張銳靜 張書暢 蘇嘉騏 曾慶賓

摘要[目的]研究煙蒜輪作對高海拔地區(qū)烤煙生產(chǎn)發(fā)育的影響，以及與之關(guān)聯(lián)的根際土壤提取物成分變化，進而探索緩解高海拔烤煙連作障礙的煙蒜輪作模式。[方法]在海拔約1500m連續(xù)單季連作烤煙8年以上的煙區(qū)引進溫江大蒜、金鄉(xiāng)大蒜、中蒜1號，調(diào)查煙蒜輪作對云煙87生長發(fā)育的影響，通過GC-MS對根際土的乙醇提取物進行組分分析，初步確定可能與煙蒜輪作效應關(guān)聯(lián)的根際土化學成分。[結(jié)果]大蒜輪作顯著提高烤煙農(nóng)藝性狀，大蒜品種間存在輪作效應差異，小瓣蒜類型的溫江大蒜因密植輪作效應最好。煙苗根際土粗提物組分以酯類為主，其次為有機酸、酚苯類、醇類等化感物質(zhì)。3種大蒜輪作處理下，煙苗根際土壤中的酯類物質(zhì)種類和豐度顯著降低，總有機組分數(shù)量增加，推測可能與煙蒜輪作效應有關(guān)。[結(jié)論]溫江大蒜在高海拔地區(qū)輪作效應最好。

關(guān)鍵詞連作障礙;煙蒜輪作;根際土;GC-MS;煙草;高海拔煙區(qū)

中圖分類號S153.6文獻標識碼A

文章編號0517-6611（2019）01-0141-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.01.043

開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

由于高海拔煙田種植條件差，普通作物越冬困難，煙農(nóng)種植習慣落后等原因，高海拔煙區(qū)春夏季常年連作煙草（Nicotianatabacum），秋冬季閑置，復種指數(shù)低。此種簡單、粗獷的單季連作模式不僅使土地綜合利用效率低下，而且導致烤煙連作障礙嚴重，主要體現(xiàn)在病蟲害頻發(fā)，肥料利用率不斷下降，烤煙產(chǎn)量、品質(zhì)嚴重下降[1]。合理的耕作制度和農(nóng)藝措施是克服烤煙連作障礙的有效手段，如稻草還田、水肥耦合等[2]。相關(guān)研究主要集中在不同栽培制度對烤煙產(chǎn)量、品質(zhì)以及對土壤理化性質(zhì)的影響[3-6]。

煙草忌連作，其連作障礙的主要誘因包括植煙土壤非均衡性富集和耗減嚴重導致的土壤養(yǎng)分劣化、失衡，根際微生態(tài)失調(diào)，以及化感自毒作用[7-8]。高欣欣等[9]、于會泳等[10]通過GC-MS檢測推測烤煙化感物質(zhì)可能是有機酸類、酰胺類、酯類以及甘油和煙堿。符建國等[11]通過比較連作與水旱輪作烤煙根系分泌物成分，推測烤煙根系分泌物自毒作用的主要原因是酸性有機組分。郭亞利等[12]研究表明，烤煙根系分泌物尤其是酚酸類物質(zhì)達到一定濃度時可抑制烤煙種子發(fā)芽、幼苗生長和養(yǎng)分吸收。

大蒜（Alliumsativum）根系分泌物具有良好的抗菌消毒作用，是烤煙理想的輪作作物[13]。研究表明，雖然新鮮大蒜揮發(fā)物和提取物對烤煙發(fā)芽和生長有抑制作用，但前茬大蒜土壤對煙苗生長無顯著抑制作用[14]。黃光榮等[15]比較了油菜-烤煙，小麥-烤煙及大蒜-烤煙3種輪作栽培模式，發(fā)現(xiàn)煙蒜輪作效應最佳。事實上，大蒜根系分泌物對萵苣、辣椒、蘿卜、黃瓜、白菜和番茄等蔬菜作物均有促進作用[16-17]。陽顯斌等[4-5]研究表明煙蒜輪作與煙蒜套種均能提高煙葉質(zhì)量，且煙蒜輪作效果最明顯。

