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        綠肥還田腐解特征及培肥地力研究進(jìn)展

        2018-01-06 08:21:52李忠義張靜靜蒙炎成唐紅琴韋彩會(huì)俞月鳳何鐵光
        江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2017年22期
        關(guān)鍵詞:農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展綠肥生態(tài)環(huán)境

        李忠義+張靜靜+蒙炎成+唐紅琴+韋彩會(huì)+俞月鳳+何鐵光

        摘要: 綠肥作為一種生物肥源,有改土培肥、提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的作用。介紹了我國(guó)主要省份的綠肥種質(zhì)資源,著重闡述綠肥作物翻壓后的腐解和養(yǎng)分釋放特征,及其還田后對(duì)土壤地力和后茬作物的影響,以期為綠肥資源的合理利用和農(nóng)田養(yǎng)分科學(xué)管理提供參考依據(jù)。

        關(guān)鍵詞: 綠肥;腐解特征;養(yǎng)分釋放;培肥地力;生態(tài)環(huán)境;農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展

        中圖分類(lèi)號(hào): S55;S142 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A

        文章編號(hào):1002-1302(2017)22-0014-04

        綠肥是我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的精華,作為一種生物肥源,有改土培肥、提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的作用。在20世紀(jì)70年代,全國(guó)綠肥播種面積達(dá)1.3×107 hm2,但隨著化肥的推廣應(yīng)用,自20世紀(jì)80年代綠肥種植面積迅速滑坡[1]。近年來(lái),隨著土壤環(huán)境的惡化,人們對(duì)綠色農(nóng)產(chǎn)品的需求不斷增加[2],農(nóng)業(yè)部制定了土壤有機(jī)質(zhì)提升和化肥減量使用的方案。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)呼喚傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的精彩回歸,因地制宜地種植綠肥,對(duì)保障農(nóng)產(chǎn)品安全、保護(hù)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。 本文總結(jié)[LL]我國(guó)主要省份的綠肥種質(zhì)資源, 闡述綠肥作物翻壓后的腐解和養(yǎng)分釋放特征,及其還田后對(duì)土壤地力和后茬作物的影響,以期為綠肥資源的合理利用和農(nóng)田養(yǎng)分科學(xué)管理提供參考依據(jù)。

        1 我國(guó)綠肥種質(zhì)資源

        我國(guó)幅員遼闊,地域差異性強(qiáng),不同區(qū)域綠肥品種存在很大差異,主要有豆科、禾本科、十字花科、菊科等,不同省份的主要綠肥作物如表1所示。

        2 綠肥作物還田腐解特征

        2.1 不同綠肥作物還田腐解特征

        不同綠肥作物翻壓還田后,受土壤環(huán)境、氣候條件影響[19],腐解快慢不一,但其腐解過(guò)程一般包括快速腐解期和緩慢腐解期。潘福霞等研究了旱地條件下箭舌豌豆、苕子、山黧豆等3種豆科綠肥的腐解和養(yǎng)分釋放特征,結(jié)果表明,3種綠肥作物在翻壓后15 d內(nèi)為快速腐解期,平均腐解速率分別為0.34、0.30、0.35 g/d,翻壓后15~70 d為緩慢腐解期,平均腐解速率僅為0.023、0.026、0.021 g/d,顯著小于前 15 d[20];李逢雨等將油菜置于稻田行間,研究其腐解特征,結(jié)果表明油菜稈在腐解過(guò)程中,組織結(jié)構(gòu)的破壞主要發(fā)生在腐解的前10 d,次生木質(zhì)部以上的維管形成層、韌皮纖維、皮層薄壁組織和表皮均受到破壞而脫落[21]。綠肥作物前期腐解快,后期腐解慢,原因可能是在腐解前期秸稈中可溶性有機(jī)物及無(wú)機(jī)養(yǎng)分較多,為微生物提供了大量的碳源和養(yǎng)分,微生物數(shù)量增加,活性增強(qiáng);后期隨著腐解的進(jìn)行,秸稈中可溶性有機(jī)物逐漸減少,剩余部分主要為難分解的有機(jī)物質(zhì),導(dǎo)致微生物活性降低,秸稈的腐解也隨之變慢[22-23]。豆科綠肥(大豆、綠豆、長(zhǎng)武懷豆、紫云英、紫花苜蓿)[24-26]、十字花科綠肥(二月蘭)[27]、禾本科綠肥(黑麥草、高羊茅)[26]、菊科綠肥(菊苣、腫柄菊)[26,28]等在腐解中均呈現(xiàn)類(lèi)似的規(guī)律。不同綠肥作物腐解速率不同,可能與碳氮比有關(guān),一般情況下碳氮比在(25~30) ∶ 1時(shí),最有利于微生物活動(dòng)[29],有助于有機(jī)物的分解。Pereirai等研究菽麻、刀豆、木豆、豬屎豆、拉巴豆、黧豆等豆科綠肥還田腐解時(shí)指出,菽麻分解最慢,與其高碳氮比有關(guān),而刀豆分解最快,與其低碳氮比有關(guān)[30]。

