“绿肥绿药美土嘉禾”农田生态新技术

文学飞，潘前颖，潘幸来

（1.安徽工程大学，安徽芜湖 241000；2.山西省农业科学院棉花研究所，山西运城 044000）

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

农田尤其是棉/薯田、果/菜园、种床/苗圃的病虫猖獗和抗药性，导致施药成本激增，环境污染加剧，食品安全问题频发。此外，臭氧层空洞的出现，更使全球惶惶不安。1992年的《蒙特利尔议定书》哥本哈根修正案将农用土壤熏蒸剂甲基溴列为受控消耗臭氧层物质，要求第5条款缔约国应于2015年淘汰甲基溴[1]。农田急需高效低风险防治病虫害策略，因此，生物熏蒸技术应运而生。该技术创新点是利用芸苔属（Brassica）植物压青绿肥改良土壤的同时，再延伸利用其细胞破碎后硫苷（GSLs）与黑芥子酶（MYR）接触反应生成挥发性异硫氰酸盐/酯类（ITCs)，熏蒸土壤，达到杀灭和抑制土生病虫害的目的。

2004、2006和2008年“国际生物熏蒸学术讨论会”公认，在病虫害多发地块，间、套、偷、复种或轮作高硫苷油/芥菜品种，适时适量切碎、入土和捂青，是一项绿肥绿药、美土嘉禾的农田生态新技术[2-4]。美、澳、英等发达国家于1992年开始小面积试验，至2008年已大面积推广。荷兰全面采用该技术，于2000年实现了全国农药用量减半的法定目标。菲律宾、印度等目前都在积极试验推广。

中国油菜绿肥历史悠久，却鲜有提及其杀菌灭虫效果的。油菜育种科研立项多强调低芥酸低硫苷，鲜有高硫苷油菜课题的研究。加之农区大牲畜及猪羊数量锐减，增补农田土壤有机质也急待新辟蹊径，机械化秸秆还田技术增加土壤有机质的同时却带入大量病虫源，需要喷施更多农药进行防治。绿肥绿药美土嘉禾农田生态新技术既解决土生病虫害问题，又增加土壤有机质，还环境友好，产品安全，应用前景广阔。笔者综述了第三届国际生物熏蒸学术讨论会77篇论文和John Kirkegaard博士主编的21期生物熏蒸通讯的主要成果[4]，以期在中国试验推广绿肥绿药美土嘉禾农田生态新技术，实现回归生态天然，远离农药污染，从而有利于我国可持续生态农业的建设。

1 生物熏蒸的生化基础

芸苔属（Brassica）植物的根、茎、叶、籽中，均含有不同种类不同浓度的硫苷和黑芥子酶。硫苷和黑芥子酶在活细胞中被脂膜分隔，细胞一旦被害虫咬破两者立即反应生成剧毒的异硫氰酸盐/酯类及其他腈化物、硫代腈化物等（图1），可杀灭和抑制多种病虫害，被认为是芸苔属植物天然进化出的一种自卫机制，被称之为“芥子炸弹”。高粱和苏丹草中的蜀黍苷也有类似功能。含硫苷或蜀黍苷的植物统称为氰苷类植物，生化反应通式为GSLs+MYR→ITCs。

图1 黑芥子酶和硫苷的反应过程

2 绿肥绿药基础应用研究已获得的13个经验参数集

2.1 芸苔属植物中硫苷和黑芥子酶种类和数量

已发现芸苔属植物中有100多种硫苷和5种以上的黑芥子酶，可反应生成四大类30多种异硫氰酸盐/酯类。已定位1个芥子酶基因，并报道了几个高硫苷分子标记，还发现1个耐高温的芥子酶。

2.2 “芥子炸弹”对人和蜜蜂无负效

油菜中的硫苷主要是2-苯乙基硫苷（2-PE GSL），其水解产物是剧毒的2-苯乙基异硫氰酸盐（2-PE ITC）。已证明芳香族硫苷派生的2-苯乙基异硫氰酸盐/酯类比脂肪族硫苷所派生的异硫氰酸盐/酯类的毒性高4倍以上。2-苯乙基异硫氰酸盐与烯丙基异硫氰酸酯（AITC）、苄异硫氰酸盐（BITC）等混合产物的毒性，比单一使用更强。油菜自卫机制产生的各种异硫氰酸盐/酯类，均未发现对人和蜜蜂有负面效应。

