充分利用生物固氮減少氮肥用量

□中科院院士、土壤與環境微生物學家陳文新

植物生長所需大量氮素營養均來源于大氣。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菌和古菌可以將它還原成氨后加以利用，這些菌統稱固氮微生物，包含在200多個屬中。生物固氮是在常溫常壓下進行，無需消耗礦質能源。在工業化生產氮肥之前，生物固氮是自然生態環境中氮素營養的主要來源。到今天，地球上生物固氮量仍然是工業氮肥總量的兩倍，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，在這個過程中根瘤菌從宿主獲得碳源和能源，將大氣中的氮氣轉化為植物氮素養分，兩者互惠共生。據研究，豆科植物會自己調控根瘤的數量和固定的氮量，不會無謂消耗本身能量。巴西、阿根廷自上世紀60年代以來大規模擴種大豆，均不施氮肥，只用根瘤菌劑接種并輔以適量的磷、鉀肥。產量均在3000公斤/公頃以上，最高產量可以達到4500公斤/公頃。菌劑的投入產出比高達1∶16（2.55：405美元/公頃）。在我國20世紀五六十年代，大豆、花生、紫云英接種根瘤菌實驗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處于停頓狀態，種大豆也主要依賴氮肥，單產低到只有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，中國農業大學根瘤菌研究中心對中國的根瘤菌資源進行了全國范圍的調查研究，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個菌株進行系統分類研究，發表了2個根瘤根新屬和40多個新種，約占國際總數的一半；在長期的研究中，我們發現與同種植物共生的不同根瘤菌種群有明顯的地理區域性分布，研究得知是因為它們具有不同的代謝與抗逆基因，從而適應不同的生態環境；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。根據這些發現，我們已經有針對性地為大豆、花生、扁豆、苜蓿等在不同地區的主要栽培品種進行了根瘤菌選種，篩選出具有品種適應性強、結瘤固氮活性高的一些菌株。

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