綠肥對土壤有機碳含量、質量及穩(wěn)定性影響的研究進展

摘 要：土壤有機碳及其不同活性組分作為評價土壤質量的重要指標，其含量變化對土壤的物理、化學及生物學特性影響顯著。綠肥的種植與利用不僅能為作物提供各種營養(yǎng)物質，促進作物增產(chǎn)；而且可增加土壤的有機物料輸入，實現(xiàn)固定土壤碳素的目的。從20世紀50年代以來我國綠肥的發(fā)展歷史和生產(chǎn)現(xiàn)狀出發(fā)，綜述了綠肥利用對土壤有機碳含量、質量及穩(wěn)定性的影響，以期為今后綠肥科研生產(chǎn)提供借鑒。

關鍵詞：綠肥；土壤有機碳；含量；質量；穩(wěn)定性；綜述

中圖分類號：S158.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-060X（2018）08-0119-04

Research Progress on the Effects of Green Manure on Quantity， Quality and

Stability of Soil Organic Carbon

CHENG Hui-dan1，2，3，NIE Jun2，3，LU Yan-hong2，3，NIE Xin1，2，3，ZHU Qi-dong2，3，ZHOU Xing2，3，LIAO Yu-lin2，3

（1. Long Ping Branch， Graduate School of Hunan University， Changsha 410125， PRC； 2. Hunan Soil and Fertilizer Research Institute， Changsha 410125， PRC； 3. Scientific Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation

（Hunan）， Ministry of Agriculture， Changsha 410125， PRC）

Abstract： Soil organic carbon and its different labile fractions have obvious influences on soil chemical， physical， and biological characteristics. The cultivation and utilization of green manure can not only provide various nutrients for crops to increase crop yields， but also can increase the input of soil organic materials and achieve the purpose of fixing soil carbon. Based on the development history and production status of green manure in China since 1950s， the effects of green manure utilization on soil organic carbon content， quality and stability were summarized which can provide reference for future green manure research and production.

Key words： green manure； soil organic carbon； content； quality； stability； review

綠肥是指所有能翻耕到土地中做肥料的綠色植物體。綠肥在我國有3 000 a以上的種植歷史，栽培面積大、分布范圍廣，是清潔的有機肥源，能為土壤提供各種有機物質，具有顯著的增肥功能。土壤有機質不僅含有豐富的營養(yǎng)元素，可提高糧食產(chǎn)量和品質，而且能激發(fā)土壤微生物活性，防止水土流失。由于土壤有機質中腐殖質的比例占80%以上，其組成與性質是衡量土壤有機碳的重要質量指標。土壤有機碳的穩(wěn)定性與團聚體穩(wěn)定性、金屬氧化物和粘粒的含量等密切相關。綠肥作物翻壓直接向土壤中輸入了外源有機質，提高土壤有機碳含量，有利于有機質的更新與活化，同時促進土壤團聚體形成。筆者綜述了綠肥種植與利用對土壤有機碳的含量、質量和穩(wěn)定性的影響，以期為綠肥的種植與科研提供借鑒。

1 綠肥的發(fā)展歷史及生產(chǎn)現(xiàn)狀

總的來看，我國綠肥種植經(jīng)歷了發(fā)展期、高峰期、衰退期和恢復期。20世紀50年代，我國綠肥的種植面積大約有173 萬hm2[1]，到70年代末，綠肥種植的面積近1 000 萬hm2，其中90%的是稻田綠肥。到1980年初，綠肥的種植面積達到了1 000萬～1 500 萬hm2。到20世紀80年代中期，由于各類化學肥料的大量施用，“重用地、輕養(yǎng)地”“重化肥、輕綠肥”等觀念和做法在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中盛行，導致綠肥種植面積逐漸減少，到2009年綠肥種植面積估計只有200萬～

