綠肥還田對(duì)農(nóng)田土壤理化性質(zhì)和肥料利用率的影響研究進(jìn)展

趙蕊，王怡針，蘇港，葛均筑，臧鳳艷，李子芳，王金龍，吳錫冬

（天津農(nóng)學(xué)院 農(nóng)學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，天津 300384）

1 綠肥的定義及種類(lèi)

1.1 綠肥的定義

對(duì)于綠肥的定義，曾茜茜等認(rèn)為，綠肥是指用綠色植物的鮮莖葉直接壓入土壤中作肥料，它是一種養(yǎng)分完全的生物肥料[1]。吳浩杰等認(rèn)為，綠肥作物是一類(lèi)可將植物體就地翻壓或漚堆制肥的植物，如多數(shù)豆科屬植物[2]。劉宏偉認(rèn)為，綠肥作物是指生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的鮮體作為肥料翻壓到土壤中，或者是與其他作物間、套、輪作后，能夠促進(jìn)其他作物的生長(zhǎng)，改善土壤的理化性狀，這些作物就是綠肥作物，其鮮體稱(chēng)為綠肥[3]。在國(guó)外綠肥作物又被稱(chēng)為覆蓋作物，種植綠肥作物可以起到覆蓋地表，減少土壤風(fēng)蝕、水蝕的作用[4]。綜合上述觀點(diǎn)，本文認(rèn)為，綠肥是用新鮮的綠色植物本體作為肥料基礎(chǔ)，直接或間接地將植物體鮮樣翻壓到土壤中，其腐朽分解后釋放養(yǎng)分到土壤中代替肥料供主作物生長(zhǎng)，或是通過(guò)綠肥作物與主作物的間、套、輪作，為主作物提供養(yǎng)分，起到促進(jìn)主作物生長(zhǎng)、發(fā)育，改善土壤理化性狀等作用的天然綠色無(wú)污染肥料。

1.2 綠肥的種類(lèi)

綠肥按照不同的分類(lèi)原則可劃分為不同的類(lèi)別。綠肥按來(lái)源可分為栽培綠肥和野生綠肥。栽培綠肥是指人工栽培的天然作物，如油菜、苜蓿；野生綠肥是指非人工栽培的野生作物，如雜草、樹(shù)葉、鮮嫩灌木等。綠肥按植物學(xué)科可分為豆科綠肥和非豆科綠肥[4]。豆科綠肥由于其根部有根瘤，根瘤上的根瘤菌可以固定空氣中的氮素，如紫云英、苕子、豌豆、豇豆等；非豆科綠肥是指作物本身沒(méi)有根瘤，不能固定空氣中的氮素，如油菜、茹菜、金光菊等。綠肥按生長(zhǎng)季節(jié)可分為夏季綠肥和冬季綠肥。夏季綠肥在春夏季節(jié)播種，秋季收割，如田菁、檉麻、竹豆、豬屎豆等；冬季綠肥指秋冬季節(jié)播種，第二年春夏收割的綠肥，如鼠茅草、紫云英、苕子、茹菜、蠶豆等[5]。綠肥的生長(zhǎng)期根據(jù)類(lèi)別的不同有很大不同，除短期作物、一年生或越年生作物外，還有多年生作物。綠肥按生態(tài)環(huán)境可分為水生綠肥、旱生綠肥、稻底綠肥[6]。國(guó)外綠肥生產(chǎn)中，國(guó)外學(xué)者把綠肥分為豆科植物和蕓苔屬，其中毛苕子，豌豆、羽衣甘藍(lán)和油菜籽比較受歡迎[4，6-7]。蠶豆在溫帶地區(qū)曾作為綠肥，用于玉米田間除草和肥料供給[8-11]。研究者曾對(duì)豆科植物對(duì)于土壤微生物群落和土壤特性的影響進(jìn)行研究[4，10]。我國(guó)曾從國(guó)外引進(jìn)綠肥作物種植，20世紀(jì)30年代，新疆從蘇聯(lián)引進(jìn)三葉草等草種，日本人帶入格林氏首稽在吉林試種綠肥，20世紀(jì)40年代，甘肅天水水土保持試驗(yàn)站自美國(guó)引進(jìn)數(shù)十份綠肥材料進(jìn)行研究[4，12-14]。

