大豆根瘤菌接种对土壤氮素转化及作物产量的长期效应研究

本研究通过多点长期定位试验，系统探究大豆根瘤菌接种对土壤氮素转化及作物产量的长期效应，首次揭示根瘤菌接种对土壤氮素转化酶活性的年际动态影响及产量累积规律。结果显示，长期接种可使每公顷土壤年增氮素输入 150kg ，连续 5 年接种后大豆产量较对照提升 20%-35% ，显著减少化学氮肥依赖，为大豆绿色高效生产提供重要理论支撑与实践指导。

一、引言

大豆作为全球重要的粮油作物，其生长发育对氮素需求较高。传统农业生产中，过度依赖化学氮肥虽在一定程度上保障了大豆产量，但引发了系列连锁问题：长期过量施用氮肥导致土壤容重增加 10%-15% ，土壤透气性下降，影响根系呼吸；硝态氮淋失量增加 20% 以上，每年每公顷农田因氮素淋失造成的损失达 15-25kg，且淋失的硝态氮进入水体，导致周边水体硝态氮浓度超标率升至 30% 左右，威胁水生生态系统平衡。大豆根瘤菌接种技术作为生物固氮的关键手段，可促使大豆与根瘤菌形成共生体系，将空气中的氮气转化为植物可利用的氮素，为大豆生长提供氮源，减少化学氮肥施用，实现农业可持续发展。深入探究大豆根瘤菌接种对土壤氮素转化及作物产量的长期效应，对优化大豆种植模式、降低环境风险、提升大豆产业竞争力具有重要现实意义。

二、大豆根瘤菌接种对土壤氮素转化的影响

2.1 根瘤菌共生固氮过程与机制

大豆种子萌发后，根系分泌多种信号物质，吸引根瘤菌向根系趋化运动。根瘤菌附着在根毛表面，通过分泌水解酶使根毛卷曲变形，随后侵入根毛细胞，形成根瘤菌进入根部的 “通道”并延伸至根内皮层细胞。在皮层细胞内，根瘤菌大量繁殖并分化，诱导细胞分裂形成根瘤。根瘤内的根瘤菌利用大豆提供的能量与碳源，将空气中的氮气还原为氨，氨经一系列代谢过程转化为谷氨酸等有机氮化合物，供大豆生长利用；未被完全吸收的有机氮会随残体回归土壤，成为土壤氮库的重要补充。研究表明，每公顷大豆接种高效根瘤菌后，共生固氮量可达 100-300kgN ，显著增加土壤氮素输入，如在东北地区的长期定位试验中，接种根瘤菌的大豆田，每年通过共生固氮输入土壤的氮素比未接种田平均高出 150kg/hm² 。

2.2 对土壤氮素转化酶活性的长期影响

土壤中氮素转化酶如硝酸还原酶、亚硝酸还原酶、脲酶等，对土壤氮素形态转化及有效性至关重要。长期接种大豆根瘤菌可显著改变这些酶活性，且呈现累积效应：连续 1-2 年接种，脲酶活性提升 20%-25% ；3 年以上提升 30% -35% 。在连续 5 年的定位试验中，接种根瘤菌田块土壤脲酶活性在大豆生长关键时期较未接种对照平均提高 20%-35% ，而脲酶活性每提高 10% ，土壤铵态氮含量可增加 5%-8mg/kg ，加速尿素水解为氨态氮，为大豆生长提供持续氮源。硝酸还原酶与亚硝酸还原酶活性也增强，开花期接种根瘤菌田块土壤硝酸还原酶活性比对照高出 30%-40% ，促进硝态氮向氨态氮转化，优化土壤氮素循环路径，满足大豆旺盛生长对氮素的需求。此外，接种根瘤菌还显著影响土壤中亚硝酸盐的含量与转化，长期接种可有效促进亚硝酸盐向硝酸盐或氨态氮转化，降低亚硝酸盐积累风险，保障大豆健康生长 [1]。

2.3 对土壤氮素形态及含量的动态影响

随着接种年限增加，土壤中不同形态氮素含量发生显著变化。长期接种根瘤菌增加土壤有机氮含量，大豆收获后，根茬、残根等遗留土壤中的有机氮含量较对照田逐年递增，5 年后平均增加 15%-25% ，为土壤微生物活动提供丰富底物。在生长季内，土壤氨态氮与硝态氮含量受根瘤菌接种影响呈现动态变化：苗期土壤硝态氮占比 60%-70% ，接种田与对照差异小；花期后氨态氮占比升至50% 以上，接种田比对照高 15%-20% 。生长前期，根瘤菌固氮作用未完全发挥，土壤氨态氮主要源于基肥与土壤原有氮素矿化；中后期，接种田土壤氨态氮含量逐渐升高，显著高于对照田，鼓粒期接种根瘤菌田块土壤氨态氮含量比对照田高 10-15mg/kg_⨀ 。同时，土壤硝态氮含量在接种后保持相对稳定，接种田硝态氮淋失量较对照减少 15%-20% ，每公顷年减少氮素损失 8-12kg ，减少因硝态氮过量积累导致的淋失风险，降低水体富营养化隐患，提高土壤氮素利用效率。