盡管不同輪作模式在烤煙生產(chǎn)上已有不少探索和實際應用，其輪作效應的土壤理化性質(zhì)基礎(chǔ)也有不少報道，然而輪作效應與根際土壤有機物成分變化的關(guān)系研究甚少。筆者在高海拔煙區(qū)引進3個大蒜品種，比較前茬大蒜的烤煙根際土壤與連作烤煙根際土壤的粗提物組分，初步解釋了煙蒜輪作效應的化學基礎(chǔ)。

1材料與方法

1.1試驗材料大蒜品種為溫江大蒜、金鄉(xiāng)大蒜、中蒜1號。其中，中蒜1號由中國農(nóng)業(yè)科學院蔬菜花卉所國家無性繁殖及多年生蔬菜資源圃最新選育品種。選取無病斑、無機械損傷的蒜頭作為種蒜。溫江大蒜的種植密度為30萬株/hm2，由于金鄉(xiāng)大蒜和中蒜1號屬于大瓣蒜，故種植密度設(shè)置為27萬株/hm2。供試烤煙品種為云煙87，由四川省煙草公司攀枝花市公司提供。

1.2試驗設(shè)計輪作的試驗地點為攀枝花市米易縣攀蓮鎮(zhèn)雙溝村，海拔約1500m。采用田間小區(qū)試驗，隨機設(shè)計。設(shè)置烤煙-溫江大蒜、烤煙-金鄉(xiāng)大蒜、烤煙-中蒜1號3個輪作處理。考慮到邊際效應、坡度、肥力差異等因素，在每個輪作處理的旁邊設(shè)置空白對照（即烤煙單季連作模式）。每個輪作處理和相應空白對照均設(shè)置3次重復，每個重復面積約100m2。在整個大蒜和烤煙的生育期內(nèi)，輪作處理與空白對照施肥、澆水保持完全相同。

1.3測定項目與方法

1.3.1大蒜生育期。調(diào)查和記錄大蒜出苗期、蒜薹采收期、蒜頭采收期。

1.3.2大蒜后茬烤煙性狀。每個小區(qū)隨機取20株煙株掛牌定株，對煙草旺長期、采收期的田間長勢進行調(diào)查，調(diào)查項目包括株高、葉數(shù)、節(jié)距、莖圍。

1.3.3大蒜后茬烤煙根系分泌物檢測。

運用GC-MS氣質(zhì)聯(lián)用儀測定烤煙根際土的粗提成分。在煙株移栽45d后，沿著烤煙植株根系周圍挖開土壤取出完整植物根系土壤，輕輕抖動去掉在根系附著的較松散土壤，后抖動收集與根附著緊密的土壤為根際土壤，過60目篩，放置冰箱備用。

用萃取的方法對根際土有機組分進行粗提。取土樣30g，加入85%乙醇200mL，磁力攪拌器攪拌浸提24h。用高速離心機在3500r/min條件下離心15min，取上清液，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮至50mL。乙酸乙酯（1：1）萃取2次，物相中性。用1mol/L鹽酸將水相pH調(diào)至3.0，再用等量乙酸乙酯萃取2次，物相酸性。將分液漏斗中的水相用1mol/LNaOH溶液調(diào)pH至8，等量乙酸乙酯萃取2次，物相堿性。合并酸性、中性、堿性條件下的萃取液，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮，并用乙酸乙酯定容至5mL，用0.45μm有機濾膜過濾，為烤煙根際土粗提物液待測樣品。

色譜儀為安捷倫7890A，毛細管柱為HP-5，進樣口溫度為250℃。程序升溫：柱溫50℃（2min），以6℃/min速率升溫至250℃，并保持15min。載氣為高純氦氣，流速1.0mL/min，進樣量1μL。質(zhì)譜儀為安捷倫5975C，掃描范圍m/z為30～600amu，掃描速度0.2s。離子源溫度200℃，四級桿溫度150℃。不分流進樣品。通過搜索計算機標準譜庫NIST2011初步確定組分，僅考慮匹配得分≥70且在同一保留時間在3個重復中均出現(xiàn)的組分。取3個重復的峰面積平均值進行簡單定量分析。

