“綠肥綠藥美土嘉禾”農田生態新技術

文學飛，潘前穎，潘幸來

（1.安徽工程大學，安徽蕪湖 241000；2.山西省農業科學院棉花研究所，山西運城 044000）

WEN Xue-fei et al（Anhui Polytechnic University,Wuhu,Anhui 241000）

農田尤其是棉/薯田、果/菜園、種床/苗圃的病蟲猖獗和抗藥性，導致施藥成本激增，環境污染加劇，食品安全問題頻發。此外，臭氧層空洞的出現，更使全球惶惶不安。1992年的《蒙特利爾議定書》哥本哈根修正案將農用土壤熏蒸劑甲基溴列為受控消耗臭氧層物質，要求第5條款締約國應于2015年淘汰甲基溴[1]。農田急需高效低風險防治病蟲害策略，因此，生物熏蒸技術應運而生。該技術創新點是利用蕓苔屬（Brassica）植物壓青綠肥改良土壤的同時，再延伸利用其細胞破碎后硫苷（GSLs）與黑芥子酶（MYR）接觸反應生成揮發性異硫氰酸鹽/酯類（ITCs)，熏蒸土壤，達到殺滅和抑制土生病蟲害的目的。

2004、2006和2008年“國際生物熏蒸學術討論會”公認，在病蟲害多發地塊，間、套、偷、復種或輪作高硫苷油/芥菜品種，適時適量切碎、入土和捂青，是一項綠肥綠藥、美土嘉禾的農田生態新技術[2-4]。美、澳、英等發達國家于1992年開始小面積試驗，至2008年已大面積推廣。荷蘭全面采用該技術，于2000年實現了全國農藥用量減半的法定目標。菲律賓、印度等目前都在積極試驗推廣。

中國油菜綠肥歷史悠久，卻鮮有提及其殺菌滅蟲效果的。油菜育種科研立項多強調低芥酸低硫苷，鮮有高硫苷油菜課題的研究。加之農區大牲畜及豬羊數量銳減，增補農田土壤有機質也急待新辟蹊徑，機械化秸稈還田技術增加土壤有機質的同時卻帶入大量病蟲源，需要噴施更多農藥進行防治。綠肥綠藥美土嘉禾農田生態新技術既解決土生病蟲害問題，又增加土壤有機質，還環境友好，產品安全，應用前景廣闊。筆者綜述了第三屆國際生物熏蒸學術討論會77篇論文和John Kirkegaard博士主編的21期生物熏蒸通訊的主要成果[4]，以期在中國試驗推廣綠肥綠藥美土嘉禾農田生態新技術，實現回歸生態天然，遠離農藥污染，從而有利于我國可持續生態農業的建設。

1 生物熏蒸的生化基礎

蕓苔屬（Brassica）植物的根、莖、葉、籽中，均含有不同種類不同濃度的硫苷和黑芥子酶。硫苷和黑芥子酶在活細胞中被脂膜分隔，細胞一旦被害蟲咬破兩者立即反應生成劇毒的異硫氰酸鹽/酯類及其他腈化物、硫代腈化物等（圖1），可殺滅和抑制多種病蟲害，被認為是蕓苔屬植物天然進化出的一種自衛機制，被稱之為“芥子炸彈”。高粱和蘇丹草中的蜀黍苷也有類似功能。含硫苷或蜀黍苷的植物統稱為氰苷類植物，生化反應通式為GSLs+MYR→ITCs。

圖1 黑芥子酶和硫苷的反應過程

2 綠肥綠藥基礎應用研究已獲得的13個經驗參數集

2.1 蕓苔屬植物中硫苷和黑芥子酶種類和數量

已發現蕓苔屬植物中有100多種硫苷和5種以上的黑芥子酶，可反應生成四大類30多種異硫氰酸鹽/酯類。已定位1個芥子酶基因，并報道了幾個高硫苷分子標記，還發現1個耐高溫的芥子酶。

2.2 “芥子炸彈”對人和蜜蜂無負效

油菜中的硫苷主要是2-苯乙基硫苷（2-PE GSL），其水解產物是劇毒的2-苯乙基異硫氰酸鹽（2-PE ITC）。已證明芳香族硫苷派生的2-苯乙基異硫氰酸鹽/酯類比脂肪族硫苷所派生的異硫氰酸鹽/酯類的毒性高4倍以上。2-苯乙基異硫氰酸鹽與烯丙基異硫氰酸酯（AITC）、芐異硫氰酸鹽（BITC）等混合產物的毒性，比單一使用更強。油菜自衛機制產生的各種異硫氰酸鹽/酯類，均未發現對人和蜜蜂有負面效應。

