云南农业大学科研团队：遵循中药材生长发育特性，构建有效缓解连作障碍的生态种植技术体系

千百年来药材多采挖自深山老林，药效高、药力足，但随着药材需求暴涨，野生药材挖掘殆尽，人工农田栽培模式被广泛采用。长期以来，药材驯化、育种、栽培等取得了卓越成就，然而与农作物相比差距甚大，加之浮躁逐利，存在诸多难题：

• 生物医药和大健康产品原料绿色发展需求日益迫切，为追求产量而参照传统大田农作物集约化栽培模式生产的中药材，其品质受到影响；

• 中药材受病虫危害严重，栽培过程中农药的使用使药材的安全性受到影响；

• 中药材连作障碍严重，为了克服连作障碍而采用新地种植使得很多地区面临无地可种的严重局面，使药材的道地性受到影响。

引起中药材种植系列重大难题的核心原因是药材种植照搬农作物高产模式。现代的农作物品种经上千年遗传改造已经适应配套的高产模式。中药材对病虫害的抗性与农作物相比差距甚远，加之追求高产大肥大水，病虫害严重，农药过量及农残超标问题突出。由于药材农田高产栽培，尤其是化肥、膨大素等化学制品的过量使用，高产与药效药力呈负相关，高产低质普遍存在。中药材连作障碍严重，毁林开荒种植中药材不仅严重影响生态环境，而且使很多地区的中药材面临无地可种的严重局面。遵循中药材生长发育特性，研发适宜中药材生态种植的绿色模式是保障药效、确保中医健康发展的关键。

▲ 三七的生长发育

三七是我国大宗名贵中药材，占云南省药材产值一半以上。然而，随着三七种植面积的扩大，农民种植过程中只注重产量而忽视质量。尤其大量农药和化肥的使用使三七在品质和适应性方面发生了重要变化。种质资源良莠不齐、生态适应性降低、对病原微生物抗性减弱、根腐病等病害频繁发生等是制约三七生产的主要问题。大量施用农药造成的病原菌抗药性增强、农药残留和重金属含量超标导致三七药材的整体品质不断下降，加之连作障碍引起的土地和环境的压力，严重制约三七产业健康发展。因此，三七种植过程中由病虫危害、连作障碍等造成的连作障碍问题非常突出，其机制十分复杂，而能否克服连作障碍关系着三七产业的健康发展。

十余年来，云南农业大学科研团队围绕三七连作障碍原理及克服连作障碍的关键技术进行了深入系统的研究，初步探明了三七连作障碍与病虫侵袭、微生物组成变化、有毒代谢物累积、土壤理化性质恶化、养分失衡、环境因子胁迫等之间的相互关系，研发了生境耦合、土壤性质、肥水管控、病虫害生物防治等一系列关键技术，构建了三七生态化、标准化的种植模式，为实现三七优质生产做了很多探索。

2022 年5 月

三七连作障碍解决思路及实践

三七连作障碍解决思路

• 探明三七连作障碍的形成机制；

• 寻找克服连作障碍的关键技术参数，进行试验示范验证；

• 构建克服连作障碍的生态种植技术体系，示范推广。

探明了三七与土壤的负反馈是导致连作障碍形成的主要机制

植物-土壤的反馈是多数生态系统中维系物种多样性和相对丰度的一个普遍机制（Bever et al.，1997；Mangan et al.，2010）。多数的研究显示，植物-土壤的负反馈在植物维系物种多样性的过程中起重要作用（Kulmatiski et al.，2008）。植物-土壤的负反馈是指土壤微生物群落或非生物条件的改变导致植物的净生长降低（van der Putten et al.，2013）。这种负反馈促进了自然生态系统中多数物种间的平衡，增加了物种的多样性共存（Bever et al.，1997；Bonanomi et al.，2005；Mangan et al.，2010；Mariotte et al.，2017）。然而，在农业生态系统中，由于单一作物的连续种植，植物-土壤的负反馈调节常会导致作物连作障碍（Ogweno and Yu，2006），严重影响产量和质量。目前，连作障碍已经成为现代集约化农业生产面临的主要问题之一，严重制约了我国农业的可持续发展。

连作障碍也是药用植物栽培中最常见的现象，尤以根茎入药的药用植物表现最为突出（张重义和林文雄，2009；Yang et al.，2015）。三七属五加科人参属植物，是我国最具特色的中药材大品种，已有700 多年的药用历史，治疗心脑血管疾病疗效显著。云南省是我国三七原料主产地，云南三七逐步进入了基地化、规模化和标准化的发展轨道，产业规模不断扩大，2016 年综合产值700 多亿元，有望近年内产值过千亿元，成为云南省生物医药大健康产业发展的主要品种。然而，三七属于多年生宿根草本植物，性喜温暖阴湿，连作障碍问题尤其突出。多年来，研究人员从根腐病菌侵染、土壤理化性质恶化、养分失衡、化感自毒等方面对三七连作障碍的形成机制开展了系列研究（罗文富等，1998；孙玉琴等，2008；简在友等，2009；韦美丽等，2010；Yang et al.，2015），但均未完全系统阐明连作障碍形成的机制。

