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·冯·李比希男爵（Justus von Liebig，1803-1873），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0.1到0.8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。如果⼈类⽣产活动能模拟自然⽣态模式，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， 62属256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，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）
