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根据澳大利亚百年来的经验

日期:2019-04-05 12:13

  “中国滥用化肥和农药造成的污染,尤其是氮污染,已经严重危害到人体健康和环境质量,中国过量施用化肥和农药已到极限。”这是在2004年中国环境与发展国际合作委员会年会上中外专家发表的意见。

  &#12288&#12288建国以来,为解决粮食生产问题,国家大力发展化肥工业,化肥生产和消费用量不断上升。根据统计资料,2004年我国生产氮肥3300万t纯氮,消耗能源1亿吨标准煤以上,我国已成为世界最大的氮肥生产国,同时也是世界最大的氮肥消费国。化学氮肥的使用,在提高作物产量、保障我国的粮食安全方面发挥了巨大作用,但过量施氮已形成了严重的面源污染。按2002年用肥和种植面积计,我国平均施氮肥量为美国的2.88倍、巴西的5.79倍、澳大利亚的8.85倍。而且,我国不同地区的化肥施用量严重不均,据调查,用量最高的200个县,年均施氮量为522kg/ha,花、果、蔬菜单季施化肥量甚至高达569kg/ha~2000kg/ha。不合理施肥的结果是氮肥利用率极为低下,一般仅10%~30%,绝大部分氮肥挥发至空气中和流入江河湖海,造成一系列的严重危害,如:水体、空气、食物受污染,威胁人畜健康;自然界生物多样性和生态系统稳定性降低;农作物病虫害加重,土壤结构受破坏,肥力降低。

  &#12288&#12288如此大范围的面源污染,只可从源头控制来解决。除合理施用化肥以及无机、有机肥配合施用外,一个更重要的途径是充分发挥豆科作物—根瘤菌共生固氮作用。这是一个既不消耗矿质能源且环境友好,又能减少化学氮肥用量并提高土壤肥力的有效途径。

  &#12288&#12288豆科作物—根瘤菌共生体在农作物种植体系中的独特作用

  &#12288&#12288豆科植物的突出特点是能与根瘤菌结瘤形成共生体,在自然环境中,在常温、常压下,将大气中的氮气转化成氨,直接提供给植物做氮素营养;豆科植物根深叶茂,可从土壤深处吸收水分和养分;根瘤菌的分泌物还能溶解土壤中的铁、磷、钾、镁、钙等矿物。因而,豆科植物生命力极强,是荒漠贫瘠地的先锋生物。在自然界中,已知200多属细菌中含有固氮菌株,而根瘤菌与豆科植物共生固氮效率最高,据FAO估算,全球生物固氮量约为2.0亿t/yr,而豆科植物—根瘤菌共生固氮量占其中的65%~70%。豆科植物所固定的氮可以提供该植物生长所需氮素营养的50%~80%,甚至100%,其地下部分含氮占植株总氮的30%~35%,残体分解后可有效提高土壤肥力。

  表1中列举几种栽培豆科作物的固氮量,不同种类的豆科植物因与之共生的根瘤菌不同以及环境条件的影响,所固定的氮量有很大的变异幅度,通过科学技术进行调控,有可能实现其最大固氮量。

  &#12288&#12288豆科与禾本科及经济作物实行间、套、轮作时可以为间作和后茬作物提供氮素营养,补充矿质养分,提高其产量。文献报道豆科作物一般可为间作或混播的其他作物提供所需氮素30%~60%。最近,我国科学家们发现,豆、禾间作还能促使豆科更多的结瘤固氮,获得双高产。中国农业大学植物营养系在甘肃进行的蚕豆玉米间作试验田中,在施氮肥225kg/ha情况下,间作蚕豆的产量比单作地的提高63.7%,达到单产8202kg/ha,玉米比单作产量提高17.3%,达到10886kg/ha,双双达高产水平。这是因为豆、禾植株生长靠近,根系交织,禾本科竞争吸走了豆科根际的营养,即排除了豆科根瘤菌“氮阻遏”的障碍。所谓“氮阻遏”,是指所有固氮生物在有化合氮的环境中均不固氮,因它的固氮酶合成和活性受化合氮抑制。近几十年,不少科学家研究用基因工程手段解决这个问题,但尚未得到可实际应用的结果。今天,我们发现用中国农民几千年来所采用的间套作措施,解决了对豆科植物施氮肥与生物固氮这个大矛盾,的确令人振奋。这个矛盾的解决,为豆、禾间套作提供了重要的科学依据,值得进一步揭示其作用机制,更充分地发挥该措施在增进生物固氮中的作用。

  &#12288&#12288豆科与其他作物轮作也是节省氮肥、改良土壤的良好措施。在不施肥的情况下,玉米、豆科作物轮作,可提高玉米产量235kg/ha~265kg/ha。种植草木樨后,再种小麦、谷子、糜子、高粱、玉米等作物,有40%~100%的增产效果。江苏如皋市龙舌乡于1995年示范种植70ha棉花与荷兰豆轮作,荷兰豆嫩荚平均产量7500kg/ha,干豆粒2250kg/ha,皮棉1350kg/ha,产值4.8万元,经济效益十分可观。

