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药用植物的连作障碍研究进展

来源：花匠小妙招时间：2024-11-07 10:16

药用植物的连作障碍研究进展

顾艳，梅瑜，徐世强，孙铭阳，张闻婷，周芳，李静宇，王继华

（广东省农业科学院作物研究所/广东省作物遗传改良重点实验室/广东省道地南药资源保护与利用工程中心，广东广州 510640）

摘要：中医是我国特有的传统文化和产业，优质中药材是关系国计民生的战略性资源。近年来随着国内外对中药材需求的日益增长，人工栽培药用植物的种类和面积大幅增加，由于耕地有限、种植条件及道地性等因素的限制，在药用植物集约化种植过程中，普遍存在严重的连作障碍问题，在以块根类入药的药用植物上表现尤为严重。目前连作障碍已经成为制约中药材产量和品质的关键因素，严重阻碍中药材规范化种植和产业化发展。从药用植物连作障碍危害、形成机理以及调控措施的最新研究进展进行总结，指出连作障碍问题主要是植物-土壤-微生物三者共同作用的结果，分析了当前药用植物连作障碍形成的主要3个原因，即土壤养分亏缺和失衡、化感自毒作用以及根际微生态破坏导致土传病害加重。提出了连作障碍的调控措施，包括优良品系选育、土壤灭菌、建立合理的耕种制度、施用微生物菌肥，并对未来研究的方向和重点进行了探讨，以期为克服药用植物连作障碍的栽培管理提供科学参考。

中医是我国具有民族特色的传统文化和产业，优质中药材是支撑这一传统产业传承和发展的物质基础，是关系国计民生的战略性资源，大力发展和加快推进中药材产业的现代化发展已经成为国家长期发展规划的一部分。随着我国农业供给侧结构性改革的推进和《中药材产业扶贫行动计划（2017—2020年）》的发布，国家对中药材产业的扶持力度不断增加，中药材产业发展迎来了新机遇。《全国道地药材生产基地建设规划（2018—2025年）》指出，要加强道地药材资源保护和生产管理，建立道地药材标准化生产体系，全面加强道地药材质量管理，实现绿色防控全覆盖。我国地域辽阔、地形复杂多样，气候环境多变，适合多种药材生长，因此是世界中药资源最丰富的国家之一。目前我国常用中药材600多种，其中300多种已经实现了人工栽培，大规模种植品种约有100种，种植面积超过220万hm2，目前已初步形成了一批道地药材优势产区，中药产业规模已逾7800亿元。由于近年来随着国内外对中药材需求的日益增长，人工栽培药用植物的种类和面积大幅增加，但受耕地、种植条件及道地性等因素的限制，在药用植物集约化种植过程中，普遍存在严重的连作障碍问题。药用植物连作会出现植株生长发育不良、病虫害加重、产量和品质下降等问题，尤其对以块根块茎入药的药用植物尤为严重。研究表明，约70%的块根类中药材诸如丹参、地黄、人参、半夏、三七等均存在严重的连作障碍问题，连作三七发病率达90%以上，一般认为种植过三七的土壤需连续种植玉米、旱稻等其他作物10年以上才能再次种植三七。由于对连作障碍的作用机理和影响因素缺乏科学认识，大部分种植户为提高产量和减少病害而盲目加大肥料和农药的使用，导致农业生产成本增加，农药残留超标，药材品质变劣，农田生态系统进入恶化循环，严重阻碍了中药材规范化种植和产业化发展，降低了药农种植积极性和区域经济发展。鉴于此，本文主要综述了药用植物连作障碍的危害、形成机制以及调控策略，以期为药用植物连作障碍的消减和规范化种植提供思路。

