紫云英研究现状及其栽培利用(合二为一).doc

紫云英研究进展及其利用 作者简介：何春梅（1979-），女，助理研究员，主要从事植物营养与肥料。E-mail：通讯作者简介：林新坚（1955-），男，研究员，主要从事微生物与土壤培肥研究。E-mail：基金项目：公益性行业（农业）科研专项（201103005），国家绿肥种质资源平台（2012-019），作物种质资源保护和利用项目（NB2013-2130135-34）资助何春梅，钟少杰，王飞，林新坚*（福建省农业科学院土壤肥料研究所、农业资源与环境研究中心，福建 福州 350013）摘 要：围绕当前紫云英研究现状及其应用，阐述了紫云英（Astragalus sinicus L.）栽培品种、种质资源和分子辅助育种、改善土壤结构、提升土壤肥力、改善土壤生态环境、固氮富硒、节能减排以及当前紫云英综合利用的新进展。提出了今后要进一步研究紫云英绿肥在改善农业生态系统中的作用，根据当地的自然、社会经济、生产条件和作物类型，选择适宜的紫云英种植利用方式并探索新的模式。旨在确保紫云英稳步快速发展，并推动高产、优质、高效、生态、安全的现代农业发展。关键词：紫云英；研究进展；综合利用；ProgressinstudiesandutilizationofAstragalus sinicus L.inFujian HE Chun-mei,ZHONG Shao-jie,WANG Fei,LIN Xin-jian*(Institute of Soil and Fertilizer, Fujian Academy of Agricultural Sciences/Agricultural Resource and Environmental Centre, Fujian Academy of Agricultural Sciences, Fuzhou 350013)Abstract: This paper focuses on current study status of Astragalus sinicus L and its application, and discusses the Astragalus sinicus Lcultivated varieties, germplasm resources and marker assisted breeding. This paper also states the improvement of soil structure, fertility and ecological environment, nitrogen fixation selenium rich, energy saving and emission reduction and current new progress of comprehensive utilization of Astragalus sinicus L. This paper proposed that further study about the function of Astragalus sinicus L on improving agroecological system is required. Based on local nature, society condition, production condition and crop type, we should select appropriate Astragalus sinicus Lplanting pattern and develop new pattern. This is designed to ensure the rapid and steady development of Astragalus sinicus L and promote the development of high-yield, good-quality, effective, ecological and safe modern agriculture.Keywords：Astragalus sinicus L.；Research progress；comprehensive utilization紫云英（Astragalus sinicus L.）是豆科黄芪属的植物，俗名花草、红花草、草子，一些地方又称其为野鸡林，是中国南方主要的冬季稻田绿肥，也是一种优质的豆科牧草、蜜源植物等。