300萬hm2[2]。

化肥用量不斷攀升，綠肥、有機肥施用比例日漸萎縮，導致土壤出現(xiàn)酸化、土體板結、養(yǎng)分流失、地力下降等問題，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展受土壤環(huán)境約束日益嚴重[3]，并由此引發(fā)一系列環(huán)境污染和食品安全問題，引起各級政府的重視以及社會大眾的普遍關注。2008年，國家頒布了綠肥農(nóng)業(yè)科技專項，并在2017年形成了國家綠肥產(chǎn)業(yè)技術體系，在國家政策的帶動下多個省份相繼出臺了綠肥種植補貼政策。因此，近年來綠肥的種植面積逐漸恢復。

2 綠肥對土壤有機碳的影響

2.1 綠肥對土壤有機碳含量的影響

土壤有機碳（SOC）是指存于土壤有機物質（SOM）中的碳，其含量變化將直接影響土壤肥力、作物產(chǎn)量及大氣中CO2濃度，在全球碳循環(huán)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。土壤有機質在微生物作用下進一步分解和礦化，產(chǎn)生有機碳。綠肥中有機物的含量占到15%～20%，翻壓后大大增加了土壤中有機質的含量，有利于促進土壤有機質分解礦化、土壤養(yǎng)分循環(huán)及難溶性養(yǎng)分轉化，從而增加土壤中有機碳的含量[4]。徐江兵等[5]的研究表明，施用綠肥有利于土壤有機碳含量的積累。劉立生[6]通過30 a的長期定位試驗，證實了綠肥的種植與利用可明顯增加土壤有機碳含量，其中種植紫云英的效果最顯著。高菊生等[7]和李繼明等[8]

的研究也得出類似結論。朱貴平等[9]通過探究不同時期翻壓紫云英對土壤有機碳的影響，得出在盛花期翻壓紫云英效果最好，土壤有機碳含量增加最明顯的結論。官會林等[10]的研究表明，綠肥-煙和豆-煙輪作下土壤有機碳含量均顯著高于麥-煙輪作。高菊生等[7]在雙季稻種植制度下研究了不同種類的綠肥還田對土壤有機質的影響，結果表明不同種類的綠肥還田均有利于土壤有機質含量的積累，尤其是種植紫云英的效果最顯著，土壤有機碳年增加0.31g/kg，高于雙季稻與油菜、雙季稻與黑麥草輪作的增加量。王建紅等[11]研究了綠肥還田后稻田土壤有機質的動態(tài)變化，結果表明綠肥還田后土壤有機質含量剛開始增加顯著，增加到一定水平逐漸下降，然后又緩慢增加，總體來看稻田土壤有機質的含量有所增加。

土壤活性有機碳是反映土壤質量變化的靈敏指標，其含量變化對土壤碳素和土壤養(yǎng)分有一定影響。許多研究表明綠肥的種植與利用有利于增加土壤活性有機碳含量，提高土壤碳素有效率。邵月紅等[12]和楊濱娟等[13]的研究均表明，長期施用綠肥均顯著提高了土壤活性有機碳的含量和土壤碳素有效率，他們認為綠肥中含有更多易被微生物分解的糖類、淀粉等物質，而含有較少不易被分解的纖維、木質素等物質。高菊生等[7]的研究表明，紫云英作綠肥時，稻田土壤的活性有機質含量顯著高于黑麥草和油菜作綠肥時的。曾駿等[14]研究了施肥對不同土層活性有機碳的影響，結果表明土壤活性碳的含量在0～7.5 cm、7.5～15 cm、15～30 cm土層均表現(xiàn)為綠肥≥秸稈>氮肥，施用綠肥的土壤其活性有機碳含量明顯增加。

2.2 綠肥對土壤有機碳組分的影響

輕組（Light fraction，LF）有機碳和重組（Heavy fraction，HF）有機碳是根據(jù)密度來劃分的。輕組有機碳大多是游離態(tài)的，在土壤有機碳中能快速轉化，因此輕組有機碳是植物重要的速效養(yǎng)分庫。重組有機碳一般與無機礦物結合或包裹在團聚體中，在土壤中轉化較慢，反映了土壤有機碳的固持能力。徐江兵等[5]的研究表明，長期施用綠肥能提高團聚體中輕組有機碳和重組有機碳的含量。周興等[15]的研究表明，綠肥紫云英配施化肥有利于提高土壤輕組有機碳含量，這主要是由綠肥配施化肥提高了作物生物量，土壤中根茬及殘落物增多所致。

