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盡管大氣中含氮78%，但它是一種惰性氣體，任何動(dòng)植物均不能直接利用。只有那些能合成固氮酶的細(xì)菌和古菌可以將它還原成氨后加以利用，這些菌統(tǒng)稱固氮微生物，包含在200多個(gè)屬中。生物固氮是在常溫常壓下進(jìn)行，無(wú)需消耗礦質(zhì)能源。在工業(yè)化生產(chǎn)氮肥之前，生物固氮是自然生態(tài)環(huán)境中氮素營(yíng)養(yǎng)的主要來(lái)源。直到今天，地球上生物固氮量仍然是工業(yè)氮肥總量的兩倍，而其中由根瘤菌與豆科植物共生體固定的氮占生物固氮總量的80%，為*大的固氮體系。根瘤菌的分泌物還能溶解鐵、磷、鈣、鎂等礦質(zhì)元素，并能分泌生長(zhǎng)激素刺激植物生長(zhǎng)。
根瘤菌與豆科植物共生互作形成根瘤，在這個(gè)過(guò)程中根瘤菌從宿主獲得碳源和能源，將大氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化為植物氮素養(yǎng)分，兩者互惠共生。據(jù)研究，豆科植物會(huì)自已調(diào)控根瘤的數(shù)量和固定的氮量，不會(huì)無(wú)謂消耗本身的能量。采用適當(dāng)?shù)母咝Ц鼍臃N，可以滿足宿主植物全部氮素需求量。中國(guó)古代文獻(xiàn)《齊民要術(shù)》就記載了豆科作物可以肥田，并釆用客土法為豆科作物接種根瘤菌。自19世紀(jì)末歐洲科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)根瘤菌固氮之后，很快一些國(guó)家就采用了根瘤菌接種豆科作物的生產(chǎn)技術(shù)。目前，此技術(shù)在澳大利亞農(nóng)、牧業(yè)中用得*好。早在1990年澳大利亞全國(guó)由豆科作物固定的氮肥量就已達(dá)到工業(yè)氮肥的3倍。巴西、阿根廷上世紀(jì)60年代以來(lái)大規(guī)模擴(kuò)種大豆，均不施氮肥，只用根瘤菌劑接種并輔以適量的磷、鉀肥。產(chǎn)量均在3000 公斤/公頃以上，最高產(chǎn)量可以達(dá)到4500公斤/公頃。菌劑的投入產(chǎn)出比高達(dá)1∶16 (2.55:405美元/公頃)。在我國(guó)20世紀(jì)50-60年代，大豆、花生、紫云英接種根瘤菌實(shí)驗(yàn)在南北方均廣泛開(kāi)展，效果同樣很好。而70年代以后，由于化肥大量投入，豆科作物接種根瘤菌事業(yè)處于停頓狀態(tài)，種大豆也主要依賴氮肥，單產(chǎn)低到只有1500公斤/公頃，在世界上排第八位(7位的國(guó)家均接種根瘤菌，不施氮肥)。過(guò)去30多年中，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)根瘤菌研究中心對(duì)中國(guó)的根瘤菌資源進(jìn)行了全國(guó)范圍的調(diào)查研究，建立了12000多菌株的根瘤菌菌種保藏庫(kù)，是目前國(guó)際上菌株數(shù)量大，宿主種類多（采自600多種豆科植物）的根瘤菌庫(kù)；對(duì)其中近8000個(gè)菌株進(jìn)行系統(tǒng)分類研究，發(fā)表了2個(gè)根瘤根新屬和40多個(gè)新種，約占國(guó)際總數(shù)的一半；在長(zhǎng)期的研究中，我們發(fā)現(xiàn)與同種植物共生的不同根瘤菌種群有明顯的地理區(qū)域性分布，研究得知是因?yàn)樗鼈兙哂胁煌拇x與抗逆基因，從而適應(yīng)不同的生態(tài)環(huán)境；同種根瘤菌的不同菌株對(duì)植物不同品種共生有效性差異很大，也是因它們具不同的共生基因所致。根據(jù)這些發(fā)現(xiàn)，我們已經(jīng)有針對(duì)性地為大豆、花生、扁豆、苜蓿等在不同地區(qū)的主要栽培品種進(jìn)行了根瘤菌選種，篩選出具有品種適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)瘤固氮活性高的一些菌株。在河北、河南、山東的田間小區(qū)試驗(yàn)表明，大豆接種優(yōu)質(zhì)根瘤菌可以增產(chǎn)17.8-35.6，產(chǎn)量在4000kg/ha以上。接種比每畝施用10 公斤尿素追肥的產(chǎn)量還高10%。80年代我們的田間實(shí)驗(yàn)表明：*不施化肥，花生接種根瘤菌可以增產(chǎn)14.5-28.0%。因此，為豆科作物接種優(yōu)質(zhì)根瘤菌可以減少化肥用量，減少水源污染、節(jié)省能源和培肥地力，我們應(yīng)該大力推廣高效根瘤菌劑的應(yīng)用。
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