《Heliyon》：Green manure boosts biomass, essential oils, and chemical constituents in Origanum majorana L.: a sustainable fertilization approach
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本研究针对化学肥料对环境的负面影响，探讨了以木豆(Cajanus cajan)作为绿肥(GM)对牛至(Origanum majorana L.)生长、抗氧化代谢及精油(EO)合成的促进作用。结果表明，600 g plant-1的绿肥剂量可显著提高牛至的生物量（地上部干物质增加414%）、精油产量（提升406%）及主要成分α-萜品醇含量，其效果与无机肥相当。该研究为芳香植物的可持续栽培提供了绿色施肥方案，对促进生态农业和精油产业发展具有重要意义。
在追求高产高效的现代农业中，化学肥料的大量使用如同一把双刃剑。虽然它们能快速为作物提供养分，但也带来了地下水污染、土壤结构破坏和生态系统失衡等一系列环境问题。特别是在种植药用和芳香植物时，化学投入品的滥用不仅威胁环境安全，还可能影响植物次级代谢产物的品质，这对于依赖特定化学成分（如精油）的药材和香料作物而言尤为关键。面对这一挑战，发展环境友好型的可持续农业技术迫在眉睫。其中，“绿肥”（Green Manure, GM）技术作为一种古老而智慧的农业实践，重新获得了广泛关注。它通过种植并翻压特定植物（尤其是豆科植物）来改善土壤肥力和结构，减少对化学肥料的依赖。
牛至（Origanum majorana L.）是唇形科的一种多年生草本植物，因其温和芬芳的气味而被广泛用于烹饪调味和传统医药中。其精油被证实具有抗氧化、抗菌、抗炎等多种生物活性，在食品、化妆品和制药行业具有广阔的应用前景。然而，如何在不损害环境的前提下，提高牛至的产量并保证其精油质量，是种植者面临的一大难题。豆科植物木豆（Cajanus cajan (L.) Millsp.）是一种常见的绿肥作物，具有生长迅速、生物量大且能通过根瘤菌固氮等优点。那么，利用木豆作为绿肥，是否能成为促进牛至生长、提升其精油产量和品质的可持续方案呢？发表在《Heliyon》上的这项研究，为我们揭晓了答案。
为了回答上述问题，研究人员设计了一项严谨的盆栽实验。他们以牛至为研究对象，设置了不同的施肥处理：包括不施肥对照（0 g plant-1）、四个梯度的木豆绿肥剂量（150, 300, 450, 600 g plant-1）以及一个无机化肥对照组（NPK）。实验采用随机区组设计，定期监测环境条件，并在移栽120天后进行收获。研究团队系统评估了绿肥对牛至多项指标的影响，所采用的关键技术方法主要包括：植物生长指标（如干物质积累、叶面积、相对生长速率RGR和净同化速率NAR）的测定；叶片营养元素分析；光合色素（如叶绿素Chl）含量的光谱法测定；抗氧化酶系统（包括超氧化物歧化酶SOD、过氧化氢酶CAT、抗坏血酸过氧化物酶APX）活性的生化分析；以及通过水蒸气蒸馏法提取牛至叶片精油，并利用气相色谱-质谱联用（GC-MS）技术解析其化学组成。
3.1. 植物生长分析
研究结果清晰地表明，木豆绿肥的施入显著促进了牛至的营养生长。随着绿肥剂量的增加，牛至的叶片干物质（LDM）、茎干物质（StDM）、根干物质（RDM）以及总干物质（TDM）均呈现线性增长的趋势。
当施用600 g plant-1的木豆绿肥时，牛至叶片干物质积累达到11.12 g plant-1，比不施肥处理（3.29 g plant-1）增加了338%。同样，茎干物质和地上部总干物质（SDM）也分别增加了555%和414%。在根系生长方面，虽然600 g plant-1绿肥处理使根干物质增加了523%，但无机化肥处理对根系生长的促进作用更为突出，比不施肥处理提高了724%。这可能是由于无机化肥提供了更高浓度的有效磷，促使植物将更多同化产物分配给根系以增强养分吸收。这些数据充分说明，绿肥能有效改善土壤环境，为牛至生长提供持续的营养供应。
3.2. 植物生长指数
