綠肥對稻田土壤質(zhì)量和水稻生產(chǎn)影響的研究進展

周 興，聶 軍，廖育林，楊曾平，謝 堅，魯艷紅

（1.湖南省土壤肥料研究所，湖南 長沙 410125；2.中南大學研究生院隆平分院，湖南 長沙 410125；3.農(nóng)業(yè)部湖南耕地保育科學觀測實驗站，湖南 長沙 410125）

綠肥應用歷史悠久，在化肥大規(guī)模應用之前，綠肥和農(nóng)家肥以及豆科作物的種植和利用，始終是增加土壤養(yǎng)分供應的主要來源。我國是世界上綠肥栽培歷史最久，栽培面積最大，分布區(qū)域最廣的國家。據(jù)不完全統(tǒng)計，1950年全國綠肥種植面積為173 萬hm2，1976年全國綠肥種植面積約1 330 萬hm2。20 世紀80年代初期，綠肥的種植面積較為穩(wěn)定，播種面積在1 000 萬hm2左右[1]。但20 世紀80年代中期之后，由于種種原因，綠肥生產(chǎn)出現(xiàn)滑坡，上世紀90年代初期種植面積劇減。由于化肥長期大量使用，我國耕地土壤肥力明顯下降，土壤板結，土壤質(zhì)量降低，地力衰退，化肥污染，成為限制作物生長、進一步提高作物產(chǎn)量及質(zhì)量的重要障礙。而種植綠肥能為土壤提供豐富的養(yǎng)分，具有顯著的增肥功能，能使土壤中難溶性養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，以利于作物的吸收利用、提高土壤養(yǎng)分利用率，從而提高作物產(chǎn)量；種植綠肥還能改善土壤的理化性狀，對促進土壤微生物的活動具有積極作用。因此，筆者綜述了綠肥對水稻土壤質(zhì)量和水稻生長與產(chǎn)量影響的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，以期為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中更為廣泛的種植綠肥提供借鑒。

1 綠肥對土壤性質(zhì)的影響

1.1 綠肥對土壤物理性質(zhì)的改善

土壤物理性質(zhì)是影響土壤肥力的內(nèi)在因素，會直接或間接地影響作物生長和環(huán)境質(zhì)量。綠肥翻壓后，在土壤微生物的分解礦化作用下，與土壤形成有機-無機復合體，從而改善土壤團粒結構和土壤通透性，有效地降低土壤的容重，明顯增加土壤滲透系數(shù)、總孔隙率。

土壤結構的形成是土壤生物、土壤粘粒和有機質(zhì)等共同作用的結果，微生物中尤其是霉菌和放線菌對土壤結構的形成起到一定的作用[2]。沈潔等[3-4]表明，綠肥翻壓后，可以降低土壤容重，增大孔隙度，增加非毛管孔隙和減少毛管孔隙，使土壤三相比趨向更合理。綠肥一方面通過自身根系生長，增大土壤孔隙，降低土壤緊實度，表現(xiàn)為土壤容重的降低；另一方面，通過翻壓后增加腐殖質(zhì)來改善土壤的團粒結構，表現(xiàn)為土壤較大的水穩(wěn)性團粒含量提高。王華等[5]研究表明，同常規(guī)稻作模式相比，稻-綠肥輪作處理使稻田土壤容重下降，增加了總孔隙度和非毛管孔隙度，提高>0.25mm 水穩(wěn)性團聚體含量，土壤物理性狀得到改善。且翻壓不同綠肥的土壤養(yǎng)分不同，土壤團聚體組成也不一樣，粒徑越小，肥力、有機質(zhì)、全N 和C/N 比都越高。在培肥地力、恢復和促進土壤團粒結構形成方面綠肥比化肥明顯，綠肥可以較快地改善和提高土壤肥力水平[6]。

1.2 綠肥對土壤化學性質(zhì)的調(diào)節(jié)

有機質(zhì)是土壤的重要組成部分，是植物的養(yǎng)分和土壤微生物生命活動所需的能量來源，可以促進土壤生物活動，改善土壤理化性質(zhì)，所以被認為是指示土壤質(zhì)量的指標之一[7]。長期施用綠肥可提高有機無機復合物的數(shù)量和質(zhì)量，降低原土有機無機復合度，尤以有機無機肥配施更為顯著[8]。這是因為綠肥翻壓不僅能使土壤有機質(zhì)的數(shù)量增加，給作物提供豐富養(yǎng)分；而且能激發(fā)土壤生物活性，使土壤有機質(zhì)礦化過程加速。長期雙季稻冬閑處理土壤有機質(zhì)含量隨年份也表現(xiàn)上升趨勢，但這種上升趨勢未達到顯著水平；長期雙季稻綠肥輪作處理土壤有機質(zhì)含量顯著高于冬閑處理[9]。這種綠肥對土壤有機質(zhì)的積累作用是受多種因素制約的，沈潔等[10]認為綠肥有7 個影響土壤有機質(zhì)積累的因素：綠肥的播種方式、綠肥的用量和時間、綠肥的種植年限、綠肥的C/N 比、綠肥對易氧化有機質(zhì)的影響、綠肥的分解速度和綠肥的腐殖化系數(shù)。

