根瘤菌對生態農業的重要意義及其影響因素

李 玲，沈寶宇，張天靜，宗緒曉

（1.遼寧省經濟作物研究所，遼寧遼陽111000；2.中國農業科學院，北京100081）

建國以來，我國為了解決糧食問題，化肥生產量和消費量不斷攀升，2004 年我國生產氮肥3 300 萬t純氮，消耗能源約1 億t 標準煤，已成為世界最大的氮肥生產國和消費國[1]。化學氮肥的使用，在提高作物產量、保障我國糧食安全上發揮了巨大作用，但過量使用化學氮肥，對生態環境的脅迫增大，土壤質量、肥力大幅下降。不合理施肥也使氮肥利用率大幅下降。研究分析表明，從1997—2005 年，施用每千克氮肥增加的糧食產量從55 kg 下降到20 kg[2]，這表明N 的利用效率急劇下降。自19 世紀90 年代，化肥的過量施用也導致了嚴重的環境惡化[3]。根瘤菌因其可與豆科植物共生形成特殊結構——根瘤，具有生物固氮作用而受關注。利用根瘤菌—豆科植物共生固氮體系可減少氮肥的投入，改善土壤生態環境。該文介紹了根瘤菌對生態農業發展的重要性，以及根瘤菌—豆科植物這一共生體系的影響因素。

1 根瘤菌對生態農業的重要性

1.1 根瘤菌

根瘤菌是一類廣泛分布于土壤中的革蘭氏陰性細菌，它可以侵染豆科植物根部形成根瘤，固定空氣中的分子態氮形成氨，為植物提供氮素營養，改良土壤。共生固氮是一個自然的過程，對全世界農業具有重要的意義。據統計，全球每年生物固氮量達1.75×108t[4]，為世界工業氮肥產量的4.37 倍[5]。根瘤菌與豆科植物的共生是生物固氮體系中作用最強的體系，所固定的氮約占生物固氮總量的65%[6-8]。

不同豆科植物固氮效率不同，大豆最強，其次是蠶豆、豌豆、鷹嘴豆、小扁豆和菜豆[9]。豌豆作為良好的固氮作物，豌豆根瘤可固定氮素75 kg/hm2，相當于375 kg 硫酸銨或225 kg 尿素[10]。在干旱、半干旱農作區，種植豆科植物或將其與農作物輪作，是修復干旱、半干旱區的生態損傷，抑制土壤退化的有效途徑之一[11]。

1.2 環境友好型根瘤菌-豆科植物共生體系特征特性

根瘤菌—豆科植物共生體系在生態農業中的作用可表現為常溫常壓下即能將空氣中的氮氣固定為氨，滿足豆科植物自身氮素需求量，其根部含其總氮量的30%～35%還可留給后茬作物使用[12]；根瘤菌—豆科植物共生體可為與其相間、相混種植的其他植物提供其當季生長所需氮量的30%～60%，互惠共高產[12]；根瘤菌的分泌物具有溶磷、鈣、鎂等礦物的作用[13]。一些根瘤菌可產生生長素（IAA）、結瘤因子（LCO）等刺激素，促進禾本科等植物的生長[14-15]。根瘤菌接種豆科作物及與其他作物間作可增強作物抗病性，減少農藥的使用[16]。因此，擴大根瘤菌—豆科作物的應用，可促進農業可持續發展。在巴西，2 300 萬hm2大豆不施或少施化肥，成功依靠接種根瘤菌，可以提供作物需氮量的80%以上，即300 kg/hm2氮肥，大大節約了投入成本[17]。生物固氮的益處在越南得到了證明，生產上多種豆類通過接種根瘤菌減施氮肥[18]。在澳大利亞，小麥—鷹嘴豆/蠶豆輪作種植，使小麥多得40 kg/hm2氮肥，是來自豆科植物—根瘤菌共生體系固定的氮肥，另外小麥產量增產10%～40%[19]。由此可見，在生態農業建設中，充分發揮根瘤菌—豆科植物共生體系的作用，可大幅減少化學氮肥的使用，走一條“產出高效、產品安全、資源節約、環境友好”的現代生態農業發展道路。

2 根瘤菌—豆科植物共生固氮體系影響因素

2.1 根瘤菌與豆科植物的相互作用

國內外研究表明，根瘤菌與豆科植物的共生固氮作用是一個非常復雜的相互作用過程。陳文新等[20]提出共生過程受根瘤菌基因組、植物基因組和環境因子3 方面因素的影響，這說明，即使豆科作物的品種間親緣關系非常相近，不同品種與不同根瘤菌間仍然有顯著的差異[21]。根瘤菌與豆科植物的共生體系依賴于雙方在分子水平上的一系列信號交流與應答。受豆科植物根部分泌的特殊化合物如類黃酮與異類黃銅的誘導，根瘤菌的結瘤基因負責結瘤因子的脂幾丁質寡糖的合成與分泌，結瘤因子反之可誘導植物根毛卷曲和根瘤原基的形成，隨后根瘤菌侵染植物體，共生體系雙方信號持續交換，以維持根瘤的正常生長并進行固氮反應[22-24]。

