丰度较低［14］。

研究表明，三七根腐病的发生与土壤酶活性具有密切的关联性。游春梅等［15］研究发现，三七健康植株土壤中纤维素酶、蔗糖酶、脱氢酶、磷酸酶、脲酶活性均高于病害植株土壤，而多酚氧化酶活性则相反。寻路路［13］研究也发现土壤在种植三七之后，其淀粉酶、多酚氧化酶、蔗糖酶、过氧化氢酶和磷酸酶的活性均降低。过氧化氢酶能促进过氧化物的分解，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［16］;磷酸酶能水解尿素和有机磷化合物，为植物提供有效磷养分;纤维素酶能将纤维素分解为单糖，加强土壤分解植物残体的能力等;可见，土壤酶活性可能是三七产生连作障碍的原因之一。

2.3 化感自毒作用

2.3.1 三七的自毒作用药用植物在生长过程中会通过雨雾淋溶、自然挥发、根部分泌和植株分解等途径向环境释放对其他植物或自身生长发育产生抑制作用的物质，统称为化感自毒物质(Selfallelochemicals)［17］。大量研究都证实了三七存在明显的自毒作用。如研究表明，三七连作土壤水提液、三七水培液和鲜根水提液对其种子萌发及幼苗生长均存在显著抑制作用［18，19］;三七总皂苷(三七主要药效成分)、三七鲜根水提液及水培液对三七株高、块根重也均表现出抑制作用［20］。此外有研究还发现，三七种子萌发过程中的自毒作用随其播种密度不同而有一定差异，但无明显规律性［21］。三七在连作条件下，自毒物质会逐渐积累，其化感自毒作用的发生也应为产生连作障碍的原因之一。

2.3.2 三七对病原微生物的化感作用三七病害的发生与病原菌侵染关系密切，而三七对其根腐病病原菌的生长具有明显化感作用。研究发现，三七水培营养收集液、三七总皂苷及三七鲜根提取液对毁坏柱孢菌的生长均有促进作用;三七鲜根提取液及低浓度的三七总皂苷对腐皮镰刀菌也表现为促进生长的作用;不同化感物对三七地上部分病害三七黑斑病病原菌人参链格孢的生长均有抑制作用［22］。由此推测，三七连作后各种病害加重，尤其是根腐病发病严重可能与三七对病原微生物的化感作用有关。

2.3.3 三七的化感自毒物质化感自毒物质是产生化感自毒作用的物质基础。研究表明，三七种子发芽率会随着三七植株残体在土壤中降解时间的增加而降低［23］;不同极性的三七根区土壤提取物对三七幼苗生长均有不同程度的抑制作用［24］。由此可以推测，三七根区土壤中可能确实存在化感自毒物质。

目前对三七连作土壤的化学成分已经进行了研究［25］，证实其中含有β－谷甾醇、胡萝卜苷、阿魏酸、人参皂苷 Rh1、Rh4、Rg1、三七皂苷 R1等化学成分，其中阿魏酸等对于三七种子发芽有抑制性化感作用［26］。大量研究表明，酚酸类物质是引起连作障碍的重要化感物质［27］。吴立洁等［28，29］从三七根际土壤中检测到对羟基苯甲酸、香草酸、丁香酸、对香豆酸、阿魏酸、苯甲酸6种酚酸类物质，并发现随着三七种植年限增加，酚酸总量显著增加，其含量已显著抑制三七生长。此外，朱琳等［30］还发现三七土壤及植株残体挥发性成分中含有较高的邻苯二甲酸二异丁酯等化感物质，认为这是导致三七产生化感作用的重要原因。总体而言，目前对于三七体内的主效化感自毒物质仍未明确。

化感自毒物质是植物产生化感自毒作用的前提条件，其实植物的化感作用与其所处的环境条件，尤其是营养条件关系亦十分密切。拱健婷等［31］以三七种苗为供体植物，小麦为受体植物探讨了三七在不同氮素水平下根系分泌物的化感作用，发现小麦发芽指数受抑程度随氮素水平的升高而逐渐增强。这说明营养条件在一定程度上也会影响三七的化感作用，今后对于三七化感自毒作用的调控可以考虑采用改变营养条件的方式来实现。

孙雪婷等［32］建立了上述三方面因素对三七连作障碍影响指数的评估方法，以连作土与健康土上三七植株生物量的差异来评价连作障碍的严重程度(severity degree，SD)，如计算 SD总=(健康土生物量－连作土生物量)/(健康土生物量)，SD理化性状、SD微生物、SD化感物等对三七产生连作障碍的影响因素进行系统评估，对以后的研究提供了参考。

