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未来农业氮素来源:生物固氮和生物质氮再利用

已有 945 次阅读 2020-10-9 06:53 |个人分类:环保呐喊|系统分类:科普集锦| 氮肥, 氮素, 环境污染, 微生物固氮, 生物质氮

未来农业氮素来源:生物固氮和生物质氮再利用

 

梁鸣早 蒋高明

 

氮对植物生长是至关重要的。植物体内各种蛋白质、核酸、磷脂都需要氮的参与才能合成。蛋白质(含氮16%18%)是构成植物体内细胞原生质的基本组成,蛋白质丰富才能促进细胞不断地分裂、增长,使果实更饱满。核酸是脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)的总称,是遗传物质。磷脂是细胞膜的重要组成,是一种两性分子,一端为亲水端,含氮或磷的一极,另一端为疏水(亲油)。氮还是组成叶绿素,可维持生命活动,在提高农作物的产量改善品质方面,具有极其重要的作用。

 

氮还是植物体内很多种酶的组成元素,酶是植物代谢的催化剂。一些氨基酸和蛋白质具有防御功能,如细胞分裂素和生长素等植物内源激素、病原相关蛋白、植物抗毒素等都需要氮参与才能够合成。细胞分裂素(CTK)细胞分裂素促进细胞分裂、消除顶端优势、促进侧芽的迅速生长、延缓植物衰老、抑制茎伸长;生长素(IAA)或称吲哚乙酸,其作用是保持顶端优势、植物向性、茎延长、形成层细胞分裂和根萌发。病原相关蛋白(PRP)是植物受到病原物侵染或非生物因子刺激后产生的一类水溶性蛋白,主要功能是攻击病原体, 降解细胞壁大分子,降解病原物毒素,抑制病毒外壳蛋白与植物受体分子的结合等。β-葡聚糖酶、几丁质酶等为植物体内合成的一种具有生物催化活性的水解酶类,可增强杀虫效果、增强抗病性。

 

氮的上述作用早在150年前科学家就开始关注了。德国人尤斯图斯··李比希男爵Justus von Liebig1803-1873),最早发现了氮对于植物营养的重要性,因此也被称为“肥料工业之父。李比希指出:土地肥力丧失的主要原因是,植物消耗了土壤里的生命所必需的矿物成分,诸如钠、钙、磷等。他第一个主张用化肥代替天然肥料进行施肥。他认为植物所必需的氮是从大气中直接吸收的,所以在他的化肥配料表中没有加入氮化物。这一点后来被纠正了,从而使农业生产发生了巨大的飞跃。

 

氮肥已经发明出来,在农业上起到非常大的作用,第一次绿色革命成果的取得,很大程度上来自氮肥的贡献。我国从上世纪三四十年代引进化肥产业,经过七八十的发展,如今成为世界上最大的化肥生产国与使用国。截止到2017年,我国合成氨年产能超30万吨的企业102家,尿素年产能超50万吨的有66家。截至2018年底,全国合成氨产能合计6689万吨/年,全国尿素产能合计6954万吨/年。1991年,我国成为世界最大氮肥生产国,2003年成为净出口国,2007年成为世界最大出口国。

 

遗憾的是,氮肥生产量远远超过实际使用量,而实际使用量又大大超过作物能够吸收量,盈余氮素造成了严重的环境污染。2011年中国农科院学者发表文章谈到,我国通过各种途径年输入农田的纯氮素量约为4 916万吨,化肥氮占各种肥料总量的58.2%,而作物真正吸收的氮只有1 905万吨。通过各种途径损失的氮1 947万吨,氮素盈余量1 064万吨,占总投入量的61.2%2010年调查发现,全国有17个省氮肥平均量超过国际公认上限225公斤/公顷。在经济效益较高的蔬菜、果树和花卉的氮肥用量更高,为普通大田作物的数倍甚至数十倍。

 

化学氮肥利用率低缘于其易挥发性和速溶性,尿素气态率高达15%20%。化学氮肥是全水溶性肥,施到土壤中瞬间溶解在土壤溶液中,有些被植物根系吸收;有些随着土壤水渗透到地下水;有些成为温室气体的组成;只有很少的部分通过硝态氮还原成氮气回到大气中。土壤中的氮最多只有3个月有效期,这就是为什么农民种地需要不断追氮肥的主要原因,然而过量施用氮肥造成土壤板结和酸化。

 

中国农业大学张福锁院士团队发现,从上世纪 80年代开始的大约30年间,我国的所有土壤类型都发生了土壤的酸碱度下降现象,平均下降了0.10.8个单位。在自然界,这种规模的土壤酸化通常需要几十万年的时间。土壤酸化的主因是氮素化肥的过量施用。

