旱地番茄连作障碍机理研究进展

李小霞，靳鲲鹏，李万星，李 丹，韩文清，苏秀敏，王 佼，王秋兰，曹晋军

（山西省农业科学院谷子研究所，山西长治 046011）

山西省地处半干旱地区，常年呈现降水量少、蒸发量大的特点，水资源总量严重匮乏，其水资源占有量少于全国的10%，严重影响和制约了当地农业的发展。为推进农业供给侧结构性改革，实施农业提质增效工程，发展旱作农业已成为解决山西省农业发展的必由之路。近年来，山西因其特殊地形和气候特点，政府积极响应国家政策号召，鼓励当地百姓种植发展旱地番茄，其生产的旱地番茄因味道美、营养高、硬度大备受人们喜爱，热销全国各地。旱地番茄是相对于温室番茄而言的，其在旱季种植，雨季旺盛生长，秋季采收，靠自然降雨生长，故而称其为旱地番茄[1]。旱地番茄含糖量高、酸度低、耐储运、沙瓤细腻、果形圆润鲜亮、番茄红素的含量也高于大棚番茄，既可作为水果食用，又可作为蔬菜食用，广受人们喜爱。但在旱地番茄种植技术方面存在诸多弊端，特别是常年种植番茄，即连作旱地番茄，使得旱地番茄出现产量下降、品质降低以及土壤肥力降低、病虫害加剧。因此，寻求改变现有的种植模式迫在眉睫。

作物连作又称为忌地现象，指长期在同一块地上连续种植同种或同类作物，植株会出现长势变弱、光合速率降低，进而影响植株的生理活动，最终导致产量降低的现象，同时连作田也会发生严重病虫害、品质变劣等现象[2-5]。当前种植模式下，许多作物仍然采用连年耕作的方式，例如甘薯、草莓、棉花、大豆、马铃薯、花生、设施蔬菜、香蕉、三七和烤烟等[6-8]。山西晋东南地区旱地番茄种植面积高达4 600 hm2，在给当地带来巨大经济效益的同时，旱地番茄的连作障碍也十分突出，导致旱地番茄品质、效益降低。笔者综述国内外学者对连作障碍的研究，总结旱地番茄连作障碍形成的原因，寻求改善连作障碍的措施和方法，从而为解决旱地番茄连作问题提供理论支撑和帮助。

1 旱地番茄连作障碍的影响因素

1.1 土壤功能退化

1.1.1 土壤理化性质变劣 连作障碍引起的土壤理化性质劣化主要表现在土壤团粒结构破坏、土壤板结、透气性变差、土壤容重变大、土壤紧实度增大、土壤酸化和土壤营养结构失衡等。研究发现，作物生长需要良好的土壤透气性和团粒结构，而长期连作导致土壤板结，透气性变差，使得土壤保水、保肥能力变差，进而影响作物根系呼吸和植株的正常生长。王梓等[9]研究发现，多年连作人参，土壤总孔度减少、容重增大，导致土壤透气性变差，土壤板结。常年连作人参还使得土壤中的有机质被大量消耗，导致营养物质比例失衡，同时土壤酸化加剧，给人参的正常生长带来严重危害。作物连作导致的土壤环境恶化，还会间接影响植株对硼、锰、钙、镁、锌、铁、铜、钼等微量元素和营养元素的吸收，这是由于土壤酸化、土壤板结等问题会影响作物根系吸收能力。为缓解连作障碍对番茄效益的影响，人们大量施入化肥农药，导致土壤中离子浓度增大，土壤缓冲能力下降，土壤进一步酸化，出现土壤次生盐渍化，形成恶性循环。此外，长期连作同种或同属作物，会造成某种营养元素的缺失或富集，必然会影响作物生长，导致严重的作物生长障碍。如三七连作3年后土壤中的铜、钙和镁被植株过度吸收，其含量大幅减少，而铁、锰、钾、钠却由于植株吸收量少导致含量升高，营养元素比例严重失衡，影响了三七的品质[4]。

研究表明，在番茄连作中，随着种植年限的增加，土壤容重增大、pH 值降低，速效磷、速效钾、有效钙、有效镁、有效铁、有效锰、有效铜含量均呈下降趋势，且番茄产量也随连作年限的增加而降低[10]，说明番茄连作后，土壤肥力逐渐下降，土地生产力衰退，土壤功能逐渐退化。

1.1.2 土壤酶活性降低 土壤酶是对土壤中酶的总称，常见的有蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶和多酚氧化酶。土壤酶的来源主要有土壤中的动物、微生物、作物根系及残体的分解物等，它们催化土壤中的生物化学反应，参与土壤中物质和能量的转化，可反映土壤肥力和土壤健康状况。吴凤芝等[11]通过大棚盆栽蔬菜试验发现，连作年限越长，蔗糖酶、脲酶和过氧化氢酶活性越低。孙正国[12]研究发现，西瓜连续种植9～15年，土壤酶活性降低，且达到显著水平。土壤酶活性降低，说明土壤肥力弱化，土壤中物质转化和能量释放能力减弱，这是连作障碍的典型表现。

