烟草残茬影响水稻和稻田环境的机理及利用方式的研究进展

龙鹏臻　孙红权　卢鹏宇　陈勇华　刘国权　陈金

摘要 烟稻复种制是南方烟区烤烟种植主要模式，该种植模式每年产生大量的烟草残茬。从烟草残茬利用方式的基本概念入手，综合阐述了国内外烟草残茬影响水稻和稻田环境的机理的进展情况，并重点分析烟草残茬利用方式对烟碱降解、土壤理化性状、稻田环境、微生物、稻米品质、病虫害等方面的影响，以期为资源化充分利用烟草残茬废弃物和提高烟稻复种系统生产力提供一定的依据。

关键词 烟草残茬腐解;土壤养分;土壤微生物群落多样性;晚稻

中图分类号：S153 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2022）04–0001–03

烟稻复种制在南方烟区，尤其是湖南烟区烤烟的主要种植模式，年种植面积在667 km2以上，每年都会产生大量的烟草残渣，约占该作物生物产量的50%。大量研究表明，秸秆作为一种廉价的有机肥，含有丰富的有机碳和大量的氮、磷、钾、硅等矿质养分，以及大量的微量元素和有机质[1]。烤烟是一种叶类作物，烟草茎富含N、P、K。据测定：烟秆中含N 1.44%、P2O5 1.69%、K2O 1.85%，高于稻草、小麦秆、玉米秆的N、P、K含量分别为0.51%、0.12%、2.70%;0.50%、0.20%、0.60%;0.60%、1.40%、0.90%。

随着烟叶规模化种植的推进和环保力度的加大，传统的烤烟留茬方法效益低、耗时长、劳动强度大，而烟草残留的使用造成在部分烟区，烟草残茬或被大量焚烧，或被长期堆放在田间地头腐烂，使得土壤肥力逐年下降，农田生态平衡遭到破坏，不利于农业生产可持续发展，对农业生态环境造成严重影响。谭文等[2]提倡烟稻复种制以来，该模式在湖南烟区已推广30年，但是烟草残茬残留烟田中对后茬水稻、下季烟草生产的影响机理还是不明确，因此探索烟草残茬影响水稻和稻田环境的机理及利用方式势在必行。

1 烟稻复种制度

1.1 烟稻复种概念

烟稻复种制是同一年在同一稻田先种植烟草，收获后立即准备种植一季晚稻。晚稻收获后，可以种一些小作物（绿肥）或休闲作物。第二年仍是先栽烟后栽稻，年年重复。

1.2 烟稻复种优势

烟稻复种有诸多优势，为稳定湘南烟叶产区的种植面积和产量，以及提高烟叶质量起着重要的作用[3]。（1）改良土壤理化性状。从当前的种植模式来看，烟稻复种是目前烟区较为普遍的种植模式。烟稻轮作地块干湿交替环境有利于改善土壤理化性质，对土壤健康、作物品质和高产具有积极意义。（2）减轻病虫害。烟稻2种作物的病、虫、草害属于土传病害，烟稻复种过程中旱土与浸水2种栽培环境的变化，使水生杂草在种烟季节因缺水而干枯死亡，使烟田杂草因长期渍水而消亡，对后茬作物病害的发生起到减少或减轻作用。同时，烟秸还是天然的药剂，烟叶收获后，秸秆还田是肥料，烟梗中的烟碱是杀虫剂，可以有效减少了水稻病虫害的发生。此外，烟稻轮作还可以有效降低烟草赤星病菌的发病率。（3）提高烟叶产质量。烟稻轮作最显著的效果是能够提高烤烟产量和质量，明显提高经济效益。烟稻复种模式下的烟叶致香物质大多数高于连作烟叶的含量，烟稻复种对微生物种群也有积极影响。据有关研究表明，采用了秸秆还田的田块中的变形杆菌和放线菌数量要比秸秆未还田的高10%～15%。

