綠肥對土壤有機(jī)碳含量、質(zhì)量及穩(wěn)定性影響的研究進(jìn)展

摘 要：土壤有機(jī)碳及其不同活性組分作為評價土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，其含量變化對土壤的物理、化學(xué)及生物學(xué)特性影響顯著。綠肥的種植與利用不僅能為作物提供各種營養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)作物增產(chǎn)；而且可增加土壤的有機(jī)物料輸入，實現(xiàn)固定土壤碳素的目的。從20世紀(jì)50年代以來我國綠肥的發(fā)展歷史和生產(chǎn)現(xiàn)狀出發(fā)，綜述了綠肥利用對土壤有機(jī)碳含量、質(zhì)量及穩(wěn)定性的影響，以期為今后綠肥科研生產(chǎn)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：綠肥；土壤有機(jī)碳；含量；質(zhì)量；穩(wěn)定性；綜述

中圖分類號：S158.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-060X（2018）08-0119-04

Research Progress on the Effects of Green Manure on Quantity， Quality and

Stability of Soil Organic Carbon

CHENG Hui-dan1，2，3，NIE Jun2，3，LU Yan-hong2，3，NIE Xin1，2，3，ZHU Qi-dong2，3，ZHOU Xing2，3，LIAO Yu-lin2，3

（1. Long Ping Branch， Graduate School of Hunan University， Changsha 410125， PRC； 2. Hunan Soil and Fertilizer Research Institute， Changsha 410125， PRC； 3. Scientific Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation

（Hunan）， Ministry of Agriculture， Changsha 410125， PRC）

Abstract： Soil organic carbon and its different labile fractions have obvious influences on soil chemical， physical， and biological characteristics. The cultivation and utilization of green manure can not only provide various nutrients for crops to increase crop yields， but also can increase the input of soil organic materials and achieve the purpose of fixing soil carbon. Based on the development history and production status of green manure in China since 1950s， the effects of green manure utilization on soil organic carbon content， quality and stability were summarized which can provide reference for future green manure research and production.

Key words： green manure； soil organic carbon； content； quality； stability； review

綠肥是指所有能翻耕到土地中做肥料的綠色植物體。綠肥在我國有3 000 a以上的種植歷史，栽培面積大、分布范圍廣，是清潔的有機(jī)肥源，能為土壤提供各種有機(jī)物質(zhì)，具有顯著的增肥功能。土壤有機(jī)質(zhì)不僅含有豐富的營養(yǎng)元素，可提高糧食產(chǎn)量和品質(zhì)，而且能激發(fā)土壤微生物活性，防止水土流失。由于土壤有機(jī)質(zhì)中腐殖質(zhì)的比例占80%以上，其組成與性質(zhì)是衡量土壤有機(jī)碳的重要質(zhì)量指標(biāo)。土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性與團(tuán)聚體穩(wěn)定性、金屬氧化物和粘粒的含量等密切相關(guān)。綠肥作物翻壓直接向土壤中輸入了外源有機(jī)質(zhì)，提高土壤有機(jī)碳含量，有利于有機(jī)質(zhì)的更新與活化，同時促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成。筆者綜述了綠肥種植與利用對土壤有機(jī)碳的含量、質(zhì)量和穩(wěn)定性的影響，以期為綠肥的種植與科研提供借鑒。

1 綠肥的發(fā)展歷史及生產(chǎn)現(xiàn)狀

總的來看，我國綠肥種植經(jīng)歷了發(fā)展期、高峰期、衰退期和恢復(fù)期。20世紀(jì)50年代，我國綠肥的種植面積大約有173 萬hm2[1]，到70年代末，綠肥種植的面積近1 000 萬hm2，其中90%的是稻田綠肥。到1980年初，綠肥的種植面積達(dá)到了1 000萬～1 500 萬hm2。到20世紀(jì)80年代中期，由于各類化學(xué)肥料的大量施用，“重用地、輕養(yǎng)地”“重化肥、輕綠肥”等觀念和做法在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中盛行，導(dǎo)致綠肥種植面積逐漸減少，到2009年綠肥種植面積估計只有200萬～

300萬hm2[2]。

化肥用量不斷攀升，綠肥、有機(jī)肥施用比例日漸萎縮，導(dǎo)致土壤出現(xiàn)酸化、土體板結(jié)、養(yǎng)分流失、地力下降等問題，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展受土壤環(huán)境約束日益嚴(yán)重[3]，并由此引發(fā)一系列環(huán)境污染和食品安全問題，引起各級政府的重視以及社會大眾的普遍關(guān)注。2008年，國家頒布了綠肥農(nóng)業(yè)科技專項，并在2017年形成了國家綠肥產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系，在國家政策的帶動下多個省份相繼出臺了綠肥種植補貼政策。因此，近年來綠肥的種植面積逐漸恢復(fù)。

