第764期【齐悦读—线上共读—透视新科技】《氮肥生产有新招》
讲座题目：透视新科技——氮肥生产有新招
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：孔照胜，中国科学院微生物研究所研究员。
林 敏，中国农业科学院生物技术研究所研究员。
讲座时间：2026年4月27日～5月3日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——氮肥生产有新招
讲座内容：
各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》节目！我是主持人胜春。人工氮肥的出现，确实在很长一段时间里改善了我们农作物的产量，但随着时间的推移，我们越来越多地发现了人工氮肥对环境和土壤的负面影响，科学家在研究豆科植物的过程当中，发现它本身具有天然固氮的本领。那这些研究又会给我们带来哪些农业生产的突破呢？通过短片进入今天的节目。氮肥的使用可以提高粮食的产量，但大量不合理的施用氮肥会危害作物的生长发育，造成作物的品质下降。据统计，近年来我国农用氮肥的年生产量达三千多万吨，这其中每生产一吨的氮肥需要消耗2.8吨的标准煤，排放8.2吨二氧化碳，从而造成能源消耗大、引发气候变化等问题，寻找新的氮肥生产方式迫在眉睫。如今科学家发现大豆具有很强的天然生产氮肥能力，那么这种生产氮肥的能力能不能满足大豆自身的需求，未来是否能替代人工合成氮肥呢？今天请来的两位嘉宾，一位是中国科学院微生物研究所的研究员孔照胜，另外一位是中国农业科学院生物技术研究所的研究员林敏。
为什么用大豆来研究固氮？大豆它属于豆科，其实它是咱们开花植物里面第三大科，它仅次于菊科，还有兰科，大豆它有765个属，有19500多种。在大豆里面有好多，比如说我们熟悉的油料作物，比如说大豆、花生，还有些蔬菜作物。像蚕豆、芸豆、绿豆这些都是豆科的？对，对，对。还有牧草，比如说苜蓿，牧草之王，还有一些中药材，甘草、黄芪，所以豆科非常重要，那么豆科它的贡献率达到27%，这是非常重要的，另外它在为人类提供食物的这个作物里面，它仅次于禾本科，就是我们禾谷类，比如说小麦、水稻、玉米。讲到为什么研究大豆这么重要，因为我国每年大概需要一亿吨大豆，但是我们的自给率非常低，有将近85%以上我们需要进口，所以我们每年要进口大量大豆，一类是做了大豆油了。因为每年我国需要3000万吨植物油，其中1700万吨都是大豆油，另外就是大概每年需要6000万吨豆粕，就是我们养殖业喂牲畜的饲料里面，我们需要添加蛋白，所以我们就需要生产大量的大豆。我们生产大豆需要它高产、稳产，还希望能环境友好，少施的氮肥，所以我们必须就要利用大豆固氮这个能力。
氮是空气的主要组成部分，占大气总量的78%以上。由于它是一种惰性气体，性质很不活泼，不容易与其他物质发生反应，形成化合物。大多数植物都无法吸收它，然而大气中的氮可以凭借闪电释放的巨大能量，瞬间打破它的稳定结构，从而进入土壤。空气中的氮是怎么进入到大豆体内？通过根瘤菌。根瘤菌实际上是一种土壤微生物，它具有诱导宿主豆科植物结瘤，而且它能在根瘤里边进行固氮，增加土壤里边的氮（素），可以说是自然界中大豆这种豆科植物和根瘤菌这种微生物，它们之间形成了一种叫跨界合作的一种典范就是根瘤菌。它进入豆科植物根部皮层细胞之后，这个豆科植物给它造了个房子，形成一个根瘤，就在这个根瘤细胞里面给它提供了一个特别好的环境，并且植物给它提供了养分，提供了碳水化合物供它固氮，所以它就非常高效地把这个空气中的氮气，然后还原成植物可吸收的利用，然后再反馈给植物。如果做一个比喻，我们可以把大豆看成是公司的一个大老板，根瘤菌是什么呢？是个固氮专家，相当于或者固氮的高级工程师，这个大老板还为这个专家建设了条件也良好，设施也先进的厂房，就是我们看到的根瘤。而我们根瘤菌也特别敬业实干，它就在根瘤里边，就在工厂里边，利用它特有的固氮酶满足大豆的生长。
