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中国式有机农业高产优质栽培技术-理论篇
作者: 发布时间:2014-02-19 来源:中国农科院
 

  编者的话:人类追求高品质和高产农产品的脚步从来没有停止过,下面介绍的是一个植物生理学者是怎样从植物的基本代谢和次生代谢的视角来诠释农产品产量、抗逆性和品质的形成过程,这一理论可以为新型有机农业高产优质栽培技术提供支持。

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  刘立新

  北京大学生物系植物生理专业1965年毕业,著名植物生理学家汤佩松教授、吴湘钰等教授是他的指导老师;在校期间就熟知1937年H. MOLISH的Allelopathy(化学生态学)、Allelochemicals(化感物质)的概念和崔澄讲授的微量营养元素具有增加作物抗逆性和抗病性和抵抗灾害性天气的作用的功能。所有这些使他下定决心这一辈子一定要搞出能够杀虫治病的肥料来。名师的指点成为他一生潜心研究植物次生代谢在植物营养与施肥上应用的源动力。毕业后一直工作在农业一线,几十年间他时时刻刻不忘把植物生理学知识融合到他的农业科研活动中,2000年当他回母校和老师同学相聚时,谈到他用盐指数调出了大豆的类黄铜和萜烯类化合物时,他的导师吴相钰老人激动的站起来,用拐杖敲着地板说,刘立新你种的大豆肯定不招虫不生病!

  刘立新对于次生代谢研究的灵感源自对大自然的观察与思考,我们所的李纯忠研究员在上个世纪70到90年代对我国许多“名特优农产品的土宜”问题进行了研究指出:“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”;刘立新研究员继续对名特优农产品生活环境进行考察进一步发现: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。怎样能在良好的土壤条件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的能力呢?必须具备的三个要素:①环境胁迫或人造胁迫 ②基因控制(品种) ③营养元素的平衡供应(作物所需的不同营养元素供应强度均衡)。

  刘立新在2008年撰写《科学施肥新思维与实践》一书揭开了从植物生物化学的视角来研究施肥的崭新域。首次提出生产高产、优质、高效农产品必须要满足逆境环境、优良品种和营养充足三方面条件;同时也是提高作物抗逆性,防控病虫草害、抵抗灾害性天气的必备条件。第一次把植物的新陈代谢特别是次生代谢和农作物的抗性、品质产量和独特风味联系在一起。本书从生理角度分析了植物生长所需的营养元素在代谢中的运移,过量和不足对土壤和植物的影响。 全面横向平衡施肥可以实现农作物抗性、高产性、品质优良性、风味独特性、生产高效性,环保性完美的结合在一起。有的读者指出,这本书将在未来20年内发挥巨大作用。

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  有关次生代谢的认知与实践

  植物在生命进化的过程中为了适应各种生存环境,其新陈代谢产物除了有维持生命和自身生长的基本代谢产物,还有为适应环境而产生的次生代谢产物。

  基本代谢 光合作用产物、呼吸作用产物、遗传物质的核苷酸、核酸等产物、氮代谢产物氨基酸、蛋白质合成等物质、碳代谢的糖、淀粉等碳水化合物、纤维素、脂肪酸等物质的基本代谢产物物质;

  次生代谢 当次生代谢正常时,植物的次生代谢产物同时有两种物质:化感物质和风味物质。

  化感物质 保护植物自身、抵御不良环境的特殊氨基酸、生物碱、酚类衍生物、类黄酮类化合物、有机酸、类萜和甾类等化合物等;这些化感物质显著特征是:能抵抗各种病虫草害;脯氨酸、甜菜生物碱和脱落酸一起还具有抵抗灾害性天气的能力。

  风味物质 次生代谢产物还同时产生影响的农产品品质与风味物质,如蛋白质、脂肪、淀粉、维生素、纤维素等物质和不同比例的氨基酸构成农产品的不同风味、同时芳香剂、类黄酮类物质(维生素P)、有机酸、一萜类物质构成了农产品的独特风味。使农产品品质与风味俱佳从而可以廉价生产绿色食品和有机食品。

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  刘立新研究员试验证明,在大豆和棉花上利用肥料的盐指数一次刺激打开了多条次生代谢途径,测试结果如下:

  ① 检测到酚酸类化合物;开启了芳香剂及酚类衍生物次生代谢途径;

  ② 酚酸类化合物中检测到类萜及甾类化合物,打开了萜烯类化合物和甾类化合物的异戊二烯焦磷酸脂次生代谢途径;

  ③ 检测到类黄酮类化合物,开启了类黄酮类化合物的次生代谢途径;

  ④ 植物表现出抗旱抗寒性表明植物氨基酸生物碱代谢途径也打开了;

  ⑤ 有机酸的次生代谢途径本来就是三羧酸循环的一部分;pH4.2时细菌性病原体就不能存活。

  上述测试结果说明,在试验中给作物进行盐指数的胁迫,就使得作物的主要次生代谢途径都打开了。

  次生代谢开启植株上有什么表现?

