秸稈還田對植煙土壤改良及烤煙品質(zhì)的影響探究

楊應(yīng)粉，許山河，鄭 武，黃鶴鳴，盧 平*

（1.云南瑞升煙草技術(shù)（集團）有限公司，云南昆明 650106；2.福建中煙工業(yè)有限責任公司，福建廈門 361012）

煙草是我國重要的經(jīng)濟作物，良好的土壤是高質(zhì)量煙草生產(chǎn)的關(guān)鍵。適宜的植煙土壤是提高煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)的重要基礎(chǔ)和保證［1］，而在植煙土壤上長期施用化肥容易造成土壤板結(jié)、肥力下降和生物活性降低，導(dǎo)致養(yǎng)分供應(yīng)不足，煙草產(chǎn)量低下和質(zhì)量差。因此，土壤的改良和保護受到了越來越多的關(guān)注。

農(nóng)作物秸稈作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的副產(chǎn)品，其產(chǎn)量高、分布廣泛、品種豐富，一直是我國農(nóng)村地區(qū)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的寶貴資源。秸稈中富含氮、磷、鉀、中微量元素和有機質(zhì)等，其肥料化利用可以一定程度上將作物中的營養(yǎng)元素歸還給土壤，直接或間接替代化學(xué)肥料的潛力巨大［2］，同時有利于改良土壤中微生物和原生生物的豐富度，為土壤中各類酶發(fā)揮活性提供作用底物，促進土壤中養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化。此外，從生態(tài)農(nóng)業(yè)和循環(huán)經(jīng)濟的角度講，作物秸稈是質(zhì)量和來源穩(wěn)定、有效、可靠的有機肥料［3］。許多研究表明，秸稈的綜合利用是促進烤煙生長發(fā)育，提高煙葉質(zhì)量，增加煙農(nóng)收入的重要途徑［4］。已被證實土壤增碳措施，可以改善土壤和提高煙草質(zhì)量，秸稈還田作為關(guān)鍵的碳投入方法，可以增加煙草根際土壤有機質(zhì)的碳含量［5］。

目前，云南大部分煙區(qū)的有機-無機肥配施技術(shù)一般以采用農(nóng)家肥和商品化有機肥為主。市場上有各種類型的煙草有機肥料，其質(zhì)量各不相同，存在組成特征不明確［6］、分解速率較慢［7］、氮素活性較低［8］等問題，同時市購商品有機肥在一定程度上增加了煙葉生產(chǎn)成本。因此，秸稈還田成為目前勢在必行的改良土壤，提高作物產(chǎn)質(zhì)量的有效方式。云南省是我國重要的煙草種植區(qū)，改善煙草質(zhì)量，改善綠色生態(tài)和環(huán)境保護將是未來該地區(qū)的兩方面挑戰(zhàn)。此外，云南省也是我國秸稈資源相對豐富的地區(qū)，如何合理利用秸稈以提高作物產(chǎn)質(zhì)量一直是農(nóng)業(yè)研究的熱點問題?；诖耍槍斩掃€田對植煙土壤改良及烤煙品質(zhì)的影響進行綜述，以期為云南煙區(qū)煙葉生產(chǎn)及煙田土壤改良提供理論依據(jù)。

1 秸稈還田的方式

1.1 直接還田

秸稈直接還田是一種十分普遍的還田方式，可以節(jié)省成本，減少化肥的投入，并增加農(nóng)民的收入，包括高茬還田、覆蓋還田、粉碎翻耕還田。

直接還田不僅能夠增加土壤有機質(zhì)含量、改善理化性狀、提高土壤肥力、減少環(huán)境污染，還可增加耕層土壤水分和土壤微生物量。由于直接還田秸稈分解和養(yǎng)分釋放效果緩慢，有學(xué)者通過秸稈配施腐熟劑直接還田的方法，進一步加速田間分解、腐殖化進程，提高根系生物量、土壤酶活性及速效養(yǎng)分含量［9］，但粉碎、拋撒均勻度難以控制，增加了預(yù)整地、起壟、打塘等農(nóng)事活動操作難度，同時秸稈中殘留的病蟲害蔓延的可能性依然存在［11］。秸稈腐熟后施用發(fā)揮的肥效較直接還田更高，在一定程度上減少了病蟲害繁殖，降低烤煙染病風(fēng)險，同時有機質(zhì)的損失較直接還田會減少，肥力增強顯著［11-12］，成為目前秸稈還田肥料化利用技術(shù)研究的重要對象。

