根瘤菌的减“肥”行动
本报记者 王方
“我国栽培豆科农作物约2.86亿亩，如果在这些土地上按减少一半氮肥用量计算（即每亩减少10 公斤尿素），每年将减少尿素用量286万吨，节约开支42.9亿元（按每吨1500元算）。”中国科学院院士、中国农业大学教授陈文新给《中国科学报》记者算了一笔账。
在农业部提出“两减”目标之下，如何减“肥”？陈文新认为，根瘤菌生物固氮是解决这一问题的一个重要技术途径，“接种与豆类作物品种相匹配且适应种植土壤的根瘤菌，广泛开展豆类与其他作物间套轮作，可大幅减少化学氮肥的施用，并可减少病虫害，获得优质高产。”
然而，利用根瘤菌固氮这一天然手段实现减“肥”目标，不仅尚未得到学界和政府足够的重视，我国的农业实践也已经基本放弃了根瘤菌固氮这一传承千年的传统。所幸的是，还有一批科学家在坚持着。
传统农业文明失落
生活中常用“五谷不分”来形容对农作物认识较为欠缺的人。“五谷”之一便是统称为“菽”的豆类。甲骨文、金文、小篆以及现代文的“菽”字都体现了豆类植株和根系的特点。
“上为草字头，左边一株豆，土平面下有主根、须根，其中那一点代表‘根瘤’，右边是一株依附于豆的禾草。”陈文新说，在我国古代，人们不仅注意到了豆类的根瘤，还发现了根瘤与豆类产量的关系。
她介绍，北魏贾思勰所著《齐民要术》中大量引用现已失传的《氾胜之书》的内容，其中对根瘤形成时间和功能做了清晰的解说。
“豆生布叶，豆有膏”是说，豆子长出第一片真叶后，开始形成“膏”，“膏”即“根瘤”。“膏”的意思为“膏泽”，是指其可滋养豆子的生长。“尽治之则伤膏，伤则不成”是指农民在锄地时，如果不小心伤到了“根瘤”，大豆的产量就会显著下降。
考古研究表明，大豆可能早在公元前6600~7000年就已经在中国部分地区被驯化栽培了。陈文新介绍，我国先民为了发挥根瘤的作用，在大豆收获时将根与根瘤一起收藏起来，第二年大豆播种时将其粉碎与种子混合播下，以促进大豆结瘤；还有用客土法，即将种过大豆田中的土壤撒入新种大豆的田土中，可增加大豆结瘤。
与历史形成鲜明对比的是，目前中国已基本放弃了利用根瘤促进大豆良性发展的传统，且大豆种植面积经过连续多年下滑，转而依赖进口，2016年进口量高达8391万吨，占中国大豆总需求的86.6%。
当前主要的大豆生产地——南北美洲只有不到300年的大豆栽培历史。但产量上，美国、巴西、阿根廷三个国家在2016年大豆产量总和已经超过了全球产量的80%。而且这些国家均以施用大豆根瘤菌剂为主要的植物氮素供给方式。
“值得一提的是，尽管在大豆栽培过程中，大量使用化学氮肥，我国大豆单位面积的平均单产和最高产量都低于这些国家。如我国2014年大豆平均单产为1787.4公斤/公顷，美国为3197.6公斤/公顷，巴西为2865.9/公顷，我国只有美国和巴西的55.9%~68.8%。”
陈文新指出，“造成我国大豆单产低的原因是多方面的，但是用根瘤菌剂来替代化学氮肥必定是减少面源污染，实现大豆生产良性发展的关键措施之一。”
发挥生物固氮作用
20世纪初叶，化学氮肥诞生，并在全球农业生产中获得了广泛使用。“化学氮肥被大量使用，虽然保证了以禾谷类为主的粮食总产量，但过量使用导致它的利用率不足35%，是导致水体、空气和土壤面源污染的重要原因；近几年，华北地区的严重雾霾与土壤内过量施氮肥、空气中挥发性氨和二氧化氮浓度增加有密切关系。”陈文新表示。
据FAO估计，每年地球上生物固氮约2.0亿吨纯氮，相当于当今全世界的工业生产氮肥的总量，其中与豆科植物共生的根瘤菌固定的氮占60%~70%。即根瘤菌进入豆科植物根内并形成根瘤，在根瘤中生长与固氮。
生物固氮和化学氮肥同样是转化大气中的氮气（N2）成氨，但“豆类的共生固氮利用率接近100%，且没有环境污染的问题”。陈文新说，共生固氮能为大豆等豆类提供65%以上的氮素营养，是豆类高产的重要保障。
她介绍，豆科植物提供碳水化合物给根瘤菌作碳源和能源，它则将空气中的氮气转化成氨供植物作营养；所固定的氮还可分泌出来供相邻近的植物利用，因豆科植物根部含氮约占总氮量的35%，收获后这部分氮可供后茬作物使用，这就是豆科作物与其他作物间套轮作可以少施化肥，两者均能高产的原因；根瘤菌分泌物还可溶解钙、镁、磷盐，供作物利用，分泌激素促进作物生长。
