陳 慧, 楊志玲,①, 袁志林, 楊 旭, 劉小芳

(1. 中國林業(yè)科學研究院亞熱帶林業(yè)研究所, 浙江 富陽 311400; 2. 湖南省常寧市林業(yè)局, 湖南 常寧 421500)

中藥材白術是菊科(Compositae)植物白術(AtractylodesmacrocephalaKoidz.)的干燥根莖，具有護肝利膽、調(diào)節(jié)免疫、降低血壓和血糖等作用[1]，在江蘇、浙江、福建、江西、安徽、四川、湖北及湖南等地均有栽培[2]；浙江為其道地產(chǎn)區(qū)之一，其中又以金華磐安所產(chǎn)白術最為著名[3]，常年種植面積約12 km2，年產(chǎn)量約3 000 t，約占全國總產(chǎn)量的30%[4]。白術為宿根植物，具有極強的忌地性，不能重茬連作；即使在正常管理條件下，連作白術也容易得立枯病、根腐病、白絹病和斑枯病，發(fā)病率極高且呈逐年加重的趨勢[5]；白術病田死苗率為30%～40%，重病田死苗率達80%以上，甚至絕收[6]。病害頻發(fā)導致白術產(chǎn)量和品質(zhì)下降，給藥農(nóng)帶來了較大的經(jīng)濟損失。在生產(chǎn)實踐中，藥農(nóng)為了避免白術連作，常將1年生白術幼苗移栽至未種植過白術的土壤進行復種，且栽植過白術的土壤一般經(jīng)過3～5 a才可再植，導致土地資源極大浪費，影響白術主產(chǎn)區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

藥用植物在栽植過程中普遍出現(xiàn)連作障礙問題，尤其是根和根莖類藥材的連作障礙問題尤為突出，如北沙參(GlehnialittoralisFr. Schmidt ex Miq.)、太子參〔Pseudostellariaheterophylla(Miq.) Pax.〕、當歸〔Angelicasinensis(Oliv.) Diels.〕、大黃〔Ligulariaduciformis(C. Winkl.) Hand.-Mazz.〕、黃連(CoptischinensisFranch.)、三七〔Panaxnotoginseng(Burk.) F. H. Chen ex C. Y. Wu et K. M. Feng〕和人參(PanaxginsengC. A. Mey.)等藥材的種植[7]均存在此類問題。研究者對植物連作障礙的關注由來已久，但研究對象主要集中于作物、蔬菜及果樹。近年來，隨著中藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，藥用植物栽植過程中所產(chǎn)生的連作障礙問題日益突出，一些學者對其原因及機制進行了研究，且藥用植物連作引起的土壤環(huán)境惡化問題也成為研究的熱點[8]。黃泰康[9]認為：土傳病蟲害是導致人參連作障礙的主要原因，其他原因還包括連作土壤養(yǎng)分虧缺、土壤鹽分積累和土壤酸化等；劉德輝等[10]對常年種植丹參(SalviamiltiorrhizaBunge)和板藍根(WrightialaevisHook. f.)等藥材的農(nóng)田土壤肥力變化進行了研究，結(jié)果表明土壤有機質(zhì)、全氮、全磷和有效磷含量隨種植年限延長而減少，土壤養(yǎng)分比例失調(diào)；夏品華等[11]的研究結(jié)果顯示：不同連作年限太子參栽植土壤的養(yǎng)分失調(diào)、土壤微生物區(qū)系失衡、土壤主要酶活性發(fā)生改變，導致太子參連作障礙的主要原因可能為根系土壤微生態(tài)失衡。

白術為浙江磐安地區(qū)重要的經(jīng)濟作物，以往對白術的研究主要側(cè)重于良種選育和推廣以及農(nóng)藝栽培技術的改良[12-13]等方面，對白術連作障礙的成因及機制僅有少量研究報道。徐建中等[14]的研究結(jié)果顯示：白術栽植土壤的有機溶劑浸提液、幼苗根系分泌物及幼苗地上部分和地下部分水浸液對白術幼苗生長均有顯著抑制作用，推測白術自毒作用可能是導致其連作障礙的主要原因之一；安信伯等[15]的研究結(jié)果表明：重茬白術易患根腐病，所引起的死苗率達50%以上，重病田則達90%。植物連作障礙往往是多因素共同作用的結(jié)果，僅通過白術自毒作用及其病蟲害的研究并不能完全解釋白術連作障礙的成因，因而，必須從多方面(包括自身生物學特性、病蟲害及環(huán)境因子等)探討這一問題。

