豆科植物生物固氮的调查研究

张世光

（南海东软信息技术职业学院,广东 佛山 528000）

氮素是植物生长的必需营养元素。氮素供应不足是我国豆科作物生产上普遍存在的问题。但是，依靠化学肥料解决大面积土壤缺氮问题是不现实的，也是不经济的。众所周知，豆科作物与根瘤菌共生固氮能将空气中的分子态氮转化为植物能利用的铵态氮，为植物或微生物的生长发育提供氮源，这种现象被称为生物固氮 (biological nitrogen fixation,BNF)。据统计，地球表面每年从空气中固定的氮素约有1亿吨，通过豆科作物和根瘤菌所固定的氮素约有5500万吨。利用豆科作物和根瘤菌的共生固氮作用固定空气中的大量氮素，不仅可以提高土壤肥力，满足部分农作物对氮素的需求，而且能降低农业生产对化学氮肥依赖，从而防止因施用氮肥引起的环境污染。

1 豆科植物的生物固氮

人工接种根瘤菌是增强豆科作物共生固氮作用、增加氮素营养和提高作物产量的有效措施。但是，接种根瘤菌的效果受许多因素的影响，包括内在因素和外在因素两方面。内在因素是指共生固氮效率在品种、株系间差异较大。Gibson（1962）研究表明，即使豆科作物的品种间亲缘关系非常相近，不同品种与不同根瘤菌间仍然有显著的差异。外在因素包括：土壤营养状况、水分、温度、土壤类型、土著菌类型及其数量和接种措施等。所以，在对根瘤菌选种时，必须既针对种植植物的品种，同时又针对生态环境两方面因素进行根瘤菌与宿主的最佳匹配，以期获得最佳共生效果。

接种根瘤菌是提高豆科作物生产的重要措施。国内外大量试验证明，接种根瘤菌在多数土壤中可以提高豆科作物的产量和品质。Bohlool(1973)在总结多种作物在多点接种根瘤菌效果时指出,豆科作物接种根瘤菌的产量比不接种根瘤菌提高89.5%。

根瘤菌(rhizobia)是一类广泛分布于土壤中的革兰氏阴性细菌，能侵染豆科植物根部或茎部后形成根瘤或茎瘤，以共生体形式固定空气中的氮（N2）成为植物可吸收利用的NH4+。根瘤菌菌株经革兰氏染色反应镜检均为G-（革兰氏阴性菌），呈小短杆状。在菌落形态上，均为慢生型，圆形较小，半透明，在YMA平板上生长5～7天后的直径为0.8-2.0m。

2 不同环境因素对根瘤共生固氮系统的影响

（1）氮有效性对大豆根瘤共生固氮系统的影响。土壤中氮的有效性对根瘤共生固氮系统的形成十分重要。在低氮处理下，接种根瘤菌的效果非常明显，无论在地上部干重、根瘤数，还是植株氮含量都显著提高。但在高氮条件对根瘤共生固氮具有抑制作用。这是由于根瘤共生系统的直接产物为氮，豆科植物具有反馈调节作用，使之不能或很少结瘤。

表1 低氮条件下接种不同根瘤菌对地上部干重的影响

表中百分数为接种根瘤菌后与对照相比提高的百分数；计算公式为:(R-CK)/CK*100%

（2）磷有效性对大豆根瘤共生固氮系统的影响。研究结果表明：高磷有助于根瘤的形成，提高根瘤共生系统的固氮能力，主要表现在高磷处理下，大豆的根瘤数、固氮酶活性都显著高于低磷处理。Vitousek等（2002）将根瘤共生固氮系统需要较高磷的原因归纳如下：(1)豆科植物需要较多的磷，首先植物维持或形成共生系统需要比非共生植物消耗大量的磷，而且共生系统的植物由于得到足够氮供应，生长较快，而维持这种较快生长也需要较多的磷；(2)根瘤菌固氮需要较多的磷，主要是因为固氮酶在固氮过程中需要大量的磷，并且共生体本身是通过膜与植物根细胞分开的，这些膜的形成需要消耗大量的磷。

试验表明，磷处理对接种效果影响显著，高磷处理显著提高了巴西10号大豆品种的根瘤数和固氮酶活性，在低磷处理下很少结瘤，且结瘤的固氮能力明显减弱。

（3）接种不同根瘤菌菌株对大豆氮效率的影响。在筛选耐酸、耐低磷的高效根瘤菌时，我们设定了介质中的pH值为5.5，并设置了低磷处理，以期找到在低磷胁迫，酸性条件下表现仍然生长较好的根瘤菌菌株。在对根瘤菌进行筛选时，主要以地上部干重及氮含量作为筛选指标，其它性状如固氮酶活性、根瘤数等作为参考指标。因为固氮酶活性只反映测定时段内的固氮酶活，而且固氮酶活受诸多因素如昼夜、天气、生长期等的影响。同时，有的根瘤虽多，但酶活较低，无效瘤较多，也会有比较低的固氮效率。

3 结语

由于大豆品种不同，其最佳匹配的根瘤菌也不同。因此，对某一大豆品种而言，只有匹配最佳根瘤菌，才能获得最好的固氮效率。这与根瘤菌的宿主专一性有关。根瘤菌结瘤的豆科宿主专一性不仅表现在种的水平上，并且与品种差异有关。Cregan和Keyser的研究表明，大豆品种的不同基因型也限制了结瘤菌株的类型或血清型。在我们的盆栽试验中也发现有些大豆品种接种菌株后结瘤很少或者无效结瘤，表明它们与供试大豆品种的共生有效性低，根瘤菌与它的匹配很差，共生性有效性很低。

针对影响大豆—根瘤菌固氮效率的主要因素，筛选适应南方酸性红壤的高效根瘤菌菌株，发展我国南方大豆产业，是一项势在必行的重要举措。

[1]姜薇，关秀清，于井朝.生物固氮在集约化草地畜牧业中的作用[J].草业学报，2003，（6） .

[2]王卫卫，胡正海.几种生态因素对西北干旱地区豆科植物结瘤固氮的影响[J].西北植物学报，2003，（7）.

[3]慈恩，高明.环境因子对豆科共生固氮影响的研究进展[J].西北植物学报,2005，（6）.