滿江紅生態(tài)農(nóng)業(yè)應用的潛力分析

滿江紅生態(tài)農(nóng)業(yè)應用的潛力分析

2006年6月，《美國著名雜志》（自然資源）發(fā)表了brikhuis等人關于“北冰洋原始水化合作用”的文章。該文對從地質(zhì)學、古生物學、古地理學及考古學等方面進行研究表明,5500萬～4500萬年前北冰洋地區(qū)大量水蒸氣的沉降作用是由于地球的溫室氣候條件引起的;進而分析了北冰洋古三世[新生代(CenozoicEra)第三紀(Tertiary)所包括的三個地質(zhì)年代,即始新世(Eocene)、中新世(Miocene)和上新世(Pliocene)]沉淀物的巖芯鉆探標本,結果表明,從始新世中期開始(5000萬年前),自由浮生的蕨類植物滿江紅在北冰洋中大量生長與繁衍。相關研究和報道表明,在此期間的80萬年里北冰洋表面水是淡的或微咸的,因為該時期形成了非常豐富的滿江紅及其伴生淡水有機體和含硅微生物化石。在所有北歐海洋底部的古三世中期海相沉積物是以滿江紅為特征的,其范圍到達北海的南部。北冰洋滿江紅時期的終止與弗拉姆海峽的打開、臨近海洋鹽水傾入等影響有關。滿江紅在北極僅繁衍、生殖了80萬年,與北冰洋演化的歷史相比就像是曇花一現(xiàn)的瞬間,但它已經(jīng)對北極溫度的降低做出了巨大貢獻。因為滿江紅吸收了大量的二氧化碳,加速了該時期的地球從“溫室效應”向“冰室效應”轉(zhuǎn)變的過程。這就是國內(nèi)外眾多網(wǎng)站所報道的“AzollaEvent”,即“滿江紅事件”。該事件表明,這種浮生于淡水表面的蕨類植物在適合的生態(tài)條件下能快速和無限制的繁殖,固定二氧化碳,提升氧氣濃度,改善地球生態(tài)環(huán)境。滿江紅(azolla)也稱紅萍或綠萍,屬槐葉萍目,滿江紅科,滿江紅屬。它是一種起源于晚白堊紀之前(約5800萬年前)的古老水生蕨類植物,其進化完美度較高,因此能繁衍至今。在其漫長的進化過程中接納了魚腥藻(Anabeanaazollae),并形成了世代相傳、同步發(fā)育的共生關系。蕨類為體內(nèi)魚腥藻提供碳水化合物,魚腥藻固定空氣中的氮素以HN3的形式排泄到葉腔中,通過腺毛將其輸送到蕨體,蕨體中的谷氨酰胺合成酶將魚腥藻固定的HN3轉(zhuǎn)化為有機態(tài)氮,進而合成氨基酸和蛋白質(zhì)。從生物學意義方面而言,它是水生生態(tài)環(huán)境中的“1+1>2”的植物-微生物互惠共生體。它能在貧瘠的水生環(huán)境中迅速生長繁殖。在適宜環(huán)境下,其倍殖時間為3～4d。中國及東南亞國家的農(nóng)民首先利用了滿江紅的豐富養(yǎng)分和適應水田生態(tài)環(huán)境等特性,將其作為水稻生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)綠肥作物加以利用。“滿江紅事件”的報道與近期的研究啟發(fā)研究者應用滿江紅這一古老物種為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)特別是生態(tài)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務。滿江紅在未來生態(tài)農(nóng)業(yè)方面的應用至少有如下幾個方面。1作為優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)商1.1滿江紅在有機稻米生產(chǎn)中的應用眾所周知,我國早在幾百年前就已經(jīng)把滿江紅作為水稻生產(chǎn)的主要稻田綠肥品種。隨著人類物質(zhì)生活水平的提高和食物安全性意識的不斷加強,有機食品的需求必將愈來愈高。而該類食品的生產(chǎn)必須仰賴其生產(chǎn)環(huán)境和所使用的生產(chǎn)原料的無害化。滿江紅是天然的生物氮肥廠,它由魚腥藻體內(nèi)的固氮酶從大氣中合成有機態(tài)氮,這種生物固氮的過程既節(jié)約能源,又不污染環(huán)境;劉中柱等研究表明,滿江紅可以從水田灌溉水中富集水稻植株不能直接利用的微量鉀,返還稻田后能被水稻利用,使其成為有機稻米生產(chǎn)的天然優(yōu)質(zhì)氮、鉀肥源。