绿肥对稻田土壤质量和水稻生产影响的研究进展

周 兴，聂 军，廖育林，杨曾平，谢 坚，鲁艳红

（1.湖南省土壤肥料研究所，湖南 长沙 410125；2.中南大学研究生院隆平分院，湖南 长沙 410125；3.农业部湖南耕地保育科学观测实验站，湖南 长沙 410125）

绿肥应用历史悠久，在化肥大规模应用之前，绿肥和农家肥以及豆科作物的种植和利用，始终是增加土壤养分供应的主要来源。我国是世界上绿肥栽培历史最久，栽培面积最大，分布区域最广的国家。据不完全统计，1950年全国绿肥种植面积为173 万hm2，1976年全国绿肥种植面积约1 330 万hm2。20 世纪80年代初期，绿肥的种植面积较为稳定，播种面积在1 000 万hm2左右[1]。但20 世纪80年代中期之后，由于种种原因，绿肥生产出现滑坡，上世纪90年代初期种植面积剧减。由于化肥长期大量使用，我国耕地土壤肥力明显下降，土壤板结，土壤质量降低，地力衰退，化肥污染，成为限制作物生长、进一步提高作物产量及质量的重要障碍。而种植绿肥能为土壤提供丰富的养分，具有显著的增肥功能，能使土壤中难溶性养分转化，以利于作物的吸收利用、提高土壤养分利用率，从而提高作物产量；种植绿肥还能改善土壤的理化性状，对促进土壤微生物的活动具有积极作用。因此，笔者综述了绿肥对水稻土壤质量和水稻生长与产量影响的国内外研究现状，以期为农业生产中更为广泛的种植绿肥提供借鉴。

1 绿肥对土壤性质的影响

1.1 绿肥对土壤物理性质的改善

土壤物理性质是影响土壤肥力的内在因素，会直接或间接地影响作物生长和环境质量。绿肥翻压后，在土壤微生物的分解矿化作用下，与土壤形成有机-无机复合体，从而改善土壤团粒结构和土壤通透性，有效地降低土壤的容重，明显增加土壤渗透系数、总孔隙率。

土壤结构的形成是土壤生物、土壤粘粒和有机质等共同作用的结果，微生物中尤其是霉菌和放线菌对土壤结构的形成起到一定的作用[2]。沈洁等[3-4]表明，绿肥翻压后，可以降低土壤容重，增大孔隙度，增加非毛管孔隙和减少毛管孔隙，使土壤三相比趋向更合理。绿肥一方面通过自身根系生长，增大土壤孔隙，降低土壤紧实度，表现为土壤容重的降低；另一方面，通过翻压后增加腐殖质来改善土壤的团粒结构，表现为土壤较大的水稳性团粒含量提高。王华等[5]研究表明，同常规稻作模式相比，稻-绿肥轮作处理使稻田土壤容重下降，增加了总孔隙度和非毛管孔隙度，提高>0.25mm 水稳性团聚体含量，土壤物理性状得到改善。且翻压不同绿肥的土壤养分不同，土壤团聚体组成也不一样，粒径越小，肥力、有机质、全N 和C/N 比都越高。在培肥地力、恢复和促进土壤团粒结构形成方面绿肥比化肥明显，绿肥可以较快地改善和提高土壤肥力水平[6]。

1.2 绿肥对土壤化学性质的调节

有机质是土壤的重要组成部分，是植物的养分和土壤微生物生命活动所需的能量来源，可以促进土壤生物活动，改善土壤理化性质，所以被认为是指示土壤质量的指标之一[7]。长期施用绿肥可提高有机无机复合物的数量和质量，降低原土有机无机复合度，尤以有机无机肥配施更为显著[8]。这是因为绿肥翻压不仅能使土壤有机质的数量增加，给作物提供丰富养分；而且能激发土壤生物活性，使土壤有机质矿化过程加速。长期双季稻冬闲处理土壤有机质含量随年份也表现上升趋势，但这种上升趋势未达到显著水平；长期双季稻绿肥轮作处理土壤有机质含量显著高于冬闲处理[9]。这种绿肥对土壤有机质的积累作用是受多种因素制约的，沈洁等[10]认为绿肥有7 个影响土壤有机质积累的因素：绿肥的播种方式、绿肥的用量和时间、绿肥的种植年限、绿肥的C/N 比、绿肥对易氧化有机质的影响、绿肥的分解速度和绿肥的腐殖化系数。

