施夢(mèng)馨，劉瑩，官會(huì)林，王豪吉，徐武美

云南師范大學(xué) 高原特色中藥材種植土壤質(zhì)量演變退化與修復(fù)云南省野外科學(xué)觀測(cè)研究站，云南 昆明 650500

中藥材及其種養(yǎng)殖業(yè)是我國中醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)[1-2]。藥用植物是中藥材的主要組成部分，指全部或部分可以直接用作藥物或提取藥物的植物，是具有治療特性的生物活性化合物的儲(chǔ)存庫[3-4]，被視為發(fā)現(xiàn)和開發(fā)新藥物、新療法的重要自然資源[5]。據(jù)估計(jì)，全世界約80%的發(fā)展中國家人口將植物作為民間藥物的來源，以滿足其初級(jí)保健需求[6]。我國藥用植物資源豐富，包括藻類、菌類、地衣類、苔蘚類、蕨類及種子植物類等植物類群，涉及約383科2309屬11 146種（含亞種、變種），約占中藥資源總數(shù)的87%[7]，臨床常用植物藥材有700余種[8]。

當(dāng)前，野生中藥材已不能滿足國內(nèi)外市場需求，人工栽培是解決藥用植物供需矛盾的主要途徑。2009—2018年，我國中藥材種植面積由118.10萬hm2增長到341.33 萬hm2，年均增長12.52%[9]。然而，藥用植物種植業(yè)的發(fā)展受到連作障礙的嚴(yán)重影響，而化感自毒作用是引起藥用植物連作障礙與減產(chǎn)的重要原因[10]。

植物（供體）通過揮發(fā)、雨霧淋溶、根系分泌及殘茬降解等途徑向外界環(huán)境釋放的次生代謝產(chǎn)物稱為化感物質(zhì)，其影響鄰近或下茬同種或異種植物種子萌發(fā)和植株生長的現(xiàn)象稱為化感作用，當(dāng)供體和受體為同種植物時(shí)，這種作用稱為化感自毒作用[11]。土壤是植物化感自毒作用的媒介，植物釋放的化感物質(zhì)在土壤中通過一系列的滯留、轉(zhuǎn)化、遷移等途徑逐漸富集，并維持一定的濃度和活性，進(jìn)而產(chǎn)生化感自毒效應(yīng)及連作障礙現(xiàn)象[12]。

化感自毒作用在自然界中廣泛存在，在蔬菜、藥用植物和其他多年生木本植物栽培過程中較為常見[13]；在人工農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中，化感自毒作用會(huì)導(dǎo)致種群退化和更新失敗[14]，在生態(tài)學(xué)研究中也稱為負(fù)密度制約[15]?；形镔|(zhì)通常是植物次生代謝產(chǎn)物或植物主要代謝途徑的副產(chǎn)物，主要由乙酸途徑和莽草酸途徑產(chǎn)生[16]，可在植物葉、莖、根、種子等部位合成[17]。藥用植物常含有大量次生代謝產(chǎn)物，如黃酮、蒽醌、生物堿、萜類、酚酸類等，既具有一定的化感作用，又是植物發(fā)揮藥效的物質(zhì)基礎(chǔ)，因此，藥用植物的化感自毒物質(zhì)與其有效成分之間有很大的同源性[18]。

1 藥用植物化感自毒作用

化感物質(zhì)進(jìn)入土壤，會(huì)引起土壤理化性質(zhì)、酶活性與微生物群落的變化，且隨著種植年限的延長，土壤積累的化感物質(zhì)增加，嚴(yán)重影響植物的生長發(fā)育[19]。藥用植物化感物質(zhì)包括酚酸類、萜類、生物堿類、有機(jī)酸、黃酮類等[20-23]，其中酚酸類和萜類物質(zhì)較為常見。

