本報記者 王方
「我國栽培豆科農作物約2.86億畝，如果在這些土地上按減少一半氮肥用量計算（即每畝減少10 公斤尿素），每年將減少尿素用量286萬噸，節約開支42.9億元（按每噸1500元算）。」中國科學院院士、中國農業大學教授陳文新給《中國科學報》記者算了一筆帳。
在農業部提出「兩減」目標之下，如何減「肥」？陳文新認為，根瘤菌生物固氮是解決這一問題的一個重要技術途徑，「接種與豆類作物品種相匹配且適應種植土壤的根瘤菌，廣泛開展豆類與其他作物間套輪作，可大幅減少化學氮肥的施用，並可減少病蟲害，獲得優質高產。」
然而，利用根瘤菌固氮這一天然手段實現減「肥」目標，不僅尚未得到學界和政府足夠的重視，我國的農業實踐也已經基本放棄了根瘤菌固氮這一傳承千年的傳統。所幸的是，還有一批科學家在堅持著。
傳統農業文明失落
生活中常用「五穀不分」來形容對農作物認識較為欠缺的人。「五穀」之一便是統稱為「菽」的豆類。甲骨文、金文、小篆以及現代文的「菽」字都體現了豆類植株和根系的特點。
「上為草字頭，左邊一株豆，土平面下有主根、鬚根，其中那一點代表『根瘤』，右邊是一株依附於豆的禾草。」陳文新說，在我國古代，人們不僅注意到了豆類的根瘤，還發現了根瘤與豆類產量的關係。
她介紹，北魏賈思勰所著《齊民要術》中大量引用現已失傳的《氾勝之書》的內容，其中對根瘤形成時間和功能做了清晰的解說。
「豆生布葉，豆有膏」是說，豆子長出第一片真葉後，開始形成「膏」，「膏」即「根瘤」。「膏」的意思為「膏澤」，是指其可滋養豆子的生長。「盡治之則傷膏，傷則不成」是指農民在鋤地時，如果不小心傷到了「根瘤」，大豆的產量就會顯著下降。
考古研究表明，大豆可能早在公元前6600~7000年就已經在中國部分地區被馴化栽培了。陳文新介紹，我國先民為了發揮根瘤的作用，在大豆收穫時將根與根瘤一起收藏起來，第二年大豆播種時將其粉碎與種子混合播下，以促進大豆結瘤；還有用客土法，即將種過大豆田中的土壤撒入新種大豆的田土中，可增加大豆結瘤。
與歷史形成鮮明對比的是，目前中國已基本放棄了利用根瘤促進大豆良性發展的傳統，且大豆種植面積經過連續多年下滑，轉而依賴進口，2016年進口量高達8391萬噸，佔中國大豆總需求的86.6%。
當前主要的大豆生產地——南北美洲只有不到300年的大豆栽培歷史。但產量上，美國、巴西、阿根廷三個國家在2016年大豆產量總和已經超過了全球產量的80%。而且這些國家均以施用大豆根瘤菌劑為主要的植物氮素供給方式。
「值得一提的是，儘管在大豆栽培過程中，大量使用化學氮肥，我國大豆單位面積的平均單產和最高產量都低於這些國家。如我國2014年大豆平均單產為1787.4公斤/公頃，美國為3197.6公斤/公頃，巴西為2865.9/公頃，我國只有美國和巴西的55.9%~68.8%。」
陳文新指出，「造成我國大豆單產低的原因是多方面的，但是用根瘤菌劑來替代化學氮肥必定是減少面源汙染，實現大豆生產良性發展的關鍵措施之一。」
發揮生物固氮作用
20世紀初葉，化學氮肥誕生，並在全球農業生產中獲得了廣泛使用。「化學氮肥被大量使用，雖然保證了以禾穀類為主的糧食總產量，但過量使用導致它的利用率不足35%，是導致水體、空氣和土壤面源汙染的重要原因；近幾年，華北地區的嚴重霧霾與土壤內過量施氮肥、空氣中揮發性氨和二氧化氮濃度增加有密切關係。」陳文新表示。
據FAO估計，每年地球上生物固氮約2.0億噸純氮，相當於當今全世界的工業生產氮肥的總量，其中與豆科植物共生的根瘤菌固定的氮佔60%~70%。即根瘤菌進入豆科植物根內並形成根瘤，在根瘤中生長與固氮。
生物固氮和化學氮肥同樣是轉化大氣中的氮氣（N2）成氨，但「豆類的共生固氮利用率接近100%，且沒有環境汙染的問題」。陳文新說，共生固氮能為大豆等豆類提供65%以上的氮素營養，是豆類高產的重要保障。
她介紹，豆科植物提供碳水化合物給根瘤菌作碳源和能源，它則將空氣中的氮氣轉化成氨供植物作營養；所固定的氮還可分泌出來供相鄰近的植物利用，因豆科植物根部含氮約佔總氮量的35%，收穫後這部分氮可供後茬作物使用，這就是豆科作物與其他作物間套輪作可以少施化肥，兩者均能高產的原因；根瘤菌分泌物還可溶解鈣、鎂、磷鹽，供作物利用，分泌激素促進作物生長。
