大豆根瘤菌固氮技术[致富早班车]

主持人：早上好，听众朋友，欢迎您收听今天的“致富早班车”，我是杨林。

众所周知，大豆是目前我们种植的作物中蛋白质含量最高的作物之一。它的籽粒中蛋白质含量高达40％左右，是我们日常吃的玉米、小麦、大米的4－6倍之多。大豆为什么含有这么高的蛋白质呢？这与它根上长有许多能能够进行生物固氮功能的根瘤密切相关。正是这些看似不起眼的根瘤，它就像一个个“小氮肥厂”给大豆源源不断的提供氮素营养，使它比一般的粮食作物有了更多的氮素养分的积累，以蛋白质的形式贮存在籽粒之中。如果我们可以很好的掌握大豆根瘤固氮的这一特性，在生产中我们就可以少施或者不施用氮肥，从而实现大豆生产节本增效的目标。

但是，要形成这些能固氮的根瘤的过程是非常复杂的，需要根瘤菌和大豆双方通过一系列的相互作用才能实现，还要受土壤环境中的各种因素影响。所以，如何才能最大限度的发挥根瘤固氮的功能成为了人们关注的话题。那今天的致富早班车，我们就来谈谈大豆根瘤固氮这项技术。

主持人：今天做客我们节目的嘉宾是来自中国农业科学院农业资源与区划研究所的李俊研究员。现在李老师已经在我身边了，李老师您好！跟听众朋友们打个招呼吧。

嘉宾：主持人好，收音机前的听众朋友大家好！

主持人：欢迎您李老师。今天我们来为听众朋友们介绍大豆根瘤菌固氮技术。我们都知道大豆本身固氮能力很强。利用这项技术与我们施用氮肥相比，它存在哪些优势呢？

嘉宾：　  与施用化学氮肥相比，利用大豆根瘤共生固氮有着不可比拟的优越性。

（1）节约成本和能源

共生固氮可以大量节约化学氮肥的施用，化学氮肥来自工业合成氨，需要特殊催化剂和大量能量，并必须在高温（300℃）、高压(300个大气压)下进行。而共生固氮一种极其温和的生化反应，在常温常压下，依靠微生物本身的催化剂——固氮酶，即可将大气中廉价的氮气合成氨供植物吸收，虽然这也是一个耗能的过程，但大豆植株通过光合作用提供能量，与化学固氮相比，成本极为低廉。据预测，本世纪30年代我国人口将达到16亿，年需粮食约6.4亿吨，相应地需要投入尿素6400万吨左右，届时为了满足粮食生产对氮肥的需要，至少需要新建年产30万吨的尿素厂100座。因工业合成氨需要在高温高压下进行，建设这些化肥厂的投资无疑十分巨大，而利用生物固氮，可大大节约成本和大量不可再生能源。可见，大豆根瘤共生固氮是实现节能减排的有效措施。

（2）优质

从大豆—大豆根瘤菌共生体系来看，大豆为根瘤菌里提供能量，根瘤里的根瘤菌（类菌体）将氮转化成氨，然后通过氨同化作用又迅速将氨转化成谷氨酰胺一类的优质氮化合物被大豆吸收。而且共生体系固定的氮多数被输送到籽粒中去，这也是大豆种子蛋白质含量高的一个主要原因。

（3）利用率高

化学氮肥施用后，能被植物吸收利用的仅为35%左右。氮肥施入土壤以后，除了农作物利用的这部分外，其余的通过土壤中的各种化学作用而产生气态氮释放到大气中去了；或由天然降水和灌溉对土壤的淋溶，使得许多氮肥随水流失。而生物固氮，尤其是共生固氮体系，大部分被农作物直接吸收利用，少量的随着分泌过程和根瘤的衰老破溃，留在土壤中，给下一季的作物利用，所固定的氮素养分几乎全部被利用。

（4）保护生态环境

据调查，我国施用的化肥总量约占世界的35%，盲目过量施用化肥，不仅容易引起水、土壤和大气等的污染，还容易使一些有害物质通过食物链进入人体，造成二次污染。相比之下，大豆根瘤共生固氮则有利于生态环境的保护和农业的可持续发展。此外，大豆根瘤共生固氮还具有肥效持续时间长等优点。

主持人：看来利用大豆根瘤菌固氮技术与施用化学氮肥相比，优点确实很多。而且对于资源的节约、环境的保护这些优点，正是我国大豆的发展，或者说是我国农业发展过程中十分重要的。是吧，李老师。（大豆根瘤固氮在农业耕作体系的作用）

