煙草殘茬影響水稻和稻田環(huán)境的機理及利用方式的研究進展

龍鵬臻　孫紅權　盧鵬宇　陳勇華　劉國權　陳金

摘要 煙稻復種制是南方煙區(qū)烤煙種植主要模式，該種植模式每年產(chǎn)生大量的煙草殘茬。從煙草殘茬利用方式的基本概念入手，綜合闡述了國內(nèi)外煙草殘茬影響水稻和稻田環(huán)境的機理的進展情況，并重點分析煙草殘茬利用方式對煙堿降解、土壤理化性狀、稻田環(huán)境、微生物、稻米品質(zhì)、病蟲害等方面的影響，以期為資源化充分利用煙草殘茬廢棄物和提高煙稻復種系統(tǒng)生產(chǎn)力提供一定的依據(jù)。

關鍵詞 煙草殘茬腐解;土壤養(yǎng)分;土壤微生物群落多樣性;晚稻

中圖分類號：S153 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2022）04–0001–03

煙稻復種制在南方煙區(qū)，尤其是湖南煙區(qū)烤煙的主要種植模式，年種植面積在667 km2以上，每年都會產(chǎn)生大量的煙草殘渣，約占該作物生物產(chǎn)量的50%。大量研究表明，秸稈作為一種廉價的有機肥，含有豐富的有機碳和大量的氮、磷、鉀、硅等礦質(zhì)養(yǎng)分，以及大量的微量元素和有機質(zhì)[1]?？緹熓且环N葉類作物，煙草莖富含N、P、K。據(jù)測定：煙稈中含N 1.44%、P2O5 1.69%、K2O 1.85%，高于稻草、小麥稈、玉米稈的N、P、K含量分別為0.51%、0.12%、2.70%;0.50%、0.20%、0.60%;0.60%、1.40%、0.90%。

隨著煙葉規(guī)?；N植的推進和環(huán)保力度的加大，傳統(tǒng)的烤煙留茬方法效益低、耗時長、勞動強度大，而煙草殘留的使用造成在部分煙區(qū)，煙草殘茬或被大量焚燒，或被長期堆放在田間地頭腐爛，使得土壤肥力逐年下降，農(nóng)田生態(tài)平衡遭到破壞，不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展，對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境造成嚴重影響。譚文等[2]提倡煙稻復種制以來，該模式在湖南煙區(qū)已推廣30年，但是煙草殘茬殘留煙田中對后茬水稻、下季煙草生產(chǎn)的影響機理還是不明確，因此探索煙草殘茬影響水稻和稻田環(huán)境的機理及利用方式勢在必行。

1 煙稻復種制度

1.1 煙稻復種概念

煙稻復種制是同一年在同一稻田先種植煙草，收獲后立即準備種植一季晚稻。晚稻收獲后，可以種一些小作物（綠肥）或休閑作物。第二年仍是先栽煙后栽稻，年年重復。

1.2 煙稻復種優(yōu)勢

煙稻復種有諸多優(yōu)勢，為穩(wěn)定湘南煙葉產(chǎn)區(qū)的種植面積和產(chǎn)量，以及提高煙葉質(zhì)量起著重要的作用[3]。（1）改良土壤理化性狀。從當前的種植模式來看，煙稻復種是目前煙區(qū)較為普遍的種植模式。煙稻輪作地塊干濕交替環(huán)境有利于改善土壤理化性質(zhì)，對土壤健康、作物品質(zhì)和高產(chǎn)具有積極意義。（2）減輕病蟲害。煙稻2種作物的病、蟲、草害屬于土傳病害，煙稻復種過程中旱土與浸水2種栽培環(huán)境的變化，使水生雜草在種煙季節(jié)因缺水而干枯死亡，使煙田雜草因長期漬水而消亡，對后茬作物病害的發(fā)生起到減少或減輕作用。同時，煙秸還是天然的藥劑，煙葉收獲后，秸稈還田是肥料，煙梗中的煙堿是殺蟲劑，可以有效減少了水稻病蟲害的發(fā)生。此外，煙稻輪作還可以有效降低煙草赤星病菌的發(fā)病率。（3）提高煙葉產(chǎn)質(zhì)量。煙稻輪作最顯著的效果是能夠提高烤煙產(chǎn)量和質(zhì)量，明顯提高經(jīng)濟效益。煙稻復種模式下的煙葉致香物質(zhì)大多數(shù)高于連作煙葉的含量，煙稻復種對微生物種群也有積極影響。據(jù)有關研究表明，采用了秸稈還田的田塊中的變形桿菌和放線菌數(shù)量要比秸稈未還田的高10%～15%。

