化肥是近两个世纪以来，人类农业史上最伟大的发明创造，极大地提高了粮食产量，拯救了无数饥饿中的人们。但是随着人们过度施用化肥，过度依赖化肥，化肥对农田生态环境产生了更多的负面影响，甚至出现了化肥恐惧症，人们谈肥色变，合理减量施用化肥，成了社会的普遍共识。而在这场生产方式的转变中，固氮微生物再次站到聚光灯下，成为农业绿色发展的新动能。

氮是生命之源

我们现在都知道，氮是氨基酸、蛋白质的重要组成元素，而氨基酸和蛋白质又是生命的重要组成物质，因此氮代谢是生物世界最重要的生理现象。生物，包括动物、植物、微生物生长都需要一定量的氮，尤其是居处生物链上游的动物（人类是最高等的动物）体内需要大量的蛋白质补充，只能从豢养的动物、植物、微生物中获得。动物体内富含蛋白质，这也是我们每定都要吃一些肉奶蛋的主要原因。植物也需要合成蛋白质，其叶绿素的合成更离不开氮，氮对植物的生长同样起着十分关键的作用。农田施氮，植株叶色浓绿，枝繁叶茂，光合作用旺盛，更有利于作物的生长。

地球表面并不缺氮，大气中充满了氮气，约占气体总量的78%，但由于氮气分子被三条牢固的“绳索”——化学键所束缚，因此自然界的动物、植物面对巨大的氮源，只能“望氮兴叹”。

生物能直接利用氮气的恰恰是最原始的微生物。在几十亿年前的太古时代，地球上还没有植物和动物，还是一个微生物的世界，大气层中没有氧，地球上生存着大量的厌氧性生物。光合生物特别是绿色植物大量繁殖后，地球表面氧气不断增加，大量厌氧性生物由于氧的出现而消失了，但有少量厌氧性生物由于躲藏在无氧、不透气的淤泥、沼泽地和深层土壤中而存活至今。但也有一部分厌氧性生物如固氮菌，它适应了环境，能够在含氧21%的大气层中存活，并从空气中吸收氮气。

在化肥工业出现之前，缺氮是制约农业生产最重要的因素之一。由于缺少氮素，粮食产量极其低下，不但人吃不饱，更没有多余的粮食喂养牲畜，大量的人口在贫困线上挣扎。为了获得更多可利用的氮素，科学家们想尽了各种办法。

人们发现，在自然界，把氮气变成生物可利用的氮素，只有两条途径：一种就是微生物固氮。比如根瘤菌与豆科作物共生，固定空气中的氮进入生物链循环。这条途径虽然面广量大，但需要过程，进展缓慢。一种就是自然闪电产生的巨大电离能量，使空气中的氮气和氧气发生化学反应，也就是把氮气氧化变成植物可吸收利用的硝态氮。这条途径虽然只是偶然发生，且是局部地区，但效果极其显著。人们从这两种固氮方式中得到启发，开启了人工固氮之旅，这就是化肥工业的探索。

化肥的应用与困惑

最初，科学家模仿闪电，采用高压放电固氮，实验效果不尽人意。1909年7月2日德国科学家哈伯在实验室采用600℃、 200个大气压，用金属铁作催化剂（生物固氮菌富含铁、钴、钼）的条件下，人工固氮成功。1911年德国建成世界第一座日产30 吨合成氨的工厂。人称这种合成氨方法为“哈伯－博施法”，这是具有世界意义的人工固氮技术的重大成就，是化工生产实现高温、高压、催化反应的第一个里程碑。合成氨的原料来自空气、煤和水，因此是最经济的人工固氮法，从而结束了人类完全依靠天然氮肥的历史，彻底改变了农业的发展方向。

化肥，主要是氮肥，它对农业的影响有多大，超乎人的想像。化肥有着强大的增产作用，我国是新中国成立以后才开始使用化肥的。新中国成立前，我国一直采用传统农业生产方式，即利用作物秸秆、人畜粪尿、绿肥等方式培肥地力，粮食产量增长极其缓慢，长期处于较低水平。如秦汉至清朝2000余年间，我国小麦产量仅从50公斤/亩增长到100公斤/亩左右。而新中国成立后至今仅70余年，小麦平均产量达到350-400公斤/亩，高产地区达到650公斤/亩以上；水稻产量从1949年的126公斤/亩提高到了2021年的474公斤/亩。说地球有一半人口是靠化肥养活的，一点也不夸张。

正因为化肥的在农业生产中表现出巨大的增产作用，人们在农业生产中产生了对化肥的过度依赖，为了追求更高的产量，不断增大化肥施用量，致使化肥的增产效率不断下降。比如1980 年至今的40年间，我国粮食产量增长了近85%，但化肥施用量却增长了4.5 倍，化肥施用量的增速远远超过粮食产量的增速。当化肥施用量达到一定程度后，其对粮食增产的贡献率逐渐下降。过量施用化肥不仅会造成作物营养生长过旺（类似于人过度肥胖），生殖生长受阻，还会导致氮素大量流失，造成河流水体富营养化，对生态环境造成严重破坏。如何保证粮食产量合理稳定增长的同时，提高肥料利用率，减少化肥过量施用带来的不良影响，是摆在我们面前的一项重要课题。

