CN101990799B - 生物造氮法 - Google Patents

Abstract

化学造氮和大量使用化肥的缺点日益凸显，增产作用日渐微弱。因此而提出一种生物造氮的方法，其核心是根据不同固氮微生物的性状特点及其与植物的关系和各自不同的生活条件以及生物固氮的机制原理及相关的科学理论，采取多种措施，系统协调，整体配合，综合作用，培育和增加土壤固氮微生物，提高固氮微生物固氮能力，利用固氮生物制造氮肥，满足作物生长所需氮素。此方法能不断减少化肥用量，逐步恢复和和培肥地力，提高农作物抗逆性和品质，资源节约，环境友好，循环替代，可持续发展。

Description

生物造氮法

所属技术领域

本发明涉及一种应用综合配套措施系统协调作用，培育土壤固氮微生物，提高固氮微生物固氮能力，提供并满足作物生长所需高效氮素的技术。其特点是简单方便，容易掌握，利于操作。技术的应用能使农作物持续增产，收获的农产品安全优质。

背景技术

化学造氮要大量消耗能源，加重大气污染和温室效应，大量使用化肥，不仅增加农业生产成本，而且导致水土污染，影响人类身体健康和破坏生态环境。适量恰当地使用化学肥料，可使粮食增产。但长期大量地单一片面依赖和使用化学肥料，已使土壤质地、理化性状、结构日趋不良，土壤微生物不断减少，农产品品质及安全难以保证，农作物抗逆性越来越差，其缺点日益凸显，增产作用日渐微弱。“最近10年，我国化肥总用量增加了90.7％，而粮食总产量仅增加了9.1％，氮素化肥的损失率高达45％，这意味着年损失1000亿元以上。”科学研究表明，空气中约有78％的氮气，每亩地的上空约有5300吨氮，这是一个取之不尽用之不竭的巨大氮源。但一般高等植物不能利用，需将它固定转化为简单化合物才能吸收。现在固定空气中氮素的方法主要有两种：一是工业固氮，包括还原法制合成氨和氧化法制硝酸，都要耗费很大的能量才能化合；二是生物固氮，利用各种固氮生物在常温常压下以碳水化合物为能源，通过其体内固氮酶的作用，将空气中的氮素转化为铵态氮。据联合国粮农组织(FAO)1995年粗略估计，全球每年有生物固定的氮量，已近2000,000t(相当于400,000,000t尿素)，约占全球植物需氮量的四分之三。所以，生物固氮是地球上最大规模的天然氮肥工厂。但是我们却没能让这些微生物很好地为我们固氮，而是去走了一条本不该走的路——化学造氮。在全世界形成氮的简单化合物总量中，化学合成的氮还占不到八分之一，如果所有的氮完全靠化学方法合成，恐怕挖光地球也难以办到。化学氮的使用会损害微生物，抑制生物固氮，如果其污染进一步加剧，最后把这些微生物都毁灭了，那么，我们生活的这个世界将无法想象。化学造氮其实是得不偿失。既然，微生物能为植物生长提供最多的氮源，那么，积极开发应用微生物固氮技术为农业生产服务，选择生物造氮方法才是农业发展人类生活正确的思路和方向。目前，世界各国正在抓紧生物固氮技术在农业生产中的应用研究，用的最多的是生物接种，但因其菌种及易受外界不良环境的影响而失活加之技术措施不配套而使其推广应用效果一直不好。也给更多的人对生物固氮的研究和应用产生了误解，认为难度大，进展慢，效果差，难有成果，使得这条路走的曲曲折折。