其作用在于培肥效果突出，可增加生物有机肥源、改良与培肥土壤、净化环境、保持生态平衡，提高化肥利用率和促进农区牧副业的发展1、2。提倡低碳农业和有机农业的今天乃至将来，紫云英绿肥都将发挥其不可替代的作用。美国、日本、韩国等发达国家都大力发展紫云英产业，进行养地培肥3、4。近年，研究者为了充分挖掘、发挥紫云英的优势和潜力，提升其农业质量和效益，满足优质、高效、生态、安全、营养的现代农业要求，不断的挖掘紫云英的利用价值。本文总结了紫云英栽培品种、研究进展及种植利用现状，并提出其今后研究利用的思路和展望，以促进中国紫云英持续发展。1 紫云英栽培品种中国是紫云英的原产地，是世界上利用和种植紫云英最早的国家。据考证，在公元前6世纪已有紫云英种植，至今已有1000多年的历史。随着自然的优胜劣汰和科技的发展，紫云英品种也由原先单纯的野生品种发展为许多人工选育的品种。通过杂交育种培育出的紫云英品种有：浙江省的宁波和平源大叶种；江苏省的西墩种和斜塘种；安微省的弋江种；江西省的乐平种、余江种；湖南省的常德种和福建的闽紫系列等。通过辐射培育出的紫云英品种有：广东省农业科学院土肥研究所育成了四倍体品系，各种性状表现较好。紫云种子太空处理后其生育期有较大的变异，其花生、成熟期相对提早，植株生长促进，发芽率更高、发芽势更强、植株更高，花序及结荚数相对更多，产草量也高5、6。美国Hyeon和Jack7、8报道了紫云英的转基因育种，他们采用发根农杆菌介导法研究了菜豆苯丙氨酸解氨酶基因在紫云英发根中的表达。中国主要的紫云英优良品种（系）包括：早熟种乐平、常德、闽紫1号等；中熟种紫云英余江大叶、萍宁3号、闽紫6号等；晚熟种宁波大桥、浙紫5号等。近年还选良出了一些新的紫云英种，如：福建的闽紫7号，河南的信紫1号，信白1号。湖南的紫冷艳1号，安微省的富硒紫云英8号9。2 紫云英研究进展绿肥紫云英是一种无污染的天然有机肥料，一般亩产鲜草1500 kg以上。以往的研究与实践证明，它具有很强的固氮和富集土壤硒的功能，能增加土壤有机质，改善土壤理化性状，提高土壤肥力，减少后作水稻的化肥用量，并促进后作水稻优质、高产的优点。随着人们对食品安全、生态安全的高度关注，国家开始重视土壤质量提升和生态环境的保护，这促进了紫云英的恢复性种植和研究的进一步深入。2.1 紫云英种质资源和分子辅助育种 SSR标记技术是一种通过直接分析遗传物质的多态性来鉴别生物内在核甘酸排布及其外在性状表现规律的技术。这技术与RAPD、RFLP相比具有更能表现多态性，提供完整的遗传信息等优点。陈坚等采用ISSR（简单序列重复区间）和SSR（微卫星序列）分子标记方法获得了8 个ISSR 和6 个特定的紫云英SSR 引物来评价紫云英种质资源和分子辅助育种7-8。实现了种质资源鉴定方法从单一的表型鉴定到基因型鉴定的提升，为优异基因种质创新奠定了基础（图2-1，图2-2）。在紫云英种子特征评价上，林新坚等采用生态化学计量与形态计量方法，评价了紫云英不同种质间种子的计量学特征，作为紫云英品种（系）鉴别分类指标。图1-1 2个SSR 位点分别在9 个参试的紫云英品种中扩增的带型Fig 1-1 Band Patterns of two SSR ioci amplified with PCR among nine tested varieties of A.sinicus注：M: 分子量标准; 0: 空白对照; 1-9: 参试的品种M:marker;0:blank control;1-9:A.sinicus varieties listed in plant material. 图1-2 基于6 个SSR 位点的多态性构建的9 个参试的紫云英品种聚类图Fig.1-2 Dendrogram of nine tested varieties of A.sinicus based on the polymorphic patterns of six SSR loci amplified with PCR 2.2 改善土壤结构，提升土壤肥力紫云英作为一种纯天然生物有机肥料，众多研究者已证实了紫云英对于改善土壤结构，增加生物有机肥源、改良与培肥土壤、减少化肥施用以及提高后作作物产量等方面有着重要的作用，特别是在中低产土壤上利用效果更为明显。紫云英的施用不仅改良了土壤的结构，还促进微生物的活动和土壤酶活性的提高，活化了土壤的营养元素，为作物提供了大量的养分 10、11。