轮间套作种植模式消除烟草连作障碍的机理研究进展

凌爱芬，肖丽霞，孙延国，王德权，董小卫

(1.四川省烟草公司凉山州公司，四川西昌 615000；2.中国农业科学院烟草研究所，农业农村部烟草生物学与加工重点实验室，山东青岛 266101；3.山东潍坊烟草有限公司，山东潍坊 261061；4.山东中烟工业有限责任公司，山东济南250014)

烟草作为我国重要的经济作物之一，对社会的经济发展有着举足轻重的作用，同时烟草种植也是烟区农民收入的重要组成部分[1]。由于受种植条件限制、投入成本制约及经济利益驱动，烟草连作已成为普遍现象，进而引起连作障碍，对烟叶产量、质量造成不利影响。据调查，每年由烟草连作造成的经济损失高达40亿元，这对我国烟草农业的良性发展产生了严重影响[2]，因此，如何解决由烟草连作引起的一系列问题成为有关部门和众多学者的研究重点，近几年，学者们从调整烟草种植模式的角度出发，开展了大量研究。该研究从土壤理化性状变化、土壤微生物群落结构变化、烟草化感自毒作用等方面，综述了目前烟草轮作模式、间套作模式缓解消除连作障碍的机理，以期为烟草连作障碍难题的防治及烟草农业持续稳定发展提供参考。

1 烟草连作障碍的产生机理

烟草连作障碍的产生机理较为复杂，它是诸多因素相互作用于植株的一种外在表现[3]。

目前研究认为，烟草连作障碍的产生机理主要归结为3个方面：土壤理化性状恶化、土壤微生物群落结构改变、烟草化感自毒作用[2-5]，而研究认为化感自毒作用是导致连作障碍的主导因子[5-6]。

1.1 连作造成土壤理化性状恶化作物对各养分的需求不同，因此会从土壤中选择性的吸收，常年连作会使某些养分亏损或富集，造成土壤养分失衡[7]，从而影响植株生长。有研究表明，烟草多年连作会引起肥料利用率、土壤pH、土层有机质、氮和钾含量等各方面的变化。随着植烟年限的延长，土壤中氮、磷、钾肥的利用率也逐年降低，平均每年氮肥下降4.8%，磷肥下降0.7%，钾肥下降3.2%[8]；表层土壤酸化明显，酸化原因可能与常年施用相同生理酸性肥料有关[9-10]；各土层的有机质、氮和钾含量均发生不同程度变化，其中0～20 cm土层的表现是含量开始积累，而20～40 cm土层则表现为亏缺，两土层中速效氮、速效磷和速效钾的分布趋于不协调[11]。另外，付仲毅等[12]研究表明，烟草短期连作对土壤碳库影响不大，长期连作降低了土壤碳库，使土壤性质趋劣。

土壤酶能促进土壤有机质与矿物质矿化、促进土壤的养分迁移与循环，是土壤活力的重要指标。研究发现，土壤中一些重要的酶，如酸性磷酸酶、蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、转化酶、中性磷酸酶等，随着植烟年限增加活性会逐渐降低[13-14]。影响土壤酶活性的主要因素是土壤pH、根系分泌物及根际微生物活动。连作土壤由于pH 的变化导致土壤的酸化或盐渍化，根系分泌物中有毒物质积累及微生物数量和丰度的变化，都会直接或间接造成土壤中酶活性的变化。

1.2 连作造成土壤微生物群落结构失衡细菌型土壤是土质良好的一个重要指标，而真菌型则是土质衰竭的标志[15-16]。随着连作年限增加，土壤微生物多样性与数量发生变化，其中对细菌产生的影响最大，土壤有从细菌型向真菌型转变的趋势，进而改变土壤微生物群落结构，破坏土壤微生物生态平衡[17]。随着黄瓜连作茬次增加，其根际土壤微生物区系的几种主要微生物类群发生变化，有的出现富集，有的消失，种群开始趋于单一化[18]。通过烟草连作和轮作间的研究对比可以看出，连作土壤的Shannon多样性指数、丰富度指数及微生物群落结构多样性均低于轮作土壤[19]；连作土壤的细菌丰度呈先增加后降低趋势，致病菌增多，而轮作土壤细菌丰度变化较稳定[20]；连作导致土壤真菌群落结构发生变化，致病菌增多，且随着连作年限增加影响越大[21]。张翔等[22]也发现，随连作年限增加，土壤细菌、放线菌和有益真菌数量逐渐减少，而腐霉等有害菌群数量增加。