土壤中存活着很多种根瘤菌，随着生根发芽大豆根系会分泌特殊的物质，并发出分子信号。生活在土壤里的根瘤菌在感知到这些信号后，会进入到大豆根部形成根瘤。进入根瘤的根瘤菌会在这里将土壤中的氮气变成氮肥，以促进大豆的生长。那是不是只有豆科类的植物才有这个根瘤菌？其他比如说像水稻这些，它不能和根瘤菌互作，它只能是进行联合固氮，它效率比较低一些。它也可以固氮，但是方式不是这样。对，方式不一样，它效率比较低，只有豆科植物，它能和这个根瘤菌共生互作、结瘤固氮。其实我们的先民很早就意识到大豆能结瘤这个能力的，就早在2000年前，在西汉的晚期，我们有一个著名的农学家叫氾胜之，他把当时的一些农作物种植这些技术做了个汇编，叫《氾胜之书》。那么《氾胜之书》里面他就讲了大豆根瘤这个过程，它叫豆生布叶，豆有膏。那么这膏的意思就是指这个根部的根瘤，那么膏就指这个膏泽，就是滋养大豆提供营养的意思。然后，他还讲就是尽治之则伤膏，伤则不成，就是比如说我们锄地时候，锄得厉害，把那个根瘤伤了之后，大豆的收成就会减少。我们的先民就把这个根瘤就是收集下来，然后第二年磨碎时候种的时候和豆子混到一起，然后种下来，他们就知道第二年种下去又可以长这个根瘤。
那和水稻相比的话，这个大豆固氮它的优势体现在哪儿？它的效率特别高，据统计每亩大豆一年它固定的氮，相当于我们施用这个18公斤的尿素这个量，所以我们也知道大豆它能肥田养地，所以基本上人们很早就知道种大豆基本上不用怎么施这个氮肥，所以它的固氮能力还是特别强的。比如说我举个例子，就在武夷山茶园，我们把大豆共生固氮利用到我们茶园里面，在茶园里面种的大豆，并且筛选到适合当地武夷山环境下高效结瘤的根瘤菌，利用大豆共生固氮，不仅供大豆它的生长，还供茶树它的生长，所以茶园里面就少施好多氮肥，茶的品质也特别高，当地经济效益非常地好。那为什么到现在我们才开始实现人工地参与这种固氮的方式呢？
1888年，也是这个德国的科学家发现这个，他知道了固氮这个原理，他通过一个科学实验，就用个分根器，一个大豆一分为二，这边接种土壤浸出液，这边是把土壤浸出液高温杀死以后，一接种发现只有这一边结瘤了。当时还不知道是根瘤菌，原来土壤里边有一些活性成分是怕高温的，是它使得大豆结瘤，而不是大豆自身节瘤。但是最近20年，特别这个分子生物学突飞猛进，把豆科植物共生固氮这一块机制研究得相对比较透彻，在共生固氮过程中发挥重要作用的基因有超过200个这样的基因，然后我们逐渐把这个大豆共生结瘤这个过程，包括早期的这个信号识别，还有它怎么侵染，怎么结瘤，怎么进行固氮，基本上把它解释得比较清楚。生物固氮是一个古老的生命，进化过程中它给自己定了一些规矩，第一个就是有氨的时候我基因不表达，就固氮酶没有活性，我们叫氨抑制。第二个就是氧失活，第三个就是固氮菌。它固定的氮，通常它是不分泌出来的，不会主动给你植物的，不贡献出来，所以我们称之为这些自然法则，我们要用合成生物学的手段把它打破。合成生物技术是指把固氮反应整个这个通路给它解析出来之后，找一个最简化的这么一个通路，转移到非豆科的作物，比如我们一些主粮作物，小麦这些水稻，然后转移到主粮作物体内，让它能够自主地进行这个固氮反应。让它在施肥条件下还固氮，让固氮酶在有氧的时候让它还有活性，让它固定的氮主动地贡献给大豆，实际上就贡献给人类。
