大豆根瘤固氮机制

徐 楚，刘星宇，王恩赫，于 越，薛芾莹

（东北农业大学农学院，黑龙江哈尔滨 150030）

大豆在我国具有重要地位，多年来科研人员一直致力于大豆根瘤固氮机制的研究，力求通过技术手段提高共生固氮效率，实现减肥、增效、绿色发展的目标。生物固氮对于我们来说并不是新兴词汇，早在一个世纪之前J.B.Bousing gault就发现生物固氮是真实存在的（王素英和高仁恒，1991）。

1 氮素的来源

大豆的整个生育期内对氮素的需求量非常大，生产1 kg的大豆需要吸收约72 g的氮素。大豆生长中主要有三种氮源：土壤氮、肥料氮和根瘤固氮（夏玄，2018），这三种来源氮素相互作用，而土壤氮占大豆氮素总供应量的1/3～1/2。在大豆生长不同时期，氮素的主要来源也不同，以大豆幼苗期为例，在幼苗期由于根瘤发育不成熟，根瘤数量少且根瘤发育未成熟，导致根瘤固氮机制反应较弱，大豆通过根瘤固氮供给的氮含量较少，此时大豆中的氮主要来源于土壤氮和肥料氮。

根瘤固氮对大豆生产意义重大，但仅通过根瘤固氮不能满足大豆生长与发育，同时根瘤固氮过程中会消耗大量的能量，这些能量来源于大豆光合作用产生的营养物质。因此，实际生产中在田间合理施用氮肥，不管是对大豆的生长还是产量方面都有重要的作用。

2 氮素对大豆结瘤固氮的影响

2.1 氮素浓度对结瘤固氮的影响

大豆种植中不是氮素浓度越高越好，较高浓度的氮素会抑制结瘤固氮。研究证明当氮素浓度超过14 mmol/L时，根瘤的数量和重量就会受到抑制，进而导致结瘤固氮能力受到抑制。当氮浓度为10 mmol/L时，无论是硝态氮还是氨态氮均抑制根瘤的数量、重量和总固氮量。当硝酸钾（KNO3）浓度为3 mmol/L时，大豆结瘤将被完全抑制。国内外研究可以证明，低浓度的氮素对大豆结瘤与固氮有促进作用，而高浓度的氮素可以抑制大豆结瘤和固氮。

2.2 氮素对根瘤固氮酶活性的影响

酶活性是反映一个反应进行程度的最重要指标，根瘤固氮酶活性可以更好地反映结瘤固氮作用的强度。利用乙炔还原法测定根瘤固氮酶活性的方法出现后，氮与根瘤关系的研究得到了迅速发展。Minchin等人通过研究认为乙炔还原法对多种处理都是无效的，因为它存在误导结果的问题。但是Schuller在研究硝酸盐对大豆根瘤固氮影响的试验中通过乙炔还原法得出的结果与15N标记得出的结果是一致的。

现阶段，由于乙炔还原法的方便与经济实惠，其被大面积推广并广泛地使用。前人研究认为当硝酸盐存在时，大豆的固氮效率显著降低。Streeter向大豆供应15 mmol/L硝酸盐持续7天，1天后固氮酶活性开始受到抑制。随着时间的推移，与对照组相比，固氮酶活性被抑制了80%。Skrdleta也做了类似的实验，他使用珍珠岩培养豌豆，并提供20 mmol/L的硝态氮，固氮酶的活性在处理后1天就受到抑制，根瘤的生长在处理后3天开始受到抑制。

2.3 氮素形态对大豆结瘤固氮的影响

氮的形态主要是氨态氮、硝态氮和尿素。严君等人通过施用不同形式的氮肥发现，不同形式的氮源会使根瘤的干重和数量增加，随着根瘤含氮量和氮积累量的增加，根瘤干重和根瘤数量的变化如下：不施氮肥＜酰胺态氮（尿素）〈氨基酸态氮（甘氨酸）＜硝态氮〈蛋白氮（豆粉）＜铵态氮。当利用尿素、硝酸盐、铵和硝酸铵作为氮源，在5 mmol/L和10 mmol/L两种浓度下对蚕豆、白羽扇豆和苜蓿的根瘤形成、生长和固氮酶活性开展研究，发现与低浓度相比，高浓度的抑制效果较明显，其中NH4Cl的抑制效果最明显，5 mmol/L浓度的尿素抑制程度最不明显。