  &#12288&#12288目前,国际上豆类种植最多的为大豆和苜蓿。美国的4大作物(棉花、大豆、小麦、苜蓿)中,两个为豆科,因此,他们充分发挥了豆科植物—根瘤菌固氮体系的作用。1997年,美国豆科植物—根瘤菌固定的氮已达620万t,占美国当年消耗氮肥1130万t的55%以上。随着豆科种植业的发展,至2002年美国化学氮肥消耗量已降至1087余万t。澳大利亚曾在草地和农田引进过很多豆科牧草和作物,对筛选与之匹配的根瘤菌也做了大量研究,豆科—根瘤菌固氮已成为该国农牧种植业的主要肥源,早在1990年时,他们年消耗化学氮肥44万t,而豆科植物固定的氮肥却有140万t,是化学氮肥使用量的3倍以上。他们现在计划种植包括苜蓿的永久草地作为稳定的生物固氮途径。阿根廷、巴西这些发展中国家也积极发展豆类种植,阿根廷1961年大豆种植面积仅980ha,至2003年增至1242万ha,单产2801kg/ha,居世界第一;巴西1961年的大豆面积24万ha,至2004年增至2147万多ha,总产达4920.5万t,占世界总产量的24.1%。巴西经反复试验证明,种植大豆时,接种有效根瘤菌剂,与施肥150kgN/ha,甚至400kgN/ha的大豆相比,产量无大差异,平均大豆单产为2790kg/ha,(最高可达4000kg/ha)。所以巴西种大豆全部不施氮肥,只接种有效根瘤菌,大豆产量仅次于阿根廷,为世界第二,每年仅节约的氮肥价值就达25亿美元之多。为此,巴西已计划长期将生物固氮作为植物的氮源,并制定了豆科作物改良牧场的计划。拉丁美洲豆、禾间作种植也成为主要生产体系。上述国家近10年来化学氮肥的消耗量均逐年降低,有力地证明发展豆科植物的种植,接种相匹配的高效根瘤菌完全可以减少化学氮肥用量和保持作物产量。

  &#12288&#12288我国古时就已盛行豆、禾间、套、轮作种植模式。20世纪50年代起,在几位归国的土壤微生物学专家的带领下,对我国大豆、花生、紫云英根瘤菌接种,进行过大面积的试验研究和推广应用,收到很好效果;60年代至70年代,南方水稻产区普遍实行水稻—紫云英的轮作制度,既提高了水稻产量,又缓解了当时化肥紧缺的局面。但是由于大量粮食的需求,化肥的发展,豆类作物的种植面积曾有高达20%的萎缩,根瘤菌的研究和应用也陷入低潮。目前,我国每年大豆种植约800万公顷,花生400万~500万公顷,加上苜蓿、其他豆科粮食、蔬菜、牧草、中药、绿肥等,总面积已不算很小,但过分依赖化肥,反而抑制了豆科植物—根瘤菌共生固氮作用,造成严重浪费及不良后果。目前,国内虽有少数根瘤菌剂生产企业,属起步阶段,产量低、使用面积小。据了解,大豆接种根瘤菌面积仅为2%左右。

  &#12288&#122881.大容量的根瘤菌资源库和颇具实力的研究应用队伍

  &#12288&#12288尽管上世纪70年代后期以来,我国豆类种植与根瘤菌应用均呈萎缩之势,但少数单位对根瘤菌的研究仍在坚持。如中国农业大学(原北京农业大学)根瘤菌课题组自上世纪70年代始,在科技部特别是国家自然科学基金委的资助下,先后组织了全国20个单位的同行对我国32个省(市)豆科植物结瘤情况进行了调查,并采集、分离根瘤菌,建成了国际上最大的根瘤菌库(CCBAU),保藏根瘤菌7000多株;对其中3000多株菌进行了表型和遗传型性状详细研究,发现了一大批抗逆性很强的种质资源;应用现代细菌分类技术,对大量菌株进行了分类和系统发育研究,发表了两个根瘤菌新属(国际上总共只有4个大属)、15个新种,为根瘤菌接种事业准备了充足的种质资源;在深入研究根瘤菌的地理分布及与宿主植物共生关系后,提出根瘤菌接种的新见解,即接种的根瘤菌必须与豆科植物的共生遗传特性相匹配,并要与环境相适应。与此同时,该课题组已培养了研究生近80名,有些已成为国内外该领域的骨干,在我国西北、西南、华北、华中、华南、东北均有分布,为我国根瘤菌事业准备了优秀的领军人才。

