【农业生态系统中的共生固氮研究】
拼译：studies on symbiotic nitrogen fixation in agricultural ecosystems
共生固氮过程受寄主作物、土壤中或接种的根瘤菌和环境条件三因素的影响。此三因素的相互作用，经过植物体的生理反应，分子氮转化成植物氮，最后进入生物圈氮循环。
测定固氮的技术有氮差、15N同位素、乙炔还原和木质部氮溶质分析等方法，但至少有两个方法同时采用为好。其中，木质部氮溶质一酰尿分析是新近提出的较系统的固氮测定技术。固氮估计 下限固氮与能量需求：共生固氮需要光合产物提供能量。与不固氮作物比较，理论上固定每克氮消耗6．5g碳，相当于固定1kg氮损失干物质15～20kg。换句话说，不固氮作物单位光合产物形成的干物质比固氮作物多13%～28%。但是，在田间条件下，这种差异并非总是明显的。额外的能量消耗可能出现在高产量的上限固氮水平。最高产量的总氮理论值：Herridge等(1987)根据豆科作物最高产量为每公顷3．5t(绿豆)至8．5t(大豆)的资料，估计理论总氮为每公顷205kg(绿豆)到730kg(大豆)。上限固氮、产量、固氮率(P)：朱兆良(1989)根据中国大豆、花生等共生固氮量的测定报告，指出在盆栽试验中，在磷为0．4～0．9时，固氮量随着施氮量的增加而降低；据田间资料，P则降为0．21～0．70。Herridge等人取用平均磷广豆为0．1，其他为0．5和最大磷广豆为0．73，其他为0．87，根据平均种子N(或最高种子N)×(1N收获指数)×平均磷(或最大磷)计算大豆、木豆、花生、广豆、豇豆和绿豆的平均或上限固氮范围。其结果上限固氮范围从每公顷180kg(绿豆)至635kg(大豆)，而平均固氮范围只从每公顷7kg(广豆)至150kg(大豆)。随着平均产量增加到最高产量和平均磷增加到最大磷，便达到理论上限固氮水平，清楚地表明了固氮、产量、磷三者密切的数量关系。固氮与土壤库存氨：许多人研究了豆科作物后作粮食作物的产量效应。其产量效应的变幅为1～3t／ha，增产50%～100%，相当于施氮50～100kg／ha。然而，通过测量豆科作物总氮、固定氮和种子氮，发现固定的氮往往不足抵销其收获带走的氮，而出现氮平衡差。据计算，平均约为负14kg／ha。由此推测，豆科作物促使后作增产的原因可能是由于改变了土壤结构，破坏病、虫害循环环节、减少无机氮利用的缘故。Doughton等人指出，种植豆科作物之后的土壤硝态氮比种植非固氮作物后的高得多，他认为豆科作物的作用在于节省硝酸盐，而不是增加土壤库存氮。但是，在高磷情况下，豆科固氮有可能增加土壤库存氮。例如，在一轮作中，高产水平下的固氮增加39kg／ha土壤。理论固氮与实际固氮：实验农业与商品农业的产量、固氮水平总是差异很大。根据固氮、产量、磷三者的数量关系，提高磷量，充分发挥固氮潜力，其共生固氮总量更为可观。但是，磷受诸因素影响。因为任何固氮植物其固氮量都与其固氮潜力(NFP即自然条件下的固氮能力)紧密相关。其NFP受共生的根瘤菌和寄主控制，而根瘤菌和寄主又受多种环境因素影响。所以，实际固氮能力比NFP小得多。共生固氮与农业生态环境的关系1．土壤氮与耕作制对共生固N的影响：豆科作物既利用结合氮，又利用固定氮。在有土壤氮或肥料氮供应的情况下，宁愿利用结合氮而不固氮或少固氮。Herridge等报道，土壤硝酸盐起重要作用。磷与土壤硝态氮(xkg／ha，1．2m深土层)呈高度反相关。据此，可取下列提高磷的途径：(1)选择耐
的豆科作物；(2)抑制对氮的吸收、利用；(3)减少土壤硝态氮。免耕栽培与常规耕作比较，前者土壤硝酸盐含量低，种植的大豆固氮量高，增加土壤库存氮54kg／ha；燕麦地后茬比休闲后种大豆增加氮量和磷，可达39kg／ha。Rerkasem等指出，玉米与稻豆间作，由于玉米竞争土壤氮而增加此豆科作物的固氮(磷)。2．热带、亚热带农业区的酸性贫瘠土壤因子：世界上热带、亚热带酸性土壤面积占农业土壤1／4。中国南方红壤耕地约占总耕地面积的36%。酸性贫瘠土壤因子包括：(1)H+毒性；(2)AL、Mn毒性和(3)Ca、Mg、P、Mo缺乏。这些因子严重地影响寄主植物生长、根瘤菌存活及其共生固氮作用，甚至影响共生比影响寄主——菌株共生体的某一方更为明显。3．根瘤菌接种与土著菌：根瘤菌接种技术已成功应用在：(1)引进栽培豆科作物的地区；(2)第一次种植的地区及(3)一年生豆科作物与其它作物间、套、混、轮作时土壤中根瘤菌数明显下降的情况下；但是，成功地接种并非是普遍的。在中国，大豆的接种效果往往不如花生明显及稳定。据分析，接种效应不一致的原因，可能与作物的地理分布、栽培历史和土著菌群体等因素有关。提高共生固氮的战略方向 根据现代的根瘤菌遗传学和结瘤的豆科寄主遗传学以及农业结构中固氮特点，针对环境条件，重视改良共生体的双方，包括原(或野生)种、杂交种、诱变种等大共生体和分离物、工程菌、接种剂等微共生体二者现有资源的改良，以及新的共生体资源的拓宽利用，使ANF最大可能地接近NFP，在节省并增加土壤氮的情况下，既供应豆科作物本身高产需求的氮素营养，又供应与之间、套、混、轮作的其他非固氮作物增产的氮素需要。