全 文 ：　 　  国家跨越计划项目（２０００ －２２）和国家重点基础研究（９７３）发展规划项目（２００１CB１０８９０５）资助
收稿日期 ：２００５０２２７ 　 改回日期 ：２００５０５０９
共生固氮在农牧业上的作用及影响因素研究进展 
曾昭海 　胡跃高
（中国农业大学农学与生物技术学院草业工程研究中心 　北京 　 １０００９４）
　 　 　 　 　 　 　陈文新 　隋新华 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　赵晓萌
（中 国 农 业 大 学 生 物 学 院农业部农业微生物资源及其应用重点实验室 　北京 　 １０００９４） （北京农学院生物技术系 　北京 　 １０２２０６）
摘 　要 　共生固 N是生物固 N的主体部分 ，具有固 N效率高 、应用范围广等特点 。叙述了主要豆科作物年固 N量
及固 N量占豆科作物本身所吸收 N的比例 ，阐述了豆科作物在与非豆科作物间套轮作中固定 N素的转移及对非
豆科作物的影响 ，并介绍了影响豆科作物根瘤菌共生体共生固 N效率的主要因素 。开展豆科作物根瘤菌共生体
系方面的研究对农业可持续发展具有重要意义 。
关键词 　生物固 N 　共生固 N 　豆科作物 　间套轮作
Review on studies on the important role of symbiotic nitrogen fixation in agriculture and livestock production and the
factors affecting its efficiency ．ZENG ZhaoHai ，HU YueGao （Pasture Engineering Research Center ，College of Agron
omy and Biotechnology ，China Agricultural University ，Beijing １０００９４ ，China） ，CHEN WenXin ，SUI XinHua （Col
lege of Biology ，Key Laboratory of AgroMicrobial Resource and Application ，Ministry of Agriculture ，China Agricultural
University ，Beijing １０００９４ ， China） ， ZHAO XiaoMeng （Department of Biotechnology ， Beijing Agricultural College ，
Beijing １０２２０６ ，China） ， CJEA ，２００６ ，１４（４） ：２１ ～ ２４
Abstract 　 Symbiotic nitrogen fixation is the main part of BNF （biological nitrogen fixation） characterized by high effi
ciency and adopted in a wide range ，and is of significant practicality as well ．The amount of N２ fixed by different legume
crops from the atmosphere ， the proportion of plant N derived from the N２ fixation are introduced in this paper ．And the
N transferring from the legume to nonlegume crops when they are intercropped ， rotated or mixed with legume are dis
cussed ．At the same time ， the main factors affecting the efficiency of symbiont between legume and Rhizobium are pre
