淺析油菜作為綠肥的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

顧熾明，李銀水，謝立華，胡小加，廖 星，秦 璐

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院油料作物研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部油料作物生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430062）

我國(guó)是世界人口第一大國(guó)，利用世界7%的耕地養(yǎng)活了22%的人口，但舉世矚目的成就背后是消耗了世界35%的化肥和20%的農(nóng)藥［1］。改革開(kāi)放近40年來(lái)，我國(guó)谷物籽粒產(chǎn)量與化肥施用量同步增長(zhǎng)，從1978年到2015年谷物籽粒產(chǎn)量翻了1倍，但化肥使用量翻了6倍［2］，化肥的大量施用造成了土壤退化、水體富營(yíng)養(yǎng)化等一系列環(huán)境問(wèn)題，我國(guó)生態(tài)、土壤及農(nóng)業(yè)可持續(xù)綠色發(fā)展面臨著巨大的壓力和挑戰(zhàn)［3］。綠肥作為直接或經(jīng)堆漚后還田為土壤提供養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)的栽培或野生綠色植物體，在我國(guó)種植歷史悠久，早在公元前3世紀(jì)就有史料記載綠肥的土壤培肥效果［4］。然而，自20世紀(jì)中后期我國(guó)化肥工業(yè)的快速發(fā)展，綠肥的研究和應(yīng)用逐漸衰減，幾近停滯［3］。以湖北省為例，全省綠肥種植面積從1977年頂峰時(shí)的141萬(wàn)hm2，下降到2008年的8萬(wàn)hm2［5］。綠肥作物種植面積減少、化肥施用環(huán)境問(wèn)題逐漸凸顯，恢復(fù)發(fā)展綠肥生產(chǎn)迫在眉睫。根據(jù)中共十九大報(bào)告提出的“推進(jìn)綠色發(fā)展、著力解決突出環(huán)境問(wèn)題、加大生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)力度”等建設(shè)美麗中國(guó)的要求，綠肥種植作為發(fā)展化學(xué)肥料有機(jī)替代和綠色防控技術(shù)的有效途徑，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)化肥農(nóng)藥減量使用和生態(tài)、環(huán)境、農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的有效手段。因此，發(fā)展綠肥生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 概述

綠肥油菜是指通過(guò)栽培培養(yǎng)綠色植物體并翻壓施入土壤作為肥用的油菜，種植區(qū)域分布范圍廣，既能在干燥、寒冷的黑龍江［6］、內(nèi)蒙古［7］、青海等地區(qū)種植［8］，也可以在溫暖、濕潤(rùn)的長(zhǎng)江流域［9］和華南地區(qū)種植［10-11］，還能適應(yīng)暖溫、季風(fēng)氣候明顯的華北平原［12］。

油菜作為綠肥有較好的土壤培肥優(yōu)勢(shì)。據(jù)王丹英等［13］報(bào)道，油菜干物質(zhì)積累量大，4年田間定位試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)紫云英和油菜還田干物質(zhì)量平均分別為 6 634 和 9 401 kg/hm2；并且盛花期油菜的磷、鉀含量顯著高于紫云英；輪作4年后，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮和全磷含量，紫云英分別提高3.3%、6.6%、10.2%和8.0%，油菜分別提高8.0%、4.6%、5.7%和14.0%，且油菜綠肥處理的土壤容重下降5.7%，土壤孔隙度增加1.8%，說(shuō)明油菜作綠肥還田能提高土壤養(yǎng)分含量、培肥土壤地力、改善土壤物理性狀。另一方面，油菜碳氮比較為適中，章秀福等［14］報(bào)道，盛花期油菜和紫云英的碳氮比分別為20～25∶1和13～16∶1，前者更有利于被土壤微生物分解。因此，油菜盛花期還田作綠肥，其碳氮比更利于植株被分解，養(yǎng)分易被水稻吸收。油菜作為綠肥除了具有較好的土壤培肥優(yōu)勢(shì)外，在病蟲(chóng)害生物防治、土壤難溶性磷活化、土壤重金屬污染治理等方面具有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

2 綠肥油菜的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 綠肥油菜土壤病蟲(chóng)害生物防治優(yōu)勢(shì)

硫代葡萄糖苷（簡(jiǎn)稱硫苷）是廣泛存在于油菜根、莖、葉、果實(shí)中的一類次生代謝物質(zhì)。硫苷水解產(chǎn)物主要為異硫氰酸酯（ITCs），ITCs是一類活性物質(zhì)，能有效殺死和抑制土壤中的病原菌，控制土傳病害。因此，硫苷水解產(chǎn)物可作為衡量綠肥油菜生物防治效果的重要指標(biāo)，也是區(qū)別于其他綠肥作物的重要特征之一。

