煙草殘茬還田腐解特征及對土壤養(yǎng)分與煙堿的影響

陳 金，王新月，謝鵬飛，張慶富，楊 柳，陳治鋒，裴曉東，黃 杰，鄧永晟，鄧小華

（1長沙市煙草公司寧鄉(xiāng)市分公司，湖南寧鄉(xiāng) 410600；2湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長沙 410128；3湖南省煙草公司長沙市公司，長沙 410011）

0 引言

煙草殘茬包括煙草秸稈（煙莖）、煙草根系（煙根）、煙草打頂后花器及清除的低腳葉等[1]，其處理成為亟待解決的問題。傳統(tǒng)煙秸處理方法大都是以焚燒、丟棄為主，既給環(huán)境帶來負(fù)面影響[2]，也造成農(nóng)業(yè)廢棄物資源浪費。煙秸作為一種農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能資源[3]，含有大量植物生長所需的碳、氮、磷、鉀及其他中微量營養(yǎng)元素[4]。煙秸直接或間接還田提高土壤肥力已成為一種趨勢，可改善土壤理化性質(zhì)[5-6]，增加土壤有機質(zhì)及微生物含量[7-8]，也是對土壤鉀肥有效補充的便捷途徑[9]。煙稻復(fù)種是湖南稻作煙區(qū)的主要種植制度，其烤煙生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的煙草殘茬一般要求移出大田。但南方稻作煙區(qū)受煙草殘茬移出稻田用工費用和煙稻茬口緊張的制約，普遍采用煙草殘茬直接還田。由于煙草殘茬含有煙堿，有人認(rèn)為其還田可導(dǎo)致稻田土壤和種植的水稻上殘留煙堿，影響水稻種植的安全性。據(jù)此，采用模擬試驗，研究煙草殘茬還田后在稻田中腐解和養(yǎng)分、煙堿釋放規(guī)律，以及對水稻土壤養(yǎng)分和土壤煙堿、水稻植株煙堿殘留的影響，以期為煙稻復(fù)種制中煙草殘茬資源合理利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 地點與材料

試驗于2019年在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草樓大棚內(nèi)進(jìn)行。本次試驗選擇煙草殘茬中的煙莖和煙根，來自寧鄉(xiāng)煙區(qū)；將煙莖和煙根剖開，切成5～10 cm小段，烘干備用。水稻土壤來自寧鄉(xiāng)煙區(qū)沒有種植煙草和早稻的田塊。土壤pH 7.82，有機質(zhì)13.8 g/kg，全氮1.1 g/kg，全磷0.5 g/kg，全鉀4.9 g/kg。塑料盆長、寬、高規(guī)格為71 cm×45.5 cm×18 cm。灌溉水為生活用蒸餾水。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用塑料盆裝土模擬試驗。試驗分2個部分。第1個部分煙草殘茬腐解試驗，稱取烘干后的煙莖30 g，煙根20 g，分別裝入尼龍網(wǎng)袋，土壤覆蓋掩埋，加蒸餾水保持2 cm淹水層，重復(fù)30次。第2部分為煙草殘茬還田模擬試驗，設(shè)3個處理，即T1，模擬煙莖和煙根全量還田（每盆60 g煙莖+40 g煙根）；T2，模擬煙葉收獲砍掉煙莖移出田外，只留煙根部分還田（每盆40 g煙根）；CK，對照，無煙草殘茬還田。每處理3盆，每盆加入25 kg風(fēng)干土壤，將煙草殘茬與水稻土充分混勻，加蒸餾水靜置一晚，水稻催芽單粒直播，株行距5 cm×5 cm，水稻扎根后加蒸餾水保持2 cm淹水層，不追施肥料。

1.3 主要檢測指標(biāo)與方法

（1）腐解特征檢測指標(biāo)與方法。掩埋后分別在第0、5、10、15、20、30、40、60、80、100、120天取出煙草殘茬洗凈，60℃烘干至恒重后稱重。全氮采用凱氏定氮法、全磷采用鉬銻抗比色法、全鉀采用火焰光度法[10]測定；煙堿采用醋酸提取-連續(xù)流動分析儀測定[11]。計算公式如(1)～(3)所示。

式中：C0為煙草殘茬初始養(yǎng)分含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）；Ct為t時刻煙草殘茬養(yǎng)分含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）；M0為煙草殘茬初始干物質(zhì)量；Mt為t時刻煙草殘茬干物質(zhì)量（殘留量）；Tt為t時刻的天數(shù)。

