紫云英作为一类作物, 品种资源问题首当其冲。我国紫云英品种较为丰富, 优良地方品种主要有宁波大桥种、平湖大叶种、茜墩种、乐平种、余江大叶种和信阳种等。新中国成立以来, 针对优良地方紫云英品种的发掘与提纯复壮和新品种选育工作得到长足发展。20世纪80年代, 依托全国绿肥试验网不仅通过系统选育、品种间杂交和辐射育种等方法分别选育出闽紫1号~3号、湘肥1号和2号、萍宁3号和萍宁72等一系列性状优良的二倍体型紫云英品种, 而且还通过人工诱变的方法, 选育出适合我国生产实际的四倍体品系紫云英品种^[1]。然而, 自20世纪80年代末以来, 紫云英种质资源的选育与提纯复壮等研究工作几乎处于停滞或半停滞状态, 而当前市场中的紫云英品种陈旧、蜕化且商品性混杂严重, 某些优良地方品种没有得到很好的保护与保存, 有的甚至已经消失, 给大面积推广紫云英造成严重制约。另外, 不同基因型紫云英品种的物候期存在一定差异, 而且同一品种在不同生态区的生长性状、生物量和养分含量等均有所不同^{[9, 10]}。因此, 选择或选育适应现代不同生态区和稻作区栽培管理技术需求的紫云英品种就显得尤为重要^{[6, 10]}。

现代水稻生产的翻耕、移栽等农事季节较传统的生产模式发生很大变化, 原有紫云英品种已经很难适应现代双季稻生产的需求。聂军等^[11]利用系统选育法选育出鲜草产量适中、种子产量和鲜草养分含量高、抗病和抗寒性强等特点的紫云英新品种(湘紫1号~4号)。与湘肥系列(1号~3号)紫云英品种相比, 新选育紫云英品种不仅产量适中, 而且增加了其抗逆能力等, 能适应不同稻作制实际生产需求, 一定程度上缓解了稻区绿肥生产的首要瓶颈问题。刘英等^[12]选育出固氮能力较强、含氮量高、鲜草和种子产量高的紫云英新品种(皖紫1号和2号), 能满足直播早稻或单季稻轻简化种植相关技术需求, 为水稻高产高效、优质清洁生产提供物质基础。针对我国大部分农田土壤缺磷且磷肥当季作物利用率低的特点, 兰忠明等^[13]选育出多个高耐低磷和磷高效利用的紫云英新品种(如, 闽紫7号等), 有效提高土壤磷的生物有效性。

提高种子产量也是紫云英新品种选育工作的最主要目标之一。紫云英种子出口是创收外汇重要的传统农产品。20世纪80-90年代, 我国紫云英种子相继出口日本、韩国等地, 最多年份出口量达5× 10⁶ kg, 是种子行业出口最稳定且持续时间最长的外贸项目。豫南稻区是我国重要的国家级紫云英种子生产基地, 每年除可大量供应南方稻区紫云英种子外, 还能出口数量可观的种子至海外。然而, 由于绿肥品种资源长期缺乏有效保护, 紫云英种性蜕化明显且商品性混杂严重, 极大影响紫云英种子出口业务。刘春增等^[14]利用自然杂交、自然突变等技术手段进行多年选育出鲜草和种子产量高、品质优且抗病虫害和抗逆性(抗寒、抗旱等)强等特点的紫云英新品种(信紫1号), 对满足国内外紫云英种子需求具有重要意义。

