全 文 ：中国生态农业学报 2009年 9月 第 17卷 第 5期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Sept. 2009, 17(5): 895−899


* 甘肃省科学技术攻关计划项目(2GS042-A41-001-06)资助
卢秉林(1979~), 男, 研究实习员, 主要从事土壤微生物研究工作。E-mail: lblhappy@163.com
收稿日期: 2008-08-05 接受日期: 2008-11-17
DOI: 10. 3724/SP.J.1011.2009.00895
自生固氮菌的固氮能力及其对春小麦生长发育的影响*
卢秉林 1 王文丽 1 李 娟 1 郭天文 2
(1. 甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所 兰州 730070;
2. 甘肃省农业科学院旱地农业研究所 兰州 730070)
摘 要 为挑选具有高固氮能力的自生固氮菌菌株, 用乙炔还原法对甘肃省春小麦和玉米等非豆科作物根际
土壤中分离所得的 13 株菌进行固氮酶活性测定, 并通过盆栽试验对其进行春小麦肥效试验。结果表明：供试
13 株自生固氮菌对春小麦籽粒、生物产量及其构成因素均有一定促进作用, N6、N10、N13、N14、N27 和 N42
6 株菌对春小麦产量的促进作用相对较高, 具有一定的应用前景, 有望成为微生物肥料研制的菌种。其中 N13
对春小麦的增产效果最为明显, 与施同量肥料(1/3N)的对照相比, 籽粒增产 66.04%, 生物产量增产 54.19%, 穗
重增加 47.65%, 穗粒数增多 37.91%, 千粒重增加 20.42%, 株高增加 5.16%, 穗长增加 21.89%, 且具有较强的
固氮能力, 每盆固氮量为 212.55 mg, 固氮酶活性也显著高于其他菌株, 达到 139.79 nmol(C2H4)·h−1·mL−1。
关键词 固氮酶活性 自生固氮菌 春小麦 产量 固氮量
中图分类号: S144.5; S512.1+2 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2009)05-0895-05
Nitrogen fixation ability of azotobacter and its effect on growth of spring wheat
LU Bing-Lin1, WANG Wen-Li1, LI Juan1, GUO Tian-Wen2
(1. Institute of Soil, Fertilizer and Water Saving Agriculture, Gansu Academy of Agricultural Sciences, Lanzhou 730070, China;
2. Institute for Dryland Agriculture, Gansu Academy of Agricultural Sciences, Lanzhou 730070, China)
Abstract In order to select high nitrogen-fixing azotobacter strains, nitrogenase activity of 13 strains separated in the rhizosphere
in Gansu non-leguminous crop fields were measured by acetylene reduction method. Also the fertilization effect of the strains on
spring wheat was investigated via pot experiment. The results show some degree of promotion effects of 13 azotobacter strains on
spring wheat grain yield, biomass and the yield components. N6, N10, N13, N14, N27 and N42 strains presenting relative stronger
promoting effects on spring wheat yield have application prospects as the bacteria strains of microbial fertilizer. N13 strain signifi-
cantly increases spring wheat yield. The grain yield, biomass, panicle weight, panicle grain number, 1000-grain weight, plant height
and panicle length with N13 respectively increase by 66.04%, 54.19%, 47.65%, 37.91%, 20.42%, 5.16% and 21.89% compared to
the treatment with similar fertilizer amount. Its nitrogen-fixing amount in spring wheat soil is 212.55 mg per pot, and nitrogenase
activity is significantly higher than other strains, reaching 139.79 nmol (C2H4)·h−1·mL−1.
