有机肥对土壤环境及烟叶品质影响的研究进展

杨国萍，齐绍武(湖南农业大学，湖南长沙 410128)

有机肥含有丰富的氨基酸、蛋白质、有机质等有机养分，也含有氮、磷、钾等无机养分，在我国农业发展过程中一直发挥着重要的作用。自20世纪中期以来，由于化肥的大量施用，人们对有机肥的重视不够，有机肥施用面积和施用量逐渐减少，导致土壤肥力和农产品品质下降，施肥效益递减。随着市场经济的发展和人们对绿色食品需求的不断提高，人们对农产品品质也有更高的要求。因此，有机肥的施用引起人们的广泛关注。大量的研究表明，施用有机肥不但可以提高作物产量，培肥地力，而且可以改善农产品品质。全面了解新形势下我国有机肥资源及其利用现状，能有效促进我国现代农业的可持续发展。

1 概述

1．1 有机肥的应用现状 有机肥与生态农业的发展密切相关。这是因为它既是农业自身物质与能量的再循环，又是维持和提高土地作物生产率的重要措施，也是净化人类生态环境、资源可持续发展的措施之一［1］。有机肥中的有机质是培肥土壤肥力，改善土壤结构必不可少的物质。首先，土壤有机质本身含有的矿质营养、生长素、维生素和酶能提高作物的光合作用，促进作物生长;其次，有机质在分解过程中产生的有机酸能活化土壤中存在的养分，增强土壤中难溶性矿质元素的有效性，有效促进作物对这些矿质营养的吸收，从而促进作物体内的营养平衡，提高作物的品质和产量。我国有着广泛的有机肥源，包括秸秆、绿肥、饼肥、堆肥、沤肥、人畜粪尿等。近年来，随着现代化进程的加快，在现化农业发展中有机肥由于其突出的优越性受到广泛的青睐，对有机肥的研究和施用将成为生态农业发展的必然趋势。

1．2 有机肥在国内外发展概况 人们从罗马时代就注意到前作为豆科植物的大田中种植谷类作物时，作物产量有所提高，并且能提高农业土壤中的营养。这就是我们现在所说的绿肥。我国对于有机肥的使用也有悠久的历史，在两三千年以前的奴隶社会就有锄草茂苗的记载。在封建社会时期，民间编写不少关于农事的书籍，包括战国时期的《礼记》、明朝的《家政全书》等。上面都有关于使用有机肥的报道，并且详细记述古代有机肥的种类、制造方法和作用。

目前，美国有200多家从事生物有机复混肥生产的企业，主要经营经生化处理的动植物有机体和排泄物或添加活性菌剂。日本也从20世纪70年代开始重视有机肥的使用，制定《肥力促进法》，提出日本农业必须“种地更要养地，依靠施用有机肥料培养土壤肥力”。有机肥的生产和使用在日本相当普及，强调环保、无害、绿色，是现代化日本农业的主旋律。日本早在20世纪40～50年代就已减少了农家肥的使用。

据调查，目前我国可供利用的秸秆资源总量为80 061万t，包括水稻秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆、油菜秸秆、薯类秸秆、棉花秸秆、豆类秸秆、杂粮秸秆和花生等［2］;2008年我国绿肥播种面积为437万hm2，绿肥总量达到9 339万t。全国有机肥料资源调查结果显示，我国有机肥料生产企业有2 283家，实际生产能力3 483万t［3］。我国的商品有机肥料使用量达947万t，其中精制有机肥料使用量318万t，有机无机复混肥料422万t，生物有机肥料用量151万t，其他有机肥料66万t。蔬菜、果树等经济价值较高的作物以生物有机肥和精制有机肥为主。