作物生長需要的pH 值環(huán)境，一般以偏中性為宜。有研究[11]認為翻壓綠肥能夠使土壤pH 值降低。這可能是由于綠肥翻壓后增加了有機酸。最近也有研究認為，紫云英翻埋后，土壤pH 值不斷提高，96 d 后土壤由原來的弱酸性（pH 值為6.08）上升到中性（pH 值為7.00 左右）[12]。另外紫云英還田有助于提高土壤的酸堿緩沖性，使土壤電導率呈增加趨勢[13]。

綠肥作為重要的有機肥，本身就含有豐富的養(yǎng)分，翻壓還田后易被作物吸收；而且其腐解產(chǎn)生的有機酸等物質(zhì)會促使土壤中難溶性養(yǎng)分轉(zhuǎn)變?yōu)榛罨瘧B(tài)，同時促進微生物的生長從而進一步活化土壤養(yǎng)分[14]。國內(nèi)外許多長期試驗證明，綠肥在土壤中對土壤氮的礦化有明顯的凈殘留影響，有助于土壤全氮量的提高。研究表明，土壤氮素的積累與土壤有機質(zhì)含量呈正相關，綠肥用量增多，土壤氮素的儲量也增多，土壤氮素隨播種綠肥C/N 比的提高而增加[10]。也有大量研究表明，種植綠肥，土壤全量氮及速效氮含量能得到提高，而不同的綠肥對于土壤氮的影響不同[15-16]。

磷是植物的大量營養(yǎng)元素之一，然而與其他大量營養(yǎng)元素相比，土壤磷的含量相對較低。而長期施用綠肥等有機肥能不同程度的提高土壤總磷和有效磷的含量。土壤中的磷素易被固定，且隨著外源磷的增加，磷的固定量也增加[17]。翻壓綠肥可以增加土壤有機質(zhì)，從而在一定程度上可以起到解除土壤磷固定的作用。

鉀是植物必需的營養(yǎng)元素之一。植物對鉀的吸收可降低土壤溶液鉀離子濃度，打破土壤水溶性鉀、交換性鉀、非交換性鉀和礦物結構鉀之間的平衡關系，從而促進礦物鉀向非交換性鉀、非交換性鉀向交換性鉀以及交換性鉀向水溶性鉀的轉(zhuǎn)化。綠肥作物可以直接活化和利用金云母中的礦物鉀，且礦物鉀的凈釋放量與有機酸分泌量及有機酸種類相關[18-19]。有研究表明，施用綠肥后的不同時間內(nèi)土壤速效鉀的含量不同程度的提高，提高幅度最大的為埋田一個月，且施用綠肥后的土壤速效鉀含量顯著高于不施用綠肥的土壤[20]。

與一般作物相比，綠肥作物對空氣和土壤中的中量元素與微量元素也有較好的富集和活化效果，而且具有全面的礦質(zhì)營養(yǎng)，還田后對作物的生長十分必要[21]。有人認為，現(xiàn)階段作物缺硫的原因之一就是缺少了綠肥還田所提供的硫素營養(yǎng)[22]。

1.3 綠肥對土壤生物化學性質(zhì)的影響

土壤微生物可以作為土壤有機質(zhì)及養(yǎng)分循環(huán)和轉(zhuǎn)化的動力，也是土壤養(yǎng)分的儲備庫，在土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和供給中起著重要作用[23]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，施用有機肥可以改善土壤微生物的生長環(huán)境，同時也是土壤微生物取得能量和養(yǎng)分的主要來源[24]。種植翻壓綠肥，根系的胞外分泌物不僅直接增加了土壤有關酶類，還提供了多種易為根際微生物利用的營養(yǎng)和能源物質(zhì)，從而增加了土壤微生物和酶類的活性。一般C/N 比小、木質(zhì)素含量低的綠肥更有利于激發(fā)土壤的生物活性。據(jù)有關資料報道[25]，在潮砂泥川上種冬綠肥比對照分別提高了土壤耕層中脲酶（+18.2%）、蛋白質(zhì)酶（+18.8%）和轉(zhuǎn)化酶（+18.7%）等的活性。細菌和放線菌種類多、數(shù)量多有利于土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，而且通過營養(yǎng)抗性來抵御和抑制有害生物如土傳病害病菌的生長和繁殖。土壤微生物中真菌數(shù)量的增加，一方面能促進有機殘體的分解并形成一定量的腐殖質(zhì)，改善土壤物理狀況；但另一方面土壤真菌數(shù)量的增加也可能會增加作物遭受土傳真菌性病害的機率。王麗宏等[26]的研究表明，冬季在6 種不同土質(zhì)的稻田土壤種植黑麥草后，土壤微生物量碳和土壤微生物量氮含量，除灰泥稻田土壤下降外，其余土質(zhì)的稻田土壤都有增加，尤其在河沙泥稻田土壤增加得最多?？傊瓑壕G肥對于改善和修復土壤微生態(tài)環(huán)境的作用均較明顯。