Key words Nitrogenase activity, Azotobacter, Spring wheat, Yield, Nitrogen-fixing amount
(Received Aug. 5, 2008; accepted Nov. 17, 2008)
近年来, 化肥尤其是氮肥的大量施用, 在满足
作物高产需求的同时, 带来的肥料效应和化肥利用
率下降、环境污染加剧等负效应已不容忽视[1,2]。而
施用微生物肥料, 在提高作物生物固氮能力, 发挥
土壤潜在肥力, 改良土壤质量, 刺激和调控植物生
长, 增强植物抗病、抗逆能力, 改善农作物品质, 降
低环境污染和提高作物产量等方面具有重要意
义[3]。各国的科学家们越来越重视微生物肥料的研
发, 特别是生物固氮的研究[4−10]。但目前用于制备微
生物肥料的菌种存活性弱, 有效期短, 对土壤环境
要求比较苛刻, 故筛选开发新型高效固氮菌株十分
重要。本文通过对甘肃省春小麦和玉米等非豆科作
物根际土壤中分离所得的 13 株菌进行固氮酶活性
测定 , 并通过盆栽试验对其进行春小麦肥效试验 ,
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试图分离得到具有高固氮能力的菌株, 以便为固氮
菌肥的研制提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 供试菌株
供试菌株从甘肃省春小麦和玉米等非豆科作物
根际土壤分离所得, 并能在阿须贝培养基上良好生
长, 其编号分别为 N6(芹菜根际)、N7(春小麦根际)、
N8(芹菜根际)、N10(芹菜根际)、N13(春小麦根际)、
N14(油葵根际)、N15(油葵根际)、N23(玉米根际)、
N24(春小麦根际)、N25(芹菜根际)、N27(春小麦根
际)、N38(春小麦根际)和 N42(春小麦根际)。
1.2 菌株的固氮酶活性测定
固氮酶活性采用乙炔还原法测定[11]: 将菌种分
别接种于盛有 4.5 mL改良阿须贝无氮培养基的试管
(15 mm×150 mm)中, 28 ℃下培养 48 h后, 将试管
的棉塞在无菌条件下换成橡皮塞, 用无菌注射器从
每支试管中抽出 1.8 mL气体, 注入 1.6 mL C2H2, 再
置培养箱中培养 48 h后, 从试管中抽取混合气体 0.5
mL 注入气相色谱仪中, 测定 C2H2、C2H4的生成情
况。从气相色谱仪显示屏的 C2H4峰值判断有无 C2H4
的产生, 以接种但未注入C2H2的试管作为对照, 5次
重复。根据公式(1)计算固氮酶活性。
N=(hx×C×V)/(hs×常数×t) (1)
式中, hx为样品峰值, hs为标准 C2H4峰值, C为标准
C2H4 浓度(nmol·ml−1), V 为试管体积(mL), 常数
为标准 C2H4 在测试时的体积(mL), t 为样品培养
时间 (h), N 为产生的 C2H4 浓度 [即固氮酶活性 ,
nmol(C2H4)·h−1·mL−1]。
1.3 菌株对春小麦的肥料效应及固氮量测定
试验设在甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农
业研究所温室, 采用盆栽试验, 供试作物品种为春
小麦“533−1”。盆栽土壤取自甘肃省农业科学院兰
州试验站, 取耕层 0~20 cm 土层土壤, 除去砾石及
杂草枯枝后, 混匀过筛。土壤肥力偏低, 全氮 0.24
g·kg−1, 全磷 0.56 g·kg−1, 全钾 24.9 g·kg−1, 速效
氮 18.2 mg·kg−1, 速效磷(P2O5) 15.1 mg·kg−1, 速效
钾(K2O) 41.0 mg·kg−1, 有机质 2.29 g·kg−1, 全盐
0.43 g·kg−1, pH值为 8.28。试验盆钵采用 230 mm×
200 mm的塑料花盆, 每盆装土 3.50 kg。肥料作为基
肥一次性施入, 播种前称取土样 3.50 kg与肥料充分
混匀后装盆, 施肥全量按氮肥(N) 0.15 g·kg−1和磷
肥(P2O5) 0.1 g·kg−1的常规用量计算, 以盆为单位进
行施肥。播种时每盆浇水 700 mL, 出苗后保证作物
有充足的水分供应。每盆播种 12 粒, 出苗后第 5 d
定苗 7株。试验期间无异常气候现象, 人工除草、病
虫害防治同大田。
试验共设 3个对照处理, 13个接菌处理, 5次重复,
共 80 盆。CK1 处理不施肥(0N), CK2 处理施硝酸铵
0.500 g·盆−1、磷酸二氢钾 0.670 g·盆−1(1/3N), CK3
处理施硝酸铵 1.500 g·pot−1、磷酸二氢钾 0.670
g·pot−1(N); 其余处理为 13株供试菌株的接菌处理,
接菌处理施肥量为硝酸铵 0.500 g·盆−1, 磷酸二氢
钾 0.670 g·盆−1(1/3N), 在苗期和分蘖期每株小麦接
种相应菌液 1 mL。春小麦于 2007年 4月 4日播种,
