农民种植像甜玉米这样的高氮作物可以节省一半的氮肥成本，关键用蚕豆覆盖作物。蚕豆是一种古老的作物，越来越多地被用作覆盖作物。覆盖作物是在主要作物之间的月份种植，否则土壤将是光秃秃的。覆盖作物可以控制水土流失，培植土壤，抑制杂草生长。禾本科植物、豆科植物和其他非禾本科植物是最常用的覆盖作物。Faba是一种豆类植物，豌豆、豆类和扁豆也是。它们是很好的蛋白质来源。它们也给农业带来了重要好处：它们是固氮剂。这些植物与土壤中的细菌一起工作，从大气中吸收氮。然后分解植物，向土壤中添加氮。Faba是最强大的固氮剂之一。
Faba豆荚大小不一，种子数量也不尽相同。图片：Masoud Hashemi
博科园-科学科普：氮是植物生长的重要养分，种植甜玉米的农民通常以商业肥料的形式添加氮肥以获得最佳产量。马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校的马苏德·哈什米和同事们在种植甜玉米之前测试了faba豆作为覆盖作物，想知道从蚕豆中提取的氮是否能满足甜玉米的高氮需求，将faba残留物翻耕或留在土壤中分解，是否会为玉米提供更多的氮。这项研究表明，种植faba的时间对生物量(总重量)有显著的影响——在冬季气候停止生长之前产生的植物。更多的生物量意味着更多氮，8月1日种植Faba豆子生物量是两周后种植的两倍多。毫不奇怪，第二年春天种植的甜玉米在最早播种faba中比后来播种的要高产得多。豆科植物向土壤中添加的氮量与它们所产生的生物量密切相关。
蚕豆根茎上的小瘤使蚕豆成为一种强大的固氮覆盖作物。图片：Masoud Hashemi
甘甜玉米的产量也明显高于在地表留下植物残渣的地块(免耕)。耕作过的残留物比免耕的更快分解，从而更快地提供氮。事实证明，对甜玉米来说，这还为时过早。免耕处理延缓了豆渣的分解。氮素在土壤中的延迟释放更符合年轻甜玉米的需要。即便如此，单是faba大豆残基就不能提供足够的氮来获得最佳甜玉米产量需要额外的氮。然而，与没有蚕豆覆盖作物的玉米相比，只需要一半。蚕豆覆盖作物可以向土壤中添加大量的氮，但为了最大限度地发挥其潜力，特别是如果收获一些新鲜豆荚，蚕豆必须在收获夏季作物后尽早种植。此外为了最好地满足春季作物对氮的需要，这些残留物不应该耕种到土壤中，而必须留在土壤表面。
Fatemeh Etemdi是这项研究的合著者，他在其中一个研究小区中统计了faba豆科植物的侧枝。图片：Masoud Hashemi
是否有可能在不依赖需要能源的商业肥料的情况下种植谷类作物？在公开发表在《公共科学图书馆生物学》上的一项新研究中，研究人员描述了一种新发现的玉米品种，它通过向有益的细菌喂食糖来获取氮（是植物的一种基本营养）而有益的细菌反过来又会从空气中吸收氮，然后以一种可用的形式将其传递回植物。这种玉米品种最初是在20世纪80年代由霍华德·亚纳·夏皮罗(Howard-Yana Shapiro)观察到。随着2000年代中期元基因组学的出现，玛氏公司和加州大学戴维斯分校与当地土著社区合作，对玉米进行了调查研究。研究小组由加州大学戴维斯分校的艾伦·贝内特(AlanBennett)和艾伦·范德因茨(Allen Van Deynze)领导。
墨西哥瓦哈卡的塞拉混合玉米品种。图片：Alan B. Bennett, abbennett@ucdavis.edu
这项研究描述了这种不同寻常的玉米品种，其29%到82%的氮是从空气中获得，而不是通过化肥。这种植物产生一种含糖的“黏液”，它从地上生长的气生根中渗出，吸引细菌将空气中的氮转化成植物可以利用的形式。如果这种特性能被培育成传统的玉米品种，它可能会减少对添加肥料的需求，并增加土壤贫瘠地区的玉米产量。豆类和其他豆类与细菌群落建立了有益的关系，为它们提供氮，但玉米和其他谷类作物传统上缺乏这些关系。种植玉米所需的商业化肥来自化石燃料，它们的能源密集型生产约占全球能源供应的1%至2%。科学家们一直渴望找到一种方法，让玉米利用这些产氮群落。研究其他谷物，比如高粱，是否也能利用它们的气生根来达到类似的功能。分离的本地玉米品种可能与固氮细菌有关的想法并不新鲜，但很难识别出这样的品种，并证明这种固氮联系实际上有助于植物的氮营养。
博科园-科学科普｜参考期刊文献 :《Agronomy Journal》,《PLoS Biology》｜研究/来自：美国农学会，Public Library of Science，DOI：doi.org/10.1371/journal.pbio.2006352，DOI: 10.2134/agronj2017.08.0501
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