绿肥在河北省现代农业发展中的作用及其高效种植技术模式

秦文利，刘忠宽，智健飞

（1.河北省农林科学院农业资源环境研究所，河北 石家庄 050051；2.中国科学院研究生院，北京 100049）

绿肥在河北省现代农业发展中的作用及其高效种植技术模式

秦文利1，2，刘忠宽1*，智健飞1

（1.河北省农林科学院农业资源环境研究所，河北 石家庄 050051；2.中国科学院研究生院，北京 100049）

绿肥具有吸碳固氮、活化土壤难溶性养分、实现养分良性循环、改善土壤理化性状等特性。针对河北省现代农业生产中化肥过量投入、盐碱地利用难度大、冬闲田光热水土资源浪费、设施蔬菜生产环境恶化等问题，利用绿肥优良特性，将绿肥作物通过轮作、间作、套作纳入到种植制度中来，可以挖掘河北省现代绿肥生产的时空潜力。探讨并建立了河北省绿肥作物高效种植利用技术模式，提出绿肥未来发展应重点解决绿肥与主作物水分一体化管理、绿肥生产机械化、绿肥产品多元化开发等问题，旨为现代绿肥的推广种植及农业的可持续发展提供依据。

河北省；绿肥；种植模式；养分良性循环；现代农业；可持续发展

河北省是我国重要的农业生产省份，在保障国家 粮食安全和建立现代农业产业体系中发挥着重大的作用。目前，河北省农业生产中普遍存在着化肥过量投入、耕地质量退化、冬闲田和后备耕地资源利用率低、设施蔬菜生产环境恶化等问题，严重制约着现代农业的可持续发展。绿肥能够吸碳固氮[1，2]、活化土壤难溶性养分[3]、促进养分良性循环[4～7]、有效培肥改土[8，9]、防止土壤侵蚀[10，11]、全面提升耕地综合生产力，同时显著降低农田化肥与农药投入[12，13]，具有节能、减排和增效的特点，有利于环境友好型农业生产方式的建立。因此，发展绿肥生产符合我国现代农业产业体系建设的要求。针对河北省农业生产中存在的主要问题，结合绿肥优势，建立绿肥作物高效种植技术模式，以期为提高耕地资源综合生产能力，建立环境友好型农业生产方式，促进区域农业可持续发展提供支持。

1 河北省农业生产的主要问题及发展绿肥的必要性

1.1 化肥过量投入

全国第2次土壤普查数据显示，河北省耕地有机质平均含量2.2%、全氮含量0.074%、速效磷含量6 mg/kg，含量均偏低[14]。为了保障国家粮食安全，满足社会需求，该省在农业生产中普遍存在过量施用化肥的现象。数据显示，河北省农用化肥总施用量呈逐年增加趋势（表1），其中，氮肥用量最高（平均152.77万t），占总用量的44%以上。河北省粮食生产的主要种植模式为冬小麦/夏玉米一年两熟，该模式的氮投入量约为600 kg/（hm2·a），是作物氮素需求量300 kg/（hm2·a）[15，16]的2倍。蔬菜生产周期短、需肥量大，过量施肥现象更为严重。张彦才等[17]调查发现，河北省茄果类设施蔬菜的磷肥施用量超出需求量9倍以上。

表1 2004～2014年河北省农用化肥的使用量 （万t）Table 1 The change of agricultural chemical fertilizer of Hebei from 2004 to 2014

过量施用化肥会引起气候变暖、地下水污染、水体富营养化等生态环境问题[18]，同时，化肥需求带动化肥生产，进而造成资源和能源消耗，以及环境污染[19]。且长期过量施用化肥还会导致土壤酸化、结构破坏、重金属积累，引起土壤质量退化[20]。而用绿肥替代化肥，能全面补充土壤养分、减少环境污染，改善土壤理化性状，提高耕地生产力[21]。因此，发展绿肥生产是建立环境友好型农业生产方式、促进农业可持续发展的必然要求。