中國農業大學根瘤菌研究中心應用根瘤菌示範結果顯示，使用活菌數很高的根瘤菌菌劑接種大豆，大豆產量可達3200~4700公斤/公頃。2015年在山東濟寧聖豐種業示範田，接種根瘤菌的「徐豆18」大豆產量為3426±356.46公斤/公頃，而不接種的對照組產量為2454±148.96公斤/公頃，最高增產39.6%。
此外，科研人員還將其用於花生、紫花苜蓿以及豆科中草藥如甘草、黃芪、苦參等的種植試驗中，均證明了接種相匹配的根瘤菌菌劑能夠替代化學氮肥，保證豆科植物產量，甚至提高豆類的品質和藥材的藥效。
值得注意的一個問題是，所有固氮生物均有一特性，即環境中如果有化學氮肥存在，將不再自身固氮。對於根瘤菌來說，也不再結瘤固氮，這即是「氮阻遏」現象。因此，土壤中施有化學氮肥超過50 mg/kg時，根瘤菌不能結瘤固氮，或結瘤固氮效果很差。
「花生與大豆根瘤菌不是一個互接種族，我國的花生根瘤菌都是慢生菌，對化學氮肥的反應尤為敏感。我們在試驗中發現，如果施了足量的化學氮肥，接種的花生根瘤菌就不工作了。」中國農業大學根瘤菌研究中心副教授隋新華告訴《中國科學報》記者。
根瘤菌劑使用及間套輪作
在美國、巴西等大豆生產大國，接種根瘤菌是大豆種植時必要的措施。美國為所種植的大豆和另一種豆科牧草——紫花苜蓿接種根瘤菌後所固定的氮素，約佔其年施氮總量的1/3。
而面對我國大豆生產和資源環境現狀，「發揮豆科植物與根瘤菌的共生固氮作用，是實現減肥、減藥、增產、增效的重要途徑。」中國農業大學根瘤菌研究中心副教授陳文峰告訴《中國科學報》記者。
他介紹，根瘤菌接種技術並不很複雜，但要收到很好的效果，必須正確認識根瘤菌的生物學特性，從廣泛的資源中篩選與豆科作物相匹配的菌株，採用正確的根瘤菌接種技術、規範的種植措施和施肥方式，才能更好地發揮豆科作物與根瘤菌的共生固氮作用。
「接種根瘤菌要看菌株是否與作物匹配且高效。如果不加篩選或所選菌株不合適，其效果還不如土著根瘤菌，導致不結瘤或者結瘤但固氮效率不高。而且接種的菌株應在土壤裡佔據優勢，形成穩定群落，固氮活力強。」隋新華說，要接種的根瘤菌劑可以拌種到大豆、花生等的種子表面，或形成丸衣化種子，或以液體菌劑產品形式施入種子附近土壤內。
除了與豆科植物物種及品種相匹配，還要注意根瘤菌的地區適應性。如我國東北、熱帶及亞熱帶酸性土壤內的大豆根瘤菌是慢生根瘤菌屬的菌種，而新疆和華北地區的鹼性土壤內則是以中華根瘤菌屬為優勢的快生根瘤菌，須針對相應的生態區找到合適的根瘤菌。
「基因組分析表明，中華根瘤菌屬的根瘤菌擁有耐鹼的基因，這是它們適應鹼性土壤的根本所在。」中國農業大學根瘤菌研究中心副教授田長富說。
一定量的化學氮肥對豆科作物初期的生長和形成根瘤是必需的。「大豆播種前施用少量的底肥（以滿足根瘤形成前的氮素營養需要），並接種高效根瘤菌，這種情況下大豆產量最高。無論後期追肥與否，對產量提高幅度影響不大，而不追肥的大豆產量反而比追肥的還高些，說明後期追肥反而抑制固氮，從而造成大豆產量低下。」陳文新院士研究團隊的博士生楊升輝向記者展示了近幾年在山東聖豐種業開展的田間試驗結果。
「藥用豆科植物接種根瘤菌後，還能提高藥用植物的有效成分含量。」陳文峰介紹，2000年至今，在內蒙古、山西等地種植的甘草、黃芪、苦參接種高效根瘤菌田間示範中，除可提高中草藥中的生物量最高達80%外，還可提高其相應的藥效成分。如接種根瘤菌的黃芪根部黃芪多糖含量比對照提高44%；接種根瘤菌的苦參根部氧化苦參鹼含量比未接種根瘤菌的，以及使用5~20mM硝酸鉀的根部氧化苦參鹼含量均高50%。
豆科與禾本科植物間作、輪作是一種重要的種植模式。根瘤菌研究中心2006—2014年在內蒙古、北京等地試驗紫花苜蓿接種根瘤菌並與無芒雀麥間作，可比單作接種增收103%，間作的無芒雀麥也比單作增收45%，且均高於施氮肥的產量。
再如，在南方水稻快成熟時種植豆科綠肥紫雲英，其留給後茬作物的營養更為全面，增產量、減化肥效果佳。間套輪作互惠互利，對於豆科植物與其他作物的種植間距、密度等具體問題，科研人員還在進一步探索中。
《中國科學報》2017年8月9日6版
責任編輯：劉錚