▲ 三七连作障碍形成机制模式图

本课题组近年的研究结果表明，三七和土壤间存在明显的负反馈调节。三七生长过程中通过根系分泌或降解释放到土壤中的代谢物在根际的异常积累，导致根际微生物失衡，根腐病菌积累，使三七与土壤间呈现负反馈调节状态，从而引起根腐病的严重发生。课题组利用土壤有害代谢物消解和有害微生物杀灭的处理措施结合微生物修复方法，能有效克服连作土壤的再植障碍，实现三七的连作，这进一步证明了连作障碍是代谢失衡导致根际微生物失衡，病原菌累积所致。

探明了追求高产而采用的大肥大水的单一化种植模式是导致连作障碍的根源

随着研究的深入，我们逐渐认识到连作障碍是植物长期进化过程中形成的一种适应策略，是植物控制自身种群时空分布，从而避免种内竞争的一种特性。这是植物自身特性，无法消除，只能缓解。因此，探明加重三七和土壤间负反馈的机制是缓解三七连作障碍的关键。通过研究发现，现代大肥大水的单一化高产栽培模式进一步加重了这种负反馈状态，导致更严重的连作障碍。具体原因如下。

1. 农田设施栽培环境不适宜三七的健康生长

三七是起源于森林植被下层的植物，喜欢在阴凉、潮湿的环境下生长，不适宜的光照、温度及水分等均会阻碍三七的健康生长。生产实践及前期研究均表明，干旱、高温、强光照等生长环境逆境均会加重连作障碍的发生。通过系列研究发现，三七在适宜的温度（20～26℃）、光照（1.0 万～2.0 万lx）、水分[80%～90%田间持水量（field capacity，FC）]条件下生长健壮，一旦温度＞30℃、光照＞3.0 万lx、土壤干旱或过湿，三七连作障碍加重。当前农田三七种植采用的是人工搭建的荫棚，很难达到三七最适的生长条件，一旦碰到极端气候，很容易导致三七生长受限，加重连作障碍的发生。

2. 农田土壤理化性质不适宜三七健康生长

三七起源于森林植被的最下层，林下土壤质地疏松、有机质含量高、微生物丰富。但农田土壤很难达到林下土壤的特性，尤其云南多数地区土壤为红土，黏性重、透水透气性差，尤其有机质含量低，加之农民为了追求产量而大量施用化学肥料，使土壤酸化、盐碱化严重，极不适宜三七的生长，加重了三七的连作障碍。我们利用代谢组学和微生物组学的方法已经探明大肥大水栽培模式中氮肥的过量施用是加重三七与土壤负反馈，导致更为严重连作障碍的重要因素。氮肥的过量施用一方面会诱导三七生长代谢发生变化，使其对病害的敏感性增强（NIS 现象），同时诱导三七分泌更多的有害代谢物，加剧自毒作用；另一方面，氮肥过量施用会改变土壤理化性质（使pH 降低、C/N 降低、电导率升高），导致根际微生物结构失衡，尤其是有害微生物菌群的丰度增加，加重根腐病的发生（Wei et al.，2018）。

▲ 过量施用氮肥加重三七连作障碍发生的形成机制

3. 三七单一化大面积栽培降低农田生物多样性，使病虫害发生严重

三七的高密度、单一化种植是当前规模化种植的典型特征，尤其是除草剂的使用使田间单一化程度达到了极致。农田生物多样性程度的急剧降低，也使病虫害的发生越来越严重。为了防治病虫害，农民不合理地大量使用农药进行防治，随着病虫害抗药性的产生，农药失效，病虫害发生越来越严重。

4. 农药的大量使用造成微生态失衡

三七种植过程中农药的施用非常普遍，严重干扰了土壤的微生态平衡。自然生态系统中，野生植物依靠其根际群落的活动和功能来抵御土壤病虫害。在进化过程中，植物与有益的土壤微生物建立了密切的关系，并利用其抑制植物病原体。农药及化肥的使用改变了有益和有害根际生物之间的平衡，从而影响植物的防御能力。

验证了缓解三七连作障碍的关键技术参数，有效缓解连作障碍

为了验证三七连作障碍的形成机制和关键参数，课题组经过近十年的潜心研究，探明了缓解连作障碍的关键技术参数，包括生长环境调控参数、土壤理化性质控制参数、水分和养分管理技术参数、病虫草害生态控制技术参数、土壤处理和修复技术参数等。通过近十年从小试、中试到放大试验逐步完善了技术参数，为缓解三七连作障碍关键技术的构建提供了关键理论依据。