1.2 后备耕地资源利用难度大

2014年末，河北省实有耕地面积较1949年减少72.81万hm2，总人口增加4 297.69万人，人地矛盾突出[22]。开发利用后备耕地资源成为增加粮食产量、保障粮食安全、解决人地矛盾的重要途径。河北省后备耕地资源约有23.89万hm2，由可开垦和可复垦土地构成，以可开垦土地为主，占后备耕地资源的96.99%（表2）。可开垦土地中，盐碱地占22.56%，主要集中于海兴和黄骅等地区[23]；可复垦土地中，以废弃压占地为主（0.48万hm2，占2.01%）[23，24]；可以看出，盐碱地和矿山复垦是河北省提升后备耕地综合生产力的2个重要方面。

表2 河北省后备耕地资源的类型及其面积Table 2 The type and area of reserve cultivated land resources in Hebei

绿肥因具有培肥改土功能而成为治理盐碱地、修复废弃矿山的有效生物途径。因此，开发利用绿肥是提升河北省后备耕地生产力的重要生物途径。

1.3 设施蔬菜土壤环境恶化

河北省设施蔬菜发展迅速，2014年末全省蔬菜种植面积39.98万hm2，产量2 677.41万t，成为农民增收的支柱产业[22]。但土壤环境恶化制约着设施蔬菜的可持续发展。设施蔬菜常年单一品种种植导致土壤元素被选择性吸收，土壤养分不均衡引起土壤微生物区系变化，有害微生物增多，脲酶、蛋白酶和蔗糖酶活性下降，土传病害加重。由于生产环境封闭，土壤长期处于高温、高湿、高蒸发、无雨水淋溶的环境中，过量施肥导致土壤酸化、养分表聚、次生盐渍化、病虫害严重，以及产量和品质下降。轮作是防治连作障碍的有效生物措施[25]。利用夏闲期轮作绿肥作物，可平衡土壤养分、改善土壤结构、优化土壤微生态环境，切断土传病害的传播；同时，能吸收土壤表聚养分，改善土壤的酸化和次生盐渍化状况，降低蔬菜的硝酸盐含量，提高蔬菜产量和品质，保护人类健康、减轻环境风险，促进设施蔬菜的可持续发展[26～28]。

1.4 冬闲田光热水土资源浪费严重

河北省水资源匮乏，2014年未进行有效灌溉的耕地有113.35万hm2[22]，主要为春播作物区，而春播作物收获后会形成冬闲田。因地下水“限采”，河北省冬小麦种植面积下降，冬闲田面积迅速扩大。冬闲田不仅浪费光、热、水、土资源，而且更易引起土壤风蚀、水蚀、表土流失、扬尘，以及冬季雾霾、春季沙尘暴等生态环境问题[2]。春播作物如棉花、花生等长期连作会产生连作障碍，导致土传病虫害加重，降低作物产量和品质。冬闲田覆盖绿肥作物，能充分利用光、热、水、土资源，减少扬尘、保护水土，吸收残留养分，防治地下水污染[29]。绿肥翻压后，实现养分良性循环，改善土壤理化性状，提升农田的综合生产能力[21]。因此，覆盖冬绿肥是提高冬闲田综合生产力、保护生态环境、实现农村生态美的重要途径。

1.5 优质饲草料短缺

河北省是农业大省，也是畜牧大省，肉蛋奶产量名列全国前茅。2014年河北省青饲料播种面积为5.86万hm2[22]，远不能满足全省畜牧业发展的需求。农作物秸秆为该省发展畜牧业的主要饲料，但是，其蛋白质含量低，适口性和可消化性差，不能满足高产、高效现代畜牧业发展的需求[30]。优质饲草料是发展现代畜牧业的基础。在美国，优质饲草占全国畜牧业所用饲料的比例高达62.5%[31]。适时刈割的绿肥，蛋白质含量高、柔嫩多汁、适口性好、易消化，可作为优质牧草，如紫花苜蓿、毛叶苕子、箭筈豌豆、红豆草、黑麦草、小黑麦、沙打旺等[3]。将绿肥作物纳入到河北省农作物种植制度中来，可以在实现生态养地的过程中为全省畜牧业的发展提供大量优质饲草料，实现农牧业的有机结合，促进畜牧业的转型升级与可持续发展[32]。