2.3 硫苷含量因品種、生育期、組織器官等而異

蕓苔屬不同種及不同品種、不同生育期、不同組織中的硫苷含量不同。籽粒中硫苷含量變幅為0.97%～12.00%。熱榨餅粕中含有一定量的生物活性有限的硫苷，遇水后可被水解成硫氰酸（鹽）離子（SCN-）等，對下茬作物的出苗有不利影響[5]。冷榨餅粕中所含硫苷的生物活性高于熱榨餅粕。菜籽油中也含有揮發性的異硫氰酸鹽/酯類。株體組織中的硫苷含量一般在開花期達到最高，硫苷含量一般為根＞莖＞葉。活根際分泌物中即有較高水平的異硫氰酸鹽/酯類出現，1 g鮮組織中可生成的異硫氰酸鹽/酯類變幅在6～80μmol。

2.4 油菜根的皮層細胞硫苷含量最高

油菜直根系中，直徑大于3 mm的根重占油菜根系干重的97%以上。根外層的硫苷含量比心層高5倍以上，在次生加厚的根表皮下的兩層細胞中的硫苷含量最高。這兩層細胞隨著根徑的不斷增長不停地脫落更新而向根際釋放硫苷，保護大直徑根的健康生長。生長50～90 d的綠肥油菜鮮物重可達97 500 kg/hm2，干物質產量約 30 000 kg/hm2。

2.5 異硫氰酸鹽/酯類對多種有害線蟲有殺滅效果

人工培養、盆栽試驗證實，異硫氰酸鹽/酯類對10多個屬28種有害線蟲有殺滅效果。如根結線蟲屬(Meloidogyne)、胞囊線蟲屬（Hterodera）、短體線蟲屬（Pratylenchus）、金線蟲屬（Globodera）、蝗線蟲屬（Tylenchorhynchus）、環形線蟲屬（Mesocriconema）、劍線蟲屬（Xiphinema）、小桿線蟲屬（Caenorhabditis）、毛刺線蟲屬（Trichodorid）和螺尾線蟲屬（Helicotylenchus）等。

2.6 異硫氰酸鹽/酯類對多種真菌和細菌的致死劑量

人工培養、盆栽試驗證實，0.1～0.8 mM的2-苯乙基異硫氰酸鹽/酯類對10多個屬近30種土生致病真菌即有90%致死效果。如鐮刀菌屬(F usarium)、絲核菌屬 (Rhizoctonia)、疫霉屬 (Phytophthora)、腐霉屬(Pythium)、小核菌屬 (Sclerotinia)、蛇孢假殼屬(Gaeumannomyces)、輪枝霉屬 (Verticllium)、木霉屬(Trichoderma)、 鏈 格 孢 屬 （Alternaria）、 曲 霉 屬（Aspergillus）、 地 霉 屬 （Geotrichum）、 青 霉 屬（Penicillium）、灰霉屬（Botrytis）、橡膠木蘭變菌（Lasiodiplodia）、小斑病（Bipolaris）、Thlelaviopsis等。0.3～1.6 mM的2-苯乙基異硫氰酸鹽/酯類對2個屬細菌的各個種即有100%的致死效果。如茄科雷爾氏菌(Ralstonia Solanacearum)和草木樨中華根瘤菌(Sinorhizobium meliloti)。

2.7 異硫氰酸鹽/酯類對某些病毒病也有防治效果

異硫氰酸鹽/酯類抑制毛刺線蟲傳播的煙草脆裂病毒TRV（tobacco rattle virus）效果良好。

2.8 異硫氰酸鹽/酯類對部分蟲害有滅殺效果

該技術對馬鈴薯白須甲蟲（Leptinotarsa decemlineata）及彈尾跳蟲（Folsomia candida）有殺滅效果；對家蠅（Housefly）、谷蠹（Grain borer）等倉儲害蟲有一定的殺滅效果；對蜜蜂無毒。

2.9 硫苷和黑芥子酶在土壤中的活性變化

硫苷在土壤中弱吸附、易滲漏、易被微生物分解、易被礦化；半衰期在表土中為數個小時至1 d，底土中為8～9 d，黏土中比沙土中降解更快。異硫氰酸鹽/酯類易被土壤有機質和土壤粘粒強吸附，易被土壤微生物分解，易被礦化成氣體而散失，可滲漏到1 m深土層；土壤中大于0.1μmol即有良好效果。碎渣熏蒸可顯著降低病蟲害的初始侵染，但對次生侵染效果則不明顯。模擬根土界面中的黑芥子酶的活性可保持60 d左右。土壤干燥時黑芥子酶迅即失活，土壤有機質與土壤爭水亦使之失活；土壤中黑芥子酶的活性一般表現為：表土>底土，黏土>沙土。

2.1 0 高硫苷油菜綠肥綠藥新技術生態和經濟效益顯著

大田試驗、推廣證實，適期足量以適當方式捂青高硫苷油/芥菜，對多種土傳病蟲害，如馬鈴薯、甘薯、甜菜的黑斑病、粉斑病、環斑病、線蟲病，西瓜和甜瓜的線蟲病，西紅柿、辣椒和大蔥的萎蔫病、青枯病，棉花的立枯病、炭疽病、枯黃萎病，葡萄、柑桔、草莓的根腐病、萎蔫病、花葉病，印尼煙草萎蔫病、赤星病，球莖類花卉的根腐病、線蟲病，大豆胞囊線蟲病，小麥的全蝕病、根腐病、線蟲病，水稻紋枯病，梨黑斑病等，都有顯著防治效果。由此表明，高硫苷油菜綠肥綠藥新技術的生產生態實效顯著，與休閑施化肥農藥的對照相比，產量多持平或略增，但1級品率增20%以上，投資減60%以上，平均節約化肥農藥投入168～243美元/hm2。水土保持，降低風蝕、徑流等效果在美國表現亦頗佳。

