江西绿肥紫云英的研究

夏海林，康丽春，王 飞，柯清林，潘晓华，周春火

(1.江西农业大学作物生理生态与遗传育种教育部重点实验室 江西省作物生理生态与遗传育种重点实验室，江西 南昌 330045；2.江西农业大学生物科学与工程学院江西省农业微生物资源开发与利用工程实验室，江西 南昌 330045； 3.江西农业大学工学院，江西 南昌 330045; 4.江西农业大学国土资源与环境学院，江西 南昌 330045)

紫云英(Astragalussinicus)，又名红花草、翘摇、草子等，是越年生草本植物，属于豆科黄耆属。紫云英是我国主要的蜜源植物之一,分布于中国的长江流域各省(区)，可作为牲畜饲料，也是我国南方稻区传统的冬绿肥作物。紫云英翻压还田后能够提高土壤肥力、改善土壤理化性状、提高植株氮磷钾含量、减少化肥用量，达到减氮增效的作用[1-3]，是一种非常重要的绿色肥料。

江西省是我国紫云英的传统种植省份之一，属于绿肥的传统产区。为此，对江西省的紫云英品种、种质来源以及主要特点进行归纳与总结，分析紫云英在江西省的发展历史及现状，并对紫云英的固氮增肥机理、影响紫云英固氮效率的主要因素以及紫云英还田后对土壤微生物系的影响等进行总结和分析，以期对于江西省将紫云英作为绿色肥料以及推广绿肥还田、作物增效丰产提供了一定的理论及技术指导。

1 紫云英的种质资源调查

我国紫云英的种植历史悠久，早在公元261-303 年，吴陆玑的《毛诗草木鸟兽虫》中就有紫云英的记载，且种质资源丰富，按开花和成熟期可分为特早熟种(215～220 d)、早熟种(220～225 d)、中熟种(225～230 d)和迟熟种(230～235 d)[4]。 我国的紫云英优良品种主要分布在福建、江西、贵州、四川、湖南、浙江、江苏、安徽、广东、广西、河南、上海等省(市)，表1列出了除江西省以外我国其他主要省份紫云英种植情况。

从20世纪50年代起，以江西省农业科学院为代表的科研机构，对江西省的紫云英种质资源开展了收集、筛选和整理工作，共整理出10份综合性状优良的地方紫云英品种(表2)。截止目前，江西省经审定的紫云英种质资源达到23份，其中早熟和中熟种分别为10份、13份，是我国紫云英种质资源最多的省份。

表1 我国主要紫云英品种Table 1 Main varieties of Astragalus sinicus in China

2 紫云英作为绿肥在江西省的发展历程及现状

紫云英是江西省稻田最主要的绿肥作物，约占绿肥种植面积的90%以上[11]。绿肥能够增加农田有机质含量，提高土壤肥力，种植绿肥在提高耕地土壤肥力、绿色养殖、保障粮食安全、农药化肥减施、固氮、吸碳以及节能减耗等方面有着非常重要的作用[12-14]。研究表明[15]，在提高稻田的光合生产力和光能利用率方面，单、双季稻冬种绿肥的种植模式要优于冬闲模式，有利于增产增效，有利于建设绿色江西的生态大省。绿肥在江西省水稻产区主要的种植模式如表3所列。

1949年至2015年江西省绿肥的发展主要经历了4个阶段(图1)。第一阶段，种植面积从1949年的28万hm2发展到1966年突破133.3万hm2的高速发展阶段；第二阶段，从1967-1978年绿肥种植面积稳定在133.3万hm2以上的稳定发展阶段，其中1969年种植面积达到157.2万hm2，占当时耕地面积的64.7%;第三阶段，种植面积下降阶段。由于品种多样的化肥开始走进农业领域，加上农民进城务工人数越来越多，导致农民种植绿肥的积极性降低，绿肥种植面积从1978年的136.7万hm2降至1985年的96.2万hm2，比1969年高峰期时的种植面积，仅占61.2%；第四阶段，绿肥发展的低谷时期，20世纪90年代后，由于各类化肥品种生产能力的提高和普及，化肥工业快速发展与化肥用量不断增长，绿肥种植面积进一步缩小，至2005年降至33.3万hm2，到2007年快速下滑至30.7万hm2，与1949年初期的水平相当。

表3 绿肥在江西省的主要种植模式Table 3 The main planting pattern of green manure in Jiangxi Province

表中内容根据文献[14]和[15]归纳总结。

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

图1 江西省绿肥紫云英的种植面积(1949-2015年)[16-20]Fig. 1 Cultivation of green manure Astragalus sinicus in Jiangxi Province from 1949 to 2015[16-20]

