中国西南部喀斯特地区连续种植辣椒对土壤质量的影响

《Rhizosphere》：Temporal Changes in Soil Quality Under Continuous Chili Cropping in Karst Regions of Southwest China

辣椒连作导致土壤退化机制研究：揭示6年连作为关键转折点，酚类化合物（2,4-DTBP）通过抑制有益微生物并促进病原菌富集，驱动微生物群落重组与土壤质量下降。该成果为喀斯特地区土壤修复和可持续种植提供理论依据。

　　

王艳|赵冰|徐进|丹星|王永平|刘一豪|余秀梅|张晓萍|陈强

四川农业大学资源科学与技术学院，中国四川省成都市611130

在中国西南部的喀斯特地区，由于连续种植导致土壤退化和病原体病害增加，辣椒的产量和质量受到了严重影响。然而，辣椒连续种植障碍背后的具体生物学和环境机制仍需进一步研究。在不同连续种植年限（0-9年）的辣椒田中，我们分析了土壤性质、代谢物谱和微生物群落的变化。研究结果表明，连续种植导致酚类化合物（尤其是2,4-二叔丁基酚）逐渐积累，土壤微生物群落发生显著重组，土壤质量下降6-36%。值得注意的是，6年种植期被确定为一个关键转折点，此时微生物组成发生了显著变化。进一步分析表明，酚类化合物是通过影响酶活性驱动微生物群落重组的主要因素，并导致土壤质量下降。这些发现阐明了代谢物在调节土壤微生物组中的作用，为土壤修复和可持续农业实践奠定了理论基础。

引言

连续种植障碍在多种作物中普遍存在，包括主食作物和经济作物（Wang等人，2024年），导致土壤退化、产量下降（Jones等人，2016年；Wang等人，2017年），在极端情况下甚至可能导致作物完全损失（Bao等人，2022年），从而威胁农业可持续性（Tan等人，2021年）。造成这些挑战的主要因素包括土壤养分失衡、微生物群落失调以及自毒化作用（Zeeshan Ul Haq等人，2023年）。自毒化是一种特殊的种内化感作用（Singh等人，1999年），通过根系分泌物影响植物、土壤和微生物之间的相互作用（Weidenhamer等人，2023年）。化感物质作为病原体的辅助因子，促进真菌孢子产生（Ren等人，2016年）并抑制有益微生物种群（Jin等人，2020年）。例如，对香豆酸会特异性地影响黄瓜根际细菌，同时促进植物病原真菌的生长（Zhou等人，2018年）。此外，化感物质中的脂肪酸会增强番茄植株中Fusarium solani的毒力（Cheng等人，2020年）。然而，最近的研究表明，在长期连续种植条件下，土壤微生物群可能通过调节pH值和分解化感物质来减轻自毒效应（Xuan等人，2024年）。这些结果突显了化感作用与微生物生态之间的复杂相互作用，强调了进一步研究土壤代谢物、土壤性质和微生物群落组成的时间动态的必要性。

辣椒是一种具有重大经济价值的蔬菜作物，在全球各地广泛种植。中国是全球最大的辣椒生产国，产量占全球总量的半以上（FAO，2023年）。在中国，贵州省是主要的辣椒种植区，年种植面积超过33万公顷。由于土地资源有限、经济压力以及土壤气候因素（Zhang等人，2022年；Xiong等人，2024年），连续种植已成为中国辣椒种植的主要方式。

由于喀斯特地区耕地稀缺，贵州的辣椒种植主要依赖于长期连续单一种植。这种种植方式导致了严重的连续种植障碍，表现为病害发生率增加、产量下降和土壤质量下降。为了研究连续种植年限与土壤化学性质、酚类化合物和微生物群落结构变化之间的关系，我们在连续种植的辣椒田中进行了这些参数的评估。这些发现为恢复中国西南部退化的农田土壤提供了理论依据。

实验区域描述

实验在中国西南部的贵州省遵义市进行（27°44′N，107°12′E）。该地区具有典型的喀斯特高原地貌，年平均气温约为15.1°C，年降水量在900至1200毫米之间。根据柯本气候分类，该地区属于湿润亚热带气候（Cfa）。当地土壤类型为石灰岩发育而成的钙质风化土。

设置了四种处理方式

土壤的基本化学性质

随着连续种植时间的延长，土壤pH值呈下降趋势，从7.05降至6.85，但不同处理组之间的差异不具有统计学意义（图1e，p>＞0.05）。T2处理组的土壤有机碳（SOC）含量最高，为18.27 g·kg^-1（图1a）。AP和AK的浓度随着种植时间的延长而逐渐增加（T1-T3），在T3处理组达到峰值（AP = 14.21 mg·kg^-1；AK = 300.25 mg·kg^-1）（图1c，d）。磷酸酶和 invertase的活性也有所变化

讨论

现代农业面临一个悖论：连续种植通过复杂的生物-非生物相互作用导致土壤退化（Yu等人，2022年），但最新研究表明，在特定条件下，连续种植可能促进病害的发生（Xuan等人，2024年）。因此，阐明不同种植年限下土壤微生物组的变化及其关键转折点对于解决种植障碍至关重要。

结论

本研究揭示了连续种植条件下土壤化学-生物退化的一个关键途径：长期单一种植导致土壤中酚类化合物（尤其是2,4-二叔丁基酚（2,4-DTBP）的逐渐积累。这些化感物质直接抑制有益微生物群落，同时促进病原真菌的生长，导致微生物群落失衡和土壤质量指数下降。6年连续种植期（T2）被确定为

作者贡献声明

陈强：撰写 – 审稿与编辑、资源管理、概念构思。张晓萍：数据可视化、监督、方法学。赵冰：软件使用、数据分析、数据管理。王艳：初稿撰写、验证、软件使用、方法学、概念构思。徐进：实验设计、数据分析、数据管理。余秀梅：监督、资源协调、概念构思。刘一豪：软件使用、方法学、数据管理。王永平：资源协调、方法学、数据分析

知情同意声明

不适用。本研究未涉及人类参与者。

机构审查委员会声明

不适用。本研究未涉及人类或动物实验。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号2422219007）的支持。