嘉宾：　  当前我国农业生产中有两个由来已久并亟待解决的重大问题，一是为保证作物高产，依赖化学肥料的大量施用。我国化肥生产量和施用量均居世界第一位[https://www.nczfj.com/]，然而化肥利用率却呈逐年下降趋势，过量是施肥非但不能明显地增加产量，反而造成了土壤结构被破坏、土壤肥力退化、自然界生物多样性和生态系统稳定性降低，环境恶化等一系列严重问题。二是作物重茬，病虫危害严重。在现有种植体系下，同一种作物连续多年种植，只能大量使用化学农药来防、治病虫危害。化肥、农药不仅生产过程耗能排碳，而且过量用量引起的严重环境、生态问题已越来越为社会公众所认知。

为有效解决这些问题，必须改变现有单一作物重茬的种植体系，发挥大豆根瘤固氮在农业耕作体系的作用，需要尽可能采用大豆与禾本科或经济作物进行间套轮作的种植体系，通过根瘤菌接种发挥高效高氮功能，实现农业的可持续发展。以豆科、禾本科间、套、轮作为例，它源自我国农民长时期积累的有效种植经验，现在很多国家引用了这项种植措施，收效显著。国内外文献均说明，豆、禾间、套、轮作，豆科植物能为禾本科植物提供当季所需氮素营养30%~60%，还对后茬作物有利。近年来的研究发现，当豆禾作物间作时，因禾本科吸氮能力强，可快速吸走豆科植物根系土壤中的氮。因此，豆、禾作物间作可以解决根瘤菌“氮阻遏”的障碍，在促进根瘤菌结瘤固氮的同时，实现两种作物的互惠高产。在氮水平较高的土壤中，大豆根系很少结瘤，根瘤共生固氮的量相当少，对氮的贡献表现为“锦上添花”，没有实质性的贡献。而在含氮较低的土壤中，少施或不施氮肥，通过接种高效根瘤菌，依靠根瘤菌的结瘤固氮作用，基本上能保证大豆对氮素的需求，体现出“雪中送炭”的价值。

总之，应发展豆科作物与禾本科或经济作物进行间套轮作的种植体系模式，通过优良根瘤菌的接种，充分发挥大豆根瘤固氮在农业耕作体系的积极作用，不但可以在减施化肥的前提下保证作物的稳产高产，而且还能改善生态环境，长期保持土壤生产力，具有显著的经济效益和生态效益。

我国是大豆的起源地，种植历史已有5000多年。古代先民就已经对“种豆肥田”有了感性认识，并发展了豆－禾间作、轮作等传统的耕作制度来利用大豆的肥田作用，豆科作物因此被称为肥田作物。直到1888年人类才从豌豆根瘤中分离获得根瘤菌株，并证实了根瘤的固氮作用。第一批根瘤菌剂产品于1895年在德国开始生产应用。此后，国际上的大多数国家，尤其是美国、巴西、阿根廷等主要大豆生产国非常重视根瘤菌的应用，大豆种植中的根瘤菌接种率达到50%以上，由形成的共生根瘤为大豆提供主要的氮素营养，基本不施用氮肥，不仅保证了大豆的稳产高产，更主要的是节约了成本，保护了环境。

然而，大豆根瘤菌在我国大豆种植中一直没有得到应有的重视。据2010年统计，我国大豆根瘤菌接种面积不超过300万亩，约占大豆种植总面积的2%；远低于国外大豆主要生产国的根瘤菌接种率。因此，根瘤菌在大豆生产中的应用潜力很大。在我国，大豆根瘤菌菌剂的应用除了节省化学氮肥的投入、农民增产增收以外，还有提高氮肥利用率、减少化学氮肥因不合理施用带来的一些地表水、地下水污染、土壤肥力减退、大气污染等问题。尤其是多年来，农业生产中过度依赖化学肥料，有机肥投入不足等方面的影响不容忽视，推广大豆根瘤菌剂接种应用，对于我国农业可持续发展和节能减排是一项刻不容缓的工作。

主持人：欢迎回来，今天我们主要向大家介绍大豆根瘤固氮技术。刚刚通过一个小片花我们也了解了一下国内外大豆根瘤菌的发展现状。

好，李老师，刚刚您也介绍了这么多大豆根瘤固氮的优点，下面我们就来详细的介绍一下这项技术。首先你来解释几个概念，这样可以便于我们更好的理解。首先，李老师什么是大豆根瘤呢？

嘉宾：　  将大豆植株轻轻拔起或用铁锹锄头挖出大豆根系，就可以看见它的主根和侧根上有许多大小不等的球状的瘤子，这就是大豆根瘤。它分布在大豆植株的主根和侧根上，较为集中的分布区域是从地表至20厘米左右的深度范围内。不同大豆植株上的根瘤数量差异大，一般在50～200个瘤之间，根瘤数量过多或太少都会影响它的生物固氮效率和固氮量。常见的大豆根瘤直径为4～5毫米，个别的大瘤直径达1厘米。大豆根瘤的常见形态是球形，有时也可见到枣形、姜形、掌形等。将根瘤切开，可见其内部呈红色、或呈褐色素、灰褐色和绿色。内部为红色的根瘤是能固氮的有效根瘤，其他颜色则表明它是无效或低效的根瘤。这是因为生物固氮过程中必须要有一种红颜色的豆血红蛋白参加才能实现。所以，在生产实践中，可以通过根瘤内部是否为红色或粉红色来判断它的固氮状态。

