在綠肥產業中納入根瘤菌研究

 紫云英照片（左圖為未接種高效菌劑對照植株，右圖為接種高效菌劑植株）   張俊杰攝

近年來，農業中不斷使用化肥造成了許多問題，很多專家建議采用可再生能源和可持續能源的耕作方法。這些方法包括有機和動物肥、農家肥、堆肥和綠肥等，其中綠肥應用最為廣泛。

綠肥是指直接或經堆漚后施入土壤作為肥料使用的栽培或野生綠色植物體，包括豆科植物及非豆科植物。豆科綠肥由于能與根瘤菌共生形成根瘤，可以進行生物固氮。筆者認為，在綠肥產業中納入根瘤菌研究，將在氮循環以及可持續發展農業方面發揮重要作用。

共生固氮能力強、效率高

豆科綠肥主要為紫云英、箭筈豌豆、毛葉苕子和三葉草等，約72種；非豆科綠肥有黑麥草、滿江紅和蓮子草等，約26種。綠肥的應用不僅可以為作物提供營養，激活土壤的生物活動，而且能促進土壤有機礦物復合物的生產和聚合物的形成。

普遍研究發現，豆科綠肥的價值高于非豆科綠肥，因為豆科綠肥具有從大氣中固定氮的能力，可以給土壤貢獻大量的氮。此外，豆科綠肥可能會增加有機質含量、降低土壤容重、增加土壤微生物生物量、增加水的滲透、減少作物病原菌、控制雜草的量和防止水土流失等。

作為典型的兼性小共生體，根瘤菌在土壤中以腐生的方式生活，可以在缺氮的條件下在共生豆科植物的根和莖形成能固氮的根瘤。根瘤菌—豆科植物共生固氮體系的固氮能力最強，效率也是最高的，共生固氮每年固氮的量約占生物固氮總量的60%。因此，對生物固氮作用的研究具有非常重要的經濟和生態學意義，在氮循環以及持續發展農業方面也起著重要的作用。

然而，近年來關于豆科綠肥根瘤菌的資源調查研究很少，大部分種植區不接種根瘤菌或者仍然在用多年前選育出的根瘤菌菌株。盡管目前大部分種植區的土壤中存在與豆科綠肥相匹配的根瘤菌，但固氮效率較低，需要進一步選育高效根瘤菌菌株，并替換原來土壤中的根瘤菌種群來提高固氮效率。

因此，需要調查不同種植區的豆科綠肥根瘤菌的遺傳多樣性，并結合土壤因子信息，分析不同豆科綠肥根瘤菌的生物地理學分布特征，為我國豆科綠肥的接種、選種準備優質的菌種資源。

此外，隨著時間的推移、種群的演化、土壤的改變，該項研究工作需持續進行，以期不斷得到高效根瘤菌菌株，充分發揮生物固氮作用，提高農作物產量，減少農田面源污染。

綠肥根瘤菌研究前沿進展

目前，筆者課題組系統收集了分布在我國甘肅、青海和山西等7個種植點的箭筈豌豆和毛葉苕子共生根瘤菌資源，以及四川、湖北、湖南和廣西等13個種植點的紫云英根瘤菌資源，并對采集得到的資源進行多樣性分析。

首先采集土壤樣品，分別用相關豆科綠肥進行共生根瘤菌的捕捉，經過分離純化得到202株箭筈豌豆根瘤菌、253株毛葉苕子根瘤菌和451株紫云英根瘤菌；然后采用IGS-PCR RFLP分析、16S rRNA基因、3個持家基因和共生基因的系統發育分析等對分離的根瘤菌資源進行分子鑒定。

結果表明，箭筈豌豆和毛葉苕子可以選擇不同基因組和共生基因背景的根瘤菌建立有效的共生關系，這與之前的許多研究保持一致，即單一的豆科植物可以和不同的根瘤菌共生結瘤，甚至是在同一個生態區。此外還表明了箭筈豌豆和毛葉苕子為互接種族，即可以和含有相同共生基因背景的根瘤菌種群建立共生關系。

而對于紫云英的分析結果則表明，目前研究所分離的紫云英根瘤菌與其他地方分離的紫云英根瘤菌的參比序列具有高度一致性，表明了紫云英根瘤菌的嚴格宿主專一性——紫云英僅能和一種共生基因背景的根瘤菌建立有效的共生關系。

此外，課題組結合土壤的理化性質（速效鉀、全氮、有機質、pH值、有效磷和含鹽量）對根瘤菌的分布特征進行相關性分析。結果表明，pH值、有效磷、含鹽量以及速效鉀的含量對箭筈豌豆、毛葉苕子和紫云英根瘤菌的生物地理學分布產生了很大的影響，這與大豆、三葉草、菜豆等根瘤菌的生物地理學分布規律十分相似。

不同的根瘤菌種群對同樣的土壤理化因子的響應不同，即可能是正相關關系也可能是負相關關系。類似地，同一種群對同樣的土壤理化因子的響應也可能不同。例如，當宿主植物是箭筈豌豆時，根瘤菌R. sophorae的分布與pH值呈正相關關系，而當宿主植物是毛葉苕子時，R. sophorae的分布與pH值呈負相關關系。這可能是土壤中根瘤菌種群的特定群落結構形成的原因即宿主植物、根瘤菌和環境因子三者之間的共同作用結果。

目前，課題組研究分析了各個采樣點的不同豆科綠肥共生根瘤菌種群分布特征，確定了每個采樣省份的優勢根瘤菌種群，并以此為基礎進一步挖掘了箭筈豌豆、毛葉苕子和紫云英共生根瘤菌的優勢菌種資源，為工業發酵奠定了一定的基礎。

根瘤菌在綠肥產業中的應用

我國豆科綠肥種植面積已經達到300多萬公頃。充分發揮豆科綠肥與根瘤菌的生物固氮作用，可有效減少化肥使用量，符合農業農村部“降肥減藥”的要求。在此，筆者以紫云英為例，闡述根瘤菌在綠肥產業中的落地應用。

紫云英翻壓后可以直接供給土壤養分，腐熟分解后還能提高土壤中的酶活性、微生物數量及活性，從而提高養分的有效性。1畝紫云英可產鮮草2000~3000公斤，肥力相當于5~6公斤純氮，算下來，每畝可以減少化肥施用量40多公斤。用它作底肥，可以說是節本又環保。

近幾年，筆者課題組聯合河南省農科院等機構，在河南駐馬店地區開展了紫云英接種高效根瘤菌劑的大田實驗，通過液體菌劑拌種形式接種，最終使得處理組的紫云英生長周期較未處理的對照組延長了至少半個月，紫云英鮮草生物量也有明顯提升，效果顯著。

湖南是傳統綠肥種植區域。據湖南省農科院統計，自紫云英與高茬稻草協同利用模式實施4年以來，稻草留高茬還田比稻草不還田處理的綠肥鮮草產量平均提高了32.3%，水稻產量比冬閑對照田提高8%以上。除了湖南外，華北、西北、西南和南方稻田區也形成了各具特色的綠肥種植模式，全國綠肥種植面積超過400萬公頃。

而在綠肥產業中納入根瘤菌研究，從基礎層面上可以積累我國主要豆科綠肥相關的豐富優質的根瘤菌菌種資源，從應用層面上為綠肥相關高效根瘤菌菌種資源的發掘與應用奠定基礎，從而有效保障綠肥栽培過程不施肥、綠肥生長過程高效固氮以及綠肥翻壓還田后栽培水稻等減施化肥的目標，從源頭上保障食品安全。

（作者系鄭州輕工業大學副教授，本報記者王方采訪整理）