綠肥在旱作農(nóng)業(yè)區(qū)的應(yīng)用綜述

續(xù)創(chuàng)業(yè) 王甲璽

摘要：回顧了綠肥在旱作農(nóng)業(yè)區(qū)的種植歷史，綜述了目前國內(nèi)外綠肥在旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用研究進(jìn)展。并提出要因地制宜，重視綠肥新品種引進(jìn)及選育、配套種植、翻壓模式等技術(shù)的集成優(yōu)化和綜合利用技術(shù)研究，提高綠肥經(jīng)濟和生態(tài)效益等對策。

關(guān)鍵詞：綠肥；旱作農(nóng)業(yè)；進(jìn)展

中圖分類號：S55 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-1463（2017）09-0059-04

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2017.09.019

The World Application of Cold Plasma in Fruits and Vegetables Sterilization Preservation

MA Peipei

（College of Food Science and Technology，Nanjing Agricultural University， Nanjing Jiangsu 210095， China）

Abstract：In this paper，the sterilization mechanism and technological advantages，application situation，issues and future development are alalysed. Cold plasma as a new non thermal sterilization technology has been concerned about in the field of food and has broad application prospects in food fresh-keeping.

Key words：Fruits and vegetables；Sterilization；Fresh；Cold plasma technology

旱作農(nóng)業(yè)，又稱“雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)”，指在降水稀少又無灌溉條件的干旱、半干旱和半濕潤易旱地區(qū)，即年降水量 250～800 mm的地區(qū)，不靠灌溉而采用一系列抗旱農(nóng)業(yè)技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)。我國旱作農(nóng)業(yè)地區(qū)面積大，約占國土陸地面積的 56%，全國耕地的 60%以上為旱地。研究表明，年降水量 400 mm左右或以上的旱作地區(qū)采用適宜的耕作措施，降水可生產(chǎn)6.0～7.5 kg 谷物[1 ]。水分短缺和土壤貧瘠是限制我國旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的兩大因子，并且二者聯(lián)系緊密，相互作用，表現(xiàn)為“旱地多薄，薄地易旱，旱薄相連”。 因此，旱作農(nóng)業(yè)的發(fā)展，與我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的提高和未來糧食安全有密切的關(guān)系。

長期以來，由于旱作農(nóng)業(yè)區(qū)年際和年內(nèi)分布不均的降水、特殊的土層結(jié)構(gòu)和不合理的耕作措施，使得旱作區(qū)水土流失嚴(yán)重，土壤質(zhì)量和肥力水平不斷下降，薄已逐漸超越旱，成為制約旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要限制因子[2 ]。綠肥是指所有能翻耕到土壤用作肥料的綠色植物。其作為一種高效培肥地力的作物，能夠有效提高土壤肥力水平和養(yǎng)分含量，改善土壤通氣、保水和保肥等物理特 性[3 - 4 ]。同時作為一種優(yōu)質(zhì)的有機肥，能為后茬作物提供豐富的養(yǎng)分來源的作物，可解決當(dāng)前旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中由于過度依賴化學(xué)肥料，導(dǎo)致作物產(chǎn)量難以進(jìn)一步提高、農(nóng)產(chǎn)品安全受到威脅、土壤質(zhì)量下降，面污染日益嚴(yán)重等問題[5 ]，對實現(xiàn)2020年農(nóng)作物化肥零增長行動具有重要的現(xiàn)實意義。

1 綠肥作物在旱作農(nóng)業(yè)區(qū)的種植歷史

早在3 000多年前，我國古代勞動人民就有種植綠肥為農(nóng)作物生長提供所需養(yǎng)分的案例。在西漢時期，甘肅省就引進(jìn)紫花苜蓿來提供優(yōu)質(zhì)飼料和改良土壤，到明清時期，已經(jīng)成為糧食豐產(chǎn)栽培的重要綠肥作物[5 ]。北魏時期，著名農(nóng)學(xué)家賈思勰在《齊民要術(shù)》中提到：“凡美田之法，綠豆為上，小豆、胡麻次之”，初步探討了綠肥作物在輪作制度中的地位，對綠肥進(jìn)行總結(jié)，由此綠肥成為一種學(xué)科體系[6 ]。由此可見，先民就已經(jīng)認(rèn)識到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系中引入綠肥作物的重要性，并將在實際生產(chǎn)中加以推廣、利用。