1.1.3 土壤微生物多样性降低 土壤微生物在土壤生态环境中发挥重要作用，它们中的大部分参与矿物质和有机质的转化，作为土壤转化的驱动因子，在土壤结构和肥力的形成过程中发挥重要作用。土壤微生物多样性是衡量土壤健康与否的重要标志之一[13]，微生物的多样性对土壤营养元素循环、土壤肥力的形成与发展、植物的生长以及病虫害防治起着重要的作用[14]。杨尚东等[15]研究发现，番茄连作导致土壤细菌多样性指数、均匀度指数和丰富度指数下降，土壤可培养细菌、放线菌数量显著降低，真菌数量显著增加，微生物群落由细菌型向真菌型转变，说明番茄连作改变了土壤微生物的结构，微生物多样性降低，进而导致土壤转化能力降低，有机质的分解和土壤微生态环境遭到了破坏。孙文庆等[16]研究发现，番茄连作明显改变了土壤微生物群落结构，一些土著细菌优势种群数量减少或消失，而同时土壤中的优势真菌大量富集，其中番茄连作5年真菌优势种群最大，且与其他真菌种群差异较大。

1.2 真菌土传病害

日本学者西尾道德[17]研究认为，连作障碍的最重要原因是土传病害，而其他原因是加重病害的辅助因子。真菌是导致连作土传病害的主要原因，也包括部分细菌和线虫，所以土壤由真菌型转化为细菌型预示着土传病害加重。多项研究表明，随着作物连作年限的增长，土壤中的放线菌和细菌数量减少，而病原真菌数量增多，表明土壤由细菌型转变为真菌型土壤，此时土壤会表现出生态系统稳定性降低，抵制病害能力减弱。常见的真菌致病菌有尖孢镰刀菌[18]、丝核菌[19]、腐霉菌等。

枯萎病是旱地番茄连作的主要障碍因子，而引起旱地番茄枯萎病的致病菌是镰刀菌属尖孢镰刀菌。崔萍等[20]通过组织分离的方法从发病番茄根部分离出病原菌，进行致病性测定，通过微生物的形态特征、ITS 序列同源性分析，发现致病菌为镰刀菌属尖孢镰刀菌。致病菌以菌丝体或孢子的形式休眠。由于旱地番茄种植在天然露天土壤中，休眠体过冬后很容易随土壤、雨水传播，致病菌从作物生长弱势部位或者伤口处侵染植株，致使植株维管束受损，失去运输营养物质的功能，最终导致旱地番茄叶片枯黄，植株枯萎而死。旱地番茄连年耕作，致病菌尖孢镰刀菌富集，连作障碍严重。此外，致病菌可产生有毒物质萎蔫酸，该有毒物质扩散后，进一步导致植株变枯死亡。枯萎病发生在旱地番茄的幼苗期到成株期，严重影响旱地番茄的产量和品质。

1.3 化感作用

化感作用也是引起旱地番茄连作障碍的一个重要因素[21]。植株根系可以向周围释放化学物质，这些化学物质可以直接或间接影响植株本身或者周围其他植株和微生物的生长，这类化学物质称为化感物质[22]。化感物质影响植株本身和其他生物生长发育的现象叫作化感作用。

常见的化感物质有水杨酸、醛类芳香酸、类萜、香豆素、醌类和生物碱等[23]，这些物质主要来源于植物根系分泌物[24]、植株残体的腐解[25]和植物表面的雨雾淋溶[26]。其中酚酸类是研究较多的化感物质，酚酸类物质是对芳香环上带有活性羧基的有机酸的化学物质的总称，这类物质能够引起作物的化感自毒作用，常见的酚酸类物质有对羟基苯甲酸、阿魏酸、香豆酸、香草酸和丁香酸等[27]。林文雄等[28]研究发现，一些酚类物质可以降低同种或同类作物体内的生长素和赤霉素含量，从而抑制植株的生长，还可以影响植株的光合作用和呼吸作用，表现出化感自毒作用。郭修武等[29]研究发现，葡萄根系分泌的水杨酸和羟基苯甲酸对葡萄具有化感抑制作用，且效果显著。张璐等[30]研究表明，土壤中对羟基苯甲酸、阿魏酸、苯甲酸、香豆酸、丁香酸、香草酸、香兰素等物质含量与连作年限成正相关，与对照相比，连作第3年时，土壤中酚酸类物质含量明显升高。杜英君等[31]研究发现，大豆连作多年对羟基苯甲酸、香草酸和香草醛等化感物质会对豆苗的生长发育和各个生理阶段产生影响。

