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有机高产优质农业技术体系研究

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有机高产优质农业技术体系研究有机高产优质农业技术体系研究        近几十年,我国农业由于过量使用化学农药和化肥引起面源污染、土壤板结、农产品品质下降、风味变差、病虫害加重、化肥利用率低,同时对环境造成巨大危害[1],致使我国耕地状况不容乐观,表现在:1. 2亿hm2耕地中的70%为中低产田,退化面积占总面积40%以上[2],土壤污染 ( 点位调查) 超标率达19. 4%,其中82. 8%为重金属污染,南方土壤酸化,地表水富营养化,华北平原耕层变浅,地下水硝酸盐污染,西北地区耕地盐渍化、沙化,加上农膜残留污染[3]; 而我国还有后备耕地资...

有机高产优质农业技术体系研究
有机高产优质农业技术体系研究        近几十年,我国农业由于过量使用化学农药和化肥引起面源污染、土壤板结、农产品品质下降、风味变差、病虫害加重、化肥利用率低,同时对环境造成巨大危害[1],致使我国耕地状况不容乐观, 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现在:1. 2亿hm2耕地中的70%为中低产田,退化面积占总面积40%以上[2],土壤污染 ( 点位调查) 超标率达19. 4%,其中82. 8%为重金属污染,南方土壤酸化,地表水富营养化,华北平原耕层变浅,地下水硝酸盐污染,西北地区耕地盐渍化、沙化,加上农膜残留污染[3]; 而我国还有后备耕地资源不足、水资源短缺问题,涉及国家粮食安全和农产品质量安全,也影响百姓生活。   我国有数千年农耕文化传承,特色是精耕细作、种养结合; 历代农书[4]《齐民要术》、 《天工开物》等对中国乃至世界影响巨大[5]; 在新的历史时期和新科技背景下,一个全新理念的有机高产优质农业技术体系正在形成,它是传统农耕文化与现代科技融合的产物,此技术内涵的农耕文化和东方思维[6],被称为中国式有机农业,特色是采取防重于治的多项技术: 提供充足的碳为作物高产打基础; 用有益微生物复合菌 ( 具有生物固氮、快速降解有机物、促进根系和植株生长、对作物终生胁迫和固碳减排等多项功能) ,使微生物成为土壤中最有活力的生力军; 矿物质肥料在促进土壤结构形成和参与代谢中有不可或缺的作用; 对作物进行胁迫诱导打开次生代谢增强免疫力。上述多项措施可实现免用农药,提高作物产量、品质和风味的目标。   1秸秆有机肥高碳源是高产的基础   1. 1作物的碳饥饿   植物生长必需的17种元素中碳、氢、氧占总量的96%,众所周知,作物光合作用所需的二氧化碳来源于土壤和空气,而氢和氧来源于光合作用中水的光解,正由于碳、氢、氧原材料容易获得,久而久之被人们所漠视。长期以来的化学农业过分强调对氮、磷、钾的投入,而有机肥、秸秆等有机碳类物质未适量补充,事实上碳是构建植物体各种物质的骨架,是合成糖类、蛋白质、氨基酸、酶、激素、信号传递物质等的基础材料,碳在作物体内占约45%,作物靠天补碳方式仅能满足作物五分之一需要[7],作物长期处于“碳饥饿”中。   1. 2多途径补充碳为高产打基础   生产中大量投入有机肥、秸秆、腐殖酸等有机碳类肥料,在有益微生物菌的作用下被降解为高活性小分子有机碳和有机氮及矿物质[8],可为作物根系直接吸收[9],有机碳无需消耗光能; 在作物生长中也可直接喷洒腐殖酸、氨基酸等有机碳类液体肥料,4 h内被作物吸收利用,及时满足作物对碳的需要。   土壤中有机物经微生物作用生成复杂且较稳定的大分子有机化合物腐殖质,其结构以芳香族核为主体附以各种功能团 ( 酚羟基、羧基、甲氧基等) ,腐殖质与粘土矿物结合为有机无机胶体复合体,形成土壤团粒结构,使土壤变得松软,改善了土壤的通透性,增强土壤对水分和养分的吸持能力,土壤渐渐成为各种土壤动物、微生物和植物根系和谐相处的类生命体,此状态的土壤释放二氧化碳的能力强,作物的光合效率高,光合产物丰富。   