目前我们有哪些成果？目前一方面，豆科植物这一块的，我们其实这么几年做了非常重要的进展，比如说我们发现豆科植物为什么结瘤，怎么起始的，怎么调控它，为什么在根部它就能长出根瘤，然后给根瘤菌建造这么一个房子，他们把它关键的这个调控的这个分子模块给它解析出来了。另外，在根瘤里面共生固氮，它这个效率特别高，它需要有个微环境、低氧环境怎么维持的机制，我们科学家也把它解释清楚了。固氮这个过程有一个氧气悖论，我们需要维持一个低氧的环境，但是固氮的时候还需要氧气，需要能量，我们这个根瘤，我们切开之后可以看到根瘤是粉红色的，人的血液里的血红蛋白是类似的，它可以把氧气吸收结合，保持细胞内低氧环境。但是我们在化学反应的时候，它又能把这个氧气提供出来进行高效的固氮，这是一个进展。另外，前两年我们发现豆科植物它非常聪明，它能感知这个环境里的氮素的水平，如果这环境的氮素水平高，我们就不需要结瘤了。我们把这个机制就是精准调控机制，把这个解释清楚之后，我们就可以进行改造，我们可以在耐高氮的情况下，它也能孜孜不倦地进行固氮。
那如果换了一个品种的话，能否改善根瘤菌的工作效率？不同的大豆品种可能跟它匹配的根瘤菌也不一样，所以我们需要筛选和它匹配程度高的根瘤菌。另外，还要筛选一些能跟土著根瘤菌竞争的更有效的这些根瘤菌，所以这个都是科学家正在做的一些事。现在我们的科技如此地发达，我们不能够改变我们大豆的基因，让根瘤菌更积极地工作吗？在大豆里面我们又发现，我们把固氮的这个机制解释清楚之后，在实验室条件下，我们把某些基因给它基因编辑掉，敲除掉之后，发现这个固氮效率就提高了。取得了成果？对，有这方面的成果。人工可以制造根瘤菌吗？我们国家在十三五的时候，就启动了一个生物固氮合成生物学的一个“973”重大基础研究项目，就是考虑到了天然的固氮系统，它存在缺陷。它无法打破它的一些自然法则，说能不能通过人工元器件改造根瘤菌，或者改造联合固氮菌，让固氮微生物能够变得笨一点，所以现在像我们的重大研发计划，就这两年支持的项目构建的就是人工改造的耐铵泌铵工程菌，这样形成了根际人工高效固氮体系。它的固氮效率可以达到26%，每公顷大概能够产50多公斤的纯氮，相当于100公斤的尿素，按照我们也有一个算法，就是假如固氮节肥达到25%，我们大概农业用的是2000万吨，就相当于500万吨，那么就相当于就可以节省1000多万吨的标准煤，还可以少排放6000多万吨的二氧化碳。大量地排放了二氧化碳排放水体，它是我们国家食品安全的重大隐患，因为它有残留，就排放引起来的。
目前我们研究的这科研成果，是否到了一个推广的阶段呢？在农业生产上有两类天然的固氮体系，大豆结瘤固氮和非豆科根际固氮，这两类其实已经广泛地在农业生产上应用，但是由于所谓的一些限制因素，那么固氮效率不高，或者结瘤效率不高。我们现在国内，一个就是通过改造根瘤菌，就包括广泛地收集我们国家不同地区，甚至国际上的根瘤菌去选最佳的配比，那么这一些实际上在我们东北已经在应用，还有关于联合固氮这一块，正在做的就是用种衣剂，就是把固氮菌，相当于做成一种膜，包在种子上，这样使得它能够迅速地侵入到根里边去。工作效率会更高？效率会更高，而且还更主要的一点，它可以通过机械化播种，等于就把我们生物固氮这样一个高技术和我们农业的现代化的一个生产方式机械化结合起来了。今年（2022年）其实国家有一个重大的一个举措，叫大豆玉米复合种植这个技术，就是我们国家今年（2022年）要在16个省市，推广1500万亩大豆和玉米进行间作，叫带状复合种植。比如说种两到四行的玉米，种两到六行大豆，在水肥管理这一块，科学施肥这一块，其实就规定了鼓励用根瘤菌，就少施一些肥。
