生物固氮产业发展状况.docx

1、生物固氮产业发展状况一、生物固氮产业发展状况1、生物固氮产业发展的背景意义氮、磷、钾是作物的三大营养元素，氮素尤其重要。虽然空气中氮气的含量接近80%，但由于氮气是惰性气体，不能为作物直接利用。化学氮肥的施用，在补充作物氮素营养、提高作物产量、保障我国的粮食安全方面发挥了巨大作用，但近年来，其与生态环境及农业可持续发展的矛盾日益凸显：1）化学氮肥的过量及不合理施用，使氮肥利用率不足30%，造成大量资源的浪费；2）粮食产出与化肥投入比呈现逐年下降的趋势，化肥在保障粮食安全方面的作用逐渐减弱；3）带来了环境污染等一系列问题：污染水体：全国532条河流中，82%受到不同程度的氮污染，水体富营养化严重

2、；污染大气：每年我国氮肥生产耗能1亿多吨标准煤，CO2净排放量可达4亿吨以上，加剧温室效应；破坏土壤结构：部分地区土壤有机质含量从5%8%，已降到1%2%，土壤板结严重；影响食品安全：豆科作物食用部分的硝酸盐含量随着氮肥施用量的增加而大幅度提高，人体摄入的硝酸盐约80%以上来自豆科作物， 34种豆科作物的350个样品分析测定中，硝酸盐含量超标占%；加剧病虫害：在黑龙江等粮食主产区，每年生产季节发生病虫害面积达600万亩，其中70%是因氮肥过量引起的，造成直接经济损失达50亿元。在世界性能源危机和环境污染的压力下，必须寻求一种高效利用资源、环境友好的农业生产途径。生物固氮，是发生在含有固氮酶的微

3、生物种类中，将氮气还原成氨的一种生物过程，此过程在自然条件下完成，不消耗能源，也不对环境产生污染。在自然界中，已知200多属细菌中含有固氮菌株，根据其与植物的互作关系分为：共生固氮菌，联合固氮菌和自生固氮菌，其中，根瘤菌能够与豆科植物形成共生固氮体系，共生固氮效率最高；联合固氮菌与植物是一种松散的结合，定植于作物的根际和植物体内进行固氮，并可分泌植物激素促进作物生长；联合固氮和共生固氮都可为作物提供氮素，减少化肥使用，在环境污染越演越烈的今天备受关注，生物固氮的可功效为：1）在减少化学氮肥上的作用。据FAO估算，全球生物固氮量约为亿吨/年，根瘤菌-豆科植物共生固氮量占其中的65%70%，其所固

4、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。国内外研究人员，通过多年对大豆、花生、紫云英等豆科植物接种根瘤菌的试验充分证明了：豆科植物接种相应的根瘤菌后，不仅增产显著，而且可大大节约化学氮肥的投入，并可为下茬非豆科植物提供一部分氮素化肥；近年来有研究表明甘蔗体内的内生固氮菌，它们生活在植物体内，可为植物提供高达60%的氮素； Ghonsikar 等用固氮螺菌接种高粱，结果发现，两者可形成联合固氮体系，并且形成联合固氮体系的高梁根量增加29，根体积增加39，籽粒增产18%。充分发挥生物固氮作用，是既不消耗

5、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。2）在提高作物单产上的作用。我国的豆科根瘤菌研究，始于20世纪30年代，多年的试验证明：接种根瘤菌后，大豆、花生可增产515%，沙打旺可增产59%以上，紫云英增产30%以上，紫花苜蓿增产30%50%，增产效果显著。而根瘤菌在田间应用中的一个重要问题是氨阻遏，近年来研究发现，发挥根瘤菌-豆科植物-禾本科植物互作体系，不仅可缓解氨阻遏，提高共生固氮作用，而且可实现豆禾双增产。如在甘肃进行的蚕豆玉米间作试验表明，间作蚕豆的产量比单作地的提高%，达到单产8202kg/公顷，玉米比单作产量提高%，达到10886kg/公顷；豆科作物与小麦、

