书城科普读物新编科技大博览(A卷)——蓬勃发展的现代农业
47937000000011

第11章 土壤与植物营养(7)

幸存下来的10%的害虫,它们繁殖的后代对杀虫药剂能产生适应性,也就是抗药性。例如,为害水稻的稻飞虱、稻叶蝉,每亩原来用75克马拉硫磷的农药防治效果达95%左右,而几年连续用药之后每亩用100克同样的农药,其效果只有50%左右。而且在用农药防治年代越久和用药水平越高的地区,害虫表现的抗药性就越明显。

有的成虫、虫卵、若虫或幼虫,在-15℃左右冻不死;有的幼虫、若虫几个月不吃东西也饿不死,这表明它们的耐寒耐饥力很强,所以能安全度过冬天。

四、有一些农业害虫具有很强的迁飞能力。每年春夏季,北方水稻等作物生长茂盛,食料丰富,害虫从南向北迁入为害;每年秋末冬初,气温下降,农作物收获后,一些害虫又从北向南回迁到南方为害。

五、打药治虫常常会杀伤很多害虫的天敌。害虫的天敌,则是我们人类的朋友。天敌的种类很多,如青蛙、蜘蛛、寄生蜂、寄生蝇、瓢虫、线虫等等,在打药时虽然杀了害虫,但也杀伤了大量的天敌。而天敌的繁殖力又大大低于害虫,如果没有掌握天敌的发生情况和天敌对药剂的反应,用药不当,反而会引起虫害的更大发生。

由于以上种种原因,虽然年年打药治虫,还年年有虫害发生。打药治虫只不过是在害虫为害之前用药控制害虫为害的程度,不使农作物受到损害而已。

破解植物固氮的谜团

谁都知道,要想使庄稼获得丰产,重要的条件就是要有足够的肥料。说起肥料,自然离不开各种各样的化肥,例如常见的硫酸铵、尿素、碳酸氢铵,还有人畜粪尿和绿肥。

令人感到奇怪的是,在贫瘠的土地上,普通的庄稼长不好,可是豆科植物却能在不施肥料的情况下长势良好,这是为什么呢?秘密就在豆科植物的根部。

如果你仔细观察豆科植物的根部,就会发现那儿有许多圆鼓鼓的小疙瘩,它们好像一个个小瘤子,因此被科学家称为“根瘤”。根瘤看上去很普通,把它挤破后,里面会流出一些带腥臭味的“红水”。但是,这种“红水”并不寻常,把它放到显微镜下观察,在红红的汁液中可以看见许多微小的生命在活动,有的像小木棍,有的像小圆球,这些小家伙们就是大名鼎鼎的根瘤菌。

我们知道,在空气中含有大量的氮,它是植物生长中不可缺少的重要营养元素。但是,空气中的氮都处于游离状态,无法被植物直接吸收,只有把空气中游离的分子氮变为氮的化合物,才能被植物吸收利用。

要做到这一切,就需要固氮微生物帮忙了,而豆科植物的根瘤菌正是其中的重要成员。

很多年来,科学家们一直在探索豆科植物固氮的奥秘,竭尽全力试图解开根瘤菌的固氮之谜,因为这项研究太重要了,如果成功,它将意味着每年能省去数百亿甚至数千亿美元的人造氮肥费用。美国的著名共生学专家威廉·特拉格,经过认真计算后得出惊人的数据:全世界豆科植物每年在土壤中固氮的数量达9000万吨。

对豆科植物固氮本领的研究,可追溯到1838年,法国农业化学家波辛格鲁特首次发现,豆科植物能固定大气中分子状态的氮。1866年,俄国学者沃罗宁又发现豆科植物的根瘤菌中含有微生物,并指出根瘤的形成是微生物侵入植物根部的结果。到了1888年,荷兰科学家别依林克应用分离方法,第一次获得了根瘤菌的纯菌种,此后,人们渐渐揭开了植物固氮之谜的最外面几层帷幕。

科学家们发现,根瘤菌在土壤中单独生存时并不具有固氮作用,只有把豆科植物的种子播到土壤中,待幼根形成后,根系的分泌物吸引根瘤菌,让根瘤菌通过根毛侵入根的内部组织,在那儿进行大量繁殖,使根部膨大形成根瘤,这时,根瘤中的根瘤菌与豆科植物结成了一种特殊的共生关系,根瘤菌才开始发挥固氮作用,供给植物氮素养料。

科学家们还发现,根瘤菌的种类有很多,每种根瘤菌只能在一种或几种植物根部形成根瘤。例如,豌豆根瘤菌只能在豌豆、蚕豆的根部形成根瘤;苜蓿根瘤菌只能在紫花苜蓿、金花菜的根部形成根瘤;豇豆根瘤菌只能在豇豆、绿豆、花生的根部形成根瘤;而紫云英根瘤菌只能在紫云英的根部形成根瘤。

经过许多年的研究探索,科学家们对根瘤菌固氮机制的认识越来越多,但遇到的问题和迷惑之处也同样越来越多。当人们清楚地了解到微生物进入植物根组织,会改变模样成为变形菌之后,摆在科学家面前的主要问题是:变形菌能繁殖吗?它们是如何传宗接代的?它们能接连不断地使根瘤菌完成生命循环吗?