1.2 間接還田

秸稈間接還田是指將秸稈處理后再還田的一種方式，包括堆肥還田、焚燒還田、過圈還田、過腹還田和生物質(zhì)炭還田。

目前，云南地區(qū)主要采取焚燒還田、過圈還田、直接還田。焚燒還田雖然操作方便且對土壤有一定的培肥效果，但會殺滅耕層微生物，引起土壤有機質(zhì)、含水量和酶活性降低［13］，同時向大氣中排放大量PM2.5、C、N 和P 氧化物等有毒有害氣體，造成嚴重污染［14］，已被國家明令禁止（《中華人民共和國大氣污染防治法》第一百一十九條第一款）。過圈還田是將秸稈與畜禽糞便堆漚發(fā)酵后還田，其優(yōu)點是堆漚可以殺死秸稈中大部分的幼蟲，致病菌和草種子，并在整個作物種植過程中減少疾病的發(fā)生；缺點是費時費工，易出現(xiàn)發(fā)酵不均勻、無法徹底發(fā)酵等現(xiàn)象［15］。

2 秸稈還田對植煙土壤肥力的影響

2.1 秸稈的營養(yǎng)成分

農(nóng)作物秸稈不僅含有大量的氮、磷、鉀和微量元素，還含有木質(zhì)纖維素、甲基纖維素和其他含有碳元素的化學(xué)物質(zhì)。陳尚宏等發(fā)現(xiàn)，在小麥秸稈、水稻秸稈和油菜秸稈中，小麥秸稈的總碳含量最高，水稻秸稈的總氮含量最高，菜籽秸稈的總磷含量最高；麥草和稻草中含有鉀；油菜秸稈中硼和鉬的總含量最高；稻草中鐵、錳和鋅的總含量最高［16］。

2.2 秸稈還田對煙田土壤物理性質(zhì)的影響

秸稈還田對土壤的物理性質(zhì)有很大的改善。許多專家學(xué)者的科學(xué)研究認為，秸稈的綜合利用可以增加土壤孔隙度，降低土壤密實度，降低土壤容重［17］，改善土壤通氣狀況和水分狀況，改善土壤的鎖水和固土作用，促進作物的生長和發(fā)育［18］。

2.2.1 土壤容重

容重是衡量土壤層松緊度的指標，在農(nóng)業(yè)中被廣泛應(yīng)用，是反映土壤物理性質(zhì)的關(guān)鍵指標［19］。秸稈還田將降低土壤容重，隨著秸稈還田量的增加，土壤容重的降低幅度越大［20］。趙偉等研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田會使土壤容重降低0.09～0.19 g·cm-3［21］。馬永亮等研究表明，秸稈還田可使0～10 cm 土層的土壤容重降低0.17～0.20 g·cm-3［22］。王喜艷等研究認為，秸稈還田是通過深層施用，20～40 cm 土層的容重降幅比0～20 cm 土層大，深層施用有利于提高深層土壤的滲透性［23］。

2.2.2 團粒結(jié)構(gòu)

秸稈還田能顯著提高總空隙度和毛管孔隙度，并形成良好的土壤團粒結(jié)構(gòu)，改善退化的土壤。秸稈還田后，0～10 m 土層土壤總孔隙度增加10.99%～16.37%，20～30 cm 土層土壤總孔隙度增加8.97%～34.16%［24］。研究表明，粉碎的秸稈在提高土壤層團聚的穩(wěn)定性方面的實際效果要優(yōu)于長秸稈。與沒有秸稈的處理相比，粉碎秸稈還田土壤＞0.25 mm 團聚體的含量增加，＞5.00 mm水穩(wěn)性團聚體含量顯著提高120.5 倍［25］。

2.2.3 土壤水分

秸稈還田可以抑制土壤中水分的揮發(fā)，提高土壤層的儲水量，減少田間耗水，并能滿足作物生長發(fā)育所需的水分。研究表明，如果冬季之前麥田被稻草覆蓋，則與未經(jīng)處理的相比，整個生長期土壤層的儲水量將增加47.3 mm［26］。秸稈還田有利于增強表層土壤的集雨效果，提高0～40 cm 土層的水分［27］。曲學(xué)勇等在山東省東營市小麥種植中發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈還田條件下，土壤在不同深度保持較高的水分含量，提高了土壤水分的有效性，有利于作物生長［28］。

