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  • 行業聚焦

    土壤微生物與作物土傳病害控制

    來源:發布時間:2017-09-20 08:26:41瀏覽:6

    黃新琦1,2,3 蔡祖聰1,2,3

    (1 南京師范大學地理科學學院2 江蘇省地理信息資源開發與利用協同創新中心 3 南京師范大學 江蘇省物質循環與污染控制重點實驗室)

    來源:中國科學院院刊(http://www.bulletin.cas.cn 微信公號:CASbulletin,2017年第6期)

     

    導  讀

    隨著農業現代化水平的提高,以高投入與高產出、種植品種單一、復種指數高和大量施肥施藥等為特點的集約化種植已成為我國重要的農業生產模式。由于對作物土傳病原微生物生長繁殖規律和傳播擴散途徑的認識不足,隨著集約化種植不斷推廣與發展,作物土傳病害在我國已成蔓延趨勢,對我國農業生產的可持續發展、農產品和生態環境安全提出了嚴峻的挑戰。為了有效遏制作物土傳病害蔓延勢頭,實現到2020年我國農藥使用量零增長的目標,文章建議:開展土傳病原微生物普查,測土施“藥”,深入研究作物土傳病原微生物,大力普及科學種植知識。


    土壤中存在數量巨大、種類繁多的微生物,它們中的絕大部分是有益的,在土壤發育、物質轉化、結構形成、提高作物養分有效性、抑制病原菌活性等方面發揮著不可替代的作用。但是,土壤中也存在著另一類引起作物病害的有害微生物,通稱為土傳病原微生物(soil-borne pathogens)。由生活在土壤中或殘留在土壤的病株殘體中的病菌引起的作物病害統稱為土傳?。?/span>soil-borne diseases)。土傳病是最常見和最嚴重的作物病害,是造成農藥過量使用的主要原因。因此,亟需加大對土壤微生物中作物土傳病原微生物的基礎研究,摸清作物土傳病原微生物現狀,切斷作物土傳病原微生物傳播擴散途徑,采取測土施“藥”等多種手段,有效遏制作物土傳病害蔓延勢頭,為實現至 2020 年我國農藥使用量零增長目標作出貢獻。

    土傳病害現狀及成因

    傳統的農業種植中,由于輪作、休耕、大量使用有機肥等措施,作物土傳病害發生較少。近幾十年來,隨著農業現代化水平的提高,以高投入與高產出、種植品種單一、復種指數高和大量施肥施藥等為特點的集約化種植已成為我國重要的農業生產模式。這一模式的不斷推廣與發展導致我國農田土壤的大面積退化,其表現為土壤酸化、次生鹽漬化、養分失衡和土傳病害頻發,且退化面積逐年增加。

    土傳病害在世界范圍內極其普遍,如枯萎病、立枯病、黃萎病、根腐病、青枯病、根結線蟲病和疫病,這些病害給農業生產帶來重大的經濟損失,嚴重制約高效農業的可持續發展。例如,土傳香蕉枯萎病又名香蕉巴拿馬病、黃葉?。▓D 1),是由土壤中的尖孢鐮刀菌古巴?;?/span> Fusarium. oxysporum f. sp. ubense)侵染,引起維管束壞死的一種毀滅性真菌病害。2013-2014 年 Nature、英國《獨立報》(Independent)及國內多家主流媒體相繼報道了香蕉枯萎病危害,對香蕉種植前景表示出極大的擔憂。

    圖1  香蕉枯萎?。ㄗ?,對照)及強還原土壤處理治理香蕉枯萎病的效果(右,強還原土壤處理)

    (海南樂東,2014年)

    我國1996年在廣東省番禺市萬頃沙發現香蕉枯萎病,由于未被及時控制,病害迅速通過種苗等途徑傳播,使許多蕉園棄耕改種其他作物。2011年海南省香蕉種植面積一度達5.8萬公頃,由于受到枯萎病等的制約,2014年其香蕉種植面積僅為2.5萬公頃,且仍在逐年減少。受此病害的影響,我國香蕉主栽培區從廣東依次向海南、廣西、云南等地區甚至緬甸、老撾等東南亞國家轉移。云南省2005年開始大面積種植香蕉,每年以6千多公頃的速度迅速擴張。據不完全統計,云南全省香蕉種植面積約9.3萬公頃,主要分布在紅河、西雙版納、普洱等滇南地區。西雙版納香蕉主產區勐海打洛鎮、勐臘縣勐捧一帶、景洪大勐龍一帶最先開始暴發黃葉病,如今,一半左右的地區已經不能再種植香蕉。香蕉種植開始向高海拔區發展。由于香蕉生長需要較高的溫度,適宜種植的氣候和土壤區域有限,長此以往,香蕉生產將面臨無地可種的境地。