1 药用植物连作障碍的危害

1.1 影响药用植物生长发育，降低药材产量

药用植物连作后，土壤环境逐渐变得不适宜作物生长，土传病害加剧，植株长势变弱易患病，生长发育受到抑制，导致药材产量下降，甚至出现绝收现象。药用植物连作障碍现象最常见于块茎类药材诸如人参、太子参、地黄、白术、半夏等。人参和西洋参地种植后要30年以上才能再次种植，若连作种植人参则70%以上人参须根出现脱落、烧须现象。三七连作后，其种子发芽率明显降低，栽种后成苗率以及株高显著下降，产量大幅减少。随着连作年限的增加，白术的株高、茎粗、分枝数，包括其根系的根长、直径、体积均显著降低，导致其生长受到抑制，产量严重下降。连作影响了药用植物的生理活性，从而影响作物的生长发育。连作半夏的叶片中叶绿素的质量分数以及各种保护酶如超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶活性均下降，在生长后期连作半夏的株高、块茎直径、地上部分和地下部分的生物量均显著降低，导致产量、品质下降。连作地黄在整个生育周期，叶片中叶绿素含量、光合特性以及根系活力均处于较低水平，产量显著降低。随着栽培年限的提高，广藿香的株高、叶面积、根系活力以及根茎叶中过氧化物酶、超氧化物歧化酶和过氧化氢酶均受到一定程度的抑制。

1.2 影响药用植物次生代谢过程，降低药材品质

连作障碍不仅会降低药材产量，还会影响药材品质。连作导致次生代谢产物合成减少，药材中有效成分含量显著降低，品质下降，甚至出现不符合药典标准、临床疗效变差的情况。白术连作1~2年的水分含量以及连作3年的灰分含量均未达到《中华人民共和国药典》标准，其白术内酯Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ均显著降低，品质下降。连作半夏的块茎后期加工时会出现腐烂和折干率低下的现象，其块茎粉末中有效成分浸出物的质量分数低于0.9%，有机物质量分数低于0.25%，低于《中华人民共和国药典》标准。连作对白花丹参生长和品质的最大影响期为第2年，连作2年后的白花丹参地下部鲜重和干重均显著降低，其脂溶性成分二氢丹参酮、隐丹参酮、丹参酮Ⅱ、小丹参新酮均不同程度下降，水溶性成分丹酚酸B和迷迭香酸含量下降超过60%。穿心莲的连作障碍主要表现为活性成分降低，研究表明，连作1~2年的穿心莲中穿心莲内酯和脱水穿心莲内酯含量均显著降低。广藿香连作后，其有效成分百秋李醇的含量明显下降。

1.3 影响土地资源利用，破坏生态环境

药用植物在生长过程中会产生很多次生代谢物，某些物质会进入土壤，随着连作年限延长，土壤中的某类物质逐渐累积，在一定浓度下会严重影响植物生长。某些药用植物连作障碍非常严重，栽种一茬后几年甚至几十年都不能再种植，降低复种指数，土地资源得不到有效利用而浪费。由于连作会导致作物病虫害加剧和产量降低，农民盲目使用化肥和农药会造成土壤农药残留。为了获得质量好、产量高的药材，药农盲目更换种植地点，扩大种植面积，转移传统种植区，有可能破坏原有的自然生态，导致该区域内环境的生物多样性受到严重破坏。

2 药用植物连作障碍的形成机理

连作障碍的发生原因非常复杂，是“植物-土壤-微生物”3个系统内共同作用的结果，发生的原因主要包括土壤养分亏缺和失衡、化感自毒作用以及根际微生态破坏导致土传病害加重。

2.1 土壤养分亏缺和失衡

药用植物对矿质元素以及微量元素的吸收具有选择性，某一类作物吸收土壤养分特别是微量元素的种类和比例具有特定规律。药用植物连作会造成土壤中某些元素亏缺，养分平衡被打破，影响作物的生长发育。三七连作3年后，土壤中镁、铜、钙含量减少，而铁、锰、钠含量却发生富集，营养元素比例失调，显著影响三七的品质。白术随着连作年限的增加，其根际土壤中有机质、全氮、有效磷、速效钾等大量元素的含量差异不大，但是微量元素如有效铁和铝以及交换性锰等含量显著增加。药用植物连作引起某些养分的偏耗，会导致土壤团粒结构和孔隙性被破坏，土壤板结，透气性差，物理性状恶化等。研究表明，人参随着种植年限的增加，土壤中物理性黏粒（粒径<0.01mm）增加，土壤非活性空隙比例降低，土壤的团粒结构被破坏，导致土壤板结，透水性透气性变差，严重影响人参的生长和品质。长期单一种植某一类药用植物，根系分泌物中的化学物质在根际土壤中大量累积，会发生元素间的拮抗作用，进而使土壤酸碱度失去平衡，土壤pH降低，酸化现象加重。作物连作条件下还会影响土壤酶活性，进而影响药用植物的生长发育。研究表明，连续种植三七3年的土壤中，其蛋白酶、蔗糖酶、磷酸酶、过氧化氢酶以及脲酶活性与未种植过三七的土壤相比显著降低。玄参连作严重影响玄参的生长，造成了死苗和烂根现象，根际土壤中多酚氧化酶和酸性磷酸酶的活性显著降低，这可能是影响玄参产生连作障碍的关键性酶。

