生物炭在緩解蘭州百合連作障礙中的應用研究進展

達艷鳳 崔佳佳 張恩和

摘要? ? 針對蘭州百合連作障礙造成的產量及品質下降等問題，歸納了現有農藝技術、化學藥品、微生物制劑等措施對緩解連作障礙的效應，基于農藝技術緩解連作障礙周期長、見效慢，而化學藥品使用對生態環境具有負面影響等缺點，分析了生物炭在緩解連作障礙中的可能機制及其在蘭州百合生產中的應用前景，以期在蘭州百合連作障礙緩解方面探索出新技術、新方法，為構建蘭州百合綠色生產提供理論依據和技術支撐。

關鍵詞? ? 蘭州百合;連作障礙;生物炭;綠色生產

中圖分類號? ? S682.2+9? ? ? ? 文獻標識碼? ? A

文章編號? ?1007-5739（2020）11-0059-03? ? ? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

Biochar? Application? Advance? on? Alleviating? Continuous? Cropping? Obstacles? of? Lanzhou? Lily

DA Yan-feng? ? CUI Jia-jia? ? ZHANG En-he *

（Agronomy College，Gansu Agricultral University，Lanzhou Gansu 730070）

Abstract? ? In order to solve the problems of yield and quality degradation caused by continuous cropping obstacles in Lanzhou lily，the effects of existing agronomic technology，chemicals and microbiological preparations on alleviating the continuous cropping obstacles were summarized.Based on the disadvantages of agronomic technology，such as long cycle，slow effect，and negative effect of chemical use on ecological environment，the possible mechanism of biochar in alleviating continuous cropping obstacles and its application prospect in Lanzhou lily production were analyzed.That is aim to explore new technologies and new methods to alleviate the continuous cropping obstacle of Lanzhou lily，and to provide theoretical basis and technical support for constructing green production of Lanzhou lily.

Key words? ? Lanzhou lily;continuous cropping obstacle;biochar;green production

蘭州百合（Lilium davidii Duch.Var.unicolor Cotton）是國家地理標志產品，具有較高的食用價值和藥用價值，因其屬于典型的狹域性分布植物，僅適宜種植在甘肅中部蘭州周邊二陰山區[1]。因市場需求及特色產業的迅速發展，在經濟效益驅動下，蘭州百合種植面積迅速擴張，由于耕地資源有限，輪作倒茬困難，商品種球形成周期長以及根系的“跳根”現象，連作障礙日趨嚴重，產量和品質持續下降等問題日趨嚴重[2]。與歷史高產時期相比，蘭州百合產量下降了33.3%，獨頭率下降了42.8%以上，對蘭州百合產業的發展造成了嚴重威脅[3]。因此，連作障礙已成為蘭州百合產業發展亟待解決的障礙因子。

輪作倒茬、間作、套作等農藝技術對連作障礙的緩解作用已經得到廣泛證實，然而這類技術對連作障礙的作用見效周期比較長，加之土地資源受限，在經濟效益的驅動下往往被種植者忽視[4-5]。目前，在生產中主要依賴化學藥劑防治百合連作造成的病蟲害，這種方法不僅不能從根本上解決連作障礙，反而造成土壤污染等問題[6]。生物炭對土壤質量以及植物根部環境產生積極的改善作用，進而抑制植物土傳病害的發生，因符合低碳、循環、可持續發展的要求得到了研究者的廣泛關注[7-8]。但是生物炭技術在蘭州百合連作障礙防治中的應用尚不成熟，缺乏充分的理論支撐和實踐借鑒。

鑒于現有蘭州百合連作障礙防治技術周期長、防效低、見效慢、應用難度較大等問題，本文在分析藥用植物連作障礙產生的原因基礎上，歸納了現有連作障礙調控技術效果及不足，分析生物炭緩解蘭州百合連作障礙的可能機理及應用前景，以期為蘭州百合連作障礙緩解技術的改良提供科學依據，更好地推動特色農產品產業發展。