研究表明，与单独施用硝酸铵和硝态氮相比，单独施用较低浓度的铵态氮对大豆总氮积累量、根瘤干重和生物累积量抑制作用最小。所以，铵态氮对大豆生长的影响大于硝态氮，硝态氮对根瘤固氮的抑制作用大于铵态氮。董守坤等的研究也印证了这一点，以硫酸铵为氮源采用15N标记法，结果表明根瘤干重随氮浓度的增加呈现先增加后减少的变化趋势，当营养液氮浓度为3.57 mmol/L（50 mg/L）时最有利于根瘤生长。

3 提高固氮效率的途径

生物固氮是植物或微生物生长发育必须经历的重要过程，其为植物或微生物提供了生长所必需的碳源。生物固体氮可分为三种类型：联合固氮、自生固氮和共生固氮。豆科植物和根瘤菌的共生固氮是最有效的固氮方式模式，豆科植物和根瘤菌形成的根瘤固氮机制是共生固氮的代表，其固氮量占生物固氮总量的60%以上。因此，提高豆科植物的固氮效率对豆科植物的生长发育起着至关重要的作用。

3.1 接种固氮菌提高固氮效率

接种固氮菌可以提高土壤的氮利用率。当大豆接种固氮菌后，根瘤的个数增加，固氮能力与氮营养提升。自2003年开始在田间应用高效根瘤菌菌肥使大豆成功增产以后，大豆的增产主要依靠生物固氮。Hungria等又在田间进行了多年的试验，每年都比较与分析施用氮肥使大豆增产的效果与生物固氮使大豆增产的效果，最终在2006年，汇总前几年的试验结果发现，施加200 kg/hm2的氮肥时大豆不但不增产，且结瘤固氮还受到了抑制，造成了环境污染，农业生产资本提高。

只接种根瘤固氮菌而不施加氮肥明显促进了大豆的结瘤固氮，大豆平均增产127 kg/hm2。当大豆接种根瘤菌BARIRGm901后，在不施加氮肥的条件下根瘤数量与固氮效率均提高，大豆的产量也提高。在我国东北做的试验证明了接种根瘤固氮菌会提高大豆产量，接种固氮菌的实验组的大豆产量对比施加氮肥的对照组，大豆产量的增加了92%。因此，根据田间的实际情况，可以适当的接种根瘤固氮菌。

3.2 间套作提高固氮效率

间套作是根据不同作物的生长习性和环境条件的要求，巧妙地同时种植两种作物的种植模式。肖焱波的研究发现在豆科植物与非豆科植物间套作时会出现“氮转移”的现象，“氮转移”现象的出现会提升整体间套作体系的固氮效率。

研究发现，无论是否向玉米与大豆间作系统施肥，其经济产量与生物产量均高于单独种植。间套作提高固氮效率和作物产量是因为玉米属于禾本科植物，对氮素的需求量较大且吸收氮素的能力强于大豆，间套作体系中存在种间竞争，种间竞争的存在促进了大豆的结瘤固氮，使得整体固氮量增加，固氮效率提高。间套作体系种植还会缓解豆科植物发生“氮阻遏”现象，利用盆栽技术将花生和玉米进行间套作种植后，花生的“氮组遏”现象得到了缓解，且花生的根瘤数增多，固氮酶活性增强，固氮量得到了提高。花生—玉米间套作模式与大豆—玉米间套作模式均增加豆科植物的固氮量，但大豆—玉米间套作模式的增产效果最好。

3.3 合理施肥提高固氮效率

大豆不同的生长时期对各类元素的需求量也不一样，施加不同含量的有机肥与化肥对大豆根瘤形态、数量、固氮酶活性等方面均有不同形式的影响。例如在大豆幼苗期根瘤刚形成的阶段，如果土壤中氮素水平较高，根瘤的形成就会受到不同程度的抑制。在大量形成根瘤的时期，保证充足的磷素和少量的氮素可促进大豆根瘤的形成。因此，种植大豆时除了需要施用有机肥还需要保证高磷低氮的环境（徐秀华，1995），要根据当地种植条件，经过专业技术人员的技术指导，合理适量的施肥。