2.2 化感自毒作用

在植物生长过程中，植物的根、茎、叶等部位的化学物质通过挥发、淋溶、枯枝腐解以及根系分泌等方式进入土壤及周围环境中，其中某些物质会影响作物的生长发育称为化感物质。化感自毒作用是指化感物质抑制同种植物生长发育的现象，其广泛存在于自然界中，一直被认为是导致药用植物连作障碍的主要因素之一。研究表明，半夏产生的有机酸类、酚类等化感物质有强烈的自毒作用，能显著抑制半夏种芽萌发和幼苗生长，这可能是半夏连作地出苗率低、倒苗严重的原因之一。百合植株各器官产生的酯类、酚类等次生代谢物在土壤中积累而产生的自毒作用是导致其连作障碍的重要原因。近些年来，多种化感物质从不同植物的根际被分离和鉴定，主要包括有机酸、酚酸、萜类化合物、黄酮类化合物等。前人研究主要集中在粮食作物和园艺作物上，随着中药材产业的发展，药用植物化感物质及其自毒作用的研究逐渐受到重视并取得了一些进展。研究表明，常见块根类药材如地黄、三七、半夏、白术、人参中的化感物质主要包含酚酸类、有机酸类、帖类、生物碱类、皂苷等。药用植物化感物质存在于植株根、茎、叶各个部位以及根际土壤中，对于种子萌发和幼苗生长有较强烈的抑制作用。广藿香连作土壤显著影响广藿香扦插苗不定根的形成和生长，根系活力和生长速率都受到不同程度抑制。藿香根际土壤水浸液和植株根、茎、叶的水浸提液对其种子的萌发和幼苗的生长均表现出显著抑制作用，且有较强的浓度效应，其化感自毒作用表现为叶>根>茎。相同浓度下，白术的自毒作用表现为茎叶高于根水浸提液；相同部位条件下，幼苗期自毒作用显著高于孕蕾期和结实期；白术水浸提液自毒作用的浓度效应显著，整体表现为低浓度促进、高浓度抑制，在头花蓼中也呈现类似规律。药用植物的化感自毒作用与连作年限也有关，随着种植年限的增加，其根系分泌物皂苷对三七出苗率、成活率以及幼苗生长的抑制作用越强。以上研究均表明，化感物质的持续累积而产生的自毒作用是药用植物连作障碍发生的重要因素，化感自毒作用的强度与植株部位、种类和浓度以及所处的生育期均有密切联系。

