秸秆还田对植烟土壤改良及烤烟品质的影响探究

杨应粉，许山河，郑 武，黄鹤鸣，卢 平*

（1.云南瑞升烟草技术（集团）有限公司，云南昆明 650106；2.福建中烟工业有限责任公司，福建厦门 361012）

烟草是我国重要的经济作物，良好的土壤是高质量烟草生产的关键。适宜的植烟土壤是提高烟叶产量和品质的重要基础和保证［1］，而在植烟土壤上长期施用化肥容易造成土壤板结、肥力下降和生物活性降低，导致养分供应不足，烟草产量低下和质量差。因此，土壤的改良和保护受到了越来越多的关注。

农作物秸秆作为农业生产经营的副产品，其产量高、分布广泛、品种丰富，一直是我国农村地区和农业生产的宝贵资源。秸秆中富含氮、磷、钾、中微量元素和有机质等，其肥料化利用可以一定程度上将作物中的营养元素归还给土壤，直接或间接替代化学肥料的潜力巨大［2］，同时有利于改良土壤中微生物和原生生物的丰富度，为土壤中各类酶发挥活性提供作用底物，促进土壤中养分的转化。此外，从生态农业和循环经济的角度讲，作物秸秆是质量和来源稳定、有效、可靠的有机肥料［3］。许多研究表明，秸秆的综合利用是促进烤烟生长发育，提高烟叶质量，增加烟农收入的重要途径［4］。已被证实土壤增碳措施，可以改善土壤和提高烟草质量，秸秆还田作为关键的碳投入方法，可以增加烟草根际土壤有机质的碳含量［5］。

目前，云南大部分烟区的有机-无机肥配施技术一般以采用农家肥和商品化有机肥为主。市场上有各种类型的烟草有机肥料，其质量各不相同，存在组成特征不明确［6］、分解速率较慢［7］、氮素活性较低［8］等问题，同时市购商品有机肥在一定程度上增加了烟叶生产成本。因此，秸秆还田成为目前势在必行的改良土壤，提高作物产质量的有效方式。云南省是我国重要的烟草种植区，改善烟草质量，改善绿色生态和环境保护将是未来该地区的两方面挑战。此外，云南省也是我国秸秆资源相对丰富的地区，如何合理利用秸秆以提高作物产质量一直是农业研究的热点问题。基于此，针对秸秆还田对植烟土壤改良及烤烟品质的影响进行综述，以期为云南烟区烟叶生产及烟田土壤改良提供理论依据。

1 秸秆还田的方式

1.1 直接还田

秸秆直接还田是一种十分普遍的还田方式，可以节省成本，减少化肥的投入，并增加农民的收入，包括高茬还田、覆盖还田、粉碎翻耕还田。

直接还田不仅能够增加土壤有机质含量、改善理化性状、提高土壤肥力、减少环境污染，还可增加耕层土壤水分和土壤微生物量。由于直接还田秸秆分解和养分释放效果缓慢，有学者通过秸秆配施腐熟剂直接还田的方法，进一步加速田间分解、腐殖化进程，提高根系生物量、土壤酶活性及速效养分含量［9］，但粉碎、抛撒均匀度难以控制，增加了预整地、起垄、打塘等农事活动操作难度，同时秸秆中残留的病虫害蔓延的可能性依然存在［11］。秸秆腐熟后施用发挥的肥效较直接还田更高，在一定程度上减少了病虫害繁殖，降低烤烟染病风险，同时有机质的损失较直接还田会减少，肥力增强显著［11-12］，成为目前秸秆还田肥料化利用技术研究的重要对象。

1.2 间接还田

秸秆间接还田是指将秸秆处理后再还田的一种方式，包括堆肥还田、焚烧还田、过圈还田、过腹还田和生物质炭还田。

目前，云南地区主要采取焚烧还田、过圈还田、直接还田。焚烧还田虽然操作方便且对土壤有一定的培肥效果，但会杀灭耕层微生物，引起土壤有机质、含水量和酶活性降低［13］，同时向大气中排放大量PM2.5、C、N 和P 氧化物等有毒有害气体，造成严重污染［14］，已被国家明令禁止（《中华人民共和国大气污染防治法》第一百一十九条第一款）。过圈还田是将秸秆与畜禽粪便堆沤发酵后还田，其优点是堆沤可以杀死秸秆中大部分的幼虫，致病菌和草种子，并在整个作物种植过程中减少疾病的发生；缺点是费时费工，易出现发酵不均匀、无法彻底发酵等现象［15］。

