苦参碱调控作物连作障碍应用前景

李世豪，陈宁，林松，仉志皓，申建闯，赵赫仪，苗阳阳

（黑龙江八一农垦大学动物科技学院草业科学系/黑龙江省寒区饲料资源高效利用与营养调控重点实验室大庆市163319）

随着社会的发展，人民生活水平的提高，人们对特定农作物产品的需求不断增加，作物商品经济化时代的到来和产业化发展的不断扩大已成为必然趋势。受我国土地资源与生产条件现状的限制，为了满足人们对某种作物的需求，我国仍然采用大面积的连续种植作物来维持社会供给，这就给作物连作障碍的发生提供了条件。同一种作物或者同科作物在同一片地上连续种植，进行常规的施肥、浇水、灌溉处理，出现作物生长缓慢、病虫害增加、产量减少、品质变差等问题，即连作障碍[1]。由此可见作物连作障碍已成为我国农业发展障碍之一。因此，寻找作物连作障碍的防控措施对于我国农业的发展具有重要意义。

1 连作障碍的成因及调控方法

1.1 连作障碍的成因

连作障碍的危害大都表现为植株幼苗生长缓慢、根系发育异常、植株抗逆能力下降、病虫害发生猖獗、产量和质量下降、土传病害发生严重等，严重者甚至会导致植株死亡[2]。棉田连作使得棉花蕾、花、铃的脱落数量、比例均高于非连作棉花[3]。花生连作个体生长发育缓慢、主茎变矮、根幅缩小、单株结果数变少、花生仁细小甚至瘪粒，最终导致产量降低，减产可达40%[4-5]。小麦长期连作，产量下降一半以上。紫花苜蓿受到连作障碍影响后，因地下部分病害感染从而导致地上部分生长发育不良，叶片受到不同程度破坏，由外向内逐渐变黄、枯萎、散落，最终导致整颗植株枯死[6]。由此可见，连作障碍已成为一个广泛存在且严重危害生产的问题[2]。

连作障碍的成因主要有自然因素和人为因素，自然因素包括土壤中肥料元素的亏缺、病虫害加重、土壤微生物结构变化、土壤质地变差、作物化感自毒效应等，并且为多种影响因素综合作用的结果[6]。人为因素主要受管理者管理方法和专业知识水平的限制。

马铃薯连作能够显著影响土壤物理结构，土壤团聚体直径和稳定性下降，抗侵蚀能力减弱，土壤比重、容重增加，孔隙度降低，根系对水分和肥料的吸收利用效率显著下降，使马铃薯植株生长发育不良，造成块茎产量和品质下降[7]。另有研究表明，随着作物连作年限的增加，土壤中的有机质被大量消耗，营养供应失衡，土壤趋于酸化，导致作物对土壤养分的吸收受到抑制，造成严重的病虫害，从而影响作物的产量和品质[8]。

自毒物质降低了黄瓜生长能力和抵抗力，与多年累积的病原菌共同作用，形成严重的土传病害，是连作障碍产生的重要原因[9]。长期连作，马铃薯会选择性吸收土壤中某些营养元素，造成这些元素亏缺，若欠缺的元素得不到及时补充，会引起马铃薯缺素症，使其抗逆性减弱，最终导致产量和品质下降[10]。而未被吸收元素会不断积累，造成单盐毒害，使土壤养分失衡[10]。某些作物的根系分泌物均具有自毒作用，通过影响细胞膜透性、酶活性、离子吸收和光合作用等多种途径影响作物的生长[8]。花生连作障碍的产生主要受到土壤营养失调、病虫害严重、化感自毒物质积累、土壤酶活性下降、土壤微生物区系变化等多因素影响[11]。化感自毒物质是土壤微生物群落演变的重要推动者，长期连作条件下，土壤中积累了大量的植物分泌物和腐解物，其释放的酚酸不断累积，极大地控制着土壤中优势微生物种群[12]，因此自毒物质酚酸与土壤微生物数量和活性关系密切[12]。土壤微生物数量和自毒物质含量之间呈显著相关关系，土壤中细菌和真菌数量对自毒物质总含量影响最大，放线菌数量和自毒物质绿原酸、阿魏酸、咖啡酸、对羟基苯甲酸、香豆素显著相关[13]。

连作对土壤中微生物影响较大。随着连作年限的增加，芝麻根际土壤中细菌和放线菌的数量下降，而真菌的数量则呈上升趋势，连作导致土壤微生物环境恶化，引起根际微生物区系结构发生定向改变[14]。西瓜连作3年的根际土壤细菌群落结构有显著差异，细菌群落OTU数量和多样性指数与连作年限呈负相关。将连作根际土壤细菌群落不同分类水平的菌群相对丰度与发病率、病情指数和产量进行相关性分析发现，从门水平上来说，厚壁菌门和放线菌门与发病率、病情指数呈显著负相关而与产量呈显著正相关，说明这两个类群的微生物有显著的促生抑病作用。进一步细分到属水平，芽孢杆菌属、链霉菌属与发病率、病情指数呈显著负相关而与产量呈显著正相关。将芽孢杆菌属和放线菌属确定为克服作物连作障碍的关键菌群[1]。

