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——發(fā)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(xì)菌分類學(xué)家。中科院院士，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)教授
李季倫 微生物生理學(xué)家。中科院院士，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)教授
朱兆良 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)家。中科院院士，中科院南京土壤所研究員
趙其國(guó) 土壤地理學(xué)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(xué)家。中科院院士，中科院植物研究所研究員
吳常信 動(dòng)物遺傳育種與畜牧學(xué)家。中科院院士，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)教授
鄧子新 微生物遺傳學(xué)家。中科院院士，上海交通大學(xué)教授
葛 誠(chéng) 農(nóng)業(yè)微生物學(xué)家。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究員
高祥照 農(nóng)業(yè)部全國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心研究員
張福鎖 植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)家。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)教授

    “中國(guó)濫用化肥和農(nóng)藥造成的污染，尤其是氮污染，已經(jīng)嚴(yán)重危害到人體健康和環(huán)境質(zhì)量，中國(guó)過量施用化肥和農(nóng)藥已到極限。”這是在2004年中國(guó)環(huán)境與發(fā)展國(guó)際合作委員會(huì)年會(huì)上中外專家發(fā)表的意見。

    建國(guó)以來，為解決糧食生產(chǎn)問題，國(guó)家大力發(fā)展化肥工業(yè)，化肥生產(chǎn)和消費(fèi)用量不斷上升。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，2004年我國(guó)生產(chǎn)氮肥3300萬t純氮，消耗能源1億噸標(biāo)準(zhǔn)煤以上，我國(guó)已成為世界最大的氮肥生產(chǎn)國(guó)，同時(shí)也是世界最大的氮肥消費(fèi)國(guó)。化學(xué)氮肥的使用，在提高作物產(chǎn)量、保障我國(guó)的糧食安全方面發(fā)揮了巨大作用，但過量施氮已形成了嚴(yán)重的面源污染。按2002年用肥和種植面積計(jì)，我國(guó)平均施氮肥量為美國(guó)的2.88倍、巴西的5.79倍、澳大利亞的8.85倍。而且，我國(guó)不同地區(qū)的化肥施用量嚴(yán)重不均，據(jù)調(diào)查，用量最高的200個(gè)縣，年均施氮量為522kg/ha，花、果、蔬菜單季施化肥量甚至高達(dá)569kg/ha～2000kg/ha。不合理施肥的結(jié)果是氮肥利用率極為低下，一般僅10%～30%，絕大部分氮肥揮發(fā)至空氣中和流入江河湖海，造成一系列的嚴(yán)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(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性降低；農(nóng)作物病蟲害加重，土壤結(jié)構(gòu)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(jī)、有機(jī)肥配合施用外，一個(gè)更重要的途徑是充分發(fā)揮豆科作物—根瘤菌共生固氮作用。這是一個(gè)既不消耗礦質(zhì)能源且環(huán)境友好，又能減少化學(xué)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(nóng)作物種植體系中的獨(dú)特作用

    豆科植物的突出特點(diǎn)是能與根瘤菌結(jié)瘤形成共生體，在自然環(huán)境中，在常溫、常壓下，將大氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化成氨，直接提供給植物做氮素營(yíng)養(yǎng)；豆科植物根深葉茂，可從土壤深處吸收水分和養(yǎng)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(qiáng)，是荒漠貧瘠地的先鋒生物。在自然界中，已知200多屬細(xì)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(jù)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(zhǎng)所需氮素營(yíng)養(yǎng)的50%～80%，甚至100%，其地下部分含氮占植株總氮的30%～35%，殘?bào)w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(huán)境條件的影響，所固定的氮量有很大的變異幅度，通過科學(xué)技術(shù)進(jìn)行調(diào)控，有可能實(shí)現(xiàn)其最大固氮量。

