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——發揮豆科植物—根瘤菌共生固氮作用減少氮肥用量

建議人：
陳文新 土壤微生物與細菌分類學家。中科院院士，中國農業大學教授
李季倫 微生物生理學家。中科院院士，中國農業大學教授
朱兆良 土壤農業化學家。中科院院士，中科院南京土壤所研究員
趙其國 土壤地理學家。中科院院士，中科院南京土壤所研究員
匡廷云 植物生理生化學家。中科院院士，中科院植物研究所研究員
吳常信 動物遺傳育種與畜牧學家。中科院院士，中國農業大學教授
鄧子新 微生物遺傳學家。中科院院士，上海交通大學教授
葛 誠 農業微生物學家。中國農業科學院研究員
高祥照 農業部全國農業技術推廣服務中心研究員
張福鎖 植物營養學家。中國農業大學教授

    “中國濫用化肥和農藥造成的污染，尤其是氮污染，已經嚴重危害到人體健康和環境質量，中國過量施用化肥和農藥已到極限。”這是在2004年中國環境與發展國際合作委員會年會上中外專家發表的意見。

    建國以來，為解決糧食生產問題，國家大力發展化肥工業，化肥生產和消費用量不斷上升。根據統計資料，2004年我國生產氮肥3300萬t純氮，消耗能源1億噸標準煤以上，我國已成為世界最大的氮肥生產國，同時也是世界最大的氮肥消費國。化學氮肥的使用，在提高作物產量、保障我國的糧食安全方面發揮了巨大作用，但過量施氮已形成了嚴重的面源污染。按2002年用肥和種植面積計，我國平均施氮肥量為美國的2.88倍、巴西的5.79倍、澳大利亞的8.85倍。而且，我國不同地區的化肥施用量嚴重不均，據調查，用量最高的200個縣，年均施氮量為522kg/ha，花、果、蔬菜單季施化肥量甚至高達569kg/ha～2000kg/ha。不合理施肥的結果是氮肥利用率極為低下，一般僅10%～30%，絕大部分氮肥揮發至空氣中和流入江河湖海，造成一系列的嚴重危害，如：水體、空氣、食物受污染，威脅人畜健康；自然界生物多樣性和生態系統穩定性降低；農作物病蟲害加重，土壤結構受破壞，肥力降低。

    如此大范圍的面源污染，只可從源頭控制來解決。除合理施用化肥以及無機、有機肥配合施用外，一個更重要的途徑是充分發揮豆科作物—根瘤菌共生固氮作用。這是一個既不消耗礦質能源且環境友好，又能減少化學氮肥用量并提高土壤肥力的有效途徑。

    豆科作物—根瘤菌共生體在農作物種植體系中的獨特作用

    豆科植物的突出特點是能與根瘤菌結瘤形成共生體，在自然環境中，在常溫、常壓下，將大氣中的氮氣轉化成氨，直接提供給植物做氮素營養；豆科植物根深葉茂，可從土壤深處吸收水分和養分；根瘤菌的分泌物還能溶解土壤中的鐵、磷、鉀、鎂、鈣等礦物。因而，豆科植物生命力極強，是荒漠貧瘠地的先鋒生物。在自然界中，已知200多屬細菌中含有固氮菌株，而根瘤菌與豆科植物共生固氮效率最高，據FAO估算，全球生物固氮量約為2.0億t/yr，而豆科植物—根瘤菌共生固氮量占其中的65%～70%。豆科植物所固定的氮可以提供該植物生長所需氮素營養的50%～80%，甚至100%，其地下部分含氮占植株總氮的30%～35%，殘體分解后可有效提高土壤肥力。

    表1中列舉幾種栽培豆科作物的固氮量，不同種類的豆科植物因與之共生的根瘤菌不同以及環境條件的影響，所固定的氮量有很大的變異幅度，通過科學技術進行調控，有可能實現其最大固氮量。