病虫害的发生是不可避免的，但是发生病虫害会增加病原基数，成为田间翌年发病的根源，连作则会导致病虫害更加严重。连作会使土壤微生物区系由高肥的“细菌群”向低肥的“真菌型”转化[15]。土传病害也会加重作物连作障碍，陈志谊等[16]研究发现，生防菌B-1916、PTS-394能有效控制设施番茄枯萎病、青枯病、根腐病、立枯病等重要土传病害引起的连作障碍。花生连作引起土壤中微生物选择性富集，细菌数量总体下降，真菌数量显著上升，病原菌数量急剧增大，土壤微生物从细菌主导型向真菌主导型转化，使病原菌更容易侵染植物而引发作物的各种土传病害，进而导致连作障碍[17]。近年来的研究结果表明，凡容易引起自毒作用的作物一般也易引起土传病害产生的连作障碍[18-19]。作物连作障碍的成因与危害之间存在相互作用，土传病虫害会造成作物连作障碍，而作物连作也会加剧土传病虫害的发生。

1.2 作物连作障碍的调控方法

克服连作障碍，技术上多以轮作为主，除此之外还有间作套种、土壤灭菌消毒和改良、抗性品种的应用、生物防治等措施[6]。

紫花苜蓿与玉米、小麦轮作能显著影响土壤微生物组成，降低自毒物质含量，有效改善土壤环境。在半干旱地区紫花苜蓿的草田轮作中，以紫花苜蓿-小麦轮作为宜，且轮作2 a小麦对土壤的解毒效果更为明显，应避免紫花苜蓿-玉米轮作，以维持农田肥力平衡[13]。间作套种可有效提高土地利用率，改善土壤的理化性质，提高土壤的通透性，使作物有效吸收水分和养分[20]。抗性品种选育是克服作物连作障碍问题是一项重要措施，通过育种途径筛选能提高对化感自毒物质的抗性，同时对种植作物的根腐病、镰刀菌以及一些线虫等病虫害都有防治效果的品种。但轮作、间作套种及抗性品种选育时间较长，在生产中不易推广。

生物防治主要是使土壤中有益的微生物发挥作用，竞争性抑制土壤中有害微生物，降低土壤中有害微生物及一些病原菌对作物的侵害，改良土壤理化性质，提高作物的健康状况以及增强抗病能力，从而减少病虫害的发生[21]。其优势为成本低、效率高、绿色又环保。如生防细菌菌剂在缓解连作引起的病虫害方面具有明显的优势[22]。刘紫英等研究表明，筛选得到的L501枯草芽孢杆菌，能够降解草莓根系分泌物中是主要有害化感物质——苯甲酸，并且对草莓根腐病菌具有拮抗作用，可用于修复草莓重茬[23]。虽然该方法绿色环保，但该办法存在有益微生物在土壤环境内生存竞争能力弱、效果不持久等问题。

土壤灭菌消毒是简单有效的连作障碍控制途径。对土壤的灭菌消毒包括物理、化学、生物灭菌消毒三大措施。物理消毒法指的是对连作的土壤采用微波和土壤电处理等方法使其温度升高，以此来消灭土壤中微生物，使土壤环境得到净化，但其投入较高，操作较复杂，因此在国内很难大面积的实施[24]。生物熏蒸主要指植物有机质在分解过程中产生挥发性气体抑制或杀死土壤中有害真菌、土壤线虫等有害生物。但目前多使用芸薹属植物，其他使用植物研究较少。而土壤熏蒸杀菌剂杀菌消毒是简单快速的连作障碍控制途径。主要包括溴甲烷、棉隆、威百亩、氯化苦等，但这些熏蒸剂大都污染环境且对人体有害。因此寻找替代熏蒸剂的土壤消毒研究变得非常重要。

2 苦参碱概述及农业应用

2.1 苦参碱简介

苦参碱广泛存在于苦参（Sophoraflavescens）、苦豆子（Sophora alopecuroides）及广豆根（Radix sophoraesubprostrata）等豆科植物中，属于四环喹嗪啶类化合物[25]，具有镇静、镇痛、解热、降温等中枢抑制性作用[26-27]，对结核杆菌、心血管系统、消化系统、抗肿瘤等方面均有较好的药用价值[28-30]。同时，苦参碱因其具有较好的杀虫、抑菌、生长调节等农用活性[31]，且对人畜低毒、易降解、对环境安全、不伤害天敌、有利于生态平衡，成为当前少数最具推广应用前景的植物源农药之一，使其在医学和农业领域具有较大的发展前景[31-32]。

