概述
氮、磷、鉀是作物的三大營養元素，而其中氮素又是主要的，要使作物增產需提供大量的氮肥。雖然空氣中約有80％是氮氣(N2)，由於其化學性質十分穩定，不能為作物直接利用。必須將氮分子轉化成氨或其它形式的氮化合物，作物才能吸收利用。目前工業上化學合成氨的過程需要在高溫、高壓和催化劑條件下才能進行，不僅要消耗大量不可再生能源，而且由於不合理的使用帶來環境污染等一系列人們所關注的問題。與上述化學固氮相對應的是地球上存在另一類的固氮過程，這即是生物固氮。它是發生在含有固氮酶的微生物種類中，將氮氣還原成氨的一種生物過程。生物固氮的總量十分巨大，有人估計約為1.75億噸/每年，相當於地球上可利用氮源(生物固氮、化學固氮、閃電等非生物自然條件形成的氮化合物)的2/3。因此，可以把生物固氮稱之為大自然的氮肥製造工廠。我國人口多、耕地少的客觀實際，要求我們應該充分開發利用這一大自然恩賜人類的資源。雖然固氮微生物肥料在我國的套用有50多年的歷史，生產的種類不多和套用效果穩定性有待提高，它的研製開發潛力還相當大。加強這一資源的開發利用，定將在增加作物氮源供應、培肥地力、減少化肥用量、提高作物產量，以及促進農業生產的持續發展和環境保護方面發揮其效力。鑒於固氮微生物肥料的重要性，特予介紹這一類微生物肥料。
一、固氮微生物種類和特點
要生產、研製、開發和套用固氮微生物肥料，首先必需對生物固氮和固氮微生物有基本認識。(一)生物固氮概述
凡是能使氮分子還原成氨的生物都稱為固氮微生物。各類固氮微生物進行固氮作用的基本反應是相同的。
N2+8H++8e-+16MgATP→2NH3+H2+16MgADP+16Pi
能夠固氮的微生物都有生物固氮過程中的關鍵因子--固氮酶，這種酶的一個重要特性是對氧的敏感性，在有氧條件下會使它不可逆失活。生物固氮中的能量供應和氨效應也是限制這一生物合成過程的另二個限制因素。
根據目前的資料表明，固氮生物都是原核生物，包括微生物中的某些細菌、放線菌和藍細菌。現在已發現固氮微生物多達60個以上的屬，隨著研究手段的不斷提高，發現的固氮微生物種類會愈來愈多。
生物固氮與工業上的化學固氮相比，有以下四個方面的優點：
①生物固氮過程無需在高溫高壓下進行。在常溫常壓下依靠微生物本身的固氮酶催化作用，實現將氮分子轉化成氨，供植物吸收利用。雖然生物固氮也是一個消耗能量的過程，但是提供能量的是植物，能量主要靠植物以太陽光為能源的光合作用。與化學固氮相比成本低廉。
②質優。以豆科植物和根瘤菌共生體系來看，植物向根瘤菌提供能量，存在於根瘤中的根瘤菌(以類菌體形態存在)將氮分子轉化成氨，然後通過氨同化系統迅速將氨轉化成谷氨醯胺一類的優質氮化合物被植物吸收。而且共生體系固定的氮大部分被輸送到籽粒中去，這也是豆科植物種子蛋白質含量高的一個重要原因。
③利用率高。化肥氮施入到田間，植物所能吸收利用的效率在20％～60％，其餘的要么形成氣態氮釋放到空氣中，要么隨水淋溶流失。而生物固氮，尤其是共生固氮體系，大部分都被農作物直接吸收利用，少量的隨著分泌過程和根瘤衰老破潰，留在土壤中給下一季作物利用。表現了十分高的利用率。
④不污染環境。氮肥的大量使用而轉化成的硝態氮，有相當一部分淋溶，造成溪流、地下水和海洋的硝酸鹽污染。另一方面施入土壤中的化學氮，由於反硝化作用，釋放出的氮氣破壞正常的氮素循環。而生物固氮則不存在這個問題。
(二)固氮微生物的種類和特點