2 綠肥對土壤有機(jī)碳的影響

2.1 綠肥對土壤有機(jī)碳含量的影響

土壤有機(jī)碳（SOC）是指存于土壤有機(jī)物質(zhì)（SOM）中的碳，其含量變化將直接影響土壤肥力、作物產(chǎn)量及大氣中CO2濃度，在全球碳循環(huán)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。土壤有機(jī)質(zhì)在微生物作用下進(jìn)一步分解和礦化，產(chǎn)生有機(jī)碳。綠肥中有機(jī)物的含量占到15%～20%，翻壓后大大增加了土壤中有機(jī)質(zhì)的含量，有利于促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)分解礦化、土壤養(yǎng)分循環(huán)及難溶性養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，從而增加土壤中有機(jī)碳的含量[4]。徐江兵等[5]的研究表明，施用綠肥有利于土壤有機(jī)碳含量的積累。劉立生[6]通過30 a的長期定位試驗，證實了綠肥的種植與利用可明顯增加土壤有機(jī)碳含量，其中種植紫云英的效果最顯著。高菊生等[7]和李繼明等[8]

的研究也得出類似結(jié)論。朱貴平等[9]通過探究不同時期翻壓紫云英對土壤有機(jī)碳的影響，得出在盛花期翻壓紫云英效果最好，土壤有機(jī)碳含量增加最明顯的結(jié)論。官會林等[10]的研究表明，綠肥-煙和豆-煙輪作下土壤有機(jī)碳含量均顯著高于麥-煙輪作。高菊生等[7]在雙季稻種植制度下研究了不同種類的綠肥還田對土壤有機(jī)質(zhì)的影響，結(jié)果表明不同種類的綠肥還田均有利于土壤有機(jī)質(zhì)含量的積累，尤其是種植紫云英的效果最顯著，土壤有機(jī)碳年增加0.31g/kg，高于雙季稻與油菜、雙季稻與黑麥草輪作的增加量。王建紅等[11]研究了綠肥還田后稻田土壤有機(jī)質(zhì)的動態(tài)變化，結(jié)果表明綠肥還田后土壤有機(jī)質(zhì)含量剛開始增加顯著，增加到一定水平逐漸下降，然后又緩慢增加，總體來看稻田土壤有機(jī)質(zhì)的含量有所增加。

土壤活性有機(jī)碳是反映土壤質(zhì)量變化的靈敏指標(biāo)，其含量變化對土壤碳素和土壤養(yǎng)分有一定影響。許多研究表明綠肥的種植與利用有利于增加土壤活性有機(jī)碳含量，提高土壤碳素有效率。邵月紅等[12]和楊濱娟等[13]的研究均表明，長期施用綠肥均顯著提高了土壤活性有機(jī)碳的含量和土壤碳素有效率，他們認(rèn)為綠肥中含有更多易被微生物分解的糖類、淀粉等物質(zhì)，而含有較少不易被分解的纖維、木質(zhì)素等物質(zhì)。高菊生等[7]的研究表明，紫云英作綠肥時，稻田土壤的活性有機(jī)質(zhì)含量顯著高于黑麥草和油菜作綠肥時的。曾駿等[14]研究了施肥對不同土層活性有機(jī)碳的影響，結(jié)果表明土壤活性碳的含量在0～7.5 cm、7.5～15 cm、15～30 cm土層均表現(xiàn)為綠肥≥秸稈>氮肥，施用綠肥的土壤其活性有機(jī)碳含量明顯增加。

2.2 綠肥對土壤有機(jī)碳組分的影響

輕組（Light fraction，LF）有機(jī)碳和重組（Heavy fraction，HF）有機(jī)碳是根據(jù)密度來劃分的。輕組有機(jī)碳大多是游離態(tài)的，在土壤有機(jī)碳中能快速轉(zhuǎn)化，因此輕組有機(jī)碳是植物重要的速效養(yǎng)分庫。重組有機(jī)碳一般與無機(jī)礦物結(jié)合或包裹在團(tuán)聚體中，在土壤中轉(zhuǎn)化較慢，反映了土壤有機(jī)碳的固持能力。徐江兵等[5]的研究表明，長期施用綠肥能提高團(tuán)聚體中輕組有機(jī)碳和重組有機(jī)碳的含量。周興等[15]的研究表明，綠肥紫云英配施化肥有利于提高土壤輕組有機(jī)碳含量，這主要是由綠肥配施化肥提高了作物生物量，土壤中根茬及殘落物增多所致。