為此，作者以不同種植年限白術根際土壤為研究對象，分析根際土壤的部分理化指標、酶活性和微生物區(qū)系的變化，探討白術連作障礙與根際土壤理化性質(zhì)、酶活性和微生物變化的關系，以期為白術連作障礙機制的研究提供實驗依據(jù)，也為白術連作障礙問題的解決提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 樣品采集

1.1.1 材料和樣地概況 白術種子由浙江磐安中藥研究所提供，經(jīng)溫州大學生命與環(huán)境科學學院丁炳揚教授鑒定。

供試白術的種植樣地位于浙江省磐安縣園塘林場內(nèi)，為新墾山地，地理坐標為東經(jīng)120.57°、北緯28.98°,海拔893 m，樣地坡度25.8°，土壤為棕壤。

1.1.2 實驗設計及采樣方法 于2010年4月選擇面積約180 m2的新墾杉木〔Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.〕林地1塊，翻耕平整，翻土深度約20 cm；將樣地分成15個面積4 m×2 m的小區(qū)，小區(qū)間隔30 cm；將小區(qū)做成畦，畦高約15 cm，施足等量基肥。

2010年5月，按照隨機區(qū)組排列，隨機選擇5個小區(qū)播種白術種子(作為連續(xù)2 a種植小區(qū)，即每處理5個重復)，株行距為0.2 m；2011年5月，在剩余10個小區(qū)中隨機選擇5個小區(qū)進行播種(作為1 a種植小區(qū))，株行距為0.2 m，且播種數(shù)量與2010年相同；其余5個小區(qū)不進行播種(作為對照小區(qū))。實驗期間，所有小區(qū)(包括對照小區(qū))的水肥農(nóng)藝管理保持一致。

2012年7月，按五點取樣法采集各小區(qū)土壤。去除植株表層土，取出植株并抖落其根際土壤進行收集；同一小區(qū)的10株白術根際土壤混合均勻后作為1個土壤樣品，每小區(qū)分別收集3個土壤樣品。將土壤樣品放入無菌自封袋中，置于冰盒內(nèi)帶回實驗室。一部分土壤樣品風干后用于理化指標和酶活性測定，另一部分土壤樣品置于4 ℃冰箱內(nèi)保存，供土壤微生物數(shù)量測定。

1.2 測定方法

1.2.1 土壤中主要養(yǎng)分及元素含量的測定 參照文獻[16]的方法分別測定土壤pH值、有機質(zhì)含量、全氮含量、速效鉀含量、有效磷含量和交換性錳含量；采用ICP-AES法[17]測定有效鋁含量；采用浸提-原子吸收法[18]測定有效鐵和有效鉛含量。

1.2.2 土壤中細菌、真菌及放線菌數(shù)量統(tǒng)計 參照文獻[19]的方法對土壤中細菌、真菌及放線菌進行分離與計數(shù)。

1.2.3 土壤中脲酶、過氧化氫酶及蛋白酶活性測定 參照文獻[20]的方法分別測定土壤中脲酶、過氧化氫酶及蛋白酶活性。

每個土壤樣品以上各指標均重復測定3次。

1.3 數(shù)據(jù)處理和分析

采用SPSS 18.0統(tǒng)計分析軟件對測定數(shù)據(jù)進行單因素方差分析及差異顯著性分析。

2 結(jié)果和分析

2.1 不同種植年限白術根際土壤pH值及養(yǎng)分含量的變化

不同種植年限白術根際土壤pH值及養(yǎng)分含量的比較見表1。由表1可見：白術根際土壤pH值隨種植年限的增加而逐漸降低，2年生白術根際土壤pH值較對照顯著降低(P<0.05)，與1年生白術根際土壤pH值相比也有所降低，但未達到顯著水平(P>0.05)。白術根際土壤中的有機質(zhì)和全氮含量隨著種植年限的增加呈先升高后降低的趨勢，而速效鉀含量則呈逐漸升高的趨勢，但差異均不顯著；2年生白術根際土壤中有機質(zhì)和全氮含量分別比1年生白術根際土壤降低了8.80%和7.34%。而不同種植年限白術根際土壤的有效磷含量和C/N比變化不大，差異不顯著。