1? ? 藥用植物連作障礙產生的原因

我國常用和大宗藥材的70%左右通過人工栽培獲得，許多藥用植物在種植過程中表現出不同程度的連作障礙，對其產量和品質的影響較大，如百合、三七（Panax notoginseng（Burk.）F.H.Chen）、人參（Panax ginseng C.A.Mey）、地黃（Digitalis purpurea L.）等中藥材尤為嚴重[9]。藥用植物連作障礙是許多因素綜合作用的表現，不同植物產生連作障礙的原因也不盡相同。

1.1? ? 土壤化學性質的改變

由于各類植物對土壤中的營養元素偏好不同，長期連作會造成某些養分的缺素或富集，土壤養分失衡從而影響植物的正常生長。三七對土壤銅、鈣、鎂元素吸收量較大，種植3年后會造成這3類元素含量顯著降低，但是鐵、錳、鉀、鈉在土壤中產生富集，品質也會受到影響[10]。百合連作中會造成土壤速效鉀和pH值顯著降低、磷元素富集的現象，鉀的嚴重虧缺可能是引起百合連作障礙的重要因素[11]。浙貝母（Bulbus fritillariae thunbergii L.）也因其連作年限的增加造成土壤速效氮、速效磷及速效鉀含量顯著降低，土壤有機質含量升高，土壤呈酸化趨勢[12]。

1.2? ? 土傳病蟲害加重

一般來講，土傳病蟲害的侵染和發生具有專一性，長期連作會導致有害微生物、病原菌和蟲害的累積，導致土壤生物環境惡化。人參長期連作造成銹腐病、立枯病、菌核病、線蟲等累積，加重了人參爛根病，導致人參品質下降[13]。土壤中細菌和真菌數量隨地黃連作年限的增加呈減少趨勢，而放線菌數量增多，連作2年的土壤中的放線菌約是連作1年的4倍[14]。

1.3? ? 自毒作用的危害

自毒作用是指植物（或微生物）通過地上部淋溶揮發、根系分泌物或殘體分解，向環境中釋放化學物質，對同種類型植物種子萌發和植株生長造成抑制作用[15]。耕地資源的有限性加之藥材多年生、根系入藥等特點，多年連作導致許多藥用植物種植中產生自毒作用，嚴重影響了中藥材的可持續生產[16]。作物的初生根和次生根根端在生長過程中不同程度地向土壤釋放化感物質，且以酚酸類為主，這些分泌物會影響作物本身胚根和幼苗的生長，甚至會引起根部腐爛、病蟲害加重及產量、品質下降[17-18]。植物殘體在土壤中的分解轉化也會釋放有毒物質，對相鄰或下茬作物產生抑制作用[19]。

2? ? 連作障礙調控技術研究進展

在連作障礙的研究和生產中，通過加強連作地田間管理水平、化學藥劑消減自毒作用，改善連作土壤理化性狀及微生物環境，以期調控連作障礙對植物生長的抑制，提高藥材產量和品質。

2.1? ? 調整種植制度

實踐證明，輪作可有效均衡利用土壤中的營養物質、改善土壤理化特性、免除和減少病蟲害，消減連作障礙。百合與水稻輪作可顯著減少蠐螬的數量和蟲害程度[20]。太子參與水稻輪作較重茬太子參產量提高了50%以上，有效緩解了連作障礙[21]。但是，輪作倒茬的實施往往受到市場利益驅動、土地資源有限、輪作年限較長的限制，如蘭州百合輪作倒茬消除連作障礙一般需要4～5年，導致生產者難以接受。因此，有研究者提出，輪作倒茬與間作搭配以縮短消除連作障礙的周期，可通過提高寄主抗性、改變土壤生物環境、改善土壤理化性狀等消減連作障礙的危害[22-23]。

2.2? ? 合理栽培措施

選用優良品種、合理施肥制度等科學的栽培措施對連作障礙也有一定的緩解作用。很多植物存在嚴重的化感自毒作用，但是同一植物不同品種的自毒作用存在差異，有些品種化感自毒作用很弱，有些品種則很強，忌連作。對經濟作物紫花苜蓿（Medicago sativa L.）化感自毒作用的研究表明，由于不同品種的紫花苜蓿植株中自毒物質含量不同，其自毒作用強弱也存在差異[24]。