番茄连作多年，其根、茎、叶器官可产生多种化感物质，姚军[32]通过高效液相色谱技术，对连作加工番茄的根、茎、叶进行检测，发现在连作番茄的根、茎、叶浸提物中有鞣酸、咖啡酸、香草酸、阿魏酸、苯甲酸、水杨酸、肉桂酸，这些化感物质对番茄种子的萌发、幼苗的生长、根系活力、叶片活性氧代谢、叶片叶绿素含量都有影响。孙文庆[33]通过同样的方法从连作加工番茄各器官浸提液、根系分泌物、土壤浸提液中检测出阿魏酸、对羟基苯甲酸和肉桂酸3 种化感物质，这3 种物质对番茄的种子萌发、幼苗生长、幼苗生理活性、农艺性状和番茄产量都有显著或极显著影响。旱地番茄栽培作为番茄的一种露天栽培方法，其生产的番茄因口味独特广受人们喜爱，但连年种植，其产量和品质都会受到影响，其中与其产生的化感物质有很大关系。

2 克服旱地番茄连作障碍的措施

2.1 合理安排栽培制度

化感物质包括自毒物质和它感物质，严重影响作物正常生长发育，所以应在作物茬口安排上进行合理布局。轮作、伴生、间作、套作等栽培方法可以有效避免化感作用导致的作物连作障碍。杨尚东等[15]研究发现，通过番茄-黄瓜、番茄-白菜、番茄-菜豆轮作方式，与番茄连作相比，轮作栽培有利于提高土壤肥力和保持土壤健康，且以轮作菜豆效果最好，3种轮作模式均可以显著增加微生物数量。刘永亮等[34]研究发现，番茄-水稻水旱轮作模式能够降低盐渍离子含量和土壤pH 值，能较好地改良设施连作土壤的特性。种植水稻模式可以提高脲酶、蛋白酶和蔗糖酶活性，有利于有机质的增加以及有效铁含量的提高。彭思健等[35]通过田间分区试验得出，随着番茄轮作年限的延长，与连作相比，其在减少田间病害和烂果率、降低生产成本、增加果实单果质量和产量方面效果较明显。吴瑕等[36]研究发现，分蘖洋葱伴生番茄可以有效促进番茄地上和地下部分的生长，减少土壤中酚类物质积累及酸化和盐碱化，改善土壤生态环境，缓解番茄连作障碍。张海春等[37]研究发现，番茄与生菜、芹菜间作，可以显著增加番茄连作土壤中的微生物总量、增加细菌数量、显著降低真菌数量、增大细菌/真菌比例，同时土壤中的蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶活性增大，番茄连作障碍缓解，产量提高。张浩等[38]研究发现，番茄套作莴苣和芹菜可以增加细菌/真菌比例，同时土壤酶活性增强，番茄产量增加，有效缓解了番茄连作障碍。

2.2 采用嫁接栽培技术

旱地番茄嫁接栽培是缓解连作障碍的有效措施之一。周长勇等[39]通过两种砧木对番茄进行嫁接栽培，发现通过嫁接的番茄其在茎粗、株高、果穗数和单果质量方面都得到有效改善，而且发现嫁接番茄抗病性明显提高。

2.3 利用生防菌防治病害

将具有拮抗作用的芽孢杆菌、放线菌等有益菌引入土壤，这些有益菌在土壤中大量增殖生长，可以有效克服土传病害引起的作物连作障碍，且可以采用生防菌剂与有机肥配施的方法、生防菌剂与土壤改良剂相结合的方法、生防菌剂配以多种作物秸秆覆盖的方法减缓旱地番茄的连作障碍。

2.4 利用作物间化感作用缓解连作障碍

人们很早就认识到化感作用，并将其应用于大田生产。利用作物间的化感作用，可以有效抑制致病菌的生长，如大蒜鳞茎水提液对套袋番茄镰刀菌果腐病有明显抑制作用[40]，大蒜根乙酸乙酯浸提液对番茄晚疫病的致病菌抑制效果佳[41]。因此，在旱地西红柿种植过程中，可以采用大蒜轮作、间作、套作等方法来减少旱地番茄病害，以缓解连作障碍。

3 展望

近年来，旱地番茄的种植在全国很多地区得到了推广，如山西、甘肃、广西、黑龙江、山东等地都有种植，其中尤以山西省推广种植面积最大。针对旱地番茄连作问题，轮作倒茬是解决连作障碍的当务之急。近年来，部分地区采用了旱地番茄与豆角倒茬种植的方法，虽然在一定程度上可以缓解连作带来的经济损失，但从长远看，并没有有效改善土壤结构，土壤真菌减少不明显，地力恢复程度有限。为了在连作障碍上取得最有效的缓解方法，从根本上应该寻求最佳轮作模式，或者通过休地和养地措施来恢复土地生产力。

目前，旱地番茄的研究多集中在栽培技术上，对旱地番茄连作土壤的理化性质、土壤酶、土壤微生物结构、化感物质的研究较少。想要进一步提高旱地番茄的经济效益，连作障碍问题必将成为旱地番茄产业发展研究的一项重要课题。