作物生长需要的pH 值环境，一般以偏中性为宜。有研究[11]认为翻压绿肥能够使土壤pH 值降低。这可能是由于绿肥翻压后增加了有机酸。最近也有研究认为，紫云英翻埋后，土壤pH 值不断提高，96 d 后土壤由原来的弱酸性（pH 值为6.08）上升到中性（pH 值为7.00 左右）[12]。另外紫云英还田有助于提高土壤的酸碱缓冲性，使土壤电导率呈增加趋势[13]。

绿肥作为重要的有机肥，本身就含有丰富的养分，翻压还田后易被作物吸收；而且其腐解产生的有机酸等物质会促使土壤中难溶性养分转变为活化态，同时促进微生物的生长从而进一步活化土壤养分[14]。国内外许多长期试验证明，绿肥在土壤中对土壤氮的矿化有明显的净残留影响，有助于土壤全氮量的提高。研究表明，土壤氮素的积累与土壤有机质含量呈正相关，绿肥用量增多，土壤氮素的储量也增多，土壤氮素随播种绿肥C/N 比的提高而增加[10]。也有大量研究表明，种植绿肥，土壤全量氮及速效氮含量能得到提高，而不同的绿肥对于土壤氮的影响不同[15-16]。

磷是植物的大量营养元素之一，然而与其他大量营养元素相比，土壤磷的含量相对较低。而长期施用绿肥等有机肥能不同程度的提高土壤总磷和有效磷的含量。土壤中的磷素易被固定，且随着外源磷的增加，磷的固定量也增加[17]。翻压绿肥可以增加土壤有机质，从而在一定程度上可以起到解除土壤磷固定的作用。

钾是植物必需的营养元素之一。植物对钾的吸收可降低土壤溶液钾离子浓度，打破土壤水溶性钾、交换性钾、非交换性钾和矿物结构钾之间的平衡关系，从而促进矿物钾向非交换性钾、非交换性钾向交换性钾以及交换性钾向水溶性钾的转化。绿肥作物可以直接活化和利用金云母中的矿物钾，且矿物钾的净释放量与有机酸分泌量及有机酸种类相关[18-19]。有研究表明，施用绿肥后的不同时间内土壤速效钾的含量不同程度的提高，提高幅度最大的为埋田一个月，且施用绿肥后的土壤速效钾含量显著高于不施用绿肥的土壤[20]。

与一般作物相比，绿肥作物对空气和土壤中的中量元素与微量元素也有较好的富集和活化效果，而且具有全面的矿质营养，还田后对作物的生长十分必要[21]。有人认为，现阶段作物缺硫的原因之一就是缺少了绿肥还田所提供的硫素营养[22]。

1.3 绿肥对土壤生物化学性质的影响

土壤微生物可以作为土壤有机质及养分循环和转化的动力，也是土壤养分的储备库，在土壤养分的转化和供给中起着重要作用[23]。在农业生产中，施用有机肥可以改善土壤微生物的生长环境，同时也是土壤微生物取得能量和养分的主要来源[24]。种植翻压绿肥，根系的胞外分泌物不仅直接增加了土壤有关酶类，还提供了多种易为根际微生物利用的营养和能源物质，从而增加了土壤微生物和酶类的活性。一般C/N 比小、木质素含量低的绿肥更有利于激发土壤的生物活性。据有关资料报道[25]，在潮砂泥川上种冬绿肥比对照分别提高了土壤耕层中脲酶（+18.2%）、蛋白质酶（+18.8%）和转化酶（+18.7%）等的活性。细菌和放线菌种类多、数量多有利于土壤养分的转化，而且通过营养抗性来抵御和抑制有害生物如土传病害病菌的生长和繁殖。土壤微生物中真菌数量的增加，一方面能促进有机残体的分解并形成一定量的腐殖质，改善土壤物理状况；但另一方面土壤真菌数量的增加也可能会增加作物遭受土传真菌性病害的机率。王丽宏等[26]的研究表明，冬季在6 种不同土质的稻田土壤种植黑麦草后，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，其余土质的稻田土壤都有增加，尤其在河沙泥稻田土壤增加得最多。总之，翻压绿肥对于改善和修复土壤微生态环境的作用均较明显。

