全 文 ：地耳生物固氮特性及其在内蒙古草原氮
素循环中的作用*
关秀清　阮学军
(中国科学院植物研究所, 北京 100093)
　　摘要: 对内蒙古锡林郭勒草原地耳进行地上生物量、生理生化特性及固氮特性的研究。结
果表明, 地耳在晴天、早、晚是固氮能力最强的时间,中午几乎测不到固氮活性,而夜间气温不低
于 5℃时仍能固氮。夏季雨天 24h 均能固氮。根据地耳在不同草原的分布及生物量、固氮活性昼
夜变化、季节动态和年降水天数,估算出地耳在内蒙古草原的固氮量为 1～4kg/ hm 2·a。
关键词: 念珠藻; 氮素循环; 固氮量
　　在内蒙古天然草原,每年通过割草、放牧等人为活动从土壤中带走氮素约30kg / hm2·a,相
当于140kg 硫铵(陈佐忠 1983)。目前我国草原基本不施化肥,但氮素循环近于平衡,其氮素
来源一部分来自动、植物残渣、雷电作用,主要的来源还是生物固氮。在草原生物固氮研究
中,人们对豆科植物的共生固氮研究较多, 而对低等植物固氮在氮素循环中的作用却研究较
少。几年来, 笔者对草原生物固氮资源进行调查,发现在内蒙古地区能固氮的低等植物分布
极广,特别是地耳( N ostoc commune )、发菜( N astoc f lagellif orme ) , 它们属于陆生蓝藻中的
念珠藻。在近代微生物分类中已归属原核生物的蓝细菌类( Cyanobacteria) ,这些藻类主要分
布在内蒙古地区干旱半干旱的退化草原,不仅有特殊耐干旱特性, 而且吸水后在极短时间内
就能恢复光合固氮效能(陈延伟, 1984)。生物量最多可达 5. 6g/ m 2(干重)。在牧草丰盛的草
原,这种地耳几乎没有。地耳的固氮活性和草原上常见的小叶锦鸡儿根瘤固氮活性相比几乎
相等,但地耳的分布和生物量却比锦鸡儿根瘤广而多。在一定范围内,甚至比草原的豆科植
物根瘤还多。地耳不仅能固氮而且能耐极端恶劣的环境,特别是干旱荒漠地区广泛分布,有
机质和含氮量非常丰富,是土壤肥力形成的先锋植物。因此地耳是退化草原生态系统中不可
忽视的氮素来源。
目前,笔者首先选择内蒙古草原最常见的地耳进行固氮特性研究,进一步研究其它低等
植物的固氮作用。从而,确定低等植物在草原氮素循环中的位置。
地耳分布极广,在退化草原或沙地几乎到处可见,既能耐零下 40℃的低温,也能耐 30℃
以上的高温, 在几个月干旱,甚至几年干旱条件下存放,只要环境条件有利,就能迅速恢复活
力。在内蒙古 7、8月份是地耳生命活动最旺盛季节。作者在内蒙古草原自然条件下取样,处
理,测定固氮活性的昼夜变化,并对其在不同温度、湿度条件下的固氮活性规律进行研究。
　　* 国家科委“九五”攻关项目 ( 96- 016- 01- 01)、中科院“九五”特支项目( KT 95T- 04) 和重大项目( KZ951- A 1-
301)及内蒙古草原生态系统定位研究站开放站基金资助
第 8 卷　第 1 期
Vo l. 8　　No . 1
草　地　学　报
ACTA AGRESTIA SIN ICA
2000年　3 月
March 　　2000
1　材料与方法
1. 1　材料采集
地耳于 1997—1998年 7、8月份采集于内蒙古锡林郭勒的高山沙地、退化草原、草甸草
原、割草场、杂类草草原以及林地等不同类型草原。
1. 2　固氮酶活性测定
1. 2. 1　称 0. 2g 样品(干重)装入小瓶密封,定量加水后放置 15m in注入 10% ( v/ v ) C2H 2,反
应 30m in后用 1mol / L NaOH溶液终止反应待测。
1. 2. 2　地耳固氮酶活性昼夜变化在内蒙锡林郭勒草原自然气温和光照下测定。采用乙炔还
原法,用 HP5890气相色谱仪。
1. 3　生物量计算　
于 7、8月份, 在上述草原类型取 5个 1m 2样方,收集所有地耳,自然风干后称重。
1. 4　固氮量计算
1. 4. 1　按 5、6、7、8、9 五个月的气温昼夜变化及固氮酶活性的昼夜变化取 1d 24h 的平均
值,雨天取含水量最高的固氮活性值。能固氮的天数按不低于 10℃的天数计算,固氮天数,
晴天、雨天均按两年中每月天数。
1. 4. 2　根据 5、6、7、8、9五个月的气温昼夜变化, 年降水天数及地耳固氮酶活性的昼夜变
化,地耳固氮酶活性按以下方法定量计算(窦新田, 1989) : 固氮量的换算,从理论上讲, 固氮
酶还原 3g 分子乙炔时,相当还原 1g 分子氮为氨。氮的克分子数约 28, 1/ 3已烯克分子数×
28= 固氮重量。根据以上各项数据, 计算出地耳的年固氮量。
2　结果与分析
2. 1　地耳生物学特性
2. 1. 1　形态结构特点　地耳属念珠藻科( N ostocaceat) ,念珠藻属( N ostos ) , 普通念珠藻
( N ostoc commune Vauch)。幼藻体球形,成熟后扩展呈皱片装,有不规则裂开或有穿孔,蓝绿
色或褐绿色, 干后黄色至黄褐色,直径 5～10cm 左右。藻丝宽 5～6
m,弯曲缠绕, 群体胶被
仅在四周明显而厚,黄褐色常分层,内部的分层不明显,无色透明。藻丝细菌桶形或近球形。
异形胞球形, 直径约 7
m。孢子外形光滑无色, 椭圆形,与营养细胞大小相同。
2. 1. 2　分布　地耳是分布最广的藻种之一。在我国,无论南方地区,还是北方干旱草原、田
梗路旁、森林带、高山草原以及冰川都有分布。在锡林河流域以干旱天然草原生物量最大
(见表 1)。　　
从表 1可以看出, 在内蒙古地区地耳主要分布以禾本科为主的、盖度很低的开阔沙带和
退化草原,而水草丰盛的割草场、以蒿类为主的杂类草草原分布较少。林间则几乎未见地耳。
2. 2　固氮特性
2. 2. 1　地耳固氮活性的昼夜变化
　　从表 2中可看出,地耳的固氮活性在早晨和晚上较高,由于早、晚有露水, 露水被吸收