綠肥品種資源豐富，不同種類(lèi)和品種的綠肥，其生育特性和生產(chǎn)能力都有較大差別。因此，在研究整理綠肥品種資源中，應(yīng)根據(jù)各種綠肥作物的生育期及品種類(lèi)型的特點(diǎn)并結(jié)合氣候、土壤等生態(tài)條件，進(jìn)行不同綠肥品種與主作物的合理分布，采取不同的種植模式，充分發(fā)揮綠肥作物的作用[15]。

2 綠肥還田對(duì)農(nóng)田土壤理化性質(zhì)的影響

2.1 土壤物理性狀

土壤容重是土壤中非常重要的一個(gè)物理性質(zhì)。國(guó)內(nèi)外研究表明，綠肥還田對(duì)耕層土壤容重有顯著影響。連澤晨[16]通過(guò)研究綠肥還田對(duì)水稻產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收及土壤肥力的影響發(fā)現(xiàn)，冬種紫云英比冬閑處理降低了土壤0～15 cm及15～30 cm土層容重，為水稻生長(zhǎng)提供了有利環(huán)境。有研究表明，紫云英施入土壤可降低土壤容重，增加總孔隙度、持水力并促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成與積累，從而改善了土壤質(zhì)量[16-18]。呂良鴻等[19]在哈密紅星二場(chǎng)鹽堿地種植綠肥作物時(shí)發(fā)現(xiàn)，0～20、20～40、40～60 cm 土層土壤水分均比種植前有所提高，容重均降低。向小[20]通過(guò)研究不同綠肥作物翻壓還田后對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響發(fā)現(xiàn)，在相同化肥施用量條件下，翻壓綠肥處理的土壤容重降低了0.05～0.09 g/cm3，土壤孔隙度增加了 1.54%～3.18%。付雙軍[21]研究了綠肥還田對(duì)土壤肥力的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，種植并翻壓綠肥作物對(duì)土壤物理性質(zhì)影響顯著。Adekiya[22]發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)施用或聯(lián)合配施綠肥能夠增加土壤孔隙度，降低土壤容重。土壤有機(jī)質(zhì)與種植前相比，盛花期和翻壓還田后期 0～20、20～40 cm土層水分平均值分別提高了5.74%、6.26%。由此可見(jiàn)，綠肥還田在一定程度上可以降低土壤容重，增加土壤孔隙度和土壤含水量，改善土壤通透性等物理性狀。

2.2 土壤化學(xué)性狀

2.2.1 土壤有機(jī)質(zhì)含量

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤肥力的重要指標(biāo)，在提供作物生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分、改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤保水保肥及緩沖性能等方面發(fā)揮著重要作用[22]。綠肥作物中含有較多的有機(jī)質(zhì)，平均為 15%左右[23]。當(dāng)綠肥翻壓后，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的形成、分解與積累產(chǎn)生積極影響。研究發(fā)現(xiàn)，土壤微生物量碳與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系[24]。研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期施用綠肥可以提高土壤的有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合量及土壤肥力[25-27]。另外，施用綠肥等有機(jī)肥，能使土壤松結(jié)態(tài)、穩(wěn)結(jié)態(tài)和緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)的含量有所提高[28]。王昊等[28]研究發(fā)現(xiàn)，綠肥經(jīng)過(guò)翻壓或漚制施入土壤，作為肥料供其他作物生長(zhǎng)發(fā)育，實(shí)現(xiàn)了綠肥自身物質(zhì)與能量的循環(huán)和利用。綠肥翻壓腐解可有效提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，增強(qiáng)土壤肥力。王瑞寶等[29]研究了翻壓光葉苕子能顯著提高土壤中有機(jī)質(zhì)含量，且不同綠肥翻壓量對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的增量也不同。張世昌[30]持續(xù) 3年定位試驗(yàn)研究在不同酸堿程度的土壤中種植綠肥作物對(duì)土壤肥力的影響，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，微酸性土壤中種植綠肥作物可顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，而酸性土壤中種植綠肥作物對(duì)增加土壤全磷含量和pH值等方面效果較好。Bianca等[31]發(fā)現(xiàn)，隨著綠肥的施用，土壤中的有機(jī)碳和總氮含量增加，土壤有機(jī)質(zhì)隨之升高。Li等[32]發(fā)現(xiàn)施用有機(jī)綠肥提高了土壤中脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶、過(guò)氧化氫酶等相關(guān)酶的活性，以及土壤有機(jī)質(zhì)含量。Yang等[33]發(fā)現(xiàn)，綠肥腐爛分解后，會(huì)釋放有機(jī)碳、氮等營(yíng)養(yǎng)元素于土壤中，使土壤有機(jī)質(zhì)含量增多。常單娜等[34]發(fā)現(xiàn)，綠肥腐爛分解后，土壤中溶解有機(jī)碳、可溶性有機(jī)氮、總有機(jī)酸和總碳水化合物的含量與土壤有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)地區(qū)土壤種植綠肥作物并翻壓還田后，土壤有機(jī)質(zhì)在不同程度上得到提高[35]。