sented ．The challenges that China is faced with are the increase of population ， the decrease of land ， resource decline and
environmental deteriorate ．To meet these challenges it is an effective way for sustainable agriculture to expand the research
of symbiont between legume and Rhizobium ．
Key words 　 Biological nitrogen fixation ，Symbiotic nitrogen fixation ，Legume ， Intercrop and rotation
（Received Feb ．２７ ，２００５ ； revised May ９ ，２００５）
1 　共生固 N作用及不同豆科作物固 N量
依微生物与植物间关系 ，将生物固 N 分为共生固 N 、联合固 N 和自生固 N ，其中豆科作物与根瘤菌组成
的共生固 N 体系是生物固 N 的最重要部分 ，固 N 量占全球生物固 N 总量的 ６５ ％ 以上 。 目前世界上已知的
豆科植物约 ７５０属 ，近 ２ 万个种 ，我国已记载有 １７２ 属 ，１４８５ 种 ，还有许多豆科植物正在不断被记录和记
载［４］ 。因此 ，应充分挖掘豆科作物根瘤菌共生体系的固 N 潜力 。 表 １ 列举了各种豆科植物根瘤菌共生体
的固 N 能力 。
2 　豆科与非豆科作物间 、混 、轮作系统中 N素营养及其转移
21 　豆科作物非豆科作物轮作中对 N素的贡献
豆科作物与非豆科作物轮作是我国传统农牧业的精华 ，也是我国土壤地力保持 ５０００ 多年不衰的重要措
施 。国内外研究表明 ，豆科作物与非豆科作物轮作可减轻病虫草害 ，改善土壤结构 ，并给后茬作物提供更多的 N
第 １４卷第 ４期 中 国 生 态 农 业 学 报 Vol ．１４ 　 No ．４
２ ０ ０ ６年 １ ０月 Chinese Journal of EcoAgriculture Oct ．，　 ２００６
表 1 　各种常见豆科作物固 N量及其所占比例
Tab１ 　 Proportion and amount of plant N derived from N２ fixation by crop legumes
豆科作物种类 固 N量占总吸收 N／ ％ 年固 N量／kg·hm － ２·a － １ 豆科作物种类 固 N量占总吸收 N／ ％ 年固 N量／kg·hm － ２·a － １
Species of legume Proportion Amount of N２ fixation Species of legume Proportion Amount of N２ fixation
紫 花 苜 蓿 ４６ ～ ９２ ９０ ～ ３８６ 绿 豆 １５ ～ ６３ ９ ～ １１２
黑 绿 豆 １５ ～ ６３ １１９ ～ １４０ 木 豆 １０ ～ ８１ ４ ～ ２３５
白 三 叶 ６２ ～ ９３ ５４ ～ ２９１ 红小豆（饭豆） － ３２ ～ ９７
红 三 叶 ３５ ～ ８７ ６９ ～ ３７３ 大 豆 ０ ～ ９５ ０ ～ ４５０
绛 三 叶 ７５ ～ ８１ １２４ ～ １８５ 豌 豆 ２３ ～ ７３ １７ ～ ２４４
地 三 叶 ５０ ～ ９３ ２ ～ ２０６ 胡 卢 巴 － ４４
鹰 嘴 豆 ８ ～ ８２ ２３ ～ ９７ 羽 扇 豆 ２９ ～ ９７ ３２ ～ ２８８
革 荚 豆 － ３７ ～ １９６ 草 木 樨 － ２５５
菜 豆 ０ ～ ７３ ３ ～ ５７ 柱 花 草 ６０ ～ ９５ ９４ ～ ２９０
豇 豆 ３２ ～ ８９ ９ ～ ２０１ 毛 苕 子 － ５５ ～ １１０
