江西綠肥紫云英的研究

夏海林，康麗春，王 飛，柯清林，潘曉華，周春火

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)作物生理生態(tài)與遺傳育種教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江西省作物生理生態(tài)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330045；2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院江西省農(nóng)業(yè)微生物資源開發(fā)與利用工程實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330045； 3.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江西 南昌 330045; 4.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)土資源與環(huán)境學(xué)院，江西 南昌 330045)

紫云英(Astragalussinicus)，又名紅花草、翹搖、草子等，是越年生草本植物，屬于豆科黃耆屬。紫云英是我國(guó)主要的蜜源植物之一,分布于中國(guó)的長(zhǎng)江流域各省(區(qū))，可作為牲畜飼料，也是我國(guó)南方稻區(qū)傳統(tǒng)的冬綠肥作物。紫云英翻壓還田后能夠提高土壤肥力、改善土壤理化性狀、提高植株氮磷鉀含量、減少化肥用量，達(dá)到減氮增效的作用[1-3]，是一種非常重要的綠色肥料。

江西省是我國(guó)紫云英的傳統(tǒng)種植省份之一，屬于綠肥的傳統(tǒng)產(chǎn)區(qū)。為此，對(duì)江西省的紫云英品種、種質(zhì)來源以及主要特點(diǎn)進(jìn)行歸納與總結(jié)，分析紫云英在江西省的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀，并對(duì)紫云英的固氮增肥機(jī)理、影響紫云英固氮效率的主要因素以及紫云英還田后對(duì)土壤微生物系的影響等進(jìn)行總結(jié)和分析，以期對(duì)于江西省將紫云英作為綠色肥料以及推廣綠肥還田、作物增效豐產(chǎn)提供了一定的理論及技術(shù)指導(dǎo)。

1 紫云英的種質(zhì)資源調(diào)查

我國(guó)紫云英的種植歷史悠久，早在公元261-303 年，吳陸璣的《毛詩草木鳥獸蟲》中就有紫云英的記載，且種質(zhì)資源豐富，按開花和成熟期可分為特早熟種(215～220 d)、早熟種(220～225 d)、中熟種(225～230 d)和遲熟種(230～235 d)[4]。 我國(guó)的紫云英優(yōu)良品種主要分布在福建、江西、貴州、四川、湖南、浙江、江蘇、安徽、廣東、廣西、河南、上海等省(市)，表1列出了除江西省以外我國(guó)其他主要省份紫云英種植情況。

從20世紀(jì)50年代起，以江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院為代表的科研機(jī)構(gòu)，對(duì)江西省的紫云英種質(zhì)資源開展了收集、篩選和整理工作，共整理出10份綜合性狀優(yōu)良的地方紫云英品種(表2)。截止目前，江西省經(jīng)審定的紫云英種質(zhì)資源達(dá)到23份，其中早熟和中熟種分別為10份、13份，是我國(guó)紫云英種質(zhì)資源最多的省份。

表1 我國(guó)主要紫云英品種Table 1 Main varieties of Astragalus sinicus in China

2 紫云英作為綠肥在江西省的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

紫云英是江西省稻田最主要的綠肥作物，約占綠肥種植面積的90%以上[11]。綠肥能夠增加農(nóng)田有機(jī)質(zhì)含量，提高土壤肥力，種植綠肥在提高耕地土壤肥力、綠色養(yǎng)殖、保障糧食安全、農(nóng)藥化肥減施、固氮、吸碳以及節(jié)能減耗等方面有著非常重要的作用[12-14]。研究表明[15]，在提高稻田的光合生產(chǎn)力和光能利用率方面，單、雙季稻冬種綠肥的種植模式要優(yōu)于冬閑模式，有利于增產(chǎn)增效，有利于建設(shè)綠色江西的生態(tài)大省。綠肥在江西省水稻產(chǎn)區(qū)主要的種植模式如表3所列。

