甘薯轮作机理研究进展

王维 侯会 耿晓月 董韦 苏涵 张巧凤 徐振

(江苏徐淮地区徐州农业科学研究所，江苏 徐州 221000)

前言

甘薯(Dioscorea esculenta(Lour.)Burkill)是薯蓣科、薯蓣属缠绕草质藤本，在我国，甘薯作为一种粮食作物因适应性强、产量高、耐存储、耐运输而广泛种植[1,2]。甘薯根据其品种特性可鲜食、烤食、菜用等，又因淀粉含量较高，其加工产品如甘薯粉条、薄饼等也在市场上广受欢迎。随着经济提升，人们生活改善，甘薯中花青素、胡萝卜素、纤维素等营养成分也成为消费人群关注热点。近年来，工业行业迅猛发展，耕地不断缩减，甘薯主栽地区连年种植，加剧了土壤结构破坏、肥力下降、病虫害滋生等生产障碍[3]，甘薯的商品性逐年下降，对主栽地区经济造成打击。为避免连作障碍对甘薯产业造成的影响，与多种作物轮作成为甘薯的主要耕作制度。

1 甘薯轮作制度的主要作用

轮作指的是在同一田块上，按照季节或者年份轮流栽培不同作物或复种的耕作制度。在这种模式下合理选择轮作作物能够有效地改善土壤结构，保护土壤微生物多样性[4]，阻止作物致病菌蔓延[5]，调节土壤成分从而降低植物残体与病原菌的代谢产物对植物产生的致毒性。目前已有多种研究表明，甘薯与小麦[6]、水稻[7]、玉米[8]、花生、油菜等轮作，配合水肥管理能够取得良好的生产效益。

1.1 土壤理化性质改善

不同植物对土壤中养分和矿物质吸收程度有着显著差异，同时重金属离子对植物生长可能存在胁迫，长期连作不仅会加剧土壤中的重金属离子对植物的不利影响，还会使植物生长需要的特定养分持续流失。甘薯是喜钾作物，土壤中速效钾丰富能够促进地上部分合成的养分到达块根，从而使根部旺长，为防止土壤钾素失衡，甘薯与大豆或小麦轮作能够调节土壤酸碱度，对有机质、速效氮、有效磷和速效钾等养分平衡起到稳定作用。甘薯与玉米轮作还可以提高对氨基酸类、碳水化合物、羧酸类等的分解吸收。

连续种植同一种作物还很可能造成土壤酸碱度失衡，由于重茬导致土壤阳离子交换量减少，元素间发生拮抗作用，导致土壤pH降低，加之甘薯一般采用大田栽培，酸性雨水会加剧土壤酸化，影响甘薯生长发育。合理轮作可以提高土壤pH值，减缓土壤酸化的进程，为甘薯生长提供pH约为5～7的稳定土壤酸碱度。

在块根类作物栽培过程中，为提高产量常施入大量肥料，过量的肥料堆积会加速土壤次生盐渍化，造成土层板结，耕性减退。土壤含盐量过高还会影响植株根系吸收水分和养分的能力，可能会导致植株缺水缺素发育不良。而轮作过程中不同茬作物对肥料种类和量的需求有所差异，因此轮作也能够改善土壤耕性。

土壤肥力很大程度上取决于土壤酶活性的高低，土壤酶能通过影响土壤化学性质来控制作物生长进程，如主要作用是催化二糖水解生成单糖的蔗糖酶，其活性体现着有机碳的转换进度。过氧化氢酶能够分解有害自由基，其活性强度与土壤呼吸强度密切相关；对有机磷脱磷速度起提升效果的磷酸酶，其活性反映出土壤中磷的流转方式和进程。忌重茬块根类植物的研究表明，连年种植使蔗糖酶、磷酸酶、土壤蛋白酶、过氧化氢酶等活性显著降低，成为部分根茎类作物连作障碍的主要原因。相关大田试验显示，与豆科作物轮作后田块中的各种酶活性均有所提高，因此轮作模式更利于土壤酶活性的保持。