（2）煙草殘茬還田模擬檢測指標(biāo)與方法。分別在煙草殘茬還田第0、5、10、15、20、30、40、60、80、100、120天取土樣，5點取樣，仔細(xì)挑凈煙草殘茬，混勻土壤，主要檢測土壤pH、有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀和煙堿含量[12]。土壤pH采用電位法測定（水土比為1:1）[12]。土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測定[12]。土壤和水稻植株中煙堿采用液相色譜法測定[13]。

1.4 統(tǒng)計分析方法

采用Microsoft Excel 2003和SPSS17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析。采用Duncan法在P=0.05水平下檢驗顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 煙草殘茬腐解特征

2.1.1 腐解速率和累計腐解率的動態(tài)變化 從圖1可以看出，煙根和煙莖的腐解均表現(xiàn)為前期快后期慢的特點，煙莖腐解快于煙根。煙草殘茬還田后的0～20天為快速腐解期；其中，第5天時煙根最大腐解速率為0.92 g/d，煙莖為1.27 g/d（圖1-A）。經(jīng)過20天的快速腐解，煙根累積腐解率為31.57%，占整個腐解期腐解量的70.12%；煙莖為44.19%，占整個腐解量的82.09%（圖1-B）。20天以后，殘茬腐解速率放緩；至40天基本趨于穩(wěn)定，煙根和煙莖的累積腐解率分別為35.40%和48.20%；120天后，煙根累積腐解率為45.02%，煙莖為53.82%。煙根累積腐解率動態(tài)變化模型為：y^=8.4174ln(x)+4.9698，R2=0.9584；煙莖累積腐解率動態(tài)變化模型為：y^=11.081ln(x)+4.9091，R2=0.9504。煙根腐解較煙莖慢，主要是由于煙根木質(zhì)化程度較高的緣故。

圖1 煙草殘茬腐解動態(tài)變化

2.1.2 氮、磷、鉀的釋放動態(tài)變化 從圖2看，煙草殘茬還田后快速釋放養(yǎng)分，其整個過程可分為“快速腐解—過渡期—平緩期”等3個階段。煙根養(yǎng)分釋放慢于煙莖，120天后各養(yǎng)分累積釋放率依次為鉀＞磷＞氮。

由圖2-A可知，煙草殘茬氮釋放在前20天為快速腐解期，易分解組織（韌皮部、髓等）等快速分解，迅速釋放氮養(yǎng)分，煙根氮釋放量為50.69%，煙莖為57.07%；20～60天為過渡期，殘留的易分解組織繼續(xù)腐解，氮養(yǎng)分釋放速率減緩，釋放量減少，煙根氮釋放量為16.70%，煙莖為12.22%；60～120天為平緩期，僅殘存難以被微生物分解的木質(zhì)化程度高的組織，氮養(yǎng)分釋放速率小而平緩，釋放量少，煙根氮釋放量為15.33%，煙莖為14.71%。煙草殘茬根的氮累計釋放動態(tài)變化模型為：y^=16.458ln(x)+0.572，R2=0.9918；煙莖氮累計釋放動態(tài)變化模型為：y^=17.028ln(x)+1.5392，R2=0.9933。

由圖2-B可知，煙草殘茬磷釋放在前10天為快速腐解期，煙根磷釋放量為72.95%，煙莖為86.77%；10～60天為過渡期，煙根磷釋放量為12.74%，煙莖為7.11%；60～120天為平緩期，煙根磷釋放量為9.12%，煙莖為3.98%。煙草殘茬根的磷累計釋放動態(tài)變化模型為：y^=16.51ln(x)+23.011，R2=0.8215；煙莖磷累計釋放動態(tài)變化模型為：y^=16.063ln(x)+33.111，R2=0.6786。

由圖2-C可知，煙草殘茬鉀釋放在前10天為快速腐解期，煙根鉀釋放量為84.99%，煙莖為94.85%；10～60天為過渡期，煙根鉀釋放量為8.60%，煙莖為3.24%；60～120天為平緩期，煙根鉀釋放量為4.43%，煙莖為1.30%。煙草殘茬根的鉀累計釋放動態(tài)變化模型為：y^=16.193ln(x)+31.79，R2=0.7004；煙莖鉀累計釋放動態(tài)變化模型為：y^=15.87ln(x)+37.86，R2=0.6121。

圖2 煙草殘茬腐解的氮、磷、鉀釋放動態(tài)變化

2.1.3 煙堿的釋放動態(tài)變化 從圖3看，煙草殘茬的煙堿釋放快，在還田后的前5天，煙堿釋放約50%；在還田后30天，煙根的煙堿累計釋放率為96.95%，煙莖的煙堿累計釋放率為94.03%；40天以后，煙草殘茬中煙堿就基本釋放完畢（未檢測出）。由于煙根相對于煙莖直徑更小，與水稻土接觸面積更大，其煙堿釋放要快于煙莖。煙草殘茬根的煙堿累計釋放動態(tài)變化模型為：18.29ln(x)+27.534，R2=0.7789；煙莖煙堿累計釋放動態(tài)變化模型為：y^=20.61ln(x)+14.908，R2=0.9082。

