綠肥對(duì)紫色土改良的重要性及相關(guān)研究進(jìn)展

摘要：長(zhǎng)期以來，由于各種自然和人為因素的影響導(dǎo)致紫色土土壤肥力受到了不同程度的破壞。而綠肥作為一種無公害的優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥料，對(duì)改良土壤有較好的作用。綠肥能增加土壤氮素，活化并富集土壤磷、鉀元素；增加土壤含水量和土壤通透性，有效降低土壤的容重，并且能增加總孔隙度和毛管孔隙度；增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，有利于提高土壤微生物活性和土壤酶活性；種植綠肥還能在一定程度上改善土壤環(huán)境。因此，綠肥可作為紫色土改良的重要措施。同時(shí)，還提出了綠肥在紫色土改良中存在的主要問題及今后的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：綠肥；紫色土改良；研究進(jìn)展

中圖分類號(hào)：S142 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）02-0280-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.02.002

1 綠肥對(duì)紫色土改良的重要性

近50年來中外學(xué)者一直重視對(duì)紫色土的研究，紫色土坡耕地的成土母質(zhì)為紫紅色頁巖、砂頁巖和砂巖，天然養(yǎng)分豐富，易風(fēng)化，易熟化[1]。紫色土分布較廣[2]，以四川盆地分布最為集中[3，4]。四川省土地面積約19萬km2（含重慶），紫色土耕地面積約占四川省耕地的68%。并且紫色土的生產(chǎn)潛力很大，歷來都是四川省農(nóng)業(yè)的主體區(qū)域[1]。

紫色土作為部分地區(qū)的主要耕作土壤，與一般耕地相比產(chǎn)量卻不是很高。這主要是因?yàn)樽仙恋靥幧降厍鹆辏露竿帘。s73%的紫色土坡耕地土層厚度為20～60 cm[5]；土粒粗大，保水保肥力差，抗旱力弱；礦質(zhì)養(yǎng)分多，有效養(yǎng)分低[6]，并且紫色土所處區(qū)域一般降雨比較集中，加上人口密度大，生產(chǎn)活動(dòng)頻繁等原因，使得該區(qū)域內(nèi)水土流失現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，四川丘陵區(qū)紫色土水土流失面積達(dá)771萬hm2，年流失表土達(dá)3 177億t，占全省水土流失量的36.7%[5]。但紫色土經(jīng)過改良后的利用價(jià)值較大，因?yàn)樗淖匀环柿Ρ燃t、黃壤高且易于利用，易于改良[7]。因此，探索出適宜的紫色土改良方法對(duì)于紫色土占絕對(duì)面積的農(nóng)作物產(chǎn)量的提高具有重大意義。

綠肥是指所有能翻耕到土壤里作為肥料用的綠色植物，是一種養(yǎng)分完全的優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥料[8]。在中國為了培肥地力，從20世紀(jì)五六十年代起人們就開始大量引種綠肥[9]。中國綠肥資源豐富且分布廣泛，從國內(nèi)原產(chǎn)和國外引進(jìn)的大量綠肥品種資源中，選擇和培育出了一批適應(yīng)中國不同自然條件和耕作制度的綠肥種類及品種。這些綠肥共有98種，其中豆科72種，非豆科26種，而栽培面積較大的有6科20屬32種，其中豆科26種，非豆科6種[10]。有研究表明，綠肥在改良土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力上有良好的表現(xiàn)[11，12]。此外，綠肥種植能延長(zhǎng)地面覆蓋時(shí)間，增加地面的植被覆蓋度，防止地面濺蝕[13]，并能有效地利用豐富的光熱資源，控制水、土、肥的流失[14]，既可以防止土壤表面積鹽，又可以降低地下水位和鹽分，同時(shí)改良土壤的物理性質(zhì)，又增加有機(jī)質(zhì)和土壤微生物[15]，且具有修復(fù)土壤重金屬污染[9]和降低土壤pH[16]的特殊功能，從而徹底改善周圍的生態(tài)環(huán)境，以達(dá)到用地養(yǎng)地的目的[17]。總之，綠肥是人們公認(rèn)的無公害生物肥料之一，而且其對(duì)土壤改良有顯著效果。

目前，人口劇增、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、需求增長(zhǎng)、環(huán)境惡化均使人地矛盾更加尖銳，如何采取有效措施來充分利用土地資源并對(duì)退化土地進(jìn)行治理便顯得尤為重要。自20世紀(jì)90年代以來，由于糧食生產(chǎn)效益低、農(nóng)村勞務(wù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展快等社會(huì)和經(jīng)濟(jì)原因，南方紫色土的冬閑田面積不斷擴(kuò)大。據(jù)調(diào)查，中國南方16省市區(qū)的秋冬種植面積僅占耕地面積的60%左右，冬閑面積近2×107 hm2。耕地的大量閑置不僅造成光、熱、水、土資源的大量浪費(fèi)，同時(shí)也引起土壤質(zhì)量退化、養(yǎng)分流失等生態(tài)環(huán)境問題。總之，紫色土改良是很迫切的，利用綠肥種植和翻壓對(duì)紫色土改良而言也是非常重要的。