新中國成立以來，我國農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，化肥工業(yè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要，使得綠肥生產(chǎn)得到迅猛擴增。據(jù)統(tǒng)計，20世紀(jì)50年代我國綠肥種植面積約為170萬hm2，到70年代我國綠肥種植面積增至1 300萬 hm2，約占當(dāng)時耕地面積的12.5%[7 ]。但自20世紀(jì)80年代開始，隨著化肥工業(yè)的迅猛發(fā)展，人們在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)施用化肥較種植綠肥能帶來即時經(jīng)濟效益和便利性，從而形成了“重化肥輕有機肥、重用地輕養(yǎng)地”的不良用地習(xí)慣，導(dǎo)致綠肥種植面積逐年下降。據(jù)統(tǒng)計，甘肅省1949年綠肥種植面積為8.7萬 hm2，1955年擴大為12.9萬 hm2，1975年為58.93萬hm2，創(chuàng)甘肅綠肥生產(chǎn)歷史之最，而到1991年下降至12.4萬 hm2，到2005年僅為4.8萬hm2[5 ]。

隨著綠肥種植面積的銳減，化肥使用量擴增迅猛。據(jù)統(tǒng)計，我國化肥年用量達(dá)到5 600萬t（折純量），占全球氮肥消耗量的35%。隨著化肥農(nóng)藥的大量使用和不合理的田間耕作，導(dǎo)致我國耕地土壤肥力不斷下降、土壤板結(jié)嚴(yán)重、水土流失、土壤重金屬污染日益嚴(yán)重。為此，農(nóng)業(yè)部制定了《到2020年化肥施用量零增長行動實施方案》。綠肥作為一種生物肥源，將在土壤地力培肥、改良土壤、增加作物產(chǎn)量方面有不可替代的作用，將重新成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的肥源，在保持我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中起到重要作用。

2 綠肥在旱作農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究

2.1 綠肥對土壤肥力的影響

有機質(zhì)是衡量土壤質(zhì)量指標(biāo)的重要指標(biāo)之一，能有效的增強土壤微生物的活性，并提高土壤的理化性質(zhì)[8 ]。綠肥含有豐富的有機質(zhì)（12%～15%），綠肥翻壓后能有效的提高土壤有機質(zhì)和氮素含量。研究表明，30 t鮮豆草能增加每1 hm2耕層土壤30 kg有機質(zhì)和3～6 kg氮素[9 ]。翻壓大綠豆、白三葉和黑麥草的土壤有機質(zhì)含量均明顯高于對照[10 ]。翻壓草木樨、大豆、沙打旺和油葵的土壤有機質(zhì)含量均呈現(xiàn)一定的提高趨勢，其中草木樨和大豆處理的棉田土壤有機質(zhì)含量分別較對照提高8.58%和1.01%[11 ]。趙秋等[12 ]研究表明，翻壓二月蘭的土壤有機質(zhì)較對照增加1.64%～15.4%。方日堯等[13 ]在黃土高原地區(qū)連續(xù)10 a單播紫花苜蓿用作綠肥的長期定位試驗發(fā)現(xiàn)，土壤全氮、有機質(zhì)和速效養(yǎng)分含量均較對照田表現(xiàn)出顯著的提升效果。有研究發(fā)現(xiàn)，長期施用綠肥可有效提高土壤松結(jié)態(tài)、穩(wěn)結(jié)態(tài)以及緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量。張久東等[14 ]認(rèn)為，翻壓綠肥作物能夠顯著提高旱地土壤的供氮能力。李正等[15 ]研究表明，翻壓綠肥比對照處理的土壤全氮和堿解氮含量分別提高8.9%～41.0%和11.6%～20.9%。