微生物固氮的启示

在前面我们讲过，在化肥发明之前，生物利用的氮素主要靠土壤中的一类微生物——固氮菌固氮的。固氮菌的固氮本领在于它有一把“神刀”——固氮酶（含有Fe Co Mo即铁钴钼），可以轻易地切断束缚氮分子的化学键，把氮分子变为能被自己或植物消化、吸收的氮原子（氨态氮或硝态氮）。

固氮菌主要生活在作物根际土壤中，以作物根际分泌物为养料，同时又从空气中摄取氮素。固氮细菌死亡后菌体分解，便释放出氮素供作物利用。在形形色色的固氮菌中，名声最大的要数根瘤菌了。根瘤菌生活在土壤中，以动植物残体为养料，过着“腐生生活”。当土壤中有相应的豆科植物生长时，根瘤菌便迅速向其根部靠拢，从根毛弯曲处进入豆科植物根部。豆科植物根部在根瘤菌的刺激下迅速分裂膨大，形成“瘤子”，为根瘤菌提供了理想的活动场所，还供应了丰富的养料，让根瘤菌生长繁殖。作为回报，根瘤菌会卖力地从空气中吸收氮气，为豆科植物制作“氮餐”，使其枝繁叶茂。这样，根瘤菌与豆科植物便形成共生关系，因此根瘤菌也被称为共生固氮菌。根瘤菌生产出来的氮肥不仅满足豆科植物的需要，还可以分出一些帮助“远亲近邻”，储存一部分给“晚辈”，所以我国历来有种豆肥田或种植绿肥（苕子、苜蓿等豆科植物）耕翻还田的习惯。

还有一些固氮菌，如圆褐固氮菌，它们不住在植物体内，只是住在植物的根际附近，能自己从空气中吸收氮气，繁殖后代，死后将遗体“捐赠”给植物，让植物得到大量氮肥。这类固氮菌种类繁多，统一叫自生固氮菌或联合固氮菌。

固氮菌肥料是利用固氮微生物将大气中的分子态氮气转化为农作物能利用的氨，进而为其提供合成蛋白质所必需的氮素营养的肥料。微生物自生或与植物共生，将大气中的分子态氮气转化为农作物可吸收的氨的过程，称为生物固氮。生物固氮是在极其温和的常温常压条件下进行的生物化学反应，不需要化肥生产中的高温、高压和催化剂，因此，生物固氮是最便宜、最干净、效率最高的施肥过程。从保护生态环境的角度来看，固氮菌肥料是最理想的、最有发展前途的肥料。

前景广阔的微生物肥料

固氮菌是活的生物，目前固氮菌肥料的生产基本上采用液体发酵的方法。产品可分液体菌剂和固体菌剂。从发酵罐发酵结束后及时分装即成液体菌剂，发酵好的液体再用灭菌的草炭等载体吸附剂进行吸附即成固体菌剂。固氮菌肥料是含有大量好气性自身固氮菌的微生物肥料。自身固氮菌不与高等植物共生，没有寄主选择，而是独立生存于土壤中，利用土壤中的有机质或根系分泌的有机物作碳源来固定空气中的氮素，或直接利用土壤中的无机氮化合物。固氮菌在土壤中的活动主要受土壤中有机质含量、酸碱度、土壤湿度、土壤熟化程度及速效磷、钾、钙含量的影响。固氮菌肥对棉花、水稻、小麦、油菜、玉米、高粱、马铃薯、烟草、甘蔗以及各种蔬菜都有一定增产作用。

共生性固氮菌（根瘤菌）比自生性固氮菌的固氮能力高10多倍，但它需要与豆科作物共生，结出根瘤，开始固氮，它不能独立生活，也不能与非豆科植物如水稻、玉米、小麦、棉花、油菜共生，只能与花生、大豆、蚕豆、苕子、紫云英、豌豆等能结出荚果的豆科作物共生，而且根瘤菌有高度的专一性，不同的根瘤菌喜欢与特定的豆科作物共生，比如蚕豆有蚕豆根瘤菌，花生有花生根瘤菌，如果硬是“拉郎配”错配了，就会影响固氮效果。

除了固氮菌，人们还针对不同作物和土壤类型的需求，开发出多种功能性的微生物肥料，例如有固氮菌肥、解磷菌肥、解钾菌肥等，能分别满足作物对氮、磷、钾等主要养分的需求；还有一些具有改善土壤结构、增强土壤肥力、提高作物抗逆性等多种功能的复合微生物肥料。

微生物肥料是活的菌剂，它不能与任何化学肥料混用，也不能在太阳下暴晒，否则会杀死微生物。但微生物肥料可以添加到有机肥中施用。有机肥中富含大量的有机质，本身就由微生物发酵腐熟而成，有机肥与微生物肥料结合使用，有利于促进有机质的分解和肥力的释放，也有利于微生物的生长繁殖。

当前，在全球范围内，微生物肥料市场规模呈现持续增长的态势，像北美和欧洲等地区的市场相对成熟，而亚太地区的市场潜力巨大。中国已成为全球最大的微生物肥料市场之一，随着中国政府对农业环保和可持续发展的重视度不断提高，为微生物肥料市场提供了广阔的发展空间。微生物肥料作为化学肥料的重要补充，将为农业绿色发展提供新动能。