此外, 我国绿肥工作者除了开展传统意义上(肥用型)紫云英品种的选育工作外, 还开拓性地选育出具有较高菜用价值等高附加值的紫云英品种。众所周知, 紫云英是国际公认的富硒作物, 富含植物蛋白和各种矿物质元素与维生素, 除可作为绿肥为下季水稻作物提供养分外, 其二次开发富硒农产品(如, 大米、猪肉, 等)和作为新鲜蔬菜的价值也非常高, 可有效提升紫云英的综合利用价值, 激发农民种植紫云英的积极性, 更有利于恢复发展和推广稻区紫云英生产。汪德尚等^[15]研究表明舒丰富硒紫云英8号的富硒能力是当地主栽品种的80倍; 而兰忠明等^[16]研究则表明, 闽紫7号鲜草产量高, 嫩茎叶中总糖含量较高, 硒、铁、钙、蛋白质和维生素C等含量远高于其他叶类蔬菜, 具备很高的菜用价值, 可为种植户带来可观的直接经济效益。

传统的紫云英品种资源鉴定主要包括开花期、生物学产量、植株养分、抗性、生长发育期的有效积温、主要数量性状(如, 株高、茎粗、分枝数等)和品种评述等方面。然而, 紫云英属异花受粉植物且异交率较高, 以其生长特性与种子形态特征很难准确鉴别其品种基因型及其亲缘关系。化学计量法可用于分析不同生态系统植物C:N:P化学计量特征的差异以及植物叶片N、P化学计量学特征的季节变化和不同器官之间计量特征的关联性。林新坚等^[17]利用化学计量学法探讨不同紫云英种子的差异性与不同熟期紫云英品种相关性的结果表明, 紫云英种子的千粒重、面积与外观形状特征不易区别不同基因型的品种, 但可作为个体区别于其他品种的参考指标, 而其C/N和 C/P值则可以作为早、晚熟品种的参考指标。另外, 分子标记技术是以生物大分子的多态性为基础的一种遗传标记, 广泛应用于多种经济作物遗传多样性分析、系统进化与亲缘关系等方面的研究。然而, 由于紫云英遗传背景复杂性, 且已知基因组数据还十分有限, 国内外利用分子标记技术鉴别紫云英品种的研究鲜见报道^[18]。陈坚等^[19]利用微卫星序列(simple sequence repeat, SSR)分子标记技术对9个紫云英品种进行鉴定的结果表明, 福建省农业科学院土壤肥料研究所近年新挖掘的紫云英品种8410441产量高, 但其来源不详, 而宁波大桥种和余江大叶种的基因型最为接近。另外, 异花和常异花授粉植物群体内遗传多样性丰富且个体间差异较大, 利用分子标记对其进行品种水平鉴定研究时, 在确保鉴别效果的前提下, 适宜的取样量不仅能降低分析成本, 还能提高性价比^[20]。

20世纪40年代, 陈华葵院士首次在紫云英根瘤中分离的根瘤菌属于紫云英根瘤菌族, 且具有高度的宿主专一性, 其与紫云英根系形成的共生固氮体系是我国特有的优势共生固氮资源^[21]。根瘤菌并不是土壤的常住微生物区系, 种植紫云英的关键取决于接种有效根瘤菌, 尤其是初次种植紫云英的土壤, 接种成功的关键则在于根瘤菌的结瘤能力, 而且即便是多年种植紫云英的地区接种优良菌株也能增加地上部鲜草产量和质量。可见, 紫云英根瘤菌高效固氮菌株的选育及发酵产品的保存, 是紫云英根瘤菌剂发挥功效和恢复发展稻区紫云英绿肥作物生产的关键。

人工选育根瘤菌的固氮能力高于野生根瘤菌。目前常用的菌株选育方法主要有自然选育、杂交选育、诱变选育、原生质体融合选育和基因工程选育等。自然界是一个庞大的天然菌种资源库, 故而自然选育法是菌种选育的首选方法。紫云英-根瘤菌共生固氮体系的总固氮量是评价根瘤菌菌剂对紫云英品种促生效果的一个重要指标, 而且其与根瘤数量和鲜重之间互呈正相关关系^[22]。杜迎辉等^[23]从复种紫云英的土壤中分离得到结瘤能力强、固氮性能强的紫云英根瘤菌, 能显著提高紫云英鲜草产量和植株含氮量。然而, 根瘤菌的固氮能力不仅取决于其菌种质量, 土壤条件和栽培措施也是主要影响因素。研究表明, 在接种根瘤菌时, 磷、钾肥作为种肥和苗肥以及施用硼、锌与钼肥等微量元素肥料均有利于紫云英根瘤的形成和根瘤数量的增加^{[24, 25]}, 进而提高共生体系的总固氮量。