表1 不同種植年限白術根際土壤pH值及養(yǎng)分含量比較

2.2 不同種植年限白術根際土壤中部分金屬元素含量的變化

不同種植年限白術根際土壤中部分金屬元素含量的比較見表2。由表2可見：2年生白術根際土壤中有效鐵、有效鋁和交換性錳的含量均較對照極顯著增加(P<0.01)，分別增加了127.51%、18.38%和106.83%；與1年生白術根際土壤相比則分別增加了55.53%、14.35%和46.60%，差異達顯著(P<0.05)或極顯著水平。說明隨著種植年限的增加，有效鐵、有效鋁和交換性錳在白術根際土壤中積累明顯。而隨著白術種植年限的增加，根際土壤中有效鉛含量較低且變化不大。

2.3 不同種植年限白術根際土壤中脲酶、蛋白酶和過氧化氫酶活性的變化

不同種植年限白術根際土壤中脲酶、蛋白酶和過氧化氫酶活性的比較見表3。由表3可知：1年生白術根際土壤中脲酶和蛋白酶活性與對照相比差異不顯著(P>0.05)，2年生白術根際土壤中脲酶和蛋白酶活性均較對照和1年生白術根際土壤顯著下降(P<0.05)。隨著種植年限的增加白術根際土壤中過氧化氫酶活性逐漸降低，2年生白術根際土壤中過氧化氫酶活性與對照和1年生白術根際土壤相比分別下降19.50%和14.49%，差異分別達到極顯著(P<0.01)和顯著水平。因此，隨著白術栽植年限的增加，根際土壤中酶活性也發(fā)生改變，尤其是2年生白術根際土壤中酶活性顯著降低。

表2 不同種植年限白術根際土壤中部分金屬元素含量比較

表3 不同種植年限白術根際土壤中部分酶活性的比較

2.4 不同種植年限白術根際土壤中細菌、真菌及放線菌數(shù)量的變化

不同種植年限白術根際土壤中細菌、真菌和放線菌數(shù)量的比較見表4。由表4可見：1年生白術根際土壤中細菌和放線菌數(shù)量及微生物總量與對照相比均顯著增加(P<0.05)，但是2年生白術根際土壤中細菌和放線菌數(shù)量及微生物總量與1年生白術根際土壤相比顯著下降；而2年生白術根際土壤中真菌數(shù)量則較對照和1年生白術根際土壤中真菌數(shù)量顯著增加。根際土壤中微生物總量的變化趨勢與細菌、放線菌數(shù)量的變化趨勢相似，隨著白術栽植年限增加，其數(shù)量呈現(xiàn)倒“U”型趨勢，表現(xiàn)為先增長后減少。1年生白術根際土壤中真菌數(shù)量與對照相比差異很小，但是2年生白術根際土壤真菌數(shù)量顯著增加，與細菌和放線菌數(shù)量的變化趨勢相反。

表4 不同種植年限白術根際土壤中細菌、真菌和放線菌數(shù)量的比較

3 討 論

連作栽培常造成藥用植物生長發(fā)育變差、抗逆能力下降、同類病蟲害猖獗、藥材產(chǎn)量和質(zhì)量下降,嚴重者甚至導致植株死亡[21]。關于藥用植物連作障礙問題的相關研究已有較多報道，涉及的藥材有人參、地黃〔Rehmanniaglutinos(Gaetn.) Libosch. ex Fisch.et Mey.〕、三七和丹參等[22]。由土壤因素而引起的作物連作障礙是學者廣泛關注的熱點[23],具體集中在土壤理化性狀的改變、土壤生物學環(huán)境變化(包括土壤酶活性和土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化)等方面[21]。