不同品種之間化感自毒作用差異的研究多集中在糧食作物、經濟作物以及園藝作物中，針對藥用植物的研究還相對較少，搜集并篩選自毒作用弱的藥用植物品種是緩解藥用植物連作障礙的有效方法[25-27]。此外，通過合理施肥能平衡土壤養分，改善土壤結構，調整微生物群落結構，達到緩解連作障礙的目的。

三七連作土壤中腐殖質和速效鉀含量大幅度下降，而其他元素的含量則不同程度地上升，高鉀低氮的施肥方式有利于提高三七總生物量和產量[28]。合理施用有機肥也能有效緩解藥用植物連作障礙，在連續種植3 年白術的土壤中施用蠶沙發酵有機肥，能顯著提高白術產量及質量[29]。因此，在生產中，由于有機肥、無機肥各自的缺陷，故不能局限于單種肥料的施用，應針對每個藥用植物特性，選配出合適的有機肥-無機肥施肥配方，緩解藥用植物連作障礙。在實際生產過程中，可以通過灌水、曬田、精耕細作等方式，降低土壤中的化感自毒物質含量以及致病菌、害蟲蟲源等。

2.3? ? 土壤環境改良

連作條件下，土壤中病原菌數量增加，導致作物土傳病害加重[30]。在農業生產中，可通過土壤消毒的方法抑制連作土壤病原菌，減少作物土傳病害?？梢韵蛲寥乐惺┘愚r藥或者化學藥品（溴甲烷、甲醛及過氧乙酸等）來殺滅土壤中的病原菌，以達到增產的目的，但是過多施用化學藥品會導致環境污染，不利于生態農業的發展[31]。強還原土壤滅菌方法是一種對土壤滅菌的新方法，主要是通過向土壤中添加有機物，然后灌水和覆膜，以制造強還原環境，從而降低土壤中病原微生物的數量，改善土壤結構，緩解連作障礙[32]。目前，關于強還原土壤滅菌的研究多集中在園藝作物上，鮮有關于其在緩解藥用植物連作障礙方面的研究。

土壤微生物在植物養分吸收與利用方面占據了重要地位。一方面，土壤微生物可以通過直接改變植物根系形態及生理來影響根系對養分的吸收;另一方面，土壤微生物通過分解有機物等途徑釋放土壤養分，從而改善植物根際微生態[33]。外源施加微生物菌劑能改善當歸根際土壤養分含量和微生物群落結構，進而影響當歸幼苗的養分吸收效率，提高當歸育苗質量[34]。此外，土壤微生物能夠降解土壤中的化感自毒物質，抑制病原菌生長[35-36]。從人參根際土中篩選出的5種能降解人參中主要化感自毒物質的細菌，對棕櫚酸、鄰苯二甲酸二異丁酯以及丁二酸二異丁酯等有明顯的降解作用，其降解液對人參幼苗生長的抑制作用減小[35]。然而，目前關于微生物制劑緩解藥用植物化感自毒作用的研究尚處于起步階段，微生物制劑種類也相對較少。

3? ? 生物炭緩解連作障礙機制及其在蘭州百合中的應用前景

生物炭是一種有機碳含量高、多孔性、堿性、吸附能力強、多用途的材料[36]。農作物秸稈、廢棄樹枝、養殖業固體廢棄物等都可以作為生產生物炭的原料，以生物炭制備取代農林廢棄物焚燒可有效減少農田溫室氣體排放，增加“農業碳匯”，減少農業面源污染。因此，生物炭在綠色農業發展中的應用前景廣闊[8]。

研究者在生物炭影響土壤理化性狀、改變土壤微生物數量和群落結構、影響土壤病原菌數量、吸附植物根系產生的化感物質及病原菌分泌的致病因子和誘導植物抗病性等方面作了一些研究，從不同方面證明、揭示了生物炭防控土傳病害的作用和機理[36-38]。這些研究結果對應用生物炭緩解蘭州百合連作障礙具有重要的理論支撐作用。