1．3 生物有机肥是一种改良的有机肥

1．3．1 生物有机肥的概念。生物有机肥是指特定功能微生物与主要以动植物残体(如畜禽粪便、农作物秸秆等)为来源并经无害化处理、腐熟的有机物料复合而成的一类兼具微生物肥料和有机肥效应的肥料。它营养元素齐全，提高作物产量，改善农产品品质，提高植物的抗病虫能力，改善作物根际微生物群。目前，国家对于生物有机肥的要求有一个统一的标准，对于使用的特定功能微生物生物菌种应安全、有效，有明确种名和来源。在外观上，颗粒产品应无明显机械杂质、大小均匀、无腐败味;粉剂产品应松散，无恶臭味。在内部性质上，颗粒类和粉剂类生物有机肥有效活菌数要大于0．2亿/g肥料，有机质含量大于25%，pH 5．5～8．5，粪大肠菌群数应小于100个/g肥料，蛔虫死亡率大于95%，有效期6个月以上，颗粒类水分小于15%，粉剂类水分要求小于30%。若产品中加入无机养分，则应明示产品中总养分含量。

1．3．2 生物有机肥的应用前景。目前，我国平均土地施用化肥量超过400 kg/hm2，超过美国和欧洲使用225 kg/hm2的标准。长期施用化肥造成土壤理化性质变劣，土壤肥力下降，进而使得作物减产，提高病虫害发生率，不仅污染环境，而且影响农产品质量。适量增加生物有机肥施用量，合理减少化肥用量，加快农业有机废次物无害化、资源化已迫在眉睫。

中投顾问研究总监张砚霖指出，生物有机肥兼具生物肥和有机肥的特点，并且高效无污染，属于环保型肥料，被称为绿色肥料。它是目前肥料行业发展的新趋势。目前，国家农业部和科技部已在全国重点推广。施用生物有机肥将成为21世纪农业生产的主流和方向。

2 有机肥的作用

2．1 有机肥对烟叶生长发育的影响 目前，生物有机肥因其可解决长期施用化肥造成的土壤板结、土壤有效养分降低、营养元素不平衡等问题，在烟草上的应用逐渐广泛，且对烟叶的生长发育、产质量及抗病性都得到较大的提高［4－6］。

韩锦峰等［4］通过盆栽和大田试验相结合，研究生物有机肥和复合化肥对烟草生长发育、生理代谢及产量、品质的影响。结果表明，虽然在烟叶生长苗期，施用生物有机肥的处理株高较低，茎围较细，单株有效叶数较少，但在烟叶生长后期，烟叶叶绿素含量、光合速率和蒸腾速率明显高于对照。这表明因复合肥速效氮成分多，更利于烟叶苗期的快发早生，而生物有机肥肥效较慢，对烟株后期的肥力供给较平衡、稳定，既保证烟苗前期不暴长，又满足烟株后期生长对养分的需求，使得烟株能及时转换代谢方式，为形成优质烟奠定物质基础。

滕桂香等［7］研究指出，在苗床期大量施用生物有机肥能增加烟株最大叶干重和地上部干重，与不施用生物有机肥相比分别增加41．9%和90．1%，根尖数、总根长、比根长分别增加286．0%、151．5%和 25．8%，有利于培育壮苗，成苗快，提前达到移栽标准。壮苗移栽时再次集中穴施生物有机肥，能较好地促进根系伸展，吸收更多的水分、养分，改善烟叶的品质，最终极大地提高烤烟的产量和产值。中上等烟比例与对照相比增加了16%，产量增加了23．2%，产值增加了46．5%，纯收入增加了12 363元/hm2。烟叶的各项指标趋于优质烤烟的标准，中下部烟叶的钾含量达到3%以上。

冯国胜等［8］指出，微生物有机肥能促进烟株根系生长发育，有效提高烟株根系活力，提高烟株对土壤水分和养分的吸收能力;同时，改善烟株田间长势，促进各项农艺性状的发育;单位面积产量、产值和上等烟比例显著提高。张建国等［9］通过连续几年对生物有机肥的研究指出，长期施用生物有机肥后，烟株对抗野火病、赤星病和花叶病的能力与单施化肥相比均有所提高，烟株的花叶病发病率降低50%以上，抗性明显提高。

2．2 有机肥对烤烟品质的影响 烟叶香气物质含量是衡量烟叶内在品质优劣的最重要指标之一。大量研究表明，有机肥可以提高烤烟单位面积产量、产值和上等烟比例，使得烟叶化学成分更趋协调，香气指标更趋合理。同时，有机肥能促进烟株对土壤养分的吸收能力，在满足微量元素需求的同时平衡内在化学成分，改善烟叶吃味，减少杂气，提高香气，从而改善烟叶的内在品质［10－12］。

