烟蒜轮作模式下烟苗根际土粗提物成分研究

张锐静 张书畅 苏嘉骐 曾庆宾

摘要[目的]研究烟蒜轮作对高海拔地区烤烟生产发育的影响，以及与之关联的根际土壤提取物成分变化，进而探索缓解高海拔烤烟连作障碍的烟蒜轮作模式。[方法]在海拔约1500m连续单季连作烤烟8年以上的烟区引进温江大蒜、金乡大蒜、中蒜1号，调查烟蒜轮作对云烟87生长发育的影响，通过GC-MS对根际土的乙醇提取物进行组分分析，初步确定可能与烟蒜轮作效应关联的根际土化学成分。[结果]大蒜轮作显著提高烤烟农艺性状，大蒜品种间存在轮作效应差异，小瓣蒜类型的温江大蒜因密植轮作效应最好。烟苗根际土粗提物组分以酯类为主，其次为有机酸、酚苯类、醇类等化感物质。3种大蒜轮作处理下，烟苗根际土壤中的酯类物质种类和丰度显著降低，总有机组分数量增加，推测可能与烟蒜轮作效应有关。[结论]温江大蒜在高海拔地区轮作效应最好。

关键词连作障碍;烟蒜轮作;根际土;GC-MS;烟草;高海拔烟区

中图分类号S153.6文献标识码A

文章编号0517-6611（2019）01-0141-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.01.043

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

由于高海拔烟田种植条件差，普通作物越冬困难，烟农种植习惯落后等原因，高海拔烟区春夏季常年连作烟草（Nicotianatabacum），秋冬季闲置，复种指数低。此种简单、粗犷的单季连作模式不仅使土地综合利用效率低下，而且导致烤烟连作障碍严重，主要体现在病虫害频发，肥料利用率不断下降，烤烟产量、品质严重下降[1]。合理的耕作制度和农艺措施是克服烤烟连作障碍的有效手段，如稻草还田、水肥耦合等[2]。相关研究主要集中在不同栽培制度对烤烟产量、品质以及对土壤理化性质的影响[3-6]。

烟草忌连作，其连作障碍的主要诱因包括植烟土壤非均衡性富集和耗减严重导致的土壤养分劣化、失衡，根际微生态失调，以及化感自毒作用[7-8]。高欣欣等[9]、于会泳等[10]通过GC-MS检测推测烤烟化感物质可能是有机酸类、酰胺类、酯类以及甘油和烟碱。符建国等[11]通过比较连作与水旱轮作烤烟根系分泌物成分，推测烤烟根系分泌物自毒作用的主要原因是酸性有機组分。郭亚利等[12]研究表明，烤烟根系分泌物尤其是酚酸类物质达到一定浓度时可抑制烤烟种子发芽、幼苗生长和养分吸收。

大蒜（Alliumsativum）根系分泌物具有良好的抗菌消毒作用，是烤烟理想的轮作作物[13]。研究表明，虽然新鲜大蒜挥发物和提取物对烤烟发芽和生长有抑制作用，但前茬大蒜土壤对烟苗生长无显著抑制作用[14]。黄光荣等[15]比较了油菜-烤烟，小麦-烤烟及大蒜-烤烟3种轮作栽培模式，发现烟蒜轮作效应最佳。事实上，大蒜根系分泌物对莴苣、辣椒、萝卜、黄瓜、白菜和番茄等蔬菜作物均有促进作用[16-17]。阳显斌等[4-5]研究表明烟蒜轮作与烟蒜套种均能提高烟叶质量，且烟蒜轮作效果最明显。

尽管不同轮作模式在烤烟生产上已有不少探索和实际应用，其轮作效应的土壤理化性质基础也有不少报道，然而轮作效应与根际土壤有机物成分变化的关系研究甚少。笔者在高海拔烟区引进3个大蒜品种，比较前茬大蒜的烤烟根际土壤与连作烤烟根际土壤的粗提物组分，初步解释了烟蒜轮作效应的化学基础。