 

植物根系可以吸收铵态氮和硝态氮。水稻以吸收铵态氮(NH4+)为主;旱地作物主要吸收硝态氮(NO3-)(幼苗期吸收铵态氮多,而主要生育期吸收硝态氮)。植物吸收的氮,无论是铵态氮还是硝态氮,都需要在根系中同化为氨基酸,再由韧皮部将氨基酸运输到植物体内。

 

动物粪便和植物秸杆等有机物质进入土壤后,在一系列土壤微生物的作用下,经过一系列分解转化过程分解释放出氮素。当碳氮比小于25时,会释放出铵态氮,铵态氮在硝化细菌作用下,经过两步变为硝态氮。土壤温度、湿度、通气状况、pH值、微生物种群数量等条件决定其转化速率和数量。当碳氮比大于30时,有机质需要吸收一部分土壤氮,待碳氮比小于25后再释放氮。

 

在自然生态系统中,每年新增加的,可为有机体所用的氮主要来源于生物固氮,如植物体内的氮约80%90%来源于生物固氮,其中约80%来源于联合固氮菌的内生固氮。如果产活动能模拟自然态模式,将不用化肥厂就能够提供足够的氮素。

 

以往科学家认为只有豆科植物才能够固氮,后来发现了不少非豆科植物也有固氮的能力,其实是微生物发挥了重要作用。1965年,北京大学学者首先发现巨大芽孢杆菌具有固氮作用,后来该菌用于生产实践。中国农业科学院土壤肥料研究所国家菌肥质量检测中心登记的3000多家菌肥企业,注册的代表菌以芽孢杆菌属为主。

 

高效固氮芽孢杆菌是从自然界筛选出来的,其固氮能力较强,竞争适应性也强,可广泛农作物品种,可为水稻、玉米、小麦、棉花、蔬菜、果树等非豆科农作物提供氮素养分。此外,中国农科院的学者还发现植物体内存在大量的内生固氮菌,玉米、水稻、小麦的内生固氮菌组成各有其特色,并建立了粮食作物内生固氮菌菌种资源库,库存资源3 500株, 62256种。中国内生固氮菌资源库在菌株数量、种群多样性等研究与英国方面居国际前列。我国主要粮食作物内生固氮菌包括,类芽孢杆菌属(Paenibacillus)和芽孢杆菌属(Bacillus),它们是作物根际和农田环境中自生固氮微生物的优势种群,广泛分布在多种作物和不同地区。假单胞菌属(Pseudomonas)、根瘤菌属 Rhizobium)和芽孢杆菌属(Bacillus)是水稻、小麦、玉米等作物可培养内生固氮菌的优势种群。

 

在实际应用中,国内已有企业实现了规模化生产和应用,应用成本略低于化肥。如山西某企业生产的地力旺菌肥,其有益生物菌包括,枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌(高固氮菌)、巨大芽孢杆菌、胶质芽孢杆菌(高解钾菌)、嗜酸乳杆菌、 苏云金芽孢杆菌(占比90%);侧孢芽孢杆菌、5406放线菌、光合细菌、鼠李糖乳杆菌等。其复合菌产品活菌数达20亿个/克,远高于国家标准2亿个/克。

 

芽孢杆菌类和光合细菌有固氮作用。复合微生物菌群可为作物提供两种活性氮:一种微生物固氮为作物提供氨态氮、另一种微生物降解有机物生成的小分子高活性的有机氮,100%替代尿素。化学氮肥在土壤中只有三个月的有效期,而微生物与作物内生,可不间断地提供给作物活性氮,是真正的“化肥工厂”,且其作用是慢慢释放的,不存在环境污染问题。

 

地球上所有的光合产物均可以作为有机肥,包括秸秆、畜禽粪便、生活垃圾、果园废弃物、蔬菜废弃物、园林废弃物、酒糟、菌棒、中草药残渣、屠宰场废弃物、渔业废弃物等,其最初的来源也是空气中的氮。据统计每年全中国这些生物质含纯氮2553万吨,远超过全国氮肥总用量。关于这个巨大潜力,我们将另文专门介绍。

 

从上面的介绍来看,充分利用微生物固氮空气中的氮,循环城乡可获取的利用生物质氮,化肥是可以100%替代下来的,且产量不会下降,还有提升的空间。围绕这个重要课题,国内学者已经密集实验了几十年,成果领先国外同行学者。

 

(梁鸣早为中国农业科学院土壤肥料研究所退休副研究员、蒋高明为中国科学院植物研究所研究员、中国科学院大学岗位教授)







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