3.1? ? 生物炭對土壤理化性狀的改善

生物炭具備較大的比表面積和多孔特性，有利于提高土壤孔隙度，降低土壤容重和緊實度，增強土壤持水能力，改善了植物生長的土壤環境，在粉砂土壤中施用25 g/kg生物炭可使土壤容重降低12.3%，從而降低土壤緊實度[39]。生物炭特有的理化特性使其賦有較強的吸附能力和較大的離子交換量，增強了土壤養分的固持能力[40]。有研究證明，木材生物炭通過增加土壤對氮素的吸附性而提高了植物對氮素的利用率[37]。另外，生物炭中含有堿性物質，且可通過鹽基離子交換降低土壤中的氫離子，因而能有效提高土壤pH值，對促進土壤微生物活性、抑制病原菌生長、提高作物養分利用效率有積極作用[38-39]。因此，通過施用生物炭調節土壤理化性狀，改善蘭州百合生長的土壤環境，緩解連作障礙是可能的。

3.2? ? 生物炭對土壤微生物的影響

生物炭對土壤微生物環境的影響對連作障礙起到調節作用。生物炭的多孔性為土壤微生物提供生存繁殖的棲息地，并且對土壤微生物起到保護作用，顯著提高土壤微生物數量和活性[41]。土壤中施用生物炭促進多種可有效抑制植物病害的有益微生物生長，如革蘭氏陰性細菌、放線菌、酵母菌等的數量，均隨生物炭的添加而顯著增加[42]。土壤微生物群落結構對生物炭的添加也表現出積極的響應，細菌因生物炭吸附作用而避免被沖離土壤，從而增加了土壤細菌豐度，添加生物炭可使黑土中的細菌多樣性增加25%[43]?？梢酝茰y，生物炭對土壤微生物群落結構的影響，必然對土壤中病原菌的增殖和侵染以及植物的生長和抗病性能等方面有所影響。針對生物炭改變土壤微生物群落結構及有益微生物數量的影響，從而增強蘭州百合抗病性乃至緩解連作障礙方面有待進一步研究。

3.3? ? 生物炭對根系分泌物的吸附作用

生物炭因其較強的吸附能力，可能通過吸附根系分泌物、病原菌分泌物等有機物質抑制土傳病原菌對植物的侵染。但是，目前關于生物炭吸附根系分泌物的相關研究未見報道，對于生物炭吸附土壤外源化感物質以及植株浸提液中化感物質的相關研究較多。苯乙烯酸、香豆酸和阿魏酸等化感物質能降低叢枝菌根真菌在植物根部的定殖，而土壤施用3%生物炭能消除這種影響[44]。通過生物炭處理24 h后，可顯著降低玉米（Zea mays L.）植株浸提液對玉米種子胚根生長的抑制作用，胚根長度較未添加生物炭處理增加6～12倍[45]。小麥秸稈生物炭處理對辣椒葉浸提液產生的自毒作用也有顯著的抑制作用[8]。由此可見，在土壤中適量施用生物炭，可能是緩解蘭州百合自毒作用的有效措施。

4? ? 結語

前人對關于種植業中連作障礙形成機理及調控技術的研究做了大量工作，提出了如輪作倒茬、間作、土壤微生物菌劑、土壤改良劑等方法來調控連作障礙對各類植物的危害，以促進連作植物的生長[46]。但是，現有調控技術的見效周期及造成的生態問題尚有爭議。生物炭技術是一種實現農林廢棄物碳化還田行之有效的新型技術，研究生物炭對連作蘭州百合生長的促進效應，挖掘生物炭對蘭州百合連作障礙的緩解作用，對這一特色產業綠色永續發展具有重要的意義。

5? ? 參考文獻

[1] 徐學軍，梁玉文，胡相莉.百合新品種蘭州百合1號[J].中國蔬菜，2010，1（13）：30-31.

[2] 樊生豐，師桂英，李麗，等.蘭州百合土壤浸提液對不同作物的化感作用[J].甘肅農業大學學報，2018，53（1）：78-82.

[3] 張元英.淺議蘭州百合產量和品質下降問題[J].農民致富之友，2016（20）：96.