微生物量碳、可溶性有機碳、輕組有機碳和易氧化有機碳是土壤活性有機碳的重要組成部分。周興

等[15]的研究還表明，綠肥紫云英的種植有利于提高土壤表層微生物量碳、易氧化有機碳和可溶性有機碳的含量。邵月紅等[12]通過長期施肥研究了土壤活性有機碳組分的變化，結果表明，土壤活性有機碳組分含量隨著肥料的施用均有不同程度的提高，且綠肥對易氧化碳和微生物量碳含量的增加效果顯著好于廄肥和稻草秸稈。

2.3 綠肥對土壤有機碳質量的影響

土壤有機碳是表征土壤地力和衡量土壤質量的重要指標之一。近年來，以土壤有機碳為核心的有機培肥研究取得了突破性進展。孫筱楠[16]表示土壤有機碳的研究已經(jīng)從數(shù)量層次深入到品質層次，同時提到土壤培肥的目的不單是要提高土壤有機碳的含量，而且更應該提高土壤有機碳的質量。土壤有機碳的質量不僅與土壤有機碳的氧化穩(wěn)定性有關，而且與土壤腐殖質的數(shù)量、品質、松緊度等密切相關。因此，通常把土壤有機碳的氧化穩(wěn)定性、腐殖質組成與性質作為土壤有機碳的重要質量指標。

翻壓綠肥可以更新土壤中的腐殖質，增加土壤肥力，因此種植綠肥是培肥地力、改良低產(chǎn)田的一條重要途徑。黃不凡[17]研究發(fā)現(xiàn)，施用綠肥顯著增加了穩(wěn)結態(tài)和緊結態(tài)的腐殖質含量，其土壤腐殖質的氧化穩(wěn)定性顯著低于未施用綠肥處理，表明翻壓綠肥后土壤中易氧化有機質的數(shù)量是較多的。汪德水等[18]的研究結果表明，施用綠肥既能增加土壤中緊結態(tài)腐殖質的含量，又能加強有機質的氧化穩(wěn)定性，還能一定程度上降低FA（富里酸）在腐殖質中的比例，提高HA（胡敏酸）在腐殖質中的比例，加快土壤腐殖化過程，從而提升有機質的質量。魏朝富等[19]研究表明施用綠肥顯著增加了松結態(tài)腐殖質含量以及松結態(tài)腐殖質與緊結態(tài)腐殖質的比值。還有研究表明，綠肥的種植與利用能增加土壤有機碳的數(shù)量，同時有利于改善<0.002 mm復合體的腐殖質品質，更新和活化老的有機質。

2.4 綠肥對土壤有機碳穩(wěn)定性的影響

許多報道稱施用綠肥能增加土壤中有機碳的含量，有利于土壤團聚體的形成與穩(wěn)定，提高土壤有機碳與無機礦物復合體結合的含量，改變不同團聚體中有機碳的比例，從而影響土壤保持有機碳的能力以及有機碳庫的穩(wěn)定性。土壤有機碳穩(wěn)定機制主要包括物理保護和化學保護作用?；瘜W保護是指有機碳與黏土礦物和金屬氧化物的相互作用，物理保護主要指有機碳通過膠結劑包裹在土壤團聚體內(nèi)部導致與微生物形成空間“隔離”。

2.4.1 土壤有機碳的物理保護 土壤團聚體是有機質積累和轉化的關鍵場所，其形成與穩(wěn)定是土壤碳庫穩(wěn)定的重要機制。研究表明，表層土壤團聚體內(nèi)有機碳的含量占總土壤有機碳的90%左右[20]。土壤有機碳與團聚體相互作用緊密。一方面，土壤團聚體是通過膠結劑包裹有機—無機復合體或游離顆粒有機碳而形成；另一方面，團聚體對有機碳起物理保護作用。綠肥的種植與利用促進了土壤團聚體的形成。團聚體形成后，礦物顆粒與有機碳之間的相互作用更強，于是形成了團聚體有機碳的物理保護機制。楊曾平等[2]研究表明，稻—稻—綠肥輪作提高了土壤團聚體的平均重量直徑以及0.25～5.00 mm粒徑水穩(wěn)性團聚體的含量，其中種植紫云英效果最好；同時該研究還表明土壤團聚體的標準平均重量直徑與土壤有機碳含量呈顯著正相關，且其值越大，團聚體的穩(wěn)定性越強。包興國等[21]的研究也表明施用綠肥能增加土壤1～2 mm粒徑的土壤團聚體含量及其水穩(wěn)性，降低土壤團聚體的分散性。