2.3 秸稈還田對煙田土壤物理性質(zhì)的影響

2.3.1 土壤有機質(zhì)

土壤有機質(zhì)是反映土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標之一，土壤有機質(zhì)的數(shù)量和質(zhì)量影響土壤的特性。提高土壤有機質(zhì)可以改善土壤質(zhì)地，增強土壤中微生物的活性［28］。秸稈是田間土壤肥力的關(guān)鍵來源，秸稈分解后，可以改善土壤肥力［29］。秸稈還田是基于減少土壤有機質(zhì)碳的酸化和溶解，增加土壤有機碳含量，從而改善土壤肥力組成［30］。段華平的研究表明，秸稈還田處理比無秸稈還田處理稻田土壤有機碳的平均含量增加14.01%，土壤的相對平均密度（0～20 cm）比土壤碳密度增加9.18%，同時，還強調(diào)適度耕作可以增加土壤有機質(zhì)的碳含量和土壤有機碳的相對密度。秸稈還田對土壤肥力影響的關(guān)鍵在于表土層。隨著土壤層的增加，土壤有機質(zhì)的碳含量降低［31］。研究發(fā)現(xiàn)，0～20 cm 土壤層的土壤有機質(zhì)碳含量明顯高于更深的土壤層；30～50 cm 土層的土壤有機質(zhì)碳含量最少，僅占表層的24.0%～35.6%［32］。

2.3.2 土壤氮磷鉀

秸稈還田可以促進作物對氮、磷、鉀的吸收，主要原因是秸稈還田可以增加土壤層中總氮、磷和鉀及其速效氮、磷和鉀的含量。薄國棟等發(fā)現(xiàn)，秸稈可以根據(jù)自身釋放的養(yǎng)分來增加土壤層中氮、磷、鉀等微量元素的組成，土壤養(yǎng)分的指標與秸稈還田量成正比［33］。與傳統(tǒng)的有機肥相比，秸稈還田可使土壤層的總氮含量增加3.2%～11.2%［34］。徐蔣來等認為，75%的秸稈還田的對土壤有機質(zhì)的影響最大。土壤的總氮含量、有效磷含量和有效鉀含量與對照相比均增加，分別是3.54%、3.97%和10.28%［35］。

2.4 秸稈還田對煙田土壤微生物的影響

土壤微生物是土壤農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，在土壤層的養(yǎng)分循環(huán)系統(tǒng)、生物化學(xué)過程及土壤礦化的過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，促進土壤有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化，提高土壤肥力，促進作物對營養(yǎng)元素的吸收［36］。

2.4.1 微生物總數(shù)

土壤微生物總數(shù)是指土壤層中細菌、病原菌和芽孢桿菌的總數(shù)，與土壤肥力直接相關(guān)，是土壤微生物的關(guān)鍵指標值。微生物量碳（MBC）、微生物量氮（MBN）是固定在土壤微生物軀體中的碳素和氮素，是可用于植物生長的養(yǎng)分的重要來源。他們的含量取決于土壤層中微生物的總數(shù)［37］。秸稈還田不僅改善了土壤的理化特性，而且為微生物菌株的生長，發(fā)育和繁殖提供了良好的自然環(huán)境［38］，并增加了土壤層的養(yǎng)分含量，為微生物提供了豐富的碳源、氮源［39］，因此也會對土壤微生物產(chǎn)生影響。秸稈還田可以顯著提高土壤微生物總量［40］。秸稈還田對微生物菌株的影響伴隨著秸稈還田量的增加，先增加后減少，即存在一個最佳還田量［41］。周文新等研究發(fā)現(xiàn)，2/3的秸稈還田量可以顯著增加土壤層中病原體的總數(shù)［42］。