赵铭钦等［13］研究了增施不同有机肥对延边烤烟烟叶中性致香物质含量的影响，发现增施不同有机物可以使烟叶内中性致香物质总量不同程度增加，烟叶致香物质含量与其香气质量有十分密切的关系，其中非质体色素降解物和质体色素类降解物含量均有所增加，尤以增施芝麻处理较高，致香物质总量达1 154．66 μg/g。在常规施肥措施下，不同有机肥处理之间相比，以芝麻效果最好，其次为发酵后的豆浆，豆糁和小磨油效果稍差。

赵铭钦等［14］在河南南阳研究关于增施不同有机质对烤烟香气质量的影响，发现增施不同的有机质均能提高烟叶中中性挥发性香气物质总量，其中非质体色素降解物和质体色素类降解物含量在各个处理均有不同程度的提高。同时，增施豆制品处理中的两糖含量和钾含量提高幅度较大。芝麻制品处理增幅相对较小，各处理其他成分之间差异不大。由此可知，增施有机物质在一定程度上改善烟叶化学成分之间的协调性，提高烟叶香气质量。增施有机物质的种类不同，其效果也有所不同，其中以增施发酵后豆浆的2个处理最好，其次是增施豆糁，增施芝麻和香油的2个处理效果稍差。

张文军等［15］研究了饼肥、沼气肥料的施用对烤烟生长及内在质量的影响，指出施用有机肥降低了烤烟株高，减少了烟株有效叶数，增加了单叶重，上部烟叶与对照相比降低;烤烟外观质量如烟叶成熟度、组织结构及油分等指标均优于施用化肥的处理。同时，增施有机肥可增加中上部烟叶总碱含量和总氮含量，降低总糖和还原糖含量，下部烟叶的变化趋势刚好与之相反，烟叶中氯元素含量相对偏高。施用有机肥的烟叶评吸得分与对照纯施化肥的相比相等或略低。

武雪萍等［16］研究了菜籽饼、大豆饼、芝麻饼、花生饼与化肥各半配施对烟叶生长、品质的影响。结果表明，有机肥与化肥各半配施明显提高烤烟中石油醚提取物的含量，增加烟叶香气物质总量。其中，芝麻饼肥与化肥各半配施效果最好，烟叶糖碱较适宜，明显改善烟叶香吃味，提高烟叶品质，主要表现在烟叶香气纯净，杂气较少，燃烧性好，烟气柔和，刺激性适中，香气量较足。

刘星等［17］研究了微生物有机肥对陇东烤烟的中性致香物质含量的影响，发现施用微生物有机肥的处理不同叶位中性致香物均不同程度的提高，上、中、下部烟叶增幅与对照不施微生物有机肥相比分别增加了 134．33%、81．03%、26．79%，上部叶增幅最大;中性致香物质总量提高了26．79% ～134．33%;与对照相比，施用生物有机肥处理的新植二烯含量上、中、下部叶分别增加了157．33%、88．15%、31．17%。

高文霞等［18］通过烤烟上部叶喷施微生物菌剂，研究了生物有机肥对烤烟上部叶品质的影响。研究表明，喷施微生物菌剂处理的烟叶化学成分更协调，烟叶总糖和还原糖含量有所增加，并且适当减少烟叶的烟碱含量。经过专家鉴定评吸，喷施生物有机肥的处理评吸总分较高，表明喷施微生物菌剂提高了香气质量，减少了烟叶刺激性，余味更舒适，由此可知生物有机肥对上部烟叶的质量有一定程度的提高。

赵瑞蕊等［19］研究了在施用饼肥和沼渣的基础上，配施腐植酸钠和功能微生物制剂对烟草品质的影响，发现增施微生物制剂的处理效果最好，提高了烟叶外观质量，增强了烤烟内在化学成分的协调性。配施2种肥料降低了烟叶上部叶总氮、钾和烟碱含量，提高了总糖、还原糖含量和糖碱比、氮碱比;降低了中上部叶总氮、烟碱含量和氮碱比，提高了总糖、还原糖、钾含量和糖碱比。研究指出，微生物制剂是活体肥料。其中的大量有益微生物可以增强肥料肥效，促进土壤养分的有效转化以及烟株对养分的吸收与转化，有利于烟株的生长，提高烟叶产质量。

