我国设施栽培连作障碍特征与成因及防治措施的研究进展①

卢维宏，张乃明，包 立，张 丽1,，秦太峰

(1 云南农业大学植物保护学院，昆明 650201；2 云南省土壤培肥与污染修复工程实验室，昆明 650201；3 河南心连心化学工业集团股份有限公司，河南新乡 453700)

设施农业是利用必要的设施和设备创造相对可控的环境条件，采用人为介入方式改变农作物生长条件，使其在一定程度上摆脱季节、气候等因素的限制，减少自然灾害带来的不良影响，实现高效、集约化、可持续的现代农业生产方式[1-2]。我国设施农业自20世纪80 年代发展以来，2008 年种植面积340 万hm2[2-3]，2010 年达362 万hm2[4]，目前栽培面积已经超过400 万hm2[5-6]，我国已经发展成为设施栽培世界大国。但是，我国目前的设施栽培还是以土培为主，且高度集约化和长期单一化连作趋势明显，随着栽培年限的延长，普遍出现了土壤质量退化(如酸化、盐渍化、养分失衡、重金属及其他有害物质积累)、土传病害发生严重(土壤微生态环境破坏、根系自毒物质化感)等连作障碍问题，据统计，5 a 以上的大棚出现连作障碍的高达80% 以上，连作20 a 以上的几乎达100%[7]，严重制约着我国设施农业的可持续发展。本文回顾了近40 a 来设施栽培连作障碍的特征及防治技术的研究进展，针对设施栽培连作中的土壤退化、土传病害严重及防治技术提出了该领域的科学问题及未来重点方向，以期为我国设施栽培优质、高产、环境友好发展提供理论及实践依据。

1 设施栽培连作障碍特征与成因

1.1 土壤质量退化

1.1.1 土壤酸化 由于成土母质、气候等原因，中国土壤具有典型的“南酸北碱”特征，但一旦进入设施栽培过程，其耕层土都出现了明显的不同程度的酸化，且随着连作年限的延长，具有明显加重的趋势。在陕西日光温室连作后，平均耕层土pH 7.73，与对照相邻菜田(pH 8.20)相比，降低了5.7%[8]；在沈阳不同连作年限日光温室的132 个土壤样品中，pH 最小值为4.94，最大值为6.68，与对照露天土壤相比，pH平均下降了1.05 个单位，酸化趋势严重[9]。在南方区域，如安徽、云南、江西等地的设施连作中也普遍存在着类似的趋势，安徽典型区域设施栽培连作10、15 a 的黄潮土pH 分别下降了0.55、0.89 个单位，每年约下降0.06 个单位，由碱性退化为中性；连作5、10、23 a 的黑姜土pH 分别下降了0.46、0.95、1.26个单位，约每年下降0.08 个单位，由中性退化为酸性[10]；在云南、江西等地的调查中，建棚前耕层土的pH 为7.19，连作13 a 后下降为6.47[11]，个别设施辣椒连作2 a 以下土壤pH 为5.85，连作2 a 以上的土壤pH 平均为4.95[12]。设施土壤的普遍酸化与过量使用氮肥(如尿素、硫酸铵、含硝态氮的高氮复合肥)、堆肥(如猪粪和牛粪等)、高温高湿条件、土壤有机质分解、碱基离子(如Ca2+、Mg2+、K+等)被作物带走等有关[13-14]。

1.1.2 次生盐渍化 由于设施栽培中特殊的高肥、大水、高温、高湿且少淋洗环境，致使大部分盐分表聚化，且随着连作年限的延长逐步从直筒型向倒锥型发展[15-16]。在云南不同种植年限的设施土样中，2%的土样达到强度盐渍化，28% 的中度盐渍化，54%的轻度盐渍化，仅有16% 的为非盐渍化，耕层土的盐分含量平均达1.76 g/kg，1 ～ 3 a 连作大棚土壤盐分增加了1 倍 ～ 2 倍，个别达2.5 倍[17]。在全国主要设施菜地的耕层土壤中，轻度盐渍化的比例占38.2%，中度盐渍化比例占4.7%，且主要的盐分离子为NO和SO2-4，其次是Ca2+，分别占盐分总量的27.9%、26.9% 和15.3%，设施菜地连作盐渍化程度显著重于露天菜地[18]。设施连作次生盐渍化的发生与复种指数高、长期种植单一蔬菜种类有关，致使作物根系对偏嗜好离子的选择性吸收，造成特定离子的过分富集或亏损。

