绿肥还田对农田土壤理化性质和肥料利用率的影响研究进展

赵蕊，王怡针，苏港，葛均筑，臧凤艳，李子芳，王金龙，吴锡冬

（天津农学院 农学与资源环境学院，天津 300384）

1 绿肥的定义及种类

1.1 绿肥的定义

对于绿肥的定义，曾茜茜等认为，绿肥是指用绿色植物的鲜茎叶直接压入土壤中作肥料，它是一种养分完全的生物肥料[1]。吴浩杰等认为，绿肥作物是一类可将植物体就地翻压或沤堆制肥的植物，如多数豆科属植物[2]。刘宏伟认为，绿肥作物是指生长过程中产生的鲜体作为肥料翻压到土壤中，或者是与其他作物间、套、轮作后，能够促进其他作物的生长，改善土壤的理化性状，这些作物就是绿肥作物，其鲜体称为绿肥[3]。在国外绿肥作物又被称为覆盖作物，种植绿肥作物可以起到覆盖地表，减少土壤风蚀、水蚀的作用[4]。综合上述观点，本文认为，绿肥是用新鲜的绿色植物本体作为肥料基础，直接或间接地将植物体鲜样翻压到土壤中，其腐朽分解后释放养分到土壤中代替肥料供主作物生长，或是通过绿肥作物与主作物的间、套、轮作，为主作物提供养分，起到促进主作物生长、发育，改善土壤理化性状等作用的天然绿色无污染肥料。

1.2 绿肥的种类

绿肥按照不同的分类原则可划分为不同的类别。绿肥按来源可分为栽培绿肥和野生绿肥。栽培绿肥是指人工栽培的天然作物，如油菜、苜蓿；野生绿肥是指非人工栽培的野生作物，如杂草、树叶、鲜嫩灌木等。绿肥按植物学科可分为豆科绿肥和非豆科绿肥[4]。豆科绿肥由于其根部有根瘤，根瘤上的根瘤菌可以固定空气中的氮素，如紫云英、苕子、豌豆、豇豆等；非豆科绿肥是指作物本身没有根瘤，不能固定空气中的氮素，如油菜、茹菜、金光菊等。绿肥按生长季节可分为夏季绿肥和冬季绿肥。夏季绿肥在春夏季节播种，秋季收割，如田菁、柽麻、竹豆、猪屎豆等；冬季绿肥指秋冬季节播种，第二年春夏收割的绿肥，如鼠茅草、紫云英、苕子、茹菜、蚕豆等[5]。绿肥的生长期根据类别的不同有很大不同，除短期作物、一年生或越年生作物外，还有多年生作物。绿肥按生态环境可分为水生绿肥、旱生绿肥、稻底绿肥[6]。国外绿肥生产中，国外学者把绿肥分为豆科植物和芸苔属，其中毛苕子，豌豆、羽衣甘蓝和油菜籽比较受欢迎[4，6-7]。蚕豆在温带地区曾作为绿肥，用于玉米田间除草和肥料供给[8-11]。研究者曾对豆科植物对于土壤微生物群落和土壤特性的影响进行研究[4，10]。我国曾从国外引进绿肥作物种植，20世纪30年代，新疆从苏联引进三叶草等草种，日本人带入格林氏首稽在吉林试种绿肥，20世纪40年代，甘肃天水水土保持试验站自美国引进数十份绿肥材料进行研究[4，12-14]。

绿肥品种资源丰富，不同种类和品种的绿肥，其生育特性和生产能力都有较大差别。因此，在研究整理绿肥品种资源中，应根据各种绿肥作物的生育期及品种类型的特点并结合气候、土壤等生态条件，进行不同绿肥品种与主作物的合理分布，采取不同的种植模式，充分发挥绿肥作物的作用[15]。