随着建设美丽中国概念的提出，政府出台了一系列支持绿肥种植的相关扶持政策，绿肥面积逐步得到一定程度的恢复。2008年，江西省绿肥种植面积止跌并开始增长，截至2015年4月，江西省绿肥种植面积已恢复到近53.3万hm2。但由于农村劳动力的减少，农民种植绿肥的意识还不够强，以及优良绿肥品种较少等多方面原因，现阶段绿肥恢复生产任重而道远。

3 紫云英-根瘤菌固氮机理及固氮效率影响因素

根瘤菌(Rhizobium)与豆科植物的共生是生物固氮体系中作用最强的体系，据估计其固定的氮约占生物固氮总量的65%[21]。紫云英与根瘤菌的固氮是一种共生固氮，其根瘤菌是共生固氮菌(Symbiosis Azotobacter)。研究表明，能与豆科植物结瘤的细菌均为革兰氏阴性菌(G-)，它的分类阶元为细菌域(Bacteria)、变形杆菌门(Proteobacteria)，约17个属，种类近100种，可划分为3个纲：α、β 和 γ-变形菌纲(Proteobacteria)，其中 α-变形菌纲(Alphaproteobacteria)14个属，β-变形菌纲(Betaproteobacteria)2个属，γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)1个属[22-28](表4)。

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

紫云英是豆科植物，首先分泌专一性较强的信号分子类黄酮，诱导根瘤菌合成结瘤因子。植物根毛细胞识别结瘤因子，引起植物根毛弯曲、细菌侵入等多种生理反应。在结瘤因子和表面多糖的共同作用下，形成根毛细胞侵染线。紧接着皮层细胞分裂,形成根瘤原基,根瘤菌从分支的侵染线中释放,进入根瘤原基细胞中,内化的细菌被宿主植物生物膜包裹形成固氮根瘤菌的分化形式-类菌体。在Exopolysaccharides(EPS)基因和Lipopolysaccharide(LPS)基因的表达产物的促进下，最后根瘤原基发育成根瘤，形成固氮共生体[29-30]。

现有研究表明，钴、铜、硼、锌和钼等营养元素对于紫云英根瘤菌的产生及固氮效率具有非常重要的影响(表5)。例如，含钴20 mg·L-1的根瘤菌剂处理的紫云英，单株干重比单纯接根瘤菌的对照减少59%，而低于这个浓度的钴处理，紫云英单株干重却有一定的提高，并且含钴菌剂拌种处理的紫云英植株含氮量也有提高，说明适量的钴能促进紫云英根瘤菌的共生固氮作用[31]。与未施营养元素对照相比,施用硼、锌和钼肥处理的紫云英种子产量提高最高达40%,且差异均显著，紫云英根瘤数增加2.1%～82.4%，促进了紫云英根瘤的形成[32]。

表5 营养元素对紫云英植株生长和结瘤的影响Table 5 Effect of nutritive element on growing and nodulation of Chinese Milk Vetch

除营养元素之外，紫云英的栽培条件以及环境因素对于紫云英-根瘤菌的固氮作用也具有重要的影响。例如，不同栽培措施下，紫云英播种期应安排在9月,在不影响前茬作物的前提之下, 应尽量早播，紫云英种子生产时播种量为24 kg·hm-2时，紫云英株高、单株重、茎粗单位面积一级分枝数和花序数较好[36]。另外，根瘤菌拌种量、紫云英种子播种量和种子引发等因素都会对根瘤菌固氮效率及紫云英生长产生影响[37-39]。

温度、水分、除草剂等条件对于紫云英-根瘤菌的固氮作用影响显著。例如，不管是在无氮基质还是有氮基质上栽培紫云英，在15～20 ℃温度下，紫云英形成根瘤数和固氮效率都较高，而高温(30 ℃以上)对紫云英根瘤形成和固氮效率都有不利影响[40]。不同土壤田间含水量对紫云英生长及生理代谢的影响研究表明，50%～100%的田间持水量条件下,紫云英幼苗能够正常生长，其中75%～80%田间持水量下，紫云英植株生长最好[41]。在施用乙草胺、吡嘧磺隆后，均显著增加土壤中细菌和放线菌(Actinobaculum)的数量[42-43], 但降低了紫云英植株中的含磷、氮、钾量、土壤中的真菌(Fungus)数量以及紫云英的干物质累积量，并对根瘤菌也有不同程度的抑制[44-45]。然而，施用乙草胺却能为紫云英作物提供更适宜的土壤微生态环境,有利于其吸收利用土壤养分[43]。