作物通过根系和叶面吸收有机碳,还从土壤与空气中获得二氧化碳,这种多途径补充碳是作物获得高产的基础。   2有益微生物菌是土壤物质流和能量流的推动者   研究表明[10],在自然生态系统中,新增的可为有机体所用的氮主要来源于生物固氮; 植物体内的氮约80% ~ 90%来源于生物固氮,地球上陆地生态每年生物固氮量9千万~ 1. 4亿t; 海洋生态每年的生物固氮3千万~ 3亿t.自然界具有生物固氮能力的细菌多为原核生物,有100多个属。研究发现,很多芽孢杆菌属的联合固氮菌 ( 属于非豆科固氮) 广泛存在于水稻[11]、玉米[12]、小麦[10]、蔬菜[12 - 13]等作物的体内和根际,为作物提供活性氮,还发现一些菌具备高效固氮和强竞争性[14 - 15].有益微生物在土壤与作物生态环境中的积极作用是多方面的,分述如下:   2. 1菌群优势   在有机农业中使用活性高的有益微生物 ( 含多种芽孢杆菌) 复合菌剂,在适当的土壤环境中这些菌群自成食物链,在土壤中形成竞争优势占领优势生态位,从而减轻土壤中各种有害微生物和根结线虫等对作物的侵害[13].   2. 2氮肥替代   目前有机种植中所使用的有益菌群,其中芽孢杆菌类[15]和光合细菌 ( 非豆科) 有固氮作用。有益微生物可为作物提供两种活性氮: 一种的微生物固氮[16 - 17]为作物提供铵态氮[18],另一种是微生物降解有机物生成的小分子高活性的有机氮。氮是植物生长必需的营养元素,氮是蛋白质、叶绿素、核酸、酶、生物激素等重要生命物质的组成部分; 如何补充作物生长需要的氮至关重要,化学氮肥在土壤中只有3个月的有效期,而微生物与作物共生可不断提供给作物活性氮。   2. 3促进生育   有益菌群中的嗜酸乳杆菌和5406放线菌具有促进根系生长的作用; 近年来人们发现用有益微生物菌剂拌种,玉米的秸秆和叶片长时间保持绿色,使果穗活杆成熟,收获后秸秆可作青储饲料,也可还田快速降解,为下茬提供营养。   2. 4固碳减排   有益菌群中的绿色木霉菌能快速降解土壤有机物中的纤维素、半纤维素、木质素,促进腐殖质的形成。腐殖质是含有多个官能团的大分子,其中碳、氮、磷、硫比值大约为100∶ 10∶ 1∶ 1; 腐殖化过程是一个固碳过程,有益微生物与矿物质元素及秸秆配合使用有叠加作用,腐殖质占有机质的50% ~ 70%,按照0 ~ 20 cm土层的有机质提升1%计算,相当于给土壤固碳13. 2 t/hm2,如能在我国20%的耕地上应用此技术相当于碳减排3亿t/年[19].   2. 5终生胁迫   有益菌群与作物的关系是共生/联合固氮方式,其活动不断地穿透细胞壁[10]给作物以胁迫,这种胁迫是伴随终身的,因此可以不断地促使作物打开次生代谢产生化感物质,化感物质就是各种抗击病虫草害和抗击灾害性天气的物质,同时还产生品质物质和风味物质。   综上所述,在有机农业中有益微生物菌群是土壤物质流和能量流的推动者,是有机农业生产中最活跃的生力军[20].     3天然矿物质是不可或缺的农业物资   3. 1矿物质在植物体内的重要性   人类对于植物营养研究已有数百年,已确认17种植物必需元素[10]和7种有益元素、5种重金属有害元素,对生命元素 ( 稀土元素) 的认知刚开始;作物必需的17种元素有着不可替代性,尽管它们在植物体内含量相差悬殊[21]( 表1) ,但同时共同遵循少量有效、适量最佳、过量有害的原则[22];对营养元素的不恰当使用,会引起元素间的拮抗和沉淀[22 - 25]( 图1) .        3. 2矿物质失衡对作物和土壤的影响   过量施高浓度的氮、磷、钾速效化肥会造成作物根系的奢嗜吸收; 作物体内氮过量易感病,钾过量使体内的钙和镁失去活性,磷过量使代谢发生“代谢控制与控制代谢”( 图2) 的负反馈反应[26],最终使得储藏器官滞留过量磷酸葡萄糖和磷酸,造成果实不耐贮存且易感病。          