供氮水平对大豆结瘤固氮的系统性影响

张博文 高 珊 王玲玉 王译爽

（东北农业大学，黑龙江 哈尔滨 150030）

大豆作为我国重要的粮食及油料作物，是世界油料产量的主要贡献者，也是我国进口量最大的农产品之一。氮素作为大豆的必需元素，在各个方面均影响着大豆的生长发育。从平衡大豆固氮与施用氮肥的方面来看，施用适量的氮肥，可以在生产中充分发挥生物固氮的作用，减少氮肥的使用，促进可持续农业发展，又能降低大豆生产成本，获得较高产量。因此，通过外界补充氮素对大豆结瘤和固氮具有重要意义。

大豆是一种重要的固氮作物，但仅依靠其自身的固氮功能，不能满足其生长发育和丰产需求［1］。豆科作物主要通过根部直接吸收无机氮和根瘤固氮来获取氮素，较高浓度的无机氮对结瘤及固氮会产生抑制作用，而低浓度氮对结瘤及固氮有促进作用。氮素与根瘤固氮之间既是相辅相成又是互相矛盾的，当氮素与根瘤固氮相结合时可达到高产，但是二者之间的矛盾会对根瘤固氮产生不利影响。施用氮肥不仅会提高生产成本，而且经常过量施用化学氮肥，也会对生态系统造成严重影响。为了解决这些问题，应加强生物固氮研究，以促进农业可持续发展。

1 豆科植物、根瘤菌共生固氮发现及研究简史

有关豆科作物共生固氮的研究已有近百年历史。在一些豆科植物中，根瘤菌与豆类作物根部共生形成根瘤，它们在功能上高度统一，在根瘤中以类菌体形态存在的根瘤菌固定氮气，为豆科植物提供氮素，而豆科植物又为其供应充足的碳和其他营养物质［2］。1838年，豆科作物能固氮被首次提出［3］。1866年，发现豆科植物根瘤中含有微生物，并指出微生物侵入植物是根瘤形成的主要原因［4］。1883年，首次提出豆科植物能固氮的学者根据田间试验和农业化学分析的结果提出，豆科植物可以从空气中获得氮素营养。1886年，有学者用砂培试验证明，只有着生根瘤的豆科植物才能固定空气中的氮。1888年，有学者首次分离得到根瘤菌的纯培养体。1889年，有学者给豆科植物接种根瘤菌纯培养体，形成了根瘤［5］。目前，大豆主要生产国如美国、巴西和阿根廷等根瘤菌接种面积占大豆种植面积的50%以上，大豆根瘤菌剂的使用十分普遍，少施用甚至不施氮肥，也同样获得了十分可观的经济效益［6］。利用根瘤菌接种豆科植物以提高其固氮效率已有100多年历史，虽然我国在生物固氮这个领域的研究起步较晚，在根瘤菌固氮方面的研究只有70多年历史，但对根瘤菌固氮的应用相对较早。

2 大豆结瘤固氮与供氮水平的关系

有学者利用土培分根法，给大豆一侧根施不同浓度硝酸铵，施氮侧的根瘤数量和质量随施氮浓度的增加而显著减少，并使未施氮侧的根瘤质量减少，但是未施氮侧根瘤数量并未减少。有学者在水培条件下对大豆分根系统的一侧根供NO3-，发现施氮侧根瘤数量和质量随着氮浓度增加而减少，不施氮侧根瘤数量相对恒定。有学者利用大豆分根系统，向一侧根供15NO3-，发现在另一侧不施加氮的根及根瘤中检测到了15N标记，且随着施氮侧供氮浓度的增加而增加。还有学者向大豆分根系统一侧施加13NH4+，在地上部和未供氮侧也都检测到13N标记的氨基酸，说明氮是可以通过地上部分系统性影响另一侧根系生长。DAIMON等［7］利用分根法对花生一侧根施用14 mmol/L NO3-，5 d后，施氮侧的固氮酶活性明显较另一侧活性低，处理30 d后，供氮侧和不供氮侧根瘤固氮酶活性都受到了抑制。有部分学者利用砂培大豆分根法，在一侧根接种根瘤菌10 d后给另一侧根接种根瘤菌，发现后接种根瘤菌一侧的根结瘤受到抑制，还有的以豌豆为试验材料，也得出了一致的结果，表明结瘤受另外一侧根的系统性调节。CARROLL等［8］对白三叶草、木黄麻和苜蓿采用分根法，一侧根供氮，另一侧不供氮，也发现施氮侧随供氮浓度增加，根瘤干质量和数量增长明显受到抑制，而未供氮侧根瘤干质量和数量差异不显著。这表明供氮水平对豆科作物的根瘤生长和固氮酶活性存在局部抑制现象。

