基于盆栽试验的烟草残茬还田对水稻生长和产量的影响

陈 金，黄 杰，邓永晟，张庆富，杨 柳，谢鹏飞，邓小华

（1湖南省烟草公司长沙市公司，长沙 410011；2湖南农业大学农学院，长沙 410128；3长沙市烟草公司宁乡市分公司，湖南宁乡 410600）

0 引言

中国是烤烟生产大国，每年都有大量的烟草秸秆废弃物产生，烤烟秸秆的回收利用是限制烟草农业可持续发展的主要问题之一。目前烤烟秸秆可被用来提取化学物质[1]、生产纤维板[2]或制作活性炭[3]。也有研究表明，烟草秸秆中的糖类、脂肪、蛋白质等营养物质含量较高，可以作为动物饲料的原料[4-5]。由于烟草秸秆含有较高的氮磷钾养分，可以用来生产生物有机肥[6-7]或生物炭[8]，用来间接还田。但由于应用成本和技术难度等原因，这些技术的推广应用并不广泛，烤烟秸秆仍以丢弃或直接焚烧为主，造成了环境污染和资源浪费[9]。烟稻复种制是中国南方烟区重要种植制度，为稳定南方烟区烟草种植面积和产量、提高烟叶质量发挥了重要作用，也是保证烟粮双丰收的重要种植制度[10]。烟草秸秆是一种营养元素齐全而且丰富的有机肥原料，在改土、增肥、增产、增收等方面具有明显的效果[11]。肖汉乾等[12]认为烟杆还田能促进水稻生长发育，提高群体质量，还能有效控制水稻纹枯病的发生；但从长远来看，必须考虑烟秆还田后可能带来的土传病害等负面影响。柳开楼等[13]认为虽然不同烟草秸秆还田量下腐解特征相似，但实现水稻增产需要合理的碳氮比投入。已有相关研究主要集中在烟草秸秆还田后的腐解动态和对水稻产量的影响等方面，对烟草秸秆还田后水稻整个生育期内的生长发育动态和氮磷钾吸收利用的研究较少[14]。据此，本试验采用模拟试验，就烟草残茬还田后的水稻生长发育和营养元素积累动态及产量构成进行研究，以期为稻作烟区的烟草残茬还田提供参考。

1 材料与方法

1.1 地点与材料

试验于2019 年在湖南农业大学烟草楼试验大棚内进行。烟草残茬包括烟草残茬（烟茎）、烟草根系（烟根）、烟草打顶后花器及清除的低脚叶等[15]。本试验选用的烟茎（氮磷钾含量分别为26.66、3.52、33.33 g/kg）和烟根（氮磷钾含量分别为32.17、1.73、13.00 g/kg）来自宁乡烟区；将烟茎和烟根剖开，切成5～10 cm 小段，烘干备用。水稻土壤来自宁乡烟区没有种植烟草和早稻的田块。土壤pH 7.82，有机质13.8 g/kg，全氮11.1 g/kg，全磷5.0 g/kg，全钾49.7 g/kg。水稻品种为‘湘早籼45 号’，为中熟优质水稻，6 月15 号播种。塑料盆长、宽、高规格为71 cm×45.5 cm×18 cm。灌溉水为生活用自来水。尿素含N 46%，复合肥N:P2O5:K2O=10:10:10。

1.2 试验设计

采用盆栽模拟试验，试验设3 个处理，即T1，模拟烟茎和烟根全量还田；T2，模拟烟叶收获砍茎只留烟根还田；CK，对照，无烟草残茬还田。前期调研的烟草残茬全部还田量大约300 g/m2，所以，T1处理每盆60 g烟茎+40 g 烟根；T2 处理每盆40 g 烟根。每处理5 盆，其中2盆用来取样分析，3盆用来测定水稻产量。每盆加入25 kg风干土壤，7.5 g尿素，5 g复合肥，将烟草残茬、尿素、复合肥与水稻土充分混匀，灌水后静置一晚，第二天播种水稻。水稻种子催芽，采用单粒直播，株距5 cm×5 cm，基本苗400蔸/m2。前期保持土壤湿润，扎根后保持2 cm淹水层。

