杨滨娟, 黄国勤,*

稻田冬种绿肥生态环境效应的研究进展

杨滨娟1,2, 黄国勤1,2,*

1. 江西农业大学生态科学研究中心, 江西南昌 330045
2. 土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所), 江苏南京 210008

冬季绿肥是一种养地作物, 是一种重要的优质生物肥源和有机肥料。我国南方稻区水、热资源丰富, 多数地区适宜种植冬季绿肥。为了深入研究冬季绿肥作物对稻田生态环境效应的影响, 在前期田间试验研究的基础上, 结合众多学者的研究进展, 综合阐述了冬种绿肥条件下水稻氮素吸收和利用、土壤养分、土壤微生物生物量和活性、土壤有机碳及碳库管理指数、稻田病虫草害及其稻田温室气体排放等方面的研究, 以期为大面积推广种植冬季绿肥、发展绿肥生产和实现农业的可持续发展提供一定的理论依据。

冬季绿肥; 生态环境; 研究进展; 稻田

1 前言

近年来, 随着化肥用量的不断增加, 水稻氮素供应不再是高产的瓶颈。紫云英(Astragalus sinicus L.)等绿肥作为有机氮库存在的价值降低, 加之经济因素的原因, 农民种植紫云英的积极性降低, 出现大量冬闲田[1], 对当地有利的农业生产资源造成了极大的浪费。稻田种植制度单一、大量施用化肥、有机肥用量大幅度减少、生物培肥措施废弃等问题,也直接导致了稻田耕作层变浅, 有机质含量下降,土壤理化性质变劣, 制约了稻田土壤可持续生产能力[2]。冬季绿肥适应性较强、生长迅速, 是一种重要的、养分完全的优质生物肥源和有机肥料[3–4]。种植绿肥不仅能充分利用冬季水、热及土地等资源生产出大量鲜草[5], 同时在增加作物产量[6]、改善和提高土壤肥力[6–10]、改善稻田土壤结构[2]、提供作物养分[9]、防止水土流失、改善生态环境和节能减排等方面发挥了良好作用[4]。翻压绿肥后可促进土壤有机质的矿化分解和土壤养分的循环与转化[9]; 还可为土壤提供大量的碳源和养分, 对缓解化肥资源紧张及节约化肥投入成本有良好的效果。作者及课题组成员连续多年从事冬季作物的研究, 积累了大量的试验数据和经验, 本文旨在前期试验结果的基础上,结合前人研究结果探讨冬季绿肥条件下稻田生态环境效应的研究进展, 对于提高农业生产力、改善土壤环境和促进农民增收等具有重要意义[11], 同时也有利于提升土壤质量和农田利用率以及实现农业的可持续发展[12], 以期为冬季农业开发提供一定的理论依据。

2 冬种绿肥条件下水稻氮素吸收和利用研究

氮肥施用不合理、利用率低一直是困扰我国农业生产的一个突出问题。朱兆良等[13]总结了国内782个田间试验, 发现我国主要农作物水稻及麦类的氮肥利用率平均只有28%—141%。提高稻田氮肥利用率, 减少环境污染和温室气体排放是当前水稻生产面临的重要课题。朱波等[14]研究表明双季稻种植制度下黑麦草(Lolium perenne L.)替代50%尿素与单施尿素相比, 氮素吸收量一致, 但增加了水稻生物量和稻谷产量, 增加了氮素生产效率以及尿素氮在土壤中的残留率, 减少了N2O 排放。王飞等[15]研究表明紫云英翻压18 t·hm–2配合施用100%化肥对提高水稻分蘖期植株氮含量最为显著; 虽然不同施肥处理水稻生育期的化肥氮素利用率无明显变化,但紫云英翻压18 t·hm–2配合施用100%化肥处理分蘖期与成熟期植株氮素吸收量分别较单施100%化肥处理提高了23%与18%, 说明绿肥与化肥配施有利于水稻植株吸收外源氮素, 且植株吸收氮的差异主要来自于紫云英矿化的氮源, 而且翻压绿肥减肥增效的主要机制之一是紫云英矿化的养分替代了化肥。王建红等[16]研究表明紫云英翻压量在60 t·hm–2时可提高氮、磷、钾的养分农学利用效率, 而翻压量为90—120 t·hm–2时显著降低了氮、磷、钾的农学利用效率。徐昌旭等[17]研究了翻压22.5 t·hm–2紫云英鲜草配施不同比例化肥对早稻稻谷和稻草氮、磷、钾养分吸收的影响, 认为紫云英翻压并配施80%的常规化肥最有利于早稻稻谷和稻草对氮、磷、钾养分的吸收。赵冬等[18]研究表明, 随着施肥量的增加,稻季氮素径流损失不断增大, 无机氮是氮素径流损失的主要形态, 且径流水中无机氮以铵态氮为主,应将铵态氮作为农田排水污染检测的主要指标; 绿肥还田配施140 kg·hm–2无机氮追肥, 而且氮肥仅作追肥免施基肥, 不但可以减少48%无机氮肥, 降低38.5%氮素径流损失率, 还可实现水稻产量和环境效应的协调, 是水体污染严重地区值得尝试的一种农作方式。胡安永等[19]采用田间微区15N 示踪法,研究表明紫云英-水稻轮作模式下的氮肥损失率最小, 小于休闲-水稻轮作和小麦-水稻轮作, 能够有效降低农田施用氮素损失量大所带来的环境风险; 综合生产效益、经济效益和环境效益, 选择紫云英还田配施氮肥240 kg·hm–2时, 既可以保证水稻氮肥利用率而获得高产, 又能减少氮肥损失而带来的环境风险, 是一种适合太湖地区广泛提倡和大力推广的耕作制度。