2 綠肥對(duì)土壤改良作用的綜述

2.1 綠肥有利于土壤養(yǎng)分的增加和土壤有機(jī)質(zhì)的提升

2.1.1 綠肥能增加土壤的氮素來源 大氣中的氮含量為79%，但是大部分的氮不能直接被植物吸收利用，只有通過生物固氮、化學(xué)固氮等固氮途徑轉(zhuǎn)化后才能被植物利用，其中生物固氮占絕大部分。在生物固氮方面，豆科作物的共生固氮占全球的生物固氮總量的40%左右。綠肥作物多為豆科作物，具有比較強(qiáng)的固氮能力，種植綠肥可以充分利用其生物固氮機(jī)制增加土壤氮素含量，加速擴(kuò)大農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的氮素循環(huán)[18]。許多長(zhǎng)期試驗(yàn)證實(shí)，綠肥氮在土壤中的礦化大多有明顯的凈殘留，因此，有助于土壤全氮量的提高[19]。此外，綠肥在分解過程中對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的積累與氮素的釋放相關(guān)性極好，據(jù)有關(guān)資料介紹， 綠肥翻壓后，土壤中的有機(jī)氮大約有98%來源于有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化[10]。據(jù)有關(guān)研究報(bào)道，每公頃壓入綠肥鮮草15 000 kg，平均相當(dāng)于往土壤中加入氮素75 kg[9]。Mehmet等[20]研究表明，與冬季種植小麥相比，冬季種植綠肥后，再種植土豆的土壤，其經(jīng)濟(jì)最適施氮量要減少30 kg/hm2。可見，種植綠肥能增加土壤的氮輸入，提高土壤氮含量[21]。

2.1.2 綠肥能活化和富集土壤磷 土壤中能被植物直接吸收利用的化學(xué)磷肥很少，這主要是因?yàn)榱追适┤胪寥篮蟠蠖急还潭āＭ寥缹?duì)磷的吸持作用是影響土壤對(duì)作物供磷能力的重要因素，它既與成土母質(zhì)有關(guān)，也受耕種、栽培、施肥等農(nóng)業(yè)技術(shù)措施的影響[22，23]。研究表明，綠肥作物能增加土壤中的有效磷，原因之一是綠肥自身含有較多的活性和中度活性的有機(jī)磷，這部分磷易于分解釋放。此外，綠肥施入土壤后可增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，有機(jī)質(zhì)礦化分解能產(chǎn)生有效磷。并且綠肥中還含有大量的微生物，其能吸收固定化肥磷，促進(jìn)了無機(jī)磷向有機(jī)磷的轉(zhuǎn)化。此外，綠肥不僅通過自身所帶的磷增加土壤中有效磷的含量，而且還能通過還原、酸溶、絡(luò)合融解等作用活化土壤中難利用的磷為可利用的磷[24，25]。豆科綠肥作物通過其發(fā)達(dá)的根系，將下層土壤中的磷富集到土壤耕層中，從而顯著地提高了耕層土壤中磷的含量[26]。還有研究表明，綠肥在腐解過程中，釋放有機(jī)酸等可溶性物質(zhì)，這可以降低土壤pH，在一定程度上起到解除土壤磷固定的作用[27]。研究證實(shí)，每公頃壓入綠肥鮮草15 000 kg，平均相當(dāng)于往土壤中加入磷素（P2O5）30 kg[9]。由此可見，種植和翻壓綠肥對(duì)活化并富集土壤磷有著重要作用。

2.1.3 綠肥能活化和富集土壤鉀 近10年來，土壤鉀缺乏問題隨著大量使用氮、磷肥和低投入鉀肥而日趨嚴(yán)重[28]，而施用有機(jī)肥對(duì)土壤速效鉀有良好的活化和富集作用[29]。鉀是植物必需的營養(yǎng)元素之一，土壤中的鉀以不同的形態(tài)存在。周曉芬等[27]研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)施用綠肥可明顯提高土壤速效鉀和緩效鉀含量，這主要是因?yàn)榫G肥本身所含的鉀不斷施入以及有機(jī)膠體在其交換表面具有保持養(yǎng)分的巨大能力，并且綠肥作物根系發(fā)達(dá)，主根入土很深，特別是豆科綠肥作物，如苜蓿入土可達(dá)3.87 m，毛葉苕子可達(dá)2.5 m[30]，通過這些具有發(fā)達(dá)根系的綠肥作物的吸收利用，將土壤耕層甚至深層中不易為其他作物吸收利用的鉀活化并富集起來，待綠肥翻耕腐解后，大部分重新以有效形態(tài)存在于耕作層中，為其他作物吸收利用[9]，這能在一定程度上提高土壤中速效鉀的有效性。研究表明，每公頃壓入綠肥鮮草15 000 kg，平均相當(dāng)于往土壤中加入鉀素（K2O）60 kg[9]。可見，種植和翻壓綠肥是活化和富集土壤速效鉀的重要途徑之一。