2 绿肥在河北省现代农业发展中的作用

2.1 替代部分化肥

绿肥养分完全，翻压后可快速腐解，释放矿质养分。据研究，箭筈豌豆、苕子、山黧豆等豆科绿肥盛花期翻压15 d后，碳、氮、磷、钾的累积释放率均在50%以上[33]；冬牧70、大麦等禾本科绿肥翻压后，30 d内氮、磷、钾的累积释放率达80%左右[34]。第2次全国土壤调查数据显示，河北省74.8%的耕地有效锌含量在0.5 mg/kg以下[14]。绿肥富含微量元素，翻压后能有效补充土壤中的微量元素[35]。因此，绿肥替代化肥，能全面补充土壤养分，增加作物产量，提高肥料利用率。张久东等[36]在小麦上的研究结果显示，用绿肥替代30%的化学氮肥，小麦增产24.7%。李燕青等[37]在棉花上翻压二月兰和毛叶苕子后，子棉增产30%左右，化肥农学利用率分别提高145%和95%左右。熊静等[38]研究表明，冬闲田覆盖二月兰能减少0～180 cm土层中硝态氮的累积量。绿肥替代化肥是实现农业节能、减排、增效的重要途径，也是可持续农业的重要组成部分。

2.2 提高后备耕地生产力

绿肥改良土壤的核心是改善土壤的理化性状，主要作用表现在4个方面：①收获后带走土壤中的盐分；②覆盖地表，减少水分蒸发，阻止盐分向地表迁移；③强大的根系吸收深层地下水，抑制返盐；④增加土壤通透性，加强淋盐过程[39，40]。绿肥翻压后可疏松土壤、降低土壤容重、改善土壤孔性，增强土壤蓄水保墒能力。绿肥强大的根系可穿插切割土壤，降低土壤紧实度，增加土壤通透性。因此，绿肥能有效改善土壤的物理性状。同时，绿肥强大的根系可以吸收土壤中的难溶性磷和钾。绿肥腐解后产生的有机酸能活化土壤中的难溶性磷和钾。豆科绿肥可进行生物固氮。因此，绿肥能够吸碳、固氮、解磷、富钾，全面补充土壤养分，改善土壤的化学性质[3]。速生绿肥能快速恢复植被，防止水土流失，生态修复废弃尾矿的土地[41]。因此，绿肥能够改良盐碱地，修复废弃尾矿，有效提升后备耕地质量，是保障粮食安全，解决人地矛盾的重要途径。

2.3 覆盖裸露耕地

冬闲田和果园清耕导致地表裸露，易引起水土流失、土壤侵蚀、扬尘等生态环境问题。绿肥覆盖地表能抑制扬尘，减轻土壤风蚀和水蚀，是解决冬闲田和清耕果园地表裸露的生物途径。梁金凤[42]研究表明，二月兰冬春地表覆盖率为83%～100%。冬绿肥残体分解后可增加土壤有机质含量，改善土壤结构，增强土壤水分的渗透能力，减少水土流失。种植二月兰、毛叶苕子，可分别蓄积氮145 kg/hm2和153 kg/hm2。冬绿肥还田后可实现养分的良性循环[2]。吴志丹等[43]研究表明，茶园覆盖绿肥3 a可使土壤有机质含量提高9.82%以上，全氮、碱解氮、有效磷及速效钾含量均显著提高。李会科等[44]研究发现，种植白三叶和黑麦草能增加苹果园0～40 cm土壤团聚体数量、提高孔隙度、降低容重，改善土壤的持水能力。绿肥作物阻隔了降雨对土壤的冲击力，增强了土壤的渗透与持水能力。路海东[45]研究表明，绿肥能减少地表径流30%以上。冬绿肥可蓄积土壤残留养分。