20世紀80年代以來,有機稻米生產(chǎn)國已經(jīng)開始重視滿江紅的應用。1993年由日本岡山縣農(nóng)民古野隆雄發(fā)明的“稻-鴨耕作制”引入滿江紅后成為日本主要的有機稻米生產(chǎn)體系,稱之為“稻-萍-鴨耕作制”?！暗?鴨”、“稻-萍-鴨”耕作制不僅推廣到日本,而且也推廣到韓國、越南、菲律賓和其他東南亞國家。在中國江蘇、廣東等經(jīng)濟較發(fā)達地區(qū)的農(nóng)民也已開始接受該耕作制,并對該耕作制進行進一步的改良與推廣。1.2豬、鴨、魚生產(chǎn)我國農(nóng)民在長期的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不僅利用滿江紅作為水稻生產(chǎn)的綠肥,而且還將其應用于禽、畜、魚的生產(chǎn)中。研究表明,滿江紅富含動物飼料的主要營養(yǎng)成分與氨基酸等,如人工培育的回交萍中粗蛋白、粗纖維和蛋氨酸、苯丙氨酸含量分別達到28.29%、7.06%和0.2645%、0.6479%,用其作飼料生產(chǎn)豬、鴨、魚可以提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本。由于滿江紅具有固氮和高光合作用能力,可以進行“潔凈”生產(chǎn)。在克服其高含水量和高木質(zhì)素的弱點后,它可為有機禽、畜、魚產(chǎn)品生產(chǎn)提供廉價而豐富的飼料源。1.3食用菌木質(zhì)素提取液“0.滿江紅在生長過程中可迅速積累巨大的生物量,每公頃水面年產(chǎn)鮮萍量達300t(含水量93%左右)。如果把它用于食用菌生產(chǎn),不但具有蛋白質(zhì)、微量礦物質(zhì)、維生素等營養(yǎng)物質(zhì)豐富的優(yōu)點,而且其木質(zhì)素含量高、個體小、含水量高的弱點也能在食用菌生產(chǎn)中轉(zhuǎn)化為木質(zhì)素轉(zhuǎn)化率高、不須加工粉碎和烘干的優(yōu)點。因此可作為將來有機食用菌生產(chǎn)中實現(xiàn)物質(zhì)循環(huán)利用的一種理想的生產(chǎn)原料。2控制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污染的植物2.1稻田ch4排放特征近年來,以化肥應用為主的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所產(chǎn)生的CO2和CH4對地球溫室效應的影響已備受關注,大氣中的CH4有20%～30%來自稻田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的排放。因此近年來對稻田CH4產(chǎn)生有較多的研究,但尚未找到普遍適用的有效控制方法。唐建陽等在對“稻-萍-魚耕作制”的研究中發(fā)現(xiàn),該耕作制的稻田中CH4的排放量為3.08mg/m3·h,比常規(guī)稻田減少34.6%。2.2滿江紅光合放o2/co檢測除了上述“滿江紅事件”中對滿江紅的CO2固定作用的間接推斷外,陳敏等最近的研究表明,在密閉條件下濕潤養(yǎng)殖的滿江紅,在人工光照7000～9000lux時,試驗第1d,0～6h,艙內(nèi)大氣CO2濃度從0.032%上升至0.603%,由衡算公式得出,滿江紅平均放O2量為0.781g/m2·h,平均固定CO2量為0.766g/m2·h;試驗6～12h,艙內(nèi)CO2濃度從0.603%上升至0.802%,滿江紅光合效率隨之大幅提高,平均放O2量為1.690g/m2·h,平均固定CO2量為1.958g/m2·h。說明在低O2濃度伴隨高CO2濃度環(huán)境下,滿江紅的凈光合放O2量和固定CO2量較正常O2、CO2濃度環(huán)境下的要大。這一特性將有利于將滿江紅應用于未來對溫室氣體,特別是CO2的消除。2.3生物浮游植物20世紀80年代以來,隨著工業(yè)化對環(huán)境副作用效應認識的提高,人們增強了對環(huán)境污染控制方法研究,在消除重金屬污染方面也做了大量的努力。