第1章 土壤管理与作物病虫害可持续控制
传统作物管理中，过度使用化学农药对生态环境和人类健康的影响，包括生物多样性锐减和人类疾病增多。1950～2000年，施用于土壤和作物上的各种化学杀菌剂持续增加，全球化肥消费总量增加了10倍，每年化学杀菌剂的使用量为30亿 L，价值为300亿美元。大量证据表明，生长在富含氮、磷、钾土壤中的作物易发生病虫害。对土壤进行管理并利用土壤环境条件进行病虫害综合治理，可为农业可持续发展和环境保护做出重大贡献。增加土壤有机质含量，可增加土壤中微生物的活性，并通过增加微生物对营养物质的竞争，使微生物抑制病原菌的能力增强。农业生产中，应了解土壤环境因素对作物病虫害发生的影响，寻求*佳作物管理策略，预防、避免和控制病虫害。
作物病虫害在农业生产中可造成经济损失。事实证明，尽管在作物生产中广泛使用化学杀菌剂，但病虫害造成的损失仍然显著。由杂草造成的作物损失占全球粮食损失的10%（Marshall et al.，2003）。当易感寄主和致病菌处于有利于病原菌生长的环境中时，作物病虫害就会发生（Sullivan，2001）。如果寄主、病原菌和环境3个条件中有任何一个未得到满足，则不会发生作物病虫害。许多病虫害管理措施如使用杀菌剂和熏蒸剂均是在病虫害症状明显时才被用来控制病原菌，往往因使用太晚而没有效果。一个更可靠的方法是在感染发生前进行管理，这将不利于病原菌生长而有利于作物生长。
在所有生产系统中，土壤是作物生长的基本介质。任何系统的正常运行在很大程度上取决于土壤特性，如养分供应和影响根系生长的土壤结构。作物生长的土壤条件也可影响作物病虫害的发生及严重程度。管理土壤环境，充分利用其对病虫害的抑制作用，并以此作为综合控制策略的一部分，可对环境友好型的可持续农业发展做出巨大贡献（Quimby et al.，2002）。抑制作物病虫害发生的土壤特征是使病原菌不能存活，或者即使病原菌存在，但其导致的病虫害很少或没有，或者即使病虫害发生，但持续的时间很短，其抑制程度既与土壤物理条件、肥力水平、土壤生物多样性和种群结构有关，也与土壤管理制度密切相关（Sullivan，2001）。土壤环境通过间接影响杂草生长、病虫害发生及直接影响水分和养分供应而改变作物的生长发育。目前大部分相关理论中缺乏土壤因子及土壤环境条件影响作物病虫害严重程度的详细内容，然而这些内容是必不可少的，可为作物病虫害管理提供理论指导。
1.1 土壤肥力
人们不会惊讶于生长在健康土壤中的作物比生长在贫瘠或成分比例失衡土壤中的作物的抗病能力更强，但很难理解为何昆虫有时专门攻击弱小的作物，而不去享用健康强壮、郁郁葱葱的美食。以上两种情况有着直接联系。当土壤处于营养平衡的良好状态时，通常病虫害的发生率低。实际上，土壤抗病虫害的能力可以看作土壤自身的免疫力。当土壤缺乏必要的营养或营养失衡时，作物病虫害就会猖獗（比阿特丽斯？特鲁姆？亨特，2011）。
病原菌在植株上定植需要寄主组织提供足够的有效性养分（Snoeijers et al.，2000）。过量施肥会导致作物叶片和其他组织徒长而增加作物的感病性（Davies et al.，1997）。许多研究者发现，土壤肥力对不同作物和病原菌的影响不同，因而对作物病虫害发展的作用也有差异。Portela等（1999）发现生长于肥力低、通气性差及土壤紧实而限制根系扩展的土壤中的美洲栗（Castanea dentata）感染黑水病后较难恢复。Maynard等（1961）发现胡萝卜斑点病与胡萝卜根系及叶柄钙含量低有关。土壤钾含量过高会导致钾素营养在胡萝卜植株体内累积而影响钙的吸收，进而加剧胡萝卜斑点病的发展（Hiltunen and White，2002）。束庆龙等（2003）研究发现，在干旱季节，土层贫瘠、容重过大、黏性土等情况下的栗园易导致树皮和枝干皮层处于缺水状态，再加上营养不足，*终造成树木抗性下降、病情严重。与健康植株相比，番茄青枯病罹病植株根际土壤 pH、有机质、全氮、全磷、全钾含量以及碱解氮、速效磷、速效钾含量等均呈下降趋势，尤其是碱解氮、速效磷和速效钾含量的下降趋势尤为显著（杨尚东等，2013）。