    再如洋桔梗,作為一種新型鮮切花,2015年洋桔梗在我國云南種植面積已達350公頃,替代非洲菊成為云南第四大鮮切花。在種植面積不斷擴大的同時,洋桔梗正遭受由尖孢鐮刀菌洋桔梗?;停?/span>F. oxysporum f. sp. eustomae)所引起的枯萎病的嚴重侵害(圖 2)。據筆者了解,在連續種植 3年后,2014年云南一花卉果蔬有限公司13.9公頃洋桔梗的枯萎病發病率平均達40%以上。

    黃瓜、番茄、青椒等大眾蔬菜的種植也普遍遭受土傳病害的侵襲,導致這些農產品的產量不穩,市場動蕩,前景堪憂。土傳病害不只發生在瓜果、花卉、蔬菜等經濟作物,而且也發生在水稻、馬鈴薯、大豆、花生等大田作物。

    2007年我國水稻紋枯病發病面積已達1718萬公頃。我國馬鈴薯種植面積逐年上升,從2008年的466.33萬公頃增至2013年的561.47萬公頃。然而,20082014年間,馬鈴薯早、晚疫病和病毒病年平均發生面積為340萬公頃,這些土傳病害嚴重威脅我國將其作為第四大糧食作物的發展計劃。

    2  洋桔??菸“l病狀況及強還原處理-種植-強還原處理-種植之新連作模式下的

    花卉洋桔梗生長狀況(云南石屏)

    土傳病害主要由土壤中植物病原性微生物引起,常見的土傳病原微生物有尖孢鐮刀菌(F. oxysporum)、立枯絲核菌(Rhi zoc ton ia sol a n i)、大麗輪枝菌(Verticillium dahliae)、腐霉(Pythium spp.)、疫霉(Phytophthora spp.)和根結線蟲(Meloidogyne arenaria)等,這些微生物在集約化種植土壤中廣泛分布。任何生物在生長繁殖過程中均有損害其自身生長環境的特性,生物對生長環境的損害程度隨生物密度的增加而增強,農作物也不例外。

    1)一般認為,農作物在生長過程中,通過根系向土壤分泌化感物質并為病原微生物創造生長環境,這些物質特異性地誘導相應的病原微生物,使其數量增加。作物收獲后,病原微生物因失去營養來源及寄主植物創造的環境條件而自然衰減。因此,種植密度低且輪作的傳統種植制度下,發生土傳病害的機率較低。高投入、高產量且單一品種種植的集約化種植制度下,作物根系向土壤分泌大量的化感物質,誘導病原微生物大量繁殖,最終侵入作物引起病害,因而土傳病害的發生機率大。在單一品種種植下,土傳病原微生物數量自然衰減的時間更短。

    2)傳統農業中施用的有機肥向土壤不斷補充有益微生物,提高土壤自身抗病性?,F代集約化種植過程中大量不合理施用化肥導致土壤理化性質退化,土壤中有益微生物減少,從而不能通過土壤微生物相互克制作用而有效抑制病原微生物的生長和活性,使得土壤自身的修復能力降低。

    3)農業生產者普遍缺乏防止土壤病原微生物傳播和擴散的意識,隨意丟棄染病的作物殘體,用被病原菌污染的水源灌溉等,加速了土傳病原微生物的傳播和擴散。我們在調查中發現,云南石屏一花卉公司用于灌溉的池塘水中,尖孢鐮刀菌數量達26cfu/mlcfu,菌落形成單位,colony-forming units,指單位體積中的細菌群落總數;西雙版納香蕉種植區河流水中尖孢鐮刀菌數量達4cfu/ml。

    種苗也是病原菌傳播的途徑。香蕉巴拿馬病即從國外通過種苗傳入,在我國蔓延,對香蕉在我國的可持續生產提出了嚴峻的挑戰。

    1、 現有的應對措施

    目前農業生產中對于土傳病害的防控已有一系列的方法,其中應用最為廣泛的是栽培抗性品種和使用化學殺菌劑。從作物發病率較高的土壤上選取未發病植株不斷培育、馴化,以獲得較于野生型更加抗病的品種。在病原菌富集土壤上種植抗病品種可以有效降低作物發病率。然而栽培抗病品種也有一系列不足。首先,抗病品種往往生長期長,肥料利用率較低。其次,栽培抗病品種并不能消除來自于病因--土壤中所富集的病原微生物的潛在威脅?;瘜W殺菌劑由于具有成本低、使用方便等特點被農業生產者廣泛使用。然而近年來,隨著人們對食品安全和環境污染的日益重視,許多高效的化學殺菌劑已被嚴令禁止使用,如《蒙特利歐條約》明確規定禁止使用20世紀廣泛采用的土壤熏蒸劑--溴甲烷,我國農業部也推出了《到2020 年農藥使用量零增長行動方案》。此外,化學殺菌劑的大量使用不僅消除了土壤中的病原微生物,同時也殺滅了植物有益微生物,造成了土壤微生態區域的“真空”。由于缺少有益微生物的制約,當條件適宜時,病原菌會出現井噴式的增長。