2.2.2 土壤全氮及堿解氮含量

土壤中的氮元素在農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中起著不可替代的作用。作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中若缺少氮素的攝入，將直接導(dǎo)致作物產(chǎn)量及品質(zhì)的下降。研究表明，綠肥還田后對(duì)土壤全氮及堿解氮含量有顯著影響[28]。綠肥翻壓還田能顯著提高土壤全氮及堿解氮含量，起到培肥地力的作用。敖文等[36]研究發(fā)現(xiàn)，種植綠肥作物后可顯著提高土壤全氮的平均含量。王丹英等[37]研究指出，將紫云英和油菜當(dāng)做綠肥種植并翻壓后，不僅能夠顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量，還能顯著提高土壤堿解氮的含量。綠肥作物中的豆科植物能夠利用其根系根瘤菌的固氮能力將大氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化為自身可以利用的氮素，同時(shí)還會(huì)將一半氮由根部轉(zhuǎn)移到土壤中[38]。徐志平[39]研究表明，種植大豆、紫云英、苜蓿和三葉草等綠肥作物，可分別固定氮元素70、80、112和 80 kg/hm2。種植翻壓綠肥作物可將綠肥作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中吸收的氮通過(guò)腐解釋放到土壤中，有利于植物更好更快地吸收養(yǎng)分[27]。Subaedah等[40]發(fā)現(xiàn)，種植綠肥作物后土壤氮元素的含量與主作物干物質(zhì)中的氮元素含量呈顯著正相關(guān)。Yang等[33]研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期種植冬季綠肥作物可以增加土壤氮素含量。

2.2.3 土壤速效磷含量

土壤中磷元素是植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中所必需的重要元素之一，而我國(guó)土壤中可供植物吸收的磷較少。大量試驗(yàn)表明，綠肥等有機(jī)肥能通過(guò)作物本身磷的循環(huán)再利用，將土壤中難被作物吸收利用的無(wú)機(jī)磷轉(zhuǎn)化成易被作物吸收利用的有機(jī)磷，從而提高土壤中磷的利用率[41]。張春[42]通過(guò)研究夏閑期種植的4種綠肥作物對(duì)淺層土壤速效磷含量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，4種綠肥作物對(duì)土壤速效磷含量均有較大影響，其中紫云英處理的0～20 cm土層速效磷含量最大；除返青期，光葉苕子處理的20～40、40～60 cm土層速效磷含量均最高；毛葉苕子對(duì)小麥返青期0～20 cm土層影響較大。王曉軍[43]在研究綠肥作物對(duì)土壤肥力及小麥產(chǎn)量的影響中發(fā)現(xiàn)，小麥復(fù)種綠肥作物翻壓后可顯著提高土壤中速效磷含量，且速效磷的變化與速效鉀基本一致。李冬梅[44]研究發(fā)現(xiàn)，綠肥作物苜?？稍黾油寥阑钚杂袡C(jī)磷含量。張久東等[45]研究了間作綠肥作物對(duì)玉米產(chǎn)量和土壤肥力的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，玉米收獲后各處理土壤速效磷含量均明顯提高。

2.2.4 土壤速效鉀含量

綠肥作物含鉀量豐富，能夠提高土壤中鉀含量，是理想的鉀肥肥源[46]。李廷軒等[47]研究表明，綠肥子粒莧根周?chē)寥浪傩р浐渴欠歉車(chē)?.7倍。王煊[48]研究種植不同綠肥作物對(duì)旱地土壤肥力的影響，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，夏閑期種植綠肥作物油菜能顯著增加土壤速效鉀含量。在綠肥翻壓前，種植油菜可增加50.5%的土壤速效鉀含量。