对于这些令人烦恼的问题,科学家们众说纷纭。许多学者认为,在变形菌生存的最后阶段,它们的植物主人便违反共生原则,把它们的共生者消化掉。植物的下一代若要感染上根瘤菌,还得通过土壤里新的细菌繁殖。但也有的学者认为,并非所有的细菌都会变成变形菌,也许有少数不能被消化掉。后来,前苏联科学院院士米舒斯金与他的合作者在研究中发现,变形菌内部会形成小圆细胞——似亲孢子,于是他提出推测:根瘤菌为了使自己免遭绝种,在它的独立生活期内,就是以似亲孢子的形式留在土壤里。

老的争论还在继续不断,新的问题又接踵而来。在研究植物固氮的过程中,一个使科学家们极为关注的问题是,当根瘤菌离开了植物体之后,是否也同样能进行固氮作用。这是一个打破传统观念的想法,因为根据以往的概念,根瘤菌只有与豆科植物结合在一起,才能吸收空气中的氮从事固氮工作。也就是说,根瘤菌虽然一生的大部分时间是在土壤里过着独立生活,如同土壤中的其他微生物一样,也是依靠吸取周围现成的有机物来生存的,但并不能固定空气中的氮。根瘤菌可以这样世世代代生活几十年之久,等待着与合适的植物相遇。一旦遇到了好机会,根瘤菌便欣然告别土壤这一生活环境,进入到植物的根里面,使根部组织增生,变成瘤状。这时候,根瘤菌便获得了新的奇妙特征——固氮本领。

科学家们已经知道,是植物根部根瘤菌中的固氮酶促使根瘤菌产生固氮能力的,但问题是,固氮酶非得要在植物和根瘤菌两者共同的合作下才能产生吗?

科学家们渴望知道它的答案。

20世纪70年代末,乌克兰科学院植物生理研究所的斯塔尔钦科夫以及他的同事,成功地从离体生活的羽扇豆根瘤菌的悬浮培养物中,分离出一种蛋白质。他们经过测定后发现,这种蛋白质具有固氮酶的催化活性。后来他们又经过了一系列的研究,根据蛋白质的分子量、沉降系数和非血红素铁的测定结果,证明这种蛋白质类似于从羽扇豆拟菌体中分离出来的固氮酶。于是斯塔尔钦科夫提出,固氮酶并非一定要在细菌与高等植物(通常为豆科植物)的基因相互作用下,才能在拟菌体中形成,而是可以在细菌体内单独产生,这就意味着离体生活的根瘤菌也能固氮。

迄今为止,科学家对植物固氮方面的研究在突飞猛进,日趋深入。比如我们已掌握根瘤菌固氮过程的某些重要环节,分离出了固氮酶,甚至还清楚地了解了固氮酶的结构。然而,这些仅仅是理论上的进展。现在,科学家所面临的问题更为艰巨,他们要做的下一步是,怎样使禾本科植物能吸收大气里的氮,或者至少“教会”它们与根瘤菌共生。尽管这些尝试目前尚处于最初的探索阶段,但随着研究工作的不断深入,植物固氮全面进入应用阶段的日子,相信不再遥远。

种植“绿肥”能改良土壤

绿肥常常被人们称为绿色的“金子”,这是因为绿肥能改良土壤,并作为肥料,使农业丰产。绿肥为什么能改良土壤呢?首先,绿肥的生活力很强,能够在一般庄稼难以生活的地方安家落户,大量繁殖。人们常常请它们当开路先锋,到十分艰苦的旱、涝、盐、碱、酸、瘠的盐碱荒地或红壤荒地去“落户”,它们不仅在那里“安心”扎根,而且还积极地替庄稼创造美好的生活环境。当土壤含盐量超过0.2%的时候,一般庄稼是不能正常生活的,而绿肥家族中的大米草、田菁、苕子、苜蓿、紫穗槐等却能良好地生长,而且还能逐渐地帮助土壤脱盐。据科学家试验,盐碱地种三年苕子以后,土壤含盐量就降到了0.03%。这样,其他的庄稼就能顺利地生长了。同样,我们还可以请绿肥中一些最能耐酸的萝卜菜、猪屎豆作为先锋植物去改良红壤。

此外,一般绿肥植物的根能扎到1米以下,最长的竟能深入到5米以下,充分地吸收利用那里的水分和养分。它既不怕饿,也不怕渴,还能靠根的分泌物去“消化”一些难以被庄稼吸收利用的养分;在它们死亡腐烂以后,土壤表层就会留下丰富的养分。据计算,每亩如果收1500千克苕子,土壤里就相当于增加57千克氮肥、12千克磷肥、13千克钾肥。像紫云英、苜蓿、苕子等一些豆科绿肥,还是一个小小的化肥厂呢!它们的根部长满了许多大大小小的根瘤,里面住满了亿万个根瘤菌,能将空气中不能为庄稼吸收利用的氮气“合成”为氮肥,供庄稼吸收利用。据统计,每亩根瘤菌合成的氮肥还相当可观,竟达50千克左右,难怪在这种地里种庄稼能得到好的收成。

绿肥不仅给土壤增加了大量的养分,而且,它们的身体腐烂以后形成的黑色腐殖质,还能疏松土壤,粘结砂粒,改善土壤的结构。它们繁茂的茎叶,像厚厚的地毯一样覆盖在土壤表面,可以防止土壤水分跑掉,又能阻挡雨水对土壤的冲刷。绿肥不仅是土壤的“建筑师”,而且是土壤勇敢的“保卫者”,帮助人们将大片土地建设成为高产稳产的农田。