近年來,利用水生浮游植物,如水浮蓮、滿江紅等吸附污染水體的重金屬的報道很多。這種生物修復方法(bioremediation)既節(jié)約成本,又有很高的效率。由于滿江紅具有生物固氮能力和在貧瘠的水體中富集痕量金屬離子的能力,因此,在稻田中放養(yǎng)滿江紅,可以對受過度施用化肥、農(nóng)藥而產(chǎn)生的重金屬污染起降污作用。在富營養(yǎng)化的水體環(huán)境條件下,只要水體復合態(tài)氮濃度不超過1mmol/L,滿江紅都能生長繁殖,進而吸附固定周圍水體中的重金屬離子。3密閉生活小區(qū)1993年美國生物圈出版社發(fā)行了名為《在玻璃墻里的生活:在生物圈二號里的故事(LifeUnderGlasses:TheInsideStoryofBiosphere2)》的出版物。生物圈二號是美國科學家為人類移居地外星球而進行的先期研究。它模擬地外星球的惡劣環(huán)境,在地面建設與外界完全隔絕的密閉生活小區(qū),從而建立一個適合人類生存的生態(tài)系統(tǒng)(即密閉生態(tài)生命保障系統(tǒng),英文簡稱CELSS)。該生態(tài)系統(tǒng)僅從外界獲取陽光,其他物質(zhì)(水、空氣、食物和生活廢棄物等)完全依靠CELSS內(nèi)部循環(huán)。該實驗在美國的亞里桑那州的沙漠里進行,由8個研究人員在2hm2密閉玻璃溫室內(nèi)生活了22個月。在眾多的參試先鋒植物里,水生蕨類植物滿江紅也名列其中。近年來國外對滿江紅用作太空開發(fā)的先鋒作物的潛力開始進行探索。在我國,劉嘯峰等對滿江紅應用于CELSS的可行性進行了深入的研究。結果表明,滿江紅的生長特性適合于在CELSS中的應用。其主要優(yōu)點在于:①生長迅速,倍殖天數(shù)為3～5d,可以疊層養(yǎng)殖,占用空間較小。②可以進行濕養(yǎng),不須過量水分。③具有非常強的放O2和固定CO2能力。④可用于人類尿液回收、再利用的生物部件。⑤可加工成涼拌菜、餃子餡等人類直接食用的食品,也可喂養(yǎng)螺、蚯蚓、魚等,參與太空環(huán)境下的食物鏈循環(huán)。4滿族江紅對當前應用的簡要研究4.1滿江紅在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中存在的問題盡管滿江紅在水田生態(tài)系統(tǒng)中有諸多的應用優(yōu)勢,但是由于多種原因,近年來它在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用卻減少了。主要表現(xiàn)在我國傳統(tǒng)的滿江紅種植利用的省份如浙江、福建和廣東的滿江紅栽培面積大幅縮減。目前我國南方仍有部分畜禽魚養(yǎng)殖場栽培滿江紅作為飼料利用。滿江紅在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上大規(guī)模養(yǎng)殖是在江蘇鎮(zhèn)江、江西和湖南等地,生產(chǎn)者把滿江紅推廣應用到“稻-鴨耕作制”中(即“稻-萍-鴨耕作制”)。滿江紅在我國當前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的栽培應用受到了限制,與其自身的生物學缺陷有一定關系。首先,滿江紅在大田環(huán)境中的抗逆境能力不強。由于其在生長中對溫度、濕度和光照條件要求較嚴格,而自然界適合滿江紅繁衍的地域有限、季節(jié)短暫,因此它在世界的分布地域較窄,周年繁衍困難,并存在所謂“越夏”、“越冬”、“爛萍”、“黑腐病”等在實際栽培應用中的問題。其次,滿江紅耐低光能力較差。滿江紅在8000～12000lux光強下生長旺盛。在8000lux以下生長速率逐步下降。雖然滿江紅光補償點在550～700lux,但是在低于3000lux的弱光環(huán)境下不能長期生存。水稻“封行”后稻叢下的光強在2000lux以下,滿江紅生理代謝下降會導致抗病蟲能力急劇下降。