根瘤菌对生态农业的重要意义及其影响因素

李 玲，沈宝宇，张天静，宗绪晓

（1.辽宁省经济作物研究所，辽宁辽阳111000；2.中国农业科学院，北京100081）

建国以来，我国为了解决粮食问题，化肥生产量和消费量不断攀升，2004 年我国生产氮肥3 300 万t纯氮，消耗能源约1 亿t 标准煤，已成为世界最大的氮肥生产国和消费国[1]。化学氮肥的使用，在提高作物产量、保障我国粮食安全上发挥了巨大作用，但过量使用化学氮肥，对生态环境的胁迫增大，土壤质量、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，从1997—2005 年，施用每千克氮肥增加的粮食产量从55 kg 下降到20 kg[2]，这表明N 的利用效率急剧下降。自19 世纪90 年代，化肥的过量施用也导致了严重的环境恶化[3]。根瘤菌因其可与豆科植物共生形成特殊结构——根瘤，具有生物固氮作用而受关注。利用根瘤菌—豆科植物共生固氮体系可减少氮肥的投入，改善土壤生态环境。该文介绍了根瘤菌对生态农业发展的重要性，以及根瘤菌—豆科植物这一共生体系的影响因素。

1 根瘤菌对生态农业的重要性

1.1 根瘤菌

根瘤菌是一类广泛分布于土壤中的革兰氏阴性细菌，它可以侵染豆科植物根部形成根瘤，固定空气中的分子态氮形成氨，为植物提供氮素营养，改良土壤。共生固氮是一个自然的过程，对全世界农业具有重要的意义。据统计，全球每年生物固氮量达1.75×108t[4]，为世界工业氮肥产量的4.37 倍[5]。根瘤菌与豆科植物的共生是生物固氮体系中作用最强的体系，所固定的氮约占生物固氮总量的65%[6-8]。

不同豆科植物固氮效率不同，大豆最强，其次是蚕豆、豌豆、鹰嘴豆、小扁豆和菜豆[9]。豌豆作为良好的固氮作物，豌豆根瘤可固定氮素75 kg/hm2，相当于375 kg 硫酸铵或225 kg 尿素[10]。在干旱、半干旱农作区，种植豆科植物或将其与农作物轮作，是修复干旱、半干旱区的生态损伤，抑制土壤退化的有效途径之一[11]。

1.2 环境友好型根瘤菌-豆科植物共生体系特征特性

根瘤菌—豆科植物共生体系在生态农业中的作用可表现为常温常压下即能将空气中的氮气固定为氨，满足豆科植物自身氮素需求量，其根部含其总氮量的30%～35%还可留给后茬作物使用[12]；根瘤菌—豆科植物共生体可为与其相间、相混种植的其他植物提供其当季生长所需氮量的30%～60%，互惠共高产[12]；根瘤菌的分泌物具有溶磷、钙、镁等矿物的作用[13]。一些根瘤菌可产生生长素（IAA）、结瘤因子（LCO）等刺激素，促进禾本科等植物的生长[14-15]。根瘤菌接种豆科作物及与其他作物间作可增强作物抗病性，减少农药的使用[16]。因此，扩大根瘤菌—豆科作物的应用，可促进农业可持续发展。在巴西，2 300 万hm2大豆不施或少施化肥，成功依靠接种根瘤菌，可以提供作物需氮量的80%以上，即300 kg/hm2氮肥，大大节约了投入成本[17]。生物固氮的益处在越南得到了证明，生产上多种豆类通过接种根瘤菌减施氮肥[18]。在澳大利亚，小麦—鹰嘴豆/蚕豆轮作种植，使小麦多得40 kg/hm2氮肥，是来自豆科植物—根瘤菌共生体系固定的氮肥，另外小麦产量增产10%～40%[19]。由此可见，在生态农业建设中，充分发挥根瘤菌—豆科植物共生体系的作用，可大幅减少化学氮肥的使用，走一条“产出高效、产品安全、资源节约、环境友好”的现代生态农业发展道路。

2 根瘤菌—豆科植物共生固氮体系影响因素

2.1 根瘤菌与豆科植物的相互作用

国内外研究表明，根瘤菌与豆科植物的共生固氮作用是一个非常复杂的相互作用过程。陈文新等[20]提出共生过程受根瘤菌基因组、植物基因组和环境因子3 方面因素的影响，这说明，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[21]。根瘤菌与豆科植物的共生体系依赖于双方在分子水平上的一系列信号交流与应答。受豆科植物根部分泌的特殊化合物如类黄酮与异类黄铜的诱导，根瘤菌的结瘤基因负责结瘤因子的脂几丁质寡糖的合成与分泌，结瘤因子反之可诱导植物根毛卷曲和根瘤原基的形成，随后根瘤菌侵染植物体，共生体系双方信号持续交换，以维持根瘤的正常生长并进行固氮反应[22-24]。