2 秸秆还田对植烟土壤肥力的影响

2.1 秸秆的营养成分

农作物秸秆不仅含有大量的氮、磷、钾和微量元素，还含有木质纤维素、甲基纤维素和其他含有碳元素的化学物质。陈尚宏等发现，在小麦秸秆、水稻秸秆和油菜秸秆中，小麦秸秆的总碳含量最高，水稻秸秆的总氮含量最高，菜籽秸秆的总磷含量最高；麦草和稻草中含有钾；油菜秸秆中硼和钼的总含量最高；稻草中铁、锰和锌的总含量最高［16］。

2.2 秸秆还田对烟田土壤物理性质的影响

秸秆还田对土壤的物理性质有很大的改善。许多专家学者的科学研究认为，秸秆的综合利用可以增加土壤孔隙度，降低土壤密实度，降低土壤容重［17］，改善土壤通气状况和水分状况，改善土壤的锁水和固土作用，促进作物的生长和发育［18］。

2.2.1 土壤容重

容重是衡量土壤层松紧度的指标，在农业中被广泛应用，是反映土壤物理性质的关键指标［19］。秸秆还田将降低土壤容重，随着秸秆还田量的增加，土壤容重的降低幅度越大［20］。赵伟等研究发现，秸秆还田会使土壤容重降低0.09～0.19 g·cm-3［21］。马永亮等研究表明，秸秆还田可使0～10 cm 土层的土壤容重降低0.17～0.20 g·cm-3［22］。王喜艳等研究认为，秸秆还田是通过深层施用，20～40 cm 土层的容重降幅比0～20 cm 土层大，深层施用有利于提高深层土壤的渗透性［23］。

2.2.2 团粒结构

秸秆还田能显著提高总空隙度和毛管孔隙度，并形成良好的土壤团粒结构，改善退化的土壤。秸秆还田后，0～10 m 土层土壤总孔隙度增加10.99%～16.37%，20～30 cm 土层土壤总孔隙度增加8.97%～34.16%［24］。研究表明，粉碎的秸秆在提高土壤层团聚的稳定性方面的实际效果要优于长秸秆。与没有秸秆的处理相比，粉碎秸秆还田土壤＞0.25 mm 团聚体的含量增加，＞5.00 mm水稳性团聚体含量显著提高120.5 倍［25］。

2.2.3 土壤水分

秸秆还田可以抑制土壤中水分的挥发，提高土壤层的储水量，减少田间耗水，并能满足作物生长发育所需的水分。研究表明，如果冬季之前麦田被稻草覆盖，则与未经处理的相比，整个生长期土壤层的储水量将增加47.3 mm［26］。秸秆还田有利于增强表层土壤的集雨效果，提高0～40 cm 土层的水分［27］。曲学勇等在山东省东营市小麦种植中发现，玉米秸秆还田条件下，土壤在不同深度保持较高的水分含量，提高了土壤水分的有效性，有利于作物生长［28］。

2.3 秸秆还田对烟田土壤物理性质的影响

2.3.1 土壤有机质

土壤有机质是反映土壤质量的关键指标之一，土壤有机质的数量和质量影响土壤的特性。提高土壤有机质可以改善土壤质地，增强土壤中微生物的活性［28］。秸秆是田间土壤肥力的关键来源，秸秆分解后，可以改善土壤肥力［29］。秸秆还田是基于减少土壤有机质碳的酸化和溶解，增加土壤有机碳含量，从而改善土壤肥力组成［30］。段华平的研究表明，秸秆还田处理比无秸秆还田处理稻田土壤有机碳的平均含量增加14.01%，土壤的相对平均密度（0～20 cm）比土壤碳密度增加9.18%，同时，还强调适度耕作可以增加土壤有机质的碳含量和土壤有机碳的相对密度。秸秆还田对土壤肥力影响的关键在于表土层。随着土壤层的增加，土壤有机质的碳含量降低［31］。研究发现，0～20 cm 土壤层的土壤有机质碳含量明显高于更深的土壤层；30～50 cm 土层的土壤有机质碳含量最少，仅占表层的24.0%～35.6%［32］。