2 绿肥还田对农田土壤理化性质的影响

2.1 土壤物理性状

土壤容重是土壤中非常重要的一个物理性质。国内外研究表明，绿肥还田对耕层土壤容重有显著影响。连泽晨[16]通过研究绿肥还田对水稻产量、养分吸收及土壤肥力的影响发现，冬种紫云英比冬闲处理降低了土壤0～15 cm及15～30 cm土层容重，为水稻生长提供了有利环境。有研究表明，紫云英施入土壤可降低土壤容重，增加总孔隙度、持水力并促进土壤团聚体形成与积累，从而改善了土壤质量[16-18]。吕良鸿等[19]在哈密红星二场盐碱地种植绿肥作物时发现，0～20、20～40、40～60 cm 土层土壤水分均比种植前有所提高，容重均降低。向小[20]通过研究不同绿肥作物翻压还田后对土壤理化性质的影响发现，在相同化肥施用量条件下，翻压绿肥处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%。付双军[21]研究了绿肥还田对土壤肥力的影响，结果发现，种植并翻压绿肥作物对土壤物理性质影响显著。Adekiya[22]发现，单独施用或联合配施绿肥能够增加土壤孔隙度，降低土壤容重。土壤有机质与种植前相比，盛花期和翻压还田后期 0～20、20～40 cm土层水分平均值分别提高了5.74%、6.26%。由此可见，绿肥还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状。

2.2 土壤化学性状

2.2.1 土壤有机质含量

土壤有机质是土壤肥力的重要指标，在提供作物生长所需的养分、改善土壤结构、增加土壤保水保肥及缓冲性能等方面发挥着重要作用[22]。绿肥作物中含有较多的有机质，平均为 15%左右[23]。当绿肥翻压后，对土壤有机质的形成、分解与积累产生积极影响。研究发现，土壤微生物量碳与土壤有机质含量呈显著正相关关系[24]。研究发现，长期施用绿肥可以提高土壤的有机无机复合量及土壤肥力[25-27]。另外，施用绿肥等有机肥，能使土壤松结态、稳结态和紧结态腐殖质的含量有所提高[28]。王昊等[28]研究发现，绿肥经过翻压或沤制施入土壤，作为肥料供其他作物生长发育，实现了绿肥自身物质与能量的循环和利用。绿肥翻压腐解可有效提高土壤有机质含量，增强土壤肥力。王瑞宝等[29]研究了翻压光叶苕子能显著提高土壤中有机质含量，且不同绿肥翻压量对土壤有机质的增量也不同。张世昌[30]持续 3年定位试验研究在不同酸碱程度的土壤中种植绿肥作物对土壤肥力的影响，试验结果发现，微酸性土壤中种植绿肥作物可显著增加土壤有机质含量，而酸性土壤中种植绿肥作物对增加土壤全磷含量和pH值等方面效果较好。Bianca等[31]发现，随着绿肥的施用，土壤中的有机碳和总氮含量增加，土壤有机质随之升高。Li等[32]发现施用有机绿肥提高了土壤中脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶、过氧化氢酶等相关酶的活性，以及土壤有机质含量。Yang等[33]发现，绿肥腐烂分解后，会释放有机碳、氮等营养元素于土壤中，使土壤有机质含量增多。常单娜等[34]发现，绿肥腐烂分解后，土壤中溶解有机碳、可溶性有机氮、总有机酸和总碳水化合物的含量与土壤有机质呈正相关。近年来国内外学者研究发现，大多数地区土壤种植绿肥作物并翻压还田后，土壤有机质在不同程度上得到提高[35]。