1.1.3 土壤养分失衡 土壤养分失衡是设施连作土壤质量退化最严重的问题。在河南设施蔬菜连作障碍调查中发现，土壤养分失衡问题占比达65% 以上，居连作障碍问题之首[7]。研究表明，设施连作后整体表现为氮、磷、钾、硫盈余，耕层土壤全氮、硝态氮、有效磷、速效钾的含量分别是露地土壤的1.9 倍、21.2倍、5.4 倍和3.7 倍[19]。据统计，我国典型设施栽培生产基地，每年氮、磷、钾养分的平均投入量为4 088、3 656 和3 438 kg/hm2，其中随化肥投入的分别占各养分总量的63%、61% 和66%，且施肥比例(1∶0.9∶0.8)与作物需求比例(1∶0.3∶1.4)严重失衡，造成设施栽培中氮、磷、钾的养分利用率非常低，分别为24%、8%、46%[20-21]。高强度种植、单一作物连作、养分管理不合理是设施连作土壤养分失衡的主要因素，其中单一作物连作、养分管理不合理表现的最为普遍和突出，单一作物连作造成特定养分掠夺性从土壤中输出，再加上不合理的养分管理，造成了土壤-植物养分供需失衡。

1.1.4 自毒化感物质的胁迫 由于长期连作及偏高的复种指数，造成设施栽培土壤中过量的根系分泌物、植株残体和残茬腐解物等自毒物质(如醌类、苯甲酸及其衍生物、肉桂酸及其衍生物、香豆素类等)[22]的累积，加剧了连作障碍的形成。自毒物质不但具有种间抑制性，而且对作物自身的种子萌发、幼苗生长、根系养分吸收等也具有一定的抑制效果[23]。番茄连作12 a 时土壤自毒物质邻苯二甲酸二甲酯能显著增加土壤根结线虫二龄幼虫数量[24]；连作5 a 时茄子、辣椒产生的自毒物质香豆酸、肉桂酸、邻苯二甲酸二丁酯能显著降低土壤酶活性和加重根际酸化[25]；此外，在设施番茄[26-27]、黄瓜[28-29]、草莓[30]、西瓜[31]、萝卜、生菜等连作中产生的酚酸类化合物(如苯甲酸、羟基苯甲酸、肉桂酸、阿魏酸、丙烯酸等)还能破坏细胞膜结构的功能，抑制作物的抗性酶活[32]，表现长势较弱、抗性下降、产量降低，引发连作障碍。

1.1.5 重金属的累积 设施连作单一的种植结构也会导致相对单一的施肥和用药结构，以致土壤重金属的累积表现出区域化，且累积程度随着连作年限的延长呈加重趋势[33]。过量的氮、磷投入[19,34]和部分有机肥是设施土壤重金属的一项重要来源，如：磷肥中含有较多的Hg、Cd、As、Zn、Pb，氮肥中含Pb 量较高，畜禽粪便堆肥则含有较高的Cu、Zn、Cr、Ni[35]。同时大量施用含Cu、As 的杀菌剂也会加重设施土壤重金属的累积程度。从重金属累积的整体分布空间来看，我国南部地区设施土壤以Cd、Pb 和Hg 含量最高，北部以As、Cu、Zn 和Cr 含量最高，西北部则Ni 含量最高，总体来说Cd 超标最为严重，在南部、北部、西北部地区的超标率分别为41.7%、54.5%、11.1%，其次是Pb，超标率分别为33.3%、18.2% 和0[36]，这些特征与成土母质、气候等也有一定的关系。