研究發(fā)現(xiàn)，土壤中酚酸類物質(zhì)的積累可能是藥用植物化感自毒作用的主要成因[24-25]，如苯甲酸等酚酸類化合物對(duì)人參Panax ginsengC.A.Meyer、枸杞Lycium barbarumL.種子萌發(fā)具有抑制作用[24-26]。焦曉林等[27]在土壤基質(zhì)中添加皂苷提取物，發(fā)現(xiàn)西洋參Panax quinquefoliumL.胚芽生長受皂苷提取物濃度影響，表現(xiàn)為低濃度促進(jìn)、高濃度抑制。Cui等[28]研究發(fā)現(xiàn)，2,4-二叔丁基酚會(huì)影響土壤酶活性和微生物群落結(jié)構(gòu)，抑制蘭州百合Lilium davidiivar.unicolorSalisb.的正常生長。盧紅等[11]研究發(fā)現(xiàn)，廣藿香Pogostemon cablin（Blanco）Benth.根、莖、葉水提液中的苯甲酸、原兒茶酸、阿魏酸等酚酸類物質(zhì)對(duì)廣藿香幼苗具有化感自毒作用，且具有濃度效應(yīng)，其中葉水提液的自毒作用較顯著。

植物體內(nèi)的萜類物質(zhì)主要經(jīng)甲羥戊酸（MVA）途徑和2-甲基赤蘚糖醇-4-磷酸（MEP）途徑合成[16]。三萜皂苷是人參、西洋參根系分泌物中的主要化感物質(zhì)，是含有多組分的代謝產(chǎn)物[29]。張金燕等[30]向三七Panax notoginseng（Burk.）F.H.Chen 水培液中添加不同濃度的三七須根粉碎物，隨處理時(shí)間和濃度的增加，三七根細(xì)胞開始皺縮甚至破碎，細(xì)胞結(jié)構(gòu)被破壞。周艷等[31]研究發(fā)現(xiàn)，皂苷類物質(zhì)對(duì)三七的苗高和主根長具有抑制作用，同時(shí)三七總皂苷會(huì)導(dǎo)致幼苗超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化物酶（POD）活性降低，對(duì)三七幼苗產(chǎn)生化感抑制作用。Ren等[32]研究表明，三萜皂苷通過抑制根的伸長影響甘草Glycyrrhhiza uralensisFisch.幼苗的生長。

2 化感物質(zhì)對(duì)藥用植物生長發(fā)育的影響

2.1 影響光合作用

光合作用是植物生長和代謝活動(dòng)的基礎(chǔ)，易受化感自毒作用影響[33]。葉綠素是植物光合作用的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，氮、鎂、鐵等元素是葉綠素的重要組成成分，然而化感自毒作用通過影響植物對(duì)礦質(zhì)元素的吸收抑制葉綠素合成[33-34]。例如，苯甲酸等酚酸類物質(zhì)可降低廣藿香葉片總?cè)~綠素含量、抑制幼苗光合作用，從而影響作物生長[11]。香豆酸與丁香酸可抑制地黃Rehmannia glutinosaLibosch 光合作用，影響其地上部的生長[35]。郁繼華等[36]研究發(fā)現(xiàn)，化感物質(zhì)會(huì)降低植株光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）的最大光化學(xué)效率和非循環(huán)電子傳遞量子效率。因此，化感物質(zhì)可通過抑制葉綠素的合成及光電子傳遞影響植株的光合作用及生長。

2.2 影響水和礦質(zhì)元素吸收

化感自毒物質(zhì)在土壤中不斷積累，通過影響植物根系生長抑制植物根系對(duì)營養(yǎng)元素和水分的吸收與利用[37-38]?；形镔|(zhì)引起的生長素積累可導(dǎo)致植物根系生長缺陷[39-40]。例如，胡麻Linum usitatissimumL.殘茬水提液可抑制自身根系的生長，并抑制根系對(duì)礦質(zhì)元素與水分的吸收。植物根系分泌的有機(jī)酸等化感物質(zhì)會(huì)釋放出H+，導(dǎo)致土壤酸化，抑制三七根系對(duì)鈣、鎂、磷等營養(yǎng)元素的吸收，從而影響三七生長[41]。同時(shí)，化感物質(zhì)可經(jīng)細(xì)胞膜上的靶位點(diǎn)將脅迫信號(hào)傳遞到細(xì)胞內(nèi)，破壞細(xì)胞膜，進(jìn)而影響植物對(duì)離子和水分的吸收[16]。因此，化感物質(zhì)可抑制植物根系生長，進(jìn)而影響其對(duì)水分和礦質(zhì)元素的吸收利用。