  &#12288&#12288近年来,我国在大豆育种方面取得了显著进展,收集了大量种质资源,充分利用杂种优势,改进制种技术,先后选育出南农、中黄、黑农、冀豆系列等优良品种,在生产上大面积推广应用;大豆花叶病毒病株系划分、大豆胞囊线虫病抗性机理及防治取得重要进展。苜蓿育种研究也取得了可喜成就,育成了甘农系列苜蓿品种,以及我国唯一的耐盐苜蓿品种“中苜一号”等。“中苜一号”在含盐量0.4%~0.5%的土壤正常生长,干草产量可达15000kg/ha以上。

  &#12288&#12288上述卓有成效的工作为我国广泛应用豆科作物—根瘤菌共生体系提供了良好的种质资源基础和技术贮备。

  &#12288&#12288我国在耕地日趋萎缩的情况下,为确保粮食安全,发展复种是粮食播种面积保持在1.1亿公顷以上的主要保证。目前复种指数还大有潜力可挖。我国当前主要复种模式多是禾本科作物之间的间、套、轮作。我们建议在这些间套轮作系统中加入一茬豆科作物;水稻田休闲时播种豆科绿肥作物或短季豆类作物;将我国大豆产区也建成豆、禾轮作体系;在我国西北灌溉区继续发展蚕豆/玉米间套,小麦/大豆间套种植;在华北地区恢复花生/玉米或大豆/玉米间套作;在农牧区实行草田轮作套种,这也是农牧区发展畜牧业的重要饲草来源。

  &#12288&#12288此外,我国有4亿ha草地,在使用的约2.6亿ha,经过改良的仅只1%,草地质量差,平均要2ha草地才能承载1个羊单位,与世界牧草发达国家有数十倍的差距;单位草地面积产值仅为澳大利亚的1/10,荷兰的1/50;我国整个畜牧业产值只占农业总产值的30%,而世界农牧业发达国家通常在50%以上,如美国为60%以上、德国为73%。我国要提高畜牧业产值在农业产值中的比例,必须大力发展牧草种植业,进行草场改良,多种豆科牧草,接种根瘤菌,进行豆、禾混播。苜蓿和斜茎黄芪等均是优质豆科牧草,为当今西部农牧民种草之首选。

  &#12288&#12288豆科植物与根瘤菌两者均不能单独固氮,必须适宜匹配形成根瘤共生体才能固氮,在未种过豆科植物的土壤中常常缺少能与该植物匹配良好的根瘤菌,或者有可以与之结瘤、但固氮能力低下的土著菌,仅是消耗宿主的营养而很少固氮,因此要获高固氮效果必须接种与之匹配且高效固氮的根瘤菌,必须先进行自然选种,也可对菌株进行分子生物学技术改造,筛选出高固氮、高竞争结瘤、高抗逆(如耐酸、耐碱、耐盐、耐高温、耐受农药等)及存活力强的菌株制作接种剂;同时,接种剂质量、剂型、使用方法,以及配套的农机具、使用菌种的复壮等问题也亟待研究解决,否则这些技术问题将形成措施落实的瓶颈。所以除基础研究外,还必须加强根瘤菌应用基础研究。这需要国家作必要的经费投入,开展研究,使之为根瘤菌接种剂产业化提供技术支撑。

  &#12288&#122883.多学科联合,注重豆科作物品种选育与根瘤菌匹配研究结合

  &#12288&#12288豆科作物品种选育有别于其他作物,不应看重作物从土壤吸肥能力,而应注重与良好的根瘤菌匹配,形成新品种与优良根瘤菌组合,获得共生体高效固氮能力。因此,应加强学科联合,使我国豆科作物育种与根瘤菌匹配相结合,选育出既高产、优质,又高效固氮的豆科植物—根瘤菌共生体系。

  &#12288&#12288进行根瘤菌接种,菌剂质量是关键。根据澳大利亚百年来的经验,需设立相应的技术机构,随时研究解决菌剂生产中的问题,严格检验产品质量。关于根瘤菌应用最好纳入到我国沃土工程中去。

  &#12288&#12288很多发达国家和发展中国家的实践经验已充分证明,增加豆科作物种植、接种高效根瘤菌,能大量固定大气中的氮,不仅供豆科作物本身利用,还可给与之间、套、轮作的禾本科作物及经济作物提供氮素营养,活化矿质元素,并能减少病、虫危害。因此,建议在我国西部退耕还林还草地区,多种豆科植物;在全国农牧种植业中,改进种植模式,广泛发展豆科作物与禾本科作物及经济作物的间套轮作,给豆科作物接种高效根瘤菌,充分发挥其固氮作用。这一方式可为国家节约大量氮肥,既减少能源消耗、保护环境,又能提高农民收入、确保粮食安全,还能提高土壤肥力,保障农、牧业持续发展。这是一项利在当代并持续千秋的事业,希望能在我国农、林、牧种植业中及早广泛推行。