2.2 苦参碱在农业上的应用

苦参碱已在生产上广泛应用，具有杀虫、杀菌和刺激植物生长的综合功效。并且在环境中易分解，是一种环境友好型农药。苦参碱对病菌具有抑制作用。可抑制小麦赤霉病（Gibberella zeae）、苹果炭疽病（Glomerella cingulata）、番茄灰霉病（Botrytis cirerea）菌[33]。对香蕉灰纹病菌、黄瓜炭疽病菌、葡萄白腐病菌、棉花黄萎病菌、黄瓜枯萎病菌、小麦纹枯病菌、水稻稻瘟病菌、辣椒疫霉病菌菌丝生长，抑制率均在80%以上，尤其是对黄瓜炭疽病菌、葡萄白腐病菌菌丝生长的抑制率高达90%以上[34]。室内毒力测定试验表明，苦参碱水剂对黄瓜灰霉病菌的毒力较强；田间药效结果显示，随着3%苦参碱水剂用量的增加，对黄瓜灰霉病的田间防治效果增强[35]。苦参碱对供试林木病原真菌孢子萌发均有抑制作用，其中苦参碱对杨褐斑病菌和龙竹材霉变菌抑制作用较强，对供试林木病原真菌菌丝有抑制作用[36]。

此外，苦参碱还有促进种子发芽和植物生长的作用。经苦参碱水溶液处理后的绿豆种子的形态及生理指标都有不同程度的促进作用，其中80 mg/L苦参碱水溶液浓度长势最佳，研究认为，苦参碱水溶液对绿豆种子萌发及幼苗生长起促进作用[37]。随着苦参碱制剂浓度的增加，玉米种子的发芽势、发芽率以及幼苗根长、叶长、鲜质量、干质量、叶绿素含量和可溶性糖含量均出现先增大后减小的现象；70 mg/L苦参碱制剂处理的玉米种子及幼苗各项指标均为最高。苦参碱制剂对玉米种子萌发和幼苗生长具有一定的促进作用[38]。赵仲任等[39]报道苦参碱具有明显的刺激植物生长作用，如苦参碱处理的离体黄瓜子叶鲜重和干重随苦碱浓度的增加而明显增加，均与对照差异显著。苦参碱能刺激番茄幼苗生长，增强抗逆性[40]。在对苜蓿研究方面，霍平慧[41]发现300～500 mg/mL苦参碱浓度范围对苜蓿种子萌发有一定的刺激作用。苗阳阳等研究苦参碱对根瘤菌在紫花苜蓿体内运移及幼苗生长影响时发现，添加适宜浓度苦参碱后不但促进根瘤菌由苜蓿根部向地上部分的茎和叶内运移定殖，同时对紫花苜蓿植株的单株结瘤数、单株根瘤重、生物量均有促进作用[42]。

3 苦参碱调控作物连作障碍的前景

3.1 苦参碱对连作土壤中微生物的影响

土壤微生物是生态系统的重要组成成分之一，并在物质循环和能量转化中占有重要的地位。影响土壤微生物多样性及群落结构特征的因素主要是植被特性和土壤特性。微生物在土壤中的分布与活动，反映了土壤各因素对微生物的生态分布、生化特性以及对其功能的影响和作用；也反映了微生物对植物生长发育、土壤肥力和物质循环与能量转化的影响和作用，进而揭示土壤的现状和趋向，所以土壤微生物可以作为评价土壤肥力、植株生产性能的重要指标。因此土壤微生物是引起连作障碍的重要因素，调整土壤微生物群落结构，可减轻苹果连作障碍[43]。向老龄果园土中加入不同量的苦参碱后，可使连作土壤中腐皮镰孢菌（F.solani）、层出镰孢菌（F.proliferatum）、串珠镰孢菌（F.moniliforme）和尖孢镰孢菌（Fusarium oxysporum）的基因拷贝数减少。苦参碱对真菌有灭菌作用和较强的抗真菌活性，苦参碱对真菌的抑制，可以减缓土壤微生物从细菌主导型向真菌主导型转化，减轻病原菌对植物侵染[44]。老龄果园土中添加苦参碱后，细菌/真菌比值增大，改善了土壤的微生态环境，可创造利于平邑甜茶幼苗的生长环境[45]。

