论坛撷萃 | 梁鸣早：不用化肥、农药、除草剂和激素的四位一体高产优质栽培技术在生态农业上的应用

中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 副研究员

梁鸣早：大家好，我去年受石嫣的邀请参加了第九届CSA大会，我的发言得到新农人的欢迎，在这一年里我跟很多年轻人进行了交流，大家的学习热情令人感动。今年我又一次受邀参加第十届CSA大会，在这个大家庭里我看到了中国农业的希望。

我今天的发言题目：不用化肥、农药、除草剂和激素的四位一体高产优质栽培技术在生态农业上的应用。

首先要讲的话题是，我国农业在2018年遭遇到多种异常天气的干扰，多地出现春季低温、夏季持续高温等气候事件，已给农作物带来了经济损失，据统计，冬小麦的损失占三分之一，果树的损失占四分之一，这个比例从全国角度来看那相当大啊，我国的化学农业遇到了最大的挑战。专家估计，从现在起到本世纪末，全球由于气候变化所引起的异常气候事件将会增加，到什么程度？将会有300次之多，也就意味着，对于农业来讲，未来几十年，风调雨顺的年会变得稀缺了，灾害性天气会变得多起来，因此如何对待日益常态化的异常天气，是我们每一个农业工作者所面对的重要课题。

我们也有很多感触，因为梳理中我们不难发现，2018年应用了四位一体技术的农作物并没有受灾，我这个只举了一个例子，河南长垣县的农民邵友远用了四位一体技术之后，他的冬小麦当地政府出面测产，小麦每亩1126斤这个产量与往年持平，能做到持平很不简单的，因为他周边小麦减产30％到70％，这个很说明问题了。

所以我还是要隆重推荐我们的四位一体技术，这套技术可以帮助农民迅速地从化学农业的困惑中走出来，可以应对异常天气、病、虫、草害，还可以收获高品质的农产品。

说起这项技术不得不提我的刘立新老师，他是北京大学植物生理系的，他首先发现了一个有机种植的新绛模式，2008年他去新绛考察，回来后便跟我们讲，他发现了他这一辈子梦寐以求的农业，果实长得漂亮，口感好，蔬菜还卖到香港了。从此之后刘老师带着我们所里的博士还包括我一次次地跑新绛。为此，我们在2013年召开了一个成果鉴定会，是想把这套技术总结出来希望让更多人受益。这个鉴定会是在我们农科院开的，当时请的专家还是比较过硬的，有植物生理学界的权威就武维华院士，还有其他各个领域的专家就不一一说了。这是武院士当初来参加我们会也是很疑惑的，他是从来不参加鉴定会，这么短时间内想让我弄明白你们技术怎么样几乎是不可能的，因为他看到我们递上去的材料发现是农民经验，才决定前来参会。

我们这个成果中有两个重要的完成人，一个是王天喜是地力旺复合菌的发明人，另一个是光立虎是这一技术的践行者。

根据成果鉴定会专家的鉴定结论，这两年我们把这一技术进一步细化，在不使用农药、除草剂、激素、地膜，和高浓度的等比例肥的情况，投入什么呢？就像刚才乔老师讲的，要寻找替代性投入品，也就是说要找引导转型的技术，我们归结为四位一体技术，简要说就是这一张纸，为作物提供足够的碳，就是秸杆是大头秸秆中含有的碳是非常高、农业废弃物、畜禽粪便，这是创造高产的物质基础，再有就是要让有益微生物来推动土壤的物质流和能量流，过去化学农业很忽视微生物的作用，所以土壤中的有益微生物是大量死亡，而劣质微生物在起主要作用。所以使微生物成为推动物质流和能量流的一个主力军，再有一个就是矿物质的投入，这一点过去我们强调氮、磷、钾，这也算矿物质，但是有点偏颇了，因为植物所需要的营养是60多种营养素的协同作用，但是我们现在学界研究清楚了17种植物必需元素，目前的化学农业生产中也没有全面考虑到，只是强调氮、磷、钾作物对土壤中的其他矿物质元素是一个耗竭过程。学界已经研究清楚了，植物所必需的矿物质尽管在量上差距很大，但共同遵循少量有效，适量最佳，过量有害的原则。第四方面是在生产过程中不断要对作物进行胁迫加营养的管理，让植物产生抗性。我下面要解释下什么叫胁迫，最终能获得植物的抗性，风味，胁迫加营养中所谈到的营养在作物生长期间使用氨基酸类的小分子有机物，不建议使用速效肥了。