1材料与方法

1.1试验材料大蒜品种为温江大蒜、金乡大蒜、中蒜1号。其中，中蒜1号由中国农业科学院蔬菜花卉所国家无性繁殖及多年生蔬菜资源圃最新选育品种。选取无病斑、无机械损伤的蒜头作为种蒜。温江大蒜的种植密度为30万株/hm2，由于金乡大蒜和中蒜1号属于大瓣蒜，故种植密度设置为27万株/hm2。供试烤烟品种为云烟87，由四川省烟草公司攀枝花市公司提供。

1.2试验设计轮作的试验地点为攀枝花市米易县攀莲镇双沟村，海拔约1500m。采用田间小区试验，随机设计。设置烤烟-温江大蒜、烤烟-金乡大蒜、烤烟-中蒜1号3个轮作处理。考虑到边际效应、坡度、肥力差异等因素，在每个轮作处理的旁边设置空白对照（即烤烟单季连作模式）。每个轮作处理和相应空白对照均设置3次重复，每个重复面积约100m2。在整个大蒜和烤烟的生育期内，轮作处理与空白对照施肥、浇水保持完全相同。

1.3测定项目与方法

1.3.1大蒜生育期。调查和记录大蒜出苗期、蒜薹采收期、蒜头采收期。

1.3.2大蒜后茬烤烟性状。每个小区随机取20株烟株挂牌定株，对烟草旺长期、采收期的田间长势进行调查，调查项目包括株高、叶数、节距、茎围。

1.3.3大蒜后茬烤烟根系分泌物检测。

运用GC-MS气质联用仪测定烤烟根际土的粗提成分。在烟株移栽45d后，沿着烤烟植株根系周围挖开土壤取出完整植物根系土壤，轻轻抖动去掉在根系附着的较松散土壤，后抖动收集与根附着紧密的土壤为根际土壤，过60目筛，放置冰箱备用。

用萃取的方法对根际土有机组分进行粗提。取土样30g，加入85%乙醇200mL，磁力搅拌器搅拌浸提24h。用高速离心机在3500r/min条件下离心15min，取上清液，用旋转蒸发仪浓缩至50mL。乙酸乙酯（1：1）萃取2次，物相中性。用1mol/L盐酸将水相pH调至3.0，再用等量乙酸乙酯萃取2次，物相酸性。将分液漏斗中的水相用1mol/LNaOH溶液调pH至8，等量乙酸乙酯萃取2次，物相碱性。合并酸性、中性、碱性条件下的萃取液，用旋转蒸发仪浓缩，并用乙酸乙酯定容至5mL，用0.45μm有机滤膜过滤，为烤烟根际土粗提物液待测样品。

色谱仪为安捷伦7890A，毛细管柱为HP-5，进样口温度为250℃。程序升温：柱温50℃（2min），以6℃/min速率升温至250℃，并保持15min。载气为高纯氦气，流速1.0mL/min，进样量1μL。质谱仪为安捷伦5975C，扫描范围m/z为30～600amu，扫描速度0.2s。离子源温度200℃，四级杆温度150℃。不分流进样品。通过搜索计算机标准谱库NIST2011初步确定组分，仅考虑匹配得分≥70且在同一保留时间在3个重复中均出现的组分。取3个重复的峰面积平均值进行简单定量分析。

2结果与分析

2.1烟蒜轮作对烤烟生长发育的影响

分别在旺长期和采收期，调查大蒜轮作模式对烤烟主要农艺性状的影响。由表1可知，不同对照地块的云烟87长势有差异，表明存在土壤肥力不均的现象。但将大蒜轮作处理与其相邻的连作对照进行比较，前茬大蒜的烟草在株高和最大叶上显著高于对照，表明大蒜的轮作效应显著。大蒜轮作对烟草茎围无显著影响。3种大蒜轮作对烟草长势的促进程度具有品种差异。温江大蒜、金乡大蒜、中蒜1号对旺长期株高的提高幅度分别为19.0%、15.4%、16.6%。这可能是由于温江大蒜是小头蒜，其种植密度高于金乡大蒜和中蒜1号，因而轮作效应更明显。