        2.2 不同綠肥作物還田養(yǎng)分釋放特征

        綠肥翻壓后,植株氮、磷、鉀養(yǎng)分的釋放會(huì)對(duì)后茬作物生長(zhǎng)產(chǎn)生影響,明確綠肥作物翻壓后養(yǎng)分的釋放規(guī)律對(duì)科學(xué)合理利用綠肥作物具有重要意義。從養(yǎng)分的礦化速率來(lái)看,一般情況下鉀的釋放速率最大,其次是磷、碳、氮。主要原因可能是莖稈中鉀不以化合態(tài)形式存在,而是以K+形態(tài)存在于細(xì)胞中或植物組織內(nèi),很容易被水浸提釋放出來(lái),釋放速度最快;磷、氮以難分解的有機(jī)態(tài)為主,物理作用下不容易分解,釋放速度較慢;而碳主要以有機(jī)態(tài)存在,不容易腐解[31]。潘福霞等研究紫云英、箭舌豌豆、苕子、山黧豆、長(zhǎng)武懷豆、大豆、綠豆、二月蘭、麥稈、油菜稈等還田后,秸稈的養(yǎng)分釋放速率由快到慢均為鉀>磷>氮[20-21,24,27,32];呂鵬超等研究覆蓋還田方式下大豆、花生的腐解特征。結(jié)果表明,大豆、花生秸稈腐解的養(yǎng)分釋放率均為鉀>磷>碳>氮[33];鄒雨坤等研究不同還田方式下木薯莖稈、香蕉莖稈、小麥莖稈的腐解特征,腐解釋放速率由快到慢表現(xiàn)為鉀>磷>氮≈碳[34-36]。

        2.3 不同還田方式下綠肥腐解特征[34]

        綠肥在土壤中的腐解是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,不同還田方式對(duì)綠肥的腐解特征存在一定的影響。土壤微生物喜歡高溫潮濕的環(huán)境,在土埋還田的條件下,土壤的通氣狀況良好,土壤溫度提升較快,從而有利于土壤微生物的活動(dòng)和酶活性的提高。而在水淹條件下,氧氣被阻隔,一些好氧微生物由于得不到充分的氧氣而降低了活性,所以使水淹條件下殘?bào)w的腐解速度變慢,腐解量相對(duì)減少[37]。武際等研究了不同水稻栽培模式和秸稈還田方式下的油菜、小麥秸稈腐解特征,結(jié)果表明,在常規(guī)栽培模式(水稻常規(guī)栽培是指除“烤田期”外,其他生長(zhǎng)階段土壤表層均保持在淺水層狀態(tài))下,秸稈覆蓋還田腐解率>秸稈土埋腐解率;在節(jié)水栽培模式下(水稻節(jié)水灌溉栽培是指采用無(wú)水層灌溉技術(shù),即在水稻返青后的各個(gè)生育階段,田面不再建立水層),秸稈土埋腐解率>秸稈覆蓋[38];王允青等研究了露天、水泡和土埋3種田間作物秸稈還田方式,結(jié)果表明在土埋情況下,小麥和油菜秸稈腐爛速度快于露天和水泡處理,而氮、磷、鉀的養(yǎng)分釋放速率由快到慢均為水泡>露天>土埋[39]。在綠肥還田中,不同還田量及還田深度對(duì)其腐解特征也有一定的影響。胡宏祥等研究發(fā)現(xiàn),油菜全量還田的秸稈腐解速率<2/3還田量油菜秸稈腐解速率<1/2還田量油菜秸稈腐解速率<1/3還田量油菜秸稈腐解速率[40];在種植水稻條件下,油菜秸稈還田速度為表層還田>20 cm深度還田>10 cm深度還田,其原因可能是在夏季,水田表層不僅溫度高,而且表層土壤中微生物比較活躍,油菜秸稈接觸表層土壤時(shí),會(huì)接觸到很多活性微生物,分解速度較快;在10 cm深度土層水熱組合一般,微生物活動(dòng)較弱;在深度為20 cm土層,由于水稻根系泌氧作用、根部通氣作用和微生物活性都較強(qiáng)[41-42],有助于微生物的活動(dòng)。endprint

