小麦与半夏轮作对减轻半夏连作障碍的效应

何志贵,应 浩,董娟娥,马小奇,梁宗锁,3

(1. 西北农林科技大学 生命科学学院，陕西杨凌 712100；2. 桂林旅游学院 食品加工与营养健康实验教学中心，广西桂林 541006； 3. 浙江理工大学 生命科学学院，杭州 310018)

半夏[Pinelliaternata(Thunb.) Breit.]为天南星科(Araceae)半夏属多年生草本植物[1]。目前半夏药材主要来自人工种植，但连作会导致病虫害加重、产量和品质下降[2]。连作障碍在其他很多药材种植中也存在，如地黄、人参、太子参、当归等，严重制约了中药产业和当地经济发展[3]。研究发现，引发连作障碍的原因主要有土壤化感作用、养分失衡、微生物群落改变、有害物质积聚及理化性状恶化等[4-5]。因此，本研究选用连作1 a 地、轮作2 a地和轮作3 a地种植的半夏为研究对象，测定不同时期内的半夏生长发育指标及有效成分质量分数，研究不同年限连作条件下及与小麦轮作后半夏生长发育、产量及有效成分的变化，明确连作对半夏产量和品质造成的影响，为生产上减轻半夏连作障碍提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

甘肃省天水市清水县是半夏药材主产地。地处东经105°45′，北纬34°32′，海拔1 420 m，年均温4.8 ℃，全年≥0 ℃积温为2 313～4 001 ℃，≥10 ℃ 积温为1 678～3 366 ℃。年日照时数2 076.9 h，无霜期169 d，年均降水量574.3 mm，高寒阴湿，地势平坦，适宜半夏生长，试验地土壤为中性或微酸性的沙质黑壤土，矿质养分丰富。

供试半夏种茎来源于甘肃华亭县，经西北农林科技大学化学与药学院舒志明先生鉴定为天南星科半夏属植物半夏的块茎。

1.2 试验设计

试验于2014年10月至2015年8月在清水县永清镇泰山庙塬进行，依次选择连作1 a CCY1(-半夏-半夏)、轮作2 a CRY2(半夏-小麦-小麦-半夏)和轮作3 a CRY3(半夏-小麦-小麦-小麦-半夏)的试验地，以前茬为连续种植4 a 小麦的地(小麦-小麦-小麦-小麦-半夏)为对照，小区面积4 m×1.5 m，重复3次。播种前施底肥农家肥0.95 kg·m-2，复合肥83 g·m-2。播种量为2.67 kg·m-2，2014-10-16播种。2015-03-26搭建小拱棚，常规管理，2015-04-24起陆续出苗，2015-08-15采收，测定产量及品质。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 生长指标及产量的测定 叶面积、株高和倒苗率分别在5月15日、5月23日、6月5日、7月5日、7月20日、8月5日进行测定。测定样品时，选用1 m2的绳框，在每小区中按对角线分别选取5点[6]，每点测定15株叶面积、株高及倒苗数，并分别计算1 m2内半夏倒苗率。倒苗率=每平方倒苗数/(每平方的活苗数+每平方倒苗数)×100%(每平方内半夏植株变黄或已枯死的苗数计为倒苗数)。

8月15日采收后，按小区采收药材，测定后折算成每667 m2产量。

1.3.2 半夏块茎品质的测定 随机选取连作1 a地、轮作2 a地、轮作3 a地和对照地中种植的半夏，去皮晒干、粉碎，重复3次。

半夏块茎水分、总灰分、酸不溶性灰分参照中国药典(2015版)第一部附录ⅨK第一法进行测定[1]。水溶性浸出物参照中国药典(2015版)第一部附录XA浸出物测定法(冷浸法)[1]测定。还原糖质量分数采用3，5-二硝基水杨酸比色法[7]测定。可溶性糖质量分数采用蒽酮-浓硫酸比色法[7]测定。总生物碱采用酸性染料比色法[8]测定。琥珀酸的测定参照《中国药典》2015年版附录ⅧA)，用盐酸滴定液(0.1 mol/L)滴定，并将滴定的结果用空白试验校正，测定琥珀酸质量分数，每1 mL氢氧化钠滴定液(0.1 mol·L-1)相当于5.904 mg的琥珀酸(C4H6O4)[1]。鸟苷质量分数采用液相色谱法测定[2,8]。

1.3.3 数据处理与统计方法 采用SPSS 19.0软件对数据进行统计分析，采用Duncan’s法进行各处理间显著性差异分析(P≤0.05)，采用Excel 2010进行整理作图。