2.1 1 高硫苷油菜綠肥綠藥農田生態新技術實施要點

該技術大面積應用的技術要點：選用莖、葉、根高硫苷芥菜品種；捂青前鮮物產量應大于4～5 kg/hm2；徹底碎汁后，立即旋翻入土并保持土壤濕潤；最好能予覆蓋以防異硫氰酸鹽/酯類揮發過快，保持7 d捂青期更好。

2.1 2 國外的一些生物熏蒸專利產品

歐、美、澳已注冊20多種生物熏蒸專利產品。①高硫苷油/芥菜品種，如卡林奈特119、99、61、Nemat、Humus、IdaGold 等；②根莖葉高硫苷、籽粒低硫苷的油/芥菜品種；③幾個不同高硫苷的油/芥菜品種的混合種，如 BQ-Mulch、BQ-Graze、Fumus and Nemfix；④混合餅粕類（葵花餅/苦楝餅/皂皮類等）/秸桿類的顆粒，如NatraFume、FUMAFERT等；⑤揮發性乳油，如VOOM。

2.1 3 國外已有高硫苷綠肥綠藥油菜育種課題在研

美國、英國、澳洲、德國、日本、西班牙、意大利等國以及歐盟FP7計劃，都有大項目資助征集、評價、篩選、培育高硫苷綠肥綠藥油菜新品種，這些高硫苷新品種應能充分利用低效價的光、溫、水、土資源，生長迅速，生物量大且不與主栽作物爭時間。

3 相關的基礎研究問題

為提高硫苷轉化成異硫氰酸鹽/酯類的效率，已采用碎汁、翻壓后澆水覆膜等措施，效率僅提高到26%。關于硫苷和黑芥子酶反應生成異硫氰酸鹽/酯和其他腈化物/硫代腈物的徹底性問題，理論上尚無明確結論，關于硫苷最佳完全反應生成異硫氰酸鹽/酯類的量、反應速度最快最徹底的反應條件、黑芥子酶的量與活性和有無無機催化劑的可能等問題尚不清楚。此外，硫苷和異硫氰酸鹽/酯類在土壤中的半衰期短，有利于環境友好，卻不利于藥效持續。

4 展望

（1）中國北方大部分薯田、棉田、果園等，1年中均有60～100 d的空閑期，均可周年間、套、復種冬/春性綠肥高硫苷油菜，城郊集約種植的菜地、種苗圃、保護地等也可異地施入高硫苷物，既增加了土壤有機質，實現了肥田改土，又可殺滅病蟲，降低農藥用量。試驗和示范推廣綠肥綠藥美土嘉禾農田生態技術必將大利歸農、惠及全民。

（2）秦晉果園，可于每年處暑前后，趁墑在株行間撒播老農家種油菜或芥末種子或高硫苷油菜新品種，于來年谷雨前后碎汁、翻壓入土后澆足水，有覆蓋條件更好。除綠肥綠藥作用外，還有深耕松土的功效，由于直徑3 mm以上的油菜根深扎1 m以下[5]，根系腐解后更有利于果樹根系扎入，有利于深耕土壤。

（3）黃淮麥區玉米小麥連作地，可于7月中下旬在玉米行間播種老農家油菜品種或芥末種子或高硫苷油菜新品種，于秋播小麥前連同玉米秸稈機械切碎后翻壓入土。

（4）黃淮區棉田，可于當年處暑前后在棉花行間插種老農家種油菜或芥末種子或高硫苷油菜新品種，于來年播種棉花前10天左右機械切碎、翻壓入土、澆水覆蓋。

（5）南方菜地、北部馬鈴薯產區亦可以間、套、偷種。全國各地開發四旁、荒坡溝山、閑置土地等大種高硫苷油菜，工廠化制品綠肥綠藥產品供城郊集約化菜地農圃使用。

[1]張劍智.中國淘汰甲基溴的利弊分析[J].世界環境,2001(3):30-31.

[2]劉丹.第二屆國際生物熏蒸學術討論會在美國召開[J].中國油料作物學報,2006(3):250.

[3]Atwal A K,Kumar M,Chauhan P,et al.Variation for myrosinase activity in some crop Brassica species[C].第十二屆國際油菜大會論文集,2007.

[4]Third International Biofumigation Symposium[EB/OL].(2008-07-21)[2011-08-11].http://www.pi.csiro.au/biofumigation2008/programabstracts.htm.

[5]潘幸來.旱地油菜的根土結構[J].山西農業科學,1983(3):21.