花 生 ２２ ～ ９２ ３７ ～ ２０６ 百 脉 根 ３０ ～ ８５ ４９ ～ １１２
扁豆（兵豆） ３９ ～ ８７ １０ ～ １９２ 胡 枝 子 － ２５ ～ １９０
紫 云 英 － ７５ ～ １５０ 小 冠 花 － ９０ ～ １３５
固 N 树 种 － ８０ ～ ５００ － － －
素 。澳大利亚谷物带曾因高
粱长期连作 ，导致高粱产量和
品质持续下降 ，引种苜蓿等豆
科牧草轮作后 ，高粱作物产量
提高了 １８８ ％ ～ ２７２ ％ ，蛋白
质提高 ０２１ ％ ～ ７０ ％ ［５］ ；美
国玉米带中 ，苜蓿种植面积占
作物种植面积的 ８ ％ ，每年固
定 N 素的量超过 １００ 万 t ，由
于实行玉米与苜蓿轮作 ，玉米
地施用 N 肥量减少 １４ ％ ，但
产量并未减少［６］ ；当小麦与大
豆轮作时 ，小麦积累 N 素量
比小麦连作高 ９ ％ ，N 素利用
效率分别比连作和休闲提高
２１ ％和 ３２ ％ ［７］ 。
在不施肥情况下 ，玉米大豆及小
麦紫花苜蓿玉米轮作体系的籽粒产
量分别比玉米连作增加 ５４８ ％ 和
６２９ ％ ，在不同施 N 水平下都表现增
加产量 。同时 ，种植豆科作物后 ，还可
提高土壤中无机氮和土壤 N 含量 。由
表 ２可知 ，与冬闲相比 ，种植豆科作物
后 ，土壤中无机氮和有机氮分别增加
７５ ％ ～ １６２５ ％ 和 ８６ ％ ～ ３９７ ％ ；在
不施 N 肥情况下 ，种植豆科作物后 ，高
粱产量比冬闲增加 ２６６ ％ ～ ３７０ ％ 。
表 2 　不同豆科牧草在不同施 N水平下对土壤 N素含量和高粱产量的影响
Tab２ 　 Effects of different legume species at different N applying levels on soil N content and sorghum yield
前茬处理 土壤 N 高粱产量／ t·hm － ２
Previous t reatments Soil nit rogen content Yield of sorghum
无机氮／kg·hm － ２ 有机氮／g·kg － １ 施 N 水平／kg·hm － ２
Inorganic nit rogen Organic nitrogen Amount of applying nit rogen
０ １１２
冬 　 　 闲 ８ ０５８ ２８９ ３９１
绛 三 叶 １４ ０６５ ３９１ ４２２
地 三 叶 ２０ ０８１ ３８８ ３８６
毛 苕 子 ２１ ０８０ ３９６ ３７９
箭 豌豆 １４ ０６３ ３６６ ３９５
22 　豆科在与非豆科作物间套作中对 N素的贡献
非豆科作物可通过与其间混套作的豆科作物中获得 N 素营养 ，其数量可满足相当部分的 N 素营养
需要 。 当紫花苜蓿与其他非豆科作物混作时 ，紫花苜蓿为非豆科作物提供的 N 素量一般为 ２０kg／hm２ ·a ，
占非豆科作物吸收 N 量的 ２０ ％ ～ ３０ ％ ，但当草芦（Reed canarygrass）与紫花苜蓿混播时 ，紫花苜蓿为其提
供的 N 素占其自身 ６８ ％ 以上［８］ ；在黑麦草白三叶混播草地中 ，黑麦草所吸收的 ８０ ％ 以上 N 素是由白三
叶从空气中固定的 N 素所提供［９］ ；在豇豆与玉米间作系统中 ，玉米体内 ５２ ％ N 素是由豇豆从空气中固定
N 素提供［１０］ ；广东新垦荔枝园间种柱花草的研究表明 ，种植柱花草后土壤有机质增加 １７７２７ ％ ，全 N 增
加 １４１１７ ％ ，果树树高增加 １７８ ％ ，树冠增大 １５５ ％ ［１］ 。 在豆科作物与非豆科作物间混套作中 ，豆科作
物通过其根系和根瘤分泌或渗漏 、根细胞脱落 、根系与根细胞的死亡和腐烂 、根系中的菌根真菌传递 、雨
水经过根冠时从植株上洗落的化合物及土壤表面死亡植株的分解等途径为非豆科作物提供 N 素［８］ 。
3 　影响豆科作物根瘤菌共生固 N效率的主要因素
31 　内在因素
豆科作物固 N 效率在不同品种和不同菌系间差异很大 ，Nutman［１１］指出 ，共生固 N 的不同阶段主要由