3 冬种绿肥条件下土壤养分研究

冬季绿肥可以改善土壤性质并对土壤肥力的可持续发展有重要意义。前人大量研究表明, 绿肥翻压可提高土壤的有机质含量和速效养分, 是培肥土壤的重要措施, 也是解决我国农业生产对化肥依赖度大的有效途径[20]。近期研究均表明, 施用绿肥能提高土壤养分特别是有机质、速效钾、速效磷和碱解氮, 进而提高作物的产量和品质[12,21]。绿肥具有更新土壤腐殖质、提高土壤有机质、改善土壤理化性状和提高土壤磷有效性等作用[22]。张达斌等[23]研究表明, 与空闲处理相比, 连续2 a 夏季种植并翻压豆科绿肥后耕层土壤有机质含量能够增加3.9%—11.8%, 全氮含量提高4.5%—10.8%, 在渭北旱塬一年一熟地区, 利用夏闲期插播短期豆科绿肥具有明显培肥效果。杨春霞等[24]研究表明绿肥覆盖后胶园土壤有机质、全氮、速效磷、速效钾较空闲对照均有不同程度的提高; 而土壤碱解氮含量和pH值变化不明显。王开磊等[25]采用土壤有机质持留法和机会成本法评价农田生态系统保持土壤肥力、积累有机质的价值, 结果显示冬季绿肥保持土壤肥力、积累土壤有机质的价值为2154 元·hm–2; 维持土壤养分循环的功能价值为792元·hm–2。杨曾平等[4]通过对连续28年双季稻种植下冬种绿肥研究表明, 长期冬种绿肥处理的pH值和有效磷含量都低于空闲对照处理; 而长期冬种绿肥处理的土壤有机质、全氮和有效钾含量都明显高于对照处理。王璐等[26]研究表明, 紫云英和稻草还田可以降低土壤容重, 改善土壤孔隙性; 对提高翻耕处理土壤养分的效果更显著, 各土层的有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量均高于空闲对照处理。高菊生等[11]研究结果表明, 长期双季稻绿肥轮作土壤有机质随年份显著增加, 双季稻紫云英轮作土壤有机质积累速度最快, 双季稻黑麦草次之。双季稻区冬种覆盖物能显著提高土壤有机质含量, 促进土壤微生物活动, 从而有利于保持土壤肥力[27–28]。刘立生[29]研究表明,长期种植绿肥土壤有机质、全氮含量显著上升, 土壤碱解氮、氮矿化势、矿化速率、有机氮品质显著下降。江新凤等[30]研究表明, 白三叶草(Trrifolium repens L.)、红三叶草(Trifolium repens L.)、黑麦草等绿肥的种植不仅可以保土肥园, 提高茶园土壤肥力,同时能促进茶树生长发育, 提高茶树品质和产量,提高茶树种植的经济效益和生态效益。紫云英属豆科作物, 能够固定大气中的氮, 从而使土壤氮素得到一定的补充, 减缓土壤氮矿化势和有机氮品质的下降速度[31]。