磷构成植物体核酸、磷脂、腺苷磷酸、磷酸酯、肌醇六磷酸,被广泛认为是生命活动的启动元素,即作物生长早期磷处于有效态很重要; 钾能激活植物体60多种酶、参与光合作用、调节水分平衡; 钙是构成细胞壁的重要元素,硫是蛋白质和酶的组成成分,硫和钙共同参与次生代谢的开启,镁参与光合作用、糖酵解和三羧酸循环的磷酸化过程、酶促反应等过程,负责对代谢产物的运输; 作物次生代 谢的开启和 运 转 要 靠 中量营养元素 钙、镁、硫,如果作 物体内缺 乏 这3种元素,次生代谢就打不开 , 即便打开也不能运转。   钙、镁、铁、锰等二价阳离子和腐殖质一起是土壤有机无机胶体形成复合体的搭桥物质,是形成土壤团粒结构的基础[27].土壤中缺少钙、镁、铁、锰元素也是造成土壤板结的原因。图3显示,土壤形成团粒结构可大致归类于3种类型有机无机胶体结合方式,这与土壤粘粒、腐殖质含量、钙和镁离子含量、铁和锰离子的含量有关。        一些微量元素是次生代谢产物的组成成分,比如超氧化物歧化酶 (SOD) 是植物体中重要的抗氧化酶[10],一类辅基含有金属元素的活性蛋白酶,最终生成Fe - SOD、Mn - SOD、Cu Zn - SOD,如果土壤中缺乏铜、铁、锰、锌就不可能生成超氧化物歧化酶。   植物中的SOD对 人 类 健 康 意 义 重 大,生 物体受到环境干扰所产生的自 由基是致 病中介 因子、百病 之 源,植 物 源 的SOD能 消 除 自 由 基;SOD在人体内的活性越高 ,免疫力越强 ,寿命就越长。   矿物质营养元素在作物次生代谢中有不可替代作用[25],当一种或多种元素不足或缺乏,会导致植物次生代谢的空转[28],这就是为什么在只重视氮、磷、钾的现代农业病虫草害和连作障碍[29]严重,为什么生产出的农产品不耐贮存、风味差、口感不好的原因[30].   当土壤的中微量元素被耗竭,也使有益微生物难以存活。   总而言之,天然矿物质肥料是有机农业不可或缺的重要物资。有机种植中作物生长必需17种元素除碳、氢、氧、氮外的元素补充均可以来自天然矿物质,天然矿物质中还含有对植物生长的有益元素和生命元素,被有机农业 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 认可[31]( 表2)。目前市场上已有不少国家批准的土壤调理剂产品。   4免疫力是作物栽培不用农药的保障   4. 1对作物诱导抗逆的研究   从植物生理学看传统农耕,中耕、除草、移栽、插秧,果树的剪枝、断根、拉扭、环割和蔬菜的打杈、采摘和多次收获等,这些带有伤害性的农艺措施就是在栽培环境中使作物受到多次胁迫[32],胁迫使作物体内产生伤害乙烯 (Injury ethylen) ,乙烯是开启植物次生代谢的重要物质[33],在营养和水充足的条件下次生代谢运转就能产生农产品产量物质、品质物质、风味物质、抗病虫草害物质和抗击灾害性天气物质[34].对作物胁迫诱导的认识源自对大自然的思考,中国农科院李纯忠在20世纪70到90年代对我国许多“名特优农产品的土宜”问题进行了20年的跟踪研究发现:“凡是出了名的农产品其品质优良者均产生于土壤、气候条件特殊的恶劣环境中”[33]; 刘立新[33]认为: 它们要么处于石砾的恶劣土壤环境,水分供应困难、养分亏缺( 如名贵茶叶大红袍、岩茶等) ; 要么处于盐碱地等土壤障碍因子、生长条件恶劣或管理技术特别,需要环割、刀砍、斧劈……等,如乐陵小枣等,或要么需要天寒地冻的天气条件等等 ( 如药性非常好的雪域红景天、高山雪莲等) ; 而在正常气候和肥沃的土壤上,很少有自然形成的名特优农产品。怎样在良好的土壤上生产名特优农产品呢? 怎么样才能使植物具有防控病虫草害能力呢? 由此归结出3个生产要素:①环境胁迫或人造胁迫,②基因控制( 品种) ,③营养元素平衡供应 ( 作物所需的不同营养元素供应强度均衡)。这一重要结论为生产优质农产品找到理论根据。   植物次生代谢的启动对诱导抗逆的研究是国内外很多学者包括植物生理学家、化学生态学家、植物保护学家为之奋斗了几十年的难题。近年来,刘立新发现胁迫对植物有诱导抗逆作用[33].