怀山药连作地土壤元素的变化和连作障碍解决方法研究

摘要 测定和分析温县怀山药栽培基地土壤元素随连作年限的变化，分离鉴定怀山药根际土中化感物质的种类和含量，探究引起怀山药连作障碍的主要因素，并考察施用杀线菌肥对山药产量和品质的影响。结果表明：怀山药连作1～4年土壤元素和有机质含量先增多后减少，以连作2年最高，连作使土壤氮、磷、钾比例失调，Cu、Cd、Cr、Ni、Pb在土壤表层富集，土壤pH减小。随着生长期的延长，土壤中全磷、重金属、Na含量降低，全钾、Ca增多，Mg和有机质变化不明显；应用GC-MS和HPLC在山药根际土中共鉴定出11种化感物质。施用杀线菌肥可有效缓解山药连作障碍，达到增产提质防病害的功效，以3 000 kg/hm²效果最优，比对照增产26.83%，根长增加35.26%，畸形率降低82.43%；3 000、6 000和9 000 kg/hm²施肥量使山药增粗10.00%～15.00%，根际线虫分别比对照减少了82.80%、73.12%和52.69%。

关键词 怀山药；连作障碍；土壤元素；杀线菌肥

中图分类号 S344.4 文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2024）02-0161-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.02.036

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Study on the Change of Soil Elements and the Solution of Continuous Cropping Obstacle in Chinese Yam Continuous Cropping Land

WANG Fan-lin，WANG Dai-jun，CHENG Hong-bin et al

（Hainan Academy of Agricultural Reclamation Science Group Co.， Ltd.，Sanya，Hainan 572024）

Abstract The study measured and analyzed the changes of soil elements with continuous cropping years in the Chinese yam cultivation base in Wen County， isolated and identified the types and contents of allelochemicals in the rhizosphere soil of Chinese yam， explored the main factors causing obstacles to continuous cropping of Chinese yam， and investigated the effect of nematicidal bacterial fertilizer on the yield and quality of Chinese yam.The results showed that the contents of soil elements and organic matter increased first and then decreased in 1-4 years of Huai yam continuous cropping， the second year was the highest. The proportion of nitrogen， phosphorus and potassium in soil was imbalanced， Cu， Cd， Cr， Ni and Pb were enriched at the upper soil layer， but soil pH decreased. With the extension of growth period， the contents of total phosphorus， heavy metals and Na in soil decreased， total potassium and calcium increased， and the changes of Mg and organic matter were not obvious. A total of 11 allelochemicals were identified in the rhizosphere soil of yam by GC-MS and HPLC.The application of nematicidal bacterial fertilizer could effectively alleviate the obstacles of continuous cropping of yams， achieve the effect of increasing yield， improving quality and preventing diseases. The effect of 3 000 kg/hm² was the best， which increased yield by 26.83% compared to the control， increased root length by 35.26%， and reduced deformity rate by 82.43%.The fertilization amounts of 3 000， 6 000 and 9 000 kg/hm² increased the thickness of yam by 10.00%-15.00%， and reduced the number of nematodes in the rhizosphere by 82.80%， 73.12% and 52.69%， respectively， compared to the control.

Key words Chinese yam;Continuous cropping obstacle;Soil elements;Nematicidal bacterial fertilizer

作者简介 王帆林（1990—），女，甘肃白银人，农艺师，硕士，从事天然产物开发与利用研究。*通信作者，研究员，博士，博士生导师，从事天然药物学研究。

收稿日期 2023-02-14

连作障碍是指植物在经过连作后，在正常栽培管理条件下也会出现生育状况变差、病虫害加重、产量降低、品质变劣的现象^[1]，也称“重茬问题”。由于耕地有限，药用植物栽培面临严峻的连作障碍问题，我国有230多种药用植物需大面积栽培，其中根茎类占比70%以上^[2]。山药（Dioscorea opposita Thunb.）连作使山药生长抑制、病虫害严重，甚至绝收^[3]。怀山药是古怀庆府（今河南省焦作市境内）所产的山药，属我国有名的道地药材，怀山药的轮作周期为5年，该区域也是道地怀地黄产区，怀山药和怀地黄严重的连作障碍和市场需求的不断增大使怀药不得不在道地产区之外的区域种植，严重影响了其药用价值^[4]，我国道地怀山药的生产面临巨大难题。