3 三七连作障碍的防治

三七连作障碍往往是多种因子协同作用的结果，目前尚未找到彻底根治的办法，但通过以下调控措施可使三七连作障碍得以缓解，起到一定的防治作用。

3.1 选培优良品种

新品种选育是整个三七栽培研究中最重要的环节，也是解决目前三七栽培中连作障碍问题的最有效方法［33］。据报道，云南省大理州南涧县无量山新发现的三七种源，连续种植十余年，不施农药和化肥，没有严重病害，亦未发现明显的连作障碍，且其药材质量优良［34］。因此，选择培育优良品种对缓解三七连作障碍，保证三七药材质量，促进三七产业可持续发展具有重要的意义。

3.2 进行土壤处理

土壤灭菌处理是减少药用植物连作土传病害的有效途径。研究表明，三七连作地在播种前和移苗前用两种有机硫熏蒸剂进行熏蒸处理，可以显著减少杂草和线虫的发生量，苗病的发生率也显著降低［35］。生产上土壤灭菌常与添加有益微生物结合使用，马承铸等［4］发现连作土壤化学熏蒸后，在播种与移栽前施入益生菌剂和使用高效复配杀菌剂，可以初步缓解三七的连作障碍。研究还发现，土壤熏蒸改变了三七连茬病土中原有的微生物群落，加施抑制根腐病发生并对三七生长有益的微生态制剂，可以在三七根际建立新的微生态平衡，使三七的根腐病得到明显改善［36］。这从机理上解释了土壤处理对缓解三七连作障碍的有效性。

3.3 采用平衡施肥法

加强三七种植土壤氮、磷、钾最佳比例研究，进行配方施肥也是消减三七连作障碍的重要手段。欧小宏等［9］研究发现，三七连作时采用“调酸(施用石灰)、减氮(低氮)、保磷(钙镁磷)、增钾(高钾)和补充微量元素”的平衡施肥方法，并增施甘蔗渣作为土壤改良剂，可显著缓解三七连作土壤的障碍效应。另有研究发现，施用草木灰配合EM菌肥也能很好地调节土壤 PH值，有效改善土壤环境，增加作物营养，提高植株抗病能力，缓解三七连作障碍效果明显［37］。

3.4 加强田间管理

三七在种植采挖后往往会残留有一定量的须根、茎、叶等植株残体在土壤中，这些植株残体在土壤微生物的作用下会迅速降解。三七植株残体是三七化感物质的重要来源之一，也是连作障碍产生的重要因素［23］。因此在三七生产中，应加强田间管理，植株枯萎后彻底清除地上植株残体。此外，在三七连作土壤上采取深耕措施，可以改良土壤的通透性和团粒结构，使土壤养分便于释放，创造良好的土壤水、肥、气、热条件，使植株生长发育健壮，抵御病虫害。

3.5 合理轮作

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技术措施，也是目前解决三七连作障碍最为有效的农艺措施。三七生产中进行合理的轮作和间隔适当年限能减缓土壤养分比例的失调，有利于三七的生长［7，10，11］，但三七轮作植物筛选相关的报道较少。调查发现，前作是玉米、花生或豆类的三七长势较好，前作是水田的三七长势较差，且病害情况较严重［38］。王雄飞等［39］研究比较了三七水提液对小麦、玉米、油菜种子萌发和幼苗生长的化感作用，发现玉米最适合与三七轮作的植物，这可能与玉米对三七化感作用的耐受性较强有关。张子龙等［40］通过三七水浸液对不同玉米品种化感作用的研究也证明了这一点。如何快速筛选适宜与三七进行轮作的植物，仍然值得进一步探讨。

4 展望

目前对于三七连作障碍的成因及调控已经做了大量研究，初步得出了一些有意义的规律和结论，而且一些防治措施现在也起到了很好的效果，但距离完全解决三七连作障碍问题还有较大差距。今后应重点开展以下两方面研究:(1)加强三七连作障碍形成机理研究。笔者在分析土壤理化性状、生物学环境及化感自毒物质与三七连作效应关系的基础上，初步提出了三七连作障碍形成的四元假说(图1)。可以看出，前茬三七栽培之后，可能会导致土壤理化性状和土壤酶活性变化、土壤微生物区系失衡及化感自毒物质的释放，而上述四方面因素之间又相互影响，协同作用，进而共同影响后茬三七植株的生长，最终导致三七连作障碍的发生。今后应进一步对此假说进行充分验证和不断完善，为全面揭示三七连作障碍形成机理奠定基础。(2)尝试新思路、新方法和新技术在三七连作障碍防治中的应用。如通过系统分析的原理和计算机模拟的技术来研究三七连作障碍;开展三七立体栽培研究，以充分利用温室空间和太阳能，避免连作障碍;开发三七连作障碍土壤电处理技术等。

图1 三七连作障碍形成机理Fig.1 Formationmechanism of continuous cropping obstacle of Panax notoginseng

［1］一种三七连作地土壤的处理方法［J］.农村实用技术，2012，(12):24.