发明内容

为了解决为现有技术的不足及存在的问题，本发明根据固氮微生物的性状特点和与作物的关系及各自特定的生活条件以及生物固氮的机制原理及相关的科学理论，提出了一种系统综合作用，增加土壤固氮微生物，提高固氮微生物固氮能力，提供作物生长所需氮素的生物造氮法。此方法对于提高农业产量，农作物品质和抗逆性，肥沃土壤，降低化肥用量和农业生产成本，减少水土污染和作物病虫害及人类疾病，发展可持续农业将起重要作用，而且方法简单，切实可行，容易做到。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：1、种植豆科植物。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，共生固氮微生物可分为两种类型：根瘤菌和豆类共生体系，许多种豆类植物能和根瘤菌属的相应种共生；非豆类种子植物及其内生菌的共生固氮体系，有些非豆类种子植物也能和某种固氮微生物共生形成根瘤并固氮，如桤木属、杨梅属、木麻黄属等种类的根瘤内有弗兰克氏属放线菌营共生固氮作用。因此，积极种植豆科植物，增加复种，合理密植，生物多样，高矮结合，立体栽培，灵活应用豆科植物与其它作物或豆科植物相互间轮作、连作、套作、间作、混作的方法和林地混种共生固氮非豆类种子植物，选育和种植高效固氮高产良种，选择与其环境条件相适宜或抗逆性强的作物栽培，处理好固氮而不增产的矛盾，增强共生固氮作物的光合强度，增加土壤固氮微生物。2、秸秆还田固氮。固氮微生物是指能够把分子态氮还原成铵态氮的个体微小的原核生物。科学研究证实，许多原核生物都能固氮，在原核生物的许多种群中都有能固氮的种类，它们各自需要特定的生活条件。根据固氮微生物的固氮特点以及与植物的关系，可以将它们分为自生固氮微生物、共生固氮微生物和联合固氮微生物三类。自生固氮微生物在土壤或培养基中生活时，可以自行固定空气中的分子态氮，对植物没有依存关系。常见的自生固氮微生物包括以圆核固氮菌为代表的好气性自生固氮菌，利用的是土壤中的腐殖质，故在生态体系中的成分是分解者，具有较强的固氮能力并且能够分泌生长素；以梭菌为代表的厌氧性自生固氮菌；以鱼腥藻、念珠藻和颠藻为代表的具有异型胞的固氮蓝藻，能分泌氨基酸、多肽、糖类和激素，能促进土壤固氮细菌的活动，也能为植物吸收利用。按它们的代谢类型可分为以下三种：光能自养固氮微生物，能进行光合作用以二氧化碳为碳源，光合产物为能源进行固氮作用的微生物；化能自养固氮微生物，有些化能自养微生物能以二氧化碳、亚铁氧化物和分子态氮为碳、能、氮源；异养固氮微生物，进行异养生活，以适宜的有机碳水化合物为碳源和能源，满足生活和固氮的需要。共生固氮微生物，根瘤菌与寄主植物建立共生体系，寄主向根瘤菌提供碳源及其它物质，而根瘤菌向寄主植物提供氮的化合物。联合固氮微生物，有些固氮微生物如固氮螺菌、雀稗固氮菌等，能够生活在玉米、雀稗、水稻和甘蔗等植物根内的皮层细胞之间。这些固氮微生物和共生的植物之间具有一定的专一性，但不形成根瘤那样的特殊结构。它们的固氮特点介于自生固氮和共生固氮之间。常见的有两类：红萍和鱼腥藻联合体系，行共生固氮作用；固氮地衣，有些地衣的光合伙伴是固氮蓝细菌，能进行固氮作用。氮、碳代谢是一切生物最基本的代谢作用，而且是相互联系的。固氮作用需要消耗作为能源的碳源，植物共生固氮中固氮作用的能源直接来自光合作用，固氮生物有选择地利用碳源，其中以四碳二羧酸糖的利用较好。由此可知，种类齐全的作物秸秆是其相适宜固氮微生物种群丰富的碳、氮、能源，能充分满足多样固氮微生物代谢的需要。所以，作物秸秆不能废弃，尤其是C4作物秸秆。要将其进行对微生物有效的还田利用而固氮，其方法是：种什么还什么，满足相宜固氮生物的需要；多作物间、套、混作、轮作、连作，体现作物多样性，使各种微生物都能获得相应的碳源；鲜杆及时切碎，或进行接种，撒匀于地表，翻犁入土，耙平覆盖，做好好气固氮微生物防氧保护满足厌氧生物生活条件，以利微生物利用和繁殖、衍菌固氮。让固氮微生物在其专适或适宜或有用作物收割后还能继续获得生活及代谢所需的碳、氮、能源而持续繁殖生长，碳、氮、能源越多，固氮微生物种群数量就越多，固定的氮也就越多。