4 冬种绿肥条件下土壤微生物生物量及活性研究

土壤微生物量是土壤有机质的活性部分, 也是土壤中最活跃的因子, 是活的土壤有机质部分[32]。种植翻压绿肥能够通过改变土壤环境和为微生物生长繁殖提供碳源及氮源而影响土壤微生物的活性,并且能够改变微生物的群落组成和功能, 增加土壤微生物多样性, 影响微生物与土壤环境间的相互作用[33–38]。官会林等[39]研究绿肥作物改良土壤的生态作用, 发现绿-烟和豆-烟复种模式下, 植烟生长期内根区土壤微生物量碳及土壤有机碳均高于麦-烟复种及冬闲连作地, 并且差异达显著或极显著水平。杨曾平等[9]研究表明, 与冬季休闲处理相比, 长期冬种绿肥翻压处理的微生物种群数量、微生物生物量碳(SMBC)、微生物生物量氮(SMBN)、土壤呼吸、脲酶、转化酶和脱氢酶活性都有所提高, 代谢熵(qCO2)降低, 而长期冬种紫云英处理的效果最明显。刘国顺等[40]研究表明, 翻压黑麦草能够明显提高烟田土壤微生物量碳和微生物量氮含量。张帆等[41]研究表明, 冬季作物马铃薯(Solanum tuberosum)、黑麦草、紫云英、油菜(Brassica campestris L.)均提高了稻田土壤微生物碳、氮含量, 黑麦草明显提高了土壤微生物量碳和微生物熵, 紫云英明显提高了土壤微生物量氮; 冬季作物对土壤微生物量碳和土壤微生物量氮的季节性影响变化趋势基本一致, 紫云英、马铃薯处理的土壤微生物量C、N含量均在水稻生育期间8月中旬达到最大值。

作为一种重要的有机肥, 绿肥在生长过程和翻压后均能向土壤中释放酶, 同时绿肥还田为土壤微生物提供能源与养分, 从而引起来自土壤微生物的土壤酶活性发生改变[1,42]。章秀福等[43]研究发现种植冬季作物有提高土壤酶活性和抗叶片衰老的作用。一些研究者证明, 翻压绿肥对稻田土壤中脲酶、蔗糖还原酶、磷酸酶和过氧化氢酶存在明显的促进作用[42,44]。官会林等[39]通过绿肥轮作试验表明绿(紫花苕子Vicia villosa Roth var.)-烟(烟草Nicotiana tabacum L.)、豆(蚕豆Vicia faba L.)-烟及麦(小麦Triticum aestivum Linn.)-烟3种模式的土壤脲酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶和多酚氧化酶均高于冬闲连作地, 分别高出0.41—2.07 mg·g–1、0.02—0.96 mg·g–1、0.58—2.48 mL·g–1、1.62—4.81 mg·kg–1。肖嫩群等[45]对烟田翻压紫云英的研究表明, 适量紫云英还田有助于土壤好气性细菌的繁殖, 有益于烟草生长; 而放线菌和真菌数量的变化则随着翻压时期和化肥施用量的不同而有所变化。张达斌等[23]研究表明, 与休闲处理相比, 连续2年种植并翻压绿豆、大豆和长武怀豆(Sophora japonica L.)后土壤的活性有机质含量能够提高3.2%—7.6%, CPMI 增加2.7%—7.6%,表明种植翻压豆科绿肥能有效保证土壤肥力的稳定与提高。