微生物量碳、可溶性有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳是土壤活性有機(jī)碳的重要組成部分。周興

等[15]的研究還表明，綠肥紫云英的種植有利于提高土壤表層微生物量碳、易氧化有機(jī)碳和可溶性有機(jī)碳的含量。邵月紅等[12]通過長期施肥研究了土壤活性有機(jī)碳組分的變化，結(jié)果表明，土壤活性有機(jī)碳組分含量隨著肥料的施用均有不同程度的提高，且綠肥對易氧化碳和微生物量碳含量的增加效果顯著好于廄肥和稻草秸稈。

2.3 綠肥對土壤有機(jī)碳質(zhì)量的影響

土壤有機(jī)碳是表征土壤地力和衡量土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。近年來，以土壤有機(jī)碳為核心的有機(jī)培肥研究取得了突破性進(jìn)展。孫筱楠[16]表示土壤有機(jī)碳的研究已經(jīng)從數(shù)量層次深入到品質(zhì)層次，同時提到土壤培肥的目的不單是要提高土壤有機(jī)碳的含量，而且更應(yīng)該提高土壤有機(jī)碳的質(zhì)量。土壤有機(jī)碳的質(zhì)量不僅與土壤有機(jī)碳的氧化穩(wěn)定性有關(guān)，而且與土壤腐殖質(zhì)的數(shù)量、品質(zhì)、松緊度等密切相關(guān)。因此，通常把土壤有機(jī)碳的氧化穩(wěn)定性、腐殖質(zhì)組成與性質(zhì)作為土壤有機(jī)碳的重要質(zhì)量指標(biāo)。

翻壓綠肥可以更新土壤中的腐殖質(zhì)，增加土壤肥力，因此種植綠肥是培肥地力、改良低產(chǎn)田的一條重要途徑。黃不凡[17]研究發(fā)現(xiàn)，施用綠肥顯著增加了穩(wěn)結(jié)態(tài)和緊結(jié)態(tài)的腐殖質(zhì)含量，其土壤腐殖質(zhì)的氧化穩(wěn)定性顯著低于未施用綠肥處理，表明翻壓綠肥后土壤中易氧化有機(jī)質(zhì)的數(shù)量是較多的。汪德水等[18]的研究結(jié)果表明，施用綠肥既能增加土壤中緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)的含量，又能加強(qiáng)有機(jī)質(zhì)的氧化穩(wěn)定性，還能一定程度上降低FA（富里酸）在腐殖質(zhì)中的比例，提高HA（胡敏酸）在腐殖質(zhì)中的比例，加快土壤腐殖化過程，從而提升有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量。魏朝富等[19]研究表明施用綠肥顯著增加了松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量以及松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)與緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)的比值。還有研究表明，綠肥的種植與利用能增加土壤有機(jī)碳的數(shù)量，同時有利于改善<0.002 mm復(fù)合體的腐殖質(zhì)品質(zhì)，更新和活化老的有機(jī)質(zhì)。

2.4 綠肥對土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的影響

許多報道稱施用綠肥能增加土壤中有機(jī)碳的含量，有利于土壤團(tuán)聚體的形成與穩(wěn)定，提高土壤有機(jī)碳與無機(jī)礦物復(fù)合體結(jié)合的含量，改變不同團(tuán)聚體中有機(jī)碳的比例，從而影響土壤保持有機(jī)碳的能力以及有機(jī)碳庫的穩(wěn)定性。土壤有機(jī)碳穩(wěn)定機(jī)制主要包括物理保護(hù)和化學(xué)保護(hù)作用。化學(xué)保護(hù)是指有機(jī)碳與黏土礦物和金屬氧化物的相互作用，物理保護(hù)主要指有機(jī)碳通過膠結(jié)劑包裹在土壤團(tuán)聚體內(nèi)部導(dǎo)致與微生物形成空間“隔離”。