不同豆科植物每個栽培季的固氮量（KgN·ha-1）

豆科植物
 固氮量
 
大豆
 60-300
 
苜蓿
 90-340
 
豌豆
 50-500
 
三葉草
 45-670
 
具喙田菁
 60-800
 
木本豆科
 80-500
 

    豆科與禾本科及經濟作物實行間、套、輪作時可以為間作和后茬作物提供氮素營養，補充礦質養分，提高其產量。文獻報道豆科作物一般可為間作或混播的其他作物提供所需氮素30%～60%。最近，我國科學家們發現，豆、禾間作還能促使豆科更多的結瘤固氮，獲得雙高產。中國農業大學植物營養系在甘肅進行的蠶豆玉米間作試驗田中，在施氮肥225kg/ha情況下，間作蠶豆的產量比單作地的提高63.7%，達到單產8202kg/ha，玉米比單作產量提高17.3%，達到10886kg/ha，雙雙達高產水平。這是因為豆、禾植株生長靠近，根系交織，禾本科競爭吸走了豆科根際的營養，即排除了豆科根瘤菌“氮阻遏”的障礙。所謂“氮阻遏”，是指所有固氮生物在有化合氮的環境中均不固氮，因它的固氮酶合成和活性受化合氮抑制。近幾十年，不少科學家研究用基因工程手段解決這個問題，但尚未得到可實際應用的結果。今天，我們發現用中國農民幾千年來所采用的間套作措施，解決了對豆科植物施氮肥與生物固氮這個大矛盾，的確令人振奮。這個矛盾的解決，為豆、禾間套作提供了重要的科學依據，值得進一步揭示其作用機制，更充分地發揮該措施在增進生物固氮中的作用。

    豆科與其他作物輪作也是節省氮肥、改良土壤的良好措施。在不施肥的情況下，玉米、豆科作物輪作，可提高玉米產量235kg/ha～265kg/ha。種植草木樨后，再種小麥、谷子、糜子、高粱、玉米等作物，有40%～100%的增產效果。江蘇如皋市龍舌鄉于1995年示范種植70ha棉花與荷蘭豆輪作，荷蘭豆嫩莢平均產量7500kg/ha，干豆粒2250kg/ha，皮棉1350kg/ha，產值4.8萬元，經濟效益十分可觀。

    國內外豆科植物—根瘤菌固氮體系的利用現狀

    目前，國際上豆類種植最多的為大豆和苜蓿。美國的4大作物（棉花、大豆、小麥、苜蓿）中，兩個為豆科，因此，他們充分發揮了豆科植物—根瘤菌固氮體系的作用。1997年，美國豆科植物—根瘤菌固定的氮已達620萬t，占美國當年消耗氮肥1130萬t的55%以上。隨著豆科種植業的發展，至2002年美國化學氮肥消耗量已降至1087余萬t。澳大利亞曾在草地和農田引進過很多豆科牧草和作物，對篩選與之匹配的根瘤菌也做了大量研究，豆科—根瘤菌固氮已成為該國農牧種植業的主要肥源，早在1990年時，他們年消耗化學氮肥44萬t，而豆科植物固定的氮肥卻有140萬t，是化學氮肥使用量的3倍以上。他們現在計劃種植包括苜蓿的永久草地作為穩定的生物固氮途徑。阿根廷、巴西這些發展中國家也積極發展豆類種植，阿根廷1961年大豆種植面積僅980ha，至2003年增至1242萬ha，單產2801kg/ha，居世界第一；巴西1961年的大豆面積24萬ha，至2004年增至2147萬多ha，總產達4920.5萬t，占世界總產量的24.1%。巴西經反復試驗證明，種植大豆時，接種有效根瘤菌劑，與施肥150kgN/ha，甚至400kg N/ha的大豆相比，產量無大差異，平均大豆單產為2790kg/ha，(最高可達4000kg/ha)。所以巴西種大豆全部不施氮肥，只接種有效根瘤菌，大豆產量僅次于阿根廷，為世界第二，每年僅節約的氮肥價值就達25億美元之多。為此，巴西已計劃長期將生物固氮作為植物的氮源，并制定了豆科作物改良牧場的計劃。拉丁美洲豆、禾間作種植也成為主要生產體系。上述國家近10年來化學氮肥的消耗量均逐年降低，有力地證明發展豆科植物的種植，接種相匹配的高效根瘤菌完全可以減少化學氮肥用量和保持作物產量。