我下面按照中医的君、臣、佐、使的配伍原则来解释一下四位一体技术。下面的这一张表，是根据科学界所确定的植物必需营养元素，作物形成干物质重量时所需要的量，这个表的计量单位上面一半是用百分比，下面的这一列是用百万分之一的比例作标记的，从这表就可以看出作物对各种营养元素在需要量上差距巨大。

化肥农业之所以引起这么多偏差，没有严格按照作物需要补充。

我这里有一个框架的说法，就是植物生长需要的营养包含无机物和有机物，作物通过光合作用将无机物变成有机物，无机物里包含宏量、大、中和微量元素、有益元素和生命元素，无机物中除碳氢氧氮都是矿物质元素。植物对矿物质营养需要占总需要量的70％到80％。植物还可利用有机物的降解物，像秸杆、畜禽粪便和农业废弃物等，在微生物的作用下都可以生成小分子有机物，还有市场上常见到的氨基酸液肥、腐殖酸、黄腐酸和多肽、多糖类产品，植物直接吸收的小分子有机物占总养分需要量的20%到30%，随着我们生产规模和产量的提高，作物所需要的无机物和有机物的比例也会在变化。

新绛用了这套技术后，农民解决了什么问题呢，我和张博士在采访一个新绛的农民段春龙，他说他的蕃茄9分棚连续六年每年两茬，每茬产量3万斤以上，他的经验告诉我们，此技术可解决我们面临的两大难题，一个是有机种植能高产，另一个是解决了连作障碍。

专家肯定成果中的“秸杆耕层发酵技术”，就是要让秸杆充分的粉碎和微生物菌、矿物质同时撒到地里，旋耕深度达到25公分，让秸杆与土壤和微生物充分接触，让分解的速度加快，这个速度会快到什么程度，像在山西新绛这个地方5到7天后就可以打垄移栽了。

当然我所说的四位一体技术一样也不能少，不能光说我加一点菌就行，矿物质也要加。用同样的理念，我们可以解决什么样的困惑，就是你的有机肥从哪里来，现在市场上的有机肥太乱了，我们有大量的秸杆，大量的农业废弃物，我们可以再添加全元矿物质和有益菌发酵（我这里指的是王天喜的地力旺菌）和一定的中草药残渣，把发酵堆的湿度控制在60%内、温度控制在60℃到65℃，经过三次翻堆，即便到冬天都可以做到20到30天就能发酵成全元多功能生物有机肥，质量非常好。

下一个要素是让有益微生物菌群在土壤中发挥作用，说到这里，我要说一个比较大的话题从国际上来讲，《自然》杂志也发了文章，号召国际微生物组计划，他们意识到了地球的环境中，微生物群落的数量和功能，如果认识清楚就能够解决21世纪人类面临的卫生，能源和农业等重大问题。所以这个问题的提出，也给我们一个启示，我们能不能把我们所有的资源挖掘出来，还有个启示就是2015年和屠呦呦同时获得诺贝尔生理学或医学奖的还有个日本的专家大村智，他获奖就是因为他从土壤中成功获取一株高效链霉菌，他都能获诺奖，那我们成果中的主要完成人王天喜他从土壤中成功获取两个非常好的微生物菌株，一个是高效固氮菌（它的固氮能力是目前国际市场上通用的圆褐固氮菌的三倍多），另一个是高效解钾菌，可以解出土壤的矿物质钾，是不是也能获诺奖了呢？王天喜的胶质芽孢杆菌的解土壤矿物钾的能力很强，我们国家是个盆钾的国家，速效钾矿缺乏，而青海的罗布泊钾肥只能满足我国对速效钾需要量20%，大部分依靠进口。我们现在有了新的办法就是用微生物来解决这个问题，这是多好的事啊，大家针对解钾菌做了一系列个有趣的实验，很能说明问题。