2.4.2 土壤層酶活性

土壤層酶是一種生物催化劑，可以催化土壤層的各種生物化學(xué)反應(yīng)，其活性對土壤肥力至關(guān)重要。土壤層酶是土壤層中活躍的有機化學(xué)成分之一，主要來源于土壤微生物、植物根系分泌及動植物殘體分解，包括氧化還原酶類、水解酶類、裂合酶類和轉(zhuǎn)移酶類，與土壤營養(yǎng)元素循環(huán)、植物營養(yǎng)等密切相關(guān)，是評估土壤有機質(zhì)水平和土壤健康的關(guān)鍵指標值［43］。許多研究表明，作物秸稈還田可以顯著提高土壤熒光素二乙酸酯水解酶、堿性磷酸酶、β-葡糖苷酶、纖維素酶和脲酶等水解酶的活性［44］。粉碎的玉米秸稈返回田間后，土壤層的脲酶、磷酸酶和轉(zhuǎn)化酶活性水平分別提高了19.6%、39.4%和44.3%。秸稈添加量越大，實際效果越明顯［45］。

3 秸稈還田對煙葉質(zhì)量的影響

秸稈在降解過程中產(chǎn)生各種中間物質(zhì)，可以促進煙草根系的生長發(fā)育和新陳代謝，有利于糖類和芳香族化學(xué)物質(zhì)的積累。因此，烤煙的香氣、吃味和外觀質(zhì)量都很好。

3.1 秸稈還田對煙葉物理特性和外觀品質(zhì)的影響

煙草的物理特性主要是指煙葉的厚度、相對密度、單葉質(zhì)量、平衡含水量、填充值和含梗率等。覃勇等研究表明，禾本科綠肥還田可以使煙葉開片率增高，葉片厚度變得適中，葉片含梗率顯著降低，外觀質(zhì)量得到改善，增加工業(yè)可用性。但豆科綠肥固氮能力強，使得煙株吸收過多含氮物質(zhì)，導(dǎo)致其外觀質(zhì)量有所降低［46］。

煙草的外觀質(zhì)量是指煙葉的成熟度、油分、身份、葉面結(jié)構(gòu)、葉片的大小和展開程度等。煙草等級分類的關(guān)鍵指標值，也是評價煙草質(zhì)量的關(guān)鍵因素。陳坤的研究表明，用小麥草覆蓋煙田可以提高煙葉的產(chǎn)量、外觀質(zhì)量、等級結(jié)構(gòu)和年產(chǎn)值，從而產(chǎn)生了顯著的促進作用［47］。但是，當季應(yīng)將小麥草放回田間，如果數(shù)量太大，對當季烤煙的作用可能出現(xiàn)反向效果。綠肥種植和翻壓后，葉片結(jié)構(gòu)松弛，身份適中、色澤光亮、油分足、彈性好［48］。肖戰(zhàn)杰等研究表明，施加605 kg·hm-2的生物碳可以改善煙草外觀質(zhì)量，并在不同水平上改善煙葉的成熟度，使葉片起皺柔軟，具有較強的延展性，并具有明顯的成熟斑；葉片結(jié)構(gòu)疏松；煙葉身份趨于中等；增加煙葉油分及彈性，油潤感更強；煙草的光澤明亮，表現(xiàn)出橘黃色［49］。

3.2 秸稈還田對烤煙化學(xué)成分及感官質(zhì)量的影響

尚志強等研究強調(diào)，麥草掩埋和麥草覆蓋可以增加煙葉中還原糖和鉀的含量，并降低煙草中氮的含量；對煙堿含量的規(guī)律性不明顯，對煙堿含量影響，這可能與麥秸被埋的時間有關(guān)［4］。鄭憲濱等認為，秸稈還田利于提高土壤肥力的指標，可以改善煙草中基本元素和營養(yǎng)物質(zhì)的比例平衡和動態(tài)平衡，改善煙草等級結(jié)構(gòu)和提高煙草制品質(zhì)量［50］。王斌等研究表明，翻壓綠肥對烤煙提鉀降氯、降氮增糖、改善吸食方面有明顯的促進作用［51］。敖金成等研究了玉米秸稈還田對煙田土壤養(yǎng)分含量的影響。結(jié)果表明，玉米秸稈還田對煙草干物質(zhì)積累和煙草經(jīng)濟性狀具有直接影響，對改善中上部位煙葉內(nèi)在品質(zhì)效果方面以玉米秸稈直接還田方式較優(yōu)［52］。