2.3 土壤生物學(xué)性狀

研究表明，綠肥翻壓腐化分解后土壤中的有機(jī)酸含量增加，土壤pH值降低，其降低程度與翻壓綠肥的種類(lèi)和數(shù)量以及試驗(yàn)田的土壤類(lèi)型有關(guān)[49]。土壤的酸堿緩沖性會(huì)隨種植綠肥作物數(shù)量的增加而改變，土壤電導(dǎo)率也會(huì)隨綠肥的增加呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)。

綠肥作物降解后會(huì)間接提高土壤酶活性，改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。在綠肥植物體分解過(guò)程中，綠肥作物根系的分泌物在增加了土壤相關(guān)酶類(lèi)的基礎(chǔ)上，多種根際微生物需要的營(yíng)養(yǎng)成分和能源物質(zhì)也相應(yīng)增加，在增加土壤微生物多樣性的同時(shí)也提高了微生物相關(guān)酶類(lèi)的活性。佀國(guó)涵等[50]研究表明，連年翻壓綠肥能夠提高農(nóng)田土壤中細(xì)菌、真菌和放線(xiàn)菌的數(shù)量以及土壤微生物量碳的含量，同時(shí)土壤中脲酶、過(guò)氧化氫酶和酸性磷酸酶的活性顯著提高。有研究顯示[51]，在潮砂泥田上冬種綠肥作物，土壤耕層中脲酶、蛋白質(zhì)酶和轉(zhuǎn)化酶的活性分別比對(duì)照提高了 18.2%、18.8%和18.7%。He等[52]發(fā)現(xiàn)，施用綠肥可通過(guò)改善細(xì)菌群落（組成和多樣性）和土壤肥力來(lái)促進(jìn)主作物生長(zhǎng)，并為潛在的微生物群落功能與有機(jī)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)之間的聯(lián)系提供了新的視角。Elfstrand等[53]發(fā)現(xiàn)，施用綠肥能夠使土壤中的蛋白酶、酸性磷酸酶和芳基硫酸酯酶的活性增強(qiáng)，綠肥作物能夠增強(qiáng)和維持土壤中的高微生物量和高酶活性。Caban等[54]研究發(fā)現(xiàn)，種植綠肥作物增強(qiáng)了土壤微生物酶的活性、細(xì)菌的豐富性和多樣性、尤其是有益的革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌的種群。這些研究表明綠肥作物的種植和翻壓在一定程度上增加了土壤中的酶活性和菌落數(shù)量，使土壤微生態(tài)環(huán)境得以修復(fù)和改善，綠肥翻壓為作物創(chuàng)造了一個(gè)良好的土壤生長(zhǎng)環(huán)境。

3 綠肥還田對(duì)肥料利用率的影響

肥料利用率主要表現(xiàn)在肥料貢獻(xiàn)率和農(nóng)學(xué)利用率兩個(gè)方面。肥料貢獻(xiàn)率是反映年投入肥料生產(chǎn)能力的指標(biāo)。農(nóng)學(xué)利用率表示施用肥料的每千克N、P2O5、K2O使作物增產(chǎn)的能力，指作物施肥后增加的產(chǎn)量與施肥量的比值。李燕青[55]研究耐鹽綠肥篩選及棉田冬綠肥效應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，翻壓二月蘭和毛葉苕子后平均肥料貢獻(xiàn)率分別達(dá)到了 37.90%和30.84%，比無(wú)綠肥處理分別高出17.04%和9.98%，翻壓綠肥后不同化肥施用量間肥料貢獻(xiàn)率的差異變?。环瓑壕G肥后的農(nóng)學(xué)利用率明顯高于無(wú)綠肥的處理，翻壓二月蘭、毛葉苕子處理化肥的平均農(nóng)學(xué)利用率分別為27.15 g/g和21.69 g/g，比無(wú)綠肥處理分別提高了145.04%和95.76%，翻壓二月蘭和毛葉苕子后，化肥施用常規(guī)用量的 70%就能夠達(dá)到農(nóng)學(xué)利用率的最高值。Gao等[56]研究發(fā)現(xiàn)，綠肥是優(yōu)化稻田土壤氮素管理的有效途徑。硝化作用是N循環(huán)中的關(guān)鍵過(guò)程，綠肥作物對(duì)于土壤中的土壤氨氧化至關(guān)重要，在一定程度上增加了主作物的肥料利用率。