马承豪12通过长期定位试验表明了施用紫云英能够增加土壤中的脲酶、蛋白酶、转化酶的活性。官会林等13 在肥力低下的山地红壤上研究表明，紫云英冬季旱地轮作能够提高土壤含水量，降低土壤单位体积质量，增加有机质含量，提高土壤有效氮、磷、钾含量。近年，王飞等对紫云英能提高有效氮、磷、钾含量进行了更深的研究，研究了紫云英碳、氮、磷、钾矿化特征，研究结果表明，紫云英干物质腐解速率在前20 d 最高，60 d 后进入缓慢腐解期,至90 d 干物质累积腐解率为75.3 %。碳、氮、磷、钾累积腐解率与腐解时间呈幂函数关系。紫云英有机碳与养分累积释放率为钾 碳 氮 磷，且随翻压量的增加，有机碳及养分累积释放率呈逐渐降低趋势。紫云英翻压提高了土壤微生物生物量碳、氮含量。同时，兰忠明等还采用Hoagland营养液培养并收集紫云英根分泌物，研究了不同基因型紫云英对土壤难溶性磷的活化、吸收、利用。发现缺磷胁迫能促进不同基因型紫云英根系分泌大量草酸、酒石酸等有机酸（图2），草酸分泌量显著高于供磷时的分泌量，分泌量最高相差达34.2 倍（闽紫6 号），且不同基因型紫云英分泌的草酸量差异显著。有机酸的分泌显著增加了对土壤难溶性磷的活化效果，不同基因型对难溶性磷的活化效果差异显著，Al-P 源的紫云英生物量与植株含磷量均显著高于Fe-P 的，且紫云英生物量与植株含磷量呈显著正相关（P 0.05），显示出紫云英对难溶性磷酸盐Al-P 的活化吸收能力要高于Fe-P14、15。这些研究结果为单季稻区紫云英翻压后移、后茬水稻化肥后移以及培肥土壤提供了理论依据。 图2 有机酸标准样品色谱图(A)及待测样品的有机酸PHLC色谱图(B)(闽紫1号为例)Fig.2 Organic acid chromatogram of the standard sample(A)and figure PHLC corganic chromatography sample(B)（Min zi NO.1 as example）2.3 增加土壤微生物数量及多样性，改善土壤生态环境 Schutter等16指出，农田生态系统中有些土壤中微生物群落结构和微生物潜能的变化与冬季是否种植覆盖作物有关，冬季种植覆盖作物的土壤比休耕土壤栓出较高含量的真菌，此外覆盖作物的残体和根系脱落物可增加土壤微生物多性样。王丽宏17等人研究表明，冬季有覆盖紫云英和黑麦草的稻田土壤中微生物细胞数量和土壤微生物活度等均比冬闲田高，其中好气性细菌数和真菌数量差异最显著，分别是冬闲田的94.29%和25.71%。万水霞18等人研究表明，紫云英还田显著提高土壤微生物数量，土壤中好气性细菌、真菌数量增加，放线菌数量减少。此外，福建省农科院土肥所通过连续紫云英翻压定位试验，进一步证实了紫云英与化肥配施能丰富土壤生物多样性，提高土壤质量，从而提高肥力。主要表现在2个方面：第一，与单施化肥相比，紫云英与化肥配施能有效提高土壤有机质，土壤酶活性、土壤活性碳、土壤氮含量，降低土壤容重；第二，紫云英与化肥配施提高了氨氧化古菌(AOA)/氨氧化细菌(AOB)的比值，其数量与土壤中氨态氮的浓度呈显著正相关，揭示了酸性稻田土壤中循环的硝化作用是由氨氧化细菌和氨氧化古菌共同完成的，氨氧化古菌占主导作用（图3）。土壤质量的提高促进了植株对肥料的吸收，提高了肥料的利用率，从而提高了稻谷籽粒中氨基酸含量，品质得到改善。与单施化肥相比，紫云英翻压100 %化肥处理的氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）肥料利用率分别提高6.1 %、11.1 % 和12.1 %30。 图1 翻压紫云英对稻田土壤氨氧化细菌和氨氧化古菌的影响（第4 年） 注：MV 紫云英；CF 化肥；S 秸秆Fig.1 Effect of overturning vetch on paddy soil ammonia-oxidizing bacteria and ammonia-oxidizing archaea marker;MV:Vetch;CF:chemical fertilizer;S:straw2.4 固氮富硒，节能减排紫云英有机氮素的来源主要来自根瘤固氮，在结瘤良好的情况下，具有很高的固定空气中氮素的能力，固氮 150 kg/hm2，相当于 330345 kg/hm2 尿素19。这可为植物提供无污染的氮素营养，据研究，每公顷施用 22500 kg 的紫云英，可以代替 20 %60 % 的无机肥20。