    我國古時就已盛行豆、禾間、套、輪作種植模式。20世紀50年代起，在幾位歸國的土壤微生物學專家的帶領下，對我國大豆、花生、紫云英根瘤菌接種，進行過大面積的試驗研究和推廣應用，收到很好效果；60年代至70年代，南方水稻產區普遍實行水稻—紫云英的輪作制度，既提高了水稻產量，又緩解了當時化肥緊缺的局面。但是由于大量糧食的需求，化肥的發展，豆類作物的種植面積曾有高達20%的萎縮，根瘤菌的研究和應用也陷入低潮。目前，我國每年大豆種植約800萬公頃，花生400萬～500萬公頃，加上苜蓿、其他豆科糧食、蔬菜、牧草、中藥、綠肥等，總面積已不算很小，但過分依賴化肥，反而抑制了豆科植物—根瘤菌共生固氮作用，造成嚴重浪費及不良后果。目前，國內雖有少數根瘤菌劑生產企業，屬起步階段，產量低、使用面積小。據了解，大豆接種根瘤菌面積僅為2%左右。

    我國豆科植物和根瘤菌研究現狀

    1.大容量的根瘤菌資源庫和頗具實力的研究應用隊伍

    盡管上世紀70年代后期以來，我國豆類種植與根瘤菌應用均呈萎縮之勢，但少數單位對根瘤菌的研究仍在堅持。如中國農業大學（原北京農業大學）根瘤菌課題組自上世紀70年代始，在科技部特別是國家自然科學基金委的資助下，先后組織了全國20個單位的同行對我國32個省（市）豆科植物結瘤情況進行了調查，并采集、分離根瘤菌，建成了國際上最大的根瘤菌庫（CCBAU），保藏根瘤菌7000多株；對其中3000多株菌進行了表型和遺傳型性狀詳細研究，發現了一大批抗逆性很強的種質資源；應用現代細菌分類技術，對大量菌株進行了分類和系統發育研究，發表了兩個根瘤菌新屬（國際上總共只有4個大屬）、15個新種，為根瘤菌接種事業準備了充足的種質資源；在深入研究根瘤菌的地理分布及與宿主植物共生關系后，提出根瘤菌接種的新見解，即接種的根瘤菌必須與豆科植物的共生遺傳特性相匹配，并要與環境相適應。與此同時，該課題組已培養了研究生近80名，有些已成為國內外該領域的骨干，在我國西北、西南、華北、華中、華南、東北均有分布，為我國根瘤菌事業準備了優秀的領軍人才。

    2.豆科植物育種工作取得顯著進展

    近年來，我國在大豆育種方面取得了顯著進展，收集了大量種質資源，充分利用雜種優勢，改進制種技術，先后選育出南農、中黃、黑農、冀豆系列等優良品種，在生產上大面積推廣應用；大豆花葉病毒病株系劃分、大豆胞囊線蟲病抗性機理及防治取得重要進展。苜蓿育種研究也取得了可喜成就，育成了甘農系列苜蓿品種，以及我國唯一的耐鹽苜蓿品種“中苜一號”等。“中苜一號”在含鹽量0.4%～0.5%的土壤正常生長，干草產量可達15000kg/ha以上。

