張博文 高 珊 王玲玉 王譯爽

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150030）

大豆作為我國重要的糧食及油料作物，是世界油料產(chǎn)量的主要貢獻(xiàn)者，也是我國進(jìn)口量最大的農(nóng)產(chǎn)品之一。氮素作為大豆的必需元素，在各個(gè)方面均影響著大豆的生長發(fā)育。從平衡大豆固氮與施用氮肥的方面來看，施用適量的氮肥，可以在生產(chǎn)中充分發(fā)揮生物固氮的作用，減少氮肥的使用，促進(jìn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展，又能降低大豆生產(chǎn)成本，獲得較高產(chǎn)量。因此，通過外界補(bǔ)充氮素對(duì)大豆結(jié)瘤和固氮具有重要意義。

大豆是一種重要的固氮作物，但僅依靠其自身的固氮功能，不能滿足其生長發(fā)育和豐產(chǎn)需求［1］。豆科作物主要通過根部直接吸收無機(jī)氮和根瘤固氮來獲取氮素，較高濃度的無機(jī)氮對(duì)結(jié)瘤及固氮會(huì)產(chǎn)生抑制作用，而低濃度氮對(duì)結(jié)瘤及固氮有促進(jìn)作用。氮素與根瘤固氮之間既是相輔相成又是互相矛盾的，當(dāng)?shù)嘏c根瘤固氮相結(jié)合時(shí)可達(dá)到高產(chǎn)，但是二者之間的矛盾會(huì)對(duì)根瘤固氮產(chǎn)生不利影響。施用氮肥不僅會(huì)提高生產(chǎn)成本，而且經(jīng)常過量施用化學(xué)氮肥，也會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響。為了解決這些問題，應(yīng)加強(qiáng)生物固氮研究，以促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

1 豆科植物、根瘤菌共生固氮發(fā)現(xiàn)及研究簡史

有關(guān)豆科作物共生固氮的研究已有近百年歷史。在一些豆科植物中，根瘤菌與豆類作物根部共生形成根瘤，它們在功能上高度統(tǒng)一，在根瘤中以類菌體形態(tài)存在的根瘤菌固定氮?dú)?，為豆科植物提供氮素，而豆科植物又為其供?yīng)充足的碳和其他營養(yǎng)物質(zhì)［2］。1838年，豆科作物能固氮被首次提出［3］。1866年，發(fā)現(xiàn)豆科植物根瘤中含有微生物，并指出微生物侵入植物是根瘤形成的主要原因［4］。1883年，首次提出豆科植物能固氮的學(xué)者根據(jù)田間試驗(yàn)和農(nóng)業(yè)化學(xué)分析的結(jié)果提出，豆科植物可以從空氣中獲得氮素營養(yǎng)。1886年，有學(xué)者用砂培試驗(yàn)證明，只有著生根瘤的豆科植物才能固定空氣中的氮。1888年，有學(xué)者首次分離得到根瘤菌的純培養(yǎng)體。1889年，有學(xué)者給豆科植物接種根瘤菌純培養(yǎng)體，形成了根瘤［5］。目前，大豆主要生產(chǎn)國如美國、巴西和阿根廷等根瘤菌接種面積占大豆種植面積的50%以上，大豆根瘤菌劑的使用十分普遍，少施用甚至不施氮肥，也同樣獲得了十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益［6］。利用根瘤菌接種豆科植物以提高其固氮效率已有100多年歷史，雖然我國在生物固氮這個(gè)領(lǐng)域的研究起步較晚，在根瘤菌固氮方面的研究只有70多年歷史，但對(duì)根瘤菌固氮的應(yīng)用相對(duì)較早。