BETHLENFALVAY等［9］用蛭石培养豌豆，施用不同浓度的铵态氮，发现铵态氮浓度0～2 mmol/L时，植株干质量略有增加；铵态氮浓度为4、8、16 mmol/L时，植株干质量无明显变化。SKRDLETA等［10］以珍珠岩栽培豌豆为试验材料，当NO3-N处理浓度为20 mmol/L时，处理1 d可迅速抑制豌豆根瘤固氮酶活性；在20 mmol/L浓度下处理3 d，根瘤干质量开始减少。CARROLL［8］利用分根法对白三叶草一侧根供应不同浓度的硝酸盐，随着硝酸盐浓度的增加，根瘤发育受到抑制，而在无硝酸盐条件下根瘤数和质量增长没有受到抑制。DAIMON等［7］在砂培条件下，施用浓度分别为0.7、3.5、14.0 mmol/L的硝态氮，发现0.7 mmol/L时的根瘤数、鲜质量和固氮酶活性较高，3.5 mmol/L时最高，14.0 mmol/L时最低。YASHIMA等［11］在双层水培盆栽系统中，将大豆根分为上部和下部两个部分，分别向上部和下部施用0 mmol/L或5 mmol/L的硝态氮。他们发现，在硝态氮存在或不存在的情况下，对根瘤生长和固氮酶活性的影响可以迅速可逆调节。这一发现表明，随着氮素浓度的变化，大豆根瘤生长和固氮酶活性受到的直接抑制是可逆的。TANAKA等［12］在水培条件下对大豆分根系统一侧供给NO3-，也发现施氮侧的根瘤质量和固氮酶活性均随NO3-浓度的增加而显著降低，而浓度在100 mg/L以下时，未施NO3-侧的根瘤质量和固氮酶活性并没有受到显著影响；当浓度在200 mg/L时，未施NO3-侧根瘤质量和根瘤固氮酶活性则受到不利影响。

王树起等［13］对供试大豆采用框栽试验并设置5个氮肥水平，随氮素施用量增加，根瘤干质量先增加后减少，最大值出现在氮100 kg/hm2处理，因此得出高水平外源氮素抑制大豆根瘤生长。方差分析结果显示，不供氮与供氮处理间均存在显著差异，但N50与N200处理间无明显差异。根瘤数量与干质量变化趋势相同，供氮侧根瘤数量显著高于未供氮侧，不同施氮处理间差异明显。董守坤等［14］采用（15NH4）2SO4作为氮源，在砂培条件下发现，适当提高外源氮素水平对根瘤的生长有促进作用，根瘤的生长需要外界提供一定的氮素营养，但当外源氮水平过高时，过量的氮素就会抑制根瘤的生长，并使根瘤干质量的峰值提前到达。严君等［15］发现在一次性供氮方式处理下，N1（75 kg/hm2）处理的根瘤数量最多，变化趋势与根瘤干质量相同，在播种期施用适量“起爆氮”有明显促进根瘤形成的作用。