[4] 張琳，王曉，史國玉，等.中藥連作障礙形成及其時空效應理論探討[J].現代中藥研究與實踐，2014（5）：78-83.

[5] 陳玲，董坤，楊智仙，等.連作障礙中化感自毒效應及間作緩解機理[J].中國農學通報，2017，33（8）：91-98.

[6] 孫躍春，林淑芳，黃璐琦，等.藥用植物自毒作用及調控措施[J].中國中藥雜志，2011，36（4）：1-5.

[7] 陳溫福，張偉明，孟軍.農用生物炭研究進展與前景[J].中國農業科學，2013，46（16）：3324-3333.

[8] 馬艷，王光飛.生物炭防控植物土傳病害研究進展[J].中國土壤與肥料，2014（6）：14-20.

[9] 張敏，談獻和，張瑜，等.中藥材連作障礙[J].現代中藥研究與實踐，2012，26（1）：83-85.

[10] 簡在友，王文全，游佩進.三七連作土壤元素含量分析[J].中國現代中藥，2009，11（4）：10-11.

[11] 喻敏，余均沃，曹培根，等.百合連作土壤養分及物理性狀分析[J].土壤通報，2004，35（3）：377-379.

[12] 廖海兵，李云霞，邵晶晶，等.連作對浙貝母生長及土壤性質的影響[J].生態學雜志，2011，30（10）：2203-2208.

[13] 蔣國斌，談獻和.中藥材連作障礙原因及防治途徑研究[J].中國野生植物資源，2007，26（6）：32-34.

[14] 陳慧，郝慧榮，熊君，等.地黃連作對根際微生物區系及土壤酶活性的影響[J].應用生態學報，2007，18（12）：2755-2759.

[15] MCGEER P L，MCGEER E G.Autotoxicity and Alzheimer disease[J].Arch Neurol，2000，57（6）：789-790.

[16] 孫躍春，林淑芳，黃璐琦，等.藥用植物自毒作用及調控措施[J].中國中藥雜志，2011，36（4）：1-5.

[17] 李美，高興祥，高宗軍，等.艾蒿對不同植物幼苗的化感作用初探[J].草業學報，2010，19（6）：114-119.

[18] 袁云云，咸洪泉，洪永聰，等.花生根系分泌物的鑒定及其化感效應分析[J].花生學報，2011，40（3）：24-29.

[19] 張新慧，郎多勇，張恩和.當歸根際土壤水浸液的自毒作用研究及化感物質的鑒定[J].中草藥，2010，41（12）：2063-2066.

[20] 李澤森，何衛蓉，彭建波，等.水旱輪作對龍山百合病蟲草害的控制效應[J].現代園藝，2013（18）：9-10.

[21] 吳林坤，吳紅淼，朱銓，等.不同改良措施對太子參根際土壤酚酸含量及特異菌群的影響[J].應用生態學報，2016，27（11）：3623-3630.

[22] 侯慧，董坤，楊智仙，等.間作系統根-土互作與連作障礙緩解機制[J].中國農學通報，2016，32（29）：105-112.

[23] 唐藝玲，雷曉青，李雪芹，等.中藥材與其他植物間作的效益及機理研究進展[J].中藥材，2019，42（3）：693-697.

[24] 羅小勇，孫娟. 23種紫花苜蓿不同品種及器官間化感活性差異的研究[J].草業學報，2012，21（2）：83-91.

[25] 董艷，董坤，鄭毅，等.不同抗性蠶豆品種根系分泌物對枯萎病菌的化感作用及根系分泌物組分分析[J].中國生態農業學報，2014，22（3）：292-299.

[26] 許露露，潘文杰，張國平.煙草自毒效應的品種間差異研究[J].浙江大學學報（農業與生命科學版），2012，38（2）：119-126.

[27] 趙緒生，齊永志，甄文超.不同抗連作障礙品種草莓根系分泌物化感物質差異分析及其化感效應[J].河北農業大學學報，2012，35（3）：100-105.

[28] 歐小宏，金航，郭蘭萍，等.平衡施肥及土壤改良劑對連作條件下三七生長與產量的影響[J].中國中藥雜志，2012，37（13）：1905-1911.