    上述卓有成效的工作為我國廣泛應用豆科作物—根瘤菌共生體系提供了良好的種質資源基礎和技術貯備。

    幾點具體建議

    1.發揮豆科作物和牧草在復種模式中的作用

    我國在耕地日趨萎縮的情況下，為確保糧食安全，發展復種是糧食播種面積保持在1.1億公頃以上的主要保證。目前復種指數還大有潛力可挖。我國當前主要復種模式多是禾本科作物之間的間、套、輪作。我們建議在這些間套輪作系統中加入一茬豆科作物；水稻田休閑時播種豆科綠肥作物或短季豆類作物；將我國大豆產區也建成豆、禾輪作體系；在我國西北灌溉區繼續發展蠶豆/玉米間套，小麥/大豆間套種植；在華北地區恢復花生/玉米或大豆/玉米間套作；在農牧區實行草田輪作套種，這也是農牧區發展畜牧業的重要飼草來源。

    此外，我國有4億ha草地，在使用的約2.6億ha，經過改良的僅只1%，草地質量差，平均要2ha草地才能承載1個羊單位，與世界牧草發達國家有數十倍的差距；單位草地面積產值僅為澳大利亞的1/10，荷蘭的1/50；我國整個畜牧業產值只占農業總產值的30%，而世界農牧業發達國家通常在50%以上，如美國為60%以上、德國為73%。我國要提高畜牧業產值在農業產值中的比例，必須大力發展牧草種植業，進行草場改良，多種豆科牧草，接種根瘤菌，進行豆、禾混播。苜蓿和斜莖黃芪等均是優質豆科牧草，為當今西部農牧民種草之首選。

    2.加強根瘤菌的應用基礎研究

    豆科植物與根瘤菌兩者均不能單獨固氮，必須適宜匹配形成根瘤共生體才能固氮，在未種過豆科植物的土壤中常常缺少能與該植物匹配良好的根瘤菌，或者有可以與之結瘤、但固氮能力低下的土著菌，僅是消耗宿主的營養而很少固氮，因此要獲高固氮效果必須接種與之匹配且高效固氮的根瘤菌，必須先進行自然選種，也可對菌株進行分子生物學技術改造，篩選出高固氮、高競爭結瘤、高抗逆（如耐酸、耐堿、耐鹽、耐高溫、耐受農藥等）及存活力強的菌株制作接種劑；同時，接種劑質量、劑型、使用方法，以及配套的農機具、使用菌種的復壯等問題也亟待研究解決，否則這些技術問題將形成措施落實的瓶頸。所以除基礎研究外，還必須加強根瘤菌應用基礎研究。這需要國家作必要的經費投入，開展研究，使之為根瘤菌接種劑產業化提供技術支撐。

    3.多學科聯合，注重豆科作物品種選育與根瘤菌匹配研究結合

    豆科作物品種選育有別于其他作物，不應看重作物從土壤吸肥能力，而應注重與良好的根瘤菌匹配，形成新品種與優良根瘤菌組合，獲得共生體高效固氮能力。因此，應加強學科聯合，使我國豆科作物育種與根瘤菌匹配相結合，選育出既高產、優質，又高效固氮的豆科植物—根瘤菌共生體系。

    4.設立相應機構保證根瘤菌劑質量

    進行根瘤菌接種，菌劑質量是關鍵。根據澳大利亞百年來的經驗，需設立相應的技術機構，隨時研究解決菌劑生產中的問題，嚴格檢驗產品質量。關于根瘤菌應用最好納入到我國沃土工程中去。

    很多發達國家和發展中國家的實踐經驗已充分證明，增加豆科作物種植、接種高效根瘤菌，能大量固定大氣中的氮，不僅供豆科作物本身利用，還可給與之間、套、輪作的禾本科作物及經濟作物提供氮素營養，活化礦質元素，并能減少病、蟲危害。因此，建議在我國西部退耕還林還草地區，多種豆科植物；在全國農牧種植業中，改進種植模式，廣泛發展豆科作物與禾本科作物及經濟作物的間套輪作，給豆科作物接種高效根瘤菌，充分發揮其固氮作用。這一方式可為國家節約大量氮肥，既減少能源消耗、保護環境，又能提高農民收入、確保糧食安全，還能提高土壤肥力，保障農、牧業持續發展。這是一項利在當代并持續千秋的事業，希望能在我國農、林、牧種植業中及早廣泛推行。