王浩铭，赵叶舟，何会超，汪自强:豆科作物在生态环境中的地位和作用
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王浩铭，赵叶舟，何会超，汪自强* （浙江大学农业与生物技术学院，杭州 310058） 摘要：豆科是世界上植物界的第三大科，种类繁多，生物多样性丰富，且由于生物固氮作用在自然界氮素循环和平衡中的地位独特，因而在生态环境保护中发挥了重要的作用。随着农业生产压力的增加，耕地面积的减少，土地贫瘠化加剧，土壤费力下降，发展豆科作物，对于减少环境污染，减少农业对能源的依赖性，培肥土壤，发展可持续农业均具有重要的意义。 关键词：豆科作物；固氮作用；可持续农业 改革开放以来，我国经济快速发展，城市化进程不断推进，交通的发展和开发区的建设，大量耕地被占用，一些地方仅仅考虑保持耕地数量的平衡，因而新增耕地大多为贫瘠土地，肥力低，宜耕性差。另一方面，随着人口的增加，耕地使用压力增大，耕地有机质总体水平也逐年下降，水土流失严重，部分耕地生产能力衰退甚至完全丧失，中低产田面积不断增加，降低了粮食的有效产出。目前，浙江省有中低产田约374014公顷，占总耕地面积的23.4％，且耕地资源区域分布不均衡，浙北平原地区约占全省土地面积的18％，却集中了全省耕地面积的35.8％，这些区域经济发达，但存在着发展经济、城市空间拓展与保护耕地，特别是与优质高产良田保护之间突出的矛盾[119]。 作物产量受多种因素影响，其中施肥对提高产量和持续增产的效果最好。目前农作物所需氮素的主要来源是化肥、有机肥和生物固氮。化肥有效成分含量高，用量少，见效快，体积小而疏松，便于运输、保管和施用，但肥效持续的时间较短，易挥发与淋失，故其利用率不够稳定，且一般不含有机质，如果长期大量施用会破坏土壤结构，导致土壤板结。目前农业生产中施用化肥过多，且用肥结构又不合理，例如浙江省施用化肥平均达443公斤/公顷，高出全国平均施用水平l8.1％，远远超过世界尤其是欧美国家施肥水平。且用肥结构也不合理，2002年浙江省施肥量中N：P2O5：K2O为1：0.23：0.14，比例失调，偏施氮肥已成为相当部分地区和农民的习惯，从而导致农业环境污染，造成土壤生产力和作物品质下降。 在此情况下，通过探索发展经济、城市空间拓展与优质高产良田保护的协调发展的出路已经成为迫在眉睫的选择。目前已知生物固氮在自然界氮素循环中的作用巨大，而豆科作物作为世界上植物界的第三大科，种类繁多，生物多样性丰富，尤其在生物固氮作用中地位独特。就全球而言，豆科作物通过豆科与固氮菌的共生作用对全球农业氮素素经济有举足轻重的作用，每年提供超过3500万吨以上的氮素(Burns and Hardy, 1975)[120]，相比于化肥产业中需要高温高压条件（470～520℃，200～500atm）才能把氮转化为肥料氨，豆科作物只需在常温常压条件下与有效共生型的根瘤即可发挥作用。另外，豆科植物对矿业废弃地生境具有耐性，并且能够有效结瘤固氮的根瘤菌总是出现在那些豆科植物能够定居和生长的土壤中，不管这些土壤中重金属的浓度是多少，这说明豆科植物在矿业废弃地植被恢复中具有重要作用[121]。因此，发展豆科作物，对于减少环境污染，减少农业对能源的依赖性，培肥土壤，发展可持续农业均具有重要的意义。 1生物固氮在自然界氮素循环中作用巨大 大气中的分子氮被氧化成氮氧化合物或被还原形成氨的过程称为固氮作用。自然界中的氮素循环主要通过自然固氮、工业固氮和生物固氮。工业固氮是在高温、高压下将分子氮还原成氮的过程。在自然固氮中有10%左右是通过闪电进行的，其余90%是通过生物固氮完成的，某些微生物利用自己独特的固氮酶系统把空气中的游离氮固定转化为含氮化合物的过程，称为生物固氮。生物固氮是由一些原核生物在常温常压等条件下进行的，既不耗费矿质资源，更不污染环境。100多年来生物固氮研究受到了科学家的广泛重视，且获得长足进展。 生物固氮在氮素平衡中占有重要地位。全球范围内土壤中氮素的20％～25％来自于工业合成的氮肥，以生物固氮途径进入土壤的氮素，占总来源的65％～70％，是自然土壤中氮素的主要来源。在我国自然土壤的表层，土壤全氮含量一般为0.77～5.03克/千克，农业土壤的全氮含量一般为0.63～2.63克/千克。