2.2 根瘤菌和土壤的相互作用

土壤是限制豆科植物與根瘤菌生長及其固氮活力的主要限制因子，因在根瘤菌—豆科植物的共生體系中，固氮作用與寄主植物顯著相關，因此，在具有限制寄主植物生活力的因子存在條件下，如土壤鹽分、土壤pH、營養脅迫、土壤溫度、土壤水分、土著根瘤菌等[25-26]，競爭性且持久性的菌株不能表達其全部的固氮能力[27]。土壤鹽分限制了共生體系的內在過程。在170m MNaCl 存在條件下，大豆根毛顯示彎曲或變形，在210m MNaCl 條件下，結瘤完全被抑制[28]。Worrall 等研究表明，當土壤水分由5.5%降至3.5%時顯著降低了根瘤菌的侵染率[29]。Sellstedt 等研究表明，乙炔還原法測定水分脅迫條件下源于固氮作用的N 降低了約26%[30]。土壤溫度影響根毛侵染、根瘤結構及根瘤功能[31]。對大多數根瘤菌，其培養生長適宜溫度在28～31℃，37℃時，許多菌株不能生長[32]。Rice 等研究表明，根瘤菌在8℃土壤溫度時，其固氮酶活性完全停止，土壤溫度為21℃時，其根瘤數量最多[33]。

中性土壤更有利于根瘤菌對各種營養的吸收。在酸性土壤中，鈣、鎂和磷是有限的，另一方面，堿性土壤，鈉的毒性可能脅迫根瘤菌及其固氮功能。土壤pH 是重要的土壤特性之一，顯示植物對營養的可得性[34]，此外，土壤pH 也直接影響免耕土壤根瘤菌的數量及固氮效率[35]。Slattery 研究表明，不同類型土壤的根瘤菌接種結瘤效果存在差異[36]。土質粘重的土壤較砂質土壤相比，土壤中根瘤菌的存活率較高[37]。土壤中廣泛存在固氮效率較低且具有較強競爭力的土著根瘤菌，其在豆科植物上易形成固氮效率低的根瘤，因此，影響結瘤菌的占瘤率而減少有效固氮。事實上，一定土壤條件下，土壤的載菌量有限，靠增加接種菌的量來提高占瘤率，其效果同樣有限[38]。因此，要成功接種必須針對當地土著菌篩選出競爭結瘤能力強的菌株，另外，為了減少農業經濟損失，大量的農藥施用在土壤。除草劑、殺菌劑及其他農藥對固氮作用均會產生重要影響與限制。

2.3 施肥對根瘤菌—豆科植物共生固氮體系的影響

土壤養分狀況影響豆科植物及根瘤菌生長發育及共生固氮過程，根瘤菌—豆科植物共生體系所必須的營養元素有碳、氫、氧、氮、磷、鉀、硫、鈣、鎂、鐵、鋅、錳、銅、硼、鉬、氯、鎳、鈷，每一種必需營養元素都具有特定的生理生化作用，用來建立和作用于豆科植物和根瘤菌之間的共生關系[39-42]。

在種植豆科作物時，最好根據測定的土壤氮素養分狀況，少施或不施氮肥。一般在肥力高的土壤中，特別是有機質豐富的土壤中，不需要施用氮肥，氮肥過量有時會減少大豆等作物的結瘤和共生固氮[43]；在肥力和有機質低至極低的土壤中，以300～450 kg/hm2的量施用氮肥，作為“起爆氮”以促進幼苗的生長及根瘤的形成，有利于豆類的生長和提高產量[44]。

在主要營養元素中，磷對結瘤和氮的固定都是必需的，事實上，根瘤是磷的強吸收源。因此，共生固氮植物需要更多的磷。豆科植物氮素營養模式影響其對磷的需要量[45]。為了通過豆科植物獲得共生固氮的潛力，充足的磷供應是先決條件，因為有些豆科植物在土壤磷不足的條件下無法與根瘤菌建立共生關系[46]。

3 利用根瘤菌—豆科作物共生體作用的注意事項

第一，針對不同種類的豆科植物選用不同的根瘤菌；第二，為不同植物品種選用最佳匹配的高效根瘤菌；第三，不同生態區選用適應當地土壤環境的根瘤菌[12]。按照上述原則，推廣豆科植物并接種相匹配的高效根瘤菌，就能在實現“優質、高產、減化肥、減農藥、肥沃土壤、友好環境”的生態農業中起重要作用。