6、谷子、高粱、玉米等禾本科作物轮作，可使后者实现40%的增产效果。中国农业大学李季伦等对从我国土壤中分离出来巴西固氮螺菌Yu62 进行了多方面研究，铵对该菌固氮酶活性的抑制已基本研究清楚，构建成脱铵阻遏的工程菌株UB37,在玉米田间小区实验中达到减少氮肥用量40%条件下增产19%的效果；陈三凤等分离的固氮芽孢杆菌同样具有具有固氮能力，且存活时间长，抗逆性强，也成为固氮菌肥的最佳材料。中国农业科学院斯氏假单胞基因工程菌于2000年通过安全性评价，成为我国首个商品化的基因工程微生物，并在辽宁等地进行高技术产业化应用项目。菌肥产品田间示范显示：用于盐碱地水稻可节约纯氮12-20%，用于大棚蔬菜效果尤其

7、突出，不仅可减少氮肥用量10-50%，而且可增产11-33%，蔬菜品质也有明显提高。在土地资源、水分资源和养分资源很有限的条件下，要解决13亿人口的粮食问题，发挥根瘤菌-豆科植物共生作用以及根瘤菌-豆科植物-禾本科植物互作体系作用，为既能实现高产又能高效利用资源的农业生产途径。3）在土壤改良及修复上的作用。豆科是植物的第二大科，包括乔木、灌木、藤木、草本等类型，其生长有利于增加地面覆盖率，尤其在黄土高原地区，根瘤菌-豆科植物共生固氮资源对土壤改良和水土保持起重要作用。豆科牧草庞大的根系和大量的根瘤使土壤有机质和含氮量分别增加3640%，同时改善了耕作层，使土壤疏松，孔隙度增加，能较好地防止水土

8、流失，一般可减少径流95%。接种高效根瘤菌，不但能大幅提高牧草产量，利于草场改良，而且对退耕还林还草意义重大。近年来，随着研究的深入，根瘤菌对土壤修复的作用逐步受到关注。Chekol等（2004）对污染土壤的生物修复试验证明：种植紫花苜蓿，使轻度污染和重度污染土壤中PCB浓度分别下降%和%；而接种苜蓿根瘤菌后，使轻度污染和重度污染土壤中PCBs浓度分别下降了%和%。Ike等（2007）基于豆科植物和基因工程根瘤菌之间的共生，构建携带不同基因的根瘤菌，通过根瘤菌-紫云英-水稻互生体系作用，可使水稻土中最高达9%的Cd被去除。根瘤菌与豆科植物的共生体系，构成一个天然的除污细菌库，从而使受污染的土地

9、重新充满生机，在土壤改良及修复方面将有很大的应用潜力。2、生物固氮产业发展现状 生物固氮技术在豆科作物上得到了推广和普及，世界上许多国家，如美国、巴西、阿根廷等，至少有70多个国家研究、生产和应用豆科根瘤菌，不仅面积不断扩大，而且应用的豆科植物种类越来越多。美国、德国等一些发达国家，对豆科根瘤菌剂的商业生产已有百年的历史，而发展中国家对根瘤菌的应用及技术推广相对滞后。为促进根瘤菌在发展中国家的广泛应用，上个世纪80年代以来，联合国粮农组织（FAO）连续在在亚洲、非洲和拉丁美洲举办根瘤菌应用技术培训班，促进根瘤菌在全球的应用。目前，美国仍然是世界最大的根瘤菌剂生产和使用国，主要生产厂家是Beck