圖3 煙草殘茬腐解的煙堿釋放動態(tài)變化

2.2 對土壤的影響

2.2.1 對土壤pH的影響 由圖4可知，煙草殘茬（T1和T2處理）還田后土壤pH降低，第5～60天的土壤pH顯著低于CK；這可能與煙草殘茬腐解釋放的有機酸有關(guān)[14]。至還田后60天，T1和T2處理土壤pH開始提高；在還田后90天，T1、T2處理的土壤pH略高于CK，但差異不顯著?？梢姡瑹煵輾埐邕€田前期會導(dǎo)致土壤pH降低，但后期會提高土壤pH。

圖4 煙草殘茬腐解對土壤pH的影響

2.2.2 對土壤有機質(zhì)的影響 由圖5可知，煙草殘茬還田后，T1、T2處理土壤有機質(zhì)增加；至還田后40天，T1、T2處理的土壤有機質(zhì)達(dá)到最大值，分別為16.22、15.12 g/kg；此以后，土壤有機質(zhì)下降。T1、T2處理的土壤有機質(zhì)顯著高于CK；與CK相比，T1處理可提高土壤有機質(zhì)14.02%～39.87%，T2處理可提高土壤有機質(zhì)9.35%～37.66%，這種差異與T1處理煙草殘茬還田量多于T2有關(guān)?？梢?，煙草殘茬還田可提高土壤有機質(zhì)。

圖5 煙草殘茬腐解對土壤有機質(zhì)的影響

2.2.3 對土壤氮磷鉀養(yǎng)分的影響 由圖6-A可知，煙草殘茬還田后快速釋放氮，至第10天，土壤的全氮含量達(dá)到最大值，T1為1.65 g/kg，T2為1.53 g/kg；此以后，土壤全氮含量下降。在第20天，T2處理的土壤全氮含量低于CK，可能與T2處理的煙草殘茬腐解時微生物耗氮量多于釋放量有關(guān)。除第20天外，T1、T2處理的土壤全氮顯著高于CK；與CK相比，T1處理土壤全氮可提高9.03%～54.52%，T2處理土壤全氮可提高5.70%～29.89%。由圖6-B可知，煙草殘茬還田后快速釋放磷，至第5天，土壤的全磷含量達(dá)到最大值，T1為0.68 g/kg，T2為0.60 g/kg；此以后，土壤全磷含量下降。T1、T2處理的土壤全磷含量始終高于CK；與CK相比，T1處理土壤全磷可提高7.45%～25.16%，T2處理土壤全磷可提高2.34%～13.80%。由圖6-C可知，煙草殘茬還田后快速釋放鉀，至第10天，土壤的全鉀含量達(dá)到最大值，T1為6.25 g/kg，T2為5.78 g/kg；此以后，土壤全鉀含量下降。T1、T2處理的土壤全鉀含量始終高于CK；與CK相比，T1處理土壤全鉀可提高5.47%～18.76%，T2處理土壤全鉀可提高0.33%～14.67%。從不同處理看，T1處理提高土壤氮磷鉀的效果要優(yōu)于T2，這與T1處理煙草殘茬還田量多于T2有關(guān)。由此可見，煙草殘茬還田可提高土壤氮磷鉀養(yǎng)分。

圖6 煙草殘茬腐解對土壤氮磷鉀養(yǎng)分的影響

2.3 對土壤和水稻植株煙堿的影響

煙草殘茬腐解過程中煙堿是逐漸釋放的，且在土壤中還會水解[1]。首先，用流動分析儀檢測（檢出限為0.005 mg/L），其檢測結(jié)果是土壤和水稻植株的煙堿含量未檢出。然后，采用液相色譜檢測，其檢測結(jié)果見表1。從土壤煙堿含量看，至煙草殘茬還田后40天，土壤煙堿含量0.009～0.098 μg/g，含量非常低；T1處理的土壤至還田后第80天，煙堿含量為0 μg/g；T2處理的土壤至第90天，煙堿含量為0 μg/g。

