在绿肥产业中纳入根瘤菌研究

 紫云英照片（左图为未接种高效菌剂对照植株，右图为接种高效菌剂植株）   张俊杰摄

近年来，农业中不断使用化肥造成了许多问题，很多专家建议采用可再生能源和可持续能源的耕作方法。这些方法包括有机和动物肥、农家肥、堆肥和绿肥等，其中绿肥应用最为广泛。

绿肥是指直接或经堆沤后施入土壤作为肥料使用的栽培或野生绿色植物体，包括豆科植物及非豆科植物。豆科绿肥由于能与根瘤菌共生形成根瘤，可以进行生物固氮。笔者认为，在绿肥产业中纳入根瘤菌研究，将在氮循环以及可持续发展农业方面发挥重要作用。

共生固氮能力强、效率高

豆科绿肥主要为紫云英、箭筈豌豆、毛叶苕子和三叶草等，约72种；非豆科绿肥有黑麦草、满江红和莲子草等，约26种。绿肥的应用不仅可以为作物提供营养，激活土壤的生物活动，而且能促进土壤有机矿物复合物的生产和聚合物的形成。

普遍研究发现，豆科绿肥的价值高于非豆科绿肥，因为豆科绿肥具有从大气中固定氮的能力，可以给土壤贡献大量的氮。此外，豆科绿肥可能会增加有机质含量、降低土壤容重、增加土壤微生物生物量、增加水的渗透、减少作物病原菌、控制杂草的量和防止水土流失等。

作为典型的兼性小共生体，根瘤菌在土壤中以腐生的方式生活，可以在缺氮的条件下在共生豆科植物的根和茎形成能固氮的根瘤。根瘤菌—豆科植物共生固氮体系的固氮能力最强，效率也是最高的，共生固氮每年固氮的量约占生物固氮总量的60%。因此，对生物固氮作用的研究具有非常重要的经济和生态学意义，在氮循环以及持续发展农业方面也起着重要的作用。

然而，近年来关于豆科绿肥根瘤菌的资源调查研究很少，大部分种植区不接种根瘤菌或者仍然在用多年前选育出的根瘤菌菌株。尽管目前大部分种植区的土壤中存在与豆科绿肥相匹配的根瘤菌，但固氮效率较低，需要进一步选育高效根瘤菌菌株，并替换原来土壤中的根瘤菌种群来提高固氮效率。

因此，需要调查不同种植区的豆科绿肥根瘤菌的遗传多样性，并结合土壤因子信息，分析不同豆科绿肥根瘤菌的生物地理学分布特征，为我国豆科绿肥的接种、选种准备优质的菌种资源。

此外，随着时间的推移、种群的演化、土壤的改变，该项研究工作需持续进行，以期不断得到高效根瘤菌菌株，充分发挥生物固氮作用，提高农作物产量，减少农田面源污染。

绿肥根瘤菌研究前沿进展

目前，笔者课题组系统收集了分布在我国甘肃、青海和山西等7个种植点的箭筈豌豆和毛叶苕子共生根瘤菌资源，以及四川、湖北、湖南和广西等13个种植点的紫云英根瘤菌资源，并对采集得到的资源进行多样性分析。

首先采集土壤样品，分别用相关豆科绿肥进行共生根瘤菌的捕捉，经过分离纯化得到202株箭筈豌豆根瘤菌、253株毛叶苕子根瘤菌和451株紫云英根瘤菌；然后采用IGS-PCR RFLP分析、16S rRNA基因、3个持家基因和共生基因的系统发育分析等对分离的根瘤菌资源进行分子鉴定。

结果表明，箭筈豌豆和毛叶苕子可以选择不同基因组和共生基因背景的根瘤菌建立有效的共生关系，这与之前的许多研究保持一致，即单一的豆科植物可以和不同的根瘤菌共生结瘤，甚至是在同一个生态区。此外还表明了箭筈豌豆和毛叶苕子为互接种族，即可以和含有相同共生基因背景的根瘤菌种群建立共生关系。

而对于紫云英的分析结果则表明，目前研究所分离的紫云英根瘤菌与其他地方分离的紫云英根瘤菌的参比序列具有高度一致性，表明了紫云英根瘤菌的严格宿主专一性——紫云英仅能和一种共生基因背景的根瘤菌建立有效的共生关系。

此外，课题组结合土壤的理化性质（速效钾、全氮、有机质、pH值、有效磷和含盐量）对根瘤菌的分布特征进行相关性分析。结果表明，pH值、有效磷、含盐量以及速效钾的含量对箭筈豌豆、毛叶苕子和紫云英根瘤菌的生物地理学分布产生了很大的影响，这与大豆、三叶草、菜豆等根瘤菌的生物地理学分布规律十分相似。

不同的根瘤菌种群对同样的土壤理化因子的响应不同，即可能是正相关关系也可能是负相关关系。类似地，同一种群对同样的土壤理化因子的响应也可能不同。例如，当宿主植物是箭筈豌豆时，根瘤菌R. sophorae的分布与pH值呈正相关关系，而当宿主植物是毛叶苕子时，R. sophorae的分布与pH值呈负相关关系。这可能是土壤中根瘤菌种群的特定群落结构形成的原因即宿主植物、根瘤菌和环境因子三者之间的共同作用结果。

目前，课题组研究分析了各个采样点的不同豆科绿肥共生根瘤菌种群分布特征，确定了每个采样省份的优势根瘤菌种群，并以此为基础进一步挖掘了箭筈豌豆、毛叶苕子和紫云英共生根瘤菌的优势菌种资源，为工业发酵奠定了一定的基础。

根瘤菌在绿肥产业中的应用

我国豆科绿肥种植面积已经达到300多万公顷。充分发挥豆科绿肥与根瘤菌的生物固氮作用，可有效减少化肥使用量，符合农业农村部“降肥减药”的要求。在此，笔者以紫云英为例，阐述根瘤菌在绿肥产业中的落地应用。

紫云英翻压后可以直接供给土壤养分，腐熟分解后还能提高土壤中的酶活性、微生物数量及活性，从而提高养分的有效性。1亩紫云英可产鲜草2000~3000公斤，肥力相当于5~6公斤纯氮，算下来，每亩可以减少化肥施用量40多公斤。用它作底肥，可以说是节本又环保。

近几年，笔者课题组联合河南省农科院等机构，在河南驻马店地区开展了紫云英接种高效根瘤菌剂的大田实验，通过液体菌剂拌种形式接种，最终使得处理组的紫云英生长周期较未处理的对照组延长了至少半个月，紫云英鲜草生物量也有明显提升，效果显著。

湖南是传统绿肥种植区域。据湖南省农科院统计，自紫云英与高茬稻草协同利用模式实施4年以来，稻草留高茬还田比稻草不还田处理的绿肥鲜草产量平均提高了32.3%，水稻产量比冬闲对照田提高8%以上。除了湖南外，华北、西北、西南和南方稻田区也形成了各具特色的绿肥种植模式，全国绿肥种植面积超过400万公顷。

而在绿肥产业中纳入根瘤菌研究，从基础层面上可以积累我国主要豆科绿肥相关的丰富优质的根瘤菌菌种资源，从应用层面上为绿肥相关高效根瘤菌菌种资源的发掘与应用奠定基础，从而有效保障绿肥栽培过程不施肥、绿肥生长过程高效固氮以及绿肥翻压还田后栽培水稻等减施化肥的目标，从源头上保障食品安全。

（作者系郑州轻工业大学副教授，本报记者王方采访整理）