引起山药连作障碍的原因有3个方面：①土壤环境改变，包括土壤养分失衡和微生物群落破坏^[5-6]；②植物自毒作用，山药自身次生代谢产物的囤积对山药生长形成抑制，主要是指化感物质^[7]；③病虫害残留，连年种植导致山药土传病害加剧^[8]。上述因素联动互作，使山药严重减产，并极大降低山药品质^[9]，其中以植物自毒作用在近年来研究较多，且尚无较好的解决办法。目前发现，引起植物自毒作用的化感物质几乎都是植物的次生代谢产物，可划分为14类^[10]，其中酚酸类物质通过对植物膜系统、内源激素、土壤微生物等作用导致植物生长受到抑制，且种类多、较活跃，是目前化感作用研究的重点^[11]，如对羟基苯甲酸、咖啡酸、肉桂酸、香豆酸、阿魏酸、五倍子酸、香草酸、苯甲酸等^[12-13]，怀山药根系酚酸类化合物随生长周期而变化^[14]。但是，目前学者对连作障碍机理研究较多，但仍缺乏行之有效的解决办法，主要通过加强田间管理进行缓解。该研究测定和分析温县怀山药栽培基地土壤元素随连作年限的变化，分离鉴定怀山药根际土中化感物质的种类和含量，探究引起怀山药连作障碍的主要因素，并考察施用杀线菌肥对山药产量和品质的影响，以期为缓解怀山药连作障碍提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 仪器 LC 2000液相色谱仪，配有T2100P色谱工作站，上海天美科学仪器有限公司；气相色谱质谱仪，美国PerkinElmer公司；原子吸收光谱仪，美国PerkinElmer公司；ME2002E电子分析天平、ME204E精密电子分析天平，梅特勒－托利多仪器（上海）有限公司；KE52AA旋转蒸发器、SHI－Ⅲ型循环水真空泵、低温冷却液循环泵，上海亚荣生化仪器厂；GOKU－A1超纯水系统，锐思捷水纯化技术有限公司。

1.2 试剂 阿魏酸、对香豆酸、对羟基苯甲酸、香草酸和丁香酸标准品，纯度≥98%，上海源叶生物科技有限公司；微生物菌肥由河南保和堂提供；杀线复合酶制剂由海南省农垦科学院集团有限公司生物工程中心配制；甲醇、甲酸、乙腈，色谱级，赛默飞世尔科技有限公司；工业乙醇（≥95%），白沙南大洋实业有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 土壤采样和元素测定。选择在地理位置上连片且均有不同连作年限地块的4块栽培基地，采用五点取样法，分别在6月和10月采集土壤，检测在山药快速生长期和山药收获期土壤磷、氮、钾、钙、镁、钠、重金属、有机质和土壤pH。各地块栽培管理模式一致。

土壤元素测定方法按照相关检测标准进行，其中土壤全氮含量的测定依据HJ 717—2014，采用凯氏法；土壤全磷含量的测定依据GB 9837—1988；土壤全量钙、镁、钠、钾元素含量的测定依据NY/T 296—1995，采用氢氟酸-高氯酸消解法；土壤有机质含量的测定依据MY/T 1121.6—2006；土壤重金属含量的测定依据NY/T 1613.14—2008，采用王水回流消解原子吸收法；土壤酸碱度的测定依据NY/T 1121.2—2017。

1.3.2 根际土提取物制备。山药挖出后用纯水冲洗根上附着的泥土，将收集的泥浆用滤纸过滤后得到山药根际土，将根际土放入烧杯中，加入10倍体积75%乙醇，超声提取30 min后用滤纸过滤，并收集滤液，重复提取2次后，将收集到的滤液合并，40 ℃下于真空旋转蒸发仪浓缩至3～5 mL，用氨水调节酸碱度至pH≥9。称取适量柱层析硅胶（200～300目）进行装柱，依次用3 mL甲醇和3 mL 1%氨水淋洗硅胶柱后，将提取液凝缩液进行上样，用3 mL甲醇（色谱级）洗脱柱子，再用3 mL 5%乙酸甲醇溶液洗脱，此时收集洗脱液，并常温挥干溶剂，向洗脱液中加入2 mL甲醇硫酸溶液（4∶1），50 ℃恒温水浴30 min后，依次加入5 mL 20 g/L无水硫酸钠溶液和5 mL正己烷（色谱级），振荡萃取10 min后，10 000 r/min条件下离心3 min，取上层备用。

1.3.3 液相色谱条件。色谱柱为Agligen ZORBAX SB-Aq（4.6 mm×250 mm，5 μm）；检测波长280 nm；柱温25 ℃；流动相A为0.1%乙酸溶液，B为甲醇溶液。梯度洗脱：0～35 min，85%～55%A；35～70 min，55%～10%A；70～75 min，10%～0%A；75～80 min，0～55%A；80～85 min，55%～85%A；85～90 min，85%A。流速1 mL/min。