2 大豆結(jié)瘤固氮與供氮水平的關(guān)系

有學(xué)者利用土培分根法，給大豆一側(cè)根施不同濃度硝酸銨，施氮側(cè)的根瘤數(shù)量和質(zhì)量隨施氮濃度的增加而顯著減少，并使未施氮側(cè)的根瘤質(zhì)量減少，但是未施氮側(cè)根瘤數(shù)量并未減少。有學(xué)者在水培條件下對(duì)大豆分根系統(tǒng)的一側(cè)根供NO3-，發(fā)現(xiàn)施氮側(cè)根瘤數(shù)量和質(zhì)量隨著氮濃度增加而減少，不施氮側(cè)根瘤數(shù)量相對(duì)恒定。有學(xué)者利用大豆分根系統(tǒng)，向一側(cè)根供15NO3-，發(fā)現(xiàn)在另一側(cè)不施加氮的根及根瘤中檢測到了15N標(biāo)記，且隨著施氮側(cè)供氮濃度的增加而增加。還有學(xué)者向大豆分根系統(tǒng)一側(cè)施加13NH4+，在地上部和未供氮側(cè)也都檢測到13N標(biāo)記的氨基酸，說明氮是可以通過地上部分系統(tǒng)性影響另一側(cè)根系生長。DAIMON等［7］利用分根法對(duì)花生一側(cè)根施用14 mmol/L NO3-，5 d后，施氮側(cè)的固氮酶活性明顯較另一側(cè)活性低，處理30 d后，供氮側(cè)和不供氮側(cè)根瘤固氮酶活性都受到了抑制。有部分學(xué)者利用砂培大豆分根法，在一側(cè)根接種根瘤菌10 d后給另一側(cè)根接種根瘤菌，發(fā)現(xiàn)后接種根瘤菌一側(cè)的根結(jié)瘤受到抑制，還有的以豌豆為試驗(yàn)材料，也得出了一致的結(jié)果，表明結(jié)瘤受另外一側(cè)根的系統(tǒng)性調(diào)節(jié)。CARROLL等［8］對(duì)白三葉草、木黃麻和苜蓿采用分根法，一側(cè)根供氮，另一側(cè)不供氮，也發(fā)現(xiàn)施氮側(cè)隨供氮濃度增加，根瘤干質(zhì)量和數(shù)量增長明顯受到抑制，而未供氮側(cè)根瘤干質(zhì)量和數(shù)量差異不顯著。這表明供氮水平對(duì)豆科作物的根瘤生長和固氮酶活性存在局部抑制現(xiàn)象。

BETHLENFALVAY等［9］用蛭石培養(yǎng)豌豆，施用不同濃度的銨態(tài)氮，發(fā)現(xiàn)銨態(tài)氮濃度0～2 mmol/L時(shí)，植株干質(zhì)量略有增加；銨態(tài)氮濃度為4、8、16 mmol/L時(shí)，植株干質(zhì)量無明顯變化。SKRDLETA等［10］以珍珠巖栽培豌豆為試驗(yàn)材料，當(dāng)NO3-N處理濃度為20 mmol/L時(shí)，處理1 d可迅速抑制豌豆根瘤固氮酶活性；在20 mmol/L濃度下處理3 d，根瘤干質(zhì)量開始減少。CARROLL［8］利用分根法對(duì)白三葉草一側(cè)根供應(yīng)不同濃度的硝酸鹽，隨著硝酸鹽濃度的增加，根瘤發(fā)育受到抑制，而在無硝酸鹽條件下根瘤數(shù)和質(zhì)量增長沒有受到抑制。DAIMON等［7］在砂培條件下，施用濃度分別為0.7、3.5、14.0 mmol/L的硝態(tài)氮，發(fā)現(xiàn)0.7 mmol/L時(shí)的根瘤數(shù)、鮮質(zhì)量和固氮酶活性較高，3.5 mmol/L時(shí)最高，14.0 mmol/L時(shí)最低。YASHIMA等［11］在雙層水培盆栽系統(tǒng)中，將大豆根分為上部和下部兩個(gè)部分，分別向上部和下部施用0 mmol/L或5 mmol/L的硝態(tài)氮。他們發(fā)現(xiàn)，在硝態(tài)氮存在或不存在的情況下，對(duì)根瘤生長和固氮酶活性的影響可以迅速可逆調(diào)節(jié)。這一發(fā)現(xiàn)表明，隨著氮素濃度的變化，大豆根瘤生長和固氮酶活性受到的直接抑制是可逆的。TANAKA等［12］在水培條件下對(duì)大豆分根系統(tǒng)一側(cè)供給NO3-，也發(fā)現(xiàn)施氮側(cè)的根瘤質(zhì)量和固氮酶活性均隨NO3-濃度的增加而顯著降低，而濃度在100 mg/L以下時(shí)，未施NO3-側(cè)的根瘤質(zhì)量和固氮酶活性并沒有受到顯著影響；當(dāng)濃度在200 mg/L時(shí)，未施NO3-側(cè)根瘤質(zhì)量和根瘤固氮酶活性則受到不利影響。

