減氮、加菌、改善土壤物理性狀提高大豆固氮能力*

韓曉增，鄒文秀，尤夢陽

（1.中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，哈爾濱 150081；2.國家大豆產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系海倫綜合實驗站，黑龍江 海倫 152300）

大豆一生所需要的氮素來源于三個方面，一是土壤中的氮素，二是肥料氮，三是大豆共生固氮系統(tǒng)所固定的大氣氮素。由于大氣中氮素十分豐富，大豆固氮過程不損害環(huán)境，耗能較少，所以人們希望大豆一生所需要的氮素能全部來源于大氣中的氮素。但是我國的生產(chǎn)現(xiàn)實是大豆共生固氮和土壤氮素不能滿足大豆生長發(fā)育的需求，生產(chǎn)上常常使用氮肥，導(dǎo)致氮肥用量在不斷的上升，目前最高的氮肥用量已達到了130～150kg/hm2[1,2]，新疆在1992年實現(xiàn)了4656kg/hm2的超高產(chǎn)，其施氮量為139kg/hm2[3]。美國、巴西和阿根廷等大豆主產(chǎn)國，多數(shù)地區(qū)大豆生產(chǎn)不施用氮肥，少數(shù)地區(qū)使用少量氮肥，每公頃控制在30kg以下。我國近30年來一直使用氮肥，導(dǎo)致大豆主栽品種已弱化了固氮功能，形成了對氮肥的依賴性，加之根－土生態(tài)系統(tǒng)惡化，使高效大豆根瘤菌種類變少，大豆固氮能力降低。在這種狀態(tài)下，我們不可能仿效其他國家在大豆生產(chǎn)上不使用氮肥，但是減少氮肥使用量、增加土壤中高效根瘤菌數(shù)量、改善土壤理化特性，使之更適合高效根瘤菌的生存和更有利于提高大豆固氮功能。為此我們建議生產(chǎn)上采用減氮、加菌、改善土壤基本物理性質(zhì)，快速提高大豆共生固氮能力。

1 大豆共生固氮系統(tǒng)固氮潛力

大豆固氮潛力的確定，受大豆品種類型和根瘤菌株的生物學(xué)性狀以及土壤環(huán)境條件和栽培措施的影響，實際固氮潛力變化很大，同時目前的科學(xué)技術(shù)還不能精準測量大豆共生固氮量，不同的方法測定數(shù)值不同，所以大豆固氮量變化較大。針對中國東北地區(qū)的一些研究表明：采用15N同位素的方法，在每公頃2250kg產(chǎn)量水平下，吉林省白漿土大豆共生固氮量131.3kg/hm2，黑土區(qū)為145.5kg/hm2；采用滅菌法測定，在所選用的14個有代表性的品種中，固氮潛力在63～403kg/hm2[4]之間。根據(jù)國內(nèi)外已發(fā)表的文獻，綜合估算中國東北大豆產(chǎn)區(qū)，大豆共生固氮潛力為150～200kg/hm2。如果按每公頃2250kg產(chǎn)量計算，所需氮量約為160kg/hm2，外加大氣干濕沉降的氮素和土壤氮素，不需要使用氮肥也可以維持大豆目前生產(chǎn)的大豆產(chǎn)量。

2 減氮對提高大豆共生固氮能力的影響機制

理論上大豆固氮能力對氮肥的響應(yīng)是線性的，即隨著氮肥用量的提高而降低（見圖1）。但是由于我國大豆品種在長期選育過程中，就開始大量使用氮肥，加上大豆產(chǎn)區(qū)常年連作，生產(chǎn)上使用大量的殺菌劑和殺蟲劑，高效固氮根瘤菌在不斷的退化，大豆本身聯(lián)合固氮的生物學(xué)性狀也在不斷的退化，這就使得我國東北大豆固氮能力與氮肥用量成拋物線形，即少量使用氮肥有利于大豆共生固氮，進一步提高大豆氮肥使用量，其共生固氮能力下降（見圖2）。