因为大家都知道大豆可以养地，可以肥田，我们是希望大豆玉米带状复合种植技术，保证玉米基本不减产，然后能增收一茬的大豆。比如说现在大豆平均产量是每亩130到150（公斤），这个技术希望我们增收一茬每亩100公斤的大豆，因为我国现在需要进口一亿吨的这个大豆，如果需要收获一亿吨的大豆，我们需要7亿亩的田，但是我们中国农田只有18亿亩这个红线，我们不可能用7亿亩都种大豆，那么我们其他作物都不能种了，不能保证粮食安全，所以我们就推广了这么一个大豆玉米复合种植技术，就希望我们保证玉米基本不减产，还能收获一茬这个大豆。这样农民不仅可以少施氮肥了，也不用去很辛苦地去施肥了，整个劳动效率大幅地提高。降低了劳动力的成本？对。在人类历史上，我们的祖先很早就发现，大豆可以和其他作物通过轮作的方式减少肥料施用，并提高农作物的产量。上个世纪80年代开始，科学家利用杂交育种技术研发了大豆新品种系列，提高大豆的品质和产量。2000年后，国家大力推动大豆与其他作物的复合种植，实现减肥、增产、增效。近年来，随着科技的不断进步，我国科学家开始了大豆的基因功能的深入研究，进一步解析了大豆生产氮肥的作用原理，为培育高效生产氮肥的大豆新品种，以及非豆科植物生产氮肥的探索研究提供了理论依据。
目前我们研究的过程当中，遇到了哪些困难？一方面因为根瘤菌它是直接固氮的，所以说我们现在首先要改造根瘤菌，怎么样让它更加勤奋，其实它聪明，但是它还不够好。就是说你农业生产是一定要施氮肥的，那么在有些情况下，你施了氮肥根瘤菌，它就不仅不固氮，它还去和植物抢氮，那就不好了，所以就希望改造根瘤菌，让它比如说耐氨、耐高氨，这是一个。第二个，就是我们的环境现在有盐碱化、干旱，这些环境不论对植物对根瘤菌都是一种胁迫。因为固氮是一个体力活，耗能的嘛，所以说我们希望植物能够抗这些盐碱、抗干旱，根瘤菌也能在这些环境下能够高效结瘤，继续工作，做这方面的抗逆改造。第三个是什么呢？因为中国是大豆的起源地，所以说我们的东北地区本身土壤里就有土著的根瘤菌，这些根瘤菌它的结瘤效果比我们接种的，就是我们人工培养的根瘤菌要强，但是它是固氮效率更低，我们这些土著根瘤菌和我们接种的根瘤菌竞争过程中，它占上风了，使得我们接种效果不好，农民就不爱用。是因为它不像巴西、美国，它土壤里可能原先就没种过大豆，它就没有这类，所以这个时候我们就要改造这些根瘤菌，让它的结瘤效率要高，要强于土著根瘤菌，这样多管齐下，才能真正地使得在我们国家大豆种植过程中，只要接种了根瘤菌，那么就能提高固氮效率，节肥、增产、增效。
我们是否可以把这样的科研成果移植到其他动物身上，这个可能性有多大？这也是一个百年的梦想。自从上个世纪人们认识到了生物固氮原理之后，然后科学家就一直在梦想怎么能把豆科植物固氮装置，能移植到非豆科植物，比如说我们主粮作物水稻、小麦，像玉米这些主粮作物上面，如果这个能实现了，可以省好多的氮肥，我们包括生态上、环境上，前景是非常地广阔。值得期待？对。2011年，欧洲科学家改造碳4的玉米，希望它能结瘤固氮，到现在也持续在支持。那么我们国家的十四五的重大研发计划，也提出了植物自身固氮，让玉米、水稻结瘤，根瘤菌住进来，然后它们一起共生固氮，那么未来的梦想就是什么呢？干脆把根瘤菌的固氮基因，把它重组到粮食作物上，或者大豆上，让大豆就是真正变成自主固氮，这也许也是人类的一个梦想。因为固氮已经做了100多年，我们这里也许100多年以后，科技发展能够实现。