3、水田养藻固氮。从上述而知，自生固氮微生物有一大类为具有异型胞的固氮蓝藻，联合固氮微生物常见的有红萍和鱼腥藻联合体系和固氮地衣。中国科学院水产生物研究所已进行了20年的研究，结果表明：在蓝藻生长过程中能释放平均30％的总固氮量供水稻吸收。蓝藻死亡后，7-15天内即可分解，释放出有效养分。浙江省农业科学院土壤肥料研究所三年稻田养萍的定点测定，在养萍28-30天中每亩能产干物质216.9-332.5斤，增加氮素7.82-11.99斤，相当于硫酸铵39-60斤。稻田放养蓝藻，对培育健壮秧苗，促进分蘖增加穗粒和提高稻谷产量都有显著效果。但放养蓝藻应力求放匀、放足、放早，浅水育养，关水蓄放。4、专适菌群增植。豆科植物属种专性共生固氮菌，非豆类种子植物和裸子植物及其内生菌的共生固氮体系，在其存量很少或缺乏时，其专适作物生长不良，产量不高。所以，在未曾种过该种作物或已经多年、已隔几茬未种该种作物的土壤，尤其需要增植该种植物的专适共生固氮菌，并且每次种植都给予补充，使之保持高产。本来，所有固氮菌都应进行增植，只因这么多的固氮菌难以生产齐全，只能以专性促非专性。其方法是，选择优良菌种，培养增殖，形成优势种群，在与专适秸秆共生，作底肥施入土中或播种时触及潮土盖种覆土。5、接种方法改良。现行接种方法，使用最多的是固氮菌拌种，其次是固氮菌兑水或兑粪水灌根，其三是拌粪。拌种法易受土壤湿度制约使菌种失活，或种子烂坏。灌根法易使种菌停留于表土因失水而失活。拌粪法适宜圆核固氮菌和非专性固氮菌而专性固氮菌不很适宜。生粪有害微生物多，其种群数量占优势时，有益菌群会被侵食，粪肥过湿对好气固氮菌生长不利。根据不同种类固氮菌各自对其生活条件的特定需要和碳、氮代谢要求以及繁殖规律，固氮菌的接种应使用与其相适宜的基质，又因固氮生物有选择性地利用碳源，其中以四碳二羧酸糖的利用最好，因此，接种基质应以C4植物秸秆为主料配合专适作物秸秆和配与能促进固氮菌活动的辅料应用。方法是基质潮水拌菌盖种触潮覆土，也可不拌菌种。种子在潮湿条件下迅速发芽出苗，不会把种子当做基质让其烂坏或使菌种失活。非专适性固氮菌拌粪其家畜粪肥须充分腐熟除害。6、优良菌种选育。豆类植物随着根瘤含菌细胞的形成，出现红色的豆血红朊，此时固氮作用开始，也是根瘤菌形成的特征。由于豆血红朊的存在，使根瘤呈现红色，一般以此作为有效根瘤的标志。据此以及微生物的生长循环规律，收获时选择植株高大，籽粒饱满，产量高，根瘤红润粗壮数量多的根，挖出弃土后，挂在通风避光的地方任其风干，到下次播种时，取下根瘤捣碎加少量水拌基质接种盖种覆土培育，每亩用根瘤约半斤。已有研究和报道表明，根系和根际土壤微生物的数量和活度及所贮藏的氮远远高于非根际土壤。应用这一理论，可将根系及其根际的土壤挖出，存留于瓦缸内，到下次播种时，每亩用此土约15斤拌基质培养。也可进行人工繁殖，将根瘤菌或根土拌入基质，盖上薄膜并遮光，培育增殖，在菌丝即将出现时，又拌入基质，这样不断反复培育，达到所需数量时，翻拌散水，阻止菌丝生长，使持水量保留在有效菌生活范围内，然后装入塑料袋密封，保存于阴凉处，到下次播种时拌入基质使用。7、系统综合作用。生物固氮是一个生态系统，需要各相关因子的协同配合、和谐统一才能发挥出良好作用，提高生物固氮能力，就是协调和处理好这些相关因子，调整和平衡各种生态关系，使系统处于最佳状态。在诸多措施的应用中，特别要注意的是：不能对土壤使用农药，要选育拮抗性微生物代替；不直接施用化肥和无机肥料及未腐熟的家畜粪肥，化肥、无机肥、家畜粪肥要共同混拌堆制，先行无害化处理后，再使用；要及时补充固氮微生物敏感物质磷、钾、钙、錋、钼、钴、硫、铁；要保持土壤适度通气和充足持水量，干旱季节可盖地膜或种植豆类绿肥，土壤过板结时应进行松耕；调节好土壤PH值，不使其过酸或过碱；不同固氮微生物有不同对成长温度的要求，要熟悉各自的习性或去创造条件满足或去寻找与之相适宜的条件，温度不足可盖地膜，温度过高，可间种高杆植物或将作物延后或提前栽培也可盖秸秆保温保湿；应用生物多样性原理，同茬多作物配植，多作物秸秆还田，满足不同固氮生物对炭的需要，使之持续固氮。一句话，就是要力求统筹兼顾，综合配套，系统作用，和谐有效。