2．3 有机肥对土壤物理性状的影响 土壤物理性状主要包括土壤容重、土壤孔隙度、土壤含水量等。土壤容重是土壤的主要物理特性之一。容重的变化影响土壤含水量、土壤通气性、作物根系的穿透阻力以及水肥的利用率等。土壤总孔隙度和土壤容重呈负相关。土壤容重越小，土壤越疏松，结构越好;反之，土壤紧实，结构性差。施用有机肥能降低土壤容重，提高土壤孔隙度，使得土壤结构变疏松，这样作物的根系便能更好地在土壤中延伸，促进作物更好地生长。

研究指出，增施有机肥后，在耕层0～10 cm的土壤容重降低6．1%，孔隙度提高5．2%;在耕层10～20 cm的土壤容重降低10．1%，孔隙度提高 8．8%;施有机肥 7．5 ～150．0 kg/hm2，耗水系数降低10% ～22%，水分利用率提高9% ～24%［20］。

李彰等［21］研究表明，微生物土壤改良剂能明显改善旺长期土壤耕层(0～10、10～20、20～30 cm)的物理性状，土壤温度、土壤相对含水量明显增加，0～20 cm耕层土壤容重明显降低。良好的土壤生态环境为烟株的健康生长创造条件，烟株的质量性状明显改善，叶间距分布更趋合理，抗倒伏性增强。微生物土壤改良剂处理烟株的株高、节距、茎粗、中上部叶片长宽及在旺长期和圆顶期叶面积均有所提高。微生物土壤改良剂处理烟株的发病率和发病指数有明显降低。微生物土壤改良剂处理明显提高了烟草的中上等烟比例和产量，其中上等烟比例和产量分别提高14．8%、12．3%。在半湿润易旱区旱坡地，施用微生物土壤改良剂可明显改善连作烟田的土壤生态环境，提高烟草品质和产量。蔚承祥等［22］研究发现，在增施生物有机肥后，土壤容重降低5．5%，毛隙孔隙度增加2．5%，含水量增加，土壤通透性增加，土壤的保水、保肥能力增强，土壤有效N、P、K和有机质含量提高，根系活力增强。罗兴录等［23］研究表明，生物有机肥改良土壤物理性状的原因在于它不仅含有一定的速效氮、磷、钾养分，而且含有丰富的有机质，而有机质施到土壤以后能有效降低土壤容重，提高土壤孔隙度。

2．4 有机肥对土壤化学性状的影响 有机肥料在保持、改善和提高土壤肥力、增强土壤酶活性、活化土壤养分等方面有着不可替代的作用［23－26］。土壤化学性状主要包括土壤全氮、碱解氮、速效磷、速效钾、有机质含量、pH、土壤酶活性等指标。

查永丽等［27］研究了不同小麦秸秆覆盖量对地烟、田烟土壤理化性状的影响。结果显示，不同小麦秸杆覆盖量对烟田土壤理化性状的影响均存在相同点和差异。随着覆盖量的增加，土壤水分含量有增加的趋势，并且能明显降低土壤容重和土壤pH，对植烟土壤的速效养分有明显影响，在烤烟旺长、打顶和采收后3个时期土壤的碱解氮、速效磷、速效钾含量均有明显提高。

王立刚等［28］通过7年的生物有机肥试验表明，长期施用生物有机肥可以明显提高土壤有机质含量与土壤全氮、碱解氮含量，提高土壤肥力，其中施用生物有机肥量为15 000 kg/hm2处理有机质含量增加得最快，从1．26%升高到1．96%。

刘华山等［29］研究表明，施入菜籽粕能明显提高土壤蛋白酶、脲酶、磷酸酶和转化酶的活性，对上层土壤的过氧化氢酶活性也有提高作用，但对下层酶活性的影响不大。刘卫群等［30］研究了芝麻菜籽粕种植对烤烟田土壤根际酶活性的影响。结果表明，随着菜籽粕施用量的增加，植烟土壤的酶活性并不逐渐增加，而是在一定比例下达到最高值。由多个试验可知，当菜籽粕与化肥配施比为2∶3时最适合。但是，在农业生产实践中，营养状况不同的土壤比例会存在一定的差异。

