供氮水平對大豆結(jié)瘤固氮的系統(tǒng)性影響

張博文 高 珊 王玲玉 王譯爽

（東北農(nóng)業(yè)大學，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)量的主要貢獻者，也是我國進口量最大的農(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，通過外界補充氮素對大豆結(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氮和根瘤固氮來獲取氮素，較高濃度的無機氮對結(jié)瘤及固氮會產(chǎn)生抑制作用，而低濃度氮對結(jié)瘤及固氮有促進作用。氮素與根瘤固氮之間既是相輔相成又是互相矛盾的，當?shù)嘏c根瘤固氮相結(jié)合時可達到高產(chǎn)，但是二者之間的矛盾會對根瘤固氮產(chǎn)生不利影響。施用氮肥不僅會提高生產(chǎn)成本，而且經(jīng)常過量施用化學氮肥，也會對生態(tài)系統(tǒng)造成嚴重影響。為了解決這些問題，應(yīng)加強生物固氮研究，以促進農(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氣，為豆科植物提供氮素，而豆科植物又為其供應(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者根據(jù)田間試驗和農(nóng)業(yè)化學分析的結(jié)果提出，豆科植物可以從空氣中獲得氮素營養(yǎng)。1886年，有學者用砂培試驗證明，只有著生根瘤的豆科植物才能固定空氣中的氮。1888年，有學者首次分離得到根瘤菌的純培養(yǎng)體。1889年，有學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，但對根瘤菌固氮的應(yīng)用相對較早。

2 大豆結(jié)瘤固氮與供氮水平的關(guān)系

有學者利用土培分根法，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。有學者在水培條件下對大豆分根系統(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)量相對恒定。有學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標記，且隨著施氮側(cè)供氮濃度的增加而增加。還有學者向大豆分根系統(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，植株干質(zhì)量略有增加；銨態(tài)氮濃度為4、8、16 mmol/L時，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材料，當NO3-N處理濃度為20 mmol/L時，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時的根瘤數(shù)、鮮質(zhì)量和固氮酶活性較高，3.5 mmol/L時最高，14.0 mmol/L時最低。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，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；當濃度在200 mg/L時，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］對供試大豆采用框栽試驗并設(shè)置5個氮肥水平，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)，適當提高外源氮素水平對根瘤的生長有促進作用，根瘤的生長需要外界提供一定的氮素營養(yǎng)，但當外源氮水平過高時，過量的氮素就會抑制根瘤的生長，并使根瘤干質(zhì)量的峰值提前到達。嚴君等［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）能夠促進上部根結(jié)瘤和固氮，當下部根供氮濃度由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。XIA等［18］對大豆雙根系統(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］認為施氮濃度影響大豆干質(zhì)量及氮素積累量。YINBO等［16］試驗結(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，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，大豆植株氮素積累量最大。嚴君等［15］對供試大豆進行一次供氮（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，均隨植株生育時期的推進先升高后降低，鼓粒期達到最大值。總體上，與一次性施氮相比，分次供氮對大豆地上部氮素積累有更大的促進作用，對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)，對雙根大豆一側(cè)根供氮，高氮濃度能夠明顯促進植株地上部及兩側(cè)根的生長發(fā)育和氮素積累，施氮雖然能夠促進未供氮側(cè)根的干物質(zhì)和氮素積累，但對供氮側(cè)根部生長和氮素積累促進更為顯著，在高氮濃度下尤為顯著，表明大豆根系對高濃度氮表現(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，氮素更易促進直接接觸的根系進行氮素積累，而對氮素積累的促進作用較干物質(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，將氮吸收后以某種形式儲存起來，使得其氮素含量增加，供氮對干物質(zhì)積累的促進作用并沒有對氮素含量和氮素積累量促進作用大。

4 結(jié)語

大豆在生長發(fā)育過程中對氮素的需求量較多，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)育后期往往會出現(xiàn)供氮不足的問題，難以達到豐產(chǎn)目標，因此仍需施入一定量的氮肥［20］。外源氮素對大豆根瘤的生長具有顯著影響［21］，氮肥的施用對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，不僅會抑制豆科植物的共生固氮能力，而且達不到增產(chǎn)的效果［22］。