2.3 影響細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)

活性氧（ROS）是植物在多種生物和非生物脅迫下產(chǎn)生的副產(chǎn)物[42]，可導(dǎo)致細(xì)胞膜產(chǎn)生氧化損傷?；形镔|(zhì)可導(dǎo)致ROS 過量產(chǎn)生，誘導(dǎo)氧化損傷產(chǎn)生自毒作用[43]。研究發(fā)現(xiàn)，根系分泌的化感物質(zhì)會(huì)引發(fā)脂質(zhì)過氧化的增加，導(dǎo)致ROS 在根系中廣泛積累[44]。研究表明，保持SOD、過氧化氫酶（CAT）、POD 活性的平衡，有利于維持植株體內(nèi)的氧化還原穩(wěn)態(tài)[45]；然而，化感自毒物質(zhì)通過改變植物體內(nèi)SOD、POD 等抗氧化酶的活性引發(fā)氧化脅迫[46]。化感物質(zhì)可影響蘭州百合抗氧化酶活性，破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能，從而抑制自身生長[47]。何銀生等[48]研究發(fā)現(xiàn)，川黨參Codonopsis tangshenOliv.連作根圍土浸提液能夠顯著降低其幼苗體內(nèi)SOD 和POD 活性，并且對(duì)川黨參幼苗體內(nèi)抗氧化酶活性的抑制作用隨浸提液濃度增加而增強(qiáng)。謝敏等[49]研究發(fā)現(xiàn)，黨參Codonopsis pilosula（Franch.）Nannf.根際土中化感物質(zhì)codonopilate A 會(huì)引起其根尖細(xì)胞中ROS 積累，導(dǎo)致黨參根的生長受到抑制。此外，用蒙古黃 芪Astragalus membranaceus（Fisch.）Bge.var.mongholicus（Bge.）Hsiao 根系分泌物處理其幼苗后，體內(nèi)的SOD、POD 及CAT 活性均降低，ROS動(dòng)態(tài)失衡，細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)損傷[50]。任鳳英等[51]研究了黨參根系水浸液對(duì)不同作物的化感作用，發(fā)現(xiàn)黨參根系水浸液對(duì)當(dāng)歸Angelica sinensis（Oliv.）Diels、黨參及黃芪幼苗的SOD、POD 活性均有抑制作用，幼苗體內(nèi)丙二醛（MDA）含量增加，且黨參繁殖期根系水浸液化感自毒作用最強(qiáng)。因此，化感自毒物質(zhì)會(huì)影響抗氧化酶活性，改變藥用植物體內(nèi)ROS 平衡，導(dǎo)致MDA、ROS含量增加，細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)因過氧化而被破壞，植株生長受到抑制。

3 化感物質(zhì)對(duì)土壤環(huán)境的影響

3.1 影響酶活性

化感物質(zhì)可通過影響土壤環(huán)境影響植物生長。土壤酶活性反映了土壤酶催化物質(zhì)轉(zhuǎn)化的能力，對(duì)土壤中物質(zhì)能量代謝、土壤質(zhì)量具有重要指示作用[52-54]。Wang 等[55]研究發(fā)現(xiàn)，化感物質(zhì)會(huì)抑制土壤中脲酶的活性，限制尿素水解為CO2和NH3，產(chǎn)生對(duì)地黃幼苗有毒害作用的亞硝酸鹽和氨。曹詩佳等[56]研究了不同濃度對(duì)羥基苯甲酸對(duì)廣藿香根際土壤酶活性的影響，發(fā)現(xiàn)對(duì)羥基苯甲酸對(duì)廣藿香根際土壤酶活性具有抑制作用，且隨著對(duì)羥基苯甲酸濃度升高，土壤多酚氧化酶、磷酸酶、脲酶、蔗糖酶等活性均降低，抑制了土壤中氮、磷養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，不利于廣藿香生長。因此，化感物質(zhì)會(huì)通過影響土壤酶的活性，影響土壤中氮、磷等養(yǎng)分循環(huán)，從而抑制藥用植物的正常生長。