2.4 优化设施蔬菜生产环境

土壤环境恶化制约着设施蔬菜的可持续发展。种植填闲绿肥是有效改善设施蔬菜生产环境的生物途径。速生、生物量大、根系发达的绿肥作物能有效消除设施土壤的残留养分。甜玉米吸氮330 kg/hm2，能显著消减0～120 cm土壤剖面的硝态氮积累[46]。填闲绿肥能增强土壤酶活性，其中，苏丹草、黑麦的效果优于鼠尾草和油菜[47]。日光温室种植并翻压甜玉米、苏丹草、高丹草，均能明显增加土壤总菌、细菌、放线菌的数量，提高B/F值[48]。因此，绿肥能吸收土壤的过量养分，调节土壤C/N比，改善土壤微生物区系，减轻土壤连作障碍，提高设施蔬菜的产量与品质。

3 河北省绿肥作物高效种植技术模式

将绿肥通过轮、间、套作纳入主作物种植制度是国内外绿肥利用的普遍模式[49～51]。针对农业生产中的主要问题，结合国内外绿肥研究基础，依据土地分区利用原则，从时间和空间上挖掘绿肥种植的利用潜力，河北省绿肥主要种植技术模式有以下5种：

3.1 冬小麦种植模式

冬小麦/夏玉米一年两熟是河北省粮食生产的主要形式。小麦、玉米属禾本科作物，需氮量大。利用豆科作物共生固氮及氮素转移作用，将夏玉米与豆科绿肥间作，合理配置，适时翻压，可增加当季作物的收益以及后茬冬小麦的产量。该模式减氮增效，是环境友好型的绿肥种植模式，主要有夏玉米//大豆-冬小麦种植模式、夏玉米//花生-冬小麦种植模式[52]。

3.2 冬闲田绿肥高效种植模式

筛选耐寒、耐旱绿肥作物覆盖冬闲田，可以改善土壤质量、保护生态环境、提供优质饲草。在河北地区能够越冬且耐旱的绿肥作物品种主要有黑麦、小黑麦、二月兰、毛叶苕子、箭筈豌豆、草木樨等，可与棉花、春玉米、春花生、春谷子、马铃薯、向日葵等形成轮、套作种植体系[53]。

3.3 设施蔬菜填闲绿肥种植模式

利用设施蔬菜夏闲期种植填闲绿肥，可以改善设施蔬菜的土壤环境。因夏闲期短，因此，应选择速生、吸肥量大等的绿肥种类。甜玉米、苏丹草、马齿苋、高丹草、黑麦草、小黑麦等均为优良的填闲绿肥，与设施蔬菜轮作，能起到较好的吸肥改土作用[26～28，49～51]。

3.4 果园绿肥种植模式

果园绿肥种植模式主要有全园覆盖和带间覆盖2种。河北地区冬春干旱，水资源匮乏，选择果园绿肥品种应符合耐旱、浅根系、耗水量少、生育期短、耐践踏、能引诱果树害虫天敌等原则，主要绿肥品种有白三叶、二月兰、毛叶苕子、百脉根、小冠花、鼠茅草和油菜等，不同绿肥品种混播更利于培肥土壤[3，52]。

3.5 盐碱地、废弃尾矿绿肥培肥改土模式

轻、中度盐碱地（全盐含量＜4%）绿肥种植技术模式有：①紫花苜蓿与春玉米轮作：即紫花苜蓿连续种植利用5～6 a后，耕翻种植春玉米2～3 a；②春玉米、棉花套复种二月兰、毛叶苕子、黑麦、小黑麦技术模式：将绿肥种子在春玉米、棉花生长后期撒播于行间，或等其收获后条播。重度盐碱地（全盐含量＞4%）可种植田菁、高粱、高丹草、野豆子、甜菜、碱茅、高冰草等做饲草用或连年翻压改良盐碱地[54，55]。紫花苜蓿、沙打旺、小冠花、白三叶、草木樨、黑麦草等绿肥作物均能修复废弃尾矿土地[24]。