1.2 土壤微生物环境改良

土壤微生物群落对土壤生态系统稳定性至关重要，严重影响土壤肥力、颗粒结构、营养成分利用率，在土壤质量评价体系中不可缺少。相关试验表明，甘薯致病真菌数量会随着连作年限增加，从而加重甘薯栽培区域病害，进而导致其商品性下降。种植方式和年限能够影响土壤微生物群落种类和生物量碳含量，与连作相比，轮作制度丰富了土壤微生物群落多样性，土壤中放线菌、细菌、革兰氏阳性菌生物量得以增加，真菌比例相对降低，甘薯与小麦、水稻等谷类作物轮作均能获得显著效果。甘薯与玉米轮作还可以提高对氨基酸类、羧酸类、碳水化合物等物质的利用能力。

此外，多年重茬条件下未及时清理的植株、脱落物和根系分泌物都会进入耕层，阻碍根际土壤微生物的生长发育和繁殖，也会破坏甘薯根际土壤微生物群体的丰富性和稳定性，造成土壤板结，致病病源种类增加，引发各种病害，如甘薯根土蝽、茎线虫病、根腐病等。因此，甘薯与谷类作物轮作，或水旱轮作，能够有效缓解甘薯重茬造成的土壤低肥化和真菌化。

1.3 缓解自毒作用

造成根茎类作物连作后长势不良的因素除了栽培条件外,还有植物的自毒作用。自毒作用在种内发生，对植物生长有着抑制作用。连作年限越长土壤生态环境越恶劣，随着植物根系分泌的自毒物质不断积累，连同常年堆积的植物残体与病原物质的代谢产物均可能造成自毒作用发生。部分根茎类作物的根系分泌物长期积累可能会导致植株抗病害能力减弱，并对地下部生长和根际土壤微生物环境造成一定程度的不利影响。 有研究通过气相色谱-质谱联用仪对丹参根际土壤浸提液进行非靶向鉴定，发现其中含有水溶性有机酸、苯甲酸及其衍生物、脂肪族醛、长链脂肪酸、烯醇和酮、苯、酚类及其衍生物等低分子有机化合物，以及烃、醇、酯类物质为主的有机物。其中多数成分也在其他根茎类作物的根际土壤中检测到，并在不同程度上抑制作物生长。目前尚未有研究详细说明甘薯根系分泌物的具体组成成分，同作为根茎类作物，其根系分泌物中也可能存在抑制植株生长的组分，为避免其可能对甘薯生产造成不利影响，应当采取轮作的种植模式适当缓解其自毒作用。

2 甘薯轮作模式在生产中的应用

2.1 薯麦轮作

薯麦轮作是我国目前甘薯主要的种植制度，该模式在长江中下游地区和北方地区广泛应用。甘薯和小麦的生育期内对钾肥的需求量都较大，合理施用钾肥有利于薯麦增产提质。宁运旺等通过连续3a田间试验说明，薯麦轮作模式下，只在甘薯种植季施用足量钾肥，单株结薯数和单个甘薯质量有显著提高，田间总产量也有所增加。在甘薯种植季结束后收集地上部分薯蔓进行还田，其中积累的钾素可以满足小麦生长对钾的需求，同理，麦秸还田也可适当减少钾肥的施用量，在这种施肥管理模式下，供试地区土壤含盐量得到良好控制，在节约生产成本的前提下使甘薯和小麦的产量和品质都得到一定保障。遵义市旱地小麦-玉米-甘薯分带间套轮作模式下主要对甘薯施以钾肥，3种作物均可获得较高产量。淮安市淮阴区赵集镇采用甘薯与小麦无公害轮作技术，选取国内高产优质的“徐薯18”等甘薯品种与小麦轮作，结合田间水肥管理，使甘薯黑斑病、小地老虎和小麦纹枯病等病虫害均得到良好控制。乔月静等通过试验说明，与甘薯连作模式相比，大豆-黑麦-甘薯轮作模式对甘薯根部土壤线虫种类丰富性更加有利，土壤甘薯茎线虫数量明显下降，减少杀线剂施用量的同时优质甘薯产量提高，增加经济收益的同时对生态环境友好。张伟彬研究发现，对薯麦轮作田块以1∶1的比例施用化肥和有机肥，能在轮作基础上进一步改善土壤微生物群落结构。