那我们现在这个科研成果是否未来可以替代人工氮肥？距离这个还有多远？我们的生物固氮1.0版，比如说5到10年的计划，大概就是替代氮肥25%到30%，使得就是人工化肥的一些弊端，比如说污染环境，它利用效率不高，这些能克服。那么结瘤固氮2.0版本可能要10年或是20年以后考虑的，就是说比如说我能不能替代50%，我认为这是已经是极限了，百分之百地替代氮肥，一方面我们从效益是不是最好，因为你替代了以后，氮降低了以后，可能产量会降低。还需要长期的验证？对，还有一个问题是什么呢？其实固氮是搞好了，如果作物自己能固氮，就是说不施氮肥了，确实好了，但是它的光合的能量都用于固氮了，那好了，它产量就会大幅度下降，不是因为施不施肥的原因，是因为本身它的光合产生的能量不足以维持它高产，所以说我们讲大豆其实在所有的作物里面比较起来，它是相对产量是比较低的。它可能就150（公斤），而我们的粮食作物通（常）叫作吨量田，甚至能达到一吨1000公斤，所以说我们是希望是部分替代化学氮肥。
随着未来我们的技术不断地成熟，有一天会大面积推广这项技术的时候，会给我们生活带来哪些影响？我觉得这个前景还是非常地广阔的，会有革命性的一个影响。这化学固氮存在两高一低的问题，一个就是高耗能，合成每一吨氮肥需要2.8吨的标准煤，相当于就是全国要一亿吨煤。第二个高污染，因为我们最近这么多年过量地施氮肥，并且我们氮肥利用效率特别低，大概30%多吧，相当于70%的氮肥，都被雨水冲刷到了河流湖泊，然后污染了环境。上个世纪60年代，一公斤化肥能够增产100多公斤。2000年就是新世纪的时候，不到10公斤，就是说成本在增加，增产效益在下降，这是一种恶性循环，所以说如果生物固氮替代化学氮肥好处是什么呢？因为农业节肥增效了，农民就是节本增收，消费者我们可以提供更健康、更（有）品质的产品。对于广大的民众来讲，它保护了环境，就可以做到美丽乡村、美丽中国。所谓绿水青山是金山银山，其实生物固氮就可以在这里边发挥作用。
我们期待我们这个固氮的科技水平不断地提高，从两位专业的角度怎么去畅想这个未来，我们把生物固氮，特别是共生固氮这块儿研究得更深入一些，我们能尽快地用到非豆科植物身上，将来我们少施氮肥，少生产氮肥。少生产氮肥那么我们就少消耗一些煤这些能源，我们少排放一些温室气体，就是说我们中国在碳达峰、碳中和上有承诺，那么我们生物固氮，它是真正的减排低碳的碳中和的技术，在农业上的应用能够为中国，就是说碳达峰实现这种目标的实现做出贡献。特别是我们这个土壤，因为是过多地用氮肥，现在已经造成了土壤的严重的酸化，含氧能力已经严重恶化，对我们粮食安全造成了严重的威胁。你要恢复回来的花的时间，肯定是远远超过你破坏的时间，也可能你破坏就这几十年，可能要用上百年保护，它这种对环境的影响，现在有个说法就是对于我们农业来讲，利用这种高度依赖氮肥的，我们叫作高污染、高投入、低回报的这种供氮方式已经难以为继了，必须要用生物固氮，这种低碳、环保、绿色的生物固氮方式来替代它，来颠覆我们传统的农业生产方式。如果这个梦想如果我们实现了，我们就可以把我们18亿亩耕地我们可以用好，然后产更多的粮食，然后保证我们的粮食安全。
还要补充一下是什么呢？就是当我们的生物固氮技术足够地好的那一天，我们就可以把空气中的氮变成原料，拿来生产氨。氨作为原料就能生产我们生活中急缺的蛋白质，就是国家的蛋白质替代战略有一个这种提（法）叫作氨经济。氨又可以作为促氢的介质，作为未来的氢能源的一个非常好的，因为它能量密度高，又便于储存比氢，所以未来这种绿色生物固氮技术，可以为我们培育生物经济的新形式，就是氨经济，也可以给我们农业带来就是说新的动能和新的产业。就很多农业科技，它一定要和我们现代的农业生产方式和农业未来发展的生产方式结合，这样它的应用前景它会更加好。好感谢两位！也感谢您收看我们今天的《透视新科技》节目，如果您想了解我们更多节目内容，可以下载央视频收看我们过往的节目。好，今天的节目就到这儿，我是胜春，咱们下期节目再见。