3 大豆根瘤菌對氮肥的敏感性

當大豆的根系在土壤中生長時，會刺激根瘤菌在根系附近大量繁殖，可以影響土壤中2～3cm的距離。這樣根瘤菌就會不斷地繁殖并聚集到大豆根毛的頂端。聚集在根毛頂端的根瘤菌分泌一種纖維素酶，將根毛頂端的細胞壁溶解掉。隨后，根瘤菌從根毛頂端侵入到根的內(nèi)部，并形成感染絲。根瘤菌就這樣不斷地進入根內(nèi)，并且大量繁殖。在根瘤菌侵入的刺激下，根細胞分泌一種纖維素，將感染絲包圍起來，形成一條分支或不分支的纖維素鞘，這樣的結(jié)構(gòu)叫做侵入線。侵入線不斷地向內(nèi)延伸，一直到達根的內(nèi)皮層。根的內(nèi)皮層處的薄壁細胞受到根瘤菌分泌物的刺激，不斷進行細胞分裂，從而使該處的組織膨大，最終形成根瘤。從大豆根瘤形成過程可以看出，根瘤菌的多少決定了大豆根瘤形成的多少。土壤中的根瘤菌對氮的響應(yīng)程度非常重要，模擬實驗表明，過多的氮肥影響根瘤菌的繁殖生長，當培養(yǎng)基中尿素氮濃度為零的時候，根瘤菌數(shù)量是培養(yǎng)基中尿素氮濃度為4mol/L的4倍。圖3表明了過量使用氮肥會造成根瘤菌大量死亡或被抑制。

圖1 大豆共生固氮能力對施氮量的響應(yīng)注：本圖是根據(jù)理論估算畫出的示意圖

圖2 大豆共生固氮能力對氮肥用量的響應(yīng)注：本圖依據(jù)參考文獻[2]和海倫站試驗資料畫出

圖3 不同氮濃度對根瘤菌數(shù)量的影響

4 土壤透氣性對大豆固氮能力的影響

試驗證明了土壤的固、氣、液的三項比例對大豆固氮能力影響較大。在土壤條件一致和合理施肥情況下，通過耕翻創(chuàng)造了土壤容重為1.01g/cm3；另一種處理是連續(xù)五年免耕翻創(chuàng)造了一個緊實土體，容重為1.19g/cm3。耕翻處理花期大豆有效根瘤354個，而未耕翻的土壤大豆有效根瘤僅有251個，相當于耕翻土壤的71%。

5 減氮、加菌、改善土壤物理性狀對大豆產(chǎn)量的影響

將大豆的施氮量由目前的75kg/hm2，減少到50kg/hm2，即減少了1/3，秋季深翻20cm，第二年春天大豆播種時增加根瘤菌劑處理，作為“減氮、加菌、改善土壤物理性狀”模式，與農(nóng)民不翻耕、不加根瘤菌和使用氮肥75kg/hm2相比，增產(chǎn)15.3%，節(jié)約氮肥33.3%。但是該模式還有待于進一步完善。生產(chǎn)上主要存在的問題，一是目前商品根瘤菌劑濃度低和活菌數(shù)少；二是根瘤菌拌種和大豆種衣劑拌種相矛盾，如果采用種衣劑和根瘤菌劑同時拌種，根瘤菌接種效果很差。

［1］宋英博.不同施氮量對大豆蛋白質(zhì)和脂肪含量的影響[J].黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué),2010（7）:52-53.

［2］姚玉波,馬春梅,張磊,等.施氮水平對大豆吸收利用氮素及產(chǎn)量的影響[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2009,40(4):6-10.

［3］魏建軍,羅賡彤,張力.新疆實現(xiàn)大豆超高產(chǎn)的品種與綜合栽培技術(shù)[J].新疆農(nóng)墾科技,2008（4）:21-22.

［4］韓曉增,嚴君,李曉慧.大豆共生固氮能力對土壤無機氮濃度的響應(yīng)與調(diào)控[J].大豆科技,2010（1）:6-8.