假设土壤的容重为1.2，自然土壤和农业土壤表层贮存的氮素分别为1850～12200公斤/公顷和1500～6300公斤/公顷。土壤全氮的含量在表层最高，表层以下锐减。在100cm土体范围内，土壤氮素的储量为3000～12000公斤/公顷。不同地区的差异比较大，例如，在太湖平原，100cm土体中氮素的储量平均为10930公斤/公顷，而在黄淮海平原氮素储量则为5810公斤/公顷，黄土高原氮素平均储量3930公斤/公顷。水田土壤的氮素储量一般高于旱地[122]。氮素是所有植物生长发育所必须的营养元素之一。空气中氮气的含量接近80％，但由于氮气是惰性气体，不能被植物直接利用，必须先被固定成化合态氮。因此，豆科植物与其他生物固氮途径一起，构成了土壤氮素的主要来源。人类的蛋白质等食物来源均直接或间接地来源于植物，氮素——作为植物最重要的营养元素，在植物生产中仍然而且必将发挥更大的作用。 2豆科作物具有独特的生物固氮能力，补充土壤氮素，节能，环境友好 豆科作物的生物固氮在全球农业的氮素平衡中扮演重要角色。豆科作物每年向农业系统中通过生物固氮提供3500万吨以上的氮素(Burns and Hardy, 1975)。这对年8000万吨的工业固氮量是一个不小的数字(FAO Year Book, Fertilizers, 1992)[123]。当考虑工业氮肥相对较低的利用效率时，豆科作物实际对工业与生物固氮氮源的利用量差不多是相等的。另一方面，豆科作物的耕种还有助于改良土壤结构，提高土壤肥力，尤其在干旱地区有些豆科作物还可作为先锋植物，是生态体系中提供有效氮的中心(Glasener et al,2002)[124]。 豆类作物同化氮素有两种形式，它不仅可以同化来自土壤及肥料的无机氮，也可以通过生物固氮从大气中捕获氮气。目前已知的固氮生物存在于原核生物细菌的100多个属中，根据它们与高等植物之间的关系，将其分为自生固氮菌、共生固氮菌、联合固氮菌及内生固氮菌。其中固氮能力最强的是与豆科植物形成共生体的共生固氮菌——根瘤菌。 生物固氮主要包括自生固氮和共生固氮两大类。自生固氮是指有些固氮微生物在土壤或培养基中能够独立地完成固定大气中的分子态氮的作用，它固氮量远远低于共生固氮。共生固氮是指固氮微生物和寄生植物生活在一起，直接从寄生植物获取能源，完成固氮作用。由于其固氮能力强，在农业生产中的意义也最大，常见的如豆科植物的共生固氮，蓝绿藻与红萍的共生固氮等。 与化学肥料相比，根瘤菌——豆科植物共生固氮体系作为生物固氮中效率很高的一种，不降低土壤生产力，不污染环境，而且是取之不尽，用之不竭的廉价氮源，其反应条件也相当温和，在常温常压的自然条件下即可进行，具有无可比拟的优越性。而工业固氮（生产氮肥）需要高温（470～520℃）和高压（200～500个大气压）条件，生物固氮作用可以在常温常压下进行。这是因为固氮微生物细胞中存在着一种特殊的生物催化剂——固氮酶。固氮酶由钼铁蛋白组成，是能量的转化器。它能将传递来的电子传递给N2，生成NH3并放氢。 通过与土壤根瘤菌的共生，豆类作物把大气中的氮气还原为氨供植物形成蛋白质。首先，根瘤菌属或慢生根瘤菌属的细菌侵染豆科作物根毛并在根毛内增殖形成根瘤。根瘤菌只有在特定的寄主上才可能形成根瘤并进行生物固氮。 表1 几种主要豆类作物在一个生长季内的固氮量(公斤/公顷)
另外，豆科植物共生固氮不仅可提供豆科植物本身的氮素和增肥地力，而且还是维持土壤持久生产力的一个重要生态反应。Guire等（1998）经试验发现单作麦类作物能引起土壤肥力的匮乏和土壤侵蚀，一个很好的修复办法就是在休耕季种植豆科绿肥。种植结果表明：土壤水分含量、无机氮含量及休耕后的小麦产量，都得以提高。在雨水充足或有灌溉系统的地区，大豆和玉米轮作可以提高氮利用率[126]。 3豆类作物种类丰富，在轮作复种中地位重要 豆科植物为种子植物的第三大科，分为含羞草亚科、苏木亚科（云实亚科）、蝶形花亚科，广泛分布于世界各地。这一庞大家族有大约700个属18000个种（Berrie，1977）[127]。后来又有统计显示有750属，49000种（1981），其他还有数据表明有741属，17800种（1995）。这对于轮作复种作物的选择具有极大空间。 浙江省曾经统计了100多种轮作复种体系，其中70％与豆类作物有关，这充分说明了豆类作物在耕作制度中的重要性。