本研究分析了不同種植年限白術根際土壤的理化性質(zhì)，研究結(jié)果表明：與1年生白術根際土壤相比，2年生白術根際土壤pH值降低，所取土樣的酸堿度均小于pH 5，表現(xiàn)出較強酸性。這與喻敏等[24]對連州百合(Liliumbrowniivar.viridulumBaker)連作田土壤pH值變化的研究結(jié)論相近。一些學者對丹參和附子(AconitumcarmichaeliDebx.)的相關研究也得出“隨著連作年限的增加，土壤有變酸的趨勢[25-26]”這一結(jié)論。同時，本研究結(jié)果還表明：2年生白術根際土壤中有效鐵、有效鋁和交換性錳的含量較對照顯著增加。竇森等[27]在研究栽參后的土壤化學性質(zhì)時也發(fā)現(xiàn)：栽參3年間土壤中的活性鐵、錳和鋁的含量提高，變化幅度分別為1.7%～33.2%、6.9%～36.7%和39%～99.8%。有研究證實：當土壤酸堿度低于pH 5時，高活性鋁離子的含量會隨著pH值的進一步降低迅速上升，嚴重制約植物生長，鋁毒害是酸性土壤中植物生長發(fā)育的主要限制因子[28]。另有研究表明：在土壤pH 4.5以下的條件下，溶解性鐵和錳含量大大增加，鐵和錳濃度的提高將對植物根系產(chǎn)生毒害[21]。此外，鋁等金屬元素大量積累，會使根生長嚴重受阻，側(cè)根和根毛數(shù)大為減少，根尖和側(cè)根變粗變短，根脆性增大[29]，容易產(chǎn)生一些根部病害，進而可能導致植物連作障礙。

與1年生白術根際土壤相比，2年生白術根際土壤中過氧化氫酶、脲酶和蛋白酶活性均呈顯著下降趨勢。這與廖海兵等[30]對浙貝母(FritillariathunbergiiMiq.)連作的相關研究結(jié)果非常相似。土壤酶活性通常作為表征土壤肥力的重要指標[31]。土壤中各類酶參與生物的呼吸代謝[32]，并通過酶促過氧化氫的分解，減少過氧化氫大量積累，防止過氧化氫對植物體產(chǎn)生毒害[33]。土壤中過氧化氫酶活性降低，使植物根部氧化脅迫加劇，進而破壞根部組織細胞壁和細胞膜，使根部組織更易受到病原菌的侵染，最終可能導致植物病害發(fā)生。土壤中脲酶和蛋白酶主要參與土壤氮素的轉(zhuǎn)化，保證植物順利獲得有效氮素營養(yǎng)。土壤中脲酶和蛋白酶活性下降，會使土壤中可利用氮素營養(yǎng)降低。隨著白術種植年限的增加，根際土壤中過氧化氫酶、脲酶和蛋白酶的活性也逐漸降低，影響土壤正常的生物化學過程。以上這些異常的生物化學過程可能導致土壤的養(yǎng)分轉(zhuǎn)化及其結(jié)構(gòu)改變，導致白術正常生長所需要的營養(yǎng)無法得到滿足，從而可能對白術生長發(fā)育產(chǎn)生不良影響，進而產(chǎn)生連作障礙。