1.1.6 有机污染物使用 农膜覆盖和过量的化学杀虫、杀菌剂农药使用是设施栽培生产过程中的普遍现象，这给农业增产和农民增收提供了便利条件，同时农膜和农药的残留也成为设施土壤质量退化的成因。农膜残留导致大量的酞酸酯类化合物(如邻苯二甲酸酯类PAEs、双-2-乙基己基酯DEHP、二正丁酯DnBP、邻苯二甲酸二正辛酯DnOP)释放到土壤中，在设施土壤中累积[37-39]，并最终在设施蔬菜中富集(如叶菜类、果菜类、根茎类等)[37,40]；另外，滥用有机磷、拟除虫菊酯类、氨基甲酸酯类等杀虫剂和杀菌剂农药也是设施栽培中一个重要的有机污染源[41-42]。随着设施栽培的延长，有机质污染物的富集降低了土壤微生物群落数量，减缓了土壤腐殖质形成，破坏了土壤团粒结构，恶化了土壤环境[43]。

1.2 土传病害发生

1.2.1 土壤微生物结构破坏 设施连作障碍发生的原因很多，但最根本的原因是土壤微生物区系和多样性的失调，有益微生物减少，病原微生物富集，进而引发植物的各种土传性病害[44]。单一作物连续种植会形成特殊的土壤环境(如根系分泌物、植株残体腐解物等)，使某些微生物(特别是病原微生物)富集，真菌的种类和数量增多，细菌和放线菌等有益菌减少[45-46]。周德平等[47]研究了设施芦笋种植1、3、5、8、11 a 大棚土壤微生物群落结构及功能多样性，结果表明土壤细菌种群数量减少，真菌数量增加，细菌与真菌数量比(B/F 值)降低，随着年限增加，土壤微生物代谢活性下降，土壤微生物代谢类群多样性减少，连作5 a 和8 a 大棚土壤微生物丰富度指数均仅为对照1 a 大棚的72%。在温室土壤中，真菌的数量虽然不占主导地位，但对土壤肥力水平却能产生较大的影响，随着连作年限延长，设施土壤微生物从细菌型逐步向真菌型转化，导致地力衰竭，真菌数量越多土壤肥力越差[48-50]，作物病害加重。

1.2.2 土壤酶活性降低 土壤酶参与各种元素的生物循环、有机质的转化、腐殖质和有机无机胶体的形成，其活性反映了土壤中进行的各种生物化学过程的动向和强度，尽管数量微小，但是作用颇大，是土壤健康状况的重要指标。研究表明，过氧化氢酶、脲酶、转化酶、多酚氧化酶可以作为设施菜地敏感的土壤酶学指标[51]，而长期单施化肥(尤其是氮肥)[52-53]、盐分胁迫[54]、设施连作[51]、再生水灌溉[53]等均会显著影响土壤酶的活性，设施土壤酶活性降低，必然会引发土壤养分利用率低、根系毒害(如过氧化氢)等连作障碍的发生。

1.2.3 作物抗性下降 连作不仅恶化作物生长的土壤环境，还会降低设施作物的自身抗性。过氧化物酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶是作物防御体系中的重要抗逆酶类。研究表明，连作产生的自毒物质不同浓度外源添加均促进了黄瓜、番茄幼苗根系中丙二醛(MDA)的合成，对根系活力和细胞质膜具有破坏作用，作物对病原菌的抵抗力有明显的下降，对细胞膜、叶绿素、线粒体都具有明显的破坏作用[55-56]。随着连作年限的增加，作物MDA 含量在整个生育期内总体呈上升趋势，连作马铃薯叶片MDA 含量增加会导致保护酶系统破坏[57]，最终诱发作物的系统抗性降低[58]。

