淺析油菜作為綠肥的應用優勢

顧熾明，李銀水，謝立華，胡小加，廖 星，秦 璐

（中國農業科學院油料作物研究所，農業農村部油料作物生物學與遺傳育種重點實驗室，湖北 武漢 430062）

我國是世界人口第一大國，利用世界7%的耕地養活了22%的人口，但舉世矚目的成就背后是消耗了世界35%的化肥和20%的農藥［1］。改革開放近40年來，我國谷物籽粒產量與化肥施用量同步增長，從1978年到2015年谷物籽粒產量翻了1倍，但化肥使用量翻了6倍［2］，化肥的大量施用造成了土壤退化、水體富營養化等一系列環境問題，我國生態、土壤及農業可持續綠色發展面臨著巨大的壓力和挑戰［3］。綠肥作為直接或經堆漚后還田為土壤提供養分及有機質的栽培或野生綠色植物體，在我國種植歷史悠久，早在公元前3世紀就有史料記載綠肥的土壤培肥效果［4］。然而，自20世紀中后期我國化肥工業的快速發展，綠肥的研究和應用逐漸衰減，幾近停滯［3］。以湖北省為例，全省綠肥種植面積從1977年頂峰時的141萬hm2，下降到2008年的8萬hm2［5］。綠肥作物種植面積減少、化肥施用環境問題逐漸凸顯，恢復發展綠肥生產迫在眉睫。根據中共十九大報告提出的“推進綠色發展、著力解決突出環境問題、加大生態系統保護力度”等建設美麗中國的要求，綠肥種植作為發展化學肥料有機替代和綠色防控技術的有效途徑，是實現我國化肥農藥減量使用和生態、環境、農業綠色可持續發展的有效手段。因此，發展綠肥生產具有重要的現實意義。

1 概述

綠肥油菜是指通過栽培培養綠色植物體并翻壓施入土壤作為肥用的油菜，種植區域分布范圍廣，既能在干燥、寒冷的黑龍江［6］、內蒙古［7］、青海等地區種植［8］，也可以在溫暖、濕潤的長江流域［9］和華南地區種植［10-11］，還能適應暖溫、季風氣候明顯的華北平原［12］。

油菜作為綠肥有較好的土壤培肥優勢。據王丹英等［13］報道，油菜干物質積累量大，4年田間定位試驗研究發現紫云英和油菜還田干物質量平均分別為 6 634 和 9 401 kg/hm2；并且盛花期油菜的磷、鉀含量顯著高于紫云英；輪作4年后，土壤有機質、全氮、堿解氮和全磷含量，紫云英分別提高3.3%、6.6%、10.2%和8.0%，油菜分別提高8.0%、4.6%、5.7%和14.0%，且油菜綠肥處理的土壤容重下降5.7%，土壤孔隙度增加1.8%，說明油菜作綠肥還田能提高土壤養分含量、培肥土壤地力、改善土壤物理性狀。另一方面，油菜碳氮比較為適中，章秀福等［14］報道，盛花期油菜和紫云英的碳氮比分別為20～25∶1和13～16∶1，前者更有利于被土壤微生物分解。因此，油菜盛花期還田作綠肥，其碳氮比更利于植株被分解，養分易被水稻吸收。油菜作為綠肥除了具有較好的土壤培肥優勢外，在病蟲害生物防治、土壤難溶性磷活化、土壤重金屬污染治理等方面具有獨特的應用優勢。

2 綠肥油菜的應用優勢

2.1 綠肥油菜土壤病蟲害生物防治優勢

硫代葡萄糖苷（簡稱硫苷）是廣泛存在于油菜根、莖、葉、果實中的一類次生代謝物質。硫苷水解產物主要為異硫氰酸酯（ITCs），ITCs是一類活性物質，能有效殺死和抑制土壤中的病原菌，控制土傳病害。因此，硫苷水解產物可作為衡量綠肥油菜生物防治效果的重要指標，也是區別于其他綠肥作物的重要特征之一。

謝文娟［4］研究表明，油菜根系產生的不同類型和水平的ITCs具有抑制許多根系真菌病原體的效果，ITCs能夠殺死和抑制土壤中的病原菌，抑制土傳病害，達到無需使用農藥或其他化學物質就能防治病蟲害的效果。楊瑞吉等［15］報道，油菜根系分泌物中除了含有大量的2，6-二叔丁基對甲酚外，酞酸二丁酯和十六酸-β-丙三醇酯相對含量分別達到22.55%和16.38%，而酚類和脂類物質與植物抗病性有關，對病原真菌具有抑制作用。此外，還有研究發現，芥菜生物熏蒸對土傳病害有一定抑制作用，同時還有助于黃瓜克服連作障礙［16］。

關于油菜的土壤病蟲害生物防治效果，國外也有大量報道。早在1998年，Sarwar等［17］研究發現蕓薹屬植株體內產生的黑芥子酶可水解硫苷，釋放的活性物質ITCs具有與化學熏蒸劑——威百畝和棉隆相近的作用效果。Handisenia等［18］研究發現，蕓薹屬植物能有效降低小麥根系絲核菌的數量，有效抑制小麥根腐病的發生。在馬鈴薯的研究中還發現芥菜型油菜的生防作用對防治馬鈴薯粉狀痂病和常見的痂病非常有效［19］，對馬鈴薯立枯絲核菌和腐霉菌的生長均有很好的抑制效果［20］，顯著降低馬鈴薯囊腫線蟲數量，并且降低的比例與綠肥使用量相關［21］。除了直接作用于病原菌外，翻壓油菜綠肥還能通過改善后茬作物營養減少作物病害。有研究表明與其他綠肥相比，翻壓油菜綠肥能促進生菜對有效態鈣素的吸收，從而減少了生菜灼傷病和細菌腐爛病害的發生，提高生菜商品率［22］。