对植物生长指数的分析进一步揭示了绿肥的效应。总叶面积（TLA）、相对生长速率（RGR）和净同化速率（NAR）在450和600 g plant-1绿肥处理下达到最高值，并与无机化肥处理的效果相当。这表明适宜的绿肥剂量能有效促进牛至的光合面积和物质积累效率。然而，比叶面积（SLA）、叶面积比（LAR）和叶重比（LWR）在无机化肥处理下最低，说明化学施肥可能促使牛至调整了光合产物的分配策略，将更多资源用于根系发育，以应对可能不同的养分供应模式。
3.3. 叶片养分分析
叶片养分分析显示，绿肥处理显著影响了牛至对营养元素的吸收与积累。施用450和600 g plant-1绿肥时，叶片中的氮（N）和钾（K）积累量最高。值得注意的是，450 g plant-1处理还导致了叶片铁（Fe）含量的显著升高。铁是叶绿素合成和光合作用关键酶的重要辅因子，其含量的增加为后续观察到的光合色素变化提供了线索。
3.4. 光合色素
光合色素的测定结果与养分分析相呼应。施用450 g plant-1绿肥的处理获得了最高的总叶绿素含量（1118.69 μg g-1FW），较150 g plant-1剂量和未施肥对照分别提高了14%和18%。同时，叶绿素b和总类胡萝卜素的含量也在该处理下保持较高水平。这表明绿肥通过改善营养状况（尤其是铁营养），增强了牛至的光合能力，为生物量的显著增加奠定了能量基础。相比之下，无机化肥处理下的叶绿素含量较低。
3.5. 抗氧化代谢
在抗氧化代谢方面，不同处理引发了牛至体内抗氧化酶系统的差异化响应。无机化肥处理下的超氧化物歧化酶（SOD）活性最低，这可能与土壤中铜（Cu）的有效性较低有关，因为铜是Cu/Zn-SOD的必需辅基。而过氧化氢酶（CAT）活性在未施肥和低剂量绿肥（150 g plant-1）处理中最高，暗示营养缺乏可能诱导了氧化应激，需要更高的CAT活性来清除过氧化氢（H2O2）。抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性则在未施肥时最低，并随绿肥用量增加而升高，这可能与铁营养的改善有关，因为APX是一种含铁酶。尽管酶活性有变化，但氧化应激标志物丙二醛（MDA）和H2O2的含量在各处理间无显著差异，说明植物的抗氧化系统有效维持了氧化还原平衡。
3.6. 精油产量和化学组成
本研究最关键的发现之一在于绿肥对牛至精油（EO）产量和品质的积极影响。精油产量和精油含量在600 g plant-1绿肥处理和无机化肥处理下达到峰值，分别为0.055 mg plant-1和0.056 mg plant-1，较未施肥处理分别提高了406%和471%。化学组成分析共鉴定出36种化合物，其中14种主要成分占总油量的90%以上。α-萜品醇（α-Terpineol）是精油中的主要成分，其在600 g plant-1绿肥处理下的相对含量最高，达到36.15%。α-萜品醇因其独特的香气和生物活性，在香料、化妆品和制药工业中具有重要价值。这一发现表明，绿肥不仅提高了精油产量，还有效优化了其化学组成，提升了经济价值。
3.7. 主成分分析
主成分分析（PCA）结果综合印证了上述发现。PC1和PC2共同解释了82.6%的数据变异。450和600 g plant-1绿肥处理以及无机化肥处理在PCA图中聚集在一起，与总叶绿素、精油产量、α-萜品醇含量、生物量积累以及APX活性等关键正效应指标紧密关联。这从多变量角度证实了高剂量绿肥在促进牛至生长、代谢和精油合成方面的综合优势。
本研究得出结论，施用木豆作为绿肥，特别是600 g plant-1的剂量，能够显著促进牛至的生长，提高其营养状况、光合能力、抗氧化酶活性，并最终大幅提升精油的产量和品质（尤其是增加α-萜品醇的含量），其效果与常规无机化肥相当。这有力地证明了木豆绿肥可以作为牛至可持续栽培中化学肥料的有效替代品。该研究不仅为芳香植物的绿色高效生产提供了具体的技术方案，减少了农业生产对环境的压力，也为开发高附加值天然产物提供了优质的植物原料，对推动可持续农业和精油产业的健康发展具有重要意义。未来的研究可进一步探索绿肥与其他生物刺激剂（如腐殖酸）或纳米技术的结合应用，以期在提升芳香植物次级代谢产物产量方面取得更大突破。
