大豆根瘤固氮機(jī)制

徐 楚，劉星宇，王恩赫，于 越，薛芾瑩

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150030）

大豆在我國(guó)具有重要地位，多年來(lái)科研人員一直致力于大豆根瘤固氮機(jī)制的研究，力求通過(guò)技術(shù)手段提高共生固氮效率，實(shí)現(xiàn)減肥、增效、綠色發(fā)展的目標(biāo)。生物固氮對(duì)于我們來(lái)說(shuō)并不是新興詞匯，早在一個(gè)世紀(jì)之前J.B.Bousing gault就發(fā)現(xiàn)生物固氮是真實(shí)存在的（王素英和高仁恒，1991）。

1 氮素的來(lái)源

大豆的整個(gè)生育期內(nèi)對(duì)氮素的需求量非常大，生產(chǎn)1 kg的大豆需要吸收約72 g的氮素。大豆生長(zhǎng)中主要有三種氮源：土壤氮、肥料氮和根瘤固氮（夏玄，2018），這三種來(lái)源氮素相互作用，而土壤氮占大豆氮素總供應(yīng)量的1/3～1/2。在大豆生長(zhǎng)不同時(shí)期，氮素的主要來(lái)源也不同，以大豆幼苗期為例，在幼苗期由于根瘤發(fā)育不成熟，根瘤數(shù)量少且根瘤發(fā)育未成熟，導(dǎo)致根瘤固氮機(jī)制反應(yīng)較弱，大豆通過(guò)根瘤固氮供給的氮含量較少，此時(shí)大豆中的氮主要來(lái)源于土壤氮和肥料氮。

根瘤固氮對(duì)大豆生產(chǎn)意義重大，但僅通過(guò)根瘤固氮不能滿足大豆生長(zhǎng)與發(fā)育，同時(shí)根瘤固氮過(guò)程中會(huì)消耗大量的能量，這些能量來(lái)源于大豆光合作用產(chǎn)生的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。因此，實(shí)際生產(chǎn)中在田間合理施用氮肥，不管是對(duì)大豆的生長(zhǎng)還是產(chǎn)量方面都有重要的作用。

2 氮素對(duì)大豆結(jié)瘤固氮的影響

2.1 氮素濃度對(duì)結(jié)瘤固氮的影響

大豆種植中不是氮素濃度越高越好，較高濃度的氮素會(huì)抑制結(jié)瘤固氮。研究證明當(dāng)?shù)貪舛瘸^(guò)14 mmol/L時(shí)，根瘤的數(shù)量和重量就會(huì)受到抑制，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)瘤固氮能力受到抑制。當(dāng)?shù)獫舛葹?0 mmol/L時(shí)，無(wú)論是硝態(tài)氮還是氨態(tài)氮均抑制根瘤的數(shù)量、重量和總固氮量。當(dāng)硝酸鉀（KNO3）濃度為3 mmol/L時(shí)，大豆結(jié)瘤將被完全抑制。國(guó)內(nèi)外研究可以證明，低濃度的氮素對(duì)大豆結(jié)瘤與固氮有促進(jìn)作用，而高濃度的氮素可以抑制大豆結(jié)瘤和固氮。

2.2 氮素對(duì)根瘤固氮酶活性的影響

酶活性是反映一個(gè)反應(yīng)進(jìn)行程度的最重要指標(biāo)，根瘤固氮酶活性可以更好地反映結(jié)瘤固氮作用的強(qiáng)度。利用乙炔還原法測(cè)定根瘤固氮酶活性的方法出現(xiàn)后，氮與根瘤關(guān)系的研究得到了迅速發(fā)展。Minchin等人通過(guò)研究認(rèn)為乙炔還原法對(duì)多種處理都是無(wú)效的，因?yàn)樗嬖谡`導(dǎo)結(jié)果的問(wèn)題。但是Schuller在研究硝酸鹽對(duì)大豆根瘤固氮影響的試驗(yàn)中通過(guò)乙炔還原法得出的結(jié)果與15N標(biāo)記得出的結(jié)果是一致的。