  禾本科作物生长的挺拔、角质层变厚、光亮,而茎秆上、叶片上的细小的毛刺根竖立,就像时刻准备着要扎你一下的样子;如果把手臂到植物群体中有强烈的刺痛感或刺痒感;

  瓜果类作物上,也能够看到相应的变化,如毛刺竖立,好像不准你碰它似的,有的果皮挂霜厚腻,一碰就粘到你手上;

  同时植物表现出明显的抗逆性或抗病虫草害性或抗早衰能力;

  果实的味道更浓,该香的更香、该苦的更苦、该好吃的更好吃。

  科学界对诱导抗逆的研究

  如何打开植物的次生代谢,如何让次生代谢运转起来,产生化感物质,使植物具有高品质和高抗病性,这一系列问题一直是植物生理学家、化学生态学家、植物保护学家为之奋斗了几十年的难题,国内外的科学界将此难题称之为“对诱导抗逆的研究”。近年来,植物生理学研究表明,胁迫对植物次生代谢有诱导作用。植物逆境生理研究,开启次生代谢途径的信号物质是植物激素“逆境乙烯”和“伤害乙烯”;逆境乙烯:在植物淹水、干旱、低温、高温、盐渍、辐射、病虫侵食、毒物伤害等逆境因子侵袭下,均可使乙烯迅速增加,称其为逆境乙烯Stress ethylene;伤害乙烯:植物因切割、碰撞、摩擦、震动、挤压、触摸等机械伤害时,也会诱导形成乙烯,称为伤害乙烯Injury ethylene,人类对作物的中耕、除草、移栽、插秧等农事活动、对果树的剪枝、环割和蔬菜的多次采摘或对果蔬的多次收获(含多次收割)等,均属于这类作用,它们都能使作物体内相应产生伤害乙烯Injury ethylen。这两种乙烯在产生条件上有所差别,但是没有资料表明这两种乙烯在成分和结构方面有什么差别。

  作物产生的植物激素乙烯(信号物质)的代谢特点是:“遇激而增,传息而变”;乙烯是一种不稳定的易消耗的激素或称信号物质;是一种因环境胁迫而不断产生的物质。在植物体内形成乙烯的前体是亮氨酸,是一种含硫的氨基酸;如果我们能够保持植物的次生代谢持续运转,就必须保证植物基本代谢中的氨基酸代谢正常进行,同时保证有充足的硫素营养元素的供应,便可形成大量的亮氨酸;这样,当作物遇到环境胁迫时,就能迅速形成乙烯,从而开启相关次生代谢途径并促使其持续正常运转。

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  开启次生代谢的充分条件是胁迫

  作物在生存环境中有三种类型的胁迫:1)环境胁迫这是天赐良机 环境胁迫是指植物受到淹水、干旱、低温、高温、盐渍、辐射、病虫害侵害、毒物伤害、微生物入侵。相当于生理干旱或类似于生理干旱,后者如虫咬、使植株细胞受伤而流出汁液,同干旱一样使植物细胞损失液体,我们把其理解为类似于生理干旱作用,统称为“相当于生理干旱作用”。作物因环境胁迫诱导形成逆境乙烯,从而开启植物次生代谢途径。坏事变成好事,塞翁失马焉知非福。2)人造胁迫 具有四两拨千斤的效果 传统农业措施如插秧、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,都是略带伤害性的人造胁迫,可开启植物的次生代谢。3)添加到土壤中的有益微生物,他们与作物共生,与植物进行物质和能量的交换,其活动能跨越细胞膜,这种胁迫也可开启植物的次生代谢。人造胁迫可在病虫草等灾害到来之前提前开启植物次生代谢,再辅植物次生代谢必需的物质,就可以代替打农药,并能减轻灾害性天气对农作物的伤害。

  维持次生代谢正常运转的条件是营养

  中微量营养元素是维持植物次生代谢途径与基本代谢途径均衡运转的充分条件:大多数微量元素是变价的,能同时成为植物新陈代谢中电子的供体和授体,确保基本代谢和次生代谢均衡运转,应采用螯合态的或水分促释型的中微量营养元素作为供应源,不会产生元素间的拮抗,使作物产生丰富的次生代谢产物。

  植物的次生代谢及其产物是在长期进化中适应环境的结果;植物的次生代谢途径及产物是在胁迫中产生也会在胁迫中再现;人类从事的农业生产如果能充分利用植物的次生代谢功能可以少走很多弯路;生产中有意识地打开作物的次生代谢并使其正常运转,就能生产出优质、有风味的农产品;这种模式将会成为下一代农民追求的目标。

  科技界各领域对次生代谢研究与应用情况简述:

  1. 在农药范畴的应用 化学生态学家提纯化感物质以制造生物农药;

  2.在植保方面的应用 植保专家开展的诱导抗逆剂的研制,利用诱导抗逆剂调动植物体内的化感物质防控病虫草害;

  3.在栽培方面的应用 栽培领域侧重于研究化感作用对环境的影响,在除草剂和杀菌剂方面开发取得进展。构建自身抗病、草害的农林生态系统和在作物之间相生相克的作用,在轮间混套作中被广泛应用;