2.3 硫苷含量因品种、生育期、组织器官等而异

芸苔属不同种及不同品种、不同生育期、不同组织中的硫苷含量不同。籽粒中硫苷含量变幅为0.97%～12.00%。热榨饼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（盐）离子（SCN-）等，对下茬作物的出苗有不利影响[5]。冷榨饼粕中所含硫苷的生物活性高于热榨饼粕。菜籽油中也含有挥发性的异硫氰酸盐/酯类。株体组织中的硫苷含量一般在开花期达到最高，硫苷含量一般为根＞茎＞叶。活根际分泌物中即有较高水平的异硫氰酸盐/酯类出现，1 g鲜组织中可生成的异硫氰酸盐/酯类变幅在6～80μmol。

2.4 油菜根的皮层细胞硫苷含量最高

油菜直根系中，直径大于3 mm的根重占油菜根系干重的97%以上。根外层的硫苷含量比心层高5倍以上，在次生加厚的根表皮下的两层细胞中的硫苷含量最高。这两层细胞随着根径的不断增长不停地脱落更新而向根际释放硫苷，保护大直径根的健康生长。生长50～90 d的绿肥油菜鲜物重可达97 500 kg/hm2，干物质产量约 30 000 kg/hm2。

2.5 异硫氰酸盐/酯类对多种有害线虫有杀灭效果

人工培养、盆栽试验证实，异硫氰酸盐/酯类对10多个属28种有害线虫有杀灭效果。如根结线虫属(Meloidogyne)、胞囊线虫属（Hterodera）、短体线虫属（Pratylenchus）、金线虫属（Globodera）、蝗线虫属（Tylenchorhynchus）、环形线虫属（Mesocriconema）、剑线虫属（Xiphinema）、小杆线虫属（Caenorhabditis）、毛刺线虫属（Trichodorid）和螺尾线虫属（Helicotylenchus）等。

2.6 异硫氰酸盐/酯类对多种真菌和细菌的致死剂量

人工培养、盆栽试验证实，0.1～0.8 mM的2-苯乙基异硫氰酸盐/酯类对10多个属近30种土生致病真菌即有90%致死效果。如镰刀菌属(F usarium)、丝核菌属 (Rhizoctonia)、疫霉属 (Phytophthora)、腐霉属(Pythium)、小核菌属 (Sclerotinia)、蛇孢假壳属(Gaeumannomyces)、轮枝霉属 (Verticllium)、木霉属(Trichoderma)、 链 格 孢 属 （Alternaria）、 曲 霉 属（Aspergillus）、 地 霉 属 （Geotrichum）、 青 霉 属（Penicillium）、灰霉属（Botrytis）、橡胶木兰变菌（Lasiodiplodia）、小斑病（Bipolaris）、Thlelaviopsis等。0.3～1.6 mM的2-苯乙基异硫氰酸盐/酯类对2个属细菌的各个种即有100%的致死效果。如茄科雷尔氏菌(Ralstonia Solanacearum)和草木樨中华根瘤菌(Sinorhizobium meliloti)。

2.7 异硫氰酸盐/酯类对某些病毒病也有防治效果

异硫氰酸盐/酯类抑制毛刺线虫传播的烟草脆裂病毒TRV（tobacco rattle virus）效果良好。

2.8 异硫氰酸盐/酯类对部分虫害有灭杀效果

该技术对马铃薯白须甲虫（Leptinotarsa decemlineata）及弹尾跳虫（Folsomia candida）有杀灭效果；对家蝇（Housefly）、谷蠹（Grain borer）等仓储害虫有一定的杀灭效果；对蜜蜂无毒。

2.9 硫苷和黑芥子酶在土壤中的活性变化

硫苷在土壤中弱吸附、易渗漏、易被微生物分解、易被矿化；半衰期在表土中为数个小时至1 d，底土中为8～9 d，黏土中比沙土中降解更快。异硫氰酸盐/酯类易被土壤有机质和土壤粘粒强吸附，易被土壤微生物分解，易被矿化成气体而散失，可渗漏到1 m深土层；土壤中大于0.1μmol即有良好效果。碎渣熏蒸可显著降低病虫害的初始侵染，但对次生侵染效果则不明显。模拟根土界面中的黑芥子酶的活性可保持60 d左右。土壤干燥时黑芥子酶迅即失活，土壤有机质与土壤争水亦使之失活；土壤中黑芥子酶的活性一般表现为：表土>底土，黏土>沙土。