2.2 綠肥油菜土壤難溶性磷活化優勢

油菜作綠肥對土壤難溶性磷活化效果明顯，能顯著提高土壤速效磷含量，并且通過植株固持后翻壓再歸還到土壤中供給后茬作物利用。26年的長期定位試驗結果表明，與冬閑對照相比，雙季稻油菜綠肥輪作土壤有效磷含量提高16.3%［23］。

胡靄堂等［24］研究發現，油菜根系的生物學形態性狀在缺磷條件下會發生很大變化，具體表現為主根和根毛的增長，根的半徑減小，而每單位重量根的長度增加，擴大根系吸收范圍，從而促使油菜在缺磷的土壤中吸收更多的磷素。除了通過改變自身根系形態，在磷素脅迫環境中，油菜根系還能通過自動調節陰陽離子吸收的比例，使根際酸化，為根際土壤溶液中難溶性磷的活化提供有利的酸性環境［25］。Bloan等［26］對7種有機酸的研究結果表明，活化土壤難溶性磷素的能力依次為檸檬酸>草酸>酒石酸>蘋果酸>乙酸、琥珀酸、乳酸。油菜根系分泌大量檸檬酸和蘋果酸等有機酸，有利于難溶性鈣磷、鐵磷及鋁磷的溶解活化，從而促進油菜對難溶性磷素 Ca3（PO4）2或 AlPO4的利用［27-28］。

除了綠肥油菜生長期間根系“開源”提高土壤磷素有效性，綠肥油菜翻壓后還能通過影響土壤酶活性提高土壤磷素有效性。王丹英等［13］研究發現，油菜作為綠肥翻壓腐解后可提高后茬水稻田土壤酸性磷酸酶活性，活化土壤磷素并提高土壤磷的生物有效性。李紅燕等［29］研究結果表明，與休閑處理相比，麥后播種綠肥油菜處理的土壤磷酸酶和總酶活分別提高了21.9%和48.4%。此外，還有研究表明磷脅迫環境中油菜不但能開源利用酸性土壤的鈣磷（Ca-P），還能節流減少土壤速效磷向有機磷（O-P）的轉化，提高土壤磷的有效性［4］。

2.3 綠肥油菜重金屬污染治理優勢

國外有關十字花科蕓薹屬植物可作為修復重金屬污染土壤方面的研究報道較多。早在20世紀90年代初就有人發現十字花科蕓薹屬植物可作為修復重金屬污染土壤的超累積植物［30］。Salt等［31］研究指出，油菜生物量大、生長速度快，能夠從土壤中吸收Cd和其他重金屬，并在植株體內大量積累。因此，油菜這一特性被人們用于研究植物對重金屬的積累和容忍機制［32］。在重金屬污染的土壤環境中，研究者從油菜根系中分離出抗Pb植物內生細菌，發現這些細菌能增加油菜生物量及Pb吸收量，并且會釋放吲哚乙酸、鐵載體和1-氨基環丙烷-1-羧酸脫氨酶，促進油菜根系在污染土壤中的生長以及對Pb的吸收［33］。印度芥菜是一種生長速度很快的重金屬超富集植物，在重金屬污染的土壤中也能產生較高生物量，因其對廢水中重金屬有良好的植物過濾和植物固持作用［34］，被用于耐Cd［35］和耐 As［36］的研究中。

國內在這方面的研究相對較晚［37］。顧繼光等［38］研究指出，油菜是超富集Cd的植物，可以作為重金屬污染土壤植物修復的物種，在一些礦區、化工廠等土壤重金屬污染地區土壤上種植油菜綠肥可以起到凈化土壤的效果。孫清斌等［39］對大冶典型銅礦區周邊農田研究發現，油菜莖葉、籽粒對Cd的富集系數權重高于根部對Cd的富集系數權重。

3 結語

油菜種植在我國歷史悠久且有很好的種植習慣和基礎。油菜適宜種植區域分布廣，我國從南到北、從東到西均能種植，其抗逆性和適應性能力較強，既可以在比較潮濕的南方水田種植，也可以在干旱少水的西北山區坡地生長；同時，油菜生物量大，綠肥產量高，其生長對土壤肥力要求較低［40］。作為綠肥，油菜在不同生態區域既可以秋冬播種，也可以春播。種子發芽率高，出苗能力強，生長速度較快，適宜翻耕期較長；且油菜種子繁殖系數大，種子成本較低。我國農作制度多元化，不同區域存在不同的農作制度。綠肥油菜生育期可以做到宜長則長、宜短則短，選擇合適播種時間能滿足不同區域農作制度的需求，甚至可以與花用、菜用、飼用等多功能應用模式相結合，建立適合不同區域特點的綠肥油菜農作模式，如兩熟制或三熟制稻田糧區的綠肥油菜應用模式、果園林區的綠肥油菜應用模式［41-42］。