現(xiàn)階段，由于乙炔還原法的方便與經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，其被大面積推廣并廣泛地使用。前人研究認(rèn)為當(dāng)硝酸鹽存在時(shí)，大豆的固氮效率顯著降低。Streeter向大豆供應(yīng)15 mmol/L硝酸鹽持續(xù)7天，1天后固氮酶活性開始受到抑制。隨著時(shí)間的推移，與對(duì)照組相比，固氮酶活性被抑制了80%。Skrdleta也做了類似的實(shí)驗(yàn)，他使用珍珠巖培養(yǎng)豌豆，并提供20 mmol/L的硝態(tài)氮，固氮酶的活性在處理后1天就受到抑制，根瘤的生長(zhǎng)在處理后3天開始受到抑制。

2.3 氮素形態(tài)對(duì)大豆結(jié)瘤固氮的影響

氮的形態(tài)主要是氨態(tài)氮、硝態(tài)氮和尿素。嚴(yán)君等人通過(guò)施用不同形式的氮肥發(fā)現(xiàn)，不同形式的氮源會(huì)使根瘤的干重和數(shù)量增加，隨著根瘤含氮量和氮積累量的增加，根瘤干重和根瘤數(shù)量的變化如下：不施氮肥＜酰胺態(tài)氮（尿素）〈氨基酸態(tài)氮（甘氨酸）＜硝態(tài)氮〈蛋白氮（豆粉）＜銨態(tài)氮。當(dāng)利用尿素、硝酸鹽、銨和硝酸銨作為氮源，在5 mmol/L和10 mmol/L兩種濃度下對(duì)蠶豆、白羽扇豆和苜蓿的根瘤形成、生長(zhǎng)和固氮酶活性開展研究，發(fā)現(xiàn)與低濃度相比，高濃度的抑制效果較明顯，其中NH4Cl的抑制效果最明顯，5 mmol/L濃度的尿素抑制程度最不明顯。

研究表明，與單獨(dú)施用硝酸銨和硝態(tài)氮相比，單獨(dú)施用較低濃度的銨態(tài)氮對(duì)大豆總氮積累量、根瘤干重和生物累積量抑制作用最小。所以，銨態(tài)氮對(duì)大豆生長(zhǎng)的影響大于硝態(tài)氮，硝態(tài)氮對(duì)根瘤固氮的抑制作用大于銨態(tài)氮。董守坤等的研究也印證了這一點(diǎn)，以硫酸銨為氮源采用15N標(biāo)記法，結(jié)果表明根瘤干重隨氮濃度的增加呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢(shì)，當(dāng)營(yíng)養(yǎng)液氮濃度為3.57 mmol/L（50 mg/L）時(shí)最有利于根瘤生長(zhǎng)。

3 提高固氮效率的途徑

生物固氮是植物或微生物生長(zhǎng)發(fā)育必須經(jīng)歷的重要過(guò)程，其為植物或微生物提供了生長(zhǎng)所必需的碳源。生物固體氮可分為三種類型：聯(lián)合固氮、自生固氮和共生固氮。豆科植物和根瘤菌的共生固氮是最有效的固氮方式模式，豆科植物和根瘤菌形成的根瘤固氮機(jī)制是共生固氮的代表，其固氮量占生物固氮總量的60%以上。因此，提高豆科植物的固氮效率對(duì)豆科植物的生長(zhǎng)發(fā)育起著至關(guān)重要的作用。