植物和根瘤菌的基因所控制 。因此为每一豆科作物或品种选择最有效的根瘤菌是非常必要的 。 Gibson［１２］
研究表明 ，即使豆科作物品种间亲缘关系非常相近 ，不同品种与不同根瘤菌间固 N 效率仍然有显著差异 。
紫花苜蓿根瘤菌相互作用变异分析结果表明 ，共生固 N 效率是由根瘤菌和紫花苜蓿双方的基因所控制 ，涉
及宿主植物 、根瘤菌和环境间复杂的互作 。紫花苜蓿和根瘤菌间完全有效的结合仰赖寄主植物相关基因和
根瘤菌相关基因的相容性 。有关研究结果还表明 ，与紫花苜蓿固 N 过程相伴随的乙炔还原率和其他一些性
２２　 中 国 生 态 农 业 学 报 第 １４卷
状受基因控制 ，紫花苜蓿乙炔还原活性的变异在不同根瘤菌间差异较大 。 Tan 将乙炔还原活性变异分解为
３个部分 ，分别为品种间 、菌系间及品种与菌系互作 。 研究结果显示 ，紫花苜蓿的品种变异对总变异的贡献
超过 ３０ ％ ，根瘤菌系间的变异占 ２６ ％ ，超过 ３６ ％ 的变异是由根瘤菌与紫花苜蓿间的互作引起的 ，在研究苜
蓿的其他性状如地上部分干物质量 、地下部分干物质量时 ，发现对总变异贡献最大的仍然来自于品种与菌
系间互作［１３ ～ １５］ 。紫花苜蓿品种接种不同根瘤菌后 ，地上部分干物质量可相差近 １０倍［２］ 。
Sharma［１６］发现印度紫花苜蓿品种与澳大利亚苜蓿品种固 N 效率差异较大 ，印度苜蓿品种比澳大利亚
苜蓿品种固 N 数量提高 １４ ％ ；Seetin［１７］等发现在秋眠类型的苜蓿品种中 ，高固 N 率的苜蓿品种杂交产生的
后代的固氮酶活性比低固 N 率苜蓿品种杂交产生后代固氮酶活性高 ２ 倍 。 Pet Duhigg 等研究发现 ，高固氮
酶活性的单株杂交产生的后代 ，其固氮酶活性 、地上部分干物质产量及地上部分总 N 量分别比其父母本增
加 ８２ ％ 、５７ ％和 ６０ ％ 。 Gasser［１８］发现高效的根瘤菌紫花苜蓿品种组合的干草产量比平均水平高 ３１２ ％ ，而
品种与根瘤菌匹配较差的组合干草产量则比平均水平低 ３１９ ％ 。 因此优良组合的产量可比非优良组合的
产量提高 ６３１ ％ 。 刘惠琴用 ５株不同苜蓿根瘤菌菌株（菌号为“ACCC１７５１２ 、ACCC１７５１３ 、ACCC１７５１７ 、AC
CC１７５１８ 、ACCC１７５１９”）接种天水苜蓿 ，其结果“ACCC１７５１７”菌株效果最佳 ，但将“ACCC１７５１７”菌株用于肇
东苜蓿接种时 ，其结瘤固 N 效果较差 。
32 　影响豆科作物根瘤菌共生固 N效率的外在因素
影响豆科作物根瘤菌共生固 N 效率的外在因素一是土壤 N 素含量 。土壤 N 肥含量的多少是影响根瘤
菌接种效果的重要因素 ，较高水平的 N 素含量抑制结瘤 ，降低了紫花苜蓿根瘤菌的固 N 效率 。土壤中 N 素
处于较低水平时 ，接种根瘤菌效果才能发挥出来［１９］ 。 二是水分 。 土壤水分含量是影响结瘤和固 N 效果的
重要指标 。 AparicioTejo等研究表明 ，当土壤水分严重缺乏时 ，固氮酶活性下降 ８０ ％ ～ ８５ ％ 。固氮酶活性随
水势的下降而呈直线下降 ，当苜蓿水势下降到 － ３０MPa时 ，固氮酶活性为零 。三是 K 肥 。 K 肥可增加根瘤
数量 、根瘤重量 、固 N 速率及光合速率 。 研究表明 ，K 肥通过增加豆科作物可利用的光合物质来增加固 N
量 ，在其他豆科作物上研究结果显示 ，K 肥通过转运光合产物到根系和根瘤中来增加固 N 量和根瘤数量 。
在美国 Arlington 试验农场的研究表明 ，当施 K２SO４ 量为 ４４８kg／hm２ 时 ，全部干物质量 、根瘤数量及固氮酶
活性分别比对照高 １１２ ％ 、２２１ ％和 ３６２ ％ ［２０］ 。四是温度 。 温度可影响土壤中根瘤菌的存活及其在根际中
生长繁殖 。一般而言 ，苜蓿根部温度在 ２２ ℃ 时 ，结瘤效果最好 。 Rice分别研究苜蓿根部温度在 ８ ℃ 、１３ ℃ 、
１７ ℃ 、２１ ℃和 ２５ ℃接种效果及占瘤率 ，研究结果显示 ，温度较低时根瘤数量 、根瘤质量及地上部分干物质量
