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作物次生代谢运转的充分条件

必需营养元素和有益元素是作物生长特别是次生代谢运转的充分条件，生态农业的技术关键就是要开启和运转作物的次生代谢。如何实现这一目标呢？下面进行分述。

1. 作物从空气中获得的碳只能满足1/5的需要

事实上碳在作物体内约占45%，光合作用所需的最佳植物冠层（植物群落顶层空间的组成）空气的CO 2 浓度为0.1%，而一般白天植物冠层的二氧化碳（CO 2 ）浓度为0.03%，远远达不到作物需要量，作物靠天补碳方式仅能满足作物大约五分之一的需要量。大气中的CO 2 是植物光合作用的原料，植物叶绿体通过光合作用吸收太阳能，实现对CO 2 的固定和对水（H 2 O）的光解；植物是地球上能将太阳能变为化学能的最主要生物，二氧化碳的固定过程本质上是由多个酶接力进行的一系列酶促反应，植物体经过光合作用固定的碳在酶的参与下形成碳骨架，进一步合成生命体的糖类、蛋白质、氨基酸、酶、激素、信号传递等物质。因此提高光合效率就是在光合作用的暗反应中捕获更多 的CO2 。在生态栽培体系中，我们用中药制剂的植物诱导剂处理种子和作物苗期的灌根，可以有效地提高植物的光合效率。

2. 秸秆（快速降解）还田是给土壤和作物补碳的最佳途径

从自然界已存在的有机废弃物、再经过微生物降解成为小分子态的有机碳。这种有机碳可被植物直接吸收到体内，这一过程也同样需要酶的参与。秸秆快速还田最终转化成有机碳，如葡萄糖、寡糖、氨基酸、维生素、生长素及其衍生物。有机碳能够被作物直接利用无需再消耗光能。

表21.不同作物的草谷比和秸秆养分含量(风干)

土壤中最适合微生物生存的碳氮比是25:1到30:1。以玉米为例其秸秆中含碳46.1%～46.7%，含氮0.69%～0.89%，其碳氮比等于58:1。以一亩地大约产生1500公斤玉米秸秆（干）计算，秸秆中含碳大约696公斤、含氮11.85公斤，还需要另外加入相当于约35公斤的尿素才能完成1500公斤秸秆的分解任务。有益微生物可提供具有活性氮，即铵态氮和降解有机物产生的小分子有机氮，可替代尿素化肥。而使用有固氮能力的微生物菌剂可替代化学氮肥，可以使土壤的碳氮比趋于合理。粉碎后的秸秆，同时补充矿物质和有益微生物菌剂。上述物料经充分混拌后深翻到25～30公分土层，让粉碎的秸秆与土壤充分接触，这样就可以使秸秆在微生物作用下迅速降解，过去秸秆直接还田的量仅能每亩200公斤（干）左右，而现在的技术，在秸秆分解过程中增加矿物质和微生物菌剂，秸秆分解量提高到每亩1000公斤～1500公斤。

3.叶面喷施有机碳是直接给作物供碳的有效途径

作物光合作用所需的二氧化碳可以从土壤和空气中获得，作物需要更多的碳可从土壤吸收碳酸盐和有机碳。叶面补充有机碳也是另一个重要途径，这种多途径补充碳是作物获得高产的基础。

1. 作物对矿物质的需要

作物所必需元素中除碳氢氧氮（占所有必需营养元素总量的97.5%）外都是矿物质元素。作物对矿物质营养素的需要量相差悬殊，但元素之间有着不可替代性，都遵循着一个少量有效、适量最佳、过量有害原则。

2. 均衡的营养是植物能抵抗病虫害的前提

美国著名土壤学专家Don M. Huber于1985年作出这样的结论，“最佳营养状态的植物抗病性最强，越偏离最佳营养状态，植物越容易遭受病害”。当植物体内营养不均衡时，会导致光合作用的产物不能及时转化为纤维素、木质素或蛋白质等害虫不爱吃的形态，碳水化合物含糖高的物质就是害虫的美味佳肴。害虫在啃食作物的同时还传播各种病害。当一些养分低于某一水平时，植物叶片、茎干或者根系容易泄露或散发出多种化合物，其中含有较多的糖和氨基酸，害虫、细菌和真菌等被吸引，从而入侵植物，在植物体中生存、繁殖引起植物的病害。