第三个投入物资就是矿物质，你要想获得农产品的抗性，品质和风味，矿物质元素投入是不可或缺的，几十年的化学农业只使用氮磷钾，使得土壤中很多种矿物质处于耗竭状态，植物的代谢需要矿物质，特别是植物次生代谢更需要金属元素的参与，比如说超氧化物歧化酶的金属辅基是铜、铁、锰、锌，没有这些钙、镁、硫中量元素的参与植物的次生代谢就不能开启，而没有微量元素的参与次生代谢就是开启了也是空转。矿物质在作物体内失衡会对作物的抗性、品质和风味产生影响 植物缺乏矿物质就会缺少很多种酶，植物体内缺少酶其抗性、品质风味全无。矿物质微量元素参与植物的酶催化活动，比如，过氧化氢酶和过氧化物酶中都需要铁（Fe2+），固氮酶需要有二价铁（Fe2+）、三价铁（Fe3+）、硫（S2-）、钒（V2+）、钼（Mo3+）；己糖激酶和蛋白激酶需要镁（Mg2+）和锰（Mn2+）；超氧化物歧化酶（SOD）是植物体中重要的活性蛋白酶，其辅基含铜（Cu2+）、铁（Fe2+）、锰（Mn2+）、锌（Zn2+）。

四位一体技术的第四个问题是营养加胁迫，我需要讲个故事，我们农科院的研究员李纯忠在上个世纪的70——90年代，跟踪研究我国名特优农产品的“土宜”问题二十年，他得出一句话结论“凡是出了名的名特优农产品，其品质优良者均产生于土壤和气候条件特殊的环境之中”。跟踪这个名特优农产品的原产地，比如说武夷山的大红袍、乐亭的金丝小枣、在生长在高海拔地区的冬虫夏草、高山雪莲，它们生存的共同特点就是要经历各种各样的胁迫，恶劣土壤环境、有的水分供应困难、有的生长环境中养分难以获得。

刘立新研究员在思考，为什么在正常气候和肥沃的土壤上，很少能生产出营养丰富的名特优农产品呢？怎样才能在良好的土壤中生产出优质农产品呢？怎样让农作物具有防控病虫草害的能力呢？他总结出生产的三要素，第一要有环境胁迫或人造胁迫，第二要有好的品种，第三要有均衡的营养，作物需要的60多种元素你都要考虑。

环境胁迫就是天赐良机，人造胁迫有着四两拨千斤的作用。

让植物能抗病虫草害这个是有理论根据的，100多年前德国科学家科塞尔就总结出来了植物的新陈代谢分为初生代谢和次生代谢。

植物的初生代谢就是生产根、茎、叶、花果、实、种子的形态建成物质，次生代谢是我们的生态农业最终要追求的东西，因为使作物产生能抵抗异常天气，同时可以提高农作物的品质和风味。我们国家的中国科学院的学者李传友对植物的抗逆性也有十几年的研究，他说番茄的智慧不比司马懿差。

自然界的植物都具有对抗一般性的灾害性天气的能力，像2018年的异常天气，我们观察在自然界中的植物似乎并没有受到很重的损失，这是因为大自然中生长的植物在遭受逆境时，会在几分钟之内把这一逆境信号传遍全身，所有细胞都会从初生代谢转入次生代谢。