YINBO等［16］在珍珠岩中培养大豆，高浓度的矿质氮（10 mmol/L）、硝态氮、铵态氮和硝酸铵，均显著抑制大豆单株结瘤数量、质量和固氮量的增长，而较低 的 矿 质氮浓度（1.00 mmol/L或3.75 mmol/L）结 瘤数量、质量和固氮量均显著提高。HIROYUKI等［17］利用双层系统将大豆根分为上下两部分，长期供给下部根低浓度氮（1 mmol/L）能够促进上部根结瘤和固氮，当下部根供氮浓度由0 mmol/L变为5 mmol/L处理40 d后，上部根和下部根的根瘤数量、根瘤质量明显减少且固氮酶活性明显降低，当下部根供氮浓度从5 mmol/L变为0 mmol/L处理40 d后，上部根和下部根的根瘤数量、根瘤质量及固氮酶活性均明显恢复。XIA等［18］对大豆双根系统一侧供不同浓度氮，供氮侧的根瘤数量和质量随氮浓度的增加呈先上升后下降的变化，未供氮侧的根瘤数量和质量不随浓度变化而改变趋势，根瘤固氮酶活性供氮侧与未供氮侧均随氮浓度的增加呈先升高后降低的变化趋势，在50 mg/L浓度达到峰值，供氮侧与未供氮侧的单位质量根瘤固氮酶活性和每株根瘤固氮酶活性均随着氮浓度的变化表现出同步性，供氮侧和未供氮侧单位质量根瘤固氮酶活性和每株根瘤固氮酶活性随着氮浓度的增加而降低，降低而增加，变化一致。LÜ等［19］采用江砂盆栽培养双根大豆植株，供氮侧供25 mg/L氮处理根瘤数和根瘤质量均显著高于供100 mg/L氮处理。

3 大豆氮素积累与供氮水平的关系

BETHLENFALVAY等［9］认为施氮浓度影响大豆干质量及氮素积累量。YINBO等［16］试验结果表明，随着氮素浓度的增加，大豆干物质积累量和氮素积累量相应增加，但高浓度氮素（10 mmol/L）对大豆生长有抑制作用。董守坤等［14］研究表明，外源营养液氮浓度较低时，由于氮供应不充足，氮素积累量较少，而外源氮水平过高也不利于氮素的积累。随氮素营养水平提高，大豆植株氮素积累量先升高后降低，氮浓度为50 mg/L时，大豆植株氮素积累量最大。严君等［15］对供试大豆进行一次供氮（3种供氮处理75、150、225 kg/hm2）和分次供氮处理，得出不同供氮方式氮素积累的变化趋势一致，均随植株生育时期的推进先升高后降低，鼓粒期达到最大值。总体上，与一次性施氮相比，分次供氮对大豆地上部氮素积累有更大的促进作用，对大豆植株吸收氮素营养更有利。LÜ等［19］利用嫁接方法制备的大豆双根系统，对双根大豆一侧根供氮，高氮浓度能够明显促进植株地上部及两侧根的生长发育和氮素积累，施氮虽然能够促进未供氮侧根的干物质和氮素积累，但对供氮侧根部生长和氮素积累促进更为显著，在高氮浓度下尤为显著，表明大豆根系对高浓度氮表现出趋氮性。值得一提的是，在高氮水平下N+侧根系氮含量、氮素积累量明显高于N-侧，这表明氮素对根系氮含量和氮素积累量的影响是局部性的，氮素更易促进直接接触的根系进行氮素积累，而对氮素积累的促进作用较干物质积累明显，这可能是由于直接接触氮的一侧根在遇到较高氮浓度时，将氮吸收后以某种形式储存起来，使得其氮素含量增加，供氮对干物质积累的促进作用并没有对氮素含量和氮素积累量促进作用大。

4 结语

大豆在生长发育过程中对氮素的需求量较多，氮素的主要来源是：从土壤中吸收氮素、生物固氮产生的氮素和施用化学氮肥。豆科作物依靠根瘤固氮仅能满足其正常生长所需的50%左右，在其生长发育后期往往会出现供氮不足的问题，难以达到丰产目标，因此仍需施入一定量的氮肥［20］。外源氮素对大豆根瘤的生长具有显著影响［21］，氮肥的施用对大豆的生物固氮有双重作用，少量氮肥可提高大豆的生物固氮效率，氮肥用量过多或在不适宜阶段施用氮肥，不仅会抑制豆科植物的共生固氮能力，而且达不到增产的效果［22］。