均最低 ，在温度为 ８ ℃时 ，固氮酶活性完全停止 。 当温度为 ２１ ℃ 时 ，单株根瘤数量最多［２１］ 。 五是土壤类型 。
影响根瘤菌接种效果除了内在遗传因素外 ，在不同类型的土壤中差别同样很大 。 Margit Hagen 将两种根瘤
菌接种在不同类型土壤中发现 ，１５３d 后沙土中菌数量下降为 １０ 个／g（土） ，而两种菌在黏土中则多于 １０３
个／g（土） 。一些研究表明 ，同沙质土壤相比 ，土质结构黏重的土壤能提高根瘤菌的存活率 ，可能是因为黏重
的土壤能为根瘤菌提供一个减少环境胁迫的环境 。 Andrew H ．Bosworth将基因工程菌 RMBPC２在 ４种不
同类型土壤中进行接种试验 ，发现只在其中 １ 个地区有增产效果 ，而其他 ３ 个地区增产效果不明显 ；宁国赞
在辽宁及黑龙江 １３个地区进行紫花苜蓿根瘤菌接种试验 ，结果表明不同地区差异较大 ，增产幅度在 ４ ％ ～
１００ ％范围内变动 。在酸性土壤中接种根瘤菌效果更为明显 ，江西清江县的调查结果表明 ，接种区的产草量
比对照区高 ４５１ ％ ［２２］ 。六是种植年限 。 Heichel（１９８１）等利用 N１５同位素示踪和 A值法研究紫花苜蓿根瘤
菌共生体在播种当年的固 N 量为 １４８kg／hm２ ，占其吸收总 N 量的 ４３ ％ ；Heichel［２３］利用同位素示踪法研究紫
花苜蓿根瘤菌共生体 ４年内的固 N 量 ，结果表明 ，Agate品种与根瘤菌组成共生体 １ ～ ４年的固 N 量分别为
１６０kg／hm２ 、１１４kg／hm２ 、１６１kg／hm２ 、２２４kg／hm２ ，共生固 N 量占吸收 N 量的比例分别为 ５５９ ％ 、３２６ ％ 、
６２３ ％和 ７８２ ％ 。七是混播 。紫花苜蓿与禾本科作物混播时固 N 效率有所提高 ，紫花苜蓿与鸭茅或猫尾草
混播时 ，单位质量根瘤的固 N 速率是紫花苜蓿单播的 ２ 倍 。 紫花苜蓿鸭茅混播组合中 ，鸭茅比例增加时紫
花苜蓿吸收的 N 素中生物固 N 所占比例增加［２４］ 。 八是土著根瘤菌系及其数量 。土著菌是存在于土壤中的
根瘤菌 ，分布广泛 ，竞争结瘤能力强 ，但在豆科作物根系上结瘤后通常固 N 效率较低或无固 N 能力 。人工接
种根瘤菌是增强豆科作物和豆科牧草的结瘤固 N 能力 ，增加 N 素营养 ，提高产量的有效措施 。 但当有大量
土著根瘤菌存在时 ，通常与接种菌竞争结瘤位点 、竞争营养基质 ，影响接种菌的占瘤率 ，最终影响接种效果 。
接种菌的占瘤率与土著菌的数量成反比 ，一般而言 ，当土壤中的菌小于 １０个／g（土）时 ，接种使根瘤数量和质
量翻很多倍 ，当土著菌数量在 １０ ～ １００个／g（土）时 ，接种使根瘤质量仅增加 ２倍 ，数量仅增加 ３倍 ，当土著菌
第 ４期 曾昭海等 ：共生固氮在农牧业上的作用及影响因素研究进展 ２３　
数量超过 １００个／g（土）时 ，接种与不接种间的差异不显著 。 生产实践中为获得超过 ５０ ％ 的占瘤率 ，接种菌
数量必须超过土著菌的 １０００ 倍［２５］ 。 李新民［３］在黑龙江省的试验表明 ，土壤中土著菌数量分别为 ＜ １００
个／g（土） 、１００ ～ １０００ 个／g（土）及 ＞ １０００ 个／g（土）时 ，接种根瘤菌的占瘤率分别为 ５０６９ ％ 、２０３７ ％ 和
１６８４ ％ 。九是菌剂接种的技术措施 。 Wendell A ．Rice等［２６］将粒状菌剂与种子一起施入 、施于种子下面 、在
种植后施于种行旁边等 ３种方法研究不同接种方法对苜蓿产量的影响结果表明 ，粒状菌剂与种子一起施入
或施于种子下面效果较好 ，其生物学产量 、根瘤菌数量以及接种菌的占瘤率都比施于种行旁边效果好 ；增加
三叶草根瘤菌接种数量可提高其与土著菌的竞争能力 ；利用石灰包衣种子或直接施于土壤中同样可提高接
种菌的竞争力 ；将接种菌剂以阿拉伯黏土或加工成粒状等方法可增加接种菌剂的结瘤量 。
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