据研究，与连作玉米相比，轮作可以减少滞留氮的淋洗，而且轮作玉米比连作玉米可以更有效地利用雨水。另外小麦与大豆轮作的氮利用率要高于休闲地小麦或连作小麦。如浙江省金衢盆地的低丘红壤旱地普遍比较贫瘠，如果同时间作大豆就能够提高红壤的氮素水平，改良金衢地区已开发的土地资源，充分挖掘其粮食生产潜力。也可以在冬、春季闲置抛荒的水稻田上种植豆科作物，实现水旱轮作，不但能改善土壤理化性质，而且也提高了土地利用率和增加收益。 另外豆科植物所固定的氮还可以对下茬植物产生有益影响，据估计其后茬作物可节省30～80公斤/公顷的氮肥[128]。另据资料统计，利用豆科作物的茬地种植小麦，每公顷可增产400～700公斤，在轮作中，可以提高蛋白质的年平均产量，使后作物栽培成本下降30％[129]。非固氮植物与固氮植物共生于150公斤/公顷氮素的土壤上所获得的产量相当于单种非固氮植物于两倍氮含量的土壤上[130]。 同时，大多数豆科植物具有庞大的根系和很强的固氮能力，以及适生范围广、抗逆性强、耐瘠薄、易栽培、生长迅速、生物量大、热值高等优点，能有效地提高土壤持水量，降低容重，增大孔隙度，增加土壤有机质和氮磷钾含量，大大减少土壤侵蚀量和径流量，有较好的水土保持和改良土壤效果，且可持续利用效果明显，能在水土保持和植被恢复中发挥着重要的作用。 4发展豆类作物的主要对策 豆科作物的固氮效率也受多种因素的影响，如水分胁迫会导致豆科作物根瘤减少和固氮效率低下；除氮磷钾外，微量元素对固氮影响也很明显，如钴对固氮酶活性的提高和固氮强度的增加有很强的促进作用[131]；不适的温度会对豆科作物的结瘤固氮产生一定的限制；土壤类型、土壤pH、CO2浓度等也会对豆科作物的固氮能力造成影响。为了充分发挥豆类作物在循环经济和环境友好型农业中的作用，提出以下发展对策。 4.1扩种春大豆是发展大豆生产的主要途径 在浙江省的春、夏、秋三种不同季节生态型中，其种植面积各约占60％、10％和30％。春大豆成熟时高温伏旱，利于蛋白质的合成积累，而夏秋大豆成熟时低温凉爽，利于油分的积累，因而发展春大豆符合浙江省加工和食用的需要。从大豆的光温反应特性看，春大豆为感温生态型，只要温度适合，皆可播种，播种期弹性大。此外，浙江省大豆的种植以旱地为主，而春大豆生育期间春雨、梅雨两个多雨时期，能满足大豆生育对水分的需求。 春大豆作为菜用毛豆，可采用地膜覆盖、育苗移栽等其它保护性栽培，增加蔬菜品种，在调节市场蔬菜供应上有灵活性；若选用特早熟品种或采摘鲜毛豆，也可以作为单季晚稻的前作，用以改良土壤，培肥地力。因此，春大豆具有较大的发展潜力。2002～2005年在浙江省庆元县推广菜用春大豆－晚稻轮作330公顷，实践证明，不但大豆产值高于原来种早稻的产值，而且菜用春大豆后种晚稻也比早连晚稻要增收产675～750公斤/公顷，经济效益十分可观。 4.2开发红黄壤，发展大豆生产 据统计，我国有待开发和已开发的红黄壤有1000万公顷，主要分布在江西、浙江和福建等省区。红黄壤具有酸、瘠、粘等特点，尤其是新开垦的红黄壤属强酸性，有机质含量低，土质粘，保水性差，易板结和干旱，其它作物较难生长，因而可把大豆作为先锋作物种植。通过选用较耐瘠、耐酸的大豆品种如浙春2号等，配合以增施肥料、增加密度、适时早播、加强田间管理等措施，发展大豆生产，增加大豆生产总量。 4.3提倡“四园”套种，增加豆类总量 浙江省人多地少，采取“四园”套种扩种大豆，是解决大豆总量不足的有效途径。“四园”即指茶园、桑园、果园和幼林园地，在“四园”套种大豆，由于大豆根瘤菌的固氮作用及大豆的秸秆还田，有利于提高园地的土壤肥力，同时也有保持水土的作用。套种大豆进行翻耕和中耕除草等工作，起到了一肥两用、一工两利等作用。改善了苗木的生长环境，大豆与苗木互补互利。因此，“四园”套种大豆具有以短养长、以耕代抚、林茂豆丰的综合经济效益。 4.4发展冬季豆类，倡导环境友好农业 随着农业产业结构的调整和经济的发展，冬季空闲田也出现较多。如何增加冬季豆类种植和扩大绿肥面积，既可增加经济收入，又可培肥土壤，是保持农田可持续发展的重要手段，也符合充分利用非耗竭性资源，发展环境友好农业的发展方向。温州市苍南县近年来通过品种引进和筛选，积极发展冬季蚕豌豆，收到了较好的成效。 |
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