5 冬种绿肥条件下土壤有机碳及碳库管理指数研究

土壤有机碳是土壤中的各种含碳有机化合物,可作为土壤衰退及土壤变化过程中土壤质量变化的预警指标[39], 作为土壤养分循环转化的核心, 对土壤结构的形成及稳定性具有重要影响。土壤有机碳含有植物生长所必需的各种营养元素, 具有改善土壤物理化学性状、增强土壤供水保水能力、提高土壤生物活性、促进营养元素转化、减少作物病害等作用, 进而决定作物产量。杨滨娟等[46]研究表明单施紫云英能够显著促进土壤总有机碳和活性有机碳的累积, 但单施氮肥处理的土壤有机碳含量下降了0.62%—3.36%。与不施肥相比, 单施绿肥和绿肥氮肥配施处理的土壤碳库管理指数分别平均增加了24.55和15.17, 而单施氮肥减少了2.59。肖小平等[47]研究结果表明, 冬季覆盖作物残茬还田有利于提高稻田土壤总有机碳和活性有机碳含量。各处理稻田土壤总有机碳和活性有机碳含量大小顺序均表现为紫云英-双季稻＞黑麦草-双季稻＞油菜-双季稻＞冬闲-双季稻。冬季覆盖作物残茬还田通过增加土壤碳库活度、碳库活度指数和碳库指数, 进而提高土壤碳库管理指数。其中, 以紫云英残茬还田效果为最好,黑麦草和油菜残茬还田效果次之。刘立生[29]研究表明, 长期种植绿肥能够显著增加土壤总有机碳、细粘粒有机碳、粗粘粒有机碳含量。何春梅等[32]研究结果表明, 与不施肥对照相比, 紫云英翻压和紫云英+化肥处理均能显著地提高耕层土壤的有机碳含量土壤易氧化有机碳含量, 促进土壤大颗粒团聚体的形成, 降低土壤容重, 增加土壤孔隙度, 从而改善土壤结构。

6 冬种绿肥条件下稻田病虫草害研究

杂草是农业生态系统的重要组成部分, 在现代农业中, 一方面需要对农田杂草进行合理的控制,另一方面又需要对田间杂草的生物多样性在一定程度上得以保护[48]。本课题组陈洪俊等[49]研究表明, 紫云英-早稻-晚稻对稻田杂草发生种类和密度有显著影响, 杂草物种多样性较低, 对杂草的抑制效果明显优于其他处理, 杂草群落组成为: 稗草(Echinochloa crusgalli)+鸭舌草(Monochoia vaginalis)+牛毛毡(Eleocharis yokoscensis), Pielou均匀度指数较高, 有利于提高杂草均匀度, 从而弱化稻田优势种杂草在田间的危害性。高菊生等[48]通过研究长期稻-稻-紫云英轮作对田间杂草多样性的影响, 结果表明长期稻-稻-紫云英轮作, 能够明显的降低田间杂草密度,减少早稻期间田间杂草的种类, 然而, 对晚稻时期田间杂草种类的影响不明显。李昌新等[50]研究表明,秸秆冬季覆盖还田显著降低稻田杂草密度和生物量,而长期施用猪粪显著提高稻田冬春杂草密度和生物量, 而且有机肥晚稻时期施用对杂草的促进效应显著高于早稻时期施用, 秸秆冬季覆盖还田对杂草的抑制效果显著高于夏季旋耕还田。孙雪等[51]研究发现, 冬闲时种植黑麦草可以很好地抑制农田杂草的发生, 还可以减少土壤中活动的杂草种子数量, 还可以影响农田中杂草种类, 减少甚至避免农田中植株较大的杂草的生长。

水稻病虫害是影响水稻高产、稳产和优质生产的主要因素之一[52], 尤其在当今全球变暖的背景下,水稻病虫害随着气温的上升而出现发生期提前、地理范围扩大、危害程度加剧等特点。为了防治病虫草害, 提高水稻产量, 人们大量施用化肥和农药,这一方面加剧了农业面源污染并造成大气污染; 另一方面, 降低了稻田生物多样性, 在某种程度上促使病虫害加重, 形成恶性循环。更重要的是, 施用化肥和农药不仅降低稻米品质, 还通过环境残留和食物链途径对稻田生物和人体健康产生危害。因此,加强水稻的高产优质安全生产已势在必行[53]。近年来, 中国利用生物多样性防控水稻病虫草害技术的研究大量涌现, 此方向的研究符合农业可持续发展的要求, 正日益受到重视[54]。谭景艾等[55]研究表明,不同冬种绿肥(马铃薯、油菜和紫云英)翻压后, 对后茬水稻病虫草发生种类无影响, 其主要病虫草害有纹枯病、二化螟、稻纵卷叶螟、鸭舌草和稗草, 而对纹枯病、鸭舌草和稗草发生程度有显著抑制作用,对二化螟和稻纵卷叶螟发生量无显著影响; 在病虫草发生初期, 选用适当的农药可有效控制早稻病虫害发生, 提高水稻产量。