1949年至2015年江西省綠肥的發(fā)展主要經(jīng)歷了4個(gè)階段(圖1)。第一階段，種植面積從1949年的28萬hm2發(fā)展到1966年突破133.3萬hm2的高速發(fā)展階段；第二階段，從1967-1978年綠肥種植面積穩(wěn)定在133.3萬hm2以上的穩(wěn)定發(fā)展階段，其中1969年種植面積達(dá)到157.2萬hm2，占當(dāng)時(shí)耕地面積的64.7%;第三階段，種植面積下降階段。由于品種多樣的化肥開始走進(jìn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，加上農(nóng)民進(jìn)城務(wù)工人數(shù)越來越多，導(dǎo)致農(nóng)民種植綠肥的積極性降低，綠肥種植面積從1978年的136.7萬hm2降至1985年的96.2萬hm2，比1969年高峰期時(shí)的種植面積，僅占61.2%；第四階段，綠肥發(fā)展的低谷時(shí)期，20世紀(jì)90年代后，由于各類化肥品種生產(chǎn)能力的提高和普及，化肥工業(yè)快速發(fā)展與化肥用量不斷增長(zhǎng)，綠肥種植面積進(jìn)一步縮小，至2005年降至33.3萬hm2，到2007年快速下滑至30.7萬hm2，與1949年初期的水平相當(dāng)。

表3 綠肥在江西省的主要種植模式Table 3 The main planting pattern of green manure in Jiangxi Province

表中內(nèi)容根據(jù)文獻(xiàn)[14]和[15]歸納總結(jié)。

The contents of the table are summarized according to the reference [14] and [15].

圖1 江西省綠肥紫云英的種植面積(1949-2015年)[16-20]Fig. 1 Cultivation of green manure Astragalus sinicus in Jiangxi Province from 1949 to 2015[16-20]

隨著建設(shè)美麗中國(guó)概念的提出，政府出臺(tái)了一系列支持綠肥種植的相關(guān)扶持政策，綠肥面積逐步得到一定程度的恢復(fù)。2008年，江西省綠肥種植面積止跌并開始增長(zhǎng)，截至2015年4月，江西省綠肥種植面積已恢復(fù)到近53.3萬hm2。但由于農(nóng)村勞動(dòng)力的減少，農(nóng)民種植綠肥的意識(shí)還不夠強(qiáng)，以及優(yōu)良綠肥品種較少等多方面原因，現(xiàn)階段綠肥恢復(fù)生產(chǎn)任重而道遠(yuǎn)。

3 紫云英-根瘤菌固氮機(jī)理及固氮效率影響因素

根瘤菌(Rhizobium)與豆科植物的共生是生物固氮體系中作用最強(qiáng)的體系，據(jù)估計(jì)其固定的氮約占生物固氮總量的65%[21]。紫云英與根瘤菌的固氮是一種共生固氮，其根瘤菌是共生固氮菌(Symbiosis Azotobacter)。研究表明，能與豆科植物結(jié)瘤的細(xì)菌均為革蘭氏陰性菌(G-)，它的分類階元為細(xì)菌域(Bacteria)、變形桿菌門(Proteobacteria)，約17個(gè)屬，種類近100種，可劃分為3個(gè)綱：α、β 和 γ-變形菌綱(Proteobacteria)，其中 α-變形菌綱(Alphaproteobacteria)14個(gè)屬，β-變形菌綱(Betaproteobacteria)2個(gè)屬，γ-變形菌綱(Gammaproteobacteria)1個(gè)屬[22-28](表4)。

表4 豆科植物根瘤菌的分類Table 4 Classification of Rhizobia among leguminous plants

紫云英是豆科植物，首先分泌專一性較強(qiáng)的信號(hào)分子類黃酮，誘導(dǎo)根瘤菌合成結(jié)瘤因子。植物根毛細(xì)胞識(shí)別結(jié)瘤因子，引起植物根毛彎曲、細(xì)菌侵入等多種生理反應(yīng)。在結(jié)瘤因子和表面多糖的共同作用下，形成根毛細(xì)胞侵染線。緊接著皮層細(xì)胞分裂,形成根瘤原基,根瘤菌從分支的侵染線中釋放,進(jìn)入根瘤原基細(xì)胞中,內(nèi)化的細(xì)菌被宿主植物生物膜包裹形成固氮根瘤菌的分化形式-類菌體。在Exopolysaccharides(EPS)基因和Lipopolysaccharide(LPS)基因的表達(dá)產(chǎn)物的促進(jìn)下，最后根瘤原基發(fā)育成根瘤，形成固氮共生體[29-30]。

現(xiàn)有研究表明，鈷、銅、硼、鋅和鉬等營(yíng)養(yǎng)元素對(duì)于紫云英根瘤菌的產(chǎn)生及固氮效率具有非常重要的影響(表5)。例如，含鈷20 mg·L-1的根瘤菌劑處理的紫云英，單株干重比單純接根瘤菌的對(duì)照減少59%，而低于這個(gè)濃度的鈷處理，紫云英單株干重卻有一定的提高，并且含鈷菌劑拌種處理的紫云英植株含氮量也有提高，說明適量的鈷能促進(jìn)紫云英根瘤菌的共生固氮作用[31]。與未施營(yíng)養(yǎng)元素對(duì)照相比,施用硼、鋅和鉬肥處理的紫云英種子產(chǎn)量提高最高達(dá)40%,且差異均顯著，紫云英根瘤數(shù)增加2.1%～82.4%，促進(jìn)了紫云英根瘤的形成[32]。