人工接种的根瘤菌剂与土著根瘤菌间存在竞争, 往往不能达到预期的接种效果, 阻碍固氮菌株发挥其应有的作用, 而且若根瘤菌与紫云英品种之间的匹配性不好, 即使是高效根瘤菌也不能充分发挥其应有的共生固氮性能^[26]。因此, 在紫云英绿肥的培育过程中, 接种与品种相匹配的根瘤菌非常重要。目前, 根瘤菌与目标豆科植物匹配性能的研究主要采用水培法和琼脂试管培养法。管凤贞等^[27]采用这两种方法分别对从不同地域紫云英根瘤中分离出的固氮菌株进行分析表明, 根瘤菌与紫云英共生存在广谱性和多样性, 而且根瘤菌的有效性受到很多环境因素的影响。事实上, 在根瘤菌-宿主植物共生体系中, 菌植双方大量基因参与了早期调控根瘤菌侵染、侵入线形成和根瘤形成以及晚期的类菌体分化、根瘤固氮和衰老等共生固氮全过程, 需要形成不同应答机制来感受外界环境信号的变化, 以便形成良好的共生固氮体系^{[28, 29]}。

我国种植紫云英的历史悠久。宋代以前, 种植紫云英多用作为蔬菜、药用、养蜂和观赏等, 而自明清代以来, 老百姓广泛种植紫云英并将其作为稻田绿肥利用, 而且种植经验已经很丰富。从紫云英种植面积的时间演变历程来看, 主要经历缓慢发展期(新中国成立以前至20世纪50年代中期)、快速发展和稳定生产期(20世纪50年代中期至80年代末期)、停滞半停滞期(20世纪90年代初至2007年)和恢复发展期(2008年至今)。在很长一段时期内, 全国紫云英种植面积均超过500万hm², 最高峰甚至达到708.5万hm²(1975年), 随着化肥用量激增, 紫云英种植面积急剧下降。但随着国家、社会越来越关注生态环境和农产品质量安全, 紫云英等绿肥作物生产重新进入大众视野, 至此迎来了新的发展机遇。

外界逆境环境条件会抑制紫云英生长, 甚至导致其死亡。植株在逆境胁迫环境下不仅会累积大量活性氧和丙二醛(malondialdehyde, MDA)等有害物质, 还破坏光合系统中电子传递链而降低植株光合速率。干旱和淹水条件下, 紫云英植株叶片中MDA含量和最小荧光产量(minimal fluorescence, F_o)上升, 最大荧光产量(maximal fluorescence, F_m)和可变荧光产量(variable fluorescence, F_v)等均下降, 显著降低植株生物量和养分累积量, 紫云英幼苗生长受阻^[40]。光照强度影响植株株高、叶面积、茎粗等农艺性状指标以及地上部生物量和养分吸收累积量^[53]。研究表明, 遮阴提高了紫云英种子出苗率, 但增加了幼苗死亡率; 在生长前期, 紫云英株高随遮阴度的增加而增加, 却降低了其单株复叶数、表观叶面积和叶绿素含量^[54]。

丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrihizal fungi, AMF)广泛存在于包括盐渍化和重金属污染土壤在内的各类自然土壤中, 而且能与大部分陆生植物形成互惠共生体, 促进宿主植物对养分和水分的吸收及其生长发育, 增强其对逆境环境的抗性。接种AMF显著提高紫云英植株耐受盐胁迫的能力, 尤其是接种根内球囊霉(Glomus intraradices)显著增加植株对P、K的吸收累积量, 并将Na⁺限制于根部而减少盐基离子对地上部的伤害, 不同类型的AMF之间具有一定协同效应, 混合接种AMF能增强植株对盐浓度的耐受能力, 有利于其在盐渍化土壤中的生长^{[55, 56]}。土壤中过量的As能抑制作物根系活动并阻碍其对水分和养分的吸收, 对植株生长发育产生胁迫作用。接种AMF不仅显著提高紫云英植株中P含量和根系分泌物中草酸含量并降低As含量, 而且还可将植株吸收的大部分Cd、Cu²⁺和Zn²⁺等固定于根部并抑制其向地上部转运, 从而有利于缓解重金属对紫云英的胁迫作用及其生长^{[57, 58, 59, 60]}。

在铜、锌、铅等重金属混合污染条件下, 紫云英植株体内叶绿体、线粒体、细胞核等细胞器的超微结构被破坏, 抑制其根系、地上部和根瘤生长^[61]。然而, 在铜污染土壤中施用钙肥可抑制紫云英根对铜的吸收并促进其向茎中转运, 缓解由于过量铜所引起的叶片膜脂过氧化作用, 进而促进紫云英植株生长, 增加其生物量^[62]; 而抗重金属微生物通过将根际土壤中可吸收态铜转化为铁锰氧化物结合态铜, 而有效降低土壤溶液中可被植株吸收的铜含量, 最终降低铜对植物的毒害作用并促进紫云英生长发育^[63]。在铜尾矿土壤中加入乙二胺四乙酸(ethylene diamine tetraacetic acid, EDTA)、醋酸和柠檬酸降低紫云英植株对铜的吸收, 有效阻止了铜对植株的毒害, 而且柠檬酸还可降低植株细胞膜透性, 促进其生长发育和对铜的抗性^[64]。另外, 镉污染胁迫增加紫云英幼苗中MDA含量而抑制其生长并降低叶绿素含量, 但一定浓度的EDTA通过调控植株体内抗氧化系统来缓解镉对紫云英幼苗的毒害作用^[65]。

另外, 除草剂是我国农业生产中使用量最大的化学农药, 对粮食安全具有重要作用。然而, 除草剂施入土壤后, 除少部分或进入生物体或因挥发进入大气外, 大部分进入到土壤后被土壤颗粒吸附而残留于土壤中, 可能对非目标生物的生长发育带来不利影响^[66]。研究表明, 残留稻田除草剂通过改变土壤微生物区系组成和酶活性等生物学性状, 降低土壤中P、K等养分的生物有效性, 进而影响紫云英植株对土壤养分的吸收利用及其干物质累积^{[67, 68]}。

农田冬季覆盖作物是生态农业的重要组成部分, 可增加冬季稻田绿色作物覆盖度而减少土壤地表裸露, 增加单位面积生物量和土壤碳、氮累积量, 降低土壤硝态氮含量而抑制其淋溶风险^[46], 从而有利于粮食作物可持续生产与安全。另外, 稻田冬季种植紫云英不仅可调节稻田土壤pH, 一定程度上缓解酸性稻田土壤的酸化效应或降低碱性土壤的pH, 还可显著提高酸性稻田土壤中氨氧化细菌与古菌丰度以及产甲烷细菌、甲烷氧化细菌、硝化和反硝化细菌数量, 提高土壤的硝化强度和硝化势以及CH₄和N₂O的排放量^{[69, 70]}。

土壤中活性碳氮(如微生物量碳氮和可溶性有机碳氮等)含量及其形态变化是评价土壤肥力与质量早期变化的有效指标, 与土壤养分供给及植物有效性关系密切^[71]。冬季种植紫云英等绿肥作物可有效增加稻田土壤微生物生物量碳、氮和可溶性有机碳、氮含量, 促进土壤有机碳、氮的矿化速率, 从而有利于满足水稻生长期间对养分的需求^[72]; 而适量紫云英与氮、磷肥合理配施也可有效改善早稻生长环境, 提高植株生育期内的光能利用率及其对光合作用的反馈调节作用, 从而获得水稻高产^[73]。