2 烟草残茬对土壤理化性状和微生物的影响

2.1 烟草残茬对土壤微生物的影响

2016年，胡心意等[4]试验了耕作深度与秸秆还田与常规耕作相比微生物群落结构的变化。沙涛等[5]发现，小麦、玉米秆糠覆盖可使土壤20～40 cm耕作层微生物数量显著增加。张鹍等[6]的研究表明，添加玉米秸秆、微生物菌剂和腐熟剂可增加土壤有机质、降低pH值，减小土壤容重、增加土壤氮含量;施用氮肥降低土壤有机质和pH值，增大土壤容重、增加土壤氮含量。根据张晶[7]研究，秸秆还田为土壤微生物活动提供了丰富的碳氮源，促进微生物的生长和繁殖，从而极大地改变了土壤微生物区系和数量，提高了土壤生物活性。陈凯鹏等[8]也发现化肥减量配施秸秆能显著提高微生物类群相对丰度。

2.2 烟草残茬对土壤理化性状的影响

将烟叶残余物作为有机肥撒播到田间，对土壤理化性质有显著影响，表现为促进土壤微生物活动，增加颗粒结构，增加土壤孔隙度，降低土壤压实度，滞水特性明显改善促进了有机质的分解和更新，从而改变土壤结构和性质。此外，还可以減少土壤中的还原性物质，改变土壤中次生潜育现象，提高土壤pH值，防止土壤硬化、酸化，改善土壤的效果。长期效应方面，秸秆还田可显著增加土壤速效养分有效性和全养分含量，提高土壤酶活性，改善土壤微生物状态，影响土壤腐殖质组分含量，从而显著提高土壤肥力[9]。

3 烟草残茬生物碱降解研究

3.1 烟草生物碱的概念

烟草生物碱是一组含有近50种物质，存在于约60种不同的烟草中。烟草生物碱根据分子结构可分为两大类：一种是由吡啶和氢化吡咯结合而成的化合物，以尼古丁为代表;另一类是吡啶与吡啶或氢化吡啶环相结合的化合物，如假木贼碱、新烟草碱等。其中，尼古丁是烟草中最重要的生物碱，占烟草生物碱总量的95%以上[10]。其极易被氧化，在通气条件下缓慢氧化成棕色，可被硝酸等强氧化剂氧化成烟酸，还可发生烷基化反应。它还是一种剧毒物质，少量的尼古丁对中枢神经系统有兴奋作用，大量的尼古丁可使心脏麻痹，导致死亡。

3.2 环境中烟碱污染来源

环境中的尼古丁污染主要来自烟草生产过程中的废水和废弃烟草。中国是世界上最大的烟草生产国，约占世界烟草产量的39.6%。据估计，世界各地的烟草生产商每年生产多达300 274  t的废烟叶，而尼古丁作为烟叶的主要生物碱，占烟叶总污染物的90%以上。欧盟条例规定，当烟碱含量超过0.05%（w/w）时，即可被列为“有毒有害物质”。数据显示，烟草废料中烟碱平均含量高达18 g/kg（干重），是欧盟“有毒有害物质”含量控制标准的36倍。因此，在我国，如何运用科学的方法减少和消除烟草生产废水和废弃物对环境的污染已成为重要的研究课题。A3B744E8-6A54-451F-BC74-3C01C3445703

此外，尼古丁曾被广泛用作杀虫剂，一些地方一直沿用至今。Nicotinoid杀虫剂已经成为最重要的新的合成杀虫剂，其表现出选择性毒性且广谱杀虫能力高，是全世界杀虫剂年销售额11%的烟碱类杀虫剂，并已广泛应用于各种作物的害虫防治。目前，已商品化的烟碱类杀虫剂主要有吡虫啉、噻虫嗪、噻虫啉、啶虫脒等。虽然有报道称类烟碱类杀虫剂具有“低毒高效”的优点，但水生生态安全研究表明，某些烟碱类杀虫剂，如扑热息痛等，对鱼类具有较高的毒性。烟碱类杀虫剂对生态环境和生物健康的危害将成为人们不得不面对的又一个重要问题。

3.3 烟碱降解途径

尼古丁含量是影响卷烟产品质量的重要因素，含量过高会导致香烟烟雾刺激性强、口感差、安全性差。目前，降低烟碱污染的主要途径是严格控制烟草生产过程和后处理过程中的烟碱含量，主要包括物理化学法和微生物降解法。