    近年來,由于具有環保、高效等特點,生物防治備受科研工作者的推崇。研究表明,在土壤中接種人工選育的拮抗菌和促生菌,或對植物施用這些菌株的發酵產物,可以有效降低土傳病害的發生率,提高作物產量。

    然而由于受到成本高、防效不穩定等因素限制,生物防治并未能完全取代化學防治。21世紀初日本和荷蘭科學工作者受水旱輪作土壤具有更強抗病性這一現象的啟發,相繼獨立發明了強還原土壤消毒法(Reductive SoilDisinfestation, RSD),又稱厭氧土壤消毒法(AnaerobicSoil Disinfestation, ASD)或生物土壤消毒法(BiologicalSoil Disinfestation, BSD)。我們在研究去除大棚蔬菜地土壤大量積累的硝酸鹽的過程中,獨立地發現,土壤強還原處理不僅可以殺滅土傳病原生物,而且可以改善土壤理化性質,抑制雜草生長等。強還原土壤消毒方法主要通過向土壤中添加大量易降解有機碳源、灌溉土壤至水分飽和、覆蓋塑料薄膜創造土壤厭氧環境,在有機物料厭氧分解過程中,使土壤強烈還原,土壤中土著厭氧微生物繁殖,產生大量抑菌物質,如乙酸、丁酸、硫化氫、氨、Fe2+、Mn2+等,從而殺滅土壤中的病原微生物,打破并重建土壤微生物區系。RSD已被證實是一種廣譜、高效和環保的土壤消毒方法,且在美國和日本等國已作為化學熏蒸的替代方法。在我國也已成功地用于防控香蕉枯萎病、花卉和蔬菜連作誘發的土傳病害。

    2、 防控土傳病害的建議

    根據作物土傳病害發生及防治現狀,提出3點建議。

    3.1 開展土傳病原微生物普查

    20世紀下半葉以來,我國政府部門及科研工作者進行過多次土壤調查,儲備了大量關于土壤成因、類型、理化性狀、肥力、酸化、鹽漬化及農藥重金屬污染等方面的數據,但唯獨缺少土壤中主要植物病原菌分布狀況這一屬于土壤生物污染范疇的調查。

    在我國人口持續增加和可利用耕地面積不斷減少的雙重壓力下,耕地土壤資源的利用強度不斷加大,集約化種植面積不斷增加,由土傳病原微生物導致的作物土傳病害正在快速蔓延,不僅對瓜果、蔬菜、中藥材的可持續生產,而且也對大田作物如馬鈴薯、花生、大豆等的可持續生產提出了嚴峻挑戰。但是,我國對土壤病原微生物的種類、數量、生長環境、傳播途徑等均不甚明了。因此,有必要在國家和政府層面對我國土傳植物病原微生物進行普查。土傳病原微生物的普查可以從試點開始,積累經驗,分步推開。首先可從土傳病原微生物危害最突出的設施蔬菜、受種植土壤資源限制的香蕉、中藥材等特種植物開始,取得經驗后,分步向大田作物推開。對于熱點地區和敏感作物,則應定期普查,摸清土傳病原微生物數量、活動規律,提前預防,避免發生作物土傳病害大面積爆發性事件,穩定農產品市場供應,減少農產品價格震蕩。

    實現土傳病原微生物普查必須建立簡易且可靠的作物土傳病原微生物測定方法。選擇性培養基和平板稀釋涂布法是土壤病原菌數量的傳統分析方法,該方法耗時耗力,且測量誤差較大,可重復性低,不宜應用于大范圍土壤病原菌分布調查。近年來分子生物學技術發展迅猛,許多新興的檢測手段已被廣泛應用于科學研究和生產實踐中。例如,熒光定量PCR,由于具有靈敏度和重復性高、分析耗時短等特點被廣泛應用于土壤病原菌數量分析。此外還可設計主要病原菌的特異性探針并制成基因芯片,在短時間內同時檢測多個土壤樣品的多種病原菌數量。這些新技術的發展為土壤病原微生物分布調查提供了有效的技術手段??傊?,開展作物土傳病原微生物普查已不存在技術上的障礙。

    3.2 測土施“藥”

    為了提高作物產量、降低農業成本、減少污染、保護農業生態環境和保證農業可持續發展,國內外科學工作者提倡“測土施肥”--根據土壤養分狀況及供應能力確定施用肥料的種類和用量。測土施肥在經濟發達國家已被廣泛推廣,執行多年。我國于20世紀末及21世紀初開展了大量的測土施肥工作,為避免過量施肥、節約農業成本發揮了積極作用。同理,我們還可開展測土“藥”工作,實現精準化使用農藥。