一般而言, 冬季覆盖作物都有庞大的根系系统, 在水稻等主作物收获后种植紫云英作为冬季覆盖作物, 其大量根系残留及地上部鲜草还田, 可改善农田生态环境, 促进水稻植株生长发育, 从而可能改善稻米品质。研究表明, 冬季种植紫云英不仅提升水稻根系清除活性氧的能力, 一定程度上缓解了膜脂过氧化对根系的伤害作用, 延缓早稻生育后期根系衰老并增加根表面积和根系数量, 增加晚稻根系数量和根长, 促进水稻根系对土壤水分和养分的吸收与运输^[74]; 而且可降低土壤中Cd、As与Hg等重金属含量和糙米中Cd与Pb含量, 增加稻米出糙率、整精米率、胶稠度和直链淀粉含量, 却降低垩白米率和垩白大小, 从而有利于植株地上部生长发育及提高水稻产量和改善稻米品质^[75]。

随着社会对生态和农产品的质量安全越来越关注, 紫云英等绿肥作物又获得了全新发展机遇。近几年来, 紫云英绿肥作物生产取得了长足发展, 不仅有效遏制了种植面积下滑的势头, 而且挽救和选育了一批优良的紫云英品种, 还在紫云英与不同水稻生产模式配套的种植技术及其抗逆性等方面取得丰硕成果。笔者认为今后仍然需要深入开展以下研究:

1)应根据不同生态区和稻作制等生产实际需求, 利用分子生物学技术等现代先进手段选育鲜草产量和养分累积量高的优良品种, 并筛选与之匹配的价格低廉且适合大规模工业化生产的高固氮根瘤菌菌株(剂), 扩大种子繁育基地, 为大面积恢复发展和推广紫云英种植提供种质资源保障; 继续加强对地方优良品种的保护与保存, 并对其提纯复壮; 广泛收集性状优良的野生绿肥品种, 扩大紫云英种质资源库, 并对其进行品性鉴定和性状改良; 我国耕地中大部分为中低产田, 其中低产田面积占41.2%, 尤其是分布在南方山区谷地、丘陵低洼地和平原湖沼低洼地等区域的冷浸田, 其增产潜力大。因此, 选育具有耐渍水、抗寒(冷)性强等特点的优良紫云英品种以及与之匹配的根瘤菌菌剂, 对改良冷浸田和提升其生产能力, 促进农村经济发展、农业增效、农民增收和保障粮食安全有重要的现实意义。

2)在“ 紫云英-双季稻” 种植体系中, 紫云英一般是在晚稻收获前15~20 d稻底套播。但此时水稻植株株高叶茂, 不能进行机械化播种, 需要额外增加大量劳动力且劳动强度大、播种难度大且均匀度低, 容易导致叶间搁籽等而造成种子浪费, 对水稻产量也会产生一定的不利影响。因此, 有必要开展将紫云英播种与水稻施肥等相关技术体系的可行性研究, 为降低劳动力成本投入, 实现紫云英轻简化种植提供技术支撑。另外, 水稻集约化和机械化生产条件下的紫云英高产栽培技术也需要进一步系统研究。

3)稻田长期大量滥用农业化学品, 破坏了土壤物理、化学和生物学性状而出现酸化板结, 保水保肥能力下降, 严重阻碍了紫云英植株生长发育。因此, 有必要深入开展关于紫云英生长发育障碍因子的基础研究, 为紫云英高产栽培提供理论依据。

4)紫云英蜂蜜是重要的出口农产品, 紫云英作物是优质的蜜源植物和饲草原料。此外, 紫云英的药用、菜用和休闲游憩等社会、经济和生态价值也非常高, 尤其是开发富硒产品可显著提升其经济效益。因此, 加强紫云英相关产业链的开发研究, 增加种植紫云英的直接经济效益等综合利用价值是有效提升农民积极性的最有效途径。