10、erunderwood公司，南美的阿根廷是根瘤菌剂生产和销售的后起之秀。国外许多国家的豆科作物接种率达到30%50%，在美国、巴西和阿根廷等主要大豆生产国，大豆的接种面积已达到50%100%，取得了十分显著的经济效益。中国的豆科根瘤菌研究，最早是已故院士陈华癸先生于20世纪30年代开创的。华中农业大学、南京农业大学、中国农业大学和中国农业科学院等单位长期从事根瘤菌的基础研究和应用研究，不少基础研究已处于世界前列，但豆科根瘤菌剂商业化生产和推广应用与国际先进水平还有很大差距。中国豆科根瘤菌剂应用始于20世纪50年代，6070年代中国南方水田广泛种植紫云英用于肥田，70年代花生根瘤菌剂在山东、河南

11、等花生主产地使用，使用面积达200300万亩，而后不断缩小；80年代大豆根瘤菌剂在东北地区使用面积达100万亩，而后使用面积不断缩小。目前，我国大豆种植面积亿亩，花生种植面积6000万亩，杂豆类作物（绿豆、红小豆等）种植面积近6000万亩，而豆科作物接种根瘤菌剂面积仅占种植面积的1%3%，与国外相距甚远，这主要是由于我国豆科根瘤菌剂生产的产业化进程以及应用技术滞后限制了根瘤菌固氮技术的大面积推广应用。目前，在我国根瘤菌产品登记证的厂家有十几个，但年生产量并不高，且产品质量与国外同类产品相比，尚有相当大的差距，生产的种类不多，应用效果的稳定性也有待提高，制约了我国根瘤菌的规模化应用。联合固氮菌相

12、对于根瘤菌而言，由于其与作物不形成紧密结构，直接裸露于环境中，其存活与功能的体现效果相对不太稳定，稳定的效果占60-70%。国内外联合固氮微生物菌剂的主要产品有：阿根廷兴特斯固氮螺菌，印度GSFC，Greenmax Agro Tech、Tari Biotech等固氮螺菌产品，国内尚无规模化生产应用的联合固氮微生物菌剂产品。加强这一资源的开发利用，定将在增加作物氮源供应、培肥地力、减少化学氮肥用量、提高作物产量，以及促进农业生产的持续发展和环境保护方面发挥效力。二、生物固氮产业技术发展的特点、趋势及我国存在的差距和不足1.生物固氮产业技术发展的特点在世界性能源危机和环境污染的压力下，生物固氮技术

13、作为减少化学氮肥使用、缓解环境污染、保持生态平衡、降低农业生产成本的一条重要途径，符合对环境友好型生物肥料和开发改善环境问题产品的产业发展趋势，势必对农业可持续发展和生态环境产生深远影响。现代根瘤菌产业技术的发展趋向于利用发酵工程、分子生物学技术作为手段，综合土壤学与地理学、植物营养、作物栽培、植物保护等多学科知识，采用现代化机械生产方式，保证产品的高效性，实现产业技术的推广应用。2.生物固氮产业技术发展的趋势共生生物固氮发展趋势接种根瘤菌是豆科植物种植必不可少的技术措施，大豆、花生、苜蓿等豆科植物，通过与根瘤菌的共生固氮作用，可把空气中的分子态氮转变为植物可以利用的氨态氮。目前我国根瘤菌肥料

14、行业处于一个良好的发展时期，但其作用优势还没有得到完全发挥。从目前的研究状况可以看出，未来根瘤菌产业技术的发展趋势为：（1）优良菌株的筛选及与豆科作物的匹配。根瘤菌的菌株与大豆品种之间有很强的选择性，只有共生匹配性最好的菌株品种组合，才能形成最佳共生固氮体系，筛选与大豆品种匹配的优良根瘤菌，是实现根瘤菌接种效果稳定的一个主要原因。开展抗逆性菌株的研究和筛选，消除不良环境条件对生物固氮的抑制作用，促进不良环境地区共生固氮作用的发挥，提高豆科植物生产水平。（2）高效固氮菌株的构建。采用分子生物学技术手段，通过对根瘤菌共生固氮特定基因进行遗传改造，构建高效的固氮菌株，提高根瘤菌的固氮性能。（3）豆科