后,恢复生命活力, 而中午太阳晒干地面后, 地耳含水量几乎是零,因此处于休眠状态, 停止
固氮。在夜间的温度不低于 5℃时仍能固氮。
14 草　地　学　报 2000年
表 1　地耳的分布与生物量
T able 1　The distribut ion and biomass of N ostoc commune in differ ent g r assland o f Xilin r iver s valley
草地类型
Gras sland typies
主要植物种类
Comm unity
　植物盖度
Plant coverage
( % )
生物量 g/ m2(干重)
Biomas s g/ m2( DW )
高山沙地 禾本科 20 6. 3
Sand land G rasses
退化草原 禾本科,蒿类 40 4. 38
Deteriorated grasslan d G rasses, A rtemisia
草甸草原 禾本科 50 1. 88
Meadow gras sland G rasses
羊草草原 禾本科 60 0. 4
L eymus ch inensis s teppe G rasses
针茅草原 禾本科 75 1. 7
S tip a g rand is steppe G rasses
割草场 禾本科 — —
Cut t ing gras sland G rasses
杂类草草原 禾本科,蒿类 50 1. 3
Weed grass land G rasses, A rtemisia
　　由此可见,地耳的固氮作用与温度湿度有关,而与光照关系不大。
2. 2. 2　雨天是地耳生命活动最强的时刻, 固氮活性猛增,昼夜 24h都能测到。中午前后,固
氮活性最高的可达 2500 nmol C2H4/ mg·g 左右。
2. 2. 3　温度变化对地耳固氮活性的影响
表 2　地耳固氮活性昼夜变化(晴天)
T able 2　T he changes o f nitr og ennase activ ity of N ostoc commune dur ing day and night ( Sunny)
项目
Items
时间( h )
Tim e( h)
5 7 9 11 13 15 17 19 21 23
地温(℃) 11 15 21 27 31 30 25 19 14 12
Ground temperature
含水量( % ) 200 180 150 50 10 10 15 100 210 230
Water con tent (% )
固氮酶活性 1400 1840 700 400 100 100 910 1750 1795 1710
nmol C2H4/ mg·h (干重)
Nit rogenn aes act ivity
nmol C2H4/ mg·h( dry weight)
　　注:地耳含水量: 300%　C on tent of w ater in N ostoc c ommune: 300%
地耳固氮活性测定是在 7、8月份晴天,连续 5d的平均值 Nit rogennaes act ivity of N ostoc c ommune is m easured in
sun ny day in July- Aug ues t. It is mean value of five d ays
　　在实验室,地耳含水量 300%的状态, 在不同温度条件下进行固氮酶活性测定, 结果表
明,地耳在 20～30℃的条件下固氮活性最高,从 5～30℃都有固氮活性, 说明其固氮作用温
度范围很宽(表 3)。
2. 2. 4　湿度变化对地耳固氮酶活性的影响见表 4。
2. 2. 5　固氮量的估算
15第 1期 关秀清等:地耳生物固氮特性及其在内蒙古草原氮素循环中的作用
　　1997年锡林郭勒草原昼夜温度在 10℃以上的天数 147d,降水天数 49d。
表 3　温度对地耳固氮活性的影响
Table 3　T he effect o f different tem perature on nitro gennase activ ity of N ostuc commune
温度(℃)
T emperatur e(℃)
5 10 15 20 25 30 35 40
固氮活性 44 51 815 1870 2135 2420 1875 340
nmol C2H4/ mg·h (干重)
Nit rogenn ase act ivity
nmol C2H4/ mg·h( dry weight)
表 4　湿度对地耳固氮酶活性的影响
Table 4　The effect o f different w ater contents on nitr og ennase activ ity of N ostuc commune
含水量( %)
Water content ( % )
0 50 100 200 250 300
固氮酶活性 0 20 1400 2160 2500 2590
nmol C2H4/ mg·h (干重)
Nit rogenn ase act ivity
nmol C2H4/ mg·h ( dry w eight )
表 5　锡林河流域两个夏季年均不低于 10℃的日数
T able 5　T he day s of daily temperature higher t han 10℃ during May to September in 1997- 1998s
1997 1998
月份
M onth
晴天
Sunn y
雨天
Rainy
晴天
Sunny
雨天
Rain y
5 19 10 18 13
6 19 11 15 15
7 18 13 5 24
8 25 6 14 17
9 17 9 27 3
　　1998年 10℃以上的天数 151d,降雨天数 72d。