2.2.2 土壤全氮及碱解氮含量

土壤中的氮元素在农作物生长发育过程中起着不可替代的作用。作物生长发育过程中若缺少氮素的摄入，将直接导致作物产量及品质的下降。研究表明，绿肥还田后对土壤全氮及碱解氮含量有显著影响[28]。绿肥翻压还田能显著提高土壤全氮及碱解氮含量，起到培肥地力的作用。敖文等[36]研究发现，种植绿肥作物后可显著提高土壤全氮的平均含量。王丹英等[37]研究指出，将紫云英和油菜当做绿肥种植并翻压后，不仅能够显著提高土壤有机质和全氮含量，还能显著提高土壤碱解氮的含量。绿肥作物中的豆科植物能够利用其根系根瘤菌的固氮能力将大气中的氮气转化为自身可以利用的氮素，同时还会将一半氮由根部转移到土壤中[38]。徐志平[39]研究表明，种植大豆、紫云英、苜蓿和三叶草等绿肥作物，可分别固定氮元素70、80、112和 80 kg/hm2。种植翻压绿肥作物可将绿肥作物生长发育过程中吸收的氮通过腐解释放到土壤中，有利于植物更好更快地吸收养分[27]。Subaedah等[40]发现，种植绿肥作物后土壤氮元素的含量与主作物干物质中的氮元素含量呈显著正相关。Yang等[33]研究发现，长期种植冬季绿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长发育过程中所必需的重要元素之一，而我国土壤中可供植物吸收的磷较少。大量试验表明，绿肥等有机肥能通过作物本身磷的循环再利用，将土壤中难被作物吸收利用的无机磷转化成易被作物吸收利用的有机磷，从而提高土壤中磷的利用率[41]。张春[42]通过研究夏闲期种植的4种绿肥作物对浅层土壤速效磷含量的影响，结果发现，4种绿肥作物对土壤速效磷含量均有较大影响，其中紫云英处理的0～20 cm土层速效磷含量最大；除返青期，光叶苕子处理的20～40、40～60 cm土层速效磷含量均最高；毛叶苕子对小麦返青期0～20 cm土层影响较大。王晓军[43]在研究绿肥作物对土壤肥力及小麦产量的影响中发现，小麦复种绿肥作物翻压后可显著提高土壤中速效磷含量，且速效磷的变化与速效钾基本一致。李冬梅[44]研究发现，绿肥作物苜蓿可增加土壤活性有机磷含量。张久东等[45]研究了间作绿肥作物对玉米产量和土壤肥力的影响，结果发现，玉米收获后各处理土壤速效磷含量均明显提高。

2.2.4 土壤速效钾含量

绿肥作物含钾量丰富，能够提高土壤中钾含量，是理想的钾肥肥源[46]。李廷轩等[47]研究表明，绿肥子粒苋根周围土壤速效钾含量是非根周围的1.7倍。王煊[48]研究种植不同绿肥作物对旱地土壤肥力的影响，试验结果发现，夏闲期种植绿肥作物油菜能显著增加土壤速效钾含量。在绿肥翻压前，种植油菜可增加50.5%的土壤速效钾含量。

2.3 土壤生物学性状

研究表明，绿肥翻压腐化分解后土壤中的有机酸含量增加，土壤pH值降低，其降低程度与翻压绿肥的种类和数量以及试验田的土壤类型有关[49]。土壤的酸碱缓冲性会随种植绿肥作物数量的增加而改变，土壤电导率也会随绿肥的增加呈现递增的趋势。

绿肥作物降解后会间接提高土壤酶活性，改变土壤微生物群落结构。在绿肥植物体分解过程中，绿肥作物根系的分泌物在增加了土壤相关酶类的基础上，多种根际微生物需要的营养成分和能源物质也相应增加，在增加土壤微生物多样性的同时也提高了微生物相关酶类的活性。佀国涵等[50]研究表明，连年翻压绿肥能够提高农田土壤中细菌、真菌和放线菌的数量以及土壤微生物量碳的含量，同时土壤中脲酶、过氧化氢酶和酸性磷酸酶的活性显著提高。有研究显示[51]，在潮砂泥田上冬种绿肥作物，土壤耕层中脲酶、蛋白质酶和转化酶的活性分别比对照提高了 18.2%、18.8%和18.7%。He等[52]发现，施用绿肥可通过改善细菌群落（组成和多样性）和土壤肥力来促进主作物生长，并为潜在的微生物群落功能与有机农业生态系统之间的联系提供了新的视角。Elfstrand等[53]发现，施用绿肥能够使土壤中的蛋白酶、酸性磷酸酶和芳基硫酸酯酶的活性增强，绿肥作物能够增强和维持土壤中的高微生物量和高酶活性。Caban等[54]研究发现，种植绿肥作物增强了土壤微生物酶的活性、细菌的丰富性和多样性、尤其是有益的革兰氏阳性细菌的种群。这些研究表明绿肥作物的种植和翻压在一定程度上增加了土壤中的酶活性和菌落数量，使土壤微生态环境得以修复和改善，绿肥翻压为作物创造了一个良好的土壤生长环境。