烟草连作导致土壤微生物群落多样性降低及有害微生物种群增加，出现这种现象的原因推测与烟草连作产生的根系分泌物积累有关。研究发现，烟草根系分泌物粗提物对病原菌生长的促进率为16.8%，而对拮抗菌的生长抑制率达到29.4%[23]。连作情况下，根系分泌物中积累的有害物质使微生物从种群、数量到生长、发育等受到严重影响，打破了菌落平衡，使烟草的生存微环境不断恶化，病害加剧，产值降低，造成连作障碍[24]。

1.3 烟草连作与化感自毒作用根系分泌物是土壤化感物质的主要来源[25]，近年来，在植物化感作用研究中发现，包括烟草在内的多种植物的根系分泌物中存在自毒物质[26-28]，这些自毒物质显著抑制植物生长。单一作物常年连作导致根系分泌物大量积累引起自毒作用，被认为是引起作物连作障碍的主导因子[6]。谭小兵等[29]研究发现，烟草根系分泌物中存在自毒物质，且会对植株产生自毒作用，随着自毒物质浓度的增加，自身种子萌发和幼苗生长明显受抑制，烟苗总叶绿素含量和根系活力降低，叶片和根系相对电导率上升，根际和叶的pH降低，幼苗叶片和根系MDA 含量增加。郭亚利等[30]研究发现，对幼苗生长和根系活力抑制作用表现最强的是根系分泌物中的中性组分，3种不同组分均能降低根系对NO3-、H2PO4-和K+离子的吸收，其中中性组分对H2PO4-吸收的影响最大，而酸溶性组分对K+的吸收抑制作用较强。

根系分泌物产生化感自毒作用的机制主要表现在以下方面：一是一些化感物质会抑制植株的光合作用和呼吸作用[6]。二是一些化感物质会影响土壤的养分形态和水平[31]，导致土壤养分失衡。三是一些化感物质积累会抑制有益微生物的生长减少其多样性，而有毒物质与相关有害微生物相互促生导致根际土壤微生物结构恶化，加剧病害的发生[32-34]。研究发现，酚酸类物质及其转化产物是连作作物致毒物的主要成分[35]，其中阿魏酸和肉桂酸在连作土壤中较易积累，而且阿魏酸的分泌速率要高于其他生物毒性的酚酸类[36]。于会泳等[37]研究发现，随着植烟年限延长，烟草根系和土壤中的化感物质随之增加且不易转化，其中对烟草化感作用最强的物质为苯甲酸，而化感作用较弱的为羟基丁酸。刘艳霞等[38]的研究进一步表明，苯甲酸和3-苯丙酸均能明显改变根际土壤微生物区系，降低土壤微生物多样性，显著增加有害微生物数量的同时大大降低有益微生物数量，且两种酚类同时存在的危害效果远大于单一酚类。

2 轮作模式消除烟草连作障碍的机理

烟草连作土壤积累大量化感自毒物质造成土壤微生物结构恶化、养分失衡、病害加重等是造成烟草连作障碍的主要因素，研究表明，合理轮作对植烟土壤理化性状改良、烟草病虫害防治及烟草生长微环境改善等具有重要积极作用。