中国农业大学根瘤菌研究中心应用根瘤菌示范结果显示，使用活菌数很高的根瘤菌菌剂接种大豆，大豆产量可达3200~4700公斤/公顷。2015年在山东济宁圣丰种业示范田，接种根瘤菌的“徐豆18”大豆产量为3426±356.46公斤/公顷，而不接种的对照组产量为2454±148.96公斤/公顷，最高增产39.6%。
此外，科研人员还将其用于花生、紫花苜蓿以及豆科中草药如甘草、黄芪、苦参等的种植试验中，均证明了接种相匹配的根瘤菌菌剂能够替代化学氮肥，保证豆科植物产量，甚至提高豆类的品质和药材的药效。
值得注意的一个问题是，所有固氮生物均有一特性，即环境中如果有化学氮肥存在，将不再自身固氮。对于根瘤菌来说，也不再结瘤固氮，这即是“氮阻遏”现象。因此，土壤中施有化学氮肥超过50 mg/kg时，根瘤菌不能结瘤固氮，或结瘤固氮效果很差。
“花生与大豆根瘤菌不是一个互接种族，我国的花生根瘤菌都是慢生菌，对化学氮肥的反应尤为敏感。我们在试验中发现，如果施了足量的化学氮肥，接种的花生根瘤菌就不工作了。”中国农业大学根瘤菌研究中心副教授隋新华告诉《中国科学报》记者。
根瘤菌剂使用及间套轮作
在美国、巴西等大豆生产大国，接种根瘤菌是大豆种植时必要的措施。美国为所种植的大豆和另一种豆科牧草——紫花苜蓿接种根瘤菌后所固定的氮素，约占其年施氮总量的1/3。
而面对我国大豆生产和资源环境现状，“发挥豆科植物与根瘤菌的共生固氮作用，是实现减肥、减药、增产、增效的重要途径。”中国农业大学根瘤菌研究中心副教授陈文峰告诉《中国科学报》记者。
他介绍，根瘤菌接种技术并不很复杂，但要收到很好的效果，必须正确认识根瘤菌的生物学特性，从广泛的资源中筛选与豆科作物相匹配的菌株，采用正确的根瘤菌接种技术、规范的种植措施和施肥方式，才能更好地发挥豆科作物与根瘤菌的共生固氮作用。
“接种根瘤菌要看菌株是否与作物匹配且高效。如果不加筛选或所选菌株不合适，其效果还不如土著根瘤菌，导致不结瘤或者结瘤但固氮效率不高。而且接种的菌株应在土壤里占据优势，形成稳定群落，固氮活力强。”隋新华说，要接种的根瘤菌剂可以拌种到大豆、花生等的种子表面，或形成丸衣化种子，或以液体菌剂产品形式施入种子附近土壤内。
除了与豆科植物物种及品种相匹配，还要注意根瘤菌的地区适应性。如我国东北、热带及亚热带酸性土壤内的大豆根瘤菌是慢生根瘤菌属的菌种，而新疆和华北地区的碱性土壤内则是以中华根瘤菌属为优势的快生根瘤菌，须针对相应的生态区找到合适的根瘤菌。
“基因组分析表明，中华根瘤菌属的根瘤菌拥有耐碱的基因，这是它们适应碱性土壤的根本所在。”中国农业大学根瘤菌研究中心副教授田长富说。
一定量的化学氮肥对豆科作物初期的生长和形成根瘤是必需的。“大豆播种前施用少量的底肥（以满足根瘤形成前的氮素营养需要），并接种高效根瘤菌，这种情况下大豆产量最高。无论后期追肥与否，对产量提高幅度影响不大，而不追肥的大豆产量反而比追肥的还高些，说明后期追肥反而抑制固氮，从而造成大豆产量低下。”陈文新院士研究团队的博士生杨升辉向记者展示了近几年在山东圣丰种业开展的田间试验结果。
“药用豆科植物接种根瘤菌后，还能提高药用植物的有效成分含量。”陈文峰介绍，2000年至今，在内蒙古、山西等地种植的甘草、黄芪、苦参接种高效根瘤菌田间示范中，除可提高中草药中的生物量最高达80%外，还可提高其相应的药效成分。如接种根瘤菌的黄芪根部黄芪多糖含量比对照提高44%；接种根瘤菌的苦参根部氧化苦参碱含量比未接种根瘤菌的，以及使用5~20mM硝酸钾的根部氧化苦参碱含量均高50%。
豆科与禾本科植物间作、轮作是一种重要的种植模式。根瘤菌研究中心2006—2014年在内蒙古、北京等地试验紫花苜蓿接种根瘤菌并与无芒雀麦间作，可比单作接种增收103%，间作的无芒雀麦也比单作增收45%，且均高于施氮肥的产量。
再如，在南方水稻快成熟时种植豆科绿肥紫云英，其留给后茬作物的营养更为全面，增产量、减化肥效果佳。间套轮作互惠互利，对于豆科植物与其他作物的种植间距、密度等具体问题，科研人员还在进一步探索中。