2.3 根际微生态破坏及土传病害加重

药用植物在生长过程中，根系会分泌大量有机物质包括有机酸类、酚酸类、脂肪酸类、氨基酸类、糖类、蛋白质等。根系分泌物为土壤根际微生物提供大量的营养物质，在调控根际微生态系统结构与功能方面发挥重要作用，介导植物-土壤-微生物之间的相互作用。随着分子生物学技术的不断发展，荧光定量和高通量测序等技术逐渐运用到土壤微生物的分析中，进一步揭示了在连作条件下作物根际土壤的多样性和群落结构的变化。大量研究结果表明，连作显著改变了药用植物根际微生物多样性和群落结构，随着连作年限的增加，有益微生物量逐渐减少，而有害微生物则逐渐增加，导致根际土壤中微生物类型从“细菌型”转向“真菌型”。土壤中真菌/细菌比值越高，真菌数量越多，土壤的生态系统越不稳定，易被病害感染，是地力衰竭的标志。研究表明，半夏连作土壤中真菌数量显著高于轮作土壤，而细菌和放线菌数量显著低于轮作土壤，连作后土壤中真菌成为优势种群。在太子参的连作地块上也表现出相同规律，并且随着连作年限的增加，太子参根腐病的发病率和病情指数逐渐增高，与土壤中真菌数量成正相关。块根类药用植物，如人参、地黄、三七、半夏等大宗药材在种植过程中连作障碍严重，在连作土壤中镰刀菌属（Fusarium）、立枯丝核菌（Rhizoctonia solani）、腐霉菌（Pythium）、尖孢镰刀菌（Fusarium oxysporum）等有害病菌大量增殖，尤其尖孢镰刀菌的致病性最广泛。研究发现，在地黄连作的根际土壤细菌数量减少，真菌数量增加，随着连作年限延长，根际土壤中土传病菌镰刀菌属和丝核菌属的含量均增加，芽孢杆菌属（Bacillus）和假单胞菌属（Pseudomonas）等有益菌属含量下降。三七连作中根腐病为其主要病害，研究发现，有根腐病的三七根内和根际的假单胞属细菌多样性显著增加，推断Pseudomonas W. migula是根腐病的主要致病菌。采用DGGE和qRTPCR技术对连作太子参根际土壤菌群进行分析，发现随着连作年限的增加，有害病原菌致病尖孢镰刀菌、肠杆菌（Kosakonia sacchari）和踝节霉菌（Talaromyces helicus）的丰度都有所上升，而有益菌包括假单胞菌属、伯克氏菌属（Burkholderia）和短小芽孢杆菌（Bacillus pumilus）在连作土壤中逐年减少。Wu等采用高通量测序技术对不同连作年限的太子参根际土壤进行测序分析，结果显示有害病原真菌镰刀菌属和踝节菌属（Talaromyces）的丰度呈现上升趋势，有益菌如假单胞菌目（Pseudomonadales）、伯克氏菌目（Burkholderiales）和链霉菌目（Streptomycetales）青霉菌属（Penicillium）的丰度降低，同时土壤中动物区系的群落结构也发生变化，植物寄生虫、植物病原体和寄生虫的相对丰度增加，杂食动物的相对丰度显著降低。在药用植物的连作根际土壤中，植物根系分泌物介导植物和微生物之间的互作，根系分泌物改变根际土壤的微生态环境，造成植物根际土壤中致病菌增多、有益菌群逐渐减少，从而导致土传病害加重，成为药用植物连作障碍的重要原因。

3 药用植物连作障碍的调控措施

3.1 选育抗病品种

不同药用植物对连作障碍的耐受程度不同，同一品种内单株之间对病害的抗性也有差异。抗性品种受病害或其他逆境的危害较非抗性品种轻，而且这种抗性是可遗传的生物学特性。因此，可以利用植物的抗性特征，选育抗病害、抗重茬的优质高产品种。有报道，云南省大理州南涧县无量山上有一个海拔1860m的山地三七种植园，已连续种植十余年，且不施农药和化肥，该三七种植园没有发生严重病害，也未发现明显的连作障碍，并且三七质量优良。以优良种源作为研究对象，探究药用植物耐连作的分子机制，则可以通过品系繁育和定向培育技术，不断强化抗连作、抗病害的优良性状，从而从种源上解决连作障碍问题。此外，品种选育能够促进药用植物的进化，对生产实际有重要意义，但采用该方法较困难。

