大豆根瘤固氮機制

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）

大豆在我國具有重要地位，多年來科研人員一直致力于大豆根瘤固氮機制的研究，力求通過技術(shù)手段提高共生固氮效率，實現(xiàn)減肥、增效、綠色發(fā)展的目標。生物固氮對于我們來說并不是新興詞匯，早在一個世紀之前J.B.Bousing gault就發(fā)現(xiàn)生物固氮是真實存在的（王素英和高仁恒，1991）。

1 氮素的來源

大豆的整個生育期內(nèi)對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。在大豆生長不同時期，氮素的主要來源也不同，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)致根瘤固氮機制反應(yīng)較弱，大豆通過根瘤固氮供給的氮含量較少，此時大豆中的氮主要來源于土壤氮和肥料氮。

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

2 氮素對大豆結(jié)瘤固氮的影響

2.1 氮素濃度對結(jié)瘤固氮的影響

大豆種植中不是氮素濃度越高越好，較高濃度的氮素會抑制結(jié)瘤固氮。研究證明當(dāng)?shù)貪舛瘸^14 mmol/L時，根瘤的數(shù)量和重量就會受到抑制，進而導(dǎo)致結(jié)瘤固氮能力受到抑制。當(dāng)?shù)獫舛葹?0 mmol/L時，無論是硝態(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，大豆結(jié)瘤將被完全抑制。國內(nèi)外研究可以證明，低濃度的氮素對大豆結(jié)瘤與固氮有促進作用，而高濃度的氮素可以抑制大豆結(jié)瘤和固氮。

2.2 氮素對根瘤固氮酶活性的影響

酶活性是反映一個反應(yīng)進行程度的最重要指標，根瘤固氮酶活性可以更好地反映結(jié)瘤固氮作用的強度。利用乙炔還原法測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等人通過研究認為乙炔還原法對多種處理都是無效的，因為它存在誤導(dǎo)結(jié)果的問題。但是Schuller在研究硝酸鹽對大豆根瘤固氮影響的試驗中通過乙炔還原法得出的結(jié)果與15N標記得出的結(jié)果是一致的。

現(xiàn)階段，由于乙炔還原法的方便與經(jīng)濟實惠，其被大面積推廣并廣泛地使用。前人研究認為當(dāng)硝酸鹽存在時，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。隨著時間的推移，與對照組相比，固氮酶活性被抑制了80%。Skrdleta也做了類似的實驗，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，根瘤的生長在處理后3天開始受到抑制。

2.3 氮素形態(tài)對大豆結(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。嚴君等人通過施用不同形式的氮肥發(fā)現(xiàn)，不同形式的氮源會使根瘤的干重和數(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兩種濃度下對蠶豆、白羽扇豆和苜蓿的根瘤形成、生長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，與單獨施用硝酸銨和硝態(tài)氮相比，單獨施用較低濃度的銨態(tài)氮對大豆總氮積累量、根瘤干重和生物累積量抑制作用最小。所以，銨態(tài)氮對大豆生長的影響大于硝態(tài)氮，硝態(tài)氮對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，以硫酸銨為氮源采用15N標記法，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，當(dāng)營養(yǎng)液氮濃度為3.57 mmol/L（50 mg/L）時最有利于根瘤生長。

3 提高固氮效率的途徑

生物固氮是植物或微生物生長發(fā)育必須經(jīng)歷的重要過程，其為植物或微生物提供了生長所必需的碳源。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豆科植物的生長發(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，根瘤的個數(shù)增加，固氮能力與氮營養(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等又在田間進行了多年的試驗，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，匯總前幾年的試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，施加200 kg/hm2的氮肥時大豆不但不增產(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。在我國東北做的試驗證明了接種根瘤固氮菌會提高大豆產(chǎn)量，接種固氮菌的實驗組的大豆產(chǎn)量對比施加氮肥的對照組，大豆產(chǎn)量的增加了92%。因此，根據(jù)田間的實際情況，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)不同作物的生長習(xí)性和環(huán)境條件的要求，巧妙地同時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會出現(xiàn)“氮轉(zhuǎn)移”的現(xiàn)象，“氮轉(zhuǎn)移”現(xiàn)象的出現(xiàn)會提升整體間套作體系的固氮效率。

研究發(fā)現(xiàn)，無論是否向玉米與大豆間作系統(tǒng)施肥，其經(jīng)濟產(chǎn)量與生物產(chǎn)量均高于單獨種植。間套作提高固氮效率和作物產(chǎn)量是因為玉米屬于禾本科植物，對氮素的需求量較大且吸收氮素的能力強于大豆，間套作體系中存在種間競爭，種間競爭的存在促進了大豆的結(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，固氮量得到了提高。花生—玉米間套作模式與大豆—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

大豆不同的生長時期對各類元素的需求量也不一樣，施加不同含量的有機肥與化肥對大豆根瘤形態(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，根瘤的形成就會受到不同程度的抑制。在大量形成根瘤的時期，保證充足的磷素和少量的氮素可促進大豆根瘤的形成。因此，種植大豆時除了需要施用有機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)過專業(yè)技術(shù)人員的技術(shù)指導(dǎo)，合理適量的施肥。