15、绿肥是一种重要的有机肥源，它对于改良土壤，提高土壤有机质含量和肥力水平，具有重要作用，为后作的禾本科植物提供了非常可观的有机氮肥，并将化学氮肥用量降至最低限度。接种豆科绿肥根瘤菌是绿肥种植中必不可少的有效措施，是其他任何技术所不可替代的。（4）提高生物固氮效率的技术研究。由于根瘤菌在土壤和根际的迁移范围有限，接种的根瘤菌在土壤中所处的位置对根瘤形成的部位、数量以及结瘤时间均有很大的影响，根瘤菌的接种方式对接种效果有很重要的影响。根据不同区域环境和气候特点，建立相适宜的根瘤菌接种技术。同时，采用促生菌与根瘤菌的双接种的方法提高固氮效率、促进作物生长与抗病性也是一个发展方向。（5）根瘤菌新功能的拓

16、展研究。近年来，在许多国家和地区发现根瘤菌可侵入非豆科植物根内，以内生菌形式定植于根的皮层细胞、细胞间隙及维管束中，具有促进生长和提高产量的作用；接种根瘤菌，对病虫害的抑制功能还需进一步深入研究，在生物固氮技术上由豆科作物共生固氮接种剂与非豆科作物联合固氮相互补充。根瘤菌可以在豆科作物根部形成根瘤，进行共生固氮，而小麦、玉米和水稻等粮食作物耕种面积更大，发展禾本科作物的联合固氮生物技术同时具有广阔的前景和优势。（6）根瘤菌生产工艺水平、产品包装和筛选适宜的载体和稳效助剂等方面的研究，使产品中功能菌株稳定存活，延长产品的保质期、降低成本，从而使产品质量达到更高水平，推动根瘤菌产业技术的产业化和规

17、模化推广应用。联合固氮产业发展趋势目前，联合固氮菌的推广和使用范围尚未规模化，是由于联合固氮菌从发酵、保存和应用技术等方面都存在诸多问题，未来联合固氮菌产业发展的趋势为：（1） 联合固氮菌发酵水平提高：目前，联合固氮菌发酵水平较低，只有几十亿/ml，固氮螺菌发挥功效需要一定的菌数作为基础，因此，加强开发力度，使产品的菌数达到更高水平；（2） 联合固氮菌货架期需延长：联合固氮菌作为产品的最大瓶颈之一是货架期较短，甚至无法达到三个月货架期，开发新型的固氮螺菌保存技术（包括包装材料、保存技术、工艺、设备等）是固氮螺菌作为产品的关键技术之一；（3） 固氮螺菌使用方法和效果体现：联合固氮菌与作物不形成特

18、殊的结构，环境条件对其存活与功能的发挥影响极大，20世纪70年代末和80年代初，一些国家对固氮细菌和解磷细菌进行了田间试验，结果各异，对其作用还有相当大的争议；但在固氮螺菌与禾本科作物联合共生的研究中取得了一定的进展，在许多国家作为接种剂使用。总结20年来世界上一些国家的田间试验数据表明，固氮螺菌接种在土壤和气候不同的地区可以提高作物的产量，在60%70%的试验中可增产5%30%。尽管固氮螺菌作为微生物肥料其产业在前进发展，但是生产活动中的效果还不是很稳定，这限制了它的进一步推广和普及，因此对于微生物和寄主之间的关系，品种专性和光谱性机制；固氮螺菌进入土壤后的制约因素，同类微生物的竞争等、接种