卢萍等21研究表明，利用豆科紫云英轮作还田，可降低 44 % 无机肥用量，溶解性氮浓度显著降低，在总量相当的情况下，冬种紫云英还田或显著降低了土壤溶液中 NH4+-N、NO3-N 的浓度峰值，减少了稻季氮素随水迁移的量，降低了环境污染的风险。中国科学院南京土壤研究所熊正琴和鹤田治雄22对红壤丘陵地区的研究表明，冬季种植豆科作物可显著降低稻田以及旱地农田N2O的排放量，减少氮素损失。紫云英在冬季对田面的覆盖度为 60 %100 %，春季茎枝伸长以后，草层厚度为 30 50cm。覆盖时间4-5 个月，可以减少土壤养分的流失和雨水对土壤表层的冲刷，降低土壤及养分的流失。此外，研究表明紫云英还是自然界中为数较少富硒植物种类之一，富硒栽培的紫云英含硒量平均为 4.92 mg/kg23、24。紫云英吸收无机硒后都转化为有机态硒，具主要以蛋白态硒存在，而有机态硒是可以被人体安全吸收利用的25、26，具有显著较高的生物学价值。我国是一个贫硒国家，有72 % 的国土缺硒，从而导致我国 80 % 的人群严重缺硒25。无疑种植紫云英在整个自然生态循环链中可起到既减少氮肥施用，又能将土壤中贫脊稀少的硒富集起来的作用，更重要的是能将外源无机硒，无论是通过根施还是叶面喷施均能以 70 % 以上吸收富集转化。随着科技的发展，研究者运用其生物学特性开发出系列紫云英有机硒产品。2.5 促进土壤有机碳的积累，减少温室气体冬季覆盖作物在增加生物产量的同时，可以增加稻田生态系统碳蓄积效应。紫云英地上部、地下部碳蓄积分别为 1799.6 kg/hm 和 292.5 kg/hm227。长期定位试验表明，含紫云英的有机肥和无机肥配施能显著增加红壤性水稻土剖面有机碳和全氮含量，且土壤 C/N 高于不施肥或单施无机肥处理28。有机肥与无机肥配施可提高土壤团聚体活性有机碳含量，从而保持和提高土壤有机碳库质量29。冬季种植豆科作物还可降低稻田以及旱地农田温室气体 N2O 的排放量22。因此，在南方冬闲田适宜地区发展紫云英生产增加农田碳汇潜力，不仅可以提高土壤的肥力，促进作物的生长，还可减少 CO2 等温室气体的排放，达到生态益和经济效益双赢。3 栽培应用研究随着科技的进步和研究的深入，紫云英的栽培应用潜能也逐渐被挖掘，其栽培应用主要有菜饲肥兼用改良土壤模式、紫云英作物轮作模式、作物紫云英套种模式、果园紫云英绿肥模式以及茶园紫云英绿肥模式。3.1 菜饲肥兼用紫云英地上部茎、叶柔嫩多汁，叶量丰富，富含营养物质等特点，直接部份用于菜用，剩余的将地上部的三分之二作家畜饲草（可青饲、调制成干草、干草粉或青贮料），下部三分之一作绿肥与畜禽尿粪便一起还田的途径，实现耕地有机质含量增加和质量持续提升，既养畜又肥田。试验结果表明，用紫云英作饲料喂猪后，可从猪粪中回收氮75.6 %，磷（P2O5）86.2 %，钾（K2O）77.8 %。猪粪尿还田能增进土壤肥力，比单施化肥更有利于水稻高产稻产，其综合经济效益相当于单施化肥的2.8倍多。陈礼智 等在全国16个省区发展肥饲兼用绿肥，发现其可充分利用土地和光热能资源，提高作物产量，改善农田生态环境和培肥地力，土地当量值（LER）平均达到2.03.通过肥饲兼用，能够充分利用紫云英固定的氮素营养，提高紫云高的经济价值，可以在循环农业中起桥梁的作用。3.2 蜂蜜及富硒产品研究 紫云英初花期一般为2月下旬-3月上旬，整个花期达2个月30， 利用紫云英期花期的特性和富硒的特性，进行紫云英蜜的生产和进行富硒产品的综合开发。有研究表明31-33富硒紫云英能促进奶牛对硒的吸收，可较大幅度增加乳汁中硒的含量；在日粮中添加富硒紫云英青饲料，可促进猪的生长，增加硒的吸收和转化，改善猪肉的硒营养价值；通过紫云英花蜜的采集，可以进行富硒紫云英蜜的生长；利用紫云英顶芽和花蕾制成富硒干菜、富硒花茶。通过施用富硒紫云英，进行富硒大米的生产，安微省农业科学院土壤肥料研究所通过紫云英基地的综合开发利用生产出富硒大米，并研究报道了紫云英对水稻硒累积特征和糙米硒含量的影响34、35.安微星潮富硒科技开发有限公司也生产出星潮牌富硒保健米、富硒大豆、富硒茶叶等一系列富硒产品。安徽桐城生产出含硒6.5 mg/kg的紫云英富硒蛋白粉，年产5000 kg，并利用富硒紫云英生产蛋黄派、雪饼、啤酒、饮料等系列产品。3.3 栽培利用模式的研究紫云英-水稻轮作是紫云英作为绿肥培肥土壤的主要利用模式，其利用最为广泛，面积最大，约占紫云英栽培利用面积的70 %80 %，利用模式主要是紫云英-水稻轮作模式，如紫云英水稻高产创建模式、紫云英-水稻减肥增效模式、紫云英有机稻轮作等。