田小明等［31］通过盆栽试验研究了不同有机质含量的土壤中不同生物有机肥用量对土壤活性有机质、酶活性的影响。结果表明，随着生物有机肥用量的增加，高有机质含量土壤以施用20 g/kg生物有机肥效果显著，而中低等有机质含量以施用30～40 g/kg生物有机肥效果显著。蛋白酶、过氧化氢酶、脲酶活、蔗糖酶、多酚氧化酶性均高于对照不施肥处理，并且土壤酶活性与生物有机肥施用量呈正比。田小明指出，随着生物有机肥用量的增加，土壤有机质含量明显增加，活性有机质在有机质中所占的比例也有所上升，说明生物有机肥施入土壤后，土壤中酶活性增加，促进土壤原有有机质的矿化分解。同时，生物有机肥能够为产酶微生物提供丰富的营养源，有利于提高酶活性。

胡诚等［32］用了7年的时间研究生物有机肥(堆肥+有效微生物制剂，即EM堆肥)对土壤肥力、微生物量碳的影响。结果表明，与传统的堆肥、化肥相比，长期施用生物有机肥土壤的理化性质得到进一步改善，土壤肥力明显提高。随着生物有机肥用量的增加，土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾、微生物量碳含量增加，碱性土壤pH逐渐降低，且与生物有机肥施用量呈显著正相关。这主要是因为添加EM有效微生物制剂能有效促进堆肥分解，提高土壤肥力［33－34］，且EM菌剂堆肥比传统堆肥的土壤微生物活性略高，微生物生物量碳有所增加［35］。

肖相政等［36］通过盆栽试验，用抗生素和绿色荧光蛋白(GFP)基因对生物有机肥中特定功能微生物进行标记，研究施用生物有机肥对烤烟多酚氧化酶(PPO)、过氧化物酶(POD)、L－苯丙氨酸解氨酶(PAL)、脂肪氧合酶(LOX)等防御性酶活性的影响和功能微生物在根围土壤中的定殖情况。研究表明，施用生物有机肥提高了土壤中碱解氮、全磷、速效钾等养分供应水平，改善了土壤养分状况，同时提高了烤烟初期相关防御性酶活性;施用生物有机肥7 d后，PPO活性提高35．8%和38．1%，PAL活性提高24．5%，LOX 活性提高17．5%和19．6%。由于生物有机肥分解后产生胡敏酸，土壤单粒胶结成土壤团聚体，土壤孔隙度增大，土壤容重变小，因此土壤中的营养元素和水分更易被吸附;另一方面，功能微生物在土壤中的定殖可以在烟叶的根部形成优势菌群，抑制有害病菌的繁殖，提高烤烟初期相关防御酶活性的影响。

2．5 有机肥对土壤微生物的影响 微生物性状通常被认为是衡量土壤有机质分解最直接的参数。微生物对土壤中有机质的分解、养分吸收与转化和养分的循环有着重要的作用。微生物的数量是土壤中养分和营养转化的主要原动力与推动者。同时，它还是土壤中物质能量流动和养分循环的主要调控者。土壤有机物质是土壤微生物的营养源和能源。长期施用有机肥可以提高土壤微生物活性。

张晓海等［37］研究了菜籽饼对根际微生物数量的影响。研究结果表明，增施菜籽饼肥均增加了烟田和烟地土壤的细菌数量，并且田烟效果比地烟明显，但是土壤放线菌和霉菌的影响较小。施用菜籽饼对烟田和烟地烤烟生长中后期根际解磷细菌和解钾细菌数量的影响较大。可见，菜籽饼能提高烤烟生长中后期土壤的供肥能力，特别是钾、磷的供应能力。在适量施用菜籽饼肥的处理中，烤烟生育后期根际土壤的硝化细菌数量有所提高。

胡可等［25］利用BILOG ECO与传统平板计数法相结合的方法，连续两次对玉米盆栽中的真菌、细菌、放线菌数量以及微生物对不同碳底物的利用情况进行研究。结果表明，施用生物有机肥可增加土壤微生物中真菌、细菌、放线菌三大菌群数量，提高微生物活性，并且明显提高微生物对底物碳源的利用率。生物有机肥本身便含有益菌群，施入土壤后活化了土壤中原来的微生物类群，改善了土壤中微生物营养，加强了微生物代谢，提高了微生物多样性，充分利用土壤碳源，使得土壤养分得到充分吸收。