2結(jié)果與分析

2.1煙蒜輪作對烤煙生長發(fā)育的影響

分別在旺長期和采收期，調(diào)查大蒜輪作模式對烤煙主要農(nóng)藝性狀的影響。由表1可知，不同對照地塊的云煙87長勢有差異，表明存在土壤肥力不均的現(xiàn)象。但將大蒜輪作處理與其相鄰的連作對照進行比較，前茬大蒜的煙草在株高和最大葉上顯著高于對照，表明大蒜的輪作效應顯著。大蒜輪作對煙草莖圍無顯著影響。3種大蒜輪作對煙草長勢的促進程度具有品種差異。溫江大蒜、金鄉(xiāng)大蒜、中蒜1號對旺長期株高的提高幅度分別為19.0%、15.4%、16.6%。這可能是由于溫江大蒜是小頭蒜，其種植密度高于金鄉(xiāng)大蒜和中蒜1號，因而輪作效應更明顯。

2.2煙蒜輪作對大蒜生育期和經(jīng)濟效益的影響

由于高海拔煙田肥力較差，后期慎重追肥，3種大蒜在連作煙田的產(chǎn)量均低于平原地區(qū)。由表2可知，中蒜1號產(chǎn)量最高，經(jīng)濟效益最好，金鄉(xiāng)大蒜其次，最差的為溫江大蒜。比較3個大蒜品種在高海拔的生育期特征，溫江大蒜出苗早，苗期最短，為41d;其次為中蒜1號，三者中最晚的為金鄉(xiāng)大蒜，二者的苗期分別為51和46d。無論是蒜薹采收還是老蒜采收，溫江大蒜均遠早于金鄉(xiāng)大蒜和中蒜1號。考慮到溫江大蒜輪作模式不影響后茬煙苗移栽，在高海拔煙區(qū)最宜與煙草輪作的是溫江大蒜。

2.3煙蒜輪作對煙草根際土粗提物成分的影響

2.3.1溫江大蒜輪作。

在煙草苗期，搜集根際土，用GC-MS分析其粗提物成分，比較溫江大蒜輪作模式和煙草連作模式。由表3可知，前茬溫江大蒜輪作的根系土壤中共檢測到21種物質(zhì)，酯類物質(zhì)10種，有機酸4種，酚苯類3種，醇、酮類3種，以及1-甲基萘。酯類物質(zhì)豐度最高，達83.38%，其次為有機酸類，達3.54%。丙酸乙酯含量占23.22%。從連作土壤中，共檢測到16種物質(zhì)，酯類物質(zhì)11種，有機酸1種，酚苯類3種，以及環(huán)己酮。酯類物質(zhì)含量最高，達98.56%，丙酸乙酯占比達87.7%。輪作與連作共有的成分有丙酸乙酯、乙酸異丁酯、丁酸乙酯等13類物質(zhì)。大蒜輪作處理顯著增加的物質(zhì)僅為丁酸乙酯，顯著降低的物質(zhì)有丙酸乙酯、乙酸丁酯、環(huán)己酮。輪作模式和對照分別檢測到8種和3種獨有成分，但總體含量均不高。丙酸乙酯和乙酸丁酯含量占比較大（>1.5%），可能與煙蒜輪作效應有關(guān)。