植物受到胁迫产生乙烯,乙烯是一种气态的不稳定的易消耗的信号物质,其特点是遇激而增传息而变,乙烯前体是蛋氨酸的一种含硫氨基酸; 当硫充足时生成蛋氨酸;1964年利伯曼提出乙烯来自蛋氨酸[34],1979年亚当斯确定乙烯合成途径[34]为: 蛋氨酸→腺苷蛋 氨 酸 (SAM)→ 1-氨 基 环 丙 烷 基 羧 酸(ACC)→乙烯; 遇到胁迫,蛋氨酸就能迅速形成逆境信号乙烯,植物体内的钙离子作为第二信使参与信号转导,激活转录因子使抗逆基因表达,此时次生代谢便开始运转 ( 图4)。   伴随着对作物的胁迫及时补充矿物质营养,对增强作物的抗逆性、提高品质和农产品风味非常有效,使农产品富含超氧化物歧化酶 (SOD)、维生素C、维生素E、类黄酮类、类胡萝卜素或称类帖、甾类等物质,是增强人体免疫力的最好营养品[35].   植物次生代谢涉及众多的代谢调节、信号转导和防卫物质,最终产物为小分子有机物贮存在液泡或细胞壁,中、微量元素参与次生代谢的产物生成和转运[35].植物生理学和基因组学的研究表明,作物抗逆性存在共同机制[36]: 用共同的受体、共同的信号传递途径,传递不同的逆境信号,诱导共同的基因,调控共同的酶和功能蛋白,产生共同的代谢物质 (Allelochemicals) ,在不同的时空抵御不同的逆境,这就是植物最经济高效的抗逆防御体系。这一结论也证实在作物生长早期人为对作物进行略带伤害性的胁迫的生理意义[37].   作物的环境胁迫是指植物受到淹水、干旱[38]、低温、高温、盐渍、辐射、病虫害侵害、毒物伤害、微生物入侵,有学者归结于生理干旱作用[37];另一说法是作物在环境胁迫下体内会产生一系列有害活性氧,活性氧会攻击蛋白质的氨基酸残基形成羰基衍生物,还能引发磷脂的过氧化,造成膜系统的氧化损伤,被称为氧胁迫[39]( 图5)。环境胁迫对植物是天赐的良机,因为作物在遭受逆境环境攻击的数分钟,局部的防御反应已被激活,几小时内在离攻击部位很远的组织内的防御反应也被激活,从而建立起抵抗各种不利环境的作物体内最经济有效的逆境防御系统。   作物的人造胁迫或称为诱导胁迫,传统的插秧、移栽、中耕、除草、环 割、断 根、修 剪、打杈、抹赘芽、多次收割、多次采摘,都是略带伤害性的胁迫,可开启植物次生代谢; 有益微生物菌与作物进行物质和能量交换活动跨越细胞膜,均可归为人造胁迫。人造胁迫可产生诱导性系统抗性,可在病、虫、草害和灾害性天气到来之前开启次生代谢,同时添加必需的矿物质营养,让作物自动调控体内共同的酶和功能蛋白,从而积累起系统抗性物质,可以代替打农药,并能减轻灾害性天气对农作物的伤害,起到四两拨千斤的效果[38].   很多人把获得作物抗性和品质指标寄托在转基因技术上[40],认为该技术可把某些动、植物的具有特殊代谢功能的基因片段[41]转移到目标作物上并使其表达[42 - 43],抗虫棉就是一例证。抗虫棉的抗虫基因源于苏云金芽孢杆菌的Bt基因,能抗棉铃虫等害虫,但其存在棉花的纤维质量不高、易感黄萎病、种子贵等问题[44 - 46].而从植物生理学视角看,农作物抗性和品质的提高可以通过胁迫和营养解决; 因为植物在进化过程中为了适应环境,其次生代谢会产生抗逆性物质和品质物质; 次生代谢是在胁迫中产生的,也会在胁迫中再现,人类从事的农业生产活动如果能够充分利用这一功能,可以少走很多弯路。     4. 2次生代谢产物中的抗性物质以及品质和风味物质   植物新陈代谢除了有维持生命和生长的基本代谢,还有适应环境的次生代谢[47].基本代谢包括光合和呼吸作用、遗传物质产生、氮代谢、碳代谢,最终形成植物的根、茎、叶、花、果实、种子。次生代谢是在受到胁迫后开启并运转,其产物是形成植物各个器官抵抗不良环境和提高生存竞争能力的功能性物质[39]: 抗击病、虫、草害和灾害性天气的物质,能除草物质,具有自身修复功能的物质,形成优良品质和独特风味物质[47].   植物在逆境环境中[47]一般需打开20条次生代谢途径,其中有5条与形成植物的抗逆性、品质和风味有关,其功能如下所述[48]:   氨基酸生物碱代谢途径: 生物碱产生脯氨酸;生物碱具有抗旱、涝、冷、热、早衰和杀虫杀菌作用,吲哚生物碱能直接杀蚜虫; 生物碱是农产品品质和风味的重要组成。   