2.1 轮作模式对土壤理化性状的改良不同作物对土壤养分吸收的种类和比例有不同的规律，因此，烟草与其他作物轮作，可有效缓解因长期连作导致的土壤养分失调、酸化等问题，提高土壤有机质含量[39-40]。研究发现，我国云南、贵州、湖南三大烟区的土壤养分共性特点是轮作土壤有机质、全氮、碱解氮含量均高于连作土壤，而全磷、有效磷、全钾、交换性钾等的含量各有不同，表明轮作种植可缓解养分失衡问题[41]。阳显斌等[42]研究发现，烟草与大蒜轮作种植，可提高根际和非根际土壤有机质含量、非根际土壤速效氮含量、根际速效磷和速效钾含量。张科等[43]研究发现，烟草连作土壤pH不断下降，而烟草-玉米轮作土壤pH无明显变化，表明轮作具有较强的土壤pH缓冲能力，而连作土壤的有效磷、速效钾含量均高于轮作。张翔等[22]研究发现，与连作相比，轮作土壤有机质含量明显提高。晋艳等[44]研究表明，轮作土壤中某些指标均高于连作土壤，如pH、全钾、速效硼、速效锌、交换性镁等。谭玉兰等[45]研究表明，豆科牧草紫花苜蓿、紫云英及禾本科牧草多花黑麦草与烟草轮作可显著提高土壤有机质含量，降低土壤容重，增加土壤平均孔隙度，使土壤物理特性改善。

轮作模式对土壤酶活性产生积极影响，与连作相比，轮作种植可提高多种酶活性。张科等[43]研究发现，与轮作相比，烟草连作土壤脲酶、蔗糖酶活性受到抑制。贾健等[46]研究发现，烟草-大豆轮作土壤蔗糖酶、脲酶和蛋白酶的活性均高于连作处理。土壤酶活性受pH影响，且与微生物量呈正相关，轮作模式下土壤pH相对稳定，微生物数量、群落结构多样性均高于连作模式，因此可保持较高的土壤酶活性。

2.2 轮作模式对土壤微生物群落结构的改善农田生态系统中，不同种植模式下的土壤微生物区系各有不同。贾健等[47]发现，轮作模式可使土壤中的菌落数量如细菌和放线菌增加，丰富微生物种群，细菌/真菌比例提高，使群落结构得到改善。一般来说，随着土壤细菌、放线菌数量增加，真菌数量减少，该土壤种植农作物的病害发生率会降低[16-17]。贾志红等[48]利用PCR-DGGE技术和段玉琪等[19]利用PCR-RFLP技术研究发现，烟草轮作土壤的细菌群落丰富度指数、轮作Shannon-wiener等均大于连作，表明轮作土壤中的微生物群落较为丰富。齐虹凌等[49]同样发现轮作可提高根际土壤细菌多样性。陈浩等[50]通过研究轮作和有机肥化肥配施的种植模式发现，此模式可稳定土壤pH，提高土壤有机质含量、微生物生物量及细菌多样性指数，增强土壤酶活性，从而实现作物优质高产、土壤健康循环。此外，杨洋等[51]研究发现，烟草-玉米轮作种植模式可明显减弱病毒病发生。

土壤微生物区系的形成与根系分泌物成分密切相关。与连作相比，轮作模式下限制或促进某些细菌生长的物质不会大量积累，从而能保证土壤中微生物群落的多样性。一些酚酸类物质如苹果酸、乳酸、富马酸等在不同浓度条件下对烟草黑胫病病菌作用差异较大，主要表现是低浓度促进，高浓度抑制[52]；根系分泌物中的某些低分子有机酸如肉桂酸、苯甲酸等能够降低土壤pH，从而促进真菌的生长和繁殖，改变土壤真菌群体结构[23]。

2.3 轮作作物对烟草的化感作用烟草连作障碍产生的原因中，烟草根系分泌物的自毒作用起主导作用。化感作用需要化感物质达到一定的浓度才能实现[37]，在轮作种植模式下，不同作物的根系分泌物不同，因此不会造成某种有毒物质的大量积累，可有效消除化感自毒作用。部分前茬种植作物的根系分泌物、残体分解物还会对后茬烟草产生有益化感作用[53]。钏有聪等[54]研究发现，大蒜与烤烟轮作可有效防治黑胫病，其机理为大蒜根系分泌物中的苯并噻唑和2 种含硫化合物二烯丙基二硫醚、烯丙基甲基二硫醚能明显抑制烟草黑胫病菌菌丝生长，且抑制作用与供试浓度呈正相关。张立猛等[55]研究表明，玉米-烟草轮作体系下，玉米根系既能吸引游动孢子，而且其根系分泌物中含有对烟草疫霉菌起抑制作用的苯并噁嗪类化合物，可有效控制黑胫病的发生。研究表明，大多数作物秸秆对后茬作物的化感抑制作用主要发生在作物秸秆在土壤中腐解的初期，在一定时间后，化感抑制作用消失，随后作物秸秆将表现出增加土壤肥力、改善土壤结构的正效应，从而增加作物产量[56]。因此，烟草移栽时间应与秸秆或绿肥的还田时间保持合适的时间间隔。