2.3.2金鄉(xiāng)大蒜輪作。

比較金鄉(xiāng)大蒜輪作模式和煙草連作模式下煙苗根際土粗提物組分，結(jié)果見表4。由表4可知，前茬金鄉(xiāng)大蒜輪作中共檢測到23種物質(zhì)，酯類6種，有機酸3種，酚苯類5種，烷烴類4種，醇、酮類4種，以及甲基萘。通過比較峰面積，酯類物質(zhì)含量最高，達95.13%;其中丙酸乙酯占比最高，達90.9%。其他組分含量很少，酸類1.00%，醇類1.18%，酚苯類0.81%，烷烴類0.48%，苯類0.42%。從連作土壤中共檢測到17種物質(zhì)，酯類物質(zhì)含量最高，達97.58%。另外，連作土僅檢測到3種酚苯類，含量為0.44%，3種醇、酮類含量為1.67%，未檢測到烷烴類和有機酸類物質(zhì)。輪作與連作共有組分10種。大蒜輪作處理顯著增加的物質(zhì)只有2，4-二（1，1-二甲基乙基）苯酚，顯著降低的組分有丙酸乙酯、乙酸丁酯和γ-谷甾醇。輪作模式和對照分別檢測到13種和7種獨有成分。這些獨有組分中含量較高的有鄰苯二甲酸異丁酯和鄰苯二甲酸二丁酯，在輪作樣本中未檢測到。丙酸乙酯、乙酸丁酯、鄰苯二甲酸異丁酯含量占比較大（>1.5%），可能與煙蒜輪作效應有關(guān)。

2.3.3中蒜1號大蒜輪作。

比較中蒜1號輪作模式和煙草連作模式下煙苗根際土粗提物組分，結(jié)果見表5。由表5可知，中蒜1號輪作土壤中共檢測到19種物質(zhì)，酯類8種，有機酸4種，醇、酮類3種，烷烴類1種，酚苯類1種。對照共檢測出16種物質(zhì)，酯類9種，酚苯類2種，醇類2種，有機酸1種，烷烴類1種，以及甲基萘。無論是輪作處理還是連作對照，酯類組分含量最高，分別達82.35%和94.01%。在輪作和連作樣本中，組分含量次高的分別是有機酸類（15.90%）和醇酮類（3.98%），其他組分含量均很少。輪作與連作共有組分12種。中蒜1號輪作處理顯著提高的組分有亞油酸乙酯和亞油酸，顯著降低的組分有丙酸乙酯、鄰苯二甲酸二丁酯、β-谷甾醇。輪作模式和對照分別檢測到7種和4種獨有成分。在輪作中未檢測到且在對照中含量較高的有油酸乙酯，僅在輪作中檢測到且含量較高的有棕櫚酸、亞麻酸、硬脂酸。由此可知，中蒜1號輪作大大增加了有機酸含量。

丙酸乙酯、鄰苯二甲酸異丁酯、油酸乙酯、β-谷甾醇以及有機酸含量占比較大（>1.5%），可能與煙蒜輪作效應有關(guān)。

2.3.4不同大蒜品輪作處理間差異。

比較3種大蒜品種引起的根際土有機組分差異。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，輪作導致酯類組分數(shù)降低，有機酸類組分數(shù)增加（圖1A）。這在不同大蒜品種間得到互相印證。其他類別的有機組分如醇酮類、酚苯類、烷烴類變化一致性不明顯。對具體有機組分而言，丙酸乙酯含量在3個輪作處理中均為下降，尤其在溫江大蒜輪作處理中，下降幅度高達96.25%（圖1B）。此外，乙酸丁酯和亞油酸乙酯在溫江大蒜輪作處理中也大幅度降低。鄰苯二甲酸異丁酯和鄰苯二甲酸二丁酯在金鄉(xiāng)大蒜輪作處理中大幅下降。中蒜1號輪作處理大幅度降低β-谷甾醇和乙酸十三烷含量，大幅度增加有機酸類和庚烷類含量。這表明不同大蒜品種輪作導致的煙苗根際土有機組分變化既存在較大的一致性，也存在較大的差異性。有機組分數(shù)的增加和酯類含量的減少可能是大蒜輪作效應的土壤化學基礎(chǔ)。