这一战略研究的具体内容是：1．微共生体改良：共生微生物改良的常规方法，首先是评价现已掌握的根瘤菌资源的相应寄主上的有效性、竞争性及其在田间的表现。在评价过程中，重要的是注意逆境影响，包括物理因子、化学因子，如土壤H+浓度、含盐量、湿度、温度、结合氮、农药，特别是杀真菌剂的影响以及其他生物因子，如抗生素、细菌噬菌体和细菌毒素等的相互作用。采用克隆和重组等分子技术，有可能得到含有固氮、结瘤、竞争等主要基因多考贝的工程菌。已证明，有一种色氨酸分解代谢的突变体可促进大豆结瘤。改良共生微生物的另一方面，即在改良接种剂技术方面，值得一提的是：(1)得到一种合成载体，褐藻酸盐或藻朊酸盐制备的新剂型；(2)采用碳酸钙或磷矿粉球化种子。2．大共生体改良：80年代以来，寄主作物的固氮遗传、育种、选种已成为生物固氮中新兴的研究领域。在评价作物固氮潜力时，采用有效菌株进行人工接种，在温室选出了高固氮能力的Lee74、Bay、Essex等大豆品种。控制寄主专性，选到了与多种土著菌有效混交结瘤的寄主；反之，也选到了不与土著菌结瘤，只与一定的菌特异结瘤的寄主。混交结瘤寄主也伴随无效或低效土著菌的入侵。在美国，大多数大豆产区存在着这类菌株，如123血清族。所以，应该重点选择那些只与优良的接种剂特异结瘤的寄主。此外，利用植物种的变异性进行耐性寄主选择，已获得超结瘤、耐硝酸盐的种质资源和耐酸性土壤的大豆种质资源。在寄主种质资源的筛选、鉴定基础上，进行杂交或诱变育种。大豆、菜豆等豆科作物的固氮育种已在国际热带农业中心(哥伦比亚，CIAT)研究成功。3．新的共生体资源的拓宽利用：拓宽利用共生体资源，除对现有的微共生体和大共生体进行改良之外，还需要挖掘自然界中尚未发现的新的共生体资源和从国外引进中国尚缺的资源；对中国的大豆，包括栽培大豆和野生大豆及其共生的慢生型根瘤菌和快生型根瘤菌的新资源，更需加强挖掘、拓宽利用，为丰富和替代现有生产上的菌株和寄主及试验中的出发菌株，包括遗传工程改造菌株的出发菌株和寄主，广泛提供遗传材料，以便在提高农业生态系统中的共生固氮作用上出现新的突破。研究农业生态系统中的共生固氮作用、环境因子和共生体两方面的改良及其拓宽利用，随着技术开发继续深入，不仅对生态、生理、遗传等综合学科的研究，而且对整个农业生产发展和全球氮素循环，均有重要价值。【参考文献】：1 Bergersen F J．Methods for Evaluating Nitrogen Fixation，John Wiley，New York，19802 Herridge D F．Biolegical Nitrogen Fixation Technology for Tropical Agriculture．CIAT，Cali，Colombia，1982，593～6033 Larue T A，Patterson T G．Adv．Agron．，1981，34：15～384 Peoples M B．et al．Methods for Evaluating Nitrogen Fixation by Nodulated Legumes in the Fidld，Tamworth．N．S．W．，Australia，19895 Burns R C，Hardy R W F．Nitrogen Fixation in Bacteria and Higher Plants．Springer-Verlag，Berlin，1 9756 Burris R H．Nitrogen Fixation Volume 1：Free Living Systems and Chemical Models．University Park Press， Baltimore，U．S．A．，1978，7～167 Mahon J D．Plant Physiol．，1979，63：982～8978 Ryle G J A，et al．J．Exp．Bot．，1979，30：135～1449 Pate J S，et al．Plant Physiol．，1979，64：1083～108810 Ryle G J A．et al．J．Exp．Bot．，1979，30：145～15311 Herridge D F，et al．Advances in Nitrogen Cycling in Agricultural Ecosystems，46～65，C．A．B．International，198712 朱兆良．土壤学进展，1989，17：1～913 Mughogho S K．et al．Biological Nitrogen Fixation for Tropical Agriculture，297～301，CIAT，Cali，Colombia，198214 Doughton J A，et al．Aust．J．Exp．Agric．Anim．Husb．，1984，24：244～24415 Welch L F．World Soybean Conference Ⅲ Proceedings，1054～1060，Westview Press，Boulder，1985(中国农业科学院油料作物研究所张学江研究员撰)