目前最耐低光強的品種是卡州滿江紅(A.caroliniana),它比其他滿江紅品種具有更強的多酚氧化酶活性,但它在3200lux光強下的生長速率也明顯下降。養(yǎng)殖利用滿江紅的可利用時間短、花工大。在天然條件下,每年3月初～5月中下旬以及9月下旬～11月中旬這兩段時間(只占全年1/4左右),滿江紅在南方大田中生長迅速,但它在盛夏和嚴冬的自然環(huán)境中生存困難。另外,滿江紅收獲、擴繁、晾曬和運輸?shù)裙ぷ髁枯^大,對滿江紅的種養(yǎng)和利用造成影響。再者,滿江紅的保種繁種較困難。滿江紅在旺盛生長情況下,無法產(chǎn)生它們的“種子”——孢子果。許多滿江紅品種幾乎無法在人工控制條件下結孢。目前生產(chǎn)上主要利用滿江紅的無性繁殖系(萍體)進行保種,要經(jīng)過“越夏”、“越冬”考驗,因此養(yǎng)殖、利用時間短于保種時間,生產(chǎn)應用困難。4.2重視對滿江紅的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及繁育技術研究要發(fā)揮滿江紅在未來生態(tài)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用,應加強以下幾方面的研究:首先,對滿江紅應用潛力的探索。盡管滿江紅在未來農(nóng)業(yè)應用上有很多優(yōu)勢,但從目前的情況來說,它畢竟不是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的“主力軍”。要從生態(tài)農(nóng)業(yè)、有機農(nóng)業(yè)和循環(huán)農(nóng)業(yè)角度探討滿江紅參與未來生態(tài)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的潛力,特別要研究滿江紅在節(jié)約能源、保護生態(tài)和作為有機肥源方面的理論與實用技術,使這一古老物種能在未來農(nóng)業(yè)中占據(jù)一席地位。其次,利用轉(zhuǎn)基因技術加強滿江紅生物學優(yōu)勢。在農(nóng)業(yè)育種方面,外源抗蟲基因轉(zhuǎn)移與表達已在棉花、水稻、煙草等植物中應用。耐低光基因在苔蘚、原始森林底棲植物、深海藻類中普遍存在。如能有效導入這類基因,滿江紅將成為“野性”較強的作物。已有文章指出,導入谷氨酰胺合成酶基因可以增加滿江紅魚腥藻固定的氨向有機態(tài)氮轉(zhuǎn)化的速率,從而提高滿江紅的蛋白質(zhì)含量。再次,加強對滿江紅孢子果生產(chǎn)及繁育技術的研究。目前,在自然條件下大部分滿江紅品種可觀察到孢子果的產(chǎn)生,但不能進行人工控制條件下結孢。國內(nèi)已進行過用滿江紅孢子果育苗的研究,但用于生產(chǎn)實際仍需要時日。這個問題的解決可以對滿江紅在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應用產(chǎn)生“革命性”的突破。在自然氣候條件下,滿江紅孢子果的生成在春-夏和秋-冬交替時節(jié),如何模擬這種氣候,進行人工催生滿江紅孢子果是今后研究的一個方向。目前滿江紅可以在以下三個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面進行應用:①應用滿江紅作為無公害作物、綠色食品原料作物的有機肥源。滿江紅在我國傳統(tǒng)有機農(nóng)業(yè)生產(chǎn),特別是水田作物生產(chǎn)中占有較重要的地位。因此,在有機稻米、無公害蔬菜生產(chǎn)區(qū)提倡套種或輪種滿江紅植物作為有機肥源。我國南方氣候與農(nóng)田生態(tài)環(huán)境十分適應滿江紅的應用,各地也有豐富的應用經(jīng)驗。②應用滿江紅作為禽畜魚的飼、餌料作物。利用紅萍在水生環(huán)境繁殖速度快,且含氮、鉀、礦物質(zhì)豐富的優(yōu)點,發(fā)展能在水田、池塘(或周邊)養(yǎng)殖的動物,如魚、鴨、鵝、豬和兔等。注意開發(fā)原地利用紅萍青飼料的技術,避免或簡化加工、運輸和貯藏環(huán)節(jié),以免提高紅萍利用的成本。③