轮作模式下前茬作物对后茬烟草产量、质量的积极影响，通过化感直接作用和改良土壤性状、改善土壤微生物群落结构等间接作用共同实现，其中根系分泌物发挥重要纽带作用。

3 间套作模式消除烟草连作障碍的机理

烟草与其他作物合理间作或套作，可充分利用光能，减轻烟草某些病虫害，改善土壤理化性状，提高烟叶质量，对用地养地、解决粮烟争地矛盾及提高单位土地生产效益有积极意义。研究表明，间套作模式对土壤理化性状改良、微生物群落结构改善、烟草化感作用等有重要影响。

3.1 间套作模式对土壤理化性状的改良合理的间套作种植模式能够改善作物矿质营养，均衡养分供应，避免作物间养分竞争。阳显斌等[42]研究发现，烟蒜套作模式较连作处理，土壤中有机质含量高，烟株根际土壤速效养分供应能力强，特别是对磷的活化利用。吴凯等[57]研究表明，烟草与富钾绿肥籽粒苋间作种植，可提高土壤中速效钾含量，对缓效钾含量影响不大；而籽粒苋翻压还田处理土壤速效钾含量显著高于不还田处理，且烟叶钾含量增加。时安东等[58]研究发现，连续6年采用年内间作，年间就地轮作的种植模式能显著改善土壤有效养分含量，保持各有效养分比例适宜，从而保证植株的养分需求。贾健等[46]研究发现，烟草套作处理的根际土壤蔗糖酶、脲酶、蛋白酶等的活性显著高于连作处理，但低于轮作处理。

间套作改善作物土壤养分供应的可能机理主要有：①根系分泌物中的有机酸类物质能够活化根际土壤中的磷、铁、钾等营养，将其转变为植物可以利用的营养；②根系分泌物或地上部的种间互作能诱导作物的根系构型和矿质营养吸收相关基因的表达发生变化，形成空间上的营养生态位互补，增强根系吸收矿质营养的能力，充分利用土壤营养资源；③改变土壤生物多样性(土壤动物和微生物)，而土壤的生物多样性能够促进作物矿质养分的吸收；④提高了土壤中某些酶活性，促进了有机氮、磷向无机氮、磷的转化，提高了土壤无机氮、磷的浓度[59]。

3.2 间套作模式对土壤微生物群落结构的改善间套作的种植模式能改善土壤微生物群落数量、种类及稳定性，改善作物根际微环境，降低病害发生率，从而使土壤质量、作物的产量和品质等都有所改善[60-61]。涂勇等[62]研究表明，烤烟-大豆带状套作可显著增加作物根际土壤的细菌、放线菌及一些与土壤氮素代谢相关的功能性微生物数量，减少真菌数量，从而降低土传病害的发生率，改善土壤的代谢循环。李忠俊等[63]的研究同样发现，随着放线菌数量增多，某些有害菌生长受到抑制，病害发生率降低。冯俊喜等[64]研究发现，小麦-烤烟套作的土壤微生物多样性指数在各个取样时期均高于连作对照。张开虹等[65]研究表明，烟草与甘薯、丹参和大豆间作使根际细菌群落的丰富度提高。刘冰冰等[66]研究发现，5种香料作物与烤烟的间作明显增加了土壤根际土可培养细菌的多样性，薄荷、香茅草、香叶天竺葵间作类型在缓解烟草连作障碍方面具有优势。

