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玉米帮蚕豆结瘤固氮功在根部

2016-8-12 17:14:09 来源:中国科学报 作者:未知 加入收藏

 

间套作是增加农田生态系统生物多样性的重要措施。图片来源:百度图片


    间套作是一种历史悠久、在我国传统农业和现代农业中有重大贡献的种植体系。作为一种存在了数千年的农艺措施,间套作大幅度提高作物产量的功能已经被大量的生产实践所证实。事实上,间套作是增加农田生态系统生物多样性的重要措施,除了增加产量之外,还具有增加农田生物多样性、增加农田生产稳定性、控制杂草和病虫害等生态服务功能。

    近日,中国农业大学资源与环境学院教授李隆带领的研究团队的最新研究成果揭示了禾本科作物(玉米)促进豆科作物(蚕豆)结瘤固氮的新机制。这项研究成果发表在《美国科学院院刊》上。

    间套作是我国农业精髓

    间套作作为传统农艺措施在我国已经有数千年的历史。所谓间套作,就是两种或两种以上作物隔畦、隔行或隔榇有规则栽种的种植制度。

    其中,间作是指在同一田地上于同一生长期(季节)内分行或分带相间种植两种或两种以上生长期相近的作物的种植方式;套作是指在前季作物生长后期的株、行间播种或移栽后季作物的种植方式。

    数据显示,上世纪80年代我国旱地套作面积0.17亿公顷,间套作面积0.25 亿~0.28 亿公顷,除西藏、青海外,全国都有分布。进入90年代,全国间套作面积发展到3300万公顷。

    “我国间作套种的种类分布很广泛,总的特点是东部间套作种类多于西部,南方高于北方。”李隆表示。

    大豆和玉米、大豆和小麦、蚕豆和玉米等等豆科作物和禾本科作物的间套作就是国内外农业生产实践中常见的作物种间配置方式。此前,李隆及其团队就研究发现,在高氮低磷且相对肥沃的土壤上,4 年间作玉米的平均籽粒产量比单作玉米增加了43%,间作蚕豆的平均籽粒产量比单作蚕豆增加了26%。

    揭示蚕豆玉米种间相互促进机制

    大量研究表明,豆科植物之所以能把无机氮转化为有机氮,在于其根部的根瘤菌的作用。然而,在高肥力或高氮肥投入条件下,生物固氮的潜力被显著抑制。换言之,在农业耕作中,如果施用过多氮肥,就会减少或完全抑制根瘤菌与豆科植物的结瘤固氮,出现“氮阻遏”现象。

    但是,禾本科作物和豆科作物间作,则可缓解豆科作物生物固氮时的“氮阻遏”现象,合理的作物搭配将强化这种生物固氮作用。一般认为,间套作增加生物固氮的机制是由于禾本科作物竞争土壤中的氮素,从而降低土壤中氮浓度,对豆科作物的结瘤固氮作用产生刺激作用所致。然而,研究还发现,豆科作物和禾本科作物间作中,氮素竞争能力更强的禾本科作物并不能进一步增加豆科作物的生物固氮。

    那么,禾本科作物促进豆科作物结瘤固氮有没有新的机制呢?以蚕豆和玉米间作体系为研究对象,李隆及其研究团队根据多年田间观察和室内模拟研究,在田间条件下采用根系分隔的方法,发现当两种作物根系交叉在一起时,蚕豆的结瘤和固氮效果,对照两者根系分隔时有大幅度增加,证明根系相互作用在结瘤及固氮中具有重要作用。

    在室内模拟水培条件下,当两种作物种在一起时,根系分泌物中一种黄酮类物质——染料木素的浓度会大幅度增加。而染料木素恰恰是豆科作物和根瘤菌“对话”的关键信号物质。

    研究团队将收集的玉米根系分泌物添加到蚕豆的培养介质中,发现蚕豆结瘤和固氮作用发生显著增强、与固氮相关的一些基因大幅度上调。他们由此证实玉米根系分泌物在强化豆科作物结瘤固氮中具有重要作用。

    为可持续生态农业提供应用前景

    “我们的研究揭示了根系正相互作用的机制,解释了生物多样性如何提高生态系统的生产力。”研究者在论文中写道。

    事实上,随着对间套作研究取得显著进展及其在生态系统服务功能中的价值得到重视,间套作作为一种高效利用资源的种植体系在越来越多的地方得以推广应用。

    2015年,国务院颁布《关于加快转变农业发展方式的意见》(以下简称《意见》),明确提出推广轮作和间作套作,以深入推进农业结构调整,促进种养业协调发展。《意见》指出:支持因地制宜开展生态型复合种植,科学合理利用耕地资源,促进种地养地结合。重点在东北地区推广玉米/大豆(花生)轮作,在黄淮海地区推广玉米/花生(大豆)间作套作,在长江中下游地区推广双季稻—绿肥或水稻—油菜种植,在西南地区推广玉米/大豆间作套作,在西北地区推广玉米/马铃薯(大豆)轮作。

    在转方式调结构、加快推进农业现代化的背景之下,关于间套作种间相互促进机制的研究为利用生物固氮发展可持续生态农业提供新的应用前景,为自然生态系统物种多样性提高生态系统生产力和稳定性的认识也提供了理论依据。

    实际上,自上世纪90年代以来,李隆一直从事间套作体系资源高效利用的机制及长期效应的研究工作。2007年,李隆及其研究团队从根际磷营养的角度揭示了间套作高产高效的机制,这篇论文也发表在了《美国科学院院刊》上。

    “合理的间套作蕴含了丰富的生态学原理, 如何将这些科学原理挖掘出来,在丰富生态学理论的同时,进一步对这一种植模式不断完善和改进并发扬光大,将是农业生态工作者的重要使命。”李隆表示,“相信这一传统模式将是发展集约化生态农业的重要措施,并在现代农业中发挥越来越重要的作用。”


责任编辑:明仙
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