3.2 建立合理的耕作制度

许多研究表明，农业生态系统内部功能可以通过系统内部动植物和微生物栽培多样性水平来调节，可利用农业生物多样性来改善土壤、抑制病虫害暴发。同一作物不同品种或不同作物间进行混作或者间作，可以使寄主和有害生物多样化，任何一种有害生物都不能达到大规模流行，从而有效控制病虫害，同时多种作物栽培所产生的多样性根系分泌物可修复由单一化种植导致的微生物群落结构破坏和恶化的根际生态系统。轮作、间作、套作是避免连作障碍发生的传统而有效的农业种植模式，可以有效提高农业生态系统多样性、改善植物对养分的吸收平衡、稳定土壤微生物的生态环境。研究发现，将中药材苍术（Atractylodes lancea）与花生间作，苍术根系分泌物能够有效抑制土壤中尖孢镰刀菌的生长，有效减少连作花生的土传病害并增加花生产量。桔梗（Platycodon grandiflorus）和大葱（Allium fistulosum）间作能有效增加桔梗根系分泌物总含量，使根际土壤中放线菌门（Actinobacteria）、硝化螺旋菌（Nitrospirae）、拟杆菌（Bacteroides）、假单胞菌（Pseudomonas）等有益菌丰度增加，有效缓解桔梗的连作障碍，提高产量和品质。药用植物和粮食作物轮作也是克服连作障碍的重要途径，白术与玉米轮作可减少病虫害发生，显著提高白术苗的存活率、株高、冠幅和单株根茎鲜重，从而提高产量。南方药用植物与水稻轮作也是常见的种植模式，在水稻种植期间，土壤处于强还原状态，可以有效抑制有害病菌的生长，同时灌水排干过程有效减少化感自毒物质在土壤中的残留，恢复土壤健康生态。作物多样性种植有助于增加根系分泌物的种类和含量，提高根际微生物多样性，改善植物根际微生态环境，减少植物病害。可见，通过建立合理的间作、套作、轮作制度，可以修复土壤微生物失衡和不健康的土壤环境，是一种有效控制连作障碍的新策略。

3.3 土壤灭菌

药用植物连作后，土壤中存在大量病原性细菌、真菌和病毒等有害微生物。土壤灭菌就是通过一定技术手段阻止病原微生物进一步繁殖，或者直接将其杀死从而达到缓解连作障碍的目的。化学方法主要采用甲醛、氯化苦、硫磺粉等消毒剂进行熏蒸，或者通过施入多菌灵、棉龙、1,3-二氯丙烯、黄腐酸钾、甲基碘、异硫氰酸甲酯、异硫氰酸烯丙酯、环氧丙烷、威百亩、二氧化硫、叠氮化钠、硫酰氟、石灰氮等土壤消毒剂。对三七连作土壤进行氯化熏蒸处理可显著提高三七苗存活率、株高和鲜重，既可改善其根际微环境又能保证三七质量，是防治三七连作障碍的较好方法。王峰等研究发现，用氯化苦消毒三七连作土壤后，致病菌假单胞菌属和鞘脂单胞菌属相对丰度下降，而伯克氏均属、节杆菌属等有益菌相对丰度增加，且对下茬轮作烤烟的生长也有改善。强还原土壤灭菌是指通过施用易分解的有机物料、覆膜或者灌溉阻止空气进入，为土壤创造一个强还原状况，从而达到杀灭有害病菌的效果，是一种环境友好的土壤改良技术。该技术最早是由日本科学家在研究水稻可持续种植时提出的，该法能杀灭土传病原菌，对真菌和细菌类病原菌的杀菌率可达90%以上，此外还能有效抑制杂草生长，提高土壤有机质含量，改善土壤理化性状。李云龙等使用该方法显著消减连作三七土壤中的连作障碍因子，提高幼苗存活率，降低发病率。地黄连作土壤经过强还原后，胃瘤球菌属和肠球菌属等厌氧异养型细菌相对丰度显著提高，形成了富含Fe2+和有机酸等抑制病原菌的土壤环境，强还原处理显著提高了连作地黄的存活率和产量。该方法在实际应用中受到成本、可操作性等因素的影响，因此推广受到一定限制，还有待进一步研究和改良。物理方法主要有高温闷棚、蒸汽消毒、太阳能消毒和深翻土壤等。对连续种植太子参15年和8年的土壤进行热处理，太子参产量最高分别增长545.16%和139.29%。连作土壤经60℃处理6h，或在较高温度（90℃或120℃）下处理3h即能显著增产，土壤热处理可能是通过抑制连作土壤中的有害微生物而缓解了太子参的连作障碍，提高了太子参的产量。物理方法相比化学方法不会污染环境，更加绿色环保。