2 结果与分析

2.1 不同年限连作和轮作对半夏株高的影响

图1表明，半夏生长过程中株高的增长随着不同种植处理呈现不同的生长趋势。连作1 a地中半夏株高长至6月15日开始呈下降趋势，且长势缓慢。由于半夏生长至6月15日后受病害影响，出现死苗现象，后期块茎又重新发芽，但仍然处于不生长状态，差异极为显著，与对照相比降低70.65%。2 a轮作地半夏在6月15日后基本停止生长，与对照相比降低49.26%，其后各生长时段株高基本一致；轮作3 a地半夏株高随着生长期的延长而增高，与对照相比长势趋于一致。至采摘期8月5日最后所测株高综合显示，连作1 a<轮作2 a<轮作3 a。

2.2 不同年限连作和轮作对半夏叶面积的影响

图2表明，连作1 a半夏叶面积从5月16日至6月15日呈增大趋势，长势与轮作2 a基本一致。但在6月15日至8月5日期间呈下降趋势，8月5日降至最低，与对照相比，减少了62.44%，差异显著。轮作2 a半夏叶面积在各生长时期表现平稳生长态势，到8月5日后与对照和轮作3 a相比基本无差异。轮作3 a半夏叶面积在6月中旬达到最高值，与8月5日连作1 a和轮作2 a所测叶面积相比分别增加了201.58%和17.09%，但是轮作3 a半夏叶面积在整个生长期内长势与对照基本一致。综合相比，连作1 a<轮作2 a<轮作3 a。

不同小写字母表示同一时期不同处理差异显著(P<0.05)，下同 Different lowercase letters in same column indicate significant difference among various treatments in the same period(P<0.05)，the same below

图1连作与轮作对半夏株高的影响
Fig.1EffectsofcontinuouscroppingandcroprotationonplantheightofPinelliaternata

图2 连作与轮作对半夏叶面积的影响Fig.2 Effects of continuous cropping and crop rotation on leaf area of Pinellia ternata

2.3 不同年限轮作和连作对半夏倒苗率的影响

图3显示，连作1 a地中半夏倒苗率非常严重，整个生长周期逐月递增，在7月20日之后倒苗率达到87.97%，与对照和轮作3 a地中半夏倒苗率呈显著差异。轮作2 a半夏倒苗率在6月15日开始增加，后期呈稳定趋势，8月5日所测数据显示，轮作2 a半夏倒苗率与对照相比增加69.67%，有一半以上倒苗发生。轮作3 a在整个生长周期长势较好，倒苗率较低，只有13.88%，与对照相近。

图3 连作与轮作对半夏倒苗的影响Fig.3 Effects of continuous cropping and crop rotation on seedling laying rate of Pinellia ternata

2.4 不同年限连作和轮作对半夏块茎产量的影响

图4显示，随着半夏与小麦轮作年限延长，产量逐年增加，轮作3 a>轮作2 a>连作1 a。轮作3 a半夏产量与连作1 a相比提高509.36%，与轮作2 a相比提高91.779%。连作1 a半夏与对照相比减产86.72%，差异显著，基本绝收。说明轮作小麦3 a以上半夏土壤有利于其自身的生长，对连作土壤有一定的改善。

图4 连作和轮作小麦对半夏块茎产量的影响Fig.4 Effects of continuous cropping and crop rotation on yield of Pinellia ternata tubers

2.5 连作和轮作对半夏块茎水分、总灰分、酸不溶性灰分和浸出物的影响

对半夏连作地进行小麦2 a和3 a小麦倒茬修复后，再种植半夏。经过一轮生长周期后，测定连作1 a和轮作2 a、轮作3 a半夏块茎有效成分质量分数。如表1所示，除总灰分连作1 a、轮作2 a、轮作3 a处理与对照之间无显著差异外，其他3个指标均与对照存在显著差异。特别是浸出物的质量分数，连作1 a、轮作2 a和轮作3 a分别比对照降低 21.71%、14.99%和1.75%。经轮作3 a 修复后，半夏浸出物质量分数升高，达到18.083 7%，与对照相比无明显差异，并超过了国家药典标准。