3. 某些矿物质元素是植物次生代谢关键酶的组成

植物体内的活性蛋白—酶，缺少酶代谢就会停怠、乃至凋亡。植物的很多生理过程需要酶的参与，酶为生命体提供能量，制造新细胞，修复老化细胞。

表23. 植物细胞酶的合成都离不开金属离子

4. 土壤中矿物质不足导致农产品只收获形态物质

过去几十年我国土壤中投入过量高浓度的氮、磷、钾化肥，高浓度的速效肥料施入到土壤中，其与土壤颗粒的结合是瞬间完成的，多余的养分溶解在土壤水溶液中，被作物根系奢嗜吸收，收获的农作物也协同带走了所需的其他营养，致使土壤中碳和矿物质（除磷钾元素外）的耗竭，农产品中只收获了形态物质，而其本身应该具有的对人类健康有益的矿物质、维生素、风味物质和抗氧化物质却在减少和消失。磷在植株体内的过量引起的问题比较复杂，作物体内磷以无机和有机化合物两种形态存在；淀粉在植物体内运移过程中也是磷从无机磷变有机磷过程；汤佩松理论：“代谢控制、控制代谢”，作物体内无机磷多会产生负反馈，使淀粉再分解后而阻碍其合成（见图31），最终在植物储藏器官中就会有植素（植素是磷脂类化合物）、淀粉还有磷酸葡萄糖和磷酸的混合物，造成果实不耐贮存，且易感病。当体内无机磷过多时，磷就与金属元素结合成为难溶性磷酸盐，诱发植物缺铁、锰、锌、镁症；引起对钾、钙、铜的拮抗，使作物体内多种营养元素处于隐性饥饿状态。微量元素不足，致使植物的次生代谢不能运转，产生不了抗性物质。因此，土壤中矿物质不足导致农产品只收获形态物质，品质和风味物质均下降。

5. 营养失衡影响果实着色

栽培中若没注意促进植物次生代谢运转，最终影响到果实的着色，次生代谢产物不足其类胡萝卜素、黄酮类，如花青素、花色苷的产生不足，会使其果实缺乏色泽。

6. 生态农业需要怎样的矿物质高效材料

矿物质高效材料环境矿物材料是指由矿物及其加工产物组成的与生态环境有良好协调关系， 并有防治污染和修复环境功能的一类矿物材料。例 土壤调理剂是按照土壤和作物所需来进行原材料配伍的产品，从选料到加工成为成品其生产工艺都很严苛，给作物全面的矿物质营养，矿物质广泛参与植物的新陈代谢特别是次生代谢过程：镁、氮、磷和铁元素是叶绿素的组成，氯、锰、锌、铜、钼元素参与或促进光合作用；钙、镁、硫元素参与植物的次生代谢的开启；铜、铁、锰、锌金属元素是植物抗自由基攻击的第一道防线、超氧化物歧化酶（SOD）的金属辅基；钙、镁、锰、铁二价阳离子是形成土壤有机无机胶体复合体的搭桥物质。土壤调理剂对化学合成的肥料有替代作用。

三、有益微生物菌的作用

生态农业为开启作物的次生代谢准备了足量的碳和矿物质，这些物质只有在微生物的帮助下，才能为作物所利用，因为微生物是土壤物质流和能量流的推动者。大自然的微生物中还有很多固氮微生物，可以帮助农作物固定空气中的氮。

1. 有益微生物能提高土壤的酶活性

土壤酶是由土壤中动物、植物根系和微生物的细胞分泌物以及残体的分解产生的，是具有高度催化作用的一类蛋白质。土壤酶参与了土壤的发生和发育以及土壤肥力的形成和演化的全过程。

2. 土壤中的强固氮菌对生态农业意义巨大

植物对营养的需求除了碳、氢、氧外，植物对氮的需要量就排在前面了，氮合成植物体内各种蛋白质、核酸、磷脂，是原生质、细胞核、细胞生物膜、酶、激素、维生素和叶绿素的重要组成。没有氮就没有生命。植物体逆境蛋白对植物的抗逆防御起关键作用。

3.高活性有益微生物组合菌的主要功能

①固氮作用 ②抗病抗虫 ③促进植物次生代谢 ④促进团粒结构（图33）

图33 在矿物质和有益微生物菌的共同作用下土壤90天内形成团粒结构

有益微生物可以有效地分解有机物，使之成为植物可利用的形态。使土壤的团粒结构好，渐渐成为各种土壤动物、微生物和植物根系和谐相处的类生命体。

总之，有益微生物是生态农业土壤物质流和能量流的推动者。

《次生代谢在生态农业中的应用/国家星火计划培训丛书》从植物生理学的角度讨论农业生产，主要介绍植物的次生代谢的理论和研究进展，并将其应用在生态农业上。

本书通过将植物次生代谢的科学理论与现代生态农业中农作物优质高效栽培管理的实践相结合，以期解决目前农作物生产中与“面源污染”和农产品“品质与安全”相关的一些问题，不失为非常有益的探索。希望本书在进行生态农业、推动农业绿色发展的工作中发挥积极影响和作用。

——中国农业大学教授、中国科学院院士、中国植物学会理事长 武维华著序言

• 《次生代谢在生态农业中的应用》
• 出版社：中国农业大学出版社