輪作制度對土壤生態的影響研究進展
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摘要 單一作物連作方式易造成土壤質量下降、土壤環境惡劣、田間害蟲增加、作物出現新的病害等，嚴重影響作物的安全性。作物輪作方式則具有增加生物多樣性、減少土壤侵蝕、改善土壤肥力和土壤結構、提高土壤酶活性、提高作物產量、利于進行病蟲害管理以及田間除草等優點。本文闡述了輪作對土壤理化性質、土壤酶活性、土壤微生物多樣性、土傳病害等土壤特性的影響，并綜述了輪作制度土壤生態影響的研究現狀，以期為有效緩解連作障礙提供參考。
關鍵詞 輪作;連作障礙;土壤結構;土壤生態
中圖分類號 S344.1 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2019）06-0154-02
Abstract Continuous cropping of single crop is liable to cause soil quality decline，poor soil environment，increase of field pests，emergence of new diseases of crops，so it seriously affects the crop safety. Crop rotation has the advantages of increasing biodiversity，reducing soil erosion，improving soil fertility and soil structure，increasing soil enzyme activity，increasing crop yield，facilitating the management of pests，diseases and weeding in the field. The effects of crop rotation on soil physical and chemical properties，soil enzyme activities，soil microbial diversity，soil-borne diseases and other soil characteristics were discussed in this paper. The current research status of soil ecological impacts of rotation system was summarized，in order to provide reference for effectively alleviating continuous cropping obstacles.
Key words rotation;continuous cropping obstacle;soil structure;soil ecology
作物長期連作會造成養分過分積累或過度消耗，長勢減弱，產量和品質降低，而且會出現病蟲害加重現象，即所謂的連作障礙。連作障礙在農業生產中普遍存在，已經引起人們的高度重視，因而需要構建有效克服連作障礙的種植模式，從而為作物產業發展提供理論和技術支撐，有效緩解連作障礙。作物輪作是一種可以有效避免連作障礙的種植模式，可以改善土壤環境，維持土壤生境平衡，減少蟲害以及土傳病害等。呂 毅等[1]發現通過輪作不同植物對連作土壤環境和平邑甜茶幼苗根系影響差異較大，輪作小麥和小蔥使土壤有機質含量得到了增加，輪作馬鈴薯使土壤速效氮、速效磷及有效銅、鐵、鋅的含量顯著增加，輪作小蔥、小麥、花生均能增加土壤細菌總量，同時降低土壤中有害真菌數量，特別是輪作小蔥，不僅加大了土壤中細菌與真菌的比值，同時還能降低土壤中酚酸類物質總量，并且提高了根系保護性酶活性。李 威等[2]通過在大棚輪作蒜苗、白菜和萵苣，發現均能顯著增加土壤中的微生物總量、細菌數量，同時細菌與真菌的比例增大，真菌數量減少;基質中蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性也都表現較高水平。無論在大田還是大棚，輪作都能明顯改善土壤結構、減弱連作障礙，進而提高作物產量和品質。
1 輪作對土壤特性的影響
1.1 輪作對土壤理化性質的影響
土壤是作物生長的基地，為作物提供養料和生長所需的物質。土壤的pH值、EC值、有機質、養分等均從一定程度上反映了土壤質量狀況。長期連作會改變土壤理化性質，造成作物病害和減產。輪作可以在一定程度上改善土壤理化性質。
作物生長需要在一定的土壤酸堿環境下進行，長期連作致使土壤pH值降低，造成土壤酸化。通過作物輪作的方式，可有效提高土壤pH值。徐 寧等[3]通過輪作不同蔬菜發現，輪作大蔥和苦瓜可提高土壤pH值，降低土壤酸化程度，為黃瓜生長提供適宜環境。王克磊等[4]通過大田試驗得出，輪作可以使土壤pH值上升0.9，有效調節了土壤酸堿度，減緩土壤酸化過程。土壤EC值即土壤電導率，其大小能夠反映土壤中混合鹽的含量，并從一定程度反映出土壤污染狀況。土壤EC值過高，即土壤外界環境中鹽分過高，致使植株根系受損，不能正常吸收水分和營養，導致植株出現萎蔫、黃化、組織壞死或植株矮小等癥狀。徐 寧等[3]和王克磊等[4]發現，通過作物輪作，均可降低土壤EC值，有效防止土壤出現次生鹽漬化現象。