2 煙草殘茬對土壤理化性狀和微生物的影響

2.1 煙草殘茬對土壤微生物的影響

2016年，胡心意等[4]試驗了耕作深度與秸稈還田與常規(guī)耕作相比微生物群落結構的變化。沙濤等[5]發(fā)現(xiàn)，小麥、玉米稈糠覆蓋可使土壤20～40 cm耕作層微生物數(shù)量顯著增加。張鹍等[6]的研究表明，添加玉米秸稈、微生物菌劑和腐熟劑可增加土壤有機質(zhì)、降低pH值，減小土壤容重、增加土壤氮含量;施用氮肥降低土壤有機質(zhì)和pH值，增大土壤容重、增加土壤氮含量。根據(jù)張晶[7]研究，秸稈還田為土壤微生物活動提供了豐富的碳氮源，促進微生物的生長和繁殖，從而極大地改變了土壤微生物區(qū)系和數(shù)量，提高了土壤生物活性。陳凱鵬等[8]也發(fā)現(xiàn)化肥減量配施秸稈能顯著提高微生物類群相對豐度。

2.2 煙草殘茬對土壤理化性狀的影響

將煙葉殘余物作為有機肥撒播到田間，對土壤理化性質(zhì)有顯著影響，表現(xiàn)為促進土壤微生物活動，增加顆粒結構，增加土壤孔隙度，降低土壤壓實度，滯水特性明顯改善促進了有機質(zhì)的分解和更新，從而改變土壤結構和性質(zhì)。此外，還可以減少土壤中的還原性物質(zhì)，改變土壤中次生潛育現(xiàn)象，提高土壤pH值，防止土壤硬化、酸化，改善土壤的效果。長期效應方面，秸稈還田可顯著增加土壤速效養(yǎng)分有效性和全養(yǎng)分含量，提高土壤酶活性，改善土壤微生物狀態(tài)，影響土壤腐殖質(zhì)組分含量，從而顯著提高土壤肥力[9]。

3 煙草殘茬生物堿降解研究

3.1 煙草生物堿的概念

煙草生物堿是一組含有近50種物質(zhì)，存在于約60種不同的煙草中。煙草生物堿根據(jù)分子結構可分為兩大類：一種是由吡啶和氫化吡咯結合而成的化合物，以尼古丁為代表;另一類是吡啶與吡啶或氫化吡啶環(huán)相結合的化合物，如假木賊堿、新煙草堿等。其中，尼古丁是煙草中最重要的生物堿，占煙草生物堿總量的95%以上[10]。其極易被氧化，在通氣條件下緩慢氧化成棕色，可被硝酸等強氧化劑氧化成煙酸，還可發(fā)生烷基化反應。它還是一種劇毒物質(zhì)，少量的尼古丁對中樞神經(jīng)系統(tǒng)有興奮作用，大量的尼古丁可使心臟麻痹，導致死亡。

3.2 環(huán)境中煙堿污染來源

環(huán)境中的尼古丁污染主要來自煙草生產(chǎn)過程中的廢水和廢棄煙草。中國是世界上最大的煙草生產(chǎn)國，約占世界煙草產(chǎn)量的39.6%。據(jù)估計，世界各地的煙草生產(chǎn)商每年生產(chǎn)多達300 274? t的廢煙葉，而尼古丁作為煙葉的主要生物堿，占煙葉總污染物的90%以上。歐盟條例規(guī)定，當煙堿含量超過0.05%（w/w）時，即可被列為“有毒有害物質(zhì)”。數(shù)據(jù)顯示，煙草廢料中煙堿平均含量高達18 g/kg（干重），是歐盟“有毒有害物質(zhì)”含量控制標準的36倍。因此，在我國，如何運用科學的方法減少和消除煙草生產(chǎn)廢水和廢棄物對環(huán)境的污染已成為重要的研究課題。A3B744E8-6A54-451F-BC74-3C01C3445703

