文學(xué)飛，潘前穎，潘幸來

（1.安徽工程大學(xué)，安徽蕪湖 241000；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所，山西運(yùn)城 044000）

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

農(nóng)田尤其是棉/薯田、果/菜園、種床/苗圃的病蟲猖獗和抗藥性，導(dǎo)致施藥成本激增，環(huán)境污染加劇，食品安全問題頻發(fā)。此外，臭氧層空洞的出現(xiàn)，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(nóng)用土壤熏蒸劑甲基溴列為受控消耗臭氧層物質(zhì)，要求第5條款締約國應(yīng)于2015年淘汰甲基溴[1]。農(nóng)田急需高效低風(fēng)險防治病蟲害策略，因此，生物熏蒸技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)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(xì)胞破碎后硫苷（GSLs）與黑芥子酶（MYR）接觸反應(yīng)生成揮發(fā)性異硫氰酸鹽/酯類（ITCs)，熏蒸土壤，達(dá)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(xué)術(shù)討論會”公認(rèn)，在病蟲害多發(fā)地塊，間、套、偷、復(fù)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(xiàng)綠肥綠藥、美土嘉禾的農(nóng)田生態(tài)新技術(shù)[2-4]。美、澳、英等發(fā)達(dá)國家于1992年開始小面積試驗(yàn)，至2008年已大面積推廣。荷蘭全面采用該技術(shù)，于2000年實(shí)現(xiàn)了全國農(nóng)藥用量減半的法定目標(biāo)。菲律賓、印度等目前都在積極試驗(yàn)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(xiàng)多強(qiáng)調(diào)低芥酸低硫苷，鮮有高硫苷油菜課題的研究。加之農(nóng)區(qū)大牲畜及豬羊數(shù)量銳減，增補(bǔ)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)也急待新辟蹊徑，機(jī)械化秸稈還田技術(shù)增加土壤有機(jī)質(zhì)的同時卻帶入大量病蟲源，需要噴施更多農(nóng)藥進(jìn)行防治。綠肥綠藥美土嘉禾農(nóng)田生態(tài)新技術(shù)既解決土生病蟲害問題，又增加土壤有機(jī)質(zhì)，還環(huán)境友好，產(chǎn)品安全，應(yīng)用前景廣闊。筆者綜述了第三屆國際生物熏蒸學(xué)術(shù)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(yàn)推廣綠肥綠藥美土嘉禾農(nóng)田生態(tài)新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)回歸生態(tài)天然，遠(yuǎn)離農(nóng)藥污染，從而有利于我國可持續(xù)生態(tài)農(nóng)業(yè)的建設(shè)。

1 生物熏蒸的生化基礎(chǔ)

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(xì)胞中被脂膜分隔，細(xì)胞一旦被害蟲咬破兩者立即反應(yīng)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(rèn)為是蕓苔屬植物天然進(jìn)化出的一種自衛(wèi)機(jī)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(tǒng)稱為氰苷類植物，生化反應(yīng)通式為GSLs+MYR→ITCs。

圖1 黑芥子酶和硫苷的反應(yīng)過程

2 綠肥綠藥基礎(chǔ)應(yīng)用研究已獲得的13個經(jīng)驗(yàn)參數(shù)集

2.1 蕓苔屬植物中硫苷和黑芥子酶種類和數(shù)量

已發(fā)現(xiàn)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(yīng)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(bào)道了幾個高硫苷分子標(biāo)記，還發(fā)現(xiàn)1個耐高溫的芥子酶。

2.2 “芥子炸彈”對人和蜜蜂無負(fù)效

油菜中的硫苷主要是2-苯乙基硫苷（2-PE GSL），其水解產(chǎn)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(chǎn)物的毒性，比單一使用更強(qiáng)。油菜自衛(wèi)機(jī)制產(chǎn)生的各種異硫氰酸鹽/酯類，均未發(fā)現(xiàn)對人和蜜蜂有負(fù)面效應(yīng)。

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(fā)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(dá)到最高，硫苷含量一般為根＞莖＞葉?；罡H分泌物中即有較高水平的異硫氰酸鹽/酯類出現(xiàn)，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(xì)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(xì)胞中的硫苷含量最高。這兩層細(xì)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(hù)大直徑根的健康生長。生長50～90 d的綠肥油菜鮮物重可達(dá)97 500 kg/hm2，干物質(zhì)產(chǎn)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(yǎng)、盆栽試驗(yàn)證實(shí)，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(jié)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(huán)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(xì)菌的致死劑量

人工培養(yǎng)、盆栽試驗(yàn)證實(shí)，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(xì)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(shù)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(shù)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(jī)質(zhì)和土壤粘粒強(qiáng)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(jī)質(zhì)與土壤爭水亦使之失活；土壤中黑芥子酶的活性一般表現(xiàn)為：表土>底土，黏土>沙土。

2.1 0 高硫苷油菜綠肥綠藥新技術(shù)生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益顯著

大田試驗(yàn)、推廣證實(shí)，適期足量以適當(dāng)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(huán)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(shù)的生產(chǎn)生態(tài)實(shí)效顯著，與休閑施化肥農(nóng)藥的對照相比，產(chǎn)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(jié)約化肥農(nóng)藥投入168～243美元/hm2。水土保持，降低風(fēng)蝕、徑流等效果在美國表現(xiàn)亦頗佳。

2.1 1 高硫苷油菜綠肥綠藥農(nóng)田生態(tài)新技術(shù)實(shí)施要點(diǎn)

該技術(shù)大面積應(yīng)用的技術(shù)要點(diǎn)：選用莖、葉、根高硫苷芥菜品種；捂青前鮮物產(chǎn)量應(yīng)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(fā)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(chǎn)品

歐、美、澳已注冊20多種生物熏蒸專利產(chǎn)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(fā)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(jì)劃，都有大項(xiàng)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(yīng)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(guān)的基礎(chǔ)研究問題

為提高硫苷轉(zhuǎn)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(guān)于硫苷和黑芥子酶反應(yīng)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(jié)論，關(guān)于硫苷最佳完全反應(yīng)生成異硫氰酸鹽/酯類的量、反應(yīng)速度最快最徹底的反應(yīng)條件、黑芥子酶的量與活性和有無無機(jī)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(huán)境友好，卻不利于藥效持續(xù)。

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(fù)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(hù)地等也可異地施入高硫苷物，既增加了土壤有機(jī)質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了肥田改土，又可殺滅病蟲，降低農(nóng)藥用量。試驗(yàn)和示范推廣綠肥綠藥美土嘉禾農(nóng)田生態(tài)技術(shù)必將大利歸農(nóng)、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(nóng)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(qū)玉米小麥連作地，可于7月中下旬在玉米行間播種老農(nóng)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(jī)械切碎后翻壓入土。

（4）黃淮區(qū)棉田，可于當(dāng)年處暑前后在棉花行間插種老農(nóng)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(jī)械切碎、翻壓入土、澆水覆蓋。

（5）南方菜地、北部馬鈴薯產(chǎn)區(qū)亦可以間、套、偷種。全國各地開發(fā)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(chǎn)品供城郊集約化菜地農(nóng)圃使用。

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

[2]劉丹.第二屆國際生物熏蒸學(xué)術(shù)討論會在美國召開[J].中國油料作物學(xué)報(bào),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(jié)構(gòu)[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué),1983(3):21.