        2.4 腐熟劑對(duì)綠肥還田腐熟程度的影響

        不經(jīng)過(guò)腐熟的綠肥直接還田,腐熟程度緩慢。秸稈腐熟劑富含高效微生物菌,可促進(jìn)秸稈快速腐解[43-44],但在不同還田方式下,效果不一。柳玲玲等在土埋還田方式下研究了8種腐熟劑對(duì)油菜秸稈腐熟程度,結(jié)果表明,8種腐熟劑對(duì)油菜秸稈的腐熟均有不同程度的促進(jìn)作用[45]。王允青等研究表明,在露天和土埋還田方式下,添加腐熟劑處理小麥稈、油菜稈腐解速度比不添加腐熟劑快,而在水泡環(huán)境中添加腐熟劑提高秸稈腐解速度的效果不明顯[39];李逢雨等研究表明,在水泡環(huán)境下添加腐熟劑并未加速小麥稈、油菜稈的腐解速率,可能是由于所用腐熟劑屬于好氧型微生物制劑,在淹水厭氧條件下微生物不能起到促腐作用[21]。

        腐熟劑不僅可以影響綠肥的腐熟,同時(shí)也可以改善土壤的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)。黃秋玉等研究發(fā)現(xiàn),與不施腐熟劑相比,添加腐熟劑后,土壤的有機(jī)質(zhì)含量、堿解氮含量、速效鉀含量、陽(yáng)離子交換含量(cation exchange capacity,簡(jiǎn)稱(chēng)CEC),均有所提高[46];王代平等將油菜和小麥秸稈添加腐熟劑還田后發(fā)現(xiàn),土壤養(yǎng)分都有不同程度的增加,且土壤的孔隙度增加、容重降低[47];吳迎奔等將稻草添加有機(jī)物料腐熟劑還田后發(fā)現(xiàn),施加腐熟劑的處理組與未施加處理組相比,土壤全鉀含量略有降低,但有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷的含量均有所增加,改善了土壤的理化性狀[48]。

        3 綠肥還田對(duì)土壤地力及后茬作物的影響

        3.1 綠肥還田對(duì)土壤地力的影響

        綠肥還田可改善土壤物理性質(zhì)[49-51],增加土壤有機(jī)質(zhì)含量[52-53]、保持水土[54-55]、增加土壤氮素[56-58],活化和富集土壤磷[59-61]、鉀[62-63],增加土壤微生物數(shù)量,改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的功能多樣性[64-66]。此外,綠肥在增加土壤有機(jī)碳庫(kù),改善小區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境有著積極作用。蘭延等研究發(fā)現(xiàn),綠肥輪作尤其是紫云英—稻—稻—油菜/花生—稻能提高土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和土壤碳庫(kù)管理指數(shù)[67];Sharma等研究發(fā)現(xiàn),玉米—小麥輪作田菁、豇豆、綠豆等豆科綠肥能顯著提高土壤有機(jī)碳量[68];劉立生等通過(guò)30年長(zhǎng)期定位試驗(yàn)結(jié)果表明,稻—稻—油菜、稻—稻—紫云英、稻—稻—黑麥草模式與稻—稻—冬閑處理相比,稻田土壤總有機(jī)碳含量在不同顆粒中平均分布比例均明顯提高,且長(zhǎng)期種植綠肥土壤總有機(jī)碳含量、粗黏粒有機(jī)碳含量、細(xì)黏粒有機(jī)碳含量與時(shí)間(年)呈極顯著線性正相關(guān)[69];王莉等通過(guò)28年的田間定位試驗(yàn)指出,在常量綠肥還田下稻田系統(tǒng)的耐瘠能力顯著高于長(zhǎng)期單施化肥處理[70];彭晚霞等研究發(fā)現(xiàn),與清耕茶園相比,白三葉間作和鋪草覆蓋加強(qiáng)了茶園生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)控能力,產(chǎn)量分別增加 33.99%、26.19%[71]。