此外，尼古丁曾被廣泛用作殺蟲劑，一些地方一直沿用至今。Nicotinoid殺蟲劑已經(jīng)成為最重要的新的合成殺蟲劑，其表現(xiàn)出選擇性毒性且廣譜殺蟲能力高，是全世界殺蟲劑年銷售額11%的煙堿類殺蟲劑，并已廣泛應用于各種作物的害蟲防治。目前，已商品化的煙堿類殺蟲劑主要有吡蟲啉、噻蟲嗪、噻蟲啉、啶蟲脒等。雖然有報道稱類煙堿類殺蟲劑具有“低毒高效”的優(yōu)點，但水生生態(tài)安全研究表明，某些煙堿類殺蟲劑，如撲熱息痛等，對魚類具有較高的毒性。煙堿類殺蟲劑對生態(tài)環(huán)境和生物健康的危害將成為人們不得不面對的又一個重要問題。

3.3 煙堿降解途徑

尼古丁含量是影響卷煙產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素，含量過高會導致香煙煙霧刺激性強、口感差、安全性差。目前，降低煙堿污染的主要途徑是嚴格控制煙草生產(chǎn)過程和后處理過程中的煙堿含量，主要包括物理化學法和微生物降解法。

物理化學法生產(chǎn)成本高、副產(chǎn)品多，影響煙葉的其他成分。如袁淑霞等[11]結果表明，添加HNO3改性活性炭可以吸附煙氣中的煙堿。王怡紅等[12]在他們的研究中發(fā)現(xiàn)，NaCl等無機鹽對香煙中的尼古丁有去除作用，污染物去除率為85%～95%，達到出水排放標準。而微生物降解以其高選擇性、低副產(chǎn)物、高效、經(jīng)濟、易操作、微生物資源豐富、代謝多樣性等優(yōu)點越來越受到人們的重視。

4 煙草殘茬腐解和養(yǎng)分釋放研究

4.1 國外對秸稈的利用

世界上大多數(shù)農(nóng)業(yè)發(fā)達國家都十分重視土地利用與耕作相結合，大力發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)。秸稈還田和農(nóng)用肥料施肥占總施肥的2/3。因此，秸稈還田作為一種先進的保護性耕作技術，在世界農(nóng)業(yè)發(fā)達國家得到了足夠的重視和支持。其中，美國將秸稈還田作為農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的一項關鍵技術，堅持全年進行秸稈還田。不僅玉米、小麥等秸稈大量還田，大豆、番茄等秸稈也盡可能地還田[13]。在英國洛桑試驗站，以每年70～80 kg/m2的速度傾斜玉米秸稈，18年后土壤有機質(zhì)增加了2.2%～2.4%，連續(xù)18年的試驗后發(fā)現(xiàn)，直接返回作物秸稈的影響比作物秸稈堆腐爛后返回，改善土壤肥力和增加作物產(chǎn)量的作用較顯著，秸稈用于直接還田的量也相應增加。

4.2 煙草殘茬腐解和養(yǎng)分釋放規(guī)律

煙草殘茬腐解主要靠土壤中的微生物。陶玥玥等[14]研究表明，濕潤灌溉體系下還田小麥秸稈腐解率較常規(guī)淹水灌溉體系顯著增加。程勵勵等[15]研究發(fā)現(xiàn)，無論土壤類型和作物類型，只要在合適的環(huán)境下，快速分解期都在1～3個月之間，3個月后分解速度減慢。另外，邵麗[16]研究表明，在90 d的分解時間內(nèi)，根系分解前期快，養(yǎng)分釋放后期慢。在養(yǎng)分釋放率方面表現(xiàn)為鉀>磷>碳>氮，但不同的殘體間存在差異。煙草殘茬在煙稻復種中，因烤煙莖浸泡過程中，大量營養(yǎng)物質(zhì)進入水體，使水體中有機質(zhì)、氮、磷、鉀含量都有一定程度的增加[17]。