［2］张子龙，王文全，杨建忠，等.三七连作土壤对其种子萌发及幼苗生长的影响［J］.土壤，2010，(6):1009－1014.

［3］冯光泉，陈昱君，王勇，等.三七主要病害防治技术标准操作规程(草案)［J］.现代中药研究与实践，2003，17(z1):47－48.

［4］马承铸，李世东，顾真荣，等.三七连作田根腐病复合症综合治理措施与效果［J］.上海农业学报，2006，(4):63－68.

［5］泷岛.防止连作障碍的措施［J］.日本土壤肥料学杂志，1983，(2):170－178.

［6］陈中坚，崔秀明，王朝梁，等.文山优质三七基地生态区划和布局研究［J］.人参研究，1999，(3):29－31.

［7］刘莉，赵安洁，杨雁，等.三七不同间隔年限种植土壤的理化性状比较分析［J］.西南农业学报，2013，(5):1946－1952.

［8］简在友，王文全，游佩进，等.三七连作土壤元素含量分析［J］.中国现代中药，2009，11(4):10－11，17.

［9］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.

［10］杨野，王丽，郭兰萍，等.三七不同间隔年限种植土壤中、微量元素动态变化规律研究［J］.中国中药杂志，2014，(4):580－587.

［11］刘大会，王丽，崔秀明，等.三七不同间隔年限种植土壤氮、磷、钾含量动态变化规律研究［J］.中国中药杂志，2014，(4):572 －579.

［12］陆晓菊，官会林，张正芸，等.三七连作根际土壤微生物区系的16S rRNA系统遗传多样性［J］.微生物学报，2015，(2):205－213.

［13］寻路路.三七种植不同土壤微生态研究［D］.西北农林科技大学，2013.

［14］吴照祥，郝志鹏，陈永亮，等.三七根腐病株根际土壤真菌群落组成与碳源利用特征研究［J］.菌物学报，2015，(1):65－74.

［15］游春梅，陆晓菊，官会林.三七设施栽培根腐病害与土壤酶活性的关联性［J］.云南师范大学学报(自然科学版)，2014，(6):25 －29.

［16］VISSER S，PARKINSON D.Soil biological criteria as indicators of soil quality:soilmicroorganisms［J］.American Journal of Alternative Agriculture，1992，(7):33 －37.

［17］张重义，林文雄.药用植物的化感自毒作用与连作障碍［J］.中国生态农业学报，2009，(1):189－196.

［18］孙玉琴，韦美丽，陈中坚，等.化感物质对三七种子发芽影响的初步研究［J］.特产研究，2008，(3):44－46.

［19］游佩进，王文全，张媛，等.三七连作土壤对三七、莴苣的化感作用［J］.西北农业学报，2009，(1):139－142.

［20］韦美丽，孙玉琴，黄天卫，等.化感物质对三七生长的影响［J］.特产研究，2010，(1):32－34.

［21］拱健婷，张子龙，王雄飞，等.三七自毒与化感作用初步研究［J］.广西植物，2014，(3):362－368.

［22］孙玉琴，陈中坚，李国才，等.化感物对三七病原菌生长影响的初步研究［J］.现代中药研究与实践，2008，(6):19－21.

［23］朱艳，杨莉，崔秀明，等.三七植株残体降解物对三七种子发芽的影响［J］.特产研究，2013，(2):40－42.

［24］游佩进，王文全，张媛，等.三七根区土壤提取物对三七幼苗的化感作用［J］.西南农业学报，2009，(2):308－310.

［25］周家明，张文斌，杨建忠，等.三七根际土壤化感物质的初步分离鉴定［J］.现代中药研究与实践，2012，(1):14－16.

［26］孙玉琴，陈中坚，韦美丽，等.阿魏酸对三七化感作用的初步研究［J］.特产研究，2008，(2):39－41.

［27］顾元，常志州，于建光，等.外源酚酸对水稻种子和幼苗的化感效应［J］.江苏农业学报，2013，(2):240－246.

［28］吴立洁.三七根际土壤中酚酸类物质化感作用及其干预措施研究［D］.北京中医药大学，2014.