    作物土傳病害蔓延是我國農藥使用量持續增加、生態環境風險和農產品農藥殘留風險增大的主要驅動因素。實現至2020年農藥使用量零增長的目標,首先必須解決作物土傳病害頻發的問題。據筆者調查,現階段農業生產者普遍采用化學殺菌劑防控作物土傳病害。因為作物土傳病害一旦發生,基本不可再治,所以,對于作物土傳病害,生產者采取的是預防策略。許多生產者為安全起見,往往采用加大化學殺菌劑劑量和增加施藥頻度的方法,預防作物土傳病害,施藥頻度有時甚至達到每三天一次。這不僅污染環境,威脅食品安全,還增加種植成本。另一方面,在我國也時常發生由于未采取足夠的控制措施,作物大量發病,造成大面積作物減產甚至絕收的重大事件。

    全國范圍內開展測土施“藥”工作是實現至2020年農藥使用量零增長的有效措施。根據土壤中主要病原微生物密度并依照相應的參考指標,制定相應的防控措施,減少農藥使用的盲目性,達到減少農藥使用量的目的。根據土傳病原菌分析結果,可分別采取不同措施。對于土傳病原微生物密度在發病臨界值以下的田塊,無需使用農藥等滅菌措施;對于土傳病原微生物密度超過發病臨界值的田塊,則可根據土傳病原微生物的種類和密度,選擇適宜的農藥和劑量進行化學殺菌,或采用生物防控、RSD處理及其他一些環保、高效的防控措施,防止作物發生土傳病害。

    實施測土施“藥”必須確定土傳病原微生物誘發作物發病的密度臨界值和采用合適的土傳病原微生物測定方法。如前述,現有的分子生物學技術已經可以實現土傳病原微生物的快速和精確測定。對于土傳病原菌致病的密度臨界值也已有大量的文獻報道可供參考,稍加總結歸納,對于多數土傳病原微生物可制定出可應用于指導生產實際的臨界值。對于目前尚難確定的土傳病原微生物密度臨界值,則可組織力量,攻關研究,在盡可能短的時間內確定致病密度臨界值。

    雖然作物土傳病原微生物種類較多,一種作物也可能有多種致病微生物,但由于土傳病原微生物寄主的專一性,測土施“藥”不同于土傳病原微生物普查,無需測定所有種類的土傳病原微生物,在了解田塊種植歷史和計劃種植作物種類的基礎上,只需測定計劃種植作物的土傳病原微生物密度即可。測土施“藥”在科學和技術上的復雜程度并不比測土施肥高,而其精準度則可超過測土施肥。

    3.3 深入研究作物土傳病原微生物,大力普及科學種植知識

    現代集約化種植在我國的發展歷史并不長,對集約化種植的生產規律和管理方式,很多還停留在傳統種植方式的認知水平上;集約化種植者大多由傳統的大田農業生產者轉化而來,他們習慣于傳統種植和農田管理方式。

    在傳統種植中,水分和畜禽糞尿無需進行滅菌處理,而可直接循環利用,這種循環利用方式受到學術界的高度推崇。在集約化種植、基質培養和營養液培養中,如果再循環利用的水分、基質、養分未經滅菌處理,直接循環利用,則極易發生作物病害,是集約化種植之大忌。在傳統種植中,作物秸稈可不處理直接還田或簡單處理后還田。在集約化種植中,作物秸稈直接還田加速作物病害傳播和連作障礙的發生。尤其在設施大棚生產中,由于大棚內溫度、濕度與露地生產的巨大差異,作物的生長規律,養分需求規律,光合產物地上和地下部分的分配比率,病蟲害發生規律等都有異于露地生產。因此,必須加大對集約化種植的作物生長規律、養分需求規律、病蟲害發生規律等的基礎研究,其中,集約化種植下,作物土傳病原微生物生長繁殖與寄主作物和土壤拮抗微生物的關系及其發生聯系的通道(物質),作物土傳病原微生物和拮抗微生物生長的土壤環境條件等均是高效防控作物土傳病害的科學基礎。

    集約化農業生產者,甚至相關領域的科技工作者,缺乏控制病原菌傳播擴散知識的現象極為普遍,這是導致我國土傳病害如此迅猛發展的重要原因之一。因此有必要針對集約化種植的農業生產者和相關領域的科技推廣工作者開展一系列知識培訓工作,以簡明扼要的方式講解土傳病害成因、土傳病原菌傳播和擴散等相關知識,讓其意識到防控病害的重要性,并在實際生產中采取相應的手段,防止病原菌的傳播和擴散。


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