5 煙草殘茬對水稻和稻米的影響

5.1 煙草殘茬對水稻生長的影響

水稻是最合適和煙草輪作的作物之一。一方面，水稻和煙草共發(fā)病害不常見;另一方面，水稻對氮、硅、磷、鉀元素的要求相對較小，煙草是喜鉀作物，兩者輪作能保持土壤肥力穩(wěn)定協(xié)調(diào)，平衡吸收土壤養(yǎng)分，利于土地長效利用。同時，煙草與水稻根系深度和延伸范圍不同，深根煙草與淺根水稻輪作，可以充分利用土壤表層養(yǎng)分。煙草連作對土壤養(yǎng)分含量有顯著影響：蘇海燕等[18]在對連作煙田土壤養(yǎng)分變化的研究表明，煙田連作后土壤pH值下降，相鄰茬次之間平均下降0.05，土壤酸化;有機質(zhì)含量逐年下降，相鄰茬次之間平均衰減0.56%;全氮、全磷、全鉀含量隨連作年限延長表現(xiàn)出不同程度的升高趨勢，表現(xiàn)為P（6%～31%）>K（6%～21%）>N（2%～12%）;速效磷、速效鉀含量隨連作年限延長逐年降低，且降低程度P（6%～24%）>K（2%～10%），速效氮含量略有上升;速效養(yǎng)分N/P、N/K和K/P比值明顯增加，土壤養(yǎng)分比例失調(diào);晉艷等[19]研究表明，煙草連作后土壤中有機質(zhì)、全氮、全磷、速效氮、速效磷、陽離子交換容量和可交換性鎂含量下降，其他元素變化不規(guī)則;李天福等[20]研究表明，烤煙連作多年后，其肥料利用率明顯下降。

為減少煙草連作的障礙，由于煙草土傳病害的高發(fā)和煙草基本田面積的限制，不提倡煙草稈還田技術。目前，由于缺乏高效實用的煙梗綜合利用技術，煙梗還田技術在實踐中得到了廣泛應用。湘南煙稻連作區(qū)采用該技術已有20多年，但連作障礙不太嚴重，有利于晚稻高產(chǎn)[21]。李艷芳等[22]研究表明，煙稻復種有利于煙后晚稻干物質(zhì)積累、產(chǎn)量、氮磷鉀含量與累積量的提高，其中磷含量提高幅度最明顯。

5.2 煙草殘茬對稻米品質(zhì)的影響

顧麗[23]研究表明，長期和短期秸稈還田均可導致水稻中的蛋白質(zhì)含量呈上升趨勢，直鏈淀粉含量呈下降趨勢。長期定位試驗中，水稻堊白度隨土壤全氮含量的增加而增加，短期秸稈還田時，堊白度先增加后降低。劉陽[24]試驗研究表明，秸稈還田和田間氮肥管理對水稻加工品質(zhì)無顯著影響，但降低了水稻的堊白粒、堊白度和直鏈淀粉含量，有效改善了水稻的外觀品質(zhì)和蒸煮品質(zhì);降低了淀粉的最大黏度、崩解值和去堿值，有利于提高稻米的食用品質(zhì)。