大豆根瘤的形成开始于豆科植物的苗期，通常大豆出苗第3天用放大镜就可看到根瘤，至4～6天后用肉眼可见；在大豆结荚至籽粒鼓到1/3大小时期，根瘤数量和固氮量达到高峰，此后开始衰退。大豆根瘤形成首先是由根瘤菌侵染大豆根系的分生组织区，然后经过发育而成。从理论上说，只要根系在生长，当其分生组织区遇到根瘤菌时就可能形成根瘤。最开始形成根瘤的时间，称之为现瘤时间。现瘤时间越早，表明根瘤进行生物固氮的起点时间越早。这在生产实践中有重要的价值。在大豆生长前期形成的根瘤主要集中在主根上，后期形成的根瘤则分布在须根区域。需要说明的是，大豆现瘤时间的早晚、瘤数的多少、根瘤固氮效率的高低和固氮时期的长短，不仅与大豆品种、根瘤菌种类与数量直接相关，而且与环境条件密切相关。也就是说，当种植地的各种条件有利大豆根系和根瘤菌的生长时，就能形成数量适宜、分布合理、固氮效率高、固氮时间长的有效根瘤。

主持人：当我们把大豆挖出来，可以看到他根上不同形状的球状的瘤子，这就是大豆根瘤，这是可见的。那什么是根瘤菌呢？

嘉宾：　  由于根瘤中存在的根瘤菌个体很小，肉眼无法可见。需要说明的是，大豆根瘤菌只是一个俗称，它不同于微生物学上的专业分类名称。截至目前，从专业分类的角度讲，大豆根瘤菌包括慢生根瘤菌属、中华根瘤菌属、中慢生根瘤菌属等3个属8个种。在我国的分布具有明显的地域差异。之所以会有如此多的大豆根瘤菌的种类，这是与大豆品种和种植区的环境条件相互选择与长期适应的结果。了解大豆根瘤菌种类在大豆种植区域的具体分布，对我们选择根瘤菌菌种进行菌剂生产和田间接种提供了依据。

由于能与大豆结瘤的根瘤菌种类较多，在生产实践中，将慢生根瘤菌属内的菌株称之为慢生大豆根瘤菌，这是因为它在人工培养条件下生长速度慢。其他的大豆根瘤菌则统称为快生大豆根瘤菌。将存在于土壤中的大豆根瘤菌统称为土著大豆根瘤菌。由于土著根瘤菌通常具有较强的环境适应能力和竞争结瘤能力，但其固氮能力却较低，因此，在我国大豆种植区土著根瘤菌的含量高（103个/克土以上）的情况下，会显著影响优良大豆根瘤菌的接种效果。

主持人：影响大豆结瘤固氮的因素有哪些呢？

嘉宾：　  大豆与大豆根瘤菌之间的共生作用，是两者在长期的进化中相互影响、互相选择的过程，也是它们与环境各因素相适应的结果。大豆与根瘤菌之间最终在大豆根部形成能够有效的根瘤组织，并能高效固氮是一个高度复杂的生物学过程，这是一个由双方共同参与、相互应答、协同作用并随环境条件和细胞内的生理状态变化而调节的复杂反应。虽然影响这一过程的因素很多，从总体上可分为内在因素和外在因素。其中内在因素有大豆根瘤菌和大豆品种的遗传因素，涉及大豆根瘤菌和大豆结瘤固氮相关的基因；而影响根瘤菌固氮结瘤的外在因素主要是生态因素，它包括土壤环境因素和人为施用的肥料及化学药剂等农艺操作等方面。其中，主要的土壤环境因素有土著根瘤菌、土壤其他微生物、土壤水分、pH、盐碱等。

主持人：大豆品种对根瘤菌有着什么样的影响呢？

嘉宾：　  大豆根瘤菌和大豆品种是影响根瘤菌—大豆之间的共生固氮结瘤能力的内在因素，起着主要的作用。所以，要提高其共生固氮应用效果，首先应从根瘤菌和大豆品种两个方面入手。也就是说，在大豆的生产实践中，要注意选用的大豆根瘤菌应该与大豆品种两者之间存在良好的共生匹配性，这样才能发挥其高效生物固氮的作用。