謝文娟［4］研究表明，油菜根系產(chǎn)生的不同類型和水平的ITCs具有抑制許多根系真菌病原體的效果，ITCs能夠殺死和抑制土壤中的病原菌，抑制土傳病害，達(dá)到無(wú)需使用農(nóng)藥或其他化學(xué)物質(zhì)就能防治病蟲(chóng)害的效果。楊瑞吉等［15］報(bào)道，油菜根系分泌物中除了含有大量的2，6-二叔丁基對(duì)甲酚外，酞酸二丁酯和十六酸-β-丙三醇酯相對(duì)含量分別達(dá)到22.55%和16.38%，而酚類和脂類物質(zhì)與植物抗病性有關(guān)，對(duì)病原真菌具有抑制作用。此外，還有研究發(fā)現(xiàn)，芥菜生物熏蒸對(duì)土傳病害有一定抑制作用，同時(shí)還有助于黃瓜克服連作障礙［16］。

關(guān)于油菜的土壤病蟲(chóng)害生物防治效果，國(guó)外也有大量報(bào)道。早在1998年，Sarwar等［17］研究發(fā)現(xiàn)蕓薹屬植株體內(nèi)產(chǎn)生的黑芥子酶可水解硫苷，釋放的活性物質(zhì)ITCs具有與化學(xué)熏蒸劑——威百畝和棉隆相近的作用效果。Handisenia等［18］研究發(fā)現(xiàn)，蕓薹屬植物能有效降低小麥根系絲核菌的數(shù)量，有效抑制小麥根腐病的發(fā)生。在馬鈴薯的研究中還發(fā)現(xiàn)芥菜型油菜的生防作用對(duì)防治馬鈴薯粉狀痂病和常見(jiàn)的痂病非常有效［19］，對(duì)馬鈴薯立枯絲核菌和腐霉菌的生長(zhǎng)均有很好的抑制效果［20］，顯著降低馬鈴薯囊腫線蟲(chóng)數(shù)量，并且降低的比例與綠肥使用量相關(guān)［21］。除了直接作用于病原菌外，翻壓油菜綠肥還能通過(guò)改善后茬作物營(yíng)養(yǎng)減少作物病害。有研究表明與其他綠肥相比，翻壓油菜綠肥能促進(jìn)生菜對(duì)有效態(tài)鈣素的吸收，從而減少了生菜灼傷病和細(xì)菌腐爛病害的發(fā)生，提高生菜商品率［22］。

2.2 綠肥油菜土壤難溶性磷活化優(yōu)勢(shì)

油菜作綠肥對(duì)土壤難溶性磷活化效果明顯，能顯著提高土壤速效磷含量，并且通過(guò)植株固持后翻壓再歸還到土壤中供給后茬作物利用。26年的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)結(jié)果表明，與冬閑對(duì)照相比，雙季稻油菜綠肥輪作土壤有效磷含量提高16.3%［23］。

胡靄堂等［24］研究發(fā)現(xiàn)，油菜根系的生物學(xué)形態(tài)性狀在缺磷條件下會(huì)發(fā)生很大變化，具體表現(xiàn)為主根和根毛的增長(zhǎng)，根的半徑減小，而每單位重量根的長(zhǎng)度增加，擴(kuò)大根系吸收范圍，從而促使油菜在缺磷的土壤中吸收更多的磷素。除了通過(guò)改變自身根系形態(tài)，在磷素脅迫環(huán)境中，油菜根系還能通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)陰陽(yáng)離子吸收的比例，使根際酸化，為根際土壤溶液中難溶性磷的活化提供有利的酸性環(huán)境［25］。Bloan等［26］對(duì)7種有機(jī)酸的研究結(jié)果表明，活化土壤難溶性磷素的能力依次為檸檬酸>草酸>酒石酸>蘋(píng)果酸>乙酸、琥珀酸、乳酸。油菜根系分泌大量檸檬酸和蘋(píng)果酸等有機(jī)酸，有利于難溶性鈣磷、鐵磷及鋁磷的溶解活化，從而促進(jìn)油菜對(duì)難溶性磷素 Ca3（PO4）2或 AlPO4的利用［27-28］。