土壤有機質、有效氮、有效磷、有效鉀等成分是作物生長不可或缺的營養物質，缺少則導致作物不能正常生長，出現病害等現象。除了施肥外，近幾年研究者紛紛通過輪作方式來提高土壤的有效成分。蘭 廷等[5]通過田間試驗研究不同綠肥輪作模式效果，結果發現綠肥輪作各處理的土壤有機質、堿解氮和速效鉀均顯著高于對照處理，增加幅度分別為8.73%～15.59%、11.79%～19.64%和5.80%～37.19%。陳丹梅等[6]研究表明，烤煙—油菜—玉米、烤煙—油菜—水稻、烤煙—苕子—水稻均能提高土壤有機質含量，增幅為16.26%～45.14%，其中烤煙—苕子—水稻輪作模式增幅最為顯著。與原始土壤比較，烤煙—油菜—玉米、烤煙—油菜—水稻輪作模式的有效氮分別提高了10.0%和32.5%;在輪作處理的土壤中，有效磷含量均得到了增加，相比原始土壤提高了1.13～3.67倍。 1.2 輪作對土壤酶活性的影響
土壤酶是一種具有催化功能的蛋白質，其來源于植物的根系分泌物和土壤微生物以及動植物殘體的分解，其活性高低可以反映土壤中各種生物化學反應的強度和方向[7]。常見土壤酶有脲酶、蔗糖酶、磷酸酶、過氧化氫酶等。脲酶是一種能夠特異性地催化尿素水解釋放出氨和二氧化碳的酶，是土壤中氮素來源的催化劑。蔗糖酶催化蔗糖水解生成葡萄糖和果糖，其活性能夠反映有機碳的分解與轉化效率。磷酸酶可加速有機磷的脫磷速度，根據其所處酸堿環境分為堿性磷酸酶、中性磷酸酶和酸性磷酸酶，其活性能夠反映土壤磷素的生物轉化方向和強度。過氧化氫酶是分解作物有害自由基的一種活性酶，其活性能夠反映土壤呼吸強度的大小。
長期連作會降低土壤酶活性，輪作模式可使土壤酶活性得到進一步發揮。秦舒浩等[8]通過大田試驗發現，與連作馬鈴薯比較，輪作豆科植物使連作田土壤脲酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性均顯著提高。吳鳳芝等[9]采用盆栽試驗，通過在大棚對蔬菜進行輪作和連作，發現輪作土壤的過氧化氫酶、脲酶和轉化酶的活性顯著高于連作7年的土壤，并且發現，連作年限越長，過氧化氫酶、脲酶和轉化酶的活性降低越明顯。
1.3 輪作對土壤微生物多樣性的影響
土壤中微生物種類多、數量大，在土壤發育、作物生長過程中作用重大，其通過自身活動，促進土壤結構形成，分解有機質，調節植物生長，并且能夠降解殘留的有機農藥。土壤微生物是土壤生態系統的核心，其在參與調節土壤養分循環與能量流動方面具有廣泛作用。土壤微生物的種類和組成不同，對土壤酶活性的質和量都能引起差異[10]。
與大田連作比較，輪作后的大田，其在微生物種類和數量上，都能得到有效改善。鄧玉清等[11]對不同番茄輪作模式下土壤微生物多樣性進行研究發現，番茄與黃秋葵或花生輪作有利于增加土壤微生物多樣性，改變土壤細菌的種群結構，且輪作黃秋葵和花生都顯著增加了土壤中可培細菌、放線菌數量、微生物總量和細菌/真菌的值，降低了土壤可培養真菌的數量。細菌型是土壤肥力提高的標志，真菌型是土壤肥力降低的標志[12]。李 喆等[13]研究發現，在不同輪作方式下，煙田土壤微生物總量變化較大，輪作后土壤微生物總量顯著高于連作土壤。因此，在大田耕作過程中可以選擇不同種植制度和種植模式來調控土壤微生物，從而改善土壤肥力，提高作物產量和品質[14]。
1.4 輪作對土傳病害的影響
近年來，土傳病害對作物產量和質量造成了嚴重影響，已成為限制我國農業可持續發展的重要因素。土傳病害是指真菌、細菌、線蟲和病毒等病原體隨病殘體生活在土壤中，在條件適宜時，能從作物根部或莖部侵害作物，從而引起作物病害。土傳病害與空氣、水及種苗等傳播途徑的病害相比，其致病菌棲息于土壤中，難以根治，被稱為植物癌癥[15]。
土傳病害很多是由不同病原菌復合侵染的結果，其致害機理較為復雜。長年連作會引起嚴重的土傳病害，其致病機理是連作導致根系自身分泌的有害物質增多，這些有害物質不斷累積會引起土壤中有害微生物的數量增加、土壤酸堿度失調、土壤理化性質惡化，從而遏制了作物根系發揮正常功能[16-17]，最終引起土傳病害。Jin等[18]發現，烤煙長期連作使得黑脛病和赤星病的發病率提高，并降低了煙葉產量和質量。輪作在一定程度上能夠減輕土傳病害[19]。李亞莉等[20]發現，甜脆豆與胡麻和小麥輪作可以減輕根腐病的發生，而重、迎茬甜脆豆根腐病發病則較重。
2 輪作制度對土壤生態影響的研究現狀
為進一步改善土壤結構，從土壤這個根本上促進農作制度的創新發展，2016年中央各部聯合印發《探索實行耕地輪作休耕制度試點方案》。自此方案頒布實施以來，全國部分地區開始對耕地輪作制度進行探索研究?？傮w而言，輪作制度得到了較好地實施推廣。通過探索研究不同的輪作模式，在輪作范圍和面積上都得到了擴增，取得了較好的經濟效益、社會效益和生態效益。以云南省陸良縣為例，通過水旱輪作技術的大面積推廣，為糧食持續增產和農民持續增收節支提供了堅實的科技支撐。同時，結合新型技術，可節約水資源、減少環境污染、改善土壤環境，對可持續農業、生態農業及綠色農業的發展都具有極其重要的意義[21]。
雖然輪作制度得到了一定的實施推廣，但還存在不少問題，如面積不大、模式不優、管理不善、效益不高等，特別是輪作制度對土壤生境的改變，還沒有達到預期目標，并且由于地區環境的差異，加之作物輪作模式多樣化，使得輪作制度在土壤生態環境的研究過程中，對土壤各項生化指標、微生物指標和土壤病蟲害等指標的研究深入不夠。因此，還需在輪作對土壤特性的影響方面深入研究。通過探索新模式，提高農民對土壤這個根基的認識，進一步加強管理、科學規劃，加大惠農補農政策力度，從而調動農民積極性，讓創新在農田和農民這個“大舞臺”上落地生根，使得輪作制度在改善土壤生態環境方面得到最大程度地發揮，最終讓輪作制度從根本上成為一項增產提質、強農富農惠農的政策。
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