1.1.1 氮素养分
大多数研究表明，氮素是与作物病虫害密切相关的营养元素。氮营养过高会使作物徒长，营养生长期延长，成熟期延后，增加植株的感病概率；氮营养不足则会导致植株生长稀疏且缓慢，同样容易发病（Agrios，1997）。区分供氮水平对寄主-病原菌的直接或间接影响比较困难，这是因为不同供氮水平对病原菌的影响很难与其对作物生长、作物生理及作物微气候的效应区分开（Sasseville and Mills，1979）。作物生长和发病情况对高氮水平的响应在多种作物和病原菌上已被证实并报道（Marti and Mills，1991； Sasseville and Mills，1979；Smiley and Cook，1973）。土壤氮素水平对不同农作物病虫害发展的影响见表1-1。
表1-1 氮、磷、钾水平变化对作物病虫害的影响（Ghorbani et al.，2008）
在非农作物上也观察到相似的研究结果，如 Ghorbani等（2002）的研究表明，由壳二孢属（Ascochyta）病菌引起的藜草病害发展随植株组织氮含量的增加而加剧，因而减少了藜草的干重。氮营养除对作物株型和微气候（湿度）产生影响外，还影响病原菌孢子的萌发，供氮水平增加可能会影响作物表皮特性、细胞壁结构和叶片代谢活性，进而加重作物发病情况（Snoeijers et al.，2000）。某些作物在受病原菌感染后，缺氮可能也是加重病害的原因之一。
1.1.2 磷素养分
磷酸盐在作物细胞代谢中起着反应物和效应分子的核心作用，在多种生态系统中，磷酸盐是大量必需营养元素，但其较低的有效性通常限制作物的生长（Abel et al.，2002）。土壤磷酸盐对病害的发展同样至关重要（Sullivan，2001）。亚磷酸盐是农业杀菌剂或作物营养的优良磷源。已有文献报道，亚磷酸盐可有效控制由各种疫霉属病原真菌引起的作物病虫害（McDonald et al.，2001）。许多研究报道了土壤有效磷含量与作物病虫害发展的关系（表1-1）。作物*佳养分水平因土壤条件和病虫害不同而异，有效磷的测定和管理及其与其他养分的平衡应该被纳入控制作物病虫害的总体策略中。
1.1.3 钾素养分
钾肥同样与作物病害有关（表1-1），如在黄瓜（Cucumis sativus）植株上喷施草酸钾、磷酸氢二钾或磷酸三钾溶液（20mL或50mL），可诱导其对炭疽病菌（Colletorichum lagenarium）、黄瓜黑星病菌（Cladosporium cucumerinum）、白粉病菌（Erysiphe graminis）、丁香假单胞菌（Pseudomonas syringae）、嗜维管束欧文氏菌（Erwinia tracheiphila）、烟草坏死病毒和黄瓜花叶病毒产生诱导抗性（Mucharromah and Kuc，1991）。施用钾肥可降低芥末黑斑病严重程度的原因是施钾增加了芥末植株体内抑制分生孢子萌发与产孢的酚类物质含量（Sharma and Kolte，1994）。苹果腐烂病的病害程度与树体及土壤的含钾量呈显著负相关，即腐烂病越严重，树体及土壤的含钾量越低（季兰等，1994）。当土壤中速效钾含量增加时，林下人参红皮病的发病指数下降，可能是由于钾离子的存在降低了根系对二价铁离子的吸收，从而减少了铁离子在根系表面的富集（李腾懿等，2013）。过量施氮从土壤中带走的钾越来越多，导致土壤中速效钾含量下降，降低了水稻抗病性（刘玲玲等，2008）。作物病虫害控制需要考虑植株体内钾营养的比例、形态及其与土壤中其他养分的平衡，也需要确定不同作物*佳的养分平衡。
1.1.4 其他中量与微量营养元素