2 设施土壤连作障碍的削减防治技术

2.1 农艺调控技术

2.1.1 种植模式 轮作、套作是区别于连作的有效缓解设施连作障碍的种植模式。在夏季温室休闲期种植大蒜、菠菜及白菜可以显著降低土壤盐分累积，增加土壤微生物数量，抑制镰刀菌的增殖[59]。在连作草莓5 a 的大棚土壤上轮作水生蔬菜(水芹和蕹菜)，表层土壤有效磷和有机质显著增加，提高了土壤腐殖化程度和有机氮素矿化能力[60]。以西兰花、青刀豆和糯玉米设置不同的套作模式，有效提高了土壤有机质含量、氮素利用率、土壤脲酶活性、蔬菜产量，降低了土壤无机氮含量[61]。在连作障碍发生的设施栽培中，开展合理的轮作、间作、套作模式，均能有效改善土壤环境，提高养分利用率，减轻土壤盐渍化及酚酸类物质的自毒作用。

2.1.2 平衡施肥 合理的养分管理是我国设施栽培中亟待解决的科学和技术问题。一方面需要加强对设施栽培中土壤养分转化和作物吸收规律的基础研究[62]，另一方面要高度重视平衡施肥技术的应用，即根据作物需肥规律及土壤供肥能力(尤其是碱解氮、有效磷、速效钾和有机质4 个指标)来确定肥料的种类和数量，也可根据特定需求采取针对性的化验，施肥中结合作物特定生长阶段来调整施肥配方和施肥次数，做到“控氮、稳磷、增钾、补微”。研究显示，优化施肥配方、增施有机肥可降低土壤容重3.73% ～ 14.93%，增加土壤总孔度4.18% ～ 15.79%，提高根区土壤呼吸强度23.4% ～ 34.6%，改善土壤结构，增加土壤有机质，提高作物的抗病性[63-64]。

2.1.3 优化耕作方式 众所周知，土壤耕作可以产生更大的曝气，将作物残茬和肥料混合到土壤中，刺激微生物活动和纤维素分解。土壤深耕能够打破犁底层、改变土壤理化性质、提高土壤透气性、降低土壤容重、提高土壤微生物及脲酶活性、促进作物根系下扎等[65]，同时在耕作过程中适度采用控制交通耕作(controlled traffic farming, CTF)方式，对降低土壤容重、植物水分传导吸收具有明显改善作用[66-67]。

2.1.4 嫁接技术 嫁接是近些年来在提高作物抗性、缓解设施连作障碍方面广泛应用、效果显著的绿色调控技术。研究表明，嫁接可诱导茄子质膜P-H+-ATPase、P-Ca2+-ATPase 和液泡膜V-H+-ATPase、V-Ca2+-ATPase 及质膜氧化还原酶的活性提高，使茄子适应连作障碍下肉桂酸、香草醛的化感胁迫，增强了细菌和放线菌的根际效应，减弱了真菌根际效应，提高了土壤酶(脲酶、磷酸酶、蔗糖酶)的活性，有效缓解了茄子连作障碍的发生[68]；同时嫁接的葫芦科、茄科植物对设施栽培过程中的冻害、高温、干旱、淹水和有机污染(如艾氏剂、狄氏剂、异狄氏剂等有机农药)等非生物逆境胁迫也非常有效[69]，提高作物对土壤盐渍化[70]、土壤酸碱度、养分失衡和重金属毒性[71]等环境因子胁迫的耐受性。

2.1.5 科学灌溉控盐技术 灌溉排盐技术采用的是以水洗盐、盐随水走的方法将设施土壤表层的盐分带走，降低土壤盐分累积浓度。生产实践中，采用挖沟排水、灌溉洗盐等措施，在作物生长季节，用缩短畦头、高畦深沟、接通大明沟等方式使地表水顺利排出；在休闲期大量灌水，每亩(1 亩=667m2)地至少灌水100 m3，进行2 ～ 3 次，以使盐分随灌溉水流出土体，达到洗盐的目的[72]。另外，采用工程措施铺设暗管进行地下水排盐也是最常用的一种修复技术，即采用双层波纹有孔塑料暗管排水洗盐，浅层暗管管顶距土表30 ～ 40 cm，灌水洗盐时耕层盐分随水由此排出；深层暗管管顶距土表60 ～ 80 cm，随水下渗底层土壤积盐由此排出，此法对设施土壤次生盐渍化修复效果更彻底[73]。