根据地耳固氮酶活性、锡林郭勒草原全年的降水天数、月均气温值以及地耳地上生物
量,可估算地耳全年的固氮量约为 1～4kg / hm2·a。
3　讨论
3. 1　在野生条件下,地耳生长率很高,雨季每周增至几倍以上。在人工培养下,每周最多增
至 1倍。但菲律宾学者报导,在人工培养下,每周增至 2倍以上( Pantast ico 等, 1976)。实验
说明,地耳在很多地区特别是干旱荒漠地区广泛分布, 有机质和含氮量非常丰富,是土壤肥
力形成的先锋植物,在不施肥的草原地带则是氮素的主要来源。
3. 2　地耳的耐干性很强,干燥保存几十年还有活力。一般吸水十五分钟后即恢复活力,连续
几天培养后活性倍增。干燥时处于休眠状态,测不到固氮活性。这是地耳能生存于干旱的沙
漠、荒漠草原的特有性能,对草原的贫瘠氮素来源和氮素补充有重要作用。风干的地耳遇水
16 草　地　学　报 2000年
后迅速恢复生理活性,进行呼吸光合作用。其固氮能力可达到2500nmol C2H4 / mg·h( DW )。
3. 3　根据地耳的生物量,固氮活性的昼夜变化、季节变化及内蒙地区气候条件,估算出在内
蒙古地区每年每公顷约固氮 1～4kg。豆科植物固氮能力很强,但在干旱的草原地区,能固氮
的豆科植物生长量很少,而且,只有幼小的植株才有根瘤,其固氮量远远不如地耳。
3. 4　地耳的开发利用有广阔的前景,菲律宾已研究利用地耳做水稻绿肥( Pantast ico 等,
1976)。蛋白质含量 23. 5% ,接近大豆, (贺宝珍 1991)。目前人工培养地耳虽有很多困难,有
的实验室已能进行纯培养, 培养条件有待摸索, 如能大量培养, 则可开发利用作为氮素肥源
和蛋白质新资源用于食品和医药。
参 考 文 献
1　陈佐忠. 1983. 羊草草原和大针茅草原氮储量及其分配 . 植物生态学报, 7: ( 2) 143～157
2　陈延伟,谢应先, 陈婉华. 1984. 我国地耳的分类鉴定和光合固氮作用研究 . 北京:中国农业科学, 356～
363
3　窦新田. 1989. 生物固氮 . 北京:农业出版社, 154～155
4　贺宝珍. 1991. 地木耳营养价值及利用潜能的研究 . 山西大学学报(自然科学版) , 14( 1) : 93～96
5　Pantastico J B, Gonzo les J L . 1976. Cult ur e and use o f N ostoc commune as bio fert ilizer. Kalika san.
Philipp. J Bio l, 5: 221～234
The Characters of Bionitrogen Fixation of Nostoc Commune and Its
Function in Nitrogen Cycle in Inner Mongolia Grassland
Guan Xiuqing　Ruan Xuejun
( Inst itute of Bo tany, Chinese Academy of Science, Beijing 100093)
　 　 Abstract: We studied on the dist ribut ion of aboveg round biomass, bio logical
characters and nit rog en fix at ion characters o f N ostoc commune , w hich commonly occurs in
the terrestr ial blue green alga at Xilingele g rassland in Inner M ongolia. T hrough the
determinat ion of the amount of nit rogen f ix at ion, w e found that nit rog enase act ivity of
N ostoc commune was dif ferent betw een day and night . In sunny days, in mor ning and
evening during sunny day, it w as most act ive for N ostoc commune to f ix nitr ogen w as
almost unable determ inded. at noon time, However nit rog en still could be fix ed at above
5℃ night . In rainy days of summer, nit rog en could be f ixed in all day . According to the
data about the dist ribut ion and biomass of N ostoc commune, the change of nit rogenase
act ivity and the temper ature during day s and nights, the seasonal t reads and the number of
sunny and rainy days in Inner M ongo lia ar eas, the amount of nit rog en f ix at ion of N ostoc
commune w ill be 1～4kg / ha·yr.
　　Key word: N ostoc commune; Nit rog en cycle; Amount o f nit rog en fix at ion
17第 1期 关秀清等:地耳生物固氮特性及其在内蒙古草原氮素循环中的作用