固氮微生物多種多樣，不同的劃分標準滿足了不同的要求。從它們的生物固氮形式來分，有自生固氮、聯合固氮、和共生固氮3種。①自生固氮微生物是指能夠在自由生活狀態下固氮的微生物總稱。在自然界，自生固氮微生物種類很多，分散地分布在細菌和藍細菌的不同科、屬和不同的生理群中；並大致可以分為光合細菌和非光合細菌兩類。前者如紅螺菌、紅硫細菌和綠硫細菌等，其中的某些種類可與其它微生物聯合而相互有利；後者的種類很多。根據非光合細菌的自生固氮菌對氧的需求，可以分為厭氧的細菌如梭狀芽胞桿菌；需氧細菌如自生固氮菌、貝捷林克氏固氮菌、固氮螺菌等；以及兼性細菌如多粘芽胞桿菌、克魯伯氏桿菌、腸桿菌等。自生固氮微生物中的某些種類，在有些情況下可以與植物進行聯合固氮。
一般地，自生固氮微生物固定的氮素滿足本身生長繁殖需要以後就不再固氮了，多餘的氮反過來會抑制它們自身的固氮系統。同時，它們固氮效率也比較低。據測定，每消耗1克碳水化合物，自生固氮微生物固定10毫克氮，而共生固氮的根瘤菌則可以固定270毫克氮。所以，這個類群的微生物從固氮量的角度衡量，對作物的氮素供應的貢獻並非很大。許多試驗結果證明，這類微生物所產生的各種激素和其它活性物質是促進作物生長的主要因素之一。
②聯合固氮微生物有些自生固氮微生物在特定植物根際環境中生長、繁殖比非根際土壤中旺盛得多，這是由於植物根系的分泌物和脫落物提供能源物質，固氮微生物利用這些能源物質生活和固氮，這種互利關係稱之為聯合固氮。聯合固氮體系最先是在雀稗和雀稗固氮菌之間發現，後來發現小麥、水稻和C4作物如甘蔗、玉米、高粱等禾本科植物亦存在聯合固氮體系。能夠進行聯合固氮的微生物種類較多，似乎沒有什麼特異性，有些微生物既可以在自生條件下進行自生固氮作用，又能在田間與一些禾本科作物進行聯合固氮作用。已經報導過的聯合固氮的主要微生物種類有：浸麻芽胞桿菌、多粘芽胞桿菌、巴西固氮螺菌、含脂固氮螺菌、克魯伯氏桿菌、陰溝腸桿菌、產氣腸桿菌和糞產鹼桿菌等。
與共生固氮相比，聯合固氮微生物與植物之間的關係不緊密，雙方也沒有共同的組織結構，因而固氮效率也不可能高。目前，對於聯合固氮體系的固氮量很難有一個比較準確的估計，一般認為每畝地每年約為0.5～1斤純氮。
③共生固氮微生物是指能與宿主植物形成特定固氮組織結構的一類微生物。它們彼此生活在一起，植物向微生物提供光合產物供微生物固氮需要，微生物則向植物提供氮素營養，雙方互相有利。以豆科植物--根瘤菌共生體系來說，由於有根瘤組織作為它們的共生結構，共生效率是最高的。其原因是這種共生體系滿足了上述所說的生物固氮的條件。已知的比較清楚的共生體系除了豆科植物--根瘤菌共生體系外，還有非豆科植物--固氮放線菌體系和紅萍--固氮藍藻共生體系。
與相應的豆科植物共生固氮的根瘤菌很多，迄今從豆科植物根瘤中分離出來並進行過研究的約有100多種，在生產上套用的種類不足1/5。在分類上確定了分類地位的現在有5個屬，它們分別是：根瘤菌屬(Rhizobium)、慢生根瘤菌屬(Bradyrhizobi-um)、中華根瘤菌屬(Sinorhizobium)、固氮根瘤菌屬(Azorhizobium)和中慢生根瘤菌屬(Mesorhizobium)。每個根瘤菌屬包括至少1個種。
和上述的自生固氮和聯合固氮比較，共生固氮效率高，固氮量多，對於人類的意義和農牧業生產的作用也最大。迄今研究最為清楚、套用最多的是豆科植物根瘤菌共生固氮體系，據測定，一般每年每畝固定純氮約為13.3公斤，約折合每畝地每年固定標準化肥130斤，且幾乎全部被利用。