本研究結(jié)果還顯示：白術栽植2 a后根際土壤微生物區(qū)系發(fā)生變化，主要表現(xiàn)為土壤中細菌數(shù)量減少、真菌數(shù)量增多。林茂茲等[34]對連作2 a太子參的土壤微生物的研究結(jié)果顯示：根際土壤微生態(tài)有所改變，根際土壤中“細菌/真菌”的數(shù)量比均小于休閑土和種植1 a的土壤。郭蘭萍等[35]對蒼術〔Atractylodeslancea(Thunb.) DC.〕根際土壤微生物區(qū)系的研究也得出了相似的結(jié)果：2年生蒼術根際區(qū)土壤中細菌、真菌和放線菌數(shù)量普遍低于1年生蒼術根際區(qū)土壤，分別下降46.14%、49.25%和31.88%。此外，1年生地黃土壤中微生物種群多樣性顯著大于2年生地黃土壤，前者的土壤微生物群落調(diào)節(jié)功能更強[36]。多項研究結(jié)果均顯示：連作土壤過度酸化會使土壤微生物種類及數(shù)量比例發(fā)生改變，一些有益微生物數(shù)量下降[37]，表現(xiàn)為細菌和放線菌數(shù)量下降，有害真菌和線蟲的數(shù)量上升[38]。本研究中，與1年生白術根際土壤相比，2年生白術根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)有一定差異，土壤根際微生態(tài)發(fā)生了變化。白術根際土壤所呈現(xiàn)的酸性環(huán)境十分有利于真菌類病原微生物的滋生繁衍，但并不利于細菌和放線菌等有益微生物的繁衍，這樣的變化可能會使白術根部極易感染病害。

陳興福等[39]認為：白術適宜在微酸性至中性的土壤中生長。本研究結(jié)果顯示：與1年生白術根際土壤相比，2年生白術根際土壤酸化嚴重，鋁離子等金屬離子在白術根部大量積累，部分土壤酶活性失調(diào)，土壤理化狀態(tài)發(fā)生變化；根際土壤中細菌和放線菌數(shù)量下降，真菌數(shù)量上升，微生物區(qū)系有所改變，這些因素均可能誘發(fā)白術連作障礙。然而，要明確白術連作障礙的主導因子還需要就其連作之后白術生長、品質(zhì)與根際土壤理化性質(zhì)、酶活性及微生物區(qū)系變化進行連續(xù)的跟蹤研究。

參考文獻:

[1] 國家藥典委員會. 中華人民共和國藥典: 2010年版(一部)[M]. 北京: 中國醫(yī)藥科技出版社, 2010: 95-96.

[2] 中國科學院中國植物志編輯委員會. 中國植物志: 第七十八卷第一分冊[M]. 北京: 科學出版社, 1987: 28.

[3] 俞葉飛. 磐安五味[J]. 養(yǎng)生月刊， 2010(9): 859-861.

[4] 磐安縣第五屆藥交會組委會辦公室. 磐安: “中國藥材之鄉(xiāng)”[EB/OL]. [2011-09-14]. http:∥city.sina.com.cn/city/t/2011-09-14/091022495.html.

[5] 潘秋祥, 潘顯能, 袁伯新, 等. “連作”生物有機肥在白術重茬中的應用效果[J]. 河北農(nóng)業(yè)科學, 2008, 12(5): 57, 59.

[6] 劉英慧, 趙來順. 白術根腐病研究初報[J]. 中草藥, 1991, 21(6): 32-33.

[7] 郭巧生. 藥用植物栽培學[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004: 61.

[8] 郭蘭萍, 黃璐琦, 蔣有緒. 等. 藥用植物栽培種植中的土壤環(huán)境惡化及防治策略[J]. 中國中藥雜志， 2006, 31(9): 714-717.

[9] 黃泰康. 天然藥物地理學[M]. 北京: 中國醫(yī)藥科技出版社, 1991: 192.

[10] 劉德輝, 郭巧生, 孫玉華, 等. 蘇北中藥材種植地土壤肥力衰退原因及其恢復對策[J]. 土壤通報, 2000, 31(2): 76-78.

[11] 夏品華, 劉 燕. 太子參連作障礙效應研究[J]. 西北植物學報, 2010, 30(11): 2240-2246.

[12] 儲開江, 潘秋祥, 李 林, 等. 2個白術品種區(qū)域試驗初報[J]. 浙江林學院學報, 2008, 25(1): 127-130.

[13] 何伯偉, 姚國富, 王忠興, 等. 白術花蕾控制技術研究[J]. 中國現(xiàn)代中藥, 2011, 13(8): 25-27.

[14] 徐建中, 王志安, 孫乙銘, 等. 白術自毒作用研究[J]. 中國現(xiàn)代中藥, 2011, 13(11): 25-27, 48.

