生物固氮产业发展状况

一、生物固氮产业发展状况

1、生物固氮产业发展的背景意义

氮、磷、钾是作物的三大营养元素，氮素尤其重要。虽然空气中氮气的含量接近80%，但由于氮气是惰性气体，不能为作物直接利用。化学氮肥的施用，在补充作物氮素营养、提高作物产量、保障我国的粮食安全方面发挥了巨大作用，但近年来，其与生态环境及农业可持续发展的矛盾日益凸显：1）化学氮肥的过量及不合理施用，使氮肥利用率不足30%，造成大量资源的浪费；2）粮食产出与化肥投入比呈现逐年下降的趋势，化肥在保障粮食安全方面的作用逐渐减弱；3）带来了环境污染等一系列问题：污染水体：全国532条河流中，82%受到不同程度的氮污染，水体富营养化严重；污染大气：每年我国氮肥生产耗能1亿多吨标准煤，CO2净排放量可达4亿吨以上，加剧温室效应；破坏土壤结构：部分地区土壤有机质含量从5%～8%，已降到1%～2%，土壤板结严重；影响食品安全：豆科作物食用部分的硝酸盐含量随着氮肥施用量的增加而大幅度提高，人体摄入的硝酸盐约80%以上来自豆科作物， 34种豆科作物的350个样品分析测定中，硝酸盐含量超标占61.7%；加剧病虫害：在黑龙江等粮食主产区，每年生产季节发生病虫害面积达600万亩，其中70%是因氮肥过量引起的，造成直接经济损失达50亿元。

在世界性能源危机和环境污染的压力下，必须寻求一种高效利用资源、环境友好的农业生产途径。

生物固氮，是发生在含有固氮酶的微生物种类中，将氮气还原成氨的一种生物过程，此过程在自然条件下完成，不消耗能源，也不对环境产生污染。在自然界中，已知200多属细菌中含有固氮菌株，

根据其与植物的互作关系分为：共生固氮菌，联合固氮菌和自生固氮菌，其中，根瘤菌能够与豆科植物形成共生固氮体系，共生固氮效率最高；联合固氮菌与植物是一种松散的结合，定植于作物的根际和植物体内进行固氮，并可分泌植物激素促进作物生长；联合固氮和共生固氮都可为作物提供氮素，减少化肥使用，在环境污染越演越烈的今天备受关注，生物固氮的可功效为：

1）在减少化学氮肥上的作用。据FAO估算，全球生物固氮量约为2.0亿吨/年，根瘤菌-豆科植物共生固氮量占其中的65%～70%，其所固定的氮可以提供该植物生长所需氮素营养的50%～80%，甚至100%，其地下部分含氮占植株总氮的30%～35%，残体分解后可有效提高土壤肥力。国内外研究人员，通过多年对大豆、花生、紫云英等豆科植物接种根瘤菌的试验充分证明了：豆科植物接种相应的根瘤菌后，不仅增产显著，而且可大大节约化学氮肥的投入，并可为下茬非豆科植物提供一部分氮素化肥；近年来有研究表明甘蔗体内的内生固氮菌，它们生活在植物体内，可为植物提供高达60%的氮素；Ghonsikar 等用固氮螺菌接种高粱，结果发现，两者可形成联合固氮体系，并且形成联合固氮体系的高梁根量增加29％，根体积增加39％，籽粒增产18%。充分发挥生物固氮作用，是既不消耗矿质能源且环境友好，又能减少化学氮肥用量并提高土壤肥力的有效途径。

2）在提高作物单产上的作用。我国的豆科根瘤菌研究，始于20世纪30年代，多年的试验证明：接种根瘤菌后，大豆、花生可增产5～1

5%，沙打旺可增产59%以上，紫云英增产30%以上，紫花苜蓿增产30%～50%，增产效果显著。而根瘤菌在田间应用中的一个重要问题是氨阻遏，近年来研究发现，发挥根瘤菌-豆科植物-禾本科植物互作体系，不仅可缓解氨阻遏，提高共生固氮作用，而且可实现豆禾双增产。如在甘肃进行的蚕豆玉米间作试验表明，间作蚕豆的产量比单作地的提高63.7%，达到单产8202kg/公顷，玉米比单作产量提高17.3%，达到10886kg/公顷；豆科作物与小麦、谷子、高粱、玉米等禾本科作物轮作，可使后者实现40%的增产效果。中国农业大学李季伦等对从我国土壤中分离出来巴西固氮螺菌Yu62 进行了多方面研究，铵对该菌固氮酶活性的抑制已基本研究清楚，构建成脱铵阻遏的工程菌株UB37,在玉米田间小区实验中达到减少氮肥用量40%条件下增产19%的效果；陈三凤等分离的固氮芽孢杆菌同样具有具有固氮能力，且存活时间长，抗逆性强，也成为固氮菌肥的最佳材料。中国农业科学院斯氏假单胞基因工程菌于2000年通过安全性评价，成为我国首个商品化的基因工程微生物，并在辽宁等地进行高技术产业化应用项目。菌肥产品田间示范显示：用于盐碱地水稻可节约纯氮12-20%，用于大棚蔬菜效果尤其突出，不仅可减少氮肥用量10-50%，而且可增产11-33%，蔬菜品质也有明显提高。

在土地资源、水分资源和养分资源很有限的条件下，要解决13亿人口的粮食问题，发挥根瘤菌-豆科植物共生作用以及根瘤菌-豆科植物-禾本科植物互作体系作用，为既能实现高产又能高效利用资源的农业生产途径。

3）在土壤改良及修复上的作用。豆科是植物的第二大科，包括乔木、灌木、藤木、草本等类型，其生长有利于增加地面覆盖率，尤其在黄土高原地区，根瘤菌-豆科植物共生固氮资源对土壤改良和水土保持起重要作用。豆科牧草庞大的根系和大量的根瘤使土壤有机质和含氮量分别增加36～40%，同时改善了耕作层，使土壤疏松，孔隙度增加，能较好地防止水土流失，一般可减少径流95%。接种高效根瘤菌，不但能大幅提高牧草产量，利于草场改良，而且对退耕还林还草意义重大。

近年来，随着研究的深入，根瘤菌对土壤修复的作用逐步受到关注。Chekol等（2004）对污染土壤的生物修复试验证明：种植紫花苜蓿，使轻度污染和重度污染土壤中PCB浓度分别下降15.8%和23.5%；而接种苜蓿根瘤菌后，使轻度污染和重度污染土壤中PCBs浓度分别下降了20.6%和25.5%。。Ike等（2007）基于豆科植物和基因工程根瘤菌之间的共生，构建携带不同基因的根瘤菌，通过根瘤菌-紫云英-水稻互生体系作用，可使水稻土中最高达9%的Cd被去除。

根瘤菌与豆科植物的共生体系，构成一个天然的除污细菌库，从而使受污染的土地重新充满生机，在土壤改良及修复方面将有很大的应用潜力。

2、生物固氮产业发展现状

生物固氮技术在豆科作物上得到了推广和普及，世界上许多国家，如美国、巴西、阿根廷等，至少有70多个国家研究、生产和应用豆科根瘤菌，不仅面积不断扩大，而且应用的豆科植物种类越来越多