2.2烟蒜轮作对大蒜生育期和经济效益的影响

由于高海拔烟田肥力较差，后期慎重追肥，3种大蒜在连作烟田的产量均低于平原地区。由表2可知，中蒜1号产量最高，经济效益最好，金乡大蒜其次，最差的为温江大蒜。比较3个大蒜品种在高海拔的生育期特征，温江大蒜出苗早，苗期最短，为41d;其次为中蒜1号，三者中最晚的为金乡大蒜，二者的苗期分别为51和46d。无论是蒜薹采收还是老蒜采收，温江大蒜均远早于金乡大蒜和中蒜1号。考虑到温江大蒜轮作模式不影响后茬烟苗移栽，在高海拔烟区最宜与烟草轮作的是温江大蒜。

2.3烟蒜轮作对烟草根际土粗提物成分的影响

2.3.1温江大蒜轮作。

在烟草苗期，搜集根际土，用GC-MS分析其粗提物成分，比较温江大蒜轮作模式和烟草连作模式。由表3可知，前茬温江大蒜轮作的根系土壤中共检测到21种物质，酯类物质10种，有机酸4种，酚苯类3种，醇、酮类3种，以及1-甲基萘。酯类物质丰度最高，达83.38%，其次为有机酸类，达3.54%。丙酸乙酯含量占23.22%。从连作土壤中，共检测到16种物质，酯类物质11种，有机酸1种，酚苯类3种，以及环己酮。酯类物质含量最高，达98.56%，丙酸乙酯占比达87.7%。轮作与连作共有的成分有丙酸乙酯、乙酸异丁酯、丁酸乙酯等13类物质。大蒜轮作处理显著增加的物质仅为丁酸乙酯，显著降低的物质有丙酸乙酯、乙酸丁酯、环己酮。轮作模式和对照分别检测到8种和3种独有成分，但总体含量均不高。丙酸乙酯和乙酸丁酯含量占比较大（>1.5%），可能与烟蒜轮作效应有关。

2.3.2金乡大蒜轮作。

比较金乡大蒜轮作模式和烟草連作模式下烟苗根际土粗提物组分，结果见表4。由表4可知，前茬金乡大蒜轮作中共检测到23种物质，酯类6种，有机酸3种，酚苯类5种，烷烃类4种，醇、酮类4种，以及甲基萘。通过比较峰面积，酯类物质含量最高，达95.13%;其中丙酸乙酯占比最高，达90.9%。其他组分含量很少，酸类1.00%，醇类1.18%，酚苯类0.81%，烷烃类0.48%，苯类0.42%。从连作土壤中共检测到17种物质，酯类物质含量最高，达97.58%。另外，连作土仅检测到3种酚苯类，含量为0.44%，3种醇、酮类含量为1.67%，未检测到烷烃类和有机酸类物质。轮作与连作共有组分10种。大蒜轮作处理显著增加的物质只有2，4-二（1，1-二甲基乙基）苯酚，显著降低的组分有丙酸乙酯、乙酸丁酯和γ-谷甾醇。轮作模式和对照分别检测到13种和7种独有成分。这些独有组分中含量较高的有邻苯二甲酸异丁酯和邻苯二甲酸二丁酯，在轮作样本中未检测到。丙酸乙酯、乙酸丁酯、邻苯二甲酸异丁酯含量占比较大（>1.5%），可能与烟蒜轮作效应有关。

2.3.3中蒜1号大蒜轮作。

比较中蒜1号轮作模式和烟草连作模式下烟苗根际土粗提物组分，结果见表5。由表5可知，中蒜1号轮作土壤中共检测到19种物质，酯类8种，有机酸4种，醇、酮类3种，烷烃类1种，酚苯类1种。对照共检测出16种物质，酯类9种，酚苯类2种，醇类2种，有机酸1种，烷烃类1种，以及甲基萘。无论是轮作处理还是连作对照，酯类组分含量最高，分别达82.35%和94.01%。在轮作和连作样本中，组分含量次高的分别是有机酸类（15.90%）和醇酮类（3.98%），其他组分含量均很少。轮作与连作共有组分12种。中蒜1号轮作处理显著提高的组分有亚油酸乙酯和亚油酸，显著降低的组分有丙酸乙酯、邻苯二甲酸二丁酯、β-谷甾醇。轮作模式和对照分别检测到7种和4种独有成分。在轮作中未检测到且在对照中含量较高的有油酸乙酯，仅在轮作中检测到且含量较高的有棕榈酸、亚麻酸、硬脂酸。由此可知，中蒜1号轮作大大增加了有机酸含量。