大量研究发现，不同作物尤其是非寄主作物间套作种植可以有效限制病原体和有害物质的传播和繁殖；此外，由于作物根系分泌物、作物残体和根系残留物等在土壤中积累，使土壤微生物营养物质条件改变，从而影响了土壤中微生物的种类、数量及多样性[67-68]。

3.3 间套作作物对烟草的化感作用与单作相比，间套作模式中由于另一种作物的存在，丰富了根系分泌物的种类、数量和组分，减少了烟草自毒物质的积累，同时，由于烟草与低位作物处于同一时空条件下，间套作作物更容易对烟草产生化感作用。薛超群等[69]研究发现，烟草间作花生、黑麦草、大蒜等作物均可降低黑胫病菌数量和病情指数，其中烟草间作大蒜对烟草黑胫病防控效果最显著；而大蒜根系分泌物中被证明具有抑制黑胫病菌生长的苯并噻唑、二烯丙基二硫醚、烯丙基甲基二硫醚等物质[54]。周德海等[70]发现秦烟96 与桔梗连续间作3年后，对烟草黑胫病的控制效果明显，其中一个原因可能是两种作物的根系发生交互作用产生了某些物质抑制了病害的发生。赵新梅等[53]研究发现，玄参和川明参这两种药材均可与烟草进行轮(间套)作，前者的水浸液对烟草幼苗的生长表现出双重浓度效应，后者虽对烟草幼苗生长的影响不大，但偏向促进作用。徐洁等[71]通过烟草-玫瑰的间作种植模式发现，玫瑰散发的某些香气物质可能会促进烟草中PR2和24K类萌发素蛋白等防卫反应蛋白的表达，从而增强烟株的抗病性，但此研究还发现，玫瑰香气会使烟草的光合作用降低，从而抑制烟株的生长发育。李枝桦等[72]研究发现，烟草与香原料作物(薰衣草、迷迭香、香叶天竺葵等)间作后，香原料植物的部分致香物质转移到烟叶，导致间作烟叶致香物质种类多于对照。

间套作系统通过根系分泌物、土壤微环境、根系构型变化、冠层结构等对烟叶生长、质量产生有利影响，其中根系分泌物发挥了重要纽带作用。

4 问题与展望

构建合理的烟草轮作、间作或套作种植模式，通过土壤理化性状改良、微生物群落结构改善、作物的化感作用等，能够有效缓解防治连作障碍问题，提高烟叶产量、品质。作物根系分泌物在介导作物-作物、作物-土壤、作物-微生物等的相互作用中有着重要作用[47]。目前有关烟草与其他作物轮作、间作及套作种植模式的研究众多，针对轮间套作模式防治连作障碍的机理，大多从土壤养分、酶活性、微生物群落结构改善等方面进行探讨，缺乏系统的机理研究，特别是对烟草与其他作物的根系分泌物在其中发挥的串联介导作用研究较少。根系分泌物是植物与周围环境进行物质交换、信号传递的重要媒介，研究由根系分泌物介导的植物-土壤-微生物三者之间的根际相互关系或称之根际对话机制已成为当前国内外优先研究的重要领域[21]。相比烟草连作模式，烟草轮间套作种植模式具有更好的生态效益，但目前产区推广应用比例仍较低，主要是因为对种植模式作用机理的研究不透彻导致轮间套作模式构建不够合理，经济效益不理想，烟农较难接受。因此，在未来的研究中，应重点注意以下几个方面：①烟草与搭配作物根系分泌物化感直接作用的研究。目前众多研究中仅对少数几种搭配作物进行了探索，而对其他搭配作物根系分泌物与烟草之间的相互化感作用研究较少。②加强烟草根系分泌与植株、土壤、微生物相互作用机制的研究。目前研究表明，根系分泌物在植株-土壤-微生物的互作体系内起重要的纽带作用，相比其他作物，烟草中关于此方面的研究较少。明确烟草轮间套作体系下根系分泌物的种类、浓度及其对土壤、微生物等产生作用的机理，是解决烟草连作障碍问题的关键。