这里我们总结的一个表，这个表反应出植物的抗性物质以及功能是来自哪一条代谢途径的。还要说明的一点是植物的化感物质和风味物质是来自同一个代谢途径。

次生代谢的开启需要有中量元素硫、钙、镁的参与，这张示意图表示在中量元素的参与下植物次生代谢的开启过程。

植物次生代谢的开启过程示意图

这一过程是这样的：植物体内首先需要积累一种含硫氨基酸，种含硫氨基酸叫做蛋氨酸，当出现环境胁迫和人造胁迫时，蛋氨酸进一步反应生成乙烯，乙烯是一种气体（特点是遇击而增传息而变），乙烯把逆境信号传钙离子，钙离子的功劳可大了，作为第二信使钙离子会把逆境信号传递到植物的所有细胞，这时开始了次生代谢。镁元素的作用更加广泛，镁是叶绿素的核心物质，镁参与光合作物、糖酵解、三羧酸循环的磷酸化过程、酶促反应，还参与对代谢产物的运输。在次生代谢的开启过程钙、镁、硫三种中量元素是必不或缺的，没有中量元素的参与，次生代谢开启不了。

一般来讲植物对钙比磷的需要量还高，是磷的2.5倍，植物对镁的需要量与磷相同，对硫的需要量是磷的0.5倍。我们这么多年化肥种植没强调中量元素钙镁硫的重要作用和补充是一个重大失误。

科学家总结出植物对逆境的四重反应机制：

第一重反应机制产生脯氨酸，甜菜碱和可溶性糖来缓解逆境给细胞带来的生理干旱。

第二重反应机制是产生酶促反应和非酶促反应建立两套抵御自由基攻击的防御系统。

第三重反应机制是产生逆境蛋白，逆境蛋白是指一群具有应激指挥调控能力的功能蛋白。

第四重反应机制建立逆境信号的三重转导与网络交叉应答机制。

在防御反应中植物体的物质代谢、能量转换和代谢调节是在严密精巧的调控下，活细胞内的数万个反应能在同一时间互不干扰、互相配合、有条不紊地进行。

图片引自《植物生物化学与分子生物学》（美）部坎南著 翟礼嘉等译

下面讲一讲植物次生代谢产物在下列领域的重大作用：

1.抗性物质或称化感物质 这些抗性或防御物质，抵御病、虫、草害，如：生物碱、酚类和萜类等。

2.植物内源激素 目前已经搞清楚植物本身能产生九种激素，只要次生代谢打开，植物自己产生激素完全可以不用人工合成激素。

3.渗透物质 抗干旱、寒冷、热害、盐碱、抗灾害性天气物质，脯氨酸、甜菜生物碱、脱落酸、可溶性糖等。

4.品味和风味物质 农产品色泽、品相和延长贮藏期等品质物质。风味物质包括特殊氨基酸等风味物质。

5.逆境蛋白 或称酶 病程相关蛋白、热激蛋白、冷响应蛋白、耐盐相关蛋白等。

6.人类必需营养素 白藜芦醇、花青素、胡萝卜素、超氧化物歧化酶（SOD）、维生素等被列为人类必需营养素。前些年大家在炒功能性的农业概念，什么叫功能性农业呀，只要能用四位一体技术生产出来的农产品一定是有功能性物质的。

用科学语言描述生态农业四位一体技术，或者说是用分子生物学的语言来描述，就是植物的抗逆性有一个共同机制，就是用共同的受体、共同的信号传递途径，传递不同的逆境信号，诱导共同的基因，调节共同的酶和功能蛋白，产生共同的代谢物质，在不同的时空抵御不同的逆境，这就是植物的经济高效抗逆防御体系。所以我们强调在生产过程中要尽早地、不断地打开植物的次生代谢，并使其积累抗性物质，防御系统就建立起来了。

这里举点例子，现在农民都知道，从种子就开始就行早期胁迫的抗逆锻炼，简单的做法就是将种子放冰箱冻或者是放太阳底下晒。现在有更高级的，有了对种子进行零下30℃的微冻冷处理，冷处理出来的高粱种子能长到4米高，高粱杆还能酿出高档酒。

早期胁迫的玉米割苗机械，现在在东北很流行的，可以做到早期胁迫，玉米生长至5-6叶时把玉米苗在从根部起第一个叶片以上全部割掉，抗倒伏、抗旱、根系发达、减少虫害、增产20-30% 。