除了綠肥油菜生長(zhǎng)期間根系“開(kāi)源”提高土壤磷素有效性，綠肥油菜翻壓后還能通過(guò)影響土壤酶活性提高土壤磷素有效性。王丹英等［13］研究發(fā)現(xiàn)，油菜作為綠肥翻壓腐解后可提高后茬水稻田土壤酸性磷酸酶活性，活化土壤磷素并提高土壤磷的生物有效性。李紅燕等［29］研究結(jié)果表明，與休閑處理相比，麥后播種綠肥油菜處理的土壤磷酸酶和總酶活分別提高了21.9%和48.4%。此外，還有研究表明磷脅迫環(huán)境中油菜不但能開(kāi)源利用酸性土壤的鈣磷（Ca-P），還能節(jié)流減少土壤速效磷向有機(jī)磷（O-P）的轉(zhuǎn)化，提高土壤磷的有效性［4］。

2.3 綠肥油菜重金屬污染治理優(yōu)勢(shì)

國(guó)外有關(guān)十字花科蕓薹屬植物可作為修復(fù)重金屬污染土壤方面的研究報(bào)道較多。早在20世紀(jì)90年代初就有人發(fā)現(xiàn)十字花科蕓薹屬植物可作為修復(fù)重金屬污染土壤的超累積植物［30］。Salt等［31］研究指出，油菜生物量大、生長(zhǎng)速度快，能夠從土壤中吸收Cd和其他重金屬，并在植株體內(nèi)大量積累。因此，油菜這一特性被人們用于研究植物對(duì)重金屬的積累和容忍機(jī)制［32］。在重金屬污染的土壤環(huán)境中，研究者從油菜根系中分離出抗Pb植物內(nèi)生細(xì)菌，發(fā)現(xiàn)這些細(xì)菌能增加油菜生物量及Pb吸收量，并且會(huì)釋放吲哚乙酸、鐵載體和1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸脫氨酶，促進(jìn)油菜根系在污染土壤中的生長(zhǎng)以及對(duì)Pb的吸收［33］。印度芥菜是一種生長(zhǎng)速度很快的重金屬超富集植物，在重金屬污染的土壤中也能產(chǎn)生較高生物量，因其對(duì)廢水中重金屬有良好的植物過(guò)濾和植物固持作用［34］，被用于耐Cd［35］和耐 As［36］的研究中。

國(guó)內(nèi)在這方面的研究相對(duì)較晚［37］。顧繼光等［38］研究指出，油菜是超富集Cd的植物，可以作為重金屬污染土壤植物修復(fù)的物種，在一些礦區(qū)、化工廠等土壤重金屬污染地區(qū)土壤上種植油菜綠肥可以起到凈化土壤的效果。孫清斌等［39］對(duì)大冶典型銅礦區(qū)周邊農(nóng)田研究發(fā)現(xiàn)，油菜莖葉、籽粒對(duì)Cd的富集系數(shù)權(quán)重高于根部對(duì)Cd的富集系數(shù)權(quán)重。

3 結(jié)語(yǔ)

油菜種植在我國(guó)歷史悠久且有很好的種植習(xí)慣和基礎(chǔ)。油菜適宜種植區(qū)域分布廣，我國(guó)從南到北、從東到西均能種植，其抗逆性和適應(yīng)性能力較強(qiáng)，既可以在比較潮濕的南方水田種植，也可以在干旱少水的西北山區(qū)坡地生長(zhǎng)；同時(shí)，油菜生物量大，綠肥產(chǎn)量高，其生長(zhǎng)對(duì)土壤肥力要求較低［40］。作為綠肥，油菜在不同生態(tài)區(qū)域既可以秋冬播種，也可以春播。種子發(fā)芽率高，出苗能力強(qiáng)，生長(zhǎng)速度較快，適宜翻耕期較長(zhǎng)；且油菜種子繁殖系數(shù)大，種子成本較低。我國(guó)農(nóng)作制度多元化，不同區(qū)域存在不同的農(nóng)作制度。綠肥油菜生育期可以做到宜長(zhǎng)則長(zhǎng)、宜短則短，選擇合適播種時(shí)間能滿足不同區(qū)域農(nóng)作制度的需求，甚至可以與花用、菜用、飼用等多功能應(yīng)用模式相結(jié)合，建立適合不同區(qū)域特點(diǎn)的綠肥油菜農(nóng)作模式，如兩熟制或三熟制稻田糧區(qū)的綠肥油菜應(yīng)用模式、果園林區(qū)的綠肥油菜應(yīng)用模式［41-42］。