2 綠肥對水稻生長和產(chǎn)量的影響

在綠肥對水稻生長和產(chǎn)量的影響方面，大量研究證明種植翻壓綠肥在許多地區(qū)和多種作物上均有良好的增產(chǎn)效果。如水稻與綠肥輪作模式——長期稻-稻-綠肥（紫云英、油菜、黑麥草）輪作——與冬閑（不種植綠肥）處理相比，其早晚稻產(chǎn)量、平均單季產(chǎn)量、稻谷、稻草年產(chǎn)量以及地上部總生物量，都得到一定程度的提高[27]。有學者針對紫云英還田對水稻產(chǎn)量構成開展的研究表明，與單施化肥相比，紫云英與化肥配合施用能夠使水稻有效穗、成穗率、每穗總粒數(shù)、實粒數(shù)、結實率、千粒重均得到不同程度的增加，并使水稻的理論產(chǎn)量增加640～1 159 kg/hm2，實際增產(chǎn)達到772～874 kg/hm2，增產(chǎn)幅度達到16.0%～18.1%，差異顯著[28]。張樹開[29]的研究表明，在翻壓紫云英、化肥減量40%～60%的條件下，后茬水稻產(chǎn)量、經(jīng)濟效益高于單施化肥處理，其中紫云英+60%化肥處理水稻產(chǎn)量、經(jīng)濟效益最高，與純化肥處理相比，水稻增產(chǎn)6.3%，經(jīng)濟效益提高10.0%。另外還有針對綠肥還田對水稻自身功能影響作了大量研究。袁穎紅[30]等研究發(fā)現(xiàn)，與不施肥及無機肥相比，長期有機肥（豬糞+紫云英綠肥）與無機肥配施有利于提高水稻孕穗期、齊穗期、乳熟期劍葉葉綠素含量、凈光合作用速率、氣孔導度、蒸騰速率、水分利用效率、保護酶活性和水稻產(chǎn)量。而葉綠素含量、凈光合速率、部分保護酶活性和水稻產(chǎn)量之間均呈顯著正相關。因此，長期施用綠肥，特別是有機肥與無機肥配施更有利于促進紅壤區(qū)水稻生長發(fā)育和提高水稻葉片保護酶活性及水稻產(chǎn)量[31]。

3 問題與展望

綜上所述，綠肥與無機肥的合理配施能增強可持續(xù)水稻生產(chǎn)所必需的土壤肥力的維持，尤其是在資源貧乏的地方。在以水稻為基礎的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中增加綠肥的使用，主要存在三個問題：（1）造成綠肥使用減少的因素是什么？這些因素在不同水稻環(huán)境中有什么不同？（2）什么是當前擴大綠肥在不同水稻環(huán)境下使用的機遇？（3）在技術可行的地區(qū)要擴大綠肥的使用需要什么應用研究？在不同的情況下綠肥使用減少和不斷下降的主要原因如下：（1）相對于綠肥，無機氮肥的使用成本較低。（2）對大多數(shù)農(nóng)民來說，無機化肥供應量增加，處理無機肥料相對容易。（3）土地有經(jīng)濟上更合算的用途。（4）種子發(fā)芽率低而成本高。（5）翻壓綠肥較難。（6）在翻壓綠肥時勞動力缺乏。（7）研究和推廣中對有機肥的重視程度低。面對化肥成本的增加和供應限制，綠肥在增加養(yǎng)分供應方面有較大的潛力。早期的研究致力于不同的農(nóng)業(yè)氣候區(qū)域的綠肥種植措施，而目前需要對試驗進行改進，使作物對綠肥作物的反應可以量化。對于能夠表征作物反應的因素，必須確定發(fā)展綠肥生產(chǎn)的完善的科學戰(zhàn)略；需要得到更好的了解綠肥分解時的養(yǎng)分釋放模式和水稻作物對養(yǎng)分的利用模式；需要評估綠肥對土壤性質(zhì)和作物響應的長期影響。對固定高氮或高生物量的綠肥品種或品系的鑒定是另一個重要的研究領域。隨著知識的發(fā)展，綠肥的生產(chǎn)措施必將有助于提高生產(chǎn)力。

綠肥與無機肥的科學合理配施，為水稻可持續(xù)生產(chǎn)，提供了土壤肥力的保證。而這種措施對于擁有的土地少、資源基礎薄弱、生產(chǎn)和生產(chǎn)力水平低、已經(jīng)出現(xiàn)土壤養(yǎng)分缺乏或不平衡的地方尤為關鍵。就湖南省綠肥作物而言，目前，全省綠肥種植面積小、鮮草產(chǎn)量低，分布不均勻、結構不合理，種源缺乏、品種混雜，管理粗放、技術缺乏。因此根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實際需要和湖南的有利條件，全省綠肥種植面積可以發(fā)展到150 萬hm2，占耕地的45%。其中稻田綠肥120 萬hm2，旱地綠肥30 萬hm2。就綠肥自身而言，要提高經(jīng)濟效益，加強多功能、多品種、多途徑、多效益的研究與開發(fā)利用，這是湖南省今后綠肥發(fā)展的方向[32]。

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