现代农业的发展为中低产田提供了适宜高密度种植的品种和栽培技术，为间作或套作紫云英绿肥提供了条件。研究者充分利用不同地域冬季光、温、水资源和现有大量的冬闲田，利用作物茬口间隙以及果树、茶树等作物行间空地发展冬种紫云英。如，紫云英西瓜水稻轮作、紫云英玉米轮作、早稻玉米紫云英、紫云英油菜混作、紫云英-果园套作、紫云英-茶园混作，紫云英葡萄套种、紫云英玫瑰套种等。实践证明，这些方式种植紫云英绿肥作物，能有效提高土壤肥力，改善土壤环境质量、防止水土流失、改善生态环境，同时也是缓解当前中国耕地资源。因此，无论从现实需求，农民的增产增收，还是从种植绿肥的土地资源数量，发展紫云英绿肥的潜力十分巨大。4 问题与展望4.1 利用细胞姐生物学、分子生物学手段进行紫云英新品种的选育与鉴定利用细胞生物学手段，开展紫云英生殖生物学研究，对紫云英生殖过程过行描述，筛选适宜培养基，利用紫云英花粉或者植株器官进行组织培养，以达到无性生殖（增加世代，纯系扩繁、增速扩繁）的育种目的。利用分子生物学手面，进行紫云英品种（系）分子鉴定及功能基因定位与克隆。采用国家种质库引进的和新培育的优良品系，应用多种分子标记技术构建指纹图谱，开展紫云英分子鉴定、评价与利用研究，以及高固氮力、磷高效利用、高鲜草产量相关功能基因的定位。4.2 紫云英绿肥在改善农业生态系统中的作用 在农业综合开发、土地整理和中底产田改造过程中，以提高土壤有机质，增加土壤有效养分为目的，利用紫云英促进土壤熟化，进行养分循环机理、肥田利用模式，农业工程配套方面相关的研究。建立长期定位观察点，研究长期翻压紫云英、不同翻压量、不同化肥配施比例等对土壤肥力、土壤健康、土壤环境的影响。开展碳封存与碳捕获技术、扩充土壤储碳库，减少温室气体排放；通过土壤固氮和根际解磷，提升土壤肥力，减少化肥投入与生产；研究高产高效低耗安全生产综合运筹技术模式在低碳农业中的应用。4.3 开展紫云英综合利用，提高经济效益，推动农村实际应用 紫云英因其功用众多，种植利用模式多，发展种植意义重大，相关领导部门应高度重视，不断提高思想认识，强化宣传、服务和引导，积极推进福建紫云英健康、持续快速发展。今后，应将高品质品种和专用型品种选育作为突破口，逐步开展高蛋白氨基酸含量的紫云英新品种种选育，观赏型紫云英新品种选育，菜用型紫云英新品种选育，耐旱、耐荫、耐瘠的紫云英新品种选育。此外，当地政府和有关部门要认真研究制定福建发展紫云英生产的办法与措施，对紫云英品种选育机构和企业给予资金、政策扶持；集成一批实用技术模式，制定符合与当地相关作物的种植标准和规范；其次，政府部门要根据区域的不同气候、土壤等特点，发展紫云英绿肥与各作物类型的套种利用，不仅可以持续改善土壤质量、培肥地力，提高土壤环境安全质量，而且可以提高作物产量和品质，减少化肥和农药投入，节能减排效果十分显著，可以实现农业增效和农民增收。目前80 % 以上地区紫云英种植利用模式单一。因而，各地应联合政府部门、科研部门、农技推广部门等根据当地的自然、社会经济、生产条件和作物类型，选择适宜的绿肥种植利用方式并探索新的模式，如紫云英和各种蔬菜的混套作模式，以推动高产、优质、高效、生态、安全的现代农业发展。参考文献1 吴萍,胡南河,叶爱青,等.种植紫云英的效益及其对土壤肥力的影响J.安徽农业科学,2006,34(11):2466,24682 刘春增,刘小粉,李本银,等.紫云英还田对水稻产量、土壤团聚性及其有机碳和全氮分布的影响J.华北农学报,2012,27(6):224-2283 Dae J K,Dae S C,Sungchul C B,et al.Effects of soil selenium upplementation level on selenium contents of green tea leaves and milk vetchJ。Journal of Food Science and Nutrition,2007,12(1):35-39.4 Naomi A,Hideto U.Nitrogen dynamics in paddy soil applied with various 15 N-labelled green manuresJ.Plant and Soil,2009(10):3-4.5 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