表5 營(yíng)養(yǎng)元素對(duì)紫云英植株生長(zhǎng)和結(jié)瘤的影響Table 5 Effect of nutritive element on growing and nodulation of Chinese Milk Vetch

除營(yíng)養(yǎng)元素之外，紫云英的栽培條件以及環(huán)境因素對(duì)于紫云英-根瘤菌的固氮作用也具有重要的影響。例如，不同栽培措施下，紫云英播種期應(yīng)安排在9月,在不影響前茬作物的前提之下, 應(yīng)盡量早播，紫云英種子生產(chǎn)時(shí)播種量為24 kg·hm-2時(shí)，紫云英株高、單株重、莖粗單位面積一級(jí)分枝數(shù)和花序數(shù)較好[36]。另外，根瘤菌拌種量、紫云英種子播種量和種子引發(fā)等因素都會(huì)對(duì)根瘤菌固氮效率及紫云英生長(zhǎng)產(chǎn)生影響[37-39]。

溫度、水分、除草劑等條件對(duì)于紫云英-根瘤菌的固氮作用影響顯著。例如，不管是在無氮基質(zhì)還是有氮基質(zhì)上栽培紫云英，在15～20 ℃溫度下，紫云英形成根瘤數(shù)和固氮效率都較高，而高溫(30 ℃以上)對(duì)紫云英根瘤形成和固氮效率都有不利影響[40]。不同土壤田間含水量對(duì)紫云英生長(zhǎng)及生理代謝的影響研究表明，50%～100%的田間持水量條件下,紫云英幼苗能夠正常生長(zhǎng)，其中75%～80%田間持水量下，紫云英植株生長(zhǎng)最好[41]。在施用乙草胺、吡嘧磺隆后，均顯著增加土壤中細(xì)菌和放線菌(Actinobaculum)的數(shù)量[42-43], 但降低了紫云英植株中的含磷、氮、鉀量、土壤中的真菌(Fungus)數(shù)量以及紫云英的干物質(zhì)累積量，并對(duì)根瘤菌也有不同程度的抑制[44-45]。然而，施用乙草胺卻能為紫云英作物提供更適宜的土壤微生態(tài)環(huán)境,有利于其吸收利用土壤養(yǎng)分[43]。

溫度、水分、營(yíng)養(yǎng)元素及除草劑等作為影響紫云英-根瘤菌固氮體系的障礙因子，在今后的研究中，需找到影響此固氮體系的主效因子，來提高紫云英-根瘤菌的固氮效率和紫云英的高產(chǎn)栽培。

4 綠肥還田后對(duì)土壤微生物區(qū)系的影響

土壤質(zhì)量高低關(guān)系到農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能否可持續(xù)發(fā)展，而土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)參數(shù)是土壤微生物學(xué)特性。研究表明[46-47]，翻壓紫云英可以增加土壤變形菌門(Proteobacteria)細(xì)菌的豐度，而對(duì)于放線菌門(Actinobacteria)細(xì)菌的豐度卻是降低。與單施化肥或紫云英相比，化肥配施紫云英或稻稈可提高土壤氨氧化細(xì)菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB)、真菌和氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea,AOA)的數(shù)量，但對(duì)氨氧化細(xì)菌(AOB)群落結(jié)構(gòu)的影響甚微。

綠肥翻壓還田后還可通過改變土壤化學(xué)和生物學(xué)的特性，從而影響土壤微生物的多樣性、活性、群落結(jié)構(gòu)和功能以及對(duì)碳源的利用情況等[48-60]。高嵩涓等[61]的研究表明，冬種綠肥對(duì)土壤微生物的生物量碳、微生物生物量氮和微生物熵均有提高，尤其豆科綠肥紫云英的效果最顯著，晚稻收獲后相對(duì)冬閑分別提高了21.12%和98.45%，全年平均值分別提高了15.92%和36.49%；南方稻田冬種綠肥后，土壤微生物特性明顯改善，冬種綠肥是提升稻田土壤肥力的高效措施。