2.1.6 抗(耐)性品种选育 通过现代生物学技术手段(如序列标签位点STS、简单序列重复标记SSR、单核苷酸多态性SNP 等)定向筛选抗(耐)性基因，被认为是选育设施专用抗(耐)性品种最经济有效的技术途径。目前研究在抗逆强、成活率高、品质好、产量高等方面都取得了较好进展，如：设施番茄的砧木双抗(抗根结线虫、抗枯萎病)品种[74]、茄子抗青枯病品种[75]、黄瓜耐盐抗病品种[76]等，在设施生产实践过程中已经广泛应用。

2.2 生物调控技术

通过向土壤中引入有益微生物，使其与病原微生物竞争生存空间和营养物质，或拮抗有害病原生长，或分泌某些物质而形成根际生物屏障，减轻病原微生物危害，控制土传性病害(尤其是根结线虫)的发生[77-79]。在抑制设施栽培土传病害上，主要的生防真菌有木霉属(Trichodermaspp.)、淡紫拟青霉(Paecilomyces lilacinus)、链霉菌(Streptomycesspp.)、丛枝菌根(arbuscular mycorrhiza，AM)等，生防细菌有芽孢杆菌类(Bacillusspp.)、荧光假单胞菌(Pseudomonasspp.)等[80]。研究表明，由短短芽孢杆菌、淡紫拟青霉等组成的复合生防菌肥对设施黄瓜根结线虫病防治效果达57.9%，与化学农药噻唑膦基本持平[81]；解淀粉芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、苏云金芽孢杆菌对番茄、黄瓜根结线虫的2 龄幼虫和卵孵化具有明显致死作用[82-84]。

向土壤引入外源固氮微生物、根际促生菌(plant growth-promoting rhizobacteria，PGPR)，可以溶磷溶钾，促进作物生长，改善根系对养分的吸收，提高养分利用率，延缓盐碱等逆境胁迫[85-88]。外源引入丛枝菌根真菌(AMF)，其与多数设施作物根系能形成共生关系，除可增加养分吸收、刺激作物生长外，还可形成隔离带使作物免受重金属的毒害，AMF 通过向根际土壤分泌有机物(如：球囊霉素)来螯合重金属离子，以减轻植物对重金属的吸收[89-90]，尤其可以降低作物对土壤重金属Cd 的吸收，减轻Cd 的毒害[91]；另外复合微生物菌剂对改善土壤理化性质也具有一定的效果。

2.3 化学调控技术

施用土壤改良剂对缓解土壤盐渍化、酸化、板结程度，提高土壤有机质，均衡土壤各种营养元素，改善设施土壤养分富集具有明显的作用。研究表明，牡蛎类土壤调理剂可以改善设施土壤酸化，促进番茄生长，提高单果重及果实品质，实现增产16.54%[92]。在低温高盐情况下，腐植酸钾提高番茄根系活力4.2%，提高叶片光合效率、改善体内Na+、K+分布，提高过氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性，缓解盐胁迫效应[93]；用生物质炭处理连作6 a(11 茬)的日光温室营养基质，其过氧化物酶活性提高至第1 茬时的水平，基质内细菌群落多样性、蔗糖酶和脲酶活性都获得了明显的改善[94]，同时对改善设施栽培作物长势、提高肥料利用率等具有良好的效果[95]。另外，在设施栽培过程中，选用50% 甲基硫菌灵、50% 多菌灵、40% 五氯硝基苯、15% 恶毒灵或其他的低毒化学药剂也可对土传病害发生较多的设施土壤进行消毒处理[96]，起到很好的防治效果。