芳香剂酚类衍生物代谢途径: 酚类衍生物由莽草酸代谢产生; 酚类衍生物具有植物杀菌、伤口愈合、防腐败作用,可延长农产品的货架期,酚类衍生物对人类有防癌作用; 其中的芳香类化合物是食品风味组成成分。   类黄酮类代谢途径: 黄酮类由丙二酸途径产生,由乙酰辅酶A到乙酸聚乙酰途径合成; 类黄酮类化合物是杀灭各种植物真菌病害的有效物质,对人类来说是增强免疫力的药物; 类黄酮也是食品风味组成成分。   有机酸次生代谢途径[48]: 有机酸的产生比较复杂,其前体三羧酸循环本属于基本代谢,是呼吸作用的核心代谢途径之一,其氧化磷酸化过程产生高能磷酸键 (ATP) 和二氧化碳 (CO2) 属于呼吸作用,但当在某种胁迫环境下使这个过程不再产生ATP和CO2,而是将在三羧酸循环中所形成的柠檬酸、草酰乙酸、丙酮酸、α异戊二酸等物质脱离三羧酸循环系统,直接进入植物的体液储藏起来,形成植物体内的酸性环境,这一过程已不属于基本代谢,而是有机酸次生代谢,最终形成各类有机酸类化合物。有机酸可使植物体内液泡p H值小于4. 2,能够杀死进入植物体内的细菌性病原体; 有机酸代谢与糖代谢产物联合组成不同比例的糖酸比,是形成食品风味的重要组成。   异戊二烯焦磷酸酯代谢途径: 发现该途径的学者已经获诺贝尔生理学医学奖,异戊二烯焦磷酸酯代谢是由甲羟戊酸到异戊二烯磷酸脂途径合成类萜、甾类化合物; 类萜和甾类化合物能杀死各种害虫、线虫、细菌性、真菌性和各类病毒性病原体;萜烯类和甾类化合物的进一步反应形成脱落酸与脯氨酸、甜菜生物碱,共同实现抵抗灾害性和抗早衰的作用; 类萜也是风味组成成分[48].   不同的次生代谢途径产生不同的化感物质,而化感物质在不同学科里赋予了不同的称谓,不同的代谢途径在植 物体内的生 理功能也 有差 别( 表3) .   次生代谢产物中具有防止其他生物入侵的相生相克的物质[49 - 50],还有清除杂草的物质[51],中草药特殊有效物质等[52].   对农产品质量检测可考虑用作物代谢产物的多少作为指标,比如: 生物碱、酚类衍生物、类黄酮类化合物、类胡萝卜素、超氧化物歧化酶、风味物质; 这些成分含量高低有明显排他性,恰恰反映出种植者的理念和生产技能。   作物的次生代谢产物中含有很多对人类健康有巨大影响的生理活性物质: 维生素E、超氧化物歧化酶、烟酸、酚类化合物、类胡萝卜素、前花青素、青 蒿 素、儿 茶 酚、类 黄 酮 类 化 合 物 等 有 益物质。   综上所述,在作物有机高产优质栽培中综合技术体现在足量碳、有益微生物菌群、天然矿物质和田间管理4项技术,单独使用一项或两项技术没有可持续性,也没有显着效果,具体操作: 前茬收获同时将鲜秸秆粉碎、均匀撒矿物质肥料和喷微生物菌剂、深翻至25 ~ 30 cm土壤中; 基肥配方有机肥、微生物肥或部分添加矿物质肥; 种子处理用营养拌种剂拌种,喷在种子上拌匀晾干后可播种; 田间管理在间苗、铲、趟、耘等管理后须紧跟一次植物营养液和微生物菌剂叶面喷洒,作物出现衰弱还需追加,这就是胁迫加营养的做法; 喷施时间在太阳落前效果好; 活杆收获农作物自然成熟的好处:一是保障农产品品质,二是鲜秸秆营养丰富,水分足,微生物作用下秸秆能快速降解。   5结论   目前我国农业中普遍存在过量使用氮、磷、钾肥,同时使用农药和除草剂控制病虫草害,此模式已走到瓶颈期,有学者认为已无经济学意义[53],采用减少化肥用量逐步过渡到中国式有机农业是可行之路; 中国式有机农业采取以防为主方针,为作物提供生长所需的营养,用略带伤害性胁迫打开作物的次生代谢,生产出营养价值高、抗逆性强、风味独特、耐储存、产量高的农产品。此技术体系有理论意义也有社会生态意义,值得进一步研究和推广。   参考文献:   [1] 塞利纳斯。医学地质学自然环境对公共健康的影响 [M].郑宝山,译。北京: 科学出版社,2000.   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