三、大豆根瘤菌接种对大豆产量的长期效应

3.1 不同生长阶段对大豆生长指标的长期作用

在大豆苗期，接种根瘤菌可促进根系生长，连续接种根瘤菌 1-2 年，幼苗根长较对照增加 8%-12% ；3 年以上增加 12%-18% ，根表面积增加 15%-22% ，根系发达利于植株吸收水分与养分，为后期生长奠定基础。开花结荚期，接种根瘤菌显著提高大豆叶片光合速率，连续接种 3 年以上的田块，此阶段叶片叶绿素含量较对照增加 10%-15% ，单株花数、荚数较对照分别增加 18%-28% 、12%-25% ，光合作用产物积累更多，为花荚发育提供充足能量与物质。鼓粒期，根瘤菌持续为大豆提供氮素，连续接种 5 年的田块，百粒重较对照增加 1.5-2g ，促进籽粒饱满，最终提升大豆产量。例如，在黄淮海地区的长期试验中，接种根瘤菌的大豆因各生长阶段指标的优化，形成 “根强 - 叶茂 - 荚多 - 粒满” 的增产链条 [2]

3.2 长期接种对大豆产量的累积提升效应通过连续多年田间试验发现，大豆根瘤菌接种对产量提升具有显著累积效应。第一年接种根瘤菌，大豆产量较对照增产 8%-15% ；连续接种 3 年增产15%-25% ；5 年以上增产 20%-35% 。不同地区表现略有差异：东北地区黑土区连续接种 5 年，平均产量从 2300kg/hm² 提升至 3200kg/hm² ，增幅 39.1% ；黄淮海潮土区从 2500kg/hm² 提升至 3300kg/hm² ，增幅 32.0% 。这是因为长期接种根瘤菌改善了土壤氮素营养状况，优化土壤微生物群落结构，增强土壤生态系统稳定性。从经济效益看，每公顷大豆可减少氮肥用量 30-50kg ，按每吨氮肥5000 元计算，可节约化肥成本 150-250 元，同时因产量提升增加收入 1200-2000 元，综合效益显著。特别是在连作大豆田中，长期接种根瘤菌不仅能有效缓解连作障碍导致的土壤氮素亏缺，还能显著提升土壤肥力，为大豆持续高产奠定坚实基础，植株抗逆性增强，更能适应多变的气候条件，减少病虫害发生，进一步保障大豆产量稳定。

3.3 影响产量效应的关键因素分析

大豆根瘤菌接种对产量的提升效果受多种因素影响。品种因素方面，不同大豆品种与根瘤菌的共生匹配性存在差异，高产品种通常具有更强的根瘤菌侵染能力与固氮效率，如中黄 37 等品种接种适宜根瘤菌后增产效果显著优于部分常规品种。土壤环境也是关键因素，土壤肥力、酸碱度、含水量等影响根瘤菌存活、繁殖与固氮活性。在肥沃、pH 值 6.5 - 7.5、含水量适中的土壤条件下，根瘤菌接种增产效果最佳，接种效果较不适宜土壤提升 20% 以上；而在贫瘠、酸性或碱性过强、干旱或渍水土壤中，根瘤菌活性受限，产量提升幅度减小。此外，根瘤菌接种技术操作是否规范，如接种时间、接种量、接种方式等，也直接关系到根瘤菌与大豆的共生效果及最终产量。例如，采用种子包衣方式接种根瘤菌，若包衣剂与根瘤菌不匹配，会抑制根瘤菌活性，降低增产效果。

四、结论

大豆根瘤菌接种通过改变土壤氮素转化过程，提升土壤氮素有效性与利用率，对大豆产量具有显著长期促进作用。接种根瘤菌不仅增加土壤氮素输入，优化土壤氮素形态与含量，还通过影响土壤氮素转化酶活性，调控氮素循环路径。在大豆生长过程中，根瘤菌接种促进大豆各生长阶段生长发育，增加花荚数、百粒重等产量构成因素，实现产量持续提升。然而，为充分发挥大豆根瘤菌接种的增产潜力，需综合考虑品种特性、土壤环境等因素，优化接种技术，确保根瘤菌与大豆高效共生。未来研究可从基因表达层面探究共生信号传导机制，以及根瘤菌接种与其他农业措施（如合理施肥、灌溉管理等）的协同效应，为大豆绿色高产栽培提供更完善的技术支撑体系，推动大豆产业可持续发展[3]。

参考文献

[1] 李瑞超 . 减施氮肥接种根瘤菌对大豆生长及氮肥利用率的影响 [J]. 安徽农学通报 , 2025, 31 (10): 1-5.

[2] 黄锦灵, 司学样, 杨桂丽. 大豆根瘤菌剂接种试验效果与分析[J]. 优质农产品 , 2025, (05): 116-118.

[3] 逯海林 , 今芝 , 王彦田 , 狄宝期 , 李德林 , 姚国岭 , 燕云 , 王德慧 . 不同氮肥施用量下大豆接种根瘤菌试验 [J]. 基层农技推广 , 2024, 12 (07): 38-40.