作物多样性栽培对烟草连作障碍的生态调控机制

摘要

烟草是忌连作作物,其连作障碍问题制约了烟草生产的可持续发展,成为农业生产上亟待解决的重要问题。本研究从引起烟草连作障碍的起因入手,以化感自毒物质和根际微生物群落为主线,对烟草连作和化感自毒的生理生化反应、根际微生态特性、化感自毒效应的验证进行研究,进而探讨作物多样性栽培对烟草连作障碍的生态调控机制,以期全面揭示烟草连作障碍机理,为进一步研究烟草连作障碍的消减技术,尽快实现对烟草连作障碍的有效调控,提供理论依据和技术支撑。主要结果如下：
　　 ⑴采集烟区种植烤烟和白肋烟年限为3年和10年的植烟土及其邻近未种植烟草的对照土,进行盆栽试验,结果表明,连作导致烤烟和白肋烟出现烟株矮小,叶面积变小的抑制效应。进一步分析发现,连作使烟株内部保护酶超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)活性上升,但过氧化氢酶(CAT)活性下降,进而导致植株体内有害物质积累增加,丙二醛(MDA)含量上升,且随着种植年限的增加连作障碍现象越明显。可见连作导致烟草生长发育受阻,内部保护系统的功能受到一定的干扰,有害物质不断积累,连作障碍现象产生。
　　 ⑵对连作烤烟及白肋烟的土壤进行灭菌与无灭菌处理后再植烟,探讨自毒物质及微生物与烟草连作障碍的关系,结果表明,无论是白肋烟还是烤烟土壤灭菌处理后植烟,连作抑制效应在一定程度上降低,但仍存在显著的连作障碍。可见,灭菌处理后的连作土壤中仍存在影响烟草正常生长的因素,且随着连作年限的延长有富集效应。进一步分析发现,植烟土无论灭菌与否,随着连作年限增加根际土壤中细菌群落的多样性水平下降,且同一植烟年限灭菌与无灭菌的土壤细菌群落相似系数较高。可见,烟草连作土壤中的残留分泌物对土壤中细菌群落结构的演化具有一定的调节作用。与烟草连作障碍烟株生长相关微生物分析结果显示,灭菌土壤再植烟后土壤微生物朝着有害方向发展,即土壤营养物质循环相关微生物随着连作烟草土壤年限的增加不断下降,而病原菌的数量不断提升。无灭菌土壤内部微生物多样性功能分析结果亦然,但无灭菌土壤微生物在种类上明显比灭菌土壤丰富。可见,随着烟草连作年限的延长,病原菌在土壤生态系统中占据主导优势,大部分益生菌繁殖受抑制,土壤微生物群落的原始平衡被打乱,土壤环境朝着不断恶化的方向发展。
　　 ⑶盆栽烟草外源添加植烟土壤提取物质对烟草生长影响试验结果表明,植烟土壤提取物质处理使烟草生长表现出与连作障碍一致的障碍效应,且随添加浓度的增加,抑制率显著提高。具体表现为烟草株高变矮,叶面积变小,光合作用降低。进一步分析外源添加物质处理后烟草根际微生物群落功能多样性变化发现,土壤营养循环相关酶活性显著降低,且随着添加浓度升高,下降幅度越大。烟草根际土壤细菌群落T-RFLP分析结果显示,外源添加处理后根际土壤中细菌群落减少,多样性水平显著下降,这一变化规律与随着连作年限增加根际土壤中细菌群落的多样性水平变化规律一致。进一步研究发现,外源添加物质处理后烟草根际土壤中存在与连作障碍烟株生长相关的T-RFs片段有8个,与不同种植年限烟草根际土壤中与连作障碍烟株生长呈显著或极显著相关。可见,在外源添加物质的选择压力下,土壤微生物朝着连作的方向演化,这种演化程度与添加物质的浓度相关,从连作的角度分析,即与连作年限相关。可见,连作障碍产生过程中,烟草是源,自毒物质是基础,病原菌是果,烟草连作障碍是最终表现。
　　 ⑷采用引入茬口的烟田作物多样性栽培模式(烤烟-水稻→烤烟(KR-K),烤烟-玉米→烤烟(KC-K),白肋烟-水稻→烤烟(ER-K),白肋烟-水稻→烤烟(ER-K)),以头茬植烟为对照,进行大田池栽试验结果表明,烟草复种连作对烟草的株高、茎围、有效叶片数、叶面积、产量等农艺性状及光合作用指标均具有一定的障碍效应,而且烟草复种连作与头茬对照相比烟叶内部化学成分更趋于不协调。但烟草-水稻→烟草的种植模式比烟草-玉米→烟草模式更有利于减轻烟草连作障碍,年际间进行烟草品种类型更换也可在一定程度上缓解障碍效应。此外,结果表现,复种连作使植烟土壤根际细菌多样性水平降低,但年际间更换品种类型的种植模式(ER-K,EC-K)其香农-威纳指数下降比无品种类型更换的(KR-K,KC-K)少,引入水稻茬的种植模式(KR-K,ER-K)与对照土壤根际细菌群落结构的相似性较大。进一步分析与烟草连作障碍相关的微生物类群,结果表明,引入茬口的作物多样性栽培模式与头茬植烟土壤相比,土壤中与营养物质循环相关的微生物种类略有增加,但在数量上出现的下调,而病原菌数量及种类则有一定的上升趋势。与连作3年的烟草土壤相比,土壤微生物种群多样性明显增加,与土壤营养物质循环相关微生物在数量及种类上也增加。而且与引入水稻茬口相比,玉米茬口的土壤营养物质循环相关微生物数量及种类上略微下降,病原菌与益生菌的变化无明显的差异。年际间更换烟草品种类型的种植模式(白肋烟-水稻→烤烟或白肋烟-玉米→烤烟),与年际间无烟草品种类型更换的种植模式相比,烟草土壤中的微生物种群多样性明显提高,与土壤营养物质循环相关的微生物种类及数量均略有提升,相应的病原菌数量也有一定程度的下降趋势。与连作烟草3年的土壤相比,微生物种群多样性变化更加明显,土壤营养物质循环相关的微生物种类及数量均明显增加,病原菌数量则下降。但与头茬种烟相比,与土壤营养物质循环相关的微生物种类略有提升,但在数量上的出现下调现象,而病原菌数量及种类则有一定的上升趋势。同时与白肋烟-水稻→烤烟后的土壤相比,白肋烟-玉米→烤烟土壤营养物质循环相关微生物数量及种类上略微下降,病原菌数量较多,反之益生菌的数量较少。
　　 ⑸烟草连作带来土壤中自毒物质的积累,这些物质对土壤生物,特别是病原生物的选择性促进以及由此导致的土壤微生态系统失衡,是烟草连作障碍产生的主要原因。通过作物多样性栽培等多维度措施,定向调控根际微生物的种群特征,恢复并重建健康的根际生态系统,将最终克服连作障碍的难题。