煙草的抽吸質(zhì)量是指由煙草吸入引起的能量勁頭，刺激，香氣，雜氣，余味和可燃性。煙草評估是評估煙草質(zhì)量的最直接方法。魏洪武等研究結(jié)果表明，秸稈覆蓋可以減輕土壤層中許多病蟲害的傳播，并對煙葉的生產(chǎn)和質(zhì)量有很好的影響。單葉重量增加，對煙草感官質(zhì)量的影響主要表現(xiàn)在香味物質(zhì)增多，雜味減少［53］。肖戰(zhàn)杰等研究表明，使用一定量的生物炭可使中性致香成分含量接近或在優(yōu)質(zhì)煙葉的適宜范圍，香氣質(zhì)、香氣量、余味、勁頭和評吸總分均明顯高于其他處理的烤煙，而雜氣和刺激性等指標則相對低于其他處理［49］。許多研究表明，秸稈的綜合利用是促進煙草植物生長發(fā)育、提高煙草質(zhì)量、增加煙農(nóng)收入的重要途徑［54］。作為田間土壤改良的關(guān)鍵策略，秸稈的長期綜合利用是維持土壤層長期生產(chǎn)力和推廣可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展理念的關(guān)鍵途徑［55］。

4 展望

秸稈還田是資源循環(huán)利用的有效方式之一。通過改變土壤水分和熱量條件，影響微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性，可以提高土壤有機質(zhì)含量、提高農(nóng)作物質(zhì)量。但是，我國秸稈資源利用不足，仍處在高消耗、高污染、低產(chǎn)出的狀況，未能得到高效合理的開發(fā)利用。近年來，越來越多的專家學(xué)者逐漸重視秸稈的綜合利用，以改善煙田土壤層和煙葉質(zhì)量。但由于開始的時間相對較晚，科學(xué)研究的方法和手段還不夠成熟，秸稈的綜合利用還不夠深入，秸稈還田對改良植煙土壤及烤煙的品質(zhì)影響研究還不夠透徹。因此，今后的科學(xué)研究應(yīng)注意以下4 點。

1）注重開發(fā)適用性廣的秸稈還田機械設(shè)備。發(fā)展機械化是農(nóng)業(yè)發(fā)展的必由之路，農(nóng)作物秸稈收儲運體系是秸稈利用的基礎(chǔ)。而我國農(nóng)作物多種多樣，不同農(nóng)作物秸稈的理化性質(zhì)不一，同時各作物種植環(huán)境各異，因此收獲秸稈并還田，對設(shè)備的要求不盡相同。當下急需開發(fā)服務(wù)于秸稈還田技術(shù)的高效、低能耗、大小適宜、適用性廣等特點集于一身的機械設(shè)備，特別是針對云南這樣以山地和高原為主的地區(qū)。

2）注重秸稈還田配套設(shè)施快速分解技術(shù)的發(fā)展趨勢。如今，秸稈的綜合利用仍然需要收獲，粉碎并返回田間。如果秸稈能夠在原點返回田間，并且秸稈的迅速腐爛不會損害農(nóng)作物的發(fā)芽，并參與和其他生長發(fā)育的全過程，將大大減少人力和物力。因此，有必要挖掘和開發(fā)適宜的腐解菌群或腐解劑，以便可以改變分解秸稈的速度，滿足作物生長和發(fā)育的不同生長階段對營養(yǎng)的需求。

3）注重不同地區(qū)秸稈綜合利用的經(jīng)濟效益循環(huán)時間的周期性。對于一定的地區(qū)和土壤質(zhì)地，將秸稈還田多長時間才能起到對土壤環(huán)境質(zhì)量效益的改善，這仍需在各地實踐中不斷探索。此外，整合各區(qū)域主流還田模式，統(tǒng)一經(jīng)濟效益和生態(tài)效益，以防止在單一和片面標準下進行隨意診斷。同時，結(jié)合國際前沿研究結(jié)果，深入研究何種秸稈、何種方式還田對烤煙的品質(zhì)影響最大，提出相應(yīng)具體技術(shù)措施。

4）注意秸稈不同秸稈綜合利用方法的技術(shù)評論、推廣應(yīng)用以及配套設(shè)備管理系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。協(xié)調(diào)并綜合運用機械設(shè)備，生物技術(shù)與農(nóng)機農(nóng)藝措施統(tǒng)籌兼顧、綜合運用，為今后秸稈的綜合利用制定更加有效可行的方案，從而改善農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量和耕地的可用性，實現(xiàn)地力的提升及可持續(xù)利用，進一步提高作物的品質(zhì)。