[15] 安信伯, 李德新, 姚克榮, 等. 白術根腐病發(fā)生規(guī)律研究[J]. 河北林果研究, 2007, 22(1): 65-68.

[16] 鮑士旦. 土壤農(nóng)化分析[M]. 3版. 北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社, 2000.

[17] 陳 豐, 劉 芳. 微波消解/ICP-AES法測定土壤中的環(huán)境有效態(tài)金屬元素[J]. 上海環(huán)境科學, 2003, 22(12): 967-970.

[18] 簡在友, 王文全, 孟 麗, 等. 人參連作土壤元素含量分析[J]. 土壤通報, 2011, 42(2): 369-371.

[19] 中國科學院南京土壤研究所微生物室. 土壤微生物研究法[M]. 北京: 科學出版社, 1985.

[20] 關松萌, 張德生, 張志明. 土壤酶及其研究法[M]. 北京: 農(nóng)業(yè)出版社, 1986.

[21] 張子龍, 王文全. 藥用植物連作障礙的形成機理及其防治[J]. 中國農(nóng)業(yè)科技導報, 2009, 11(6): 19-23.

[22] 喬卿梅, 程茂高, 王新民. 根際微生物在克服藥用植物連作障礙中的潛力[J]. 土壤通報, 2009, 40(4): 957-961.

[23] 苗淑杰, 喬云發(fā), 韓曉增. 大豆連作障礙的研究進展[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報, 2007, 15(3): 203-206.

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

[25] 張辰露, 孫 群, 葉 青. 連作對丹參生長的障礙效應[J]. 西北植物學報, 2005, 25(5): 1029-1034.

[26] 張歡強, 慕小倩, 梁宗鎖, 等. 附子連作障礙效應初步研究[J]. 西北植物學報, 2007, 27(10): 2112-2115.

[27] 竇 森, 張晉京, 江 源, 等. 栽參對土壤化學性質(zhì)的影響[J]. 吉林農(nóng)業(yè)大學學報, 1996, 18(3): 67-73.

[28] 閻 君, 劉建秀. 草類植物耐鋁性的研究進展[J]. 草業(yè)學報, 2008, 17(6): 148-155.

[29] 應小芳, 劉 鵬, 徐根娣. 土壤中的鋁及其植物效應的研究進展[J]. 生態(tài)環(huán)境, 2003, 12(2): 237-239.

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

[31] 孫瑞蓮, 趙秉強, 朱魯生, 等. 長期定位施肥對土壤酶活性的影響及其調(diào)控土壤肥力的作用[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2003, 9(4): 406-410.

[32] 馬云華, 王秀峰, 魏 珉, 等. 黃瓜連作土壤酚酸類物質(zhì)積累對土壤微生物和酶活性的影響[J]. 應用生態(tài)學報, 2005, 16(11): 2149-2153.

[33] 張萍華, 申秀英, 許曉路, 等. 酸雨對白術土壤微生物及酶活性的影響[J]. 土壤通報, 2005, 36(2): 227-229.

[34] 林茂茲, 王海斌, 林輝鋒. 太子參連作對根際土壤微生物的影響[J]. 生態(tài)學雜志, 2012, 31(1): 106-111.

[35] 郭蘭萍, 黃璐琦, 蔣有緒, 等. 栽培蒼術根際土壤微生物變化[J]. 中國中藥雜志, 2007, 32(12): 1131-1133.

[36] 陳 慧. 地黃連作對土壤微生物的影響[D]. 福州： 福建農(nóng)林大學農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所, 2008: 44-46.

[37] 張重義, 陳 慧, 楊艷會, 等. 連作對地黃根際土壤細菌群落多樣性的影響[J]. 應用生態(tài)學報, 2010, 21(11): 2843-2848.

[38] 劉建國, 卞新民, 李彥斌, 等. 長期連作和秸稈還田對棉田土壤生物活性的影響[J]. 應用生態(tài)學報, 2008, 19(5): 1027-1032.

[39] 陳興福, 劉思勛, 劉歲榮, 等. 白術生長土壤的研究[J]. 中藥研究與信息, 2003, 5(7): 12-16.