3.2 影響土壤微生物區(qū)系

化感物質(zhì)會(huì)直接影響植物自身的生長發(fā)育，也會(huì)通過改變土壤微生物群落，間接影響植物生長。黃煒[57]研究發(fā)現(xiàn)，2,4-二叔丁基苯酚通過改變植物根際栽培介質(zhì)酶活性，導(dǎo)致植株根際微環(huán)境惡化，加重蘭州百合的病害發(fā)生率，從而抑制植株生長。地黃根系滲出液能夠明顯降低土壤微生物多樣性，并導(dǎo)致微生物群落結(jié)構(gòu)失調(diào)[55]。此外，研究表明人參皂苷會(huì)促使土壤中尖孢鐮刀菌相對(duì)豐度增加，加重土傳病害的發(fā)生[58]。三七不斷向土壤中釋放酚酸類化感物質(zhì)，隨著三七連作時(shí)間延長，土壤pH降低，微生物群落由“細(xì)菌主導(dǎo)型”轉(zhuǎn)變?yōu)椤罢婢鲗?dǎo)型”[59]。太子參Pseudostellaria heterophylla（Miq.）Pax ex Pax et Hoffm.根系分泌的酚酸對(duì)致病尖孢鐮刀菌菌絲的生長，以及孢子的產(chǎn)生和萌發(fā)具有促進(jìn)作用[60]。因此，化感物質(zhì)對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)具有重要影響，可使土壤中有益微生物數(shù)量逐漸減少，病原菌數(shù)量逐漸增加，加重土傳病害發(fā)生，抑制藥用植物生長（表1）。

表1 典型藥用植物化感物質(zhì)和自毒作用

4 藥用植物化感自毒作用的消減措施

4.1 選育優(yōu)良栽培品種

選育對(duì)化感自毒作用有較強(qiáng)抵抗能力且活性成分含量較高的品種，是消減藥用植物化感自毒作用的重要措施。蘭州百合和湖北百合等野生種對(duì)病原鐮刀菌有較好的抗性，對(duì)化感自毒作用有較強(qiáng)的抵抗能力[71]。Yeasmin 等[72]研究發(fā)現(xiàn)，歐洲蘆筍Asparagus officinalisL.品種UC157 較美國蘆筍品種Gijnlim 的化感自毒作用小。因此，篩選抗性品種可有效緩解藥用植物化感自毒作用，減少化學(xué)農(nóng)藥施用量，提高藥用植物的產(chǎn)量和品質(zhì)。

4.2 合理施用有機(jī)類肥料

有機(jī)肥是我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的主要肥料，可有效改善土壤生態(tài)系統(tǒng)，維持生態(tài)平衡[73]。有機(jī)肥富含多種營養(yǎng)元素，能起到培肥保墑的作用，適用于各種作物[74]。同時(shí)，施加有機(jī)肥能增加土壤微生物多樣性、改善微生物群落結(jié)構(gòu)、提高土壤酶的活性、降低病原菌數(shù)量，從而改善土壤環(huán)境[75]。李俊華[76]研究發(fā)現(xiàn)，施用微生物有機(jī)肥能有效調(diào)節(jié)土壤微生物區(qū)系、抑制化感自毒作用，從而改善土壤環(huán)境，促進(jìn)棉花Gossypium herbaceumL.根系的生長和產(chǎn)量的提高。周武等[77]研究表明，施用有機(jī)肥能減少苯甲酸等化感物質(zhì)的分泌，從而抑制藥用植物三葉青Tetrastigma hemsleyanumDiels et Gilg 的化感自毒作用，提高其產(chǎn)量和品質(zhì)。藥用植物種植過程中，由于其對(duì)不同營養(yǎng)元素的吸收利用存在差異，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分失衡[78]。因此，合理施用有機(jī)肥能及時(shí)補(bǔ)充多種礦質(zhì)元素，維持土壤養(yǎng)分平衡，有效緩解化感自毒作用導(dǎo)致的藥用植物減產(chǎn)。