2.4 物理调控技术

电消毒法是一种常见的设施土壤物理消毒技术。以直流电土壤消毒原理、土壤微水分点处理原理和脉冲电解原理集成的土壤电化学消毒技术，可平衡土壤酸碱性、恢复土壤透气性、杀灭土传病害的病原微生物，特别是对线虫、韭蛆等顽固性害虫具有良好的杀灭效果，在短时间内可有效解决土壤连作过程中的诸多问题[97-98]。郭修武等[99]对葡萄连作土壤进行蒸汽灭菌，结果发现灭菌可改变根系分泌物的成分及含量，促进植株的生长，减轻了葡萄的连作障碍。通过施用化学试剂消毒、土壤蒸气消毒和日晒消毒等方法来控制黄瓜、茄子、草莓、大豆、果树等的连作障碍也有一定的效果[100]。

3 存在问题及未来研究趋势

3.1 存在问题

针对设施连作障碍及防治技术，国内学者已经开展了大量的研究，但随着我国设施农业的集约化和自动化程度的日趋提升，现有技术仍然不能满足生产实际需求，存在的问题如：

1) 我国设施农业起步晚，面积增长快，但质量水平较低，实际应用中出现了诸多不同于露地常规栽培的生产问题，如设施栽培施肥、用药和管理技术的差异。不合理的施肥/药所产生的土壤质量恶化严重，目前的研究主要集中在土壤质量恶化后的修复技术上，而关于连作障碍发生前的预防措施鲜有报道。

2) 在设施连作障碍的防治技术方面，单项技术的研究居多，综合措施的研究较少，与实际生产中常见的多因素诱发设施土壤退化或连作障碍存在偏差。

3) 设施连作障碍发生发展的系统性研究不足。现有研究多是以已产生连作障碍的设施农业为研究对象，而缺乏从建棚开始持续对其管理措施、土壤特征变化进行定位和系统研究。

4) 有益微生物对缓解土壤退化和连作障碍方面具有较好的作用，但经常存在田间实际应用效果不稳定、作用机理(如营养元素磷的增溶效果与植物对增溶磷的吸收关系)不清楚等问题[101]。

5) 调控产品和技术标准不完善。目前，市场上的土壤改良剂层出不穷，种类更是琳琅满目，但是在指标标识、作用机理、使用方法等方面不规范，用没有进行规范预处理的原料生产有机肥，会造成土壤中抗生素、重金属、盐分及病原菌污染的风险。

3.2 未来研究趋势

近年来，设施农业逐步被技术型农民所青睐，面积更是持续稳步攀升，解决设施连作障碍问题必将成为趋势。未来应把设施连作障碍及防治技术的研究重点放在以下几个方面：

1) 构建国内设施栽培质量控制标准系统，提前预防设施连作障碍及后期规范调控；建立中国设施农业研究网络平台和专家体系，实现资源共享和在线答疑。

2) 在我国典型的设施栽培集中区域，对设施栽培进行长期定位研究，如开展设施土壤微生物普查、根际微生态系统[102]、测土施肥/药、基因沉默技术(或RNA 沉默，RNAi)、强还原土壤消毒法(reductive soil disinfestation, RSD)等新兴调控技术[103-104]的系统研究，侧重连作障碍机理和复合型防治技术的研究。

3) 加大对土壤修复技术及连作障碍防治产品的推广，做好产品指标及市场准入制度，尤其是在指标标识、作用机理、使用方法以及风险控制方面，坚决杜绝土壤二次污染。

4) 深入研究设施栽培养分投入产出平衡、肥料利用率、科学施肥制度、不同栽培管理模式[105]等，提前预测设施土壤肥力的发展方向和可能产生的环境影响，为实现设施栽培规模化、产业化发展提供依据。

5) 加大对新型设施栽培模式的研究，如水肥一体化、无土栽培等，逐步降低设施栽培对土壤的依赖程度，缓解未来不断增长的人口数量与耕地面积日益锐减的矛盾，着力发展环境友好、资源利用程度高、土壤依赖程度低的新型设施栽培模式。