2.1 0 高硫苷油菜绿肥绿药新技术生态和经济效益显著

大田试验、推广证实，适期足量以适当方式捂青高硫苷油/芥菜，对多种土传病虫害，如马铃薯、甘薯、甜菜的黑斑病、粉斑病、环斑病、线虫病，西瓜和甜瓜的线虫病，西红柿、辣椒和大葱的萎蔫病、青枯病，棉花的立枯病、炭疽病、枯黄萎病，葡萄、柑桔、草莓的根腐病、萎蔫病、花叶病，印尼烟草萎蔫病、赤星病，球茎类花卉的根腐病、线虫病，大豆胞囊线虫病，小麦的全蚀病、根腐病、线虫病，水稻纹枯病，梨黑斑病等，都有显著防治效果。由此表明，高硫苷油菜绿肥绿药新技术的生产生态实效显著，与休闲施化肥农药的对照相比，产量多持平或略增，但1级品率增20%以上，投资减60%以上，平均节约化肥农药投入168～243美元/hm2。水土保持，降低风蚀、径流等效果在美国表现亦颇佳。

2.1 1 高硫苷油菜绿肥绿药农田生态新技术实施要点

该技术大面积应用的技术要点：选用茎、叶、根高硫苷芥菜品种；捂青前鲜物产量应大于4～5 kg/hm2；彻底碎汁后，立即旋翻入土并保持土壤湿润；最好能予覆盖以防异硫氰酸盐/酯类挥发过快，保持7 d捂青期更好。

2.1 2 国外的一些生物熏蒸专利产品

欧、美、澳已注册20多种生物熏蒸专利产品。①高硫苷油/芥菜品种，如卡林奈特119、99、61、Nemat、Humus、IdaGold 等；②根茎叶高硫苷、籽粒低硫苷的油/芥菜品种；③几个不同高硫苷的油/芥菜品种的混合种，如 BQ-Mulch、BQ-Graze、Fumus and Nemfix；④混合饼粕类（葵花饼/苦楝饼/皂皮类等）/秸杆类的颗粒，如NatraFume、FUMAFERT等；⑤挥发性乳油，如VOOM。

2.1 3 国外已有高硫苷绿肥绿药油菜育种课题在研

美国、英国、澳洲、德国、日本、西班牙、意大利等国以及欧盟FP7计划，都有大项目资助征集、评价、筛选、培育高硫苷绿肥绿药油菜新品种，这些高硫苷新品种应能充分利用低效价的光、温、水、土资源，生长迅速，生物量大且不与主栽作物争时间。

3 相关的基础研究问题

为提高硫苷转化成异硫氰酸盐/酯类的效率，已采用碎汁、翻压后浇水覆膜等措施，效率仅提高到26%。关于硫苷和黑芥子酶反应生成异硫氰酸盐/酯和其他腈化物/硫代腈物的彻底性问题，理论上尚无明确结论，关于硫苷最佳完全反应生成异硫氰酸盐/酯类的量、反应速度最快最彻底的反应条件、黑芥子酶的量与活性和有无无机催化剂的可能等问题尚不清楚。此外，硫苷和异硫氰酸盐/酯类在土壤中的半衰期短，有利于环境友好，却不利于药效持续。

4 展望

（1）中国北方大部分薯田、棉田、果园等，1年中均有60～100 d的空闲期，均可周年间、套、复种冬/春性绿肥高硫苷油菜，城郊集约种植的菜地、种苗圃、保护地等也可异地施入高硫苷物，既增加了土壤有机质，实现了肥田改土，又可杀灭病虫，降低农药用量。试验和示范推广绿肥绿药美土嘉禾农田生态技术必将大利归农、惠及全民。

（2）秦晋果园，可于每年处暑前后，趁墒在株行间撒播老农家种油菜或芥末种子或高硫苷油菜新品种，于来年谷雨前后碎汁、翻压入土后浇足水，有覆盖条件更好。除绿肥绿药作用外，还有深耕松土的功效，由于直径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树根系扎入，有利于深耕土壤。

（3）黄淮麦区玉米小麦连作地，可于7月中下旬在玉米行间播种老农家油菜品种或芥末种子或高硫苷油菜新品种，于秋播小麦前连同玉米秸秆机械切碎后翻压入土。

（4）黄淮区棉田，可于当年处暑前后在棉花行间插种老农家种油菜或芥末种子或高硫苷油菜新品种，于来年播种棉花前10天左右机械切碎、翻压入土、浇水覆盖。

（5）南方菜地、北部马铃薯产区亦可以间、套、偷种。全国各地开发四旁、荒坡沟山、闲置土地等大种高硫苷油菜，工厂化制品绿肥绿药产品供城郊集约化菜地农圃使用。

[1]张剑智.中国淘汰甲基溴的利弊分析[J].世界环境,2001(3):30-31.

[2]刘丹.第二届国际生物熏蒸学术讨论会在美国召开[J].中国油料作物学报,2006(3):250.

[3]Atwal A K,Kumar M,Chauhan P,et al.Variation for myrosinase activity in some crop Brassica species[C].第十二届国际油菜大会论文集,2007.

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

[5]潘幸来.旱地油菜的根土结构[J].山西农业科学,1983(3):21.