充分利用生物固氮減少氮肥用量

□中科院院士、土壤與環(huán)境微生物學(xué)家陳文新

植物生長所需大量氮素營養(yǎng)均來源于大氣。盡管大氣中含氮78%，但任何動植物均不能直接利用。只有那些能合成固氮酶的細(xì)菌和古菌可以將它還原成氨后加以利用，這些菌統(tǒng)稱固氮微生物，包含在200多個(gè)屬中。生物固氮是在常溫常壓下進(jìn)行，無需消耗礦質(zhì)能源。在工業(yè)化生產(chǎn)氮肥之前，生物固氮是自然生態(tài)環(huán)境中氮素營養(yǎng)的主要來源。到今天，地球上生物固氮量仍然是工業(yè)氮肥總量的兩倍，而其中由根瘤菌與豆科植物共生體固定的氮占生物固氮總量的80%，為最強(qiáng)大的固氮體系。

根瘤菌與豆科植物共生互作形成根瘤，在這個(gè)過程中根瘤菌從宿主獲得碳源和能源，將大氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化為植物氮素養(yǎng)分，兩者互惠共生。據(jù)研究，豆科植物會自己調(diào)控根瘤的數(shù)量和固定的氮量，不會無謂消耗本身能量。巴西、阿根廷自上世紀(jì)60年代以來大規(guī)模擴(kuò)種大豆，均不施氮肥，只用根瘤菌劑接種并輔以適量的磷、鉀肥。產(chǎn)量均在3000公斤/公頃以上，最高產(chǎn)量可以達(dá)到4500公斤/公頃。菌劑的投入產(chǎn)出比高達(dá)1∶16（2.55：405美元/公頃）。在我國20世紀(jì)五六十年代，大豆、花生、紫云英接種根瘤菌實(shí)驗(yàn)在南北方均廣泛開展，效果同樣很好。而70年代以后，由于化肥大量投入，豆科作物接種根瘤菌事業(yè)處于停頓狀態(tài)，種大豆也主要依賴氮肥，單產(chǎn)低到只有1500公斤/公頃，在世界上排第八位（排名前7位的國家均接種根瘤菌，不施氮肥）。過去30多年中，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)根瘤菌研究中心對中國的根瘤菌資源進(jìn)行了全國范圍的調(diào)查研究，建立了12000多菌株的根瘤菌菌種保藏庫，是目前國際上菌株數(shù)量最大，宿主種類最多（采自600多種豆科植物）的根瘤菌庫；對其中近8000個(gè)菌株進(jìn)行系統(tǒng)分類研究，發(fā)表了2個(gè)根瘤根新屬和40多個(gè)新種，約占國際總數(shù)的一半；在長期的研究中，我們發(fā)現(xiàn)與同種植物共生的不同根瘤菌種群有明顯的地理區(qū)域性分布，研究得知是因?yàn)樗鼈兙哂胁煌拇x與抗逆基因，從而適應(yīng)不同的生態(tài)環(huán)境；同種根瘤菌的不同菌株對植物不同品種共生有效性差異很大，也是因它們具不同的共生基因所致。根據(jù)這些發(fā)現(xiàn)，我們已經(jīng)有針對性地為大豆、花生、扁豆、苜蓿等在不同地區(qū)的主要栽培品種進(jìn)行了根瘤菌選種，篩選出具有品種適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)瘤固氮活性高的一些菌株。

在河北、河南、山東的田間小區(qū)試驗(yàn)表明，大豆接種優(yōu)質(zhì)根瘤菌可以增產(chǎn)17.8～35.6，產(chǎn)量在4000公斤/公頃以上。接種比每畝施用10公斤尿素追肥的產(chǎn)量還高10%。上世紀(jì)80年代的田間試驗(yàn)表明：完全不施化肥，花生接種根瘤菌可以增產(chǎn)14.5%～28.0%。因此，為豆科作物接種優(yōu)質(zhì)根瘤菌可以減少化肥用量，減少水源污染、節(jié)省能源和培肥地力，我們應(yīng)該大力推廣高效根瘤菌劑的應(yīng)用。