生物炭作為新型土壤改良材料，具有改善土壤理化性質(zhì)、增加土壤養(yǎng)分含量、提高土壤酶活性、吸附化感物質(zhì)、調(diào)節(jié)微生物群落等作用[79]。施用生物炭能促進(jìn)藥用植物葉綠素的合成，有利于植物進(jìn)行光合作用[80]。楊莉等[81]研究發(fā)現(xiàn)，利用稻殼、椰殼及玉米秸稈制成的生物炭提高了土壤pH，增加了土壤養(yǎng)分含量和酶活性，促進(jìn)了連作人參幼苗的生長。施用煙稈炭可有效降低三七連作土壤化感物質(zhì)含量，顯著提高連作三七存活率[82]。Saha 等[83]研究表明，施用生物炭能增加穿心蓮Andrographis paniculata（Burm.f.）Nees 活性成分總酚、黃酮的含量。此外，施用生物炭可有效吸附西洋參根系分泌物，減輕根腐病害[84]。因此，生物炭是良好的土壤改良材料，能有效吸附化感物質(zhì)，促進(jìn)其在土壤中的分解轉(zhuǎn)化，從而緩解化感自毒作用對(duì)藥用植物生長的不利影響。

4.3 建立合理的耕作制度

合理的耕作制度可有效改善土壤理化性質(zhì)、增加微生物多樣性、提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)[85]。王悅等[86]研究發(fā)現(xiàn)，輪作和套作可在一定程度上提高丹參Salvia miltiorrhizaBge 根際土壤微生物多樣性，調(diào)節(jié)土壤微生物群落組成，促進(jìn)丹參植株生長。此外，無花果Ficus caricaL.與薄荷Mentha haplocalyxBriq.套作可提高薄荷種子萌發(fā)率，促進(jìn)化感物質(zhì)分解與薄荷生長[87]。趙雅萌[64]研究發(fā)現(xiàn)，黃花蒿Artemisia annuaL.與三七套作能抑制尖孢鐮刀菌在土壤中的繁殖，有效緩解三七根腐病害。劉賢文等[88]研究表明，馬鈴薯Solanum tuberosumL.與玉米Zea maysL.輪作能有效減少土壤中化感物質(zhì)的含量，緩解化感物質(zhì)對(duì)土壤微生物的脅迫，提高土壤細(xì)菌多樣性。洋蔥Allium cepaL.與孜然Cuminum cyminumL.間作，可降低土壤中化感物質(zhì)阿魏酸、香草酸、對(duì)羥基苯甲酸的含量[89]。因此，合理的耕作制度可改善土壤環(huán)境，消減藥用植物化感自毒作用。

5 總結(jié)

化感作用已成為植物化學(xué)生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，當(dāng)前針對(duì)糧食作物和部分經(jīng)濟(jì)作物的研究較多，而針對(duì)藥用植物的研究相對(duì)較少。上述研究表明，大多數(shù)藥用植物均存在化感自毒作用，已嚴(yán)重影響到中藥材種植業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。當(dāng)前，針對(duì)藥用植物的自毒作用以理論研究為主，應(yīng)用研究相對(duì)較少。通過篩選抗性品種、改良作物種植土壤、施用生物炭等有機(jī)物料與微生物制劑、作物間套作等，可有效緩解藥用植物自毒問題。未來研究需進(jìn)一步闡明化感物質(zhì)在土壤中的積累及轉(zhuǎn)化機(jī)制、揭示化感物質(zhì)對(duì)病原微生物與藥用植物的影響機(jī)制、因地制宜研發(fā)多種藥用植物自毒作用消減技術(shù)，促進(jìn)我國中藥材種植業(yè)可持續(xù)發(fā)展。