1.3 测定项目与方法

于水稻播种后20、30、40、60、80天取样，每次取长势均匀的5 蔸水稻调查株高、分蘖数、根系形态指标，地上部和地下部干物质积累量和全氮、全磷、全钾含量。挖取水稻根系，用水冲洗干净，采用LA-2400多参数根系分析系统[16]，测定根长、根投影面积、根表面积、根体积、根直径及根尖数。水稻样株按地上部分、地下部分剪断，分别装袋，于105℃条件下30 min 杀青，在80℃条件下烘至恒重，粉碎后过60 目筛。植株用H2SO4-H2O2法消煮，全氮采用凯氏定氮法测定[17]，全磷钼锑抗比色法测定[17]，全钾火焰光度法测定[17]。水稻各部位的干物质重分别乘以各部位的氮、磷、钾含量，计算出各部位的氮、磷、钾积累量。成熟期将每盆水稻收获带回室内考察有效穗，随机取50穗调查每穗粒数和实粒数，风干后测定千粒重（含水率14%），成穗率、结实率和理论产量的计算分别见公式(1)、(2)、(3)。

1.4 统计分析方法

采用Microsoft Excel 2003 和SPSS17.0 进行数据处理和统计分析。采用Duncan 法在P=0.05 水平下检验显著性。

2 结果与分析

2.1 对水稻分蘖和株高的影响

水稻分蘖数影响水稻产量，株高体现水稻生长状态。由图1 可知，各处理分蘖数随水稻生长而逐渐增加，在第40 天达到最大值，分别为800 个/m2(T1)、666个/m2(T2)、400个/m2(CK)。同一时间，不同处理之间的水稻分蘖数T1>T2>CK，且差异达到显著水平（第30 天除外）。不同处理水稻株高前期无显著差异，至第40～80天，烟草残茬还田处理(T1、T2)株高显著高于对照(CK)。说明烟草残茬还田能促进水稻分蘖、增加株高，有利于水稻生长。

图1 水稻分蘖和株高动态变化

2.2 对水稻根系的影响

由表1可知，在水稻播种后20天，烟草残茬还田处理(T1、T2)的根投影面积、表面积、平均直径、体积和根尖数显著高于对照(CK)，根系长度差异不显著；30 天后T1 处理水稻根系长度、投影面积、表面积、平均直径、体积和根尖数均高于CK，T2处理根平均直径和根体积显著高于CK；在40 天，各处理间差异增大，除根系长度外，其余各指标差异均达到显著水平。60天后根系体积和根尖数差异减小；80 天后，由于部分根系衰老死亡，各处理间差异进一步缩小，T1和T2仅根系平均直径存在显著差异，但残茬还田处理各根系指标均显著优于对照。说明烟草残茬还田能促进水稻根系发育。

表1 不同残茬还田的水稻根系动态变化

2.3 对水稻干物质积累的影响

干物质的积累量可以一定程度反应水稻植株光合能力和物质合成水平。由图2 可知，水稻干物质积累量随水稻生长而逐渐增加，前期增长较慢，后期加快。播种后20～30 天，T1、T2 地上部干物质积累量显著高于CK，地下部干物质积累量处理间差异不显著。40～80 天，地上部干物质积累量由大到小为：T1>T2>CK，且差异达到显著水平；地下部干物质积累量由大到小也为：T1>T2>CK，但只有T1 地下部干物质积累量显著大于T2、CK。第80天，各处理地上部干物质积累量为T1(1867.36 g)、T2(1747.98 g)、CK(1491.31 g)；地下部分干物质积累量为T1(283.17 g)、T2(198.99 g)、CK(156.80 g)。说明烟草残茬还田能增强水稻光合能力，从而提高地上和地下部干物质积累水平。

图2 水稻干物质积累动态变化

2.4 对水稻氮磷钾养分积累的影响

氮、磷、钾是水稻从土壤吸收量最大元素，水稻对氮、磷、钾的积累量可以在一定程度上反应水稻的营养状况和土壤的营养元素供给能力。由图3 可知，水稻对氮、磷、钾元素积累量总体趋势基本一致。对于氮元素来说，第20天烟草残茬还田处理地上部积累量显著高于对照；第30～80 天，氮积累量T1 显著大于T2，T2显著大于CK；氮积累量在第40天达到最大，分别为T1(18.37 g/m2)、T2(14.68 g/m2)、CK(12.97 g/m2)；地下部氮积累量T1 显著大于CKt1 氮积累量第80 天达到最大(2.11 g/m2)，T2 氮积累量第60 天达到最大(1.37 g/m2)，CK氮积累量第80天达到最大(0.93 g/m2)。