同時隨著土壤有機質(zhì)增加，促進(jìn)土壤形成良好的有機無機復(fù)合膠體，有利于土壤團聚體和土壤疏松結(jié)構(gòu)的形成，改善了土壤物理性狀。有研究表明，在茶園連續(xù)3 a行間種植翻壓黑麥草，土壤容重從1.59 g/cm3降低到1.43 g/cm3，土壤總孔隙度從42.3%上升到47.7%。種植綠肥后，在0～20 cm的根層土壤，土壤容重由1.25 g/cm3減少到1.0 g/cm3，孔隙度由53%增加到62%，空氣含量增加了15.36%。種植綠肥還可以改善土壤酸堿度。楊冬艷等[16 ]發(fā)現(xiàn)種植綠肥能顯著降低土壤pH，可以減輕由于施用農(nóng)家肥和化肥導(dǎo)致的土壤次生鹽漬化的程度。在梨園種植毛葉笤子生草的研究表明，連續(xù)3 a年生草與對照相比，土壤pH由7.84降低為7.17；有機質(zhì)含量由4.25 g/kg提高到6.44 g/kg，增加了51.5%。以上研究均表明，翻壓綠肥作物能顯著改善土壤結(jié)構(gòu)狀況，增加土壤有機質(zhì)含量，提高土壤肥力。

2.2 綠肥對土壤水分的影響

旱作農(nóng)業(yè)區(qū)由于不合理的耕作制度，在降雨集中的季節(jié)難以蓄積有效降水，反而易發(fā)生水土流失，最終降低土壤肥力。有研究表明，在黃土高原夏閑期土壤貯水量占降水的百分比只有 10%～15%[17 ]，說明大部分降水被無效損失。由于綠肥的莖葉具有一定的覆蓋地面的作用，可減緩集中降雨對土壤表層的沖涮，防止水土流失，同時可減少土壤耕層水分蒸發(fā)，有利于土壤增墑保蓄。王國友[18 ]在坡耕地種植綠肥的試驗結(jié)果表明，種植一季綠肥，平均1 hm2減少水土流失量為26.1 t。楊承建[19 ]研究報道，綠肥能夠降低土壤蒸發(fā)和地表徑流損失，節(jié)約效果相當(dāng)于同一時期增加降水量400～500 mm。Allen 等 [20 ]通過12 a的長期定位試驗發(fā)現(xiàn)，在適當(dāng)?shù)奶镩g管理情況下，半干旱地區(qū)休閑期應(yīng)用豆類綠肥較傳統(tǒng)的小麥—休閑體系能維持長達(dá)3個輪作周期的水分生產(chǎn)力。楊曾平[21 ]研究表明，在稻田休閑期種植紫云英、黑麥草和油菜，0～15 cm土層土壤含水量較對照（休閑）分別增加13.0%、10.3%和4.7%（P < 0.05）。因此，在休閑期種植綠肥能夠有效利用當(dāng)季的自然降水，對提高夏閑期的水分利用和培肥旱地土壤至關(guān)重要。但由于綠肥為了滿足自身生長對土壤水分的額外消耗，已經(jīng)成為旱作農(nóng)業(yè)區(qū)應(yīng)用綠肥措施的主要弊端和障礙因素之一[22 ]。