4 问题与展望

4.1 绿肥与主作物水分一体化管理

种植绿肥消耗土壤水分，将引起与主作物争水的矛盾。但绿肥翻压后，因改善土壤理化性状而增强土壤水的入渗性、持水性、保水性，增加土壤贮水量。绿肥覆盖地表，可以减少土壤水分无效蒸发。郝淑英等[56]研究表明，苹果园覆盖白三叶、百脉根等绿肥能显著增加0～20 cm土层含水率。陈奇恩等[57]研究表明，柽麻翻压前降低0～100 cm土层贮水量，翻压后0～20 cm土层贮水量可恢复到对照水平。种植绿肥是否与主作物争水取决于绿肥的品种、播期、翻压期以及当年的降雨量[58]。河北省水资源匮乏，解决绿肥与主作物争水矛盾，实现水分一体化管理是绿肥推广种植的前提。

4.2 绿肥生产机械化

随着河北省土地流转的推进，农业生产机械化成为推动现代农业发展的基础。绿肥纳入河北省不同区域农作物种植制度中，增加了种植难度与劳动量，影响了绿肥的快速推广。实现绿肥播种、收获、翻压、病虫害防治等技术的机械化，将能够推动绿肥的快速发展。

4.3 绿肥产品的多元化开发

发展绿肥产业具有社会、生态和经济效益。经济效益决定着农民种植绿肥的积极性，是加快绿肥产业发展进程的前提。开发多元化的绿肥产品，可以增加绿肥种植的经济效益。如多种绿肥可作为优质牧草，生产草产品。苜蓿草产品有草捆、草颗粒、草粉等。二月兰种子油富含亚油酸，可防治心脑血管疾病；其嫩叶富含胡萝卜素、维生素B、维生素C，可作为早春蔬菜。因此，多元化开发绿肥产品将成为绿肥产业未来发展的重要方向。

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Effect of Green Manure in the Development of Modern Agriculture in Hebei Province and Its Efficient Planting Pattern

QIN Wen-li1，2，LIU Zhong-kuan1*，ZHI Jian-fei1

（1.Institute of Agricultural Resources and Environment，Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Shijiazhuang 050051，China；2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

Green manure have many excellent characterisitics such as it can assimilate CO2，fix N2，activate the insoluble nutrient in soil，and achieve a good cycling of nutrients to improve the physical and chemical properties of soil.In virtue of the questions in modern agriculture of Hebei such as the excessive usage of chemical fertilizer in farmland，the great difficulty in developing the saline alkali land and the waste of light，heat，water and land and the deterioration of the productive environment of facility vegetable，the study suggested inserting the green manure crops into planting system could explore the potential of modern green manure production in time and space in the agriculture of Hebei，and could investigate and establish an efficient planting pattern of a green manure crop，and pointed out that the future development of green manure in Hebei should be focused on the questions of integrated management of green manure crops and main crops， production mechanization and diversified product of green manure， whose aims were to provide the basis for the spread of the planting technology of modern green manure crops and the sustainable development of modern agriculture.

Hebei Province；Green manure；Planting pattern；A good circulation of nutrients；Modern agriculture；Sustainable development

S142

：A

：1008-1631（2017）01-0057-06

2016-07-19

河北省农林科学院基本科研业务费项目（A2015130201）；河北省科技计划项目（14227505D）；国家公益性行业（农业）科研专项（201103005-07）

秦文利（1974-），女，河北邯郸人，副研究员，博士研究生在读，硕士，主要从事绿肥与草业科学研究。E-mail：qinwenli1020@163.com。

刘忠宽（1971-），男，河北滦县人，研究员，博士，主要从事草业科学研究。E-mail：zhongkuanjh@163.com。