不同豆科植物每個(gè)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(jīng)濟(jì)作物實(shí)行間、套、輪作時(shí)可以為間作和后茬作物提供氮素營(yíng)養(yǎng)，補(bǔ)充礦質(zhì)養(yǎng)分，提高其產(chǎn)量。文獻(xiàn)報(bào)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(guó)科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，豆、禾間作還能促使豆科更多的結(jié)瘤固氮，獲得雙高產(chǎn)。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)植物營(yíng)養(yǎng)系在甘肅進(jìn)行的蠶豆玉米間作試驗(yàn)田中，在施氮肥225kg/ha情況下，間作蠶豆的產(chǎn)量比單作地的提高63.7%，達(dá)到單產(chǎn)8202kg/ha，玉米比單作產(chǎn)量提高17.3%，達(dá)到10886kg/ha，雙雙達(dá)高產(chǎn)水平。這是因?yàn)槎埂⒑讨仓晟�長(zhǎng)靠近，根系交織，禾本科競(jìng)爭(zhēng)吸走了豆科根際的營(yíng)養(yǎng)，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(huán)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(xué)家研究用基因工程手段解決這個(gè)問題，但尚未得到可實(shí)際應(yīng)用的結(jié)果。今天，我們發(fā)現(xiàn)用中國(guó)農(nóng)民幾千年來所采用的間套作措施，解決了對(duì)豆科植物施氮肥與生物固氮這個(gè)大矛盾，的確令人振奮。這個(gè)矛盾的解決，為豆、禾間套作提供了重要的科學(xué)依據(jù)，值得進(jìn)一步揭示其作用機(jī)制，更充分地發(fā)揮該措施在增進(jìn)生物固氮中的作用。

    豆科與其他作物輪作也是節(jié)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(chǎn)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(chǎn)效果。江蘇如皋市龍舌鄉(xiāng)于1995年示范種植70ha棉花與荷蘭豆輪作，荷蘭豆嫩莢平均產(chǎn)量7500kg/ha，干豆粒2250kg/ha，皮棉1350kg/ha，產(chǎn)值4.8萬元，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

    國(guó)內(nèi)外豆科植物—根瘤菌固氮體系的利用現(xiàn)狀

    目前，國(guó)際上豆類種植最多的為大豆和苜蓿。美國(guó)的4大作物（棉花、大豆、小麥、苜蓿）中，兩個(gè)為豆科，因此，他們充分發(fā)揮了豆科植物—根瘤菌固氮體系的作用。1997年，美國(guó)豆科植物—根瘤菌固定的氮已達(dá)620萬t，占美國(guó)當(dāng)年消耗氮肥1130萬t的55%以上。隨著豆科種植業(yè)的發(fā)展，至2002年美國(guó)化學(xué)氮肥消耗量已降至1087余萬t。澳大利亞曾在草地和農(nóng)田引進(jìn)過很多豆科牧草和作物，對(duì)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(guó)農(nóng)牧種植業(yè)的主要肥源，早在1990年時(shí)，他們年消耗化學(xué)氮肥44萬t，而豆科植物固定的氮肥卻有140萬t，是化學(xué)氮肥使用量的3倍以上。他們現(xiàn)在計(jì)劃種植包括苜蓿的永久草地作為穩(wěn)定的生物固氮途徑。阿根廷、巴西這些發(fā)展中國(guó)家也積極發(fā)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(chǎn)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(chǎn)達(dá)4920.5萬t，占世界總產(chǎn)量的24.1%。巴西經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)證明，種植大豆時(shí)，接種有效根瘤菌劑，與施肥150kgN/ha，甚至400kg N/ha的大豆相比，產(chǎn)量無大差異，平均大豆單產(chǎn)為2790kg/ha，(最高可達(dá)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(chǎn)量?jī)H次于阿根廷，為世界第二，每年僅節(jié)約的氮肥價(jià)值就達(dá)25億美元之多。為此，巴西已計(jì)劃長(zhǎng)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(chǎng)的計(jì)劃。拉丁美洲豆、禾間作種植也成為主要生產(chǎn)體系。上述國(guó)家近10年來化學(xué)氮肥的消耗量均逐年降低，有力地證明發(fā)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(xué)氮肥用量和保持作物產(chǎn)量。