温度、水分、营养元素及除草剂等作为影响紫云英-根瘤菌固氮体系的障碍因子，在今后的研究中，需找到影响此固氮体系的主效因子，来提高紫云英-根瘤菌的固氮效率和紫云英的高产栽培。

4 绿肥还田后对土壤微生物区系的影响

土壤质量高低关系到农业生态系统能否可持续发展，而土壤质量的重要指标参数是土壤微生物学特性。研究表明[46-47]，翻压紫云英可以增加土壤变形菌门(Proteobacteria)细菌的丰度，而对于放线菌门(Actinobacteria)细菌的丰度却是降低。与单施化肥或紫云英相比，化肥配施紫云英或稻秆可提高土壤氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB)、真菌和氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea,AOA)的数量，但对氨氧化细菌(AOB)群落结构的影响甚微。

绿肥翻压还田后还可通过改变土壤化学和生物学的特性，从而影响土壤微生物的多样性、活性、群落结构和功能以及对碳源的利用情况等[48-60]。高嵩涓等[61]的研究表明，冬种绿肥对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，尤其豆科绿肥紫云英的效果最显著，晚稻收获后相对冬闲分别提高了21.12%和98.45%，全年平均值分别提高了15.92%和36.49%；南方稻田冬种绿肥后，土壤微生物特性明显改善，冬种绿肥是提升稻田土壤肥力的高效措施。

紫云英栽培种植及还田后，使得土壤N的矿化势和有机N品质下降速度减慢[62]，对土壤微生物区系和环境生态的改善、土壤质量的提高都有一定的正向作用。万水霞等[63]研究表明，相较于未施用紫云英绿肥，施用紫云英绿肥有利于稻田土壤微生物总数的提高，提高量最高可达86.86%，尤其是增加了细菌数量(77.93%～112.76%)。单施化肥或化肥与紫云英配施可以改变土壤微生物的群落结构，与单施化肥降低土壤中细菌占比相比，增施紫云英后使土壤向“细菌化”方向发展。与清耕相比，种植紫云英可显著提高了土壤微生物的生物碳含量，达144.1%，土壤养分中，全氮、全磷和有机质含量含量提高30%以上，全钾含量提高了5.81%，土壤微生物活性(AWCD)、微生物Shannon指数和均匀度指数均优于清耕[64]。

紫云英作为绿肥还田后，对土壤微生物组成和多样性的有一定的影响，上述研究结果说明绿肥还田后可能促进了蓝细菌门和硝化螺旋菌门等与氮素循环相关微生物类群的生长[65],从而导致土壤微生物总数的提高。

5 小结

绿肥高效固氮受到施肥、固氮菌和紫云英亲和力、土壤环境条件和农艺措施等多方面因素的影响，目前绿肥紫云英研究大致集中在紫云英还田后对土壤养分、N素循环、土壤微生物区系、紫云英种质扩繁及环境因素对紫云英-根瘤菌固氮体系的影响等方面，前期研究结果表明，不同营养成分、环境因素等对紫云英生长都会有不同程度的影响，紫云英种质资源扩繁及培育都取得一定的进展，各地也有一些优良的品种出现。根瘤菌与紫云英固氮效率的研究，对今后筛选高固氮紫云英-根瘤菌体系提供了很好的基础。由于当今农户种粮积极性不高，国内很多地方种植紫云英面积不大，对紫云英的研究进展速度也比较缓慢，研究深度不高，随着我国对于绿色农业、建设美丽中国设想的提出，今后以紫云英为代表的绿肥应用将成为现代绿色农业研究中的重要组成部分，今后对于紫云英研究可以通过微观即分子层次与宏观层次相结合进一步研究，提高紫云英对不同土壤生态环境的适应性和高固氮效率的根瘤菌的匹配，找到绿肥(紫云英)高效固氮的障碍因子，筛选出适应多种环境的紫云英-根瘤菌体系，研究紫云英-根瘤菌固氮体系对环境的生态效应如温室气体排放的影响，为我国绿肥替代轻简高效丰产栽培技术体系提供技术支撑，大力推广绿肥种植，构建中国特色的绿色农业。

江西省是紫云英品种最为丰富的省份，紫云英作为绿色肥料在江西省的农业生产中曾经占据着十分重要的作用。随着对于紫云英固氮机理、固氮效率限制因素、绿色还田后对土壤微生物环境影响等基础性研究的持续深入，在结合江西省自身土壤、气候、微生物环境等条件的基础上，对紫云英开展更深入的应用基础研究，将对包括鄱阳湖流域在内的江西现代农业的绿肥应用体系带来新的格局和促进作用。