7 月 16 日收获, 收获时各盆单打单收, 进行常规考
种; 采用H2SO4−H2O2消煮, 奈氏比色法[12]对秸秆和
籽粒中全氮含量进行测定, 计算固氮量, 其中固氮量
为同等施肥水平下, 接种处理地上部分(秸秆+籽粒)
全氮总和与不接种处理地上部分全氮总和之差。
1.4 数据处理
试验数据采用 Excel2003 和 DPS3.01 软件进行
统计分析。
2 结果与分析
2.1 不同自生固氮菌的固氮酶活性
图 1 表明 13 株自生固氮菌的固氮酶活性介于
41.55~139.79 nmol(C2H4)·h−1·mL−1 之间, 其中
N13>N6>N27>N10>N24>N25>N23>N7>N8>N14>
N15>N38>N42, N13 菌株的固氮酶活性达 139.79
nmol (C2H4)·h−1·mL−1, 显著高于其他菌株。
2.2 不同自生固氮菌对春小麦产量及产量构成因
素的影响
2.2.1 籽粒产量和生物产量
从图 2可以看出, 供试 13株自生固氮菌中, N6、
N7、N8、N10、N13、N14、N15、N27和 N42 9个
接菌处理的春小麦籽粒和生物产量均显著高于 CK2
对照, 其中 N6、N10、N13、N14和 N27 5株菌对春
小麦籽粒和生物产量的增产幅度相对较高 , 相比
CK2对照的增产幅度均超过 25%, 而 N42虽然对春
小麦生物产量的增幅只有 22.87%, 但对春小麦籽粒
产量的增幅却达到 30.18%。接菌处理中 N13 对春
小麦籽粒和生物产量的增产效果均为最高, 分别比
CK2对照增高 66.04%和 54.19%, 但却低于施全量肥
料的 CK3对照, 且差异显著。
2.2.2 产量构成因素
由表 1 可知, 各接菌处理的春小麦穗粒数均高
于施同量肥料的 CK2对照, 其中 N6、N7、N8、N10、
N13、N14、N15、N27和 N42 9个接菌处理的春小
麦穗粒数与 CK2差异达显著水平, N13和 N42接种
处理的春小麦穗粒数相对较多, 为 37.43 粒和 37.34
粒, 比 CK1和 CK2对照分别增长 615.68%、37.91%
第 5期 卢秉林等: 自生固氮菌的固氮能力及其对春小麦生长发育的影响 897



图 1 不同自生固氮菌的固氮酶活性
Fig. 1 Nitrogenase activities of different azotobacters
图中不同小写字母表示 0.05水平差异显著, 下同。Different small letters stand for significant difference at 0.05 level. The same below.


图 2 不同自生固氮菌对春小麦籽粒产量和生物产量的影响
Fig. 2 Effects of different azotobacters on grain yield and biomass of spring wheat

和 613.96%、37.58%, 且与 CK3 对照无显著差异。
从春小麦千粒重看, 尽管N8和N42接种处理的春小
麦千粒重低于 CK2 对照, 但差异不显著, 其余接菌
处理的春小麦千粒重均高于 CK2 对照, 其中 N10、
N13、N25 和 N27 接菌处理的春小麦千粒重与 CK2
对照差异达显著水平, 而 N13 接菌处理的春小麦千
粒重在接种处理中最高, 与 CK3 对照差异不显著。
从春小麦穗重看, 13个接种处理中, 除 N23、N24、
N25和 N38 4个接种处理的小麦穗重与 CK2对照无
显著差异外, 其余处理的小麦穗重均显著高于 CK2,
但却显著低于 CK3, 且 N13 接菌处理的春小麦穗重
同样在所有接种处理中最高, 平均穗重为 2.20 g, 比
CK1 和 CK2 对照分别增长 566.67%和 47.65%。从
小麦秸秆重看, 各接菌处理的春小麦秸秆都显著重
于 CK1, 又显著低于 CK3, 除 N7、N23、N24、N25
和N42接菌处理的小麦秸秆重与 CK2处理差异不显
著外, 其他接菌处理都显著高于 CK2, 其中 N10 和
N13接种处理的小麦秸秆重显著高于其他接菌处理,
平均每盆重 7.28 g和 7.96 g, 分别比 CK1和 CK2对
照增长 215.15%、52.62%和 244.59%、66.88%。有 9
个接种处理的小麦株高高于 CK2 对照, 其中 N6、
N13、N14和 N27接种处理的小麦株高相对较高, 分
别高于 CK2 4.04%、5.16%、4.51%和 4.51%。同样
有 9个接种处理的麦穗长于 CK2对照, 其中 N13接
种处理的麦穗最长, 显著高于其他接种处理, 且与
CK3对照差异不显著。
2.3 不同自生固氮菌在春小麦上的固氮作用
固氮量测定可用全氮增加来衡量, 在无化合态
氮来源的情况下, 若系统中全氮量有净增加则表明
有固氮作用发生, 比较固氮系统和不固氮系统中全
氮量, 以确定固氮量[13]。由表 2 可知, 所有接菌处