3 绿肥还田对肥料利用率的影响

肥料利用率主要表现在肥料贡献率和农学利用率两个方面。肥料贡献率是反映年投入肥料生产能力的指标。农学利用率表示施用肥料的每千克N、P2O5、K2O使作物增产的能力，指作物施肥后增加的产量与施肥量的比值。李燕青[55]研究耐盐绿肥筛选及棉田冬绿肥效应时发现，翻压二月兰和毛叶苕子后平均肥料贡献率分别达到了 37.90%和30.84%，比无绿肥处理分别高出17.04%和9.98%，翻压绿肥后不同化肥施用量间肥料贡献率的差异变小；翻压绿肥后的农学利用率明显高于无绿肥的处理，翻压二月兰、毛叶苕子处理化肥的平均农学利用率分别为27.15 g/g和21.69 g/g，比无绿肥处理分别提高了145.04%和95.76%，翻压二月兰和毛叶苕子后，化肥施用常规用量的 70%就能够达到农学利用率的最高值。Gao等[56]研究发现，绿肥是优化稻田土壤氮素管理的有效途径。硝化作用是N循环中的关键过程，绿肥作物对于土壤中的土壤氨氧化至关重要，在一定程度上增加了主作物的肥料利用率。

翻压绿肥提高肥料利用率的作用主要体现在两方面。首先，翻压绿肥对化肥施入后的影响具有一定的缓冲能力。在化肥施用量不足时，绿肥腐解可以为作物提供部分养分，这与其自身腐解特性有关；当化肥施用过量时，翻压的绿肥能够有效缓解过量化肥对作物生长造成的不利影响，这可能与绿肥翻压后改善了土壤的理化性质、促进了土壤微生物的大量繁殖等因素有关，需要通过进一步的试验加以研究验证。总的来说，绿肥翻压的方式与华北地区部分农民传统的种植一季作物并且一次性施肥的方式相比，可在一定程度上减少化肥投入量并获得增产效果，使肥料利用率有所提高。

4 绿肥研究存在的问题与不足

20世纪80年代后期，随着我国工业的快速发展，化肥被大量使用，我国已成为世界上化肥施用最多的国家[57]。化肥被大量投入农田，使农田土质变差，肥料利用率降低，土地的生产能力越来越低。地下水、地表水和土壤均受到不同程度的污染，严重威胁了农产品的安全[58]。当前，全球面临耕地质量变差、生态环境恶化和粮食安全危机等难题，这就更需要重视绿肥的研究和发展。作为一种特殊的有机肥，绿肥给改良土壤环境和实现粮食安全带来了希望[59]。目前，我国绿肥作物生产中仍存在很多问题：①人们对绿肥的认识不足。重用地、轻养地，对种植绿肥的认识不够深入和全面。再加上绿肥作物种子价格的上涨和种植绿肥作物经济收入较低，农民种植绿肥作物的积极性不高，长期对绿肥生产不够重视[60]。②绿肥作物种质资源不足、濒临灭绝，品种混杂，有些优良品种甚至已经消失。③种植模式研究滞后于现代农业的发展，缺乏相应的技术。应根据不同地区的生态特点，加强对绿肥作物的研究利用，找到适合的种植模式[27,35,46,61]。④种植面积小、鲜草产量低。没有充分利用空闲地种植绿肥作物，浪费耕地资源；原有的品种损失退化较为严重，导致产草量严重下降。

5 研究应用前景与展望

2015年，农业部组织实施了“到2020年化肥使用量零增长行动”，大力推进化肥减量增效，引领种植业绿色发展，为绿肥应用带来了机遇。我国绿肥栽培利用历史悠久[37,48,62-63]，20世纪60—70年代是我国种植绿肥作物的鼎盛时期，种植面积超过了1 400万hm2[64]。近年来绿肥作物种植面积急剧下滑，目前乐观估计全国绿肥作物种植面积也只有200～300万hm2[65]。种植绿肥作物一方面能增加优质的有机肥源，培肥地力，改良土壤，增加农作物产量；另一方面能改善生态环境条件，使人口、粮食安全、生态环境三者之间协调发展。因此，应采取积极有效措施、多渠道增加投入、广泛宣传，大力发展绿肥生产，使我国绿肥作物种植面积恢复和发展到0.15亿hm2以上的历史最好水平，对改善我国的生态环境将会产生显著的作用和效果。