[29] 王博林，倪方方，徐建中，等.蠶沙發酵肥對連作白術產量和品質的影響[J].浙江中醫藥大學學報，2016，40（4）：258-264.

[30] 袁玉娟，胡江，凌寧，等.施用不同生物有機肥對連作黃瓜枯萎病防治效果及其機理初探[J].植物營養與肥料學報，2014（2）：372-379.

[31] 劉星，張書樂，劉國鋒，等.土壤生物消毒對甘肅省中部沿黃灌區馬鈴薯連作障礙的防控效果[J].應用生態學報，2015，26（4）：1205-1214.

[32] 朱同彬，孫盼盼，黨琦，等.淹水添加有機物料改良退化設施蔬菜地土壤[J].土壤學報，2014（2）：335-341.

[33] 沈仁芳，趙學強.土壤微生物在植物獲得養分中的作用[J].生態學報，2015，35（20）：6584-6591.

[34] 祝英，彭軼楠，鞏曉芳，等.不同微生物菌劑對當歸苗生長及根際土微生物和養分的影響[J].應用與環境生物學報，2017（3）：511-519.

[35] 李勇，龍期良，丁萬隆，等.微生物降解對人參自毒作用的緩解效應[J].中國中藥雜志，2014，39（15）：2868.

[36] 孫廣正，姚拓，劉婷，等.植物根際促生菌對3種土傳真菌病害病原的抑制作用[J].微生物學通報，2014，41（11）：2293-2300.

[37] HIDETOSHI A，BENJAMINK S，HAEFELEM S，et al.Biochar amend-ment techniques for upland rice production in Northern Laos：1.soil physical properties，leaf SPAD and grain yield[J].Field Crops Research，2009，111（1）：81-84.

[38] STEINER C，GLASER B，GERALDES T W，et al.Nitrogen retention and plant uptake on a highly weathered central Amazonian Ferralsol amended with compost and charcoal[J].Journal of Plant Nutrition and Soil Science，2008，171（6）：893-899.

[39] GRABER E R，HAREL Y M，KOLTON M，et al.Biochar impact on development and productivity of pepper and tomato grown in fertigated soilless media[J].Plant & Soil，2010，337（1/2）：481-496.

[40] PEAKE L R，REID B J，TANG X.Quantifying the influence of biochar on the physical and hydrological properties of dissimilar soils[J].Geoderma，2014，235/236：182-190.

[41] TAGHIZADEHTOOSI A，CLOUGH T J，SHERLOCK R R，et al.Biochar adsorbed ammonia is bioavailable.[J].Plant & Soil，2012，350（1/2）：57-69.

[42] WARNOCK D D，LEHMANN J，KUYPER T W，et al.Mycorrhizal resp-onses to biochar in soil-concepts and mechanisms[J].Plant & Soil，2007， 300（1/2）：9-20.

[43] ELAD Y，DAVID D R，HAREL Y M，et al.Induction of systemic resista-nce in plants by biochar，a soil-applied carbon sequestering agent.[J].Phytopathology，2010，100（9）：913-921.

[44] PIETIK？魧INEN J，KIIKKIL？魧 O，FRITZE H.Charcoal as a Habitat for microbes and its effect on the microbial community of the underlying humus[J].Oikos，2000，89（2）：231-242.

[45] ELMER W H，PIGNATELLO J J.Effect of biochar amendments on myc-orrhizal associations and fusarium crown and root rot of asparagus in replant soils[J].Plant Disease，2011，95（95）：960-966.

[46] ROGOVSKA N，LAIRD D，CRUSE R M，et al.Germination tests for ass-essing biochar quality[J].Journal of Environmental Quality，2012，41（4）：1014-1022.

基金項目? ?國家自然科學基金（31560380）;甘肅省高等學校創新能力提升項目（2019A-072）;甘肅農業大學校級自列項目（GSAU-ZL2015-007）。

作者簡介? ?達艷鳳（1991-），女，甘肅敦煌人，在讀碩士研究生。研究方向：中藥材栽培與質量評價。

通信作者

收稿日期? ?2020-02-21