理的春小麦, 无论是秸秆还是籽粒, 其全氮量相比
CK2对照均有所增加, 说明供试的 13株自生固氮菌
均能固定空气中的氮素供春小麦吸收, 同时也能提
高春小麦籽粒和秸秆吸收氮素的能力。N6、N10、
N13、N27 和 N42 5 株菌的固氮量相对较高, 超过
100.00 mg·pot−1, 其中 N13 菌株的固氮能力最强,
每盆达 212.55 mg。
3 结论与讨论
从非豆科作物根际土壤分离所得 13 株菌的固
氮酶活性为 41.55~139.79 nmol (C2H4)·h−1·mL−1, 其
中 N6、N7、N10、N13、N23、N24、N25 和 N27 8
株菌的固氮酶活性超过 50 nmol(C2H4)·h−1·mL−1,
该结果与春小麦固氮量的多少并不完全一致, 其中只
有 N6、N10、N13和 N27 4株菌具有相对较高的固氮
898 中国生态农业学报 2009 第 17卷


表 1 不同自生固氮菌对春小麦产量构成因素的影响
Tab. 1 Effects of different azotobacters on yield components of spring wheat
处理
Treatment
穗粒数
Grains per panicle
千粒重
1000-grain weight (g)
穗重
Panicle weight (g)
秸秆重
Straw weight (g)
株高
Plant height (cm)
穗长
Panicle length (cm)
CK1 5.23 g 35.49 f 0.33 h 2.31 i 37.25 f 5.01 g
CK2 27.14 f 38.89 cdef 1.49 g 4.77 gh 53.26 bcde 7.40 def
CK3 37.91 a 48.58 a 2.50 a 8.82 a 60.59 a 9.54 a
N6 34.29 b 40.48 bcd 1.91 c 5.91 cde 55.41 bc 7.42 cdef
N7 29.40 e 41.68 bc 1.72 def 5.05 fg 52.69 bcde 6.94 ef
N8 32.86 c 38.14 def 1.80 cde 5.60 def 53.76 bcd 7.59 bcde
N10 31.94 d 42.50 b 1.94 c 7.28 b 54.83 bcd 7.83 bcd
N13 37.43 a 46.83 a 2.20 b 7.96 b 56.01 b 9.02 a
N14 33.83 b 40.19 bcde 1.92 c 6.45 c 55.66 b 8.07 bc
N15 31.46 d 40.90 bcd 1.80 cde 5.64 def 55.27 bc 7.59 bcde
N23 27.37 f 40.63 bcd 1.60 fg 5.23 efg 50.84 de 7.04 ef
N24 27.74 f 41.43 bcd 1.63 efg 4.96 fgh 54.84 bcd 7.11 ef
N25 27.23 f 42.37 b 1.61 fg 4.58 gh 49.67 e 6.79 f
N27 31.69 d 42.64 b 1.88 cd 6.00 cd 55.66 b 7.43 cdef
N38 27.57 f 39.90 bcde 1.48 g 4.23 h 54.31 bcd 8.10 b
N42 37.34 a 36.79 ef 1.90 c 5.34 defg 51.46 cde 7.87 bcd

表 2 不同自生固氮菌对春小麦的固氮作用
Tab. 2 Effects of different azotobacters on nitrogen fixation of spring wheat
处理
Treatment
秸秆全氮含量
Straw total N
content
(mg·g−1)
秸秆重
Straw
weight
(g·pot−1)
秸秆含氮量
Straw N content
(mg·pot−1)
籽粒全氮含量
Grain total N
content
(mg·g−1)
籽粒重
Grain
weight
(g·pot−1)
籽粒含氮量
Grain N
content
(mg·pot−1)
全氮总和
Sum of
total N
(mg·pot−1)
固氮量
N fixation
amount
(mg·pot−1)
CK2 3.2 4.77 15.26 15.8 7.39 116.76 132.02 —
N6 5.4 5.91 31.91 21.4 9.71 207.79 239.70 107.68
N7 4.6 5.05 23.23 18.2 8.59 156.34 179.57 47.55
N8 4.6 5.60 25.76 17.9 8.77 156.98 182.74 50.72
N10 5.4 7.28 39.31 22.4 9.50 212.80 252.11 120.09