王樹起等［13］對(duì)供試大豆采用框栽試驗(yàn)并設(shè)置5個(gè)氮肥水平，隨氮素施用量增加，根瘤干質(zhì)量先增加后減少，最大值出現(xiàn)在氮100 kg/hm2處理，因此得出高水平外源氮素抑制大豆根瘤生長。方差分析結(jié)果顯示，不供氮與供氮處理間均存在顯著差異，但N50與N200處理間無明顯差異。根瘤數(shù)量與干質(zhì)量變化趨勢相同，供氮側(cè)根瘤數(shù)量顯著高于未供氮側(cè)，不同施氮處理間差異明顯。董守坤等［14］采用（15NH4）2SO4作為氮源，在砂培條件下發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)提高外源氮素水平對(duì)根瘤的生長有促進(jìn)作用，根瘤的生長需要外界提供一定的氮素營養(yǎng)，但當(dāng)外源氮水平過高時(shí)，過量的氮素就會(huì)抑制根瘤的生長，并使根瘤干質(zhì)量的峰值提前到達(dá)。嚴(yán)君等［15］發(fā)現(xiàn)在一次性供氮方式處理下，N1（75 kg/hm2）處理的根瘤數(shù)量最多，變化趨勢與根瘤干質(zhì)量相同，在播種期施用適量“起爆氮”有明顯促進(jìn)根瘤形成的作用。

YINBO等［16］在珍珠巖中培養(yǎng)大豆，高濃度的礦質(zhì)氮（10 mmol/L）、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和硝酸銨，均顯著抑制大豆單株結(jié)瘤數(shù)量、質(zhì)量和固氮量的增長，而較低 的 礦 質(zhì)氮濃度（1.00 mmol/L或3.75 mmol/L）結(jié) 瘤數(shù)量、質(zhì)量和固氮量均顯著提高。HIROYUKI等［17］利用雙層系統(tǒng)將大豆根分為上下兩部分，長期供給下部根低濃度氮（1 mmol/L）能夠促進(jìn)上部根結(jié)瘤和固氮，當(dāng)下部根供氮濃度由0 mmol/L變?yōu)? mmol/L處理40 d后，上部根和下部根的根瘤數(shù)量、根瘤質(zhì)量明顯減少且固氮酶活性明顯降低，當(dāng)下部根供氮濃度從5 mmol/L變?yōu)? mmol/L處理40 d后，上部根和下部根的根瘤數(shù)量、根瘤質(zhì)量及固氮酶活性均明顯恢復(fù)。XIA等［18］對(duì)大豆雙根系統(tǒng)一側(cè)供不同濃度氮，供氮側(cè)的根瘤數(shù)量和質(zhì)量隨氮濃度的增加呈先上升后下降的變化，未供氮側(cè)的根瘤數(shù)量和質(zhì)量不隨濃度變化而改變趨勢，根瘤固氮酶活性供氮側(cè)與未供氮側(cè)均隨氮濃度的增加呈先升高后降低的變化趨勢，在50 mg/L濃度達(dá)到峰值，供氮側(cè)與未供氮側(cè)的單位質(zhì)量根瘤固氮酶活性和每株根瘤固氮酶活性均隨著氮濃度的變化表現(xiàn)出同步性，供氮側(cè)和未供氮側(cè)單位質(zhì)量根瘤固氮酶活性和每株根瘤固氮酶活性隨著氮濃度的增加而降低，降低而增加，變化一致。Lü等［19］采用江砂盆栽培養(yǎng)雙根大豆植株，供氮側(cè)供25 mg/L氮處理根瘤數(shù)和根瘤質(zhì)量均顯著高于供100 mg/L氮處理。