2.3.2 土壤氮磷钾

秸秆还田可以促进作物对氮、磷、钾的吸收，主要原因是秸秆还田可以增加土壤层中总氮、磷和钾及其速效氮、磷和钾的含量。薄国栋等发现，秸秆可以根据自身释放的养分来增加土壤层中氮、磷、钾等微量元素的组成，土壤养分的指标与秸秆还田量成正比［33］。与传统的有机肥相比，秸秆还田可使土壤层的总氮含量增加3.2%～11.2%［34］。徐蒋来等认为，75%的秸秆还田的对土壤有机质的影响最大。土壤的总氮含量、有效磷含量和有效钾含量与对照相比均增加，分别是3.54%、3.97%和10.28%［35］。

2.4 秸秆还田对烟田土壤微生物的影响

土壤微生物是土壤农田生态系统的关键部分，在土壤层的养分循环系统、生物化学过程及土壤矿化的过程中发挥关键作用，促进土壤有机质的转化，提高土壤肥力，促进作物对营养元素的吸收［36］。

2.4.1 微生物总数

土壤微生物总数是指土壤层中细菌、病原菌和芽孢杆菌的总数，与土壤肥力直接相关，是土壤微生物的关键指标值。微生物量碳（MBC）、微生物量氮（MBN）是固定在土壤微生物躯体中的碳素和氮素，是可用于植物生长的养分的重要来源。他们的含量取决于土壤层中微生物的总数［37］。秸秆还田不仅改善了土壤的理化特性，而且为微生物菌株的生长，发育和繁殖提供了良好的自然环境［38］，并增加了土壤层的养分含量，为微生物提供了丰富的碳源、氮源［39］，因此也会对土壤微生物产生影响。秸秆还田可以显著提高土壤微生物总量［40］。秸秆还田对微生物菌株的影响伴随着秸秆还田量的增加，先增加后减少，即存在一个最佳还田量［41］。周文新等研究发现，2/3的秸秆还田量可以显着增加土壤层中病原体的总数［42］。

2.4.2 土壤层酶活性

土壤层酶是一种生物催化剂，可以催化土壤层的各种生物化学反应，其活性对土壤肥力至关重要。土壤层酶是土壤层中活跃的有机化学成分之一，主要来源于土壤微生物、植物根系分泌及动植物残体分解，包括氧化还原酶类、水解酶类、裂合酶类和转移酶类，与土壤营养元素循环、植物营养等密切相关，是评估土壤有机质水平和土壤健康的关键指标值［43］。许多研究表明，作物秸秆还田可以显著提高土壤荧光素二乙酸酯水解酶、碱性磷酸酶、β-葡糖苷酶、纤维素酶和脲酶等水解酶的活性［44］。粉碎的玉米秸秆返回田间后，土壤层的脲酶、磷酸酶和转化酶活性水平分别提高了19.6%、39.4%和44.3%。秸秆添加量越大，实际效果越明显［45］。

3 秸秆还田对烟叶质量的影响

秸秆在降解过程中产生各种中间物质，可以促进烟草根系的生长发育和新陈代谢，有利于糖类和芳香族化学物质的积累。因此，烤烟的香气、吃味和外观质量都很好。

3.1 秸秆还田对烟叶物理特性和外观品质的影响

烟草的物理特性主要是指烟叶的厚度、相对密度、单叶质量、平衡含水量、填充值和含梗率等。覃勇等研究表明，禾本科绿肥还田可以使烟叶开片率增高，叶片厚度变得适中，叶片含梗率显著降低，外观质量得到改善，增加工业可用性。但豆科绿肥固氮能力强，使得烟株吸收过多含氮物质，导致其外观质量有所降低［46］。

烟草的外观质量是指烟叶的成熟度、油分、身份、叶面结构、叶片的大小和展开程度等。烟草等级分类的关键指标值，也是评价烟草质量的关键因素。陈坤的研究表明，用小麦草覆盖烟田可以提高烟叶的产量、外观质量、等级结构和年产值，从而产生了显著的促进作用［47］。但是，当季应将小麦草放回田间，如果数量太大，对当季烤烟的作用可能出现反向效果。绿肥种植和翻压后，叶片结构松弛，身份适中、色泽光亮、油分足、弹性好［48］。肖战杰等研究表明，施加605 kg·hm-2的生物碳可以改善烟草外观质量，并在不同水平上改善烟叶的成熟度，使叶片起皱柔软，具有较强的延展性，并具有明显的成熟斑；叶片结构疏松；烟叶身份趋于中等；增加烟叶油分及弹性，油润感更强；烟草的光泽明亮，表现出橘黄色［49］。