还有就是那氏778的中草药制剂拌种和叶面喷施，可以抗低温。

再举个例子是生长过程中的胁迫，比如说干旱胁迫，这是北京的一家葡萄园农场，园主很了解胁迫加营养的技术，他在葡萄膨大期做了干旱胁迫处理，处理的葡萄花青素就积累起来了。

再举个例子，用四位一体技术种植的西红柿人家送到我手上时就裂了，我在厨房放了一周，发现它长上了马上就把它拍照下来，就是说植物营养丰富，其自我修复能力就会很高。

另一个例子是山东东营吕国良带给我的20多个西红柿，我一边吃一边放，吃到1个月后，只剩下3个赶紧拍下来，这时离采摘的时间已经过去35天了，尽管它焉了，但是口味并没有改，营养足其中的酚类化合物含量高可以延长农产品的货架期。

下面左边的图片是河北丰宁县的有机蔬菜公司，蔬菜卖到北京30块钱一斤，但他的大棚到处都挂着粘贴板，证明他大棚蔬菜的化感物质没有，次生代谢并没有打开，而右边的图片是北京顺义一家公司，他们的大棚十几年从来不挂粘贴板，他们很注意给作物补充完整的营养，次生代谢打开后产生的吲哚生物碱就能抗蚜虫。

山东农民王站厂在他的棚里发现，大棚的一个角落上底下的叶子出现了西红柿的晚疫病叶，他发现这个病叶自己焉了，用了四位一体技术让植物产生了抗性，当病原菌入侵作物能把病害控制到最低。

目前我国土壤中的根瘤（根结线虫）发生率特别高，但是用了那氏778（或称植物诱导剂），发现根部发育正常了，辽宁营口的农民他只用了两遍那氏778就起到控制根结线虫的作用。

四位一体技术需要四类生产物资：

1）有机物料：秸秆、畜禽粪便、农业废弃物

2）全元矿物质肥，好的土壤调理剂

3）地力旺有益微生物菌剂（底肥和追肥都需要）

4）小分子有机物（叶面肥和根灌肥）其中包含：一个是中草药制剂：那氏植物诱导剂、奥丰中草药、禾正中药肥（复配方案比单方好），另一个是植物源的提取物：氨基酸类肥料、腐殖酸、黄腐酸、多肽、兰迪多邦等产品。

上述物资可以给作物补充全面营养，同时不给环境负面影响。

四位一体技术是向生态农业的转型技术

该技术可以让普通农民在降低成本不减产的前提下收获高质量的农产品，能很好地完成向生态农业的转型，让人类少走弯路。

粗略统计近两年此技术已经扩展到26个省、大约68万亩土地和多种作物：

1）粮食作物：小麦、玉米、水稻、大豆、谷子、马铃薯。

2）果树：苹果、红提、猕猴桃、桃、樱桃、核桃、柿、梨、枣、李

3）瓜果蔬菜：西瓜、西红柿、茄果类（甜椒、茄子、豆角）、叶类菜、草莓等，4）中药材：三七、人参、远志、半夏、黄芪、白术、柴胡

5）经济作物：花椒、茶、烟草、枸杞、魔芋、山药、红薯

我们写了《次生代谢在生态农业中的应用》，受到了武维华院士的首肯，还为此书写了序言。谢谢大家。

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社会生态农业CSA联盟

社会生态农业CSA联盟由著名“三农”问题专家温铁军教授倡导成立，推动社会化、生态化的食物体系，自2003年开始培训农民学习立体循环农业和生态建筑、2009年开始构建全国的CSA网络，于2017年正式注册社会团体，连续每年举办年度最广泛参与的CSA大会，并与国际社会生态农业联盟（URGENCI）进行直接的对接。

联盟致力于成为全国社会化生态农业领域专业倡导型、多元服务型的社会团体，将全国各地认同并愿意支持CSA模式的生产者和消费者连接起来，构建社会生态农业互助网络，2017年发起“有种有种”全国性倡议活动。主要工作内容包括研究相关课题、举办年度CSA大会、推动建立参与式保障体系（PGS）和组织培训学习等。

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