丙酸乙酯、邻苯二甲酸异丁酯、油酸乙酯、β-谷甾醇以及有机酸含量占比较大（>1.5%），可能与烟蒜轮作效应有关。

2.3.4不同大蒜品轮作处理间差异。

比较3种大蒜品种引起的根际土有机组分差异。结果发现，轮作导致酯类组分数降低，有机酸类组分数增加（图1A）。这在不同大蒜品种间得到互相印证。其他类别的有机组分如醇酮类、酚苯类、烷烃类变化一致性不明显。对具体有机组分而言，丙酸乙酯含量在3个轮作处理中均为下降，尤其在温江大蒜轮作处理中，下降幅度高达96.25%（图1B）。此外，乙酸丁酯和亚油酸乙酯在温江大蒜轮作处理中也大幅度降低。邻苯二甲酸异丁酯和邻苯二甲酸二丁酯在金乡大蒜轮作处理中大幅下降。中蒜1号轮作处理大幅度降低β-谷甾醇和乙酸十三烷含量，大幅度增加有机酸类和庚烷类含量。这表明不同大蒜品种轮作导致的烟苗根际土有机组分变化既存在较大的一致性，也存在较大的差异性。有机组分数的增加和酯类含量的减少可能是大蒜轮作效应的土壤化学基础。

3结论与讨论

该研究探讨了不同类型、不同品种的大蒜在高海拔烟区轮作效应的差异和轮作模式的优劣。研究表明，烟蒜轮作效应显著的有玉米[3]、水稻[11]、大蒜[5]等，不适宜进行轮作的有辣椒和大豆[3]。玉米和水稻由于生育期与烤烟冲突，正常情况下与烤烟仅实行隔年轮作，不能达到提高复种指数的目的。作为秋冬茬口的大蒜耐低温，经济效益高，能实现周年轮作模式。该试验比较了3种不同大蒜品种与烤烟轮作的种植模式。结果表明，3个大蒜品种的轮作效应明显。这与前人的研究结果相符[15]。3个大蒜品种中，温江大蒜是典型的小蒜瓣品种，主要种植区域为云贵川渝;金乡大蒜和中蒜1号均匀大瓣蒜，主要在北方种植。结果表明，温江大蒜轮作效应最显著。这可能是由于在相同土壤肥力及施肥条件下，温江大蒜植株蒜头较小，植株密度大，对连作烟土的改良效果最好。另外，在高海拔烟区条件下，由于冬春气温较低，大蒜生长被抑制，所有大蒜品种的生育期均变长，平均比低海拔延长20～40d。温江大蒜相对其他2个品种生育期较短，整个生育期在200d左右，刚好能与烟实现轮作。综合比较，小瓣蒜适宜高海拔烟区烟蒜轮作模式。

该研究结果表明，烟苗根际土粗提物主要有机成分为酯类，占比在80%以上。其次为有机酸类。高欣欣等[9]在酸性、中性、碱性提取物中均检测到大量有机酸，最高含量分别为丁二酸（54.13%）、肉豆蔻酸（63.65%）、棕榈酸（22.43%）。于会永等[10]分析烤烟根系分泌物，发现酸性、中性、碱性提取物中含量最高的均为酯类，分别为47.75%、69.09%、47.17%，其中最高的都是邻苯二甲酸二丁酯。不同研究结果差异很大，这与烤烟的种植方式、生长状况以及根系分泌物的搜集方式和检测方法有关。温度和水分条件等细微环境变化也能影响根系分泌物组分含量[18]。该研究从烟苗根际土测定的粗提物成分还包含前茬大蒜残留物以及其他土壤化学物质。尽管从严格意义上讲并不完全是烤烟根系分泌物，但对分析大蒜轮作效应的综合土壤化学基础具有重要意义。