2.3 綠肥對作物生產(chǎn)及產(chǎn)量的影響

翻壓綠肥能顯著改善土壤結(jié)構(gòu)狀況，提高土壤肥力，最終促進(jìn)作物高產(chǎn)。關(guān)于旱作農(nóng)業(yè)區(qū)綠肥對后茬作物，主要是小麥、油菜、玉米等作物產(chǎn)量方面的研究較多，其中后茬作物產(chǎn)量還與綠肥施用模式、后茬作物等因素有關(guān)。蔣維新等[23 ]研究表明，在旱作農(nóng)業(yè)區(qū)連續(xù)5 a種植苜蓿的第一季小麥，比連續(xù)5 a單作小麥增產(chǎn)1 550 kg/hm2，增產(chǎn)達(dá)75.7%；姚鵬偉等[24 ]研究表明，夏季休閑期種植并翻壓長武懷豆、大豆，可以增加旱作小麥穗數(shù)，使小麥經(jīng)濟產(chǎn)量提高16%～30%。研究表明，陜西關(guān)中地區(qū)夏季休閑期種植豆科綠肥較免耕休閑處理冬小麥分別增產(chǎn)21.1%（光葉毛苕子）和24.3%（毛苕子）。韓梅等[25 ]種植綠肥毛苕子后種植油菜，發(fā)現(xiàn)在不施肥條件下，毛苕子收割留茬處理比對照（不種植毛苕子）增產(chǎn)1.06%；同等施肥條件下翻壓2 000 kg/hm2毛苕子處理比收割留茬處理增產(chǎn)18.40%。鄭元紅等[26 ]發(fā)現(xiàn)，綠肥（油菜和光葉紫花芍）還田處理的玉米產(chǎn)量較對照平均增產(chǎn)31.3%～33.0%，可顯著改良中低產(chǎn)田。孫銳鋒等[27 ]研究發(fā)現(xiàn)，綠肥可提高玉米產(chǎn)量及籽粒粗蛋白質(zhì)含量。陳正剛等[28 ]研究表明，翻壓綠肥后玉米植株的生物量和養(yǎng)分吸收均呈現(xiàn)提高的效果。

但在旱作農(nóng)業(yè)區(qū)也有種植綠肥對后茬小麥無明顯增產(chǎn)甚至減產(chǎn)的報道。Vigili[29 ]和Nieslsen[30 ]研究發(fā)現(xiàn)，在北美大平原，由于在休閑期種植的豆類綠肥消耗大量的土壤水分，導(dǎo)致后茬小麥大幅度減產(chǎn)；Zhang等 [31 ]研究指出，在干旱年份種植綠肥顯著降低冬小麥籽粒產(chǎn)量；張春等[32 ]研究結(jié)果表明，種植豆科綠肥，冬小麥穗數(shù)較休閑處理降低13.8%～23.4%，籽粒產(chǎn)量減少18.6%～31.3%。

綜上所述，綠肥在旱作農(nóng)業(yè)中的主要作用是改善土壤物理性狀，提高土壤肥力水平，接納有效降水，降低水土流失，減少土壤表層水分蒸發(fā)等，從而提升土壤肥力水平，使后茬作物能夠穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)。

3 結(jié)束語

當(dāng)前旱作農(nóng)業(yè)區(qū)綠肥種植主要存在農(nóng)民認(rèn)識不足、品種退化和關(guān)鍵技術(shù)落后等問題[5 ]，主要原因首先在于種植綠肥的收益不如直接使用化肥明顯，農(nóng)民普遍認(rèn)為種植綠肥經(jīng)濟效益低，積極性不高；其次是適合在旱作農(nóng)業(yè)區(qū)種植的綠肥品種較少，在品種選育方面研究不夠，品種退化問題突出；再次是由于旱作農(nóng)業(yè)區(qū)特殊的自然生態(tài)條件（氣溫、降水、土壤肥力等因素）的限制，所選用綠肥的種類、種植模式、翻壓模式等關(guān)鍵技術(shù)對培肥土壤、提高后茬作物產(chǎn)量方面影響較大，目前對這些技術(shù)集成優(yōu)化研究不夠。

綠肥作為我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的精華，利用綠肥改良培肥土壤，發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)，對于實現(xiàn)2020年農(nóng)作物化肥零增長行動有著重要的現(xiàn)實意義。針對目前綠肥種植存在的問題，應(yīng)該從以下幾方面考慮。首先國家要加大在綠肥方面的政策性投入，制定相應(yīng)政策，鼓勵農(nóng)民利用綠肥培肥地力，改變當(dāng)前農(nóng)民普遍存在依靠化肥，忽視綠肥的觀念；其次要加強對綠肥科研的資金投入以及科研成果的推廣，尤其重視適宜當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)條件的綠肥新品種引進(jìn)及選育、配套種植、翻壓模式等技術(shù)的集成優(yōu)化等，切實提高綠肥經(jīng)濟和生態(tài)效益；再次要加大綠肥的綜合利用技術(shù)研究，研究綠肥肥田、養(yǎng)畜、增糧的合理結(jié)構(gòu)體系，開發(fā)綠肥在青貯、食用、加工等方面的用途，提高綠肥直接經(jīng)濟效益。

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