▲ 连作土壤蒸汽灭菌与生物炭协同处理对三七种子萌发和生长的影响（2013～2016 年）

A. 连作土壤蒸汽灭菌与生物炭协同处理对三七出苗率和存苗率的影响；B. 连作土壤蒸汽灭菌与生物炭协同处理对三七主根干重的影响

构建了有效缓解连作障碍的生态种植技术体系

理论研究和关键技术参数的验证均证明，大肥大水的现代农作物高产栽培模式应用于中药材的种植是加剧连作障碍危害的根源。寻找适宜中药材生长的栽培方式是解决中药材种植业发展问题的必然选择。因此，课题组遵照三七生长发育的自身规律，利用道地药材产区独特的生态环境，遵循药效第一的目标，建立了通过现代农业技术创造适宜三七生长的生境的仿生种植模式及让三七回归原生环境（林下）种植的模式，为三七产业的转型升级提供了系列案例。

1. 农田生态种植

农田生态种植是指在现有农田三七栽培模式基础上，利用现代农业技术从种植过程中区域的选择、土壤和环境的选择、种子种苗繁育、病虫害生态防控、养分及水分管理技术等方面进一步优化提升，在不影响产量的前提下，减少农药、化肥的施用，提升三七的药效和品质。可为三七生态种植提供参考。

2. 仿生种植

仿生种植是在三七连作障碍理论研究的基础上利用现代农业技术从土壤改良、养分管理、生长环境控制、病虫害生态控制、土壤修复等方面模拟道地产区三七生长的特征，构建了三七仿生种植技术体系。构建的技术体系在文山、石林和寻甸等区域成功应用，有效解决三七生产的连作障碍，可生产优质、无农残和重金属污染的产品。

▲ 林下三七种植

3. 林下种植

林下有机三七是朱有勇院士带领团队，遵循中药材品质第一的原则，立足云南省丰富的退耕还林资源，根据物种相生和生境耦合原理构建的林下种植体系。历经十余年的攻关，克服了关键技术瓶颈，实现了让三七回归山林，无农药无化肥，在林下规模化、标准化生产优质、高效、安全的三七。该项技术让三七回归山林最适宜的生长环境，且整个种植过程中不用一滴农药，不用一颗化学肥料，既确保了三七的健康生长，又能生产出药效强、品质优的三七。林下有机三七生产不占农用地，不与粮食、蔬菜、水果等农作物争地。生产成本低，省去了黑色大棚和农药、化肥等化学品的成本投入。林下中药材的有机种植，不仅践行了“绿水青山就是金山银山”理念，有助于开创生态文明新时代，而且解决了三七连作障碍导致的土地匮乏的问题。另外，能为中药材产业的健康发展探索出一条新路径，加快中医药大健康产业的发展。

“药材好，药才好”，中药材质量决定了中医的疗效。传统中医多是采挖野生药材入药，但由于需求量增大，野生药材满足不了需求。现在很多中药材是按照种庄稼的高产方式在农田中种植。大量农药化肥的使用使中药材的产量越来越高，但质量越来越低，药效越来越差。因此，深入研究三七连作障碍的形成机制，遵循药材品种生长发育的自身规律，让药材回归山野林中，建立药效第一的药材种植模式，是确保中药材产业健康发展的必由之路。

《三七连作障碍形成机制及优质生产技术》

随着研究的深入，科研团队发现中药材连作障碍的内容极为丰富，规律和现象极为普遍，但机制极为深奥，相关研究已经涉及植物病理学、生态学、植物化学、植物保护学、微生物学、分子生物学、遗传学、生物信息学、作物栽培学、农业气象学、植物营养学、生物统计学等系列学科。阐明中药材连作障碍的规律和机制远不是近期能完成的，需要更多对此感兴趣的科学家或科技工作者共同努力，从不同的角度揭示该规律。因此，为了便于同行之间的交流，研究组把本阶段关于三七连作障碍的主要研究成果、研究方法和相关研究资料撰写成《》（朱书生等著. 北京：科学出版社,2022.10），希望本书起到抛砖引玉的作用，使更多的同行一起开展该领域的研究和应用工作。

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本文摘编自《三七连作障碍形成机制及优质生产技术》（朱书生等著. 北京：科学出版社,2022.10）一书“前言”“序”，有删减修改，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-073573-7

责任编辑：王海光 王 好 高璐佳

作物连作障碍是粮食、蔬菜、水果、中药材等优质安全生产的主要限制因子。本书是研究三七连作障碍形成机制及优质生产技术的专著。本书系统地介绍了三七连作障碍的形成与病原菌的侵染、自身有毒代谢物的累积、土壤理化性质的恶化及养分失衡、环境因子的胁迫、栽培管理措施不当等的关系及生态种植关键技术。本书内容广泛，从应用基础研究到技术研究，从实验室研究、田间试验到示范推广，系统地介绍了三七连作障碍形成的原理、生态种植关键技术及相关研究方法。

本书可供植物保护、作物栽培、中药材种植、生物多样性、生态学、资源环境等专业的科研工作者，高等院校相关专业的教师、研究生、本科生及农业技术人员参阅。

（本文编辑：刘四旦）

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