2.1.4 綠肥能活化某些土壤微量元素 在植物正常生長(zhǎng)的時(shí)期，除需要大量營養(yǎng)元素外，還需要適量的微量元素。司鵬等[31]對(duì)18種果園常用豆科綠肥進(jìn)行了研究，表明果園常用豆科綠肥都不同程度的含有鐵、錳、鋅、銅4種微量元素。霍穎等[32]在梨園行間間作白三葉，對(duì)土壤成分進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，梨園多年種植綠肥可提高土壤不同深度的可直接被果樹利用的鐵、錳、鋅、銅的含量。此外，缺鋅是部分地區(qū)的一個(gè)特殊問題，而苕子植株中的鋅含量占干物質(zhì)的0.031‰，種植3年毛葉苕子后，0～10 cm表土含鋅量由92.5 mg/kg提高到170.0 mg/kg，其中有效鋅含量由2.9 mg/kg提高到4.9 mg/kg[33]，避免了缺鋅癥的發(fā)生。可見，種植和翻壓不同綠肥后，能明顯提高某些土壤微量元素含量，從而避免其缺素癥的發(fā)生。

2.1.5 綠肥能明顯提升土壤有機(jī)質(zhì)含量 土壤有機(jī)質(zhì)含量的高低直接影響到土壤的理化性狀和作物對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收情況[34]。因此，土壤有機(jī)質(zhì)含量的多少，是土壤肥力高低的一個(gè)重要指標(biāo)[35-37]。一般情況下，土壤有機(jī)質(zhì)在土壤當(dāng)中的含量相對(duì)穩(wěn)定，但一定時(shí)間內(nèi)翻壓綠肥還是會(huì)引起土壤有機(jī)質(zhì)較大的變化[37]。研究表明，綠肥翻壓4周后，土壤有機(jī)質(zhì)即有增加的趨勢(shì)[26]。綠肥施入土壤后， 對(duì)增加土壤中有機(jī)質(zhì)總量的效果比較顯著， 而且翻壓量越大，形成的有機(jī)質(zhì)總量也越多，可以緩解田地有機(jī)肥缺乏的矛盾[38]。紫色土旱地種植不同模式的豆科綠肥后，土壤有機(jī)質(zhì)含量均有增加，且以凈種綠肥處理增加較多[21]，種一季綠肥可使土壤中有機(jī)質(zhì)含量提高0.01%～0.03%[39]。總之，種植和翻壓綠肥對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)增加有明顯的效應(yīng)。

2.2 綠肥能明顯改善土壤物理性狀

綠肥本身是“綠色小水庫”，綠肥含有80%～85%的水分[9]，因此，翻壓綠肥能在一定程度上增加土壤含水量，降低不同土層的土壤硬度[40]。綠肥含有較高的有機(jī)質(zhì)，而有機(jī)質(zhì)含量的增加，將有利于土壤理化性狀和生物性狀的改善，使土壤疏松多孔、容重變小、通氣性和持水性增強(qiáng)，耕性變好，地力水平提高[18]。綠肥翻入土壤后，通過腐質(zhì)化作用不僅提高刺激植物生長(zhǎng)的胡敏酸和富里酸類物質(zhì)的含量，而且與土壤形成腐植酸物質(zhì)等有機(jī)—無機(jī)復(fù)合膠體，改善了根際土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和土壤通透性，有效地降低根際土壤的容重，明顯地增加土壤滲透系數(shù)、總孔隙率[41]。有研究表明，種植和翻壓綠肥后，土壤孔隙度增加10%、容重下降0.25 g/cm3，土壤通氣性、持水性和保肥性增強(qiáng)[16]。也有研究表明，在桉樹人工林下間作柱花草后，土壤容重比對(duì)照降低3.4%，毛管含水量、總孔隙度、毛管孔隙度分別比對(duì)照提高4.48%、1.98%、7.68%，非毛管孔隙度、毛孔隙度比值分別比對(duì)照降低5.79%、0.25%[42]。此外，也有研究表明，在退化紫色土旱坡地引種適宜綠肥品種后，發(fā)現(xiàn)其不僅自身生長(zhǎng)良好，而且對(duì)防治水土流失、改良土壤結(jié)構(gòu)、抗旱保墑、培肥土壤、保水保溫等方面均有顯著的效果，能極大地改善旱坡地紫色土地區(qū)惡劣的生境條件[43，44]。由此可見，種植并翻壓綠肥是改善土壤物理性質(zhì)的一個(gè)很好選擇。