2 绿肥对水稻生长和产量的影响

在绿肥对水稻生长和产量的影响方面，大量研究证明种植翻压绿肥在许多地区和多种作物上均有良好的增产效果。如水稻与绿肥轮作模式——长期稻-稻-绿肥（紫云英、油菜、黑麦草）轮作——与冬闲（不种植绿肥）处理相比，其早晚稻产量、平均单季产量、稻谷、稻草年产量以及地上部总生物量，都得到一定程度的提高[27]。有学者针对紫云英还田对水稻产量构成开展的研究表明，与单施化肥相比，紫云英与化肥配合施用能够使水稻有效穗、成穗率、每穗总粒数、实粒数、结实率、千粒重均得到不同程度的增加，并使水稻的理论产量增加640～1 159 kg/hm2，实际增产达到772～874 kg/hm2，增产幅度达到16.0%～18.1%，差异显著[28]。张树开[29]的研究表明，在翻压紫云英、化肥减量40%～60%的条件下，后茬水稻产量、经济效益高于单施化肥处理，其中紫云英+60%化肥处理水稻产量、经济效益最高，与纯化肥处理相比，水稻增产6.3%，经济效益提高10.0%。另外还有针对绿肥还田对水稻自身功能影响作了大量研究。袁颖红[30]等研究发现，与不施肥及无机肥相比，长期有机肥（猪粪+紫云英绿肥）与无机肥配施有利于提高水稻孕穗期、齐穗期、乳熟期剑叶叶绿素含量、净光合作用速率、气孔导度、蒸腾速率、水分利用效率、保护酶活性和水稻产量。而叶绿素含量、净光合速率、部分保护酶活性和水稻产量之间均呈显著正相关。因此，长期施用绿肥，特别是有机肥与无机肥配施更有利于促进红壤区水稻生长发育和提高水稻叶片保护酶活性及水稻产量[31]。

3 问题与展望

综上所述，绿肥与无机肥的合理配施能增强可持续水稻生产所必需的土壤肥力的维持，尤其是在资源贫乏的地方。在以水稻为基础的农业生产中增加绿肥的使用，主要存在三个问题：（1）造成绿肥使用减少的因素是什么？这些因素在不同水稻环境中有什么不同？（2）什么是当前扩大绿肥在不同水稻环境下使用的机遇？（3）在技术可行的地区要扩大绿肥的使用需要什么应用研究？在不同的情况下绿肥使用减少和不断下降的主要原因如下：（1）相对于绿肥，无机氮肥的使用成本较低。（2）对大多数农民来说，无机化肥供应量增加，处理无机肥料相对容易。（3）土地有经济上更合算的用途。（4）种子发芽率低而成本高。（5）翻压绿肥较难。（6）在翻压绿肥时劳动力缺乏。（7）研究和推广中对有机肥的重视程度低。面对化肥成本的增加和供应限制，绿肥在增加养分供应方面有较大的潜力。早期的研究致力于不同的农业气候区域的绿肥种植措施，而目前需要对试验进行改进，使作物对绿肥作物的反应可以量化。对于能够表征作物反应的因素，必须确定发展绿肥生产的完善的科学战略；需要得到更好的了解绿肥分解时的养分释放模式和水稻作物对养分的利用模式；需要评估绿肥对土壤性质和作物响应的长期影响。对固定高氮或高生物量的绿肥品种或品系的鉴定是另一个重要的研究领域。随着知识的发展，绿肥的生产措施必将有助于提高生产力。

绿肥与无机肥的科学合理配施，为水稻可持续生产，提供了土壤肥力的保证。而这种措施对于拥有的土地少、资源基础薄弱、生产和生产力水平低、已经出现土壤养分缺乏或不平衡的地方尤为关键。就湖南省绿肥作物而言，目前，全省绿肥种植面积小、鲜草产量低，分布不均匀、结构不合理，种源缺乏、品种混杂，管理粗放、技术缺乏。因此根据农业生产的实际需要和湖南的有利条件，全省绿肥种植面积可以发展到150 万hm2，占耕地的45%。其中稻田绿肥120 万hm2，旱地绿肥30 万hm2。就绿肥自身而言，要提高经济效益，加强多功能、多品种、多途径、多效益的研究与开发利用，这是湖南省今后绿肥发展的方向[32]。

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