3 大豆氮素積累與供氮水平的關(guān)系

BETHLENFALVAY等［9］認(rèn)為施氮濃度影響大豆干質(zhì)量及氮素積累量。YINBO等［16］試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著氮素濃度的增加，大豆干物質(zhì)積累量和氮素積累量相應(yīng)增加，但高濃度氮素（10 mmol/L）對(duì)大豆生長有抑制作用。董守坤等［14］研究表明，外源營養(yǎng)液氮濃度較低時(shí)，由于氮供應(yīng)不充足，氮素積累量較少，而外源氮水平過高也不利于氮素的積累。隨氮素營養(yǎng)水平提高，大豆植株氮素積累量先升高后降低，氮濃度為50 mg/L時(shí)，大豆植株氮素積累量最大。嚴(yán)君等［15］對(duì)供試大豆進(jìn)行一次供氮（3種供氮處理75、150、225 kg/hm2）和分次供氮處理，得出不同供氮方式氮素積累的變化趨勢一致，均隨植株生育時(shí)期的推進(jìn)先升高后降低，鼓粒期達(dá)到最大值。總體上，與一次性施氮相比，分次供氮對(duì)大豆地上部氮素積累有更大的促進(jìn)作用，對(duì)大豆植株吸收氮素營養(yǎng)更有利。Lü等［19］利用嫁接方法制備的大豆雙根系統(tǒng)，對(duì)雙根大豆一側(cè)根供氮，高氮濃度能夠明顯促進(jìn)植株地上部及兩側(cè)根的生長發(fā)育和氮素積累，施氮雖然能夠促進(jìn)未供氮側(cè)根的干物質(zhì)和氮素積累，但對(duì)供氮側(cè)根部生長和氮素積累促進(jìn)更為顯著，在高氮濃度下尤為顯著，表明大豆根系對(duì)高濃度氮表現(xiàn)出趨氮性。值得一提的是，在高氮水平下N+側(cè)根系氮含量、氮素積累量明顯高于N-側(cè)，這表明氮素對(duì)根系氮含量和氮素積累量的影響是局部性的，氮素更易促進(jìn)直接接觸的根系進(jìn)行氮素積累，而對(duì)氮素積累的促進(jìn)作用較干物質(zhì)積累明顯，這可能是由于直接接觸氮的一側(cè)根在遇到較高氮濃度時(shí)，將氮吸收后以某種形式儲(chǔ)存起來，使得其氮素含量增加，供氮對(duì)干物質(zhì)積累的促進(jìn)作用并沒有對(duì)氮素含量和氮素積累量促進(jìn)作用大。

4 結(jié)語

大豆在生長發(fā)育過程中對(duì)氮素的需求量較多，氮素的主要來源是：從土壤中吸收氮素、生物固氮產(chǎn)生的氮素和施用化學(xué)氮肥。豆科作物依靠根瘤固氮僅能滿足其正常生長所需的50%左右，在其生長發(fā)育后期往往會(huì)出現(xiàn)供氮不足的問題，難以達(dá)到豐產(chǎn)目標(biāo)，因此仍需施入一定量的氮肥［20］。外源氮素對(duì)大豆根瘤的生長具有顯著影響［21］，氮肥的施用對(duì)大豆的生物固氮有雙重作用，少量氮肥可提高大豆的生物固氮效率，氮肥用量過多或在不適宜階段施用氮肥，不僅會(huì)抑制豆科植物的共生固氮能力，而且達(dá)不到增產(chǎn)的效果［22］。