图3 水稻氮磷钾积累动态变化

对于磷元素来说，第T1 地上部积累量显著高于CK；地下部磷积累量前30天为T1显著大于T2、CK，40天后3个处理差异显著。磷元素积累随时间延长而增加，第80天达到最大值，各处理地上部磷积累量为T1(4.06 g/m2)、T2(3.39 g/m2)、CK(3.03 g/m2)；地下部分磷积累量为T1(0.35 g/m2)、T2(0.28 g/m2)、CK(0.19 g/m2)。

对于钾元素来说，在整个水稻生育期，地上部分和地下部分钾积累量均为T1最高，T2次之，CK最低，且处理间差异显著。钾积累量与磷积累量变化趋势一致，第80天达到最大值，各处理地上部钾积累量为T1(28.84 g/m2)、T2(24.09 g/m2)、CK(19.56 g/m2)；地下部分钾积累量为T1(2.13 g/m2)、T2(1.55 g/m2)、CK(1.16 g/m2)。说明在基础土壤条件一致的情况下，烟草残茬腐解使氮磷钾元素进入土壤，为水稻生长提供额外的养分元素，增加水稻植株对养分的积累量。

2.5 对水稻产量构成及产量的影响

水稻产量由单位面积上的有效穗数、每穗粒数、粒重和结实率等基本因素构成。由表2 可知，烟草残茬还田处理各产量构成（有效穗数、每穗粒数、粒重和结实率）均显著高于对照，所以最终产量也显著高于对照。2 种还田方式（T1 和T2）最终产量差异主要取决于有效穗数的差异。T1、T2 处理的水稻产量较CK 分别提高了17.35%、8.60%，说明烟草残茬还田能优化水稻产量构成，最终表现为提高产量。

表2 不同残茬还田的水稻产量及其构成因素比较

3 讨论与结论

烟草土传病害较多，在连作烟田不提倡采用烟秸还田。但是，在稻作烟区，烟稻复种为水旱交替，稻田在淹水时期趋于无氧状态，旱作时期则处于好氧状态，很少有生物能同时适应有氧和无氧2种环境[18]。土壤的干湿交替变化形成了不利于病虫害蔓延的生态环境，有助于防止某些病虫害的发生，特别是烟草土传病害的传播，从而减少病虫害发生，进而促进农作物的增产[19]。此外，由于水田和旱田杂草的生态习性有所不同，水旱轮作能明显地降低田间杂草密度，减少田间杂草的种类，有效防止杂草的疯长[20-21]。自提倡烟稻复种制以来[22]，该模式在南方烟区发展迅速，为实现烟、稻双丰收发挥了重要作用[23]。故烟稻复种可有效缓解烟秸还田带来的负面效应[24-25]，同时还能利用烟草秸秆特有的烟碱防治水稻病虫害[12,26]。因而，烟稻复种已成为南方稻作烟区的主要种植制度。

中国农作物秸秆数量及其养分资源量巨大，充分合理利用秸秆养分资源，是实现化肥减施增效的重要途径[27]。烟草残茬还田可补充大量的营养元素和有机质，可提高土壤肥力，从而降低土壤养分消耗速度。烤烟是嗜钾作物，在生长过程中会从土壤吸收大量的钾元素，实行烟草残茬还田，能有效回补土壤亏缺的钾，能够部分替代化肥中的钾[28]。烟草秸秆还田可使土壤细菌的多样性增加[29]，秸秆在微生物的作用下腐烂分解后产生的营养元素种类多，能全面供给作物所需的养分；而且其肥效具有缓释特性，能够持久提供肥效，同时秸秆还田还能提高土壤养分有效性和利用率，改善土壤团粒结构，具有肥苗和肥土的双重作用[11]。本研究中，烟草残茬还田处理氮磷钾元素和干物质积累量比对照显著提高，说明秸秆还田为水稻生长提供了更多的养分，增加了干物质积累量，促进了水稻地上部和地下部根系的生长发育，并最终体现为水稻产量的提高，这与肖汉乾等[12]的研究结果一致。

本试验条件下，烟草残茬还田能显著提高水稻分蘖数和株高；能有效促进根系发育，可显著提升根系长度、投影面积、表面积平均直径、体积和根尖数；能显著提升水稻地上部和地下部干物质积累量和氮、磷、钾积累量；能优化水稻产量构成因素，从而提高水稻产量。本试验是在楼顶大棚内进行，且采用盆栽，其土壤温度和水层温度相对较高，有利于烟草残茬的快速腐解和养分释放，也有利于水稻分蘖和光合作用，以及水稻干物质和养分积累。因此，烟草残茬还田处理的水稻产量显著高于对照，且增产幅度较大。这种效果是否在大田中实现，还有待于大田试验验证。