2.2 根瘤菌和土壤的相互作用

土壤是限制豆科植物与根瘤菌生长及其固氮活力的主要限制因子，因在根瘤菌—豆科植物的共生体系中，固氮作用与寄主植物显著相关，因此，在具有限制寄主植物生活力的因子存在条件下，如土壤盐分、土壤pH、营养胁迫、土壤温度、土壤水分、土著根瘤菌等[25-26]，竞争性且持久性的菌株不能表达其全部的固氮能力[27]。土壤盐分限制了共生体系的内在过程。在170m MNaCl 存在条件下，大豆根毛显示弯曲或变形，在210m MNaCl 条件下，结瘤完全被抑制[28]。Worrall 等研究表明，当土壤水分由5.5%降至3.5%时显著降低了根瘤菌的侵染率[29]。Sellstedt 等研究表明，乙炔还原法测定水分胁迫条件下源于固氮作用的N 降低了约26%[30]。土壤温度影响根毛侵染、根瘤结构及根瘤功能[31]。对大多数根瘤菌，其培养生长适宜温度在28～31℃，37℃时，许多菌株不能生长[32]。Rice 等研究表明，根瘤菌在8℃土壤温度时，其固氮酶活性完全停止，土壤温度为21℃时，其根瘤数量最多[33]。

中性土壤更有利于根瘤菌对各种营养的吸收。在酸性土壤中，钙、镁和磷是有限的，另一方面，碱性土壤，钠的毒性可能胁迫根瘤菌及其固氮功能。土壤pH 是重要的土壤特性之一，显示植物对营养的可得性[34]，此外，土壤pH 也直接影响免耕土壤根瘤菌的数量及固氮效率[35]。Slattery 研究表明，不同类型土壤的根瘤菌接种结瘤效果存在差异[36]。土质粘重的土壤较砂质土壤相比，土壤中根瘤菌的存活率较高[37]。土壤中广泛存在固氮效率较低且具有较强竞争力的土著根瘤菌，其在豆科植物上易形成固氮效率低的根瘤，因此，影响结瘤菌的占瘤率而减少有效固氮。事实上，一定土壤条件下，土壤的载菌量有限，靠增加接种菌的量来提高占瘤率，其效果同样有限[38]。因此，要成功接种必须针对当地土著菌筛选出竞争结瘤能力强的菌株，另外，为了减少农业经济损失，大量的农药施用在土壤。除草剂、杀菌剂及其他农药对固氮作用均会产生重要影响与限制。

2.3 施肥对根瘤菌—豆科植物共生固氮体系的影响

土壤养分状况影响豆科植物及根瘤菌生长发育及共生固氮过程，根瘤菌—豆科植物共生体系所必须的营养元素有碳、氢、氧、氮、磷、钾、硫、钙、镁、铁、锌、锰、铜、硼、钼、氯、镍、钴，每一种必需营养元素都具有特定的生理生化作用，用来建立和作用于豆科植物和根瘤菌之间的共生关系[39-42]。

在种植豆科作物时，最好根据测定的土壤氮素养分状况，少施或不施氮肥。一般在肥力高的土壤中，特别是有机质丰富的土壤中，不需要施用氮肥，氮肥过量有时会减少大豆等作物的结瘤和共生固氮[43]；在肥力和有机质低至极低的土壤中，以300～450 kg/hm2的量施用氮肥，作为“起爆氮”以促进幼苗的生长及根瘤的形成，有利于豆类的生长和提高产量[44]。

在主要营养元素中，磷对结瘤和氮的固定都是必需的，事实上，根瘤是磷的强吸收源。因此，共生固氮植物需要更多的磷。豆科植物氮素营养模式影响其对磷的需要量[45]。为了通过豆科植物获得共生固氮的潜力，充足的磷供应是先决条件，因为有些豆科植物在土壤磷不足的条件下无法与根瘤菌建立共生关系[46]。

3 利用根瘤菌—豆科作物共生体作用的注意事项

第一，针对不同种类的豆科植物选用不同的根瘤菌；第二，为不同植物品种选用最佳匹配的高效根瘤菌；第三，不同生态区选用适应当地土壤环境的根瘤菌[12]。按照上述原则，推广豆科植物并接种相匹配的高效根瘤菌，就能在实现“优质、高产、减化肥、减农药、肥沃土壤、友好环境”的生态农业中起重要作用。