2.4.1 土壤有機(jī)碳的物理保護(hù) 土壤團(tuán)聚體是有機(jī)質(zhì)積累和轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵場所，其形成與穩(wěn)定是土壤碳庫穩(wěn)定的重要機(jī)制。研究表明，表層土壤團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳的含量占總土壤有機(jī)碳的90%左右[20]。土壤有機(jī)碳與團(tuán)聚體相互作用緊密。一方面，土壤團(tuán)聚體是通過膠結(jié)劑包裹有機(jī)—無機(jī)復(fù)合體或游離顆粒有機(jī)碳而形成；另一方面，團(tuán)聚體對有機(jī)碳起物理保護(hù)作用。綠肥的種植與利用促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體的形成。團(tuán)聚體形成后，礦物顆粒與有機(jī)碳之間的相互作用更強(qiáng)，于是形成了團(tuán)聚體有機(jī)碳的物理保護(hù)機(jī)制。楊曾平等[2]研究表明，稻—稻—綠肥輪作提高了土壤團(tuán)聚體的平均重量直徑以及0.25～5.00 mm粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量，其中種植紫云英效果最好；同時該研究還表明土壤團(tuán)聚體的標(biāo)準(zhǔn)平均重量直徑與土壤有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān)，且其值越大，團(tuán)聚體的穩(wěn)定性越強(qiáng)。包興國等[21]的研究也表明施用綠肥能增加土壤1～2 mm粒徑的土壤團(tuán)聚體含量及其水穩(wěn)性，降低土壤團(tuán)聚體的分散性。

2.4.2 土壤有機(jī)碳的化學(xué)保護(hù) 較多的研究者認(rèn)為黏土礦物和鐵鋁氧化物是影響土壤有機(jī)碳庫穩(wěn)定性的主要因素。衡利沙等[22]研究表明，各種鐵鋁氧化物的含量與土壤中有機(jī)碳的穩(wěn)定性呈正相關(guān)。劉立生等[6]通過30 a的長期定位試驗發(fā)現(xiàn)綠肥的利用使土壤粘粒中有機(jī)碳含量得到明顯提高，而砂粒中有機(jī)碳含量明顯降低。這說明綠肥的種植與利用促使土壤砂粒中有機(jī)碳向粘粒轉(zhuǎn)移，提高了土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性。土壤中金屬氧化物和黏土礦物與土壤有機(jī)碳通過配位體置換、范德華力、高價離子鍵橋和絡(luò)合作用等使有機(jī)碳的生物有效性降低，從而提高土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性[23]。

楊曾平等[2]的研究表明，施用綠肥可顯著增加非晶形鐵鋁氧化物及有機(jī)無機(jī)礦物與土壤有機(jī)碳結(jié)合的含量，從而提高土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性。Mikutta 等[24]報道稱土壤有機(jī)碳與非晶質(zhì)氧化物因化學(xué)作用相結(jié)合而表現(xiàn)穩(wěn)定，不易被微生物分解，他認(rèn)為這種化學(xué)保護(hù)對土壤保持有機(jī)碳具有重要作用。

3 展 望

綜上所述，綠肥的種植與利用可明顯提高土壤有機(jī)碳的含量，尤其是活性有機(jī)碳的含量，同時也提高了土壤碳素的有效率；能明顯增加土壤松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)和可浸提腐殖酸的含量，提高松結(jié)態(tài)/緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)比值和HA/FA比值，加快土壤的腐殖化過程，從而提升土壤有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量；有利于土壤的團(tuán)聚化作用，提高非晶形金屬氧化物和粘粒中有機(jī)碳的含量，從而提升土壤有機(jī)碳的固持能力以及土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性。綠肥的種植與利用對土壤有機(jī)碳的數(shù)量、質(zhì)量和穩(wěn)定性產(chǎn)生積極影響，在緩解溫室效應(yīng)和全球氣候變化、提高土壤肥力、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面均有著舉足輕重的作用。

近年來，關(guān)于土壤有機(jī)碳庫穩(wěn)定性的研究較多，但是有關(guān)綠肥提升土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的機(jī)理研究較少，尤其是對土壤有機(jī)碳的化學(xué)保護(hù)機(jī)制的研究很少。目前，土壤團(tuán)聚體固碳機(jī)制的物理研究方法主要包括篩分法、超聲波振蕩法、穩(wěn)定性同位素示蹤法、放射性同位素示蹤法、X射線計算機(jī)斷層掃描成像法、掃描電子顯微鏡法、傅里葉變換紅外光譜顯微技術(shù)等，土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的化學(xué)研究方法主要是采用草酸銨和次氯酸鈉萃取土壤中鐵、鋁、硅的含量來估計土壤中穩(wěn)定的有機(jī)碳含量。這些方法為進(jìn)一步深入研究種植綠肥提升土壤有機(jī)碳庫穩(wěn)定性的機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。

此外，土壤微生物種群和數(shù)量以及溫室氣體是目前研究的熱點問題，但研究多集中于不同輪作方式或是施用不同種類廄肥、畜禽糞、農(nóng)家肥和秸稈對其的影響上，而對于綠肥生產(chǎn)利用后土壤有機(jī)碳含量的變化對其影響的研究較少。因此，這可以作為今后研究綠肥的一個方向。

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（責(zé)任編輯：成 平）