紫云英栽培種植及還田后，使得土壤N的礦化勢(shì)和有機(jī)N品質(zhì)下降速度減慢[62]，對(duì)土壤微生物區(qū)系和環(huán)境生態(tài)的改善、土壤質(zhì)量的提高都有一定的正向作用。萬水霞等[63]研究表明，相較于未施用紫云英綠肥，施用紫云英綠肥有利于稻田土壤微生物總數(shù)的提高，提高量最高可達(dá)86.86%，尤其是增加了細(xì)菌數(shù)量(77.93%～112.76%)。單施化肥或化肥與紫云英配施可以改變土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)，與單施化肥降低土壤中細(xì)菌占比相比，增施紫云英后使土壤向“細(xì)菌化”方向發(fā)展。與清耕相比，種植紫云英可顯著提高了土壤微生物的生物碳含量，達(dá)144.1%，土壤養(yǎng)分中，全氮、全磷和有機(jī)質(zhì)含量含量提高30%以上，全鉀含量提高了5.81%，土壤微生物活性(AWCD)、微生物Shannon指數(shù)和均勻度指數(shù)均優(yōu)于清耕[64]。

紫云英作為綠肥還田后，對(duì)土壤微生物組成和多樣性的有一定的影響，上述研究結(jié)果說明綠肥還田后可能促進(jìn)了藍(lán)細(xì)菌門和硝化螺旋菌門等與氮素循環(huán)相關(guān)微生物類群的生長(zhǎng)[65],從而導(dǎo)致土壤微生物總數(shù)的提高。

5 小結(jié)

綠肥高效固氮受到施肥、固氮菌和紫云英親和力、土壤環(huán)境條件和農(nóng)藝措施等多方面因素的影響，目前綠肥紫云英研究大致集中在紫云英還田后對(duì)土壤養(yǎng)分、N素循環(huán)、土壤微生物區(qū)系、紫云英種質(zhì)擴(kuò)繁及環(huán)境因素對(duì)紫云英-根瘤菌固氮體系的影響等方面，前期研究結(jié)果表明，不同營(yíng)養(yǎng)成分、環(huán)境因素等對(duì)紫云英生長(zhǎng)都會(huì)有不同程度的影響，紫云英種質(zhì)資源擴(kuò)繁及培育都取得一定的進(jìn)展，各地也有一些優(yōu)良的品種出現(xiàn)。根瘤菌與紫云英固氮效率的研究，對(duì)今后篩選高固氮紫云英-根瘤菌體系提供了很好的基礎(chǔ)。由于當(dāng)今農(nóng)戶種糧積極性不高，國(guó)內(nèi)很多地方種植紫云英面積不大，對(duì)紫云英的研究進(jìn)展速度也比較緩慢，研究深度不高，隨著我國(guó)對(duì)于綠色農(nóng)業(yè)、建設(shè)美麗中國(guó)設(shè)想的提出，今后以紫云英為代表的綠肥應(yīng)用將成為現(xiàn)代綠色農(nóng)業(yè)研究中的重要組成部分，今后對(duì)于紫云英研究可以通過微觀即分子層次與宏觀層次相結(jié)合進(jìn)一步研究，提高紫云英對(duì)不同土壤生態(tài)環(huán)境的適應(yīng)性和高固氮效率的根瘤菌的匹配，找到綠肥(紫云英)高效固氮的障礙因子，篩選出適應(yīng)多種環(huán)境的紫云英-根瘤菌體系，研究紫云英-根瘤菌固氮體系對(duì)環(huán)境的生態(tài)效應(yīng)如溫室氣體排放的影響，為我國(guó)綠肥替代輕簡(jiǎn)高效豐產(chǎn)栽培技術(shù)體系提供技術(shù)支撐，大力推廣綠肥種植，構(gòu)建中國(guó)特色的綠色農(nóng)業(yè)。

江西省是紫云英品種最為豐富的省份，紫云英作為綠色肥料在江西省的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中曾經(jīng)占據(jù)著十分重要的作用。隨著對(duì)于紫云英固氮機(jī)理、固氮效率限制因素、綠色還田后對(duì)土壤微生物環(huán)境影響等基礎(chǔ)性研究的持續(xù)深入，在結(jié)合江西省自身土壤、氣候、微生物環(huán)境等條件的基礎(chǔ)上，對(duì)紫云英開展更深入的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，將對(duì)包括鄱陽湖流域在內(nèi)的江西現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的綠肥應(yīng)用體系帶來新的格局和促進(jìn)作用。