表1 土壤和水稻植株中煙堿含量動態(tài)變化 μg/g

從水稻植株煙堿含量看，T1處理在還田后15、20天，水稻植株煙堿含量在0.000340～0.000856 μg/g，其他時間段檢測結(jié)果均為0 μg/g；T2處理在還田后20天，水稻植株煙堿含量為0.00083 μg/g，其他時間段檢測結(jié)果均為0 μg/g。以上說明，水稻植株在前期會吸收微量的煙堿，至20天后，由于煙堿的水解、揮發(fā)等，水稻植株上沒有煙堿含量。

3 討論

腐解速率和累計腐解率常用于反映秸稈還田腐解情況[15-16]。本研究發(fā)現(xiàn)煙根和煙莖的腐解均表現(xiàn)為前期快后期慢，0～20天為快速腐解期，20天后殘茬腐解速率放緩。劉炎紅[16]、陳麗娟[17]、柳開樓[18]等人研究結(jié)果也表明煙莖的腐解速率呈先快后慢的趨勢，在玉米、綠肥等其他作物腐解養(yǎng)分釋放上也有相似的規(guī)律[18-19]。這可能是由于莖桿中富含的可溶有機物及營養(yǎng)物質(zhì)，能在腐解前期為微生物提供大量的碳源和養(yǎng)分，微生物活性增強，進(jìn)而加速煙莖的腐解，而后隨著易分解有機物和養(yǎng)分含量減少，腐解的速率也隨之降低[16]。其次由于煙莖中腔的髓易被腐解，剩下外表面較厚的角質(zhì)層，所以煙莖在前期腐解較快，后期腐解率降低。此外，碳氮比也是影響秸稈分解速率的一個重要因素，碳氮比較低的秸稈更容易腐解，煙草秸稈碳氮比較低，所以前期腐解較快[20]。本研究還發(fā)現(xiàn)，同一時期煙莖的腐解速率高于煙根，這可能是由于煙根木質(zhì)化程度較高的緣故，不利于土壤微生物量的增加和碳氮循環(huán)[21]。

煙草殘茬還田后快速釋放養(yǎng)分，其整個過程可分為“快速腐解期—過渡期—平緩期”。本研究結(jié)果表明，煙草殘茬中氮釋放的快速腐解期為前20天，而磷和鉀釋放的快速腐解期為前10天，鉀和磷的釋放較快，氮較慢。這主要是由于煙莖和煙根中易分解組織分解，氮養(yǎng)分得以釋放，而鉀素是以離子形態(tài)存在的,并且鉀素的釋放與木質(zhì)部的腐解無顯著關(guān)系[16]。試驗結(jié)果表明，120天后各養(yǎng)分累積釋放率依次為鉀＞磷＞氮，這與前人研究結(jié)果一致[17]。本研究還發(fā)現(xiàn)，煙根養(yǎng)分釋放慢于煙莖，這可能與煙莖和煙根腐解速率的差異性有關(guān)。

本研究表明煙草殘茬還田對土壤pH有一定的影響，前期會導(dǎo)致土壤pH降低，這可能與煙草殘茬腐解釋放的有機酸有關(guān)[22]，但后期會提高土壤pH，這與劉炎紅等[16]研究結(jié)果一致，說明煙草殘茬還田對改善湖南稻作煙區(qū)土壤酸化問題有積極作用。本研究結(jié)果表明，煙草殘茬還田還可提高土壤有機質(zhì)及土壤氮磷鉀養(yǎng)分含量，各處理的土壤全磷、鉀含量始終高于對照。但在20天，煙根還田處理的土壤全氮含量低于對照，這可能與煙草殘茬腐解時微生物耗氮量多于釋放量有關(guān)，因此，外源秸稈的投入要配合氮肥的施用，以避免微生物與作物競爭氮源[23]。本研究還發(fā)現(xiàn)，煙莖煙根同時還田對提高土壤氮磷鉀的效果要優(yōu)于僅煙根還田，這可能與煙草殘茬還田量的多少有關(guān)。

本研究結(jié)果顯示，煙草殘茬中的煙堿釋放快，40天以后煙草殘茬中煙堿就基本釋放完畢，從土壤煙堿含量看，至煙草殘茬還田后40天，土壤煙堿含量0.009～0.098 μg/g，至第90天，各處理土壤煙堿含量為0 μg/g，而水稻植株前期會吸收微量的煙堿，但至20天后，水稻植株中已檢測不出煙堿含量，說明隨著煙堿的水解、揮發(fā)、代謝等，其在土壤與水稻中的殘留及影響微乎其微。有研究發(fā)現(xiàn)[24]，煙桿還田可提高煙-稻輪作種植制度下水稻產(chǎn)量，同時煙桿中的煙堿可在一定程度減輕后茬水稻病蟲害的發(fā)生[25]，體現(xiàn)了煙草殘茬還田的可行性與科學(xué)可持續(xù)性。