    我國(guó)古時(shí)就已盛行豆、禾間、套、輪作種植模式。20世紀(jì)50年代起，在幾位歸國(guó)的土壤微生物學(xué)專家的帶領(lǐng)下，對(duì)我國(guó)大豆、花生、紫云英根瘤菌接種，進(jìn)行過大面積的試驗(yàn)研究和推廣應(yīng)用，收到很好效果；60年代至70年代，南方水稻產(chǎn)區(qū)普遍實(shí)行水稻—紫云英的輪作制度，既提高了水稻產(chǎn)量，又緩解了當(dāng)時(shí)化肥緊缺的局面。但是由于大量糧食的需求，化肥的發(fā)展，豆類作物的種植面積曾有高達(dá)20%的萎縮，根瘤菌的研究和應(yīng)用也陷入低潮。目前，我國(guó)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(yán)重浪費(fèi)及不良后果。目前，國(guó)內(nèi)雖有少數(shù)根瘤菌劑生產(chǎn)企業(yè)，屬起步階段，產(chǎn)量低、使用面積小。據(jù)了解，大豆接種根瘤菌面積僅為2%左右。

    我國(guó)豆科植物和根瘤菌研究現(xiàn)狀

    1.大容量的根瘤菌資源庫(kù)和頗具實(shí)力的研究應(yīng)用隊(duì)伍

    盡管上世紀(jì)70年代后期以來，我國(guó)豆類種植與根瘤菌應(yīng)用均呈萎縮之勢(shì)，但少數(shù)單位對(duì)根瘤菌的研究仍在堅(jiān)持。如中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)（原北京農(nóng)業(yè)大學(xué)）根瘤菌課題組自上世紀(jì)70年代始，在科技部特別是國(guó)家自然科學(xué)基金委的資助下，先后組織了全國(guó)20個(gè)單位的同行對(duì)我國(guó)32個(gè)省（市）豆科植物結(jié)瘤情況進(jìn)行了調(diào)查，并采集、分離根瘤菌，建成了國(guó)際上最大的根瘤菌庫(kù)（CCBAU），保藏根瘤菌7000多株；對(duì)其中3000多株菌進(jìn)行了表型和遺傳型性狀詳細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)了一大批抗逆性很強(qiáng)的種質(zhì)資源；應(yīng)用現(xiàn)代細(xì)菌分類技術(shù)，對(duì)大量菌株進(jìn)行了分類和系統(tǒng)發(fā)育研究，發(fā)表了兩個(gè)根瘤菌新屬（國(guó)際上總共只有4個(gè)大屬）、15個(gè)新種，為根瘤菌接種事業(yè)準(zhǔn)備了充足的種質(zhì)資源；在深入研究根瘤菌的地理分布及與宿主植物共生關(guān)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(huán)境相適應(yīng)。與此同時(shí)，該課題組已培養(yǎng)了研究生近80名，有些已成為國(guó)內(nèi)外該領(lǐng)域的骨干，在我國(guó)西北、西南、華北、華中、華南、東北均有分布，為我國(guó)根瘤菌事業(yè)準(zhǔn)備了優(yōu)秀的領(lǐng)軍人才。

    2.豆科植物育種工作取得顯著進(jìn)展

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

    上述卓有成效的工作為我國(guó)廣泛應(yīng)用豆科作物—根瘤菌共生體系提供了良好的種質(zhì)資源基礎(chǔ)和技術(shù)貯備。

    幾點(diǎn)具體建議

    1.發(fā)揮豆科作物和牧草在復(fù)種模式中的作用

    我國(guó)在耕地日趨萎縮的情況下，為確保糧食安全，發(fā)展復(fù)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(fù)種指數(shù)還大有潛力可挖。我國(guó)當(dāng)前主要復(fù)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(tǒng)中加入一茬豆科作物；水稻田休閑時(shí)播種豆科綠肥作物或短季豆類作物；將我國(guó)大豆產(chǎn)區(qū)也建成豆、禾輪作體系；在我國(guó)西北灌溉區(qū)繼續(xù)發(fā)展蠶豆/玉米間套，小麥/大豆間套種植；在華北地區(qū)恢復(fù)花生/玉米或大豆/玉米間套作；在農(nóng)牧區(qū)實(shí)行草田輪作套種，這也是農(nóng)牧區(qū)發(fā)展畜牧業(yè)的重要飼草來源。