3.4 施用微生物菌肥

微生物菌肥是指以致病因子为靶标筛选高效促生防病抗逆有益微生物菌株，并将其制备成菌剂，添加到有机物料中进行发酵而形成的一种有机肥料。除了具有一般肥料的功能外，还具有生物防治作用。微生物菌肥能改善土壤环境，增强土壤中有益微生物的数量，抑制土传病害菌群，从而促进植物生长发育。目前，功能微生物菌剂主要包括芽孢杆菌属、假单胞菌属、木霉属等。已有研究表明，包含芽孢杆菌和木霉菌的生物菌肥在一定程度上改变土壤环境，使具有抗真菌活性的有益微生物相对丰度增加，改变环境中微生物的群落结构，从而能够有效抑制土传致病菌。从白术根际土壤中分离出的芽孢杆菌、木霉菌、链霉菌均可以提高白术出苗率，有效防治白术根腐病。在人参连作土壤中加入微生物菌剂，其土壤微生物群落结构和功能多样性朝着正茬的根际微生态方向逐渐变化。含有芽孢杆菌和假单胞菌的当归专用生物菌肥能够显著促进当归根的生长，提高土壤微生物数量和土壤中脲酶、酸性磷酸酶和碱性磷酸酶的活性，对当归的促生和增产效果显著。添加不同微生物菌肥对连作土壤的改良效果不同，但是均能提高土壤微生物多样性，改善土壤微生态环境，这说明有针对性的改变土壤有益菌群、提高土壤微生物多样性能有效缓解太子参连作障碍，提高其产量和品质。微生物菌剂是一种有效的改良土壤方式，但是目前菌剂的稳定性、有效定植以及安全性等问题仍然制约微生物菌肥的发展和推广，还需要进一步研究和改良，同时可结合滴灌、喷灌、拌种等不同施肥方式配合对应的农艺措施帮助促生菌在根际定殖生长，以达到稳定的促生效果，但田间效果还需进一步验证。

4 展望

随着我国中药材需求日益增加，药用植物规模化和集约化种植面积不断扩大，其连作障碍问题也逐渐凸显，在兼顾产量的同时对中药材的品质要求也在不断提高，新的需求和形势对药用植物的种植提出了更高的要求，目前迫切需要开展中药材绿色高效种植技术规程和标准。集约化的农业生产方式不可避免地带来严重的连作障碍问题，尽管目前针对药用植物的连作障碍问题已经做了大量研究，取得了许多成果，但是与其他作物相比较仍然滞后，并且研究偏向于传统大宗药材如人参、地黄、太子参、半夏、白术等块根块茎类药材，但连作障碍现象在药用植物中非常普遍，亟需加强其他类型药用植物的连作障碍研究。研究得到初步结论是药用植物连作障碍是由植物-土壤-微生物三者共同作用引起的，根际是三者物质、能量和信息交换的场所，对植物的生长发育起决定性作用，但是三者之间的内在影响机制以及互作效应不太清楚，整体研究还不够深入和系统，因此目前仍无法从根本上解决问题，仅能在某种程度上得到缓解。由此可见，对根际的研究将是未来研究的热点和难点，是解决连作障碍问题的关键所在。在调控策略的研究中，大多研究都是从单一因素进行分析，存在较大局限性，实际生产中连作障碍因子非常复杂，并且各因素之间也存在互作，应加强从多角度、多手段同时实施来进行研究。此外，药用植物与其他作物相比较，除了关注产量外，还要更加注重内在有效成分的含量即药效品质，因此对于栽培技术的要求更加严格。药用植物的生长特性与所在生长区域特征有关，可能导致的连作障碍原因也不尽相同，需要有针对性地对不同因素主导的药用植物连作障碍采取相应措施。此外，连作障碍的缓解应综合多种措施，包括种植模式的选择，如土壤消毒、施用微生物肥料等，同时需要配套田间水肥管理等农艺措施，未来应针对不同的药用植物连作障碍现象逐步形成标准化、规范化的种植技术方案。