充分利用生物固氮减少氮肥用量

□中科院院士、土壤与环境微生物学家陈文新

植物生长所需大量氮素营养均来源于大气。尽管大气中含氮78%，但任何动植物均不能直接利用。只有那些能合成固氮酶的细菌和古菌可以将它还原成氨后加以利用，这些菌统称固氮微生物，包含在200多个属中。生物固氮是在常温常压下进行，无需消耗矿质能源。在工业化生产氮肥之前，生物固氮是自然生态环境中氮素营养的主要来源。到今天，地球上生物固氮量仍然是工业氮肥总量的两倍，而其中由根瘤菌与豆科植物共生体固定的氮占生物固氮总量的80%，为最强大的固氮体系。

根瘤菌与豆科植物共生互作形成根瘤，在这个过程中根瘤菌从宿主获得碳源和能源，将大气中的氮气转化为植物氮素养分，两者互惠共生。据研究，豆科植物会自己调控根瘤的数量和固定的氮量，不会无谓消耗本身能量。巴西、阿根廷自上世纪60年代以来大规模扩种大豆，均不施氮肥，只用根瘤菌剂接种并辅以适量的磷、钾肥。产量均在3000公斤/公顷以上，最高产量可以达到4500公斤/公顷。菌剂的投入产出比高达1∶16（2.55：405美元/公顷）。在我国20世纪五六十年代，大豆、花生、紫云英接种根瘤菌实验在南北方均广泛开展，效果同样很好。而70年代以后，由于化肥大量投入，豆科作物接种根瘤菌事业处于停顿状态，种大豆也主要依赖氮肥，单产低到只有1500公斤/公顷，在世界上排第八位（排名前7位的国家均接种根瘤菌，不施氮肥）。过去30多年中，中国农业大学根瘤菌研究中心对中国的根瘤菌资源进行了全国范围的调查研究，建立了12000多菌株的根瘤菌菌种保藏库，是目前国际上菌株数量最大，宿主种类最多（采自600多种豆科植物）的根瘤菌库；对其中近8000个菌株进行系统分类研究，发表了2个根瘤根新属和40多个新种，约占国际总数的一半；在长期的研究中，我们发现与同种植物共生的不同根瘤菌种群有明显的地理区域性分布，研究得知是因为它们具有不同的代谢与抗逆基因，从而适应不同的生态环境；同种根瘤菌的不同菌株对植物不同品种共生有效性差异很大，也是因它们具不同的共生基因所致。根据这些发现，我们已经有针对性地为大豆、花生、扁豆、苜蓿等在不同地区的主要栽培品种进行了根瘤菌选种，筛选出具有品种适应性强、结瘤固氮活性高的一些菌株。

在河北、河南、山东的田间小区试验表明，大豆接种优质根瘤菌可以增产17.8～35.6，产量在4000公斤/公顷以上。接种比每亩施用10公斤尿素追肥的产量还高10%。上世纪80年代的田间试验表明：完全不施化肥，花生接种根瘤菌可以增产14.5%～28.0%。因此，为豆科作物接种优质根瘤菌可以减少化肥用量，减少水源污染、节省能源和培肥地力，我们应该大力推广高效根瘤菌剂的应用。