3.2 秸秆还田对烤烟化学成分及感官质量的影响

尚志强等研究强调，麦草掩埋和麦草覆盖可以增加烟叶中还原糖和钾的含量，并降低烟草中氮的含量；对烟碱含量的规律性不明显，对烟碱含量影响，这可能与麦秸被埋的时间有关［4］。郑宪滨等认为，秸秆还田利于提高土壤肥力的指标，可以改善烟草中基本元素和营养物质的比例平衡和动态平衡，改善烟草等级结构和提高烟草制品质量［50］。王斌等研究表明，翻压绿肥对烤烟提钾降氯、降氮增糖、改善吸食方面有明显的促进作用［51］。敖金成等研究了玉米秸秆还田对烟田土壤养分含量的影响。结果表明，玉米秸秆还田对烟草干物质积累和烟草经济性状具有直接影响，对改善中上部位烟叶内在品质效果方面以玉米秸秆直接还田方式较优［52］。

烟草的抽吸质量是指由烟草吸入引起的能量劲头，刺激，香气，杂气，余味和可燃性。烟草评估是评估烟草质量的最直接方法。魏洪武等研究结果表明，秸秆覆盖可以减轻土壤层中许多病虫害的传播，并对烟叶的生产和质量有很好的影响。单叶重量增加，对烟草感官质量的影响主要表现在香味物质增多，杂味减少［53］。肖战杰等研究表明，使用一定量的生物炭可使中性致香成分含量接近或在优质烟叶的适宜范围，香气质、香气量、余味、劲头和评吸总分均明显高于其他处理的烤烟，而杂气和刺激性等指标则相对低于其他处理［49］。许多研究表明，秸秆的综合利用是促进烟草植物生长发育、提高烟草质量、增加烟农收入的重要途径［54］。作为田间土壤改良的关键策略，秸秆的长期综合利用是维持土壤层长期生产力和推广可持续农业发展理念的关键途径［55］。

4 展望

秸秆还田是资源循环利用的有效方式之一。通过改变土壤水分和热量条件，影响微生物群落结构和多样性，可以提高土壤有机质含量、提高农作物质量。但是，我国秸秆资源利用不足，仍处在高消耗、高污染、低产出的状况，未能得到高效合理的开发利用。近年来，越来越多的专家学者逐渐重视秸秆的综合利用，以改善烟田土壤层和烟叶质量。但由于开始的时间相对较晚，科学研究的方法和手段还不够成熟，秸秆的综合利用还不够深入，秸秆还田对改良植烟土壤及烤烟的品质影响研究还不够透彻。因此，今后的科学研究应注意以下4 点。

1）注重开发适用性广的秸秆还田机械设备。发展机械化是农业发展的必由之路，农作物秸秆收储运体系是秸秆利用的基础。而我国农作物多种多样，不同农作物秸秆的理化性质不一，同时各作物种植环境各异，因此收获秸秆并还田，对设备的要求不尽相同。当下急需开发服务于秸秆还田技术的高效、低能耗、大小适宜、适用性广等特点集于一身的机械设备，特别是针对云南这样以山地和高原为主的地区。

2）注重秸秆还田配套设施快速分解技术的发展趋势。如今，秸秆的综合利用仍然需要收获，粉碎并返回田间。如果秸秆能够在原点返回田间，并且秸秆的迅速腐烂不会损害农作物的发芽，并参与和其他生长发育的全过程，将大大减少人力和物力。因此，有必要挖掘和开发适宜的腐解菌群或腐解剂，以便可以改变分解秸秆的速度，满足作物生长和发育的不同生长阶段对营养的需求。

3）注重不同地区秸秆综合利用的经济效益循环时间的周期性。对于一定的地区和土壤质地，将秸秆还田多长时间才能起到对土壤环境质量效益的改善，这仍需在各地实践中不断探索。此外，整合各区域主流还田模式，统一经济效益和生态效益，以防止在单一和片面标准下进行随意诊断。同时，结合国际前沿研究结果，深入研究何种秸秆、何种方式还田对烤烟的品质影响最大，提出相应具体技术措施。

4）注意秸秆不同秸秆综合利用方法的技术评论、推广应用以及配套设备管理系统的发展趋势。协调并综合运用机械设备，生物技术与农机农艺措施统筹兼顾、综合运用，为今后秸秆的综合利用制定更加有效可行的方案，从而改善农田土壤环境质量和耕地的可用性，实现地力的提升及可持续利用，进一步提高作物的品质。