对比3种大蒜轮作处理下烟苗根际土粗提物有机组分的动态变化，总有机组分数增加以及酯类组分数量和含量减少可能是大蒜轮作效應的土壤化学基础。有机组分多样化有利于构建健康的土壤微生态环境，平衡烟苗土壤养分吸收。研究表明，烟蒜轮作提高根际土壤细菌和放线菌数量高于烤烟连作，尤其是解钾菌、解磷菌等活化土壤养分的有益菌[4]。而烟草根系分泌物具有促进病原菌（茄科劳尔氏菌）抑制拮抗菌（芽孢杆菌）的负面作用[19]。酯类物质减少，可能减少烤烟根系分泌物的自毒作用。人工加入烤烟根系分泌物提取液显著降低烟苗根系活力，降低根系对NO3-、PO43-、K+的吸收，抑制幼苗的生长，大蒜轮作作为解决烤烟连作障碍的重要手段之一[12]。从土壤农化性状、土壤微生物类群2个方面进行研究。该研究利用GC/MS检测轮作处理下烟苗根际土粗提物有机成分，从另一个角度初步解释轮作效应的土壤化学基础，下一步将进一步鉴定主要有机组分与大蒜轮作效应的关系。

参考文献

[1]石秋环，焦枫，耿伟，等.烤烟连作土壤环境中的障碍因子研究综述[J].中国烟草学报，2009，15（6）：81-84.

[2]张继光，申国明，张久权，等.烟草连作障碍研究进展[J].中国烟草科学，2011，32（3）：95-99.

[3]贾健，朱金峰，杜修智，等.不同种植模式对烤烟根际土壤微生物、土壤养分和烟叶质量的影响[J].西南农业学报，2016，29（10）：2300-2306.

[4]阳显斌，李廷轩，张锡洲，等.烟蒜轮作与套作对土壤微生物类群数量的影响[J].土壤，2016，48（4）：698-704.

[5]阳显斌，李廷轩，张锡洲，等.烟蒜轮作与套作对土壤农化性状及烤烟产量的影响[J].核农学报，2015，29（5）：980-985.

[6]晋艳，杨宇虹，段玉琪，等.烤烟轮作、连作对烟叶产量质量的影响[J].西南农业学报，2004，17（S1）：267-271.

[7]吴林坤，林向民，林文雄.根系分泌物介导下植物-土壤-微生物互作关系研究进展与展望[J].植物生态学报，2014，38（3）：298-310.

[8]邓阳春，黄建国.长期连作对烤烟产量和土壤养分的影响[J].植物营养与肥料学报，2010，16（4）：840-845.

[9]高欣欣，于会泳，张继光，等.烤烟根系分泌物的分离鉴定及对种子萌发的影响[J].中国烟草科学，2012，33（3）：87-91.

[10]于会泳，申国明，高欣欣，等.烟草根系分泌物的GC-MS检测[J].中国烟草学报，2013，19（4）：64-72.

[11]符建国，易建华，贾志红，等.轮作与连作烟田根际土壤酸性有机组分的初步分离与鉴定[J].中国烟草科学，2011，32（6）：67-71.

[12]郭亚利，李明海，吴洪田，等.烤烟根系分泌物对烤烟幼苗生长和养分吸收的影响[J].植物营养与肥料学报，2007，13（3）：458-463.

[13]苏美琼，杨柏崇，成密红，等.大蒜的功效及综合利用研究进展[J].西北农业学报，2003，12（4）：151-156.

[14]赖荣泉，赖碧添，钟秀金.大蒜对不同烤烟品种的化感作用[J].烟草科技，2010（4）：59-64.

[15]黄光荣，赵致.烤烟与不同作物轮作对烤烟生长发育及产质的影响[J].耕作与栽培，2007（6）：30-31.

[16]周艳丽，程智慧，孟焕文.大蒜根系分泌物对不同受体蔬菜的化感作用[J].应用生态学报，2007，18（1）：81-86.

[17]周艳丽，王艳，李金英，等.大蒜根系分泌物的化感作用[J].应用生态学报，2011，22（5）：1368-1372.

[18]高欣欣.烤烟根系分泌物成分鉴定与分析[D].北京：中国农业科学院，2012.

[19]刘艳霞，李想，蔡刘体，等.烟草根系分泌物酚酸类物质的鉴定及其对根际微生物的影响[J].植物营养与肥料学报，2016，22（2）：418-428.