3.2 苦参碱对连作植物生理的影响

植物连作后土壤环境恶化、土壤有害微生物数量增加，抑制植物生长。当植株的生长受到一定程度的抑制时，酶活性的高低可体现遭受逆境胁迫的大小。而苦参碱具有杀菌的作用，对土壤环境中的有害菌具有一定的抑制作用，能改善连作对植株造成的逆境胁迫。适宜浓度的苦参碱可诱导番茄植株体内的抗氧化酶活性提高，有利于番茄对抗胁迫条件下植株体内活性氧的激增[40]。王珂向连作土壤中添加0.1‰的苦参碱后，平邑甜茶根系抗氧化酶SOD、POD和CAT活性提高，根系MDA的含量减少，幼苗的抗性得到增强。0.05‰和0.1‰的苦参碱处理平邑甜茶时可提高叶片的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度，使幼苗能够更好的进行光合作用，促进幼苗体内有机物的积累。

由此表明苦参碱处理连作平邑甜茶可保护植株免受连作逆境胁迫，促进光合作用的发挥，有利于植物生长，使植株的吸收能力变强，促进有机物在体内的积累，增强连作植物的生长能力。

3.3 苦参碱对连作植物生长的影响

生物量是反映植物生长的常用指标。连作土壤中加入0.1‰的苦参碱后，平邑甜茶幼苗的长势较旺，幼苗的株高、地茎、干质量和根系指标显著增加。幼苗株高增长，地茎增加，表明适量的苦参碱可能促进幼苗植株茎细胞伸长和分裂。吲哚乙酸（IAA）和赤霉素（GA）可以使植物的茎伸长[46]，经过苦参碱处理后可能促进了植株中IAA和GA的含量，使细胞的伸长生长加快，并且有可能使细胞分裂素（CTK）的含量增多，所以细胞的体积逐渐扩大，茎粗也扩大。赵仲任等[39]也报道了苦参碱可以显著刺激植物生长。在植物的整个生长发育过程中，根系具有非常重要的作用，它既可以吸收水分和营养物质，又能够支撑植物地上部的生长[47]。老龄果园土壤中添加0.05‰和0.1‰的苦参碱，增加了平邑甜茶幼苗根的长度、根面积、根的体积，提高了根系的呼吸速率，根系的吸收能力增强了，使根系可以有效吸收土壤中的养分和水分，有助于幼苗在连作土壤中的生长。

土壤根际微生物是土壤中各种生物学和生物化学过程的重要构成因子，它对植物的根系构型有重要的影响，同时植物根系构型的改变也会影响微生物群落的构成与分布[48]。适宜量的苦参碱，可以改善土壤根际微环境，抑制部分有害菌，为根系生长提供良好的环境。

4 展望

由于我国耕地资源有限，连作障碍已成为限制作物种植的一个瓶颈问题。面对连作障碍这一大难题，研究者已开展了广泛研究，初步了解关于连作障碍的成因、危害及调控办法，对出现的问题也做出了相应处理，但对连作障碍的调控研究尚未全方位进行。且目前调控连作障碍的方法各有优点和弊端，尚未取得理想的缓解连作障碍的方法。因此，仍应继续深入研究，实现快速、高效、绿色环保缓解作物连作障碍的手段和方法。

目前缓解连作障碍的方法主要有客土、轮作、间作及土壤熏蒸等。但客土的工作量大、成本高、轮作和间作在短期内效果不明显，溴甲烷熏蒸虽然效果较好，但由于其对环境的破坏，已被禁用。

针对上述问题，一种环境友好型、低毒、无残留的物质——苦参碱，其对作物连作障碍调控研究显得尤为重要。前人已经广泛研究发现苦参碱在农业领域的杀虫抑菌和促进作物生长的作用，近年来苦参碱调控植物连作方面的潜力日益凸显。王珂等[44-45]发现苦参碱调控连作苹果、平邑甜茶土壤效果明显，具有一定的可行性和应用前景。且苦参碱作为一种调控作物连作障碍的新兴手段，具有以下优势。

（1）在“绿水青山就是金山银山”发展理念背景下，苦参碱作为一种植物源农药，具有的低毒、低残留、环保型、对人畜无毒无害等特点，符合当前生态发展的理念。

（2）苦参碱可作为一种植物生长调节剂，提高玉米[38]、绿豆[37]、小麦[49]、苜蓿[41-42]等多种作物生长，是促进植物生长发育的一种新兴方式，具有高效、广谱、显著的调控效应，可以成为当前调控植物抗逆性、增加产量质量的一种重要技术措施。

（3）苦参碱具有杀菌活性成分，既能抑制菌体的生物合成又能影响菌体的生物氧化过程，而且杀菌谱较广[50]。因此可调控连作土壤微生物群落的组成和多样性。

综上所述，苦参碱作为一种调控作物连作的新兴手段，具有一定的潜力和较好的应用前景。但目前的研究仅停留在盆栽试验阶段，距离实际生产中使用仍具有一定的距离。且关于苦参碱缓解植物连作的具体机理仍不清楚。因此，需要更多的试验数据支持苦参碱在实际生产中的应用。