N13 6.6 7.96 52.54 23.8 12.27 292.03 344.57 212.55
N14 3.6 6.45 23.22 20.0 9.52 190.40 213.62 81.60
N15 4.6 5.64 25.94 19.5 9.01 175.70 201.64 69.62
N23 5.3 5.23 27.72 23.2 7.78 180.50 208.22 76.20
N24 4.6 4.96 22.82 16.2 8.04 130.25 153.07 21.05
N25 3.5 4.58 16.03 18.3 8.08 147.86 163.89 31.87
N27 5.1 6.00 30.60 23.6 9.46 223.26 253.86 121.84
N38 4.5 4.23 19.04 19.5 7.70 150.15 169.19 37.17
N42 4.9 5.34 26.17 22.9 9.62 220.30 246.47 114.45

量, 超过 100.00 mg·pot−1, 这主要是因为固氮酶活性
测定方法的局限性所致, 因为能还原乙炔的菌株并不
一定能固氮[14]。同时, 固氮量超过 100.00 mg·pot−1
的还有 N42 接菌处理, 而其固氮酶活性却不高, 只
有 41.55 nmol(C2H4)·h−1·mL−1, 这可能是因为该菌
株对春小麦生长发育的促进作用并不是只有菌株固
氮一个因素, 而是多种因素的综合, 从而使 N42 接
菌处理的春小麦具有很高的籽粒和生物产量, 相应
固定了较多氮。有关这方面已有报道[15,16]。
试验结果表明, 从不同作物根际分离所得的 13
株自生固氮菌对春小麦籽粒、生物产量及其构成因
素均有一定的促进作用, 说明自生固氮菌与作物之
间无依存关系, 虽然它们分离于不同的作物根际土
壤, 但均可以固定空气中的氮, 供给春小麦吸收利
用。N6、N10、N13、N14、N27和 N42 6株菌对春
小麦产量的促进作用相对较高, 其中 N13 对春小麦
第 5期 卢秉林等: 自生固氮菌的固氮能力及其对春小麦生长发育的影响 899


的增产效果最为明显, 与施同量肥料(1/3N)的 CK2
对照相比, 籽粒增产 66.04%, 生物产量增产 54.19%,
穗重增加 47.65%, 穗粒数增多 37.91%, 千粒重增加
20.42%, 株高增加 5.16%, 穗长增加 21.89%, 同样
该菌株具有最高的固氮量和最大的固氮酶活性。这
一研究结果进一步验证了曹云海[17]关于固氮菌可以
有效增加小麦、玉米产量的结论。Gaskins的研究结
果表明固氮菌能有效积累氮素 [6]; 而林代炎等 [18]的
盆栽试验表明, 在一定施肥水平基础上, 接种固氮
菌对水稻有增产趋势, 但效果不明显, 这可能是因
为供试菌种的固氮能力大小或其要求的最佳固氮环
境与供试环境不完全一致所致。
综合 13株菌对春小麦籽粒产量、生物产量和构
成因素, 及其固氮酶活性和对春小麦固氮量的影响
认为: 供试 13 株自生固氮菌中, N6、N10、N13、
N14、N27 和 N42 6 株对春小麦产量的促进作用相
对较高, 具有一定的应用前景, 有望成为微生物肥
料研制的菌种, 值得继续研究和开发。其中 N13 对
春小麦的增产效果最为明显, 但是与 1/3 氮肥配合
施用的效果不及施全氮处理, 到底与多少量的氮肥
配合施用效果最佳, 需要进一步试验。此外, 由于盆
栽试验的局限性和乙炔还原法本身的一些限制因素,
本文对试验菌株的固氮特性只是一个初步试验, 如
在实际生产中推广应用还有待进一步研究。
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——《作物杂志》
《作物杂志》是中国作物学会和中国农业科学院作物科学研究所主办的农作物实用性技术类期刊，1985 年创刊。
本刊信息量大、时效性强；发行量大、影响面广。曾荣获第三届/第四届/第五届全国优秀农业科技期刊奖、中国科协优
秀科技期刊奖。连续入选全国中文核心期刊、入选中国科技论文统计源期刊(中国科技核心期刊)和中国农业核心期刊，
2005年进入国家精品期刊库。
办刊宗旨：为农业生产服务。刊登具有创新性、实用性强的有关农作物的文章；快速报道农业新技术、新成果；
关注三农问题；积极配合国家农业政策发表具有导向作用的宏观指导性的文章。
读者对象：种植业专业户、农业经营人员、农业技术推广工作者，蔬菜、林果基地、农业示范园区、农场、农垦
系统有关人员，各级农业领导、农业院校师生及广大农民朋友。
本刊为双月刊，大 16开本，128页。定价 8元，全年 48元，全国各地邮局均可订阅。漏订者请寄款至编辑部，地
址：北京中关村南大街 12号中国农科院作物所内，收款人：作物杂志编辑部，邮编：100081
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