郭利等［38］指出，有机肥施用量对烟田根际土中微生物数量有一定的影响，在有机肥料施用量为0～30 000 kg/hm2的范围内增加有机肥料的施用量，根际土壤中真菌、细菌、放线菌和固氮菌的数量也逐渐增加。原因在于增施有机肥能提高土壤中有机营养成分，加大微生物的繁殖，增加微生物的数量。同时，真菌、细菌、放线菌和固氮菌的根土比在有机肥料施用量增加的情况下也呈增加趋势。施用有机肥料的烟田微生物多样性指数(H)和均匀度(E)低于未施用有机肥料的处理。由此可知，增施有机施可促使烟草根系发达，增加其分泌物，促进根际土中微生物的繁殖，更好地促进烟草的生长。

刘剑君等［39］将一株烤烟的根际固氮菌N05进行分离鉴定，并且制成菌肥，于烤烟移栽时施入烟田(30 kg/hm2)，同时配施浓度80%氮肥。研究结果表明，在减施氮肥的情况下，适当使用固氮菌肥可提高矿质元素的有效性和烤烟根际固氮菌数量。施入菌肥的烤烟根际固氮菌在烤烟的不同生育期与施用全氮处理相比平均提高3．6倍，且在烟叶生长旺长期达到峰值。

李北齐等［40］利用田间试验和室内试验，研究了生物有机肥对玉米根际真菌、细菌数量的影响。结果表明，未施入生物有机肥的处理土壤真菌数量在0．05水平显著低于施用生物有机肥的处理，生物有机肥起增加根际土壤中微生物数量的作用。王玉等［41］研究结果表明，生物有机肥能明显提高茶园土壤中微生物种群数量、多样性指数，有良好的推广价值。

杨宇虹等［42］研究了烟田前作和当季分别施用腐熟秸杆、菜籽饼和腐熟猪粪对土壤中真菌、细菌、放线菌的影响。结果指出，前作或当季施用不同的有机肥对土壤中真菌、细菌、放线菌总量及其高峰持续时间有不同影响，在移栽后14 d(当季施用猪粪的处理在移栽后35 d)和63 d，土壤中真菌、细菌、放线菌总量达到最大值;在移栽后63 d，前作或当季施用腐熟猪粪，真菌总量分别增加14%，13%;在移栽后63 d，当季施用腐熟秸杆、菜籽饼、腐熟猪粪放线菌总量分别增加了 23．39%、41．13%、2．4%。

3 展望

农业废弃物生产有机肥是解决现在农业生产中产生的农业废弃物的一项重要措施。在烟草生产过程中也会产生大量的废次物。由于国家对烟草产品的专管制度，大量的烟草废次物未能被充分利用。利用烟草生产过程中产生的废次物生产有机肥，有可能解决大量烟草废次物的堆积或直接燃烧造成的环境污染。

烟草废次物是指烟草原叶在采收以及烟草制品加工过程中产生的，未能用于制烟的烟草组成部分(制烟包括用下脚料制造膨胀烟丝或烟草薄片等)。烟草原叶须经打顶、采收、烘烤、晾制、加工成型等工艺方可用于卷制造。烟茎、烟梗、烟末等烟草废次物即在加工过程中产生，包括烟茎(又称烟杆、烟秆)、烟梗(即为烟叶的叶柄)、无法进行卷烟加工的低等级或等外级烟叶、烟草植株的上部烟叶、烟花、烟种、叶脉、腋芽、卷烟企业积存的烟末、烟根、根出条。烟草在我国的种植面积和产量均居世界首位。烟草种植与产品加工在国民经济发展中发挥着重要作用。在2013年，全国种植烤烟139万hm2。2013年烟草行业共实现工商税利9 559．86亿元，同比增长10．53%;全年上缴财政总额8 161．22亿元，新增近1 000亿元，增长13．9%。在烟草生产加工过程中每年都会产生大量的废次物。处理这些烟草废次物对环境的污染已迫在眉睫。烟草废弃物生产有机肥是对环境的可持续发展。

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