2.4.2 土壤有機碳的化學保護 較多的研究者認為黏土礦物和鐵鋁氧化物是影響土壤有機碳庫穩(wěn)定性的主要因素。衡利沙等[22]研究表明，各種鐵鋁氧化物的含量與土壤中有機碳的穩(wěn)定性呈正相關。劉立生等[6]通過30 a的長期定位試驗發(fā)現(xiàn)綠肥的利用使土壤粘粒中有機碳含量得到明顯提高，而砂粒中有機碳含量明顯降低。這說明綠肥的種植與利用促使土壤砂粒中有機碳向粘粒轉移，提高了土壤有機碳的穩(wěn)定性。土壤中金屬氧化物和黏土礦物與土壤有機碳通過配位體置換、范德華力、高價離子鍵橋和絡合作用等使有機碳的生物有效性降低，從而提高土壤有機碳的穩(wěn)定性[23]。

楊曾平等[2]的研究表明，施用綠肥可顯著增加非晶形鐵鋁氧化物及有機無機礦物與土壤有機碳結合的含量，從而提高土壤有機碳的穩(wěn)定性。Mikutta 等[24]報道稱土壤有機碳與非晶質氧化物因化學作用相結合而表現(xiàn)穩(wěn)定，不易被微生物分解，他認為這種化學保護對土壤保持有機碳具有重要作用。

3 展 望

綜上所述，綠肥的種植與利用可明顯提高土壤有機碳的含量，尤其是活性有機碳的含量，同時也提高了土壤碳素的有效率；能明顯增加土壤松結態(tài)腐殖質和可浸提腐殖酸的含量，提高松結態(tài)/緊結態(tài)腐殖質比值和HA/FA比值，加快土壤的腐殖化過程，從而提升土壤有機質的質量；有利于土壤的團聚化作用，提高非晶形金屬氧化物和粘粒中有機碳的含量，從而提升土壤有機碳的固持能力以及土壤有機碳的穩(wěn)定性。綠肥的種植與利用對土壤有機碳的數(shù)量、質量和穩(wěn)定性產(chǎn)生積極影響，在緩解溫室效應和全球氣候變化、提高土壤肥力、促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面均有著舉足輕重的作用。

近年來，關于土壤有機碳庫穩(wěn)定性的研究較多，但是有關綠肥提升土壤有機碳穩(wěn)定性的機理研究較少，尤其是對土壤有機碳的化學保護機制的研究很少。目前，土壤團聚體固碳機制的物理研究方法主要包括篩分法、超聲波振蕩法、穩(wěn)定性同位素示蹤法、放射性同位素示蹤法、X射線計算機斷層掃描成像法、掃描電子顯微鏡法、傅里葉變換紅外光譜顯微技術等，土壤有機碳穩(wěn)定性的化學研究方法主要是采用草酸銨和次氯酸鈉萃取土壤中鐵、鋁、硅的含量來估計土壤中穩(wěn)定的有機碳含量。這些方法為進一步深入研究種植綠肥提升土壤有機碳庫穩(wěn)定性的機制奠定了基礎。

此外，土壤微生物種群和數(shù)量以及溫室氣體是目前研究的熱點問題，但研究多集中于不同輪作方式或是施用不同種類廄肥、畜禽糞、農(nóng)家肥和秸稈對其的影響上，而對于綠肥生產(chǎn)利用后土壤有機碳含量的變化對其影響的研究較少。因此，這可以作為今后研究綠肥的一個方向。

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（責任編輯：成 平）