翻壓綠肥提高肥料利用率的作用主要體現(xiàn)在兩方面。首先，翻壓綠肥對(duì)化肥施入后的影響具有一定的緩沖能力。在化肥施用量不足時(shí)，綠肥腐解可以為作物提供部分養(yǎng)分，這與其自身腐解特性有關(guān)；當(dāng)化肥施用過(guò)量時(shí)，翻壓的綠肥能夠有效緩解過(guò)量化肥對(duì)作物生長(zhǎng)造成的不利影響，這可能與綠肥翻壓后改善了土壤的理化性質(zhì)、促進(jìn)了土壤微生物的大量繁殖等因素有關(guān)，需要通過(guò)進(jìn)一步的試驗(yàn)加以研究驗(yàn)證?？偟膩?lái)說(shuō)，綠肥翻壓的方式與華北地區(qū)部分農(nóng)民傳統(tǒng)的種植一季作物并且一次性施肥的方式相比，可在一定程度上減少化肥投入量并獲得增產(chǎn)效果，使肥料利用率有所提高。

4 綠肥研究存在的問(wèn)題與不足

20世紀(jì)80年代后期，隨著我國(guó)工業(yè)的快速發(fā)展，化肥被大量使用，我國(guó)已成為世界上化肥施用最多的國(guó)家[57]。化肥被大量投入農(nóng)田，使農(nóng)田土質(zhì)變差，肥料利用率降低，土地的生產(chǎn)能力越來(lái)越低。地下水、地表水和土壤均受到不同程度的污染，嚴(yán)重威脅了農(nóng)產(chǎn)品的安全[58]。當(dāng)前，全球面臨耕地質(zhì)量變差、生態(tài)環(huán)境惡化和糧食安全危機(jī)等難題，這就更需要重視綠肥的研究和發(fā)展。作為一種特殊的有機(jī)肥，綠肥給改良土壤環(huán)境和實(shí)現(xiàn)糧食安全帶來(lái)了希望[59]。目前，我國(guó)綠肥作物生產(chǎn)中仍存在很多問(wèn)題：①人們對(duì)綠肥的認(rèn)識(shí)不足。重用地、輕養(yǎng)地，對(duì)種植綠肥的認(rèn)識(shí)不夠深入和全面。再加上綠肥作物種子價(jià)格的上漲和種植綠肥作物經(jīng)濟(jì)收入較低，農(nóng)民種植綠肥作物的積極性不高，長(zhǎng)期對(duì)綠肥生產(chǎn)不夠重視[60]。②綠肥作物種質(zhì)資源不足、瀕臨滅絕，品種混雜，有些優(yōu)良品種甚至已經(jīng)消失。③種植模式研究滯后于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，缺乏相應(yīng)的技術(shù)。應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)的生態(tài)特點(diǎn)，加強(qiáng)對(duì)綠肥作物的研究利用，找到適合的種植模式[27,35,46,61]。④種植面積小、鮮草產(chǎn)量低。沒(méi)有充分利用空閑地種植綠肥作物，浪費(fèi)耕地資源；原有的品種損失退化較為嚴(yán)重，導(dǎo)致產(chǎn)草量嚴(yán)重下降。

5 研究應(yīng)用前景與展望

2015年，農(nóng)業(yè)部組織實(shí)施了“到2020年化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)”，大力推進(jìn)化肥減量增效，引領(lǐng)種植業(yè)綠色發(fā)展，為綠肥應(yīng)用帶來(lái)了機(jī)遇。我國(guó)綠肥栽培利用歷史悠久[37,48,62-63]，20世紀(jì)60—70年代是我國(guó)種植綠肥作物的鼎盛時(shí)期，種植面積超過(guò)了1 400萬(wàn)hm2[64]。近年來(lái)綠肥作物種植面積急劇下滑，目前樂(lè)觀估計(jì)全國(guó)綠肥作物種植面積也只有200～300萬(wàn)hm2[65]。種植綠肥作物一方面能增加優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥源，培肥地力，改良土壤，增加農(nóng)作物產(chǎn)量；另一方面能改善生態(tài)環(huán)境條件，使人口、糧食安全、生態(tài)環(huán)境三者之間協(xié)調(diào)發(fā)展。因此，應(yīng)采取積極有效措施、多渠道增加投入、廣泛宣傳，大力發(fā)展綠肥生產(chǎn)，使我國(guó)綠肥作物種植面積恢復(fù)和發(fā)展到0.15億hm2以上的歷史最好水平，對(duì)改善我國(guó)的生態(tài)環(huán)境將會(huì)產(chǎn)生顯著的作用和效果。