3.1 接種固氮菌提高固氮效率

接種固氮菌可以提高土壤的氮利用率。當(dāng)大豆接種固氮菌后，根瘤的個(gè)數(shù)增加，固氮能力與氮營(yíng)養(yǎng)提升。自2003年開始在田間應(yīng)用高效根瘤菌菌肥使大豆成功增產(chǎn)以后，大豆的增產(chǎn)主要依靠生物固氮。Hungria等又在田間進(jìn)行了多年的試驗(yàn)，每年都比較與分析施用氮肥使大豆增產(chǎn)的效果與生物固氮使大豆增產(chǎn)的效果，最終在2006年，匯總前幾年的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，施加200 kg/hm2的氮肥時(shí)大豆不但不增產(chǎn)，且結(jié)瘤固氮還受到了抑制，造成了環(huán)境污染，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資本提高。

只接種根瘤固氮菌而不施加氮肥明顯促進(jìn)了大豆的結(jié)瘤固氮，大豆平均增產(chǎn)127 kg/hm2。當(dāng)大豆接種根瘤菌BARIRGm901后，在不施加氮肥的條件下根瘤數(shù)量與固氮效率均提高，大豆的產(chǎn)量也提高。在我國(guó)東北做的試驗(yàn)證明了接種根瘤固氮菌會(huì)提高大豆產(chǎn)量，接種固氮菌的實(shí)驗(yàn)組的大豆產(chǎn)量對(duì)比施加氮肥的對(duì)照組，大豆產(chǎn)量的增加了92%。因此，根據(jù)田間的實(shí)際情況，可以適當(dāng)?shù)慕臃N根瘤固氮菌。

3.2 間套作提高固氮效率

間套作是根據(jù)不同作物的生長(zhǎng)習(xí)性和環(huán)境條件的要求，巧妙地同時(shí)種植兩種作物的種植模式。肖焱波的研究發(fā)現(xiàn)在豆科植物與非豆科植物間套作時(shí)會(huì)出現(xiàn)“氮轉(zhuǎn)移”的現(xiàn)象，“氮轉(zhuǎn)移”現(xiàn)象的出現(xiàn)會(huì)提升整體間套作體系的固氮效率。

研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是否向玉米與大豆間作系統(tǒng)施肥，其經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量與生物產(chǎn)量均高于單獨(dú)種植。間套作提高固氮效率和作物產(chǎn)量是因?yàn)橛衩讓儆诤瘫究浦参?，?duì)氮素的需求量較大且吸收氮素的能力強(qiáng)于大豆，間套作體系中存在種間競(jìng)爭(zhēng)，種間競(jìng)爭(zhēng)的存在促進(jìn)了大豆的結(jié)瘤固氮，使得整體固氮量增加，固氮效率提高。間套作體系種植還會(huì)緩解豆科植物發(fā)生“氮阻遏”現(xiàn)象，利用盆栽技術(shù)將花生和玉米進(jìn)行間套作種植后，花生的“氮組遏”現(xiàn)象得到了緩解，且花生的根瘤數(shù)增多，固氮酶活性增強(qiáng)，固氮量得到了提高?；ㄉ衩组g套作模式與大豆—玉米間套作模式均增加豆科植物的固氮量，但大豆—玉米間套作模式的增產(chǎn)效果最好。

3.3 合理施肥提高固氮效率

大豆不同的生長(zhǎng)時(shí)期對(duì)各類元素的需求量也不一樣，施加不同含量的有機(jī)肥與化肥對(duì)大豆根瘤形態(tài)、數(shù)量、固氮酶活性等方面均有不同形式的影響。例如在大豆幼苗期根瘤剛形成的階段，如果土壤中氮素水平較高，根瘤的形成就會(huì)受到不同程度的抑制。在大量形成根瘤的時(shí)期，保證充足的磷素和少量的氮素可促進(jìn)大豆根瘤的形成。因此，種植大豆時(shí)除了需要施用有機(jī)肥還需要保證高磷低氮的環(huán)境（徐秀華，1995），要根據(jù)當(dāng)?shù)胤N植條件，經(jīng)過(guò)專業(yè)技術(shù)人員的技術(shù)指導(dǎo)，合理適量的施肥。