3結(jié)論與討論

該研究探討了不同類型、不同品種的大蒜在高海拔煙區(qū)輪作效應的差異和輪作模式的優(yōu)劣。研究表明，煙蒜輪作效應顯著的有玉米[3]、水稻[11]、大蒜[5]等，不適宜進行輪作的有辣椒和大豆[3]。玉米和水稻由于生育期與烤煙沖突，正常情況下與烤煙僅實行隔年輪作，不能達到提高復種指數(shù)的目的。作為秋冬茬口的大蒜耐低溫，經(jīng)濟效益高，能實現(xiàn)周年輪作模式。該試驗比較了3種不同大蒜品種與烤煙輪作的種植模式。結(jié)果表明，3個大蒜品種的輪作效應明顯。這與前人的研究結(jié)果相符[15]。3個大蒜品種中，溫江大蒜是典型的小蒜瓣品種，主要種植區(qū)域為云貴川渝;金鄉(xiāng)大蒜和中蒜1號均勻大瓣蒜，主要在北方種植。結(jié)果表明，溫江大蒜輪作效應最顯著。這可能是由于在相同土壤肥力及施肥條件下，溫江大蒜植株蒜頭較小，植株密度大，對連作煙土的改良效果最好。另外，在高海拔煙區(qū)條件下，由于冬春氣溫較低，大蒜生長被抑制，所有大蒜品種的生育期均變長，平均比低海拔延長20～40d。溫江大蒜相對其他2個品種生育期較短，整個生育期在200d左右，剛好能與煙實現(xiàn)輪作。綜合比較，小瓣蒜適宜高海拔煙區(qū)煙蒜輪作模式。

該研究結(jié)果表明，煙苗根際土粗提物主要有機成分為酯類，占比在80%以上。其次為有機酸類。高欣欣等[9]在酸性、中性、堿性提取物中均檢測到大量有機酸，最高含量分別為丁二酸（54.13%）、肉豆蔻酸（63.65%）、棕櫚酸（22.43%）。于會永等[10]分析烤煙根系分泌物，發(fā)現(xiàn)酸性、中性、堿性提取物中含量最高的均為酯類，分別為47.75%、69.09%、47.17%，其中最高的都是鄰苯二甲酸二丁酯。不同研究結(jié)果差異很大，這與烤煙的種植方式、生長狀況以及根系分泌物的搜集方式和檢測方法有關(guān)。溫度和水分條件等細微環(huán)境變化也能影響根系分泌物組分含量[18]。該研究從煙苗根際土測定的粗提物成分還包含前茬大蒜殘留物以及其他土壤化學物質(zhì)。盡管從嚴格意義上講并不完全是烤煙根系分泌物，但對分析大蒜輪作效應的綜合土壤化學基礎(chǔ)具有重要意義。

對比3種大蒜輪作處理下煙苗根際土粗提物有機組分的動態(tài)變化，總有機組分數(shù)增加以及酯類組分數(shù)量和含量減少可能是大蒜輪作效應的土壤化學基礎(chǔ)。有機組分多樣化有利于構(gòu)建健康的土壤微生態(tài)環(huán)境，平衡煙苗土壤養(yǎng)分吸收。研究表明，煙蒜輪作提高根際土壤細菌和放線菌數(shù)量高于烤煙連作，尤其是解鉀菌、解磷菌等活化土壤養(yǎng)分的有益菌[4]。而煙草根系分泌物具有促進病原菌（茄科勞爾氏菌）抑制拮抗菌（芽孢桿菌）的負面作用[19]。酯類物質(zhì)減少，可能減少烤煙根系分泌物的自毒作用。人工加入烤煙根系分泌物提取液顯著降低煙苗根系活力，降低根系對NO3-、PO43-、K+的吸收，抑制幼苗的生長，大蒜輪作作為解決烤煙連作障礙的重要手段之一[12]。從土壤農(nóng)化性狀、土壤微生物類群2個方面進行研究。該研究利用GC/MS檢測輪作處理下煙苗根際土粗提物有機成分，從另一個角度初步解釋輪作效應的土壤化學基礎(chǔ)，下一步將進一步鑒定主要有機組分與大蒜輪作效應的關(guān)系。

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