6 煙草殘茬對下季煙草的影響

6.1 煙稻復種對下季煙草的影響

何念杰等[25]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，煙稻雙季稻能有效防治煙草青枯病等土傳病害，減少煙草紅斑病和煙草野火等葉斑病的危害。周興華[26]研究表明，稻煙輪作對土傳病害具有顯著的防治效果，并可減少星斑病、蛙眼病等其他病害的主要傳染源和危害。楊國勝[27]研究指出，水旱輪作防治晚稻病蟲害是一種有效的防治方法，其煙堿含量較高，一般可節(jié)約農(nóng)藥成本30% ～50%。晉艷等[19]研究表明，連作煙葉的田間外觀、產(chǎn)量、產(chǎn)值和外觀品質(zhì)均低于輪作煙葉，連作煙葉的產(chǎn)量僅有輪作煙葉的59.12%，產(chǎn)值僅有輪作的29.93%，中上等煙比例僅有輪作的52.07%，均價僅占輪作的50.6%，輪作煙葉中芳香物質(zhì)含量高于連作煙葉。劉秀芬等[28]研究指出，經(jīng)過多年的連作，作物的根、葉和植物殘留物會造成有毒的土壤物質(zhì)，根系分泌物如有機酸、酚類和萜類的積累會抑制作物的生長發(fā)育。李水珍[29]研究也表明，稻煙輪作可使烤煙增產(chǎn)24.0%～29.4%、水稻增產(chǎn)12.9%～13.1%。A3B744E8-6A54-451F-BC74-3C01C3445703

6.2 煙草殘茬對下季煙草的影響

煙草殘茬中含有不少致病菌，且致病菌存活時間較長，建議必須將煙草殘茬清理至田外。煙草殘茬直接還田要徹底銷毀煙稈、煙權、煙根、病葉以及煙田死亡的雜草，減少土壤中的病菌源[30]。另據(jù)有關研究表明，烤煙普通花葉病病毒、菌核病菌、碎倒病菌、炭疽病菌都是在受侵染的病株殘體上越冬，煙草殘茬直接粉碎還田對下季煙草生產(chǎn)風險較大。

在煙草殘茬還田方面有科學研究，水稻成熟期土壤速效氮、速效磷、速效鉀含量均有不同程度的增加，尤其是鉀的增加有利于提高下一年度煙葉鉀含量，改善煙葉品質(zhì)，為節(jié)約烤煙生產(chǎn)中的肥料投入提供了可能。

7 結束語

隨著生態(tài)農(nóng)業(yè)的大力推行和煙葉生產(chǎn)減工降本的持續(xù)深入，煙草殘茬合理、高效、安全的利用方式對穩(wěn)定煙稻復種區(qū)生產(chǎn)模式和煙葉生產(chǎn)可持續(xù)性發(fā)展具有重要的意義。煙草殘茬是增加土壤有機質(zhì)、速效氮、磷、鉀和有機質(zhì)的有效措施，對土壤微生物有積極的作用，對土壤理化性狀也有一定的提升。同時煙草殘茬降解后的煙堿對后季作物的病蟲害有一定的防治效果，殘茬消解后的營養(yǎng)物質(zhì)能增加稻田水體營養(yǎng)，促進水稻生長發(fā)育，明顯提高水稻產(chǎn)量。因此，提倡煙草殘茬粉碎還田有利于水稻增收增產(chǎn)，同時還能提高廢棄物資源利用率。

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責任編輯：黃艷飛

Research Progress on Mechanism and Utilization of Tobacco Residue Affecting Rice and Paddy Environment

LONG Pengzhen et al（Guizhou Tobacco Company Tongren City Company， Guizhou Tongren 554300）

Abstract Tobacco rice multiple cropping system was the main planting mode of flue-cured tobacco in Southern tobacco area. This planting mode produces a large number of tobacco residues every year. Starting with the basic concept of tobacco residue utilization， this paper comprehensively expounded the progress of the mechanism of tobacco residue affecting rice and paddy field environment at home and abroad， and focused on the impact of tobacco residue utilization on nicotine degradation， soil physical and chemical properties， paddy field environment， microorganisms， rice quality， diseases and pests， etc， It was expected to provide a certain basis for making full use of tobacco residue waste and improving the productivity of tobacco rice multiple cropping system.

Key words Decomposition of tobacco residue; Soil nutrient; Soil microbial community diversity; Late rice

作者簡介 龍鵬臻（1976—），男，貴州松桃人，農(nóng)藝師，主要從事烤煙生產(chǎn)與管理。#通信作者：孫紅權（1981—），男，貴州思南人，農(nóng)藝師，主要從事烤煙生產(chǎn)與收購管理，E-mail：1052215671@qq.com。

收稿日期 2022-01-08A3B744E8-6A54-451F-BC74-3C01C3445703