    此外，我國(guó)有4億ha草地，在使用的約2.6億ha，經(jīng)過改良的僅只1%，草地質(zhì)量差，平均要2ha草地才能承載1個(gè)羊單位，與世界牧草發(fā)達(dá)國(guó)家有數(shù)十倍的差距；單位草地面積產(chǎn)值僅為澳大利亞的1/10，荷蘭的1/50；我國(guó)整個(gè)畜牧業(yè)產(chǎn)值只占農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的30%，而世界農(nóng)牧業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家通常在50%以上，如美國(guó)為60%以上、德國(guó)為73%。我國(guó)要提高畜牧業(yè)產(chǎn)值在農(nóng)業(yè)產(chǎn)值中的比例，必須大力發(fā)展牧草種植業(yè)，進(jìn)行草場(chǎng)改良，多種豆科牧草，接種根瘤菌，進(jìn)行豆、禾混播。苜蓿和斜莖黃芪等均是優(yōu)質(zhì)豆科牧草，為當(dāng)今西部農(nóng)牧民種草之首選。

    2.加強(qiáng)根瘤菌的應(yīng)用基礎(chǔ)研究

    豆科植物與根瘤菌兩者均不能單獨(dú)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(jié)瘤、但固氮能力低下的土著菌，僅是消耗宿主的營(yíng)養(yǎng)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(jìn)行自然選種，也可對(duì)菌株進(jìn)行分子生物學(xué)技術(shù)改造，篩選出高固氮、高競(jìng)爭(zhēng)結(jié)瘤、高抗逆（如耐酸、耐堿、耐鹽、耐高溫、耐受農(nóng)藥等）及存活力強(qiáng)的菌株制作接種劑；同時(shí)，接種劑質(zhì)量、劑型、使用方法，以及配套的農(nóng)機(jī)具、使用菌種的復(fù)壯等問題也亟待研究解決，否則這些技術(shù)問題將形成措施落實(shí)的瓶頸。所以除基礎(chǔ)研究外，還必須加強(qiáng)根瘤菌應(yīng)用基礎(chǔ)研究。這需要國(guó)家作必要的經(jīng)費(fèi)投入，開展研究，使之為根瘤菌接種劑產(chǎn)業(yè)化提供技術(shù)支撐。

    3.多學(xué)科聯(lián)合，注重豆科作物品種選育與根瘤菌匹配研究結(jié)合

    豆科作物品種選育有別于其他作物，不應(yīng)看重作物從土壤吸肥能力，而應(yīng)注重與良好的根瘤菌匹配，形成新品種與優(yōu)良根瘤菌組合，獲得共生體高效固氮能力。因此，應(yīng)加強(qiáng)學(xué)科聯(lián)合，使我國(guó)豆科作物育種與根瘤菌匹配相結(jié)合，選育出既高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)，又高效固氮的豆科植物—根瘤菌共生體系。

    4.設(shè)立相應(yīng)機(jī)構(gòu)保證根瘤菌劑質(zhì)量

    進(jìn)行根瘤菌接種，菌劑質(zhì)量是關(guān)鍵。根據(jù)澳大利亞百年來的經(jīng)驗(yàn)，需設(shè)立相應(yīng)的技術(shù)機(jī)構(gòu)，隨時(shí)研究解決菌劑生產(chǎn)中的問題，嚴(yán)格檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量。關(guān)于根瘤菌應(yīng)用最好納入到我國(guó)沃土工程中去。

    很多發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)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(jīng)濟(jì)作物提供氮素營(yíng)養(yǎng)，活化礦質(zhì)元素，并能減少病、蟲危害。因此，建議在我國(guó)西部退耕還林還草地區(qū)，多種豆科植物；在全國(guó)農(nóng)牧種植業(yè)中，改進(jìn)種植模式，廣泛發(fā)展豆科作物與禾本科作物及經(jīng)濟(jì)作物的間套輪作，給豆科作物接種高效根瘤菌，充分發(fā)揮其固氮作用。這一方式可為國(guó)家節(jié)約大量氮肥，既減少能源消耗、保護(hù)環(huán)境，又能提高農(nóng)民收入、確保糧食安全，還能提高土壤肥力，保障農(nóng)、牧業(yè)持續(xù)發(fā)展。這是一項(xiàng)利在當(dāng)代并持續(xù)千秋的事業(yè)，希望能在我國(guó)農(nóng)、林、牧種植業(yè)中及早廣泛推行。