2.6 连作和轮作对半夏块茎中可溶性糖、还原糖、琥珀酸、生物碱和鸟苷质量分数的影响

表2结果表明，连作1 a地中的半夏块茎可溶性糖质量分数与轮作2 a、轮作3 a及对照相比，分别下降51.09%、66.13%和66.63%，差异显著。其中，轮作小麦3 a后，半夏块茎中可溶性糖质量分数快速积累，接近对照。连作1 a半夏中的还原糖质量分数与对照相比降低23.81%，但轮作2 a和轮作3 a及对照相比差异不明显。琥珀酸质量分数各处理表现为：连作1 a半夏与轮作2 a、轮作3 a及对照相比分别降低12.95%、25.30%和26.77%。轮作2 a、轮作3 a中的琥珀酸质量分数基本接近对照，差异性不明显。在生物碱活性成分上，与对照相比，连作1 a和轮作2 a降幅比较明显，分别降低17.13%和7.73%，轮作3 a与对照相比无明显差异。连作半夏在鸟苷活性成分上，通过所测数据显示，连作、轮作和对照无差异，基本不受连作影响。

连作条件下半夏各有效成分与对照相比，降低最大的是可溶性糖，然后依次是琥珀酸、还原糖、生物碱和鸟苷。轮作小麦3 a后半夏有效成分最接近对照的依次是生物碱、鸟苷、琥珀酸、还原糖和可溶性糖。

表1 连作和轮作对半夏块茎质量标准的影响Table 1 Effects of continuous cropping and crop rotation on quality of Pinellia ternata tuber %

注：同列不同小写字母表示同一时期不同处理差异显著(P<0.05)。下同。

Note:Different lowercase letters in same column indicate significant difference among different treatments in the same period(P<0.05). The same below.

表2 连作和轮作对半夏块茎有效成分质量分数的影响Table 2 Effects of continuous cropping and crop rotation on mass fraction of active ingredients in Pinellia ternata tuber %

3 讨 论

在连作条件下的土壤生态环境对植物生长影响很大，植物根系与土壤和微生物之间会产生互作关系，引起一系列生理生化反应。各营养元素间的拮抗作用影响到植物对某些元素的吸收，容易出现缺素症状，最终使生育受阻，产量和品质下降[9]。试验表明，连作半夏随着与小麦轮作时间的延长，其株高和叶面积均逐渐增加，倒苗率逐渐降低；这与笔者课题组前期研究结果一致[2,10]。刘伟等[6]在研究不同年限连作对丹参生长的影响时也发现，丹参连作种植后的幼苗生长长势逐渐减弱，出现严重病害，表现出与半夏药材相似的连作障碍效应。

连作半夏在5月中下旬开始倒苗，比轮作2 a的提前近1个月，这可能与连作地微生物群落发生变化[11]、养分失衡[12]及根际分泌有害物质[13]有关，也因此破坏了根际土壤的生态平衡。笔者推测，轮作3 a半夏地中，土壤微生态环境可能得到了修复，因此半夏在各时段内的株高、叶面积和倒苗率等各项生长指标均显著优于连作1 a地和轮作2 a地，半夏地上部分植株健壮，病害较轻。

半夏植株生长指标直接影响地下块茎产量，这是因为地上部分长势与地下块茎发育繁殖有着直接的相关性[14]。连作地半夏倒苗期提前，病虫害严重，6月中旬已开始大面积死苗，从而导致半夏株高降低、块茎腐烂率升高，这与沈宝云等[15]在研究马铃薯连作生长中所表现出的连作障碍效应相似[15]。通过与小麦轮作3 a，土壤中病害较连作1 a轻，植株抵抗力也变强，因而半夏产量接近对照。而连作时半夏繁殖系数极低，产量仅有播种量的1/3，这与梅艳等[14]的研究结果一致。

连作时半夏块茎中可溶性糖、还原糖和生物碱质量分数均低于轮作3 a和对照，琥珀酸质量分数低于国家标准。这说明植物残体与病原物的代谢产物对植物有致毒作用，并连同植物根系分泌的自毒物质一起影响植株代谢，在一定程度上抑制了有效成分的合成与积累，这与冯业强等[16]对太子参连作障碍效应的研究结果中连作与轮作时糖质量分数无显著差异的结果不大一致；虽然轮作2 a处理下半夏块茎中糖质量分数、有机酸质量分数与对照无明显差异，但生物碱及水溶性浸出物质量分数显著低于对照，这充分反映半夏连作障碍效应是导致半夏块茎品质降低及病虫害升高的主要原因。

综上，研究表明半夏在连作的环境中，幼苗生长受到阻碍，死苗、倒苗大面积蔓延，产量和品质急剧下降，经轮作3 a后，半夏在整个生长周期内各生长指标、有效成分质量分数与对照接近，说明适当时间进行倒茬轮作有利于缓解半夏的连作障碍。因此，深入研究半夏连作障碍的效应，探索消减连作障碍的生态调控措施，构建“半夏-土壤-环境”的生态系统，是缓解半夏连作障碍的有力途径。