7 冬种绿肥条件下稻田温室气体排放研究

大气中温室气体浓度的增加是导致全球变暖的主要因素之一, CH4和N2O是大气中两种重要的温室气体, 对地球系统的能量收支和地球气候变化有重要影响[56]。研究冬季绿肥翻压还田后稻田的CH4和N2O排放特征, 对合理利用冬闲田, 发展冬季绿肥, 以及科学评价不同种植模式具有重要意义。稻田冬季作物覆盖, 可以充分利用冬春季光热资源,增加单位面积生物产量和土壤有机碳, 增加碳氮蓄积, 保障作物生产安全, 但同时也可能增加稻田有机物的投入, 从而影响稻田温室气体的排放[57]。唐海明等[57]通过分析不同覆盖作物残茬还田对稻田CH4和N2O排放的影响, 结果表明冬季覆盖作物还田后, 各处理早、晚稻田CH4和N2O排放量均明显高于冬闲-双季稻; 稻田CH4和N2O综合温室效应总和表现为翻耕稻草覆盖马铃薯-双季稻＞翻耕移栽油菜-双季稻＞免耕直播黑麦草-双季稻＞免耕直播紫云英-双季稻＞冬闲-双季稻, 冬季覆盖作物还田明显提高稻田CH4和N2O排放。

8 小结与展望

绿肥不仅具有传统意义上的增加作物产量、培肥地力的作用和效果, 同时对提升土壤微生物活性和酶活性, 增加土壤有机碳含量, 控制杂草生长和病虫害发生、改善土壤生态系统及节能减排等方面也发挥了很重要的作用。在现代社会, 协调好人口、粮食安全、生态环境这三者之间的关系尤为重要,而种植绿肥一方面能增加优质的有机肥源, 培肥地力, 改良中低产田土壤, 增加农作物产量; 另一方面能改善生态环境条件, 能使人口、粮食安全、生态环境三者之间协调发展。但是不可否认, 现今农民种粮积极性差, 冬季绿肥没有得到应有的重视,冬季空闲面积越来越大。因此, 为了大力推广应用冬季绿肥-双季稻种植模式, 在大量试验的基础上,深入调查分析冬季绿肥推广应用面临的实际问题,“对症下药”, 是我们下一步要做的工作。

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The research progress of winter green manure on ecological environment effects in paddy field

YANG Binjuan1,2, HUANG Guoqin1,2,*
1.Research Center on Ecological Science,Jiangxi Agricultural University,Nanchang330045,China
2.State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture(Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences),Nanjing210008,China

Winter green manure is a kind of crop raising soil fertility, and it is an important source of high-quality bio-fertilizer and organic fertilizer. The water and geothermal resources are rich in southern areas; most areas are suitable for planting winter green manure. In order to study the impact of winter green manure on the ecological environment, on the basis of preliminary field trial, we reviewed the research progress of many scholars, and described the effects of winter green manure on nitrogen absorption and utilization of rice, soil fertility, soil microbial biomass and activity, soil organic carbon and carbon management index, paddy pests, greenhouse gas emissions and other aspects. The paper provides a theoretical basis for planting of green manure in large scale, the development of green manure production and achieving sustainable development of agriculture.

winter green manure; ecological environment effects; research progress; paddy field

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.05.029

S551

A

1008-8873(2016)05-214-06

杨滨娟, 黄国勤. 稻田冬种绿肥生态环境效应的研究进展[J]. 生态科学, 2016, 35(5): 214-219.

YANG Binjuan, HUANG Guoqin. The research progress of winter green manure on ecological environment effects in paddy field[J]. Ecological Science, 2016, 35(5): 214-219.

2015-07-06;

2015-08-09

土壤与农业可持续发展国家重点实验室开放课题(Y412201413); 国家科技支撑计划项目“鄱阳湖生态经济区绿色高效循环农业技术集成与示范”(2012BAD14B14-01)

杨滨娟(1985—), 女, 山东淄博人, 博士, 助理研究员, 研究方向为耕作制度与农业生态, E-mail: yangbinjuan27@sina.com

*通信作者: 黄国勤(1962—), 男, 博士, 现任江西农业大学首席教授、博士生导师, 研究方向为作物学、生态学、农业发展与区域农业、资源环境与可持续发展等, E-mail: hgqjxnc@sina.com