19、剂细菌在载体上的存活，在种子上的存活，在根际的定植，引起植物反应的程度，及其应用方法等方面，都需要进行广泛的研究，为微生物肥料的应用打下坚实的理论基础，使微生物肥料得到广泛的应用。通过生物固氮产业联盟的成立，加速产、学、研合作，加大在生物固氮菌株方面的筛选、固氮机理、发酵工艺与保存、产品剂型等方面的研究和应用方面的投入，突破产业发展瓶颈，加快新产品的开发与应用，提高我国生物固氮产业技术的科技研发水平。联盟开展生物固氮产业化研究，可推动我国生物固氮产业快速发展，提高我国固氮微生物接种面积，提升农产品品质，改善生态环境，促进绿色农业、优质农业的发展。3.我国生物固氮产业存在的差距和不足（1）尽管上

20、世纪70年代后期以来，我国生物固氮产品的应用呈萎缩之势，但少数单位对根瘤菌和联合固氮菌的研究开发仍在坚持，并取得了一定的进展，主要表现在：建立了大容量的根瘤菌资源库，筛选构建了联合固氮菌（包括巴西固氮螺菌、斯氏假单胞菌），并培养了颇具实力的研究应用队伍。中国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10000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

21、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。中国农业大学李季伦先生课题组和中国农业科学院原子能所分别构建了巴西固氮螺菌和斯氏假单胞菌工程菌株，并进行了田间应用示范，增产效果显著。在我国，中国农业大学和中国农业科学院培养了颇具实力的生物固氮研究应用队伍，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，为我国生物固氮事业准备

22、了优秀的领军人才。我国生物固氮产业化初具规模。以领先生物农业股份有限公司为代表的根瘤菌剂专业化生产企业，在国家发改委的支持下完成了“年产万吨豆科根瘤菌剂高技术产业化”示范工程项目，率先在国内实现了根瘤菌剂产业化，根瘤菌发酵水平和液体剂产品达到国际同类产品先进水平（50100亿/ml）；联合固氮菌在我国尚不具有产业化规模，仍需要从菌种、发酵、保存和应用技术方面全面展开进行研究。豆科植物育种工作取得显著进展。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；苜蓿育种研究也取得了可喜成

23、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%的土壤正常生长，干草产量可达15000kg/ha以上。（2）我国根瘤菌产业与国外发达国家相比，主要存在如下五个方面的问题：我国使用根瘤菌菌种与大豆主栽培品种匹配性不强，竞争结瘤能力差，影响使用效果。目前，我国使用菌种的更新比大豆品种的更迭速度慢，使用的根瘤菌与主栽大豆品种匹配性差，导致共生固氮效率低。另外，我国是大豆起源国，土壤中存在大量的土著根瘤菌，这些根瘤菌75%以上是无效和低效菌株，但这些根瘤菌是当地土壤条件和大豆品种的适应者，竞争力强，比接种的高效菌株更容易结瘤，造成接种根瘤菌效果不理想。根瘤菌

24、接种方式效果差，与机械化播种模式不配套。根瘤菌应用技术没有与现有的栽培方式更好的结合起来，影响了根瘤菌固氮作用的发挥和推广应用。目前接种大豆根瘤菌的主要方式是拌种，此接种方式存在一些不足：一是效果较差，接种菌株的占瘤率低，接种效果差；二是与机械播种不配套，影响农忙季节播种任务的完成。我国根瘤菌产品质量参差不齐。由于受到生产技术水平的限制，许多企业的菌剂产品存在质量不稳定、保质期短、田间应用效果不明显等问题，影响了根瘤菌剂的推广。使用化学氮肥，抑制根瘤的形成和固氮。施用化学氮肥抑制根瘤菌和大豆根系的相互作用。目前，我国很多地区大豆种植依赖化学氮肥，特别是在东北地区氮肥用量较高，在这些地区接种根瘤菌，必然会受到化学氮肥的抑制，影响接种效果。缺少针对不同豆科作物与根瘤菌配套应用的微生物菌剂产品。筛选优良菌株，优化产品生产工艺，延长产品保质期，降低生产成本，提高产品质量，增加根瘤菌接种面积，扩大适宜的根瘤菌接种应用范围，是成立根瘤菌产业化联盟的当务之急。