土壤中的天然化肥厂——固氮微生物

微生物是世界上最早存在的生命,它们将曾经为不毛之地的地球改造得生机盎然,丰富多彩。土壤是微生物生活的乐园,小小一撮的土壤中含有数不胜数的微生物。土壤为微生物提供了生长的温床,而微生物也为土壤肥力的提高做出了斐然的贡献。正所谓地以肥为天,肥以氮为先。氮是植物需要量大,同时最易缺乏的元素。有那么一种微生物,可以将大气中的氮气转化铵,使气态氮变为土壤中可利用的氮源,可谓是绿色无公害地提高土壤氮素水平的方法了,它们就是固氮微生物。我们来认识下固氮微生物的大家庭吧。

固氮微生物,即可以在固氮酶的催化作用下,将大气中的氮(N2)还原为NH3(NH4+)的一类功能微生物,其反应式为:

公式2

据科学家估算,每年地球陆地生态系统有微生物固定的氮约为90-130×106吨,占地球植物需氮量的75%左右。根据固氮微生物的固氮特点以及与植物的关系,固氮微生物可分为共生固氮菌、自生固氮菌和联合固氮菌。

图1

共生固氮菌:共生固氮微生物只有和植物互利共生时,才能固定空气中的分子态氮。不同的共生固氮菌与相应的植物形成的固氮共生体系,被认为是固氮效率最高的自然固氮系统。微生物汲取植物提供的碳水化合物等营养成分,同时给植物提供氮素,二者互利共生,这种共生体系表现为根瘤的形态。共生固氮微生物可以分为两类:一类是与豆科植物互利共生的根瘤菌,以及与桤木属、杨梅属和沙棘属等非豆科植物共生的弗兰克氏放线菌;另一类是与红萍(又叫做满江红)等水生蕨类植物或罗汉松等裸子植物共生的蓝藻,其中根瘤菌的贡献最大,每年可为每公顷土地固氮250kg之多。共生体系从形成之初到破溃为止,微生物都在辛勤的工作,不停地固氮,就像一个“小化肥厂”一样。现在很多国家已经将接种根瘤菌作为了常规的农业措施了呢。

图3

自生固氮菌:自生固氮菌的存在并不依赖于植物,它们不住在植物体内,能自己从空气中吸收氮气,繁殖后代,死后将遗体“捐赠”给植物,让植物得到大量氮肥。自生固氮菌广泛存在于自然界的土壤和水中。自生固氮菌的固氮效率较低,每年每公顷土地的固氮量约为1.5kg。但是,值得一提的是,自生固氮微生物除了可以固氮之外,还可以溶解磷酸盐、含钾硅酸盐,活化有效磷、钾,改善土壤供磷、供钾能力。因此,尽管固氮量效率不高,自生固氮菌对于促进农作物增产仍然有一定效果。例如小麦施用自生固氮菌可以增产12.5%,大麦增产18.9%。

图4

联合固氮菌:联合固氮菌的固氮特点介于自生固氮和共生固氮之间,既可以与植物共生,也可以自生。这些固氮微生物和共生的植物之间具有一定的专一性,但是不形成根瘤那样的特殊结构。这些微生物还能够自行固氮。联合固氮菌的固氮效率高于自生固氮菌,每年每公顷土地的固氮量估计可达15-93kg。联合固氮菌的主要宿主是粮食作物(水稻、玉米、小麦)。以水稻为例,有科学家估计,联合固氮菌每年每公顷土地从空气中固定的氮为30kg。而对于甘蔗,内生联合固氮菌可为甘蔗植株提供60%的氮素以供植株生长。

氮素化肥施用量高,利用率低,造成的氮肥污染及生态环境恶化问题已极其严峻。自然既然为我们提供了这么一种绿色的氮素获取途径,我们该好好加以研究利用。

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