2.2 花生-甘薯轮作

相关报道表明，与花生轮作可以减缓田块真菌化，丰富有益细菌多样性。刘亚军等选取甘薯“商薯17号”、花生“商花5号”和小麦“商麦167”，分别设计甘薯连作、甘薯-花生、甘薯-小麦轮作3种种植模式进行比较，发现甘薯―花生轮作模式能够提高土壤微生物对羧酸类、氨基酸、碳水化合物等的利用率，改善土壤微生物环境。David L Jordan等学者研究显示，在甘薯收获后种植花生，能使花生丰产稳产。此外，花生-甘薯轮作是南安市旱地主要种植模式之一。中国热科院示范推广花生-甘薯轮作模式，提高了土地利用效率该模式有利于海南撂荒土地的复耕复种。

2.3 其他轮作模式的应用

近6a来，广西壮族自治区东兰县依靠其独有的生态气候，组织推广绿色高效的水稻—紫薯水旱轮作种植模式，取得良好效益，带动当地农民脱贫致富。河北省燕山浅丘陵地区作为杂粮主产区，为提高作物效益，减少农药施用量，采用了谷薯间作轮作一体化栽培模式，提高甘薯产量的同时大幅减轻了谷子病害的发生，提高了土地利用率的同时实现丰产稳产。此外，浙江淳安县枫树岭作为药材产区，将甘薯与元胡轮作，在甘薯收获后冬季土地闲置期间种植了元胡，由于元胡作为药材具有较高经济价值，该模式实现了粮食作物与药材的双丰收。

3 存在问题和展望

虽然甘薯轮作制度在部分甘薯栽培地区示范推广并取得一定效果，但还存在不少亟待解决的问题。如，种植面积不足、轮作模式不适合、田间管理过于粗放导致效益没有达到预期。

由于不同地区种植条件的多方差异，选用的轮作模式丰富多样，使得轮作制度在土壤生态环境的研究中，其各项理化特性、有益菌群种类和土壤常见致病病源等指标的探索整理尚未系统全面；加之甘薯根际土壤微环境和甘薯根系分泌物相关联报道尚不详细，对指导实际生产缺乏广泛性和准确性。但是随着分析检测技术的进步，如GC-MS、LC-MS、HPLC等数据库不断扩增，对植株根际土壤微生物代谢产物和植株根系分泌物组分分析水平逐渐提升，在轮作模式对栽培环境特性的成效方面愈加探索，对改善土壤生态环境在理论上更有指导意义。

北方消费者对甘薯的消费习惯大部分还停留在鲜食、烤食和加工产品，菜用甘薯还没有在市场上受到广泛关注，菜用甘薯主要使用部位是茎尖部分，其口感脆嫩、营养丰富，在国际上颇受欢迎，是夏季蔬菜的优质选择，如“薯绿1号”。若根据各地栽培特色探索出合理种植模式，有助于菜用甘薯的推广。

近年来由于耕地缩减，农业相关部门高度重视土地利用率，2016年中央各部联合印发《探索实行耕地轮作休耕制度试点方案》。自此方案颁布以来，全国各地均结合当地作物种类、土壤、气候、消费习惯等开始对耕地轮作制度进行模式开发，大部分地区探索出的轮作模式得以推广示范，地区间相互参考借鉴并加以改进，各地的农业经济收入、消费者认可度、生态资源可持续利用水平均有所提升。同时，随着种植模式创新，水资源利用率得到提高、化肥、杀虫剂、杀菌剂等造成的农残污染大幅减少、土壤环境得到优化，符合目前所提倡的生态友好型绿色农业。