2.3 綠肥有利于土壤微生物活動(dòng)和土壤酶活性提高

土壤微生物活動(dòng)和土壤酶活性是土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵因子[45]，它們受施肥等因素的影響可迅速發(fā)生變化。土壤微生物積極參與養(yǎng)分循環(huán)，而土壤酶活性能靈敏地反映環(huán)境因子的變化，它們常被用于評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量生物學(xué)性狀[46-48]。有研究表明，相同施肥條件下，綠肥對(duì)土壤微生物量的累積一般要超過農(nóng)作物的種植[49]。綠肥一方面通過根系的胞外分泌物直接增加了根際土壤有關(guān)酶類[50]，另一方面為根際微生物提供了多種易被吸收利用的新鮮有機(jī)能源物質(zhì)，從而增加了根際土壤微生物和酶類的活性[51]。也有研究表明，與空白對(duì)照相比，翻壓綠肥后土壤中真菌、細(xì)菌、放線菌3大類群微生物的總量成倍或成10多倍的增加[27]。因此，翻壓綠肥對(duì)土壤微生物指標(biāo)有積極意義。

2.4 綠肥有利于土壤環(huán)境的保護(hù)

種植綠肥可以保蓄水分，減輕土壤風(fēng)蝕，增加地面覆蓋。這主要是因?yàn)榫G肥作物一般都有發(fā)達(dá)的根系，枝葉繁茂，地面覆蓋度比較大，并且其枝葉可以截取降水，降雨時(shí)有相當(dāng)一部分?jǐn)?shù)量的雨水被截留在枝葉上，特別是在降雨量不大時(shí)[9]。已有研究表明在水土流失區(qū)種植沙打旺等綠肥作物，不僅能顯著降低水土流失強(qiáng)度，而且能起到很好的固碳減排作用[52]。也有研究表明，紫色土旱地種植豆科綠肥后，全生長(zhǎng)期的平均含水率均比對(duì)照高，種植綠肥是減少蒸發(fā)、保持土壤水分的有效措施[21]。由于綠肥作物攔截土壤侵蝕和耕作的上挖下墊作用，所以種植綠肥可以在一定程度上降低坡度。綠肥還可以改善生態(tài)環(huán)境，有益于害蟲天敵棲息，減輕害蟲危害，減少農(nóng)藥使用[53]。此外，種植綠肥還可以減輕土壤環(huán)境污染，綠肥翻壓后分解所產(chǎn)生的各種有機(jī)酸、糖類、酚類及含氦、硫的雜環(huán)化合物，它們具有活性基團(tuán)，很容易作為配位體與重金屬等絡(luò)合或螯合，從而降低重金屬的危害[9]。因此，合理種植和翻壓綠肥能有效地改善土壤環(huán)境，有利于耕地的可持續(xù)利用。

3 問題與展望

目前，科技工作者對(duì)綠肥在土壤中的改良作用已經(jīng)做了較多的研究工作，并取得了很多研究成果。總的來說，以往的研究多集中在箭舌豌豆、苕子、紫云英、紫花苜蓿等常見豆科綠肥的翻壓量及其種植后對(duì)黃棕壤、褐土、紅壤性水稻土、黑土、紫色土等的土壤肥力方面的研究，但缺乏全面系統(tǒng)的研究，即不同綠肥對(duì)不同土壤改良的具體效應(yīng)的研究。此外，有關(guān)綠肥對(duì)土壤微生物活動(dòng)和土壤環(huán)境保護(hù)的研究也很少。而且，綠肥對(duì)溫室氣體排放和固碳減排的效應(yīng)研究尚少。同時(shí)，綠肥在南方紫色土地區(qū)的推廣應(yīng)用也存在著一些問題。首先，目前大多數(shù)農(nóng)民都未意識(shí)到綠肥的重要性，對(duì)綠肥種植和翻壓有怠慢情緒，需要正確引導(dǎo)。其次，適宜于南方的綠肥品種比較有限，需要進(jìn)一步大面積篩選。再次，紫色土一般分布在低山丘陵區(qū)，綠肥播種、翻壓的機(jī)械難度較大。因此，今后如果人們能篩選出較多適宜綠肥品種，注重綠肥種植的宣傳和培訓(xùn)，探索出適合山地丘陵區(qū)的綠肥播種和翻壓的適宜方式，這將會(huì)更好地提高紫色土的綜合生產(chǎn)能力，并有利于紫色土的可持續(xù)利用和發(fā)展。

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