本发明的有益效果是，可以有效增加土壤固氮微生物及其对氮的固持，提高土壤氮素，减少化肥用量，资源节约，环境友好，农产品健康营养，生态文明，农业可持续循环科学发展。

具体实施方式

以蚕豆-玉米轮作为例。玉米收获后，将高产玉米植株的根土挖出存留备用，留下部分玉米杆切碎风干作基质用，随后趁新鲜扎碎玉米杆拌入根瘤菌种和豆杆撒于地表翻耕覆盖耙平。然后撒上蚕豆再混播豌豆耙入土中。蚕豆、豌豆收获时，先把好的根瘤选够，再收割，打落籽粒后，秸秆存于阴凉处，避免霉变。播种玉米种时，将玉米根土、玉米杆、豆杆潮水拌匀盖在种子上，覆土盖严，玉米种需接触潮土。再混播豇豆，菜豆和苋菜。若须施化肥和微量肥料应先堆制后作底肥使用。并注意合理密植，保证豆科植物的光合强度，使之固氮又增产。

Claims (1)

1.一种生物造氮法，应用综合配套措施，系统协调作用，培育土壤固氮菌，提高所述固氮菌的固氮能力，提供并满足作物生长所需的高效氮素；其特征是：专适固氮菌增殖、接种方法改良、或优良固氮菌选育；

专适固氮菌增殖：以专性促非专性，即选择优良固氮菌种，培养增殖，形成优势种群，在与专适豆科植物的秸秆共生时作底肥施入土壤中；

接种方法改良：接种基质以C4植物秸秆为主料，配合专适豆科植物的秸秆和能促进固氮菌活动的辅料，所述基质潮水拌固氮菌覆盖作物种子，触及潮湿土壤后并另外盖以土壤，所述作物种子在潮湿条件下迅速发芽出苗，不会把作物种子当做基质让其烂坏或使固氮菌失活；

优良固氮菌选育：

收获时选择豆科植物植株高大、籽粒饱满、产量高，和根瘤红润、粗壮、数量多的根，挖出弃土壤后，挂在通风避光的地方任其风干，到下次播种时，取下所述根瘤捣碎，加少量水拌基质接种，覆土培育，每亩用所述根瘤半斤；

或将所述豆科植物的根系及根际的土壤挖出，存留于瓦缸内，到下次播种时，每亩用此土壤15斤拌基质培养；

或进行优良固氮菌人工选育繁殖，将根瘤菌或所述豆科植物的根际的土壤拌入基质，盖上薄膜并遮光，培育增殖，在菌丝即将出现时，又拌入基质，这样不断反复培育，菌丝达到所需数量时，翻拌撒水，阻止菌丝生长，使持水量保持在菌丝有效的生长范围内，然后装入塑料袋密封，保存于阴凉处，到下次播种时拌入基质使用；

同时，不能对土壤使用农药，要选育拮抗性微生物代替；不直接施用化肥及未腐熟的家畜粪肥，化肥、未腐熟的家畜粪肥要共同混拌堆制，先行无害化处理后，再使用；要及时补充固氮菌所敏感的磷、钾、钙、绷、钼、钴、硫、或铁元素；应保持土壤适度通气和充足持水量，干旱季节应覆盖地膜，土壤过板结时应进行松耕；调节好土壤PH值，不使其过酸或过碱；不同固氮菌对生长温度有不同的要求，要熟悉固氮菌各自的习性，温度不足应盖地膜，温度过高应间种高秆植物；应用生物多样性原理，同茬多种作物配植，多种作物秸秆还田，满足不同固氮菌对碳的需要，使之持续固氮。