        3.2 綠肥還田對(duì)后茬作物的影響

        綠肥在后茬作物種植前翻壓,使其腐解釋放養(yǎng)分供主作物生長(zhǎng)利用,從而減少化肥施用量,達(dá)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)節(jié)本增效的目的[27]。但過(guò)多或單一應(yīng)用綠肥會(huì)影響后茬農(nóng)作物產(chǎn)量[72-73],而最佳的化肥替代率根據(jù)作物種類(lèi)、土壤類(lèi)型和土壤肥力而定[74]。Xie等研究表明,在雙季稻區(qū)施加氮肥(80%)+紫云英(20%)和氮肥(60%)+紫云英(40%)的情況下,土壤肥力和早晚稻產(chǎn)量高于單施氮肥的處理[75];張久東等研究表明,增施綠肥(毛葉苕子和箭舌豌豆)7 500 kg/hm2 可降低施用無(wú)機(jī)氮肥67.5 kg/hm2左右,能提升土壤肥力、增加小麥產(chǎn)量[76];楊璐等研究表明,翻壓綠肥(二月蘭)后,化肥減量15%的處理使春玉米平均每株籽粒產(chǎn)量增加29.0 g、地上部吸氮量增加0.65 g,顯著高于單施化肥處理[77]。此外,綠肥對(duì)提高后茬作物的產(chǎn)量和品質(zhì)效果明顯[78]。萬(wàn)水霞等研究綠肥—水稻輪作生產(chǎn)體系,結(jié)果表明施用紫云英綠肥能顯著提高水稻產(chǎn)量[79-80];李燕青等研究發(fā)現(xiàn),翻壓綠肥處理的棉花花鈴期葉片葉綠素含量值(soil and plant analyzer development,簡(jiǎn)稱(chēng)SPAD)較不翻壓綠肥顯著提高,籽棉產(chǎn)量增加近30%[81];劉國(guó)等連續(xù)5年進(jìn)行了烤煙—綠肥輪作還田試驗(yàn),結(jié)果表明,長(zhǎng)期綠肥還田能顯著提高烤后煙葉含鉀量,煙葉外觀質(zhì)量較好,評(píng)吸得分較高[82]。

        4 展望

        2016年中央一號(hào)文件明確指出,加強(qiáng)農(nóng)業(yè)資源保護(hù)和高效利用,加快農(nóng)業(yè)環(huán)境突出問(wèn)題治理,加強(qiáng)農(nóng)業(yè)生態(tài)保護(hù)和修復(fù),推動(dòng)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。2015年農(nóng)業(yè)部提出了到2020年實(shí)現(xiàn)“一控兩減三基本”的目標(biāo),也制定了《到2020年化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)方案》。而種植、利用綠肥作物,恰好是一項(xiàng)保護(hù)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境和化肥減量施用的技術(shù)措施,因此恢復(fù)和發(fā)展綠肥產(chǎn)業(yè)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中越來(lái)越被放在更加重要和突出的位置。

        自20世紀(jì)80年代以來(lái),隨著化肥投入的增加、耕地復(fù)種指數(shù)的提高客觀上制約了綠肥的發(fā)展空間。此外,國(guó)家政策性投入和引導(dǎo)不足,綠肥種植利用處于自發(fā)狀態(tài)。種源缺乏、品種退化、產(chǎn)量下降、勞動(dòng)力欠缺也制約著綠肥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在現(xiàn)今政策的指引下,有階段、分步驟地恢復(fù)和發(fā)展綠肥產(chǎn)業(yè)對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

        各級(jí)政府部門(mén)應(yīng)制定專(zhuān)項(xiàng)扶持方案、設(shè)立扶持資金,從綠肥生產(chǎn)、管理及綜合利用方面予以扶持,做好宣傳工作,扭轉(zhuǎn)重化肥的施肥觀念;科研部門(mén)加強(qiáng)綠肥品種的收集、選育與留種,搞好良種繁育和提純復(fù)壯,完善綠肥種子生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化體系,同時(shí)系統(tǒng)地開(kāi)展綠肥作物的有機(jī)肥品質(zhì)評(píng)價(jià),研究其在不同還田方式下的腐解動(dòng)態(tài),建立綠肥相應(yīng)的效應(yīng)模型,確定合理的還田方式,從而為綠肥資源的合理利用提供技術(shù)參考;在推廣應(yīng)用上,搞好示范基地,建立示范樣板,提倡綠肥—作物輪作、綠肥+作物間套作、糧肥、菜肥、飼肥兼用、果茶園綠肥等一肥多能,綜合利用新路子,探索綠肥種植的最優(yōu)模式,著力提高綠肥生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益。

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