在大豆根瘤菌的筛选和应用上，大量研究表明，相对于快生的中华根瘤菌属，慢生的日本大豆根瘤菌与大豆品种之间具有更为广泛的结瘤能力。也就是说，快生大豆根瘤菌对于大豆品种要求更严格些，能够与快生大豆根瘤菌结瘤固氮的大豆品种要少些。因此，是在大豆生产中，常选用慢生大豆根瘤菌株作为菌种进行接种剂的生产和大面积应用。另一方面，我们可以利用快生大豆根瘤菌与大豆品较为严格的匹配性能的特点，在特定的大豆品种和特定种植区域中应用，也能取得显著的增产效果。

由于不同的大豆根瘤菌与大豆品种之间的结瘤能力均存在较大的差异，因此针对特定的大豆品种选用与之共生结瘤固氮优良的根瘤菌非常必要，在生产实践上具有重要的意义。

主持人：看来要想取得好的固氮效果，一定要根据大豆品种合理选择大豆根瘤菌。这是影响大豆固氮的内在因素。刚才您提到还有外在因素，而且最主要的的是土壤环境因素，是吧？

嘉宾：是的。涉及的土壤环境因素很多，其中对结瘤固氮影响最为直接的土壤微生物、土壤含水量、土壤酸碱度（pH）和土壤温度等4方面因素。

1、土壤微生物

土壤中存在大量种类和数量不同的土著大豆根瘤菌和其他微生物，土壤中的微生物种类多样，数量庞大。它们的生态适应能力都很强，在土壤根际生态环境中的土著大豆根瘤菌的存活及结瘤竞争也均处于一个相对较为优势的地位。因此，它们的存在对我们接种的大豆根瘤菌在土壤根际的定殖存活和侵染结瘤过程有很大的影响。

比如：长期种植大豆的土壤中存在大量的土著根瘤菌，其中75%以上是无效和低效菌株，但它们与当地土壤条件和大豆品种的适应力和竞争力强，比接种的高效菌株更容易结瘤，导致接种菌株的占瘤率下降和接种效果的不理想。

除了上面的土著大豆根瘤菌外，土壤中许多微生物、原生动物、线虫或者昆虫也都能影响接种的大豆根瘤菌在土壤中的存活以及根瘤的形成，从而影响大豆根瘤菌的接种效果。

主持人：恩，这是土壤中微生物对于固氮作用的影响。那么其他的因素呢？

嘉宾：　  土壤水分条件是限制大豆根瘤菌结瘤和固氮的首要因素。首先它直接影响接种根瘤菌在土壤中的存活数量。其次是大豆根瘤菌通过接种进入土壤后，通过借助水分这一介质来运动，达到大豆根毛区域，才能接触根毛，进而侵染和结瘤。

一般认为，最适大豆根瘤菌结瘤固氮的土壤水分为田间持水量的60%—80%。当土壤干旱缺水时，一方面影响大豆根毛的生长，减少根瘤菌侵染的机会；另一方面使大豆根瘤菌在干燥土壤中繁殖受到限制，难以与大豆共生结瘤，使根瘤菌的存活受到影响。但土壤水分也不是越多越好，浸水条件会严重影响根瘤固氮，不仅是大豆根瘤的获氧量降低，而且土壤产生的乙炔以及微生物厌氧发酵的产物也都对结瘤和固氮产生抑制作用，降低了大豆根瘤固氮效率。

主持人：这厮土壤水分的影响。那酸碱度方面呢？

嘉宾：一般认为大豆正常结瘤的pH值为5.0~8.5。过低或过高的pH均影响大豆根瘤菌的存活及其在根部的侵染结瘤。土壤pH值的高低与钙、钼、铝和锰等养分元素的有效性直接相关，这些养分有效性又影响到大豆根瘤菌的结瘤能力。在pH低的酸性土壤中，钙、钼两种元素有效含量通常不足，而铝和锰的含量则可能过高，甚至达到对大豆根瘤菌产生中毒的程度。

还有土壤温度方面。大豆根部适宜结瘤的温度范围在20℃~30℃，温度的高低可对大豆根系的发育和根瘤形成与固氮功能产生影响。过低的温度可导致豆科植物的结瘤与固氮能力的下降，以及大豆生物量的减少。过高的温度可使侧根和根毛减少，影响感染和结瘤，而且还会使根瘤很快退化，导致固氮时间的缩短。但较高的环境温度和较大幅度的温差，可使宿主植物积累较多的干物质和氮素，在一定程度上缓解硝酸盐对根瘤发育的抑制，促进根瘤固氮。

主持人：好，通过李老师的介绍我们可以感受到，大豆根瘤固氮技术的确是一项节本增效的好技术。但是，我们在应用的时候，还是要做到科学合理，这样才能起到良好的效果。那由于时间关系大豆根瘤菌固氮技术就为大家介绍到这里。也感谢李老师做客我们的节目。

专家：谢谢