对钙、镁、铁、锌和其他微量营养元素的研究表明，土壤中这些营养元素的含量水平与植物对某些病害的感病性与抗病性有密切关系。钙营养对控制小麦、甜菜、大豆、花生、豌豆、辣椒、菜豆、番茄和洋葱的猝倒病有显著影响（Weltzien，1989）。在美国佛罗里达缺硅的有机土壤中，连续两年施用炉渣硅钙肥，与对照相比水稻胡麻叶斑病发病率分别降低15.0%和32.4%。在巴西缺硅的土壤中施用硅肥，可以显著减少水稻胡麻叶斑病的发生，而不受土壤中 Mn含量的影响（宁东峰和梁永超，2014）。在碱解氮含量过高的土壤中施入适量钙肥可以增加钙的有效性，使番茄具有较高的抗枯萎病能力（于威等，2016）。钙+镁/钾对多种作物病虫害有重要影响，如南方根结线虫对玉米、甜瓜、芥菜、油菜、豇豆、番茄的损伤程度与土壤中的钙+镁/钾含量有关（Bains et al.，1984）。4种不同基因型水稻穗瘟病的严重程度与水稻穗组织中的养分浓度有关，穗组织中氮、磷和镁的含量与穗瘟病发病率呈正相关关系，而钾和钙与穗瘟病发病率呈负相关关系。改良水稻品种较低的病害严重程度与其组织中高钾、锌和低氮、磷、镁有关（Filippi and Prabhu，1998）。Matocha和 Hopper（1995）及 Matocha和 Vacek（1997）指出，棉花缺铁（或锌）的黄化程度与棉花根腐病发病率有关。对土壤样品的分析表明，至少两种元素（铁和镁或锌和镍）的供应不足会增加病原菌的侵染。
氯肥可有效控制小麦白粉病和小麦叶锈病（Engel et al.，1994）。Duffy等（1997）的研究表明，康氏木霉（Trichoderma koningii）对小麦全蚀病的控制效果与土壤中铁、硝态氮、硼、铜、可溶性镁含量及黏粒百分比呈正相关关系，而与土壤 pH和有效磷含量呈负相关关系。Lee等（1998）报道了在缺硅土壤中添加硅可减轻水稻稻瘟病的严重程度。健康蕉园土壤的大多数理化性状和养分含量高于患病蕉园，尤以土壤黏粒、有机质、阳离子交换量（CEC）、全氮、全磷、有效磷、有效铜、有效铁、有效硼和交换性钙含量表现更为明显，其在健康蕉园中的含量均为患病蕉园的1.5倍以上。同一患病蕉园根际土壤 pH随植株感病级别的增加而上升，而有效磷和有效硼含量随植株感病级别的增加而降低（邓晓等，2012）。健康烟株根际土壤中交换性钙、有效硼、有效钼等矿质营养的含量显著低于青枯病发病烟株根际土壤中的含量；土壤中有效钼、交换性钙的含量可能是影响青枯病发生*关键的土壤营养因子（郑世燕等，2014）。烟草青枯病的发病率与土壤有机质、碱解氮、有效铁、有效锰和交换性镁含量呈显著负相关关系，土壤深翻或仅配合石灰施用，降低了土壤有机质含量及铁、锰、镁等中微量元素的有效性，使得烟草青枯病发病率增加。因此，烟区土地整理应注重土壤有机质及中微量元素的补充，以减少烟草青枯病害的发生（万川等，2015）。
1.2 土壤有机质
土壤有机质是土壤维持肥力和农业生产力的重要组分，由一系列存在于土壤中、组成和结构不均一、主要成分为碳和氮的有机化合物组成。有机质含有作物生长所需的各种营养元素并影响养分循环、微生物活动、土壤保水和保肥能力，促进土壤形成良好结构，决定农作物产量和抗病性，同时还能减轻重金属、农药污染等造成的影响。有机质在不同土壤中含量差异很大，高的可达200g/kg以上，低的不足5g/kg，而耕地表层土壤有机质含量均在50g/kg以下。土壤有机质是大量元素库，提供了有机质中超过95%的氮和硫，以及20%～70%的磷，在作物生产中具有非常重要的意义。长期以来，经过国内外研究者的大量田间试验和生产实践证明，增施有机肥、提高秸秆还田量、合理轮耕、种植豆科牧草肥田等措施，均能有效提高土壤肥力（潘剑玲等，2013）。
在自然生态系统（草原生态系统和森林生态系统）中，有机质由土壤中的动植物源源不断地提供，土壤中的微生物将枯叶残枝腐解转化为腐殖质，维
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