物理化学法生产成本高、副产品多，影响烟叶的其他成分。如袁淑霞等[11]结果表明，添加HNO3改性活性炭可以吸附烟气中的烟碱。王怡红等[12]在他们的研究中发现，NaCl等无机盐对香烟中的尼古丁有去除作用，污染物去除率为85%～95%，达到出水排放标准。而微生物降解以其高选择性、低副产物、高效、经济、易操作、微生物资源丰富、代谢多样性等优点越来越受到人们的重视。

4 烟草残茬腐解和养分释放研究

4.1 国外对秸秆的利用

世界上大多数农业发达国家都十分重视土地利用与耕作相结合，大力发展生态农业。秸秆还田和农用肥料施肥占总施肥的2/3。因此，秸秆还田作为一种先进的保护性耕作技术，在世界农业发达国家得到了足够的重视和支持。其中，美国将秸秆还田作为农业系统中的一项关键技术，坚持全年进行秸秆还田。不仅玉米、小麦等秸秆大量还田，大豆、番茄等秸秆也尽可能地还田[13]。在英国洛桑试验站，以每年70～80 kg/m2的速度倾斜玉米秸秆，18年后土壤有机质增加了2.2%～2.4%，连续18年的试验后发现，直接返回作物秸秆的影响比作物秸秆堆腐烂后返回，改善土壤肥力和增加作物产量的作用较显著，秸秆用于直接还田的量也相应增加。

4.2 烟草残茬腐解和养分释放规律

烟草残茬腐解主要靠土壤中的微生物。陶玥玥等[14]研究表明，湿润灌溉体系下还田小麦秸秆腐解率较常规淹水灌溉体系显著增加。程励励等[15]研究发现，无论土壤类型和作物类型，只要在合适的环境下，快速分解期都在1～3个月之间，3个月后分解速度减慢。另外，邵丽[16]研究表明，在90 d的分解时间内，根系分解前期快，养分释放后期慢。在养分释放率方面表现为钾>磷>碳>氮，但不同的残体间存在差异。烟草残茬在烟稻复种中，因烤烟茎浸泡过程中，大量营养物质进入水体，使水体中有机质、氮、磷、钾含量都有一定程度的增加[17]。

5 烟草残茬对水稻和稻米的影响

5.1 烟草残茬对水稻生长的影响

水稻是最合适和烟草轮作的作物之一。一方面，水稻和烟草共发病害不常见;另一方面，水稻对氮、硅、磷、钾元素的要求相对较小，烟草是喜钾作物，两者轮作能保持土壤肥力稳定协调，平衡吸收土壤养分，利于土地长效利用。同时，烟草与水稻根系深度和延伸范围不同，深根烟草与浅根水稻轮作，可以充分利用土壤表层养分。烟草连作对土壤养分含量有显著影响：苏海燕等[18]在对连作烟田土壤养分变化的研究表明，烟田连作后土壤pH值下降，相邻茬次之间平均下降0.05，土壤酸化;有机质含量逐年下降，相邻茬次之间平均衰减0.56%;全氮、全磷、全钾含量随连作年限延长表现出不同程度的升高趋势，表现为P（6%～31%）>K（6%～21%）>N（2%～12%）;速效磷、速效钾含量随连作年限延长逐年降低，且降低程度P（6%～24%）>K（2%～10%），速效氮含量略有上升;速效养分N/P、N/K和K/P比值明显增加，土壤养分比例失调;晋艳等[19]研究表明，烟草连作后土壤中有机质、全氮、全磷、速效氮、速效磷、阳离子交换容量和可交换性镁含量下降，其他元素变化不规则;李天福等[20]研究表明，烤烟连作多年后，其肥料利用率明显下降。

为减少烟草连作的障碍，由于烟草土传病害的高发和烟草基本田面积的限制，不提倡烟草秆还田技术。目前，由于缺乏高效实用的烟梗综合利用技术，烟梗还田技术在实践中得到了广泛应用。湘南烟稻连作区采用该技术已有20多年，但连作障碍不太严重，有利于晚稻高产[21]。李艳芳等[22]研究表明，烟稻复种有利于烟后晚稻干物质积累、產量、氮磷钾含量与累积量的提高，其中磷含量提高幅度最明显。