  4. 在育种方面的应用 在逆境环境选育能抵抗逆境环境,如抗病育种,目前已经选育出初级的抗大豆包囊线虫病的大豆品种,初级的抗棉花黄萎病棉花品种,尚不成熟;而在育种领域另一个应用领域就是转基因工程创造新的、具有特殊功能的新物种,其基因的来源不限,可来自动物、植物、微生物源的基因,在这一方面,人类已经取得了巨大进展,如抗虫棉的问世;

  5. 在植物营养与施肥方面的应用 植物生理学家更看重次生代谢对植物自身的影响,认为任何逆境环境都能激活植物次生代谢,从而使植物产生化感物质和风味物质;而人造胁迫能提前开启植物次生代谢途径就是人类可参与的诱导抗逆技术;充分利用次生代谢产物,就可以实现为作物杀虫治病除草,抵抗灾害性天气,同时生产出高品质、独特好风味的农产品。

  被科学证明的施肥准则

  作物生长所需的16种必需大、中、微量元素和7种有益元素,每一种元素在作物生长过程中都有它的不可替代性作用;给作物施肥应遵循北京大学教授曹宗巽提出的生命活动的三基点原则,即:少量有效、适量最佳、过量有害;对营养元素的不恰当过量施用,会引起元素间的拮抗和沉淀。

  在施肥问题上的认识误区

  长期以来所做大量氮、磷、钾田间试验有失偏颇,客观上起到对生产的不正确引导作用;对植物必需大量元素碳、氢、氧需求认识不足,造成生产中普遍存在碳饥饿现象,是导致农产品无法大幅度提高产量的原因;由于历史原因对非豆科固氮的进一步认识成为禁区,是造成生产上对尿素过分依赖的主要原因;缺乏对植物必需的中、微量营养元素作用的深入研究,导致对农药过分依赖,形成不用农药就要引发饥荒的错误思维模式。

  主要著作和发表论文

  [1]刘立新 科学施肥新技术与实践[M]中国农业技术出版社出版 2008年5月

  [2]刘立新 梁鸣早推荐一种能提高肥料功能的方法-药食同源平衡施肥法[J] 中国土壤与肥料 2009三期

  [3]刘立新 梁鸣早植物次生代谢作用及其产物概述[J] 中国土壤与肥料 2009五期

  [4]刘立新 梁鸣早用化肥开启植物次生代谢途径的原理与方法[J] 中国土壤与肥料 2010 一期

  参考文献

  [1] 高保衡 黄帝内经素问[M],人民卫生出版社 1963

  [2] 王永厚著 农业文明史话[M]中国农业科学技术出版社,2006

  [3] 吴湘钰教授:北京大学生物学植物生理学1962-1965年

  [4] 曹宗巽教授:北京大学生物学植物生理学1961—1963年

  [5] 汤佩松教授,北京大学生物学植物生理专业“呼吸作用”讲义”1963到1964年

  [6] H.MOLISH DER EINFLUSS EINER PFLANZE AUF DIE ANDERE-ALLOPATHIE; FISHER, TENA. TENA 1937

  [7]崔澄 植物中的微量元素[A]中国科学院微量元素研究工作会议汇刊[C]科学出版社 1964

  [8] 李继云 匡廷云 汪希彬 微量元素在农业中的应用[M] 科学出版社 1964 36~51

  [9] E.RICE ALLELOPATHY[M] ACADEMIC PRESS NEW YORK NY 1974.

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  [15] 孔垂华 胡飞 植物化感相生相克作用及其应用[M] 中国农业出版社 2001

  [16] 孔垂华 21世纪植物化学生态学前沿领域[J] 应用生态学报 2002

  [17] (美)部坎南(Buchanan.B.B.)等主编翟礼嘉等译 植物生物化学与分子生物学[M] 北京科学出版社 2004

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  [19] 徐明岗 张夫道等 中国土壤肥力演变[M] 中国农业科学技术出版社 2006

  [20] 陆景陵 陈伦寿 曹一平 科学施肥必读[M] 北京中国林业出版社,2007

  [21] 武维华主编 植物生理学(第二版)[M]科学出版社 2008年

  [22] 闵久康主编 科学施肥新理念、新技术—药食同源平衡施肥法[A]农业生态生物化学和环境健康展望[C] 现代教育出版社2010 547~558 第1卷第33章

  [23] 闵久康主编 诱导技术及其代谢产物在农业生产中的重大应用[A]农业生态生物化学和环境健康展望[C] 现代教育出版社2010 1 2230~2237

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  [26] 孙建光 等 农田环境中固氮菌促生潜能与分布特点研究 [J] 中国农业科学 2012 第8期

  [27] 孙建光等 小麦、水稻、玉米、白菜、芹菜内生固氮菌及其系统发育研究 [J] 中国农业科学 2012 第7期

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  [32] 比嘉照夫 日本流球大学 拯救地球大变革[M]中国农业大学出版社 1984.8

  [33]马世铭 J Sauerborn 世界有机农业发展的历史回顾与发展动态[J]中国农业科学 2004年第十期

  [34]闽九康 土壤生态毒理学和环境生物修复工程[M] 中国农业科学技术出版社 2012年

  
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