5.2 烟草残茬对稻米品质的影响

顾丽[23]研究表明，长期和短期秸秆还田均可导致水稻中的蛋白质含量呈上升趋势，直链淀粉含量呈下降趋势。长期定位试验中，水稻垩白度随土壤全氮含量的增加而增加，短期秸秆还田时，垩白度先增加后降低。刘阳[24]试验研究表明，秸秆还田和田间氮肥管理对水稻加工品质无显著影响，但降低了水稻的垩白粒、垩白度和直链淀粉含量，有效改善了水稻的外观品质和蒸煮品质;降低了淀粉的最大黏度、崩解值和去碱值，有利于提高稻米的食用品质。

6 烟草残茬对下季烟草的影响

6.1 烟稻复种对下季烟草的影响

何念杰等[25]调查发现，烟稻双季稻能有效防治烟草青枯病等土传病害，减少烟草红斑病和烟草野火等叶斑病的危害。周兴华[26]研究表明，稻烟轮作对土传病害具有显著的防治效果，并可减少星斑病、蛙眼病等其他病害的主要传染源和危害。杨国胜[27]研究指出，水旱轮作防治晚稻病虫害是一种有效的防治方法，其烟碱含量较高，一般可节约农药成本30% ～50%。晋艳等[19]研究表明，连作烟叶的田间外观、产量、产值和外观品质均低于轮作烟叶，连作烟叶的产量仅有轮作烟叶的59.12%，产值仅有轮作的29.93%，中上等烟比例仅有轮作的52.07%，均价仅占轮作的50.6%，轮作烟叶中芳香物质含量高于连作烟叶。刘秀芬等[28]研究指出，经过多年的连作，作物的根、叶和植物残留物会造成有毒的土壤物质，根系分泌物如有机酸、酚类和萜类的积累会抑制作物的生长发育。李水珍[29]研究也表明，稻烟轮作可使烤烟增产24.0%～29.4%、水稻增产12.9%～13.1%。A3B744E8-6A54-451F-BC74-3C01C3445703

6.2 烟草残茬对下季烟草的影响

烟草残茬中含有不少致病菌，且致病菌存活时间较长，建议必须将烟草残茬清理至田外。烟草残茬直接还田要彻底销毁烟秆、烟权、烟根、病叶以及烟田死亡的杂草，减少土壤中的病菌源[30]。另据有关研究表明，烤烟普通花叶病病毒、菌核病菌、碎倒病菌、炭疽病菌都是在受侵染的病株残体上越冬，烟草残茬直接粉碎还田对下季烟草生产风险较大。

在烟草残茬还田方面有科学研究，水稻成熟期土壤速效氮、速效磷、速效钾含量均有不同程度的增加，尤其是钾的增加有利于提高下一年度烟叶钾含量，改善烟叶品质，为节约烤烟生产中的肥料投入提供了可能。

7 结束语

随着生态农业的大力推行和烟叶生产减工降本的持续深入，烟草残茬合理、高效、安全的利用方式对稳定烟稻复种区生产模式和烟叶生产可持续性发展具有重要的意义。烟草残茬是增加土壤有机质、速效氮、磷、钾和有机质的有效措施，对土壤微生物有积极的作用，对土壤理化性状也有一定的提升。同时烟草残茬降解后的烟碱对后季作物的病虫害有一定的防治效果，残茬消解后的营养物质能增加稻田水体营养，促进水稻生长发育，明显提高水稻产量。因此，提倡烟草残茬粉碎还田有利于水稻增收增产，同时还能提高废弃物资源利用率。

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责任编辑：黄艳飞

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 龙鹏臻（1976—），男，贵州松桃人，农艺师，主要从事烤烟生产与管理。#通信作者：孙红权（1981—），男，贵州思南人，农艺师，主要从事烤烟生产与收购管理，E-mail：1052215671@qq.com。

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