郑梅迎 刘玉堂 张忠锋 程森 蔡宪杰 朱启法 薛琳 徐茜 林伟 张继光

摘  要：通過2年田间定位试验，研究烟稻轮作区不同还田方式对烟田土壤理化性质、团聚体特征及烤烟产质量的影响。试验设置4个处理：无秸秆（CK），秸秆覆盖还田（T1），秸秆粉碎还田（T2）及秸秆炭化还田（T3）。结果表明，不同秸秆还田方式均能改善土壤理化性质，与对照相比，粉碎还田和炭化还田显著提升土壤的pH、碱解氮、有效磷和速效钾含量（p≤0.05），其中以炭化还田的培肥效果最优;同时，3种还田方式均不同程度提高土壤的团粒结构及稳定性，其中以粉碎还田下土壤>0.25 mm水稳性团聚体总量、团聚体平均重量直径及几何平均直径等稳定性指标最高，而分维数最低，其次是秸秆炭化还田处理。从烤后烟叶的产质量来看，秸秆粉碎还田处理烟叶的经济效益、C3F等级烟叶的化学成分和感官评价质量均最优，其次是秸秆覆盖和炭化还田处理。综合来看，水稻秸秆粉碎还田是皖南烟稻轮作区较优的秸秆还田利用方式，其次是秸秆转化成生物炭还田及覆盖还田方式。

关键词：水稻秸秆;覆盖还田;粉碎还田;炭化还田;团聚体特征;烤烟产质量

中图分类号：S572.06          文章编号：1007-5119（2019）06-0011-08      DOI：10.13496/j.issn.1007-5119.2019.06.002

Effect of Straw Returning on Soil Aggregate Characteristics and Tobacco Yield and Quality

ZHENG Meiying¹， LIUYutang¹， ZHANG Zhongfeng¹， CHENG Sen²， CAI Xianjie²，

ZHU Qifa³， XUE Lin³， XU Qian⁴， LIN Wei⁴， ZHANG Jiguang^1*

（1. Tobacco Research Institute of CAAS， Qingdao 266101， China; 2. Shanghai Tobacco Group Limited Liability Company， Shanghai 200082， China; 3. Anhui Wannan Tobacco Leaf Co.， Ltd， Xuancheng， Anhui 242000， China; 4. Fujian Nanping Tobacco Branch Company， Nanping， Fujian 353000， China）

Abstract： The effects of rice straw returning on soil physical and chemical properties， aggregate characteristics and yield and quality of flue-cured tobacco in tobacco-rice rotation areas were studied through a two-year field positioning experiment. The experiment was set up with four treatments： no straw （CK）， straw covered returning （T1）， straw smashing （T2） and straw charring （T3）. The results showed that all the rice straw-returning methods could improve soil physiochemical properties. Soil pH， soil alkali nitrogen， available phosphorus and potassium contents were significantly （p≤0.05） improved in the straw rushing and carbonizing treatments compared with those in the control treatment， and the effect of straw carbonization returning on soil fertilization was better. Meanwhile， all the three straw returning methods improved soil aggregate structure and stability in a certain degree， and the total amount of >0.25 mm soil water-stable aggregates， the values of average weight diameter （MWD） and geometric mean diameter （GMD） of soil aggregates were found to be the highest in the straw smashing treatment， which also had the lowest fractal dimension （D） values， followed by the straw charring treatment. From the perspective of the quantity and quality of flue-cured tobacco leaves of C3F class， the economic benefits of flue-cured tobacco， the chemical composition and sensory quality of C3F grade tobacco leaves were optimal in the straw smashing returning treatment， followed by rice straw covered and charring treatments. Taken together， rice straw smashing returning is a better way of straw utilization in the tobacco-rice rotation area of southern Anhui Province， followed by improved straw conversion into biochar returning to the field and then the mulching returning.

Keywords： rice straw; coverage returning; smashed returning; charring returning; aggregate characteristics; tobacco quality

我国是一个粮食生产大国，也是秸秆资源大国，早前对秸秆的处理主要以焚烧为主，造成了严重的环境污染和资源浪费。据报道，2017年全国秸秆可收集资源量为8.4亿t，秸秆综合利用率超过83%^[1]。但由于秸秆基数大，秸秆燃烧及废弃现象仍较严重^[2]，同时农民为追求作物产量及经济效益，更加偏好施用化肥，但随着化肥施用年限及施用量的增加，土壤有机质下降、结构失调等退化现象愈加严重^[3-4]，因此寻求适宜当地农田的废弃秸秆利用方式已迫在眉睫。

秸秆还田是发展可持续农业的一项重要措施，具有培肥地力、固碳减排、改良土壤、增产提质和促进农田生态系统健康等多种作用^[5]。在现代烟草农业发展中，轮作或间套作的作物秸秆作为一类宝贵的有机肥源，其还田技术在烟叶生产中得到了广泛研究和应用^[6-7]。而目前对秸秆的还田方式、还田量等方面的研究结果存在较大差异。如敖金城等^[8]研究了玉米秸秆的还田方式对烟田土壤养分含量状况的影响，结果表明，玉米秸秆直接还田+腐熟剂方式对烤烟干物质积累、烟叶经济性状及微生物量影响较大，而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;朱经伟等^[9]通过研究秸秆还田对烟田土壤结构特征的影响，筛选出碳化玉米秸秆配施石灰为整治烟田土壤改良中的较优秸秆配施方式。应以何种方式还田以达到改善烟田土壤理化性质及提高烤烟产质量仍是当前秸秆还田的研究目标。

皖南烟区作为我国典型的烟稻轮作区，水稻季收获后产生大量的秸秆资源，但大多难以在当季得到高效利用。为促进水稻秸秆在烟田的高效循环利用，探讨水稻秸秆在植烟季的最佳还田方式及其施用技术，本研究通过连续2年的大田定位试验，系统研究秸秆不同还田方式对烟田土壤理化性质、团粒结构和烟叶产质量的影响，以期为皖南烟区的“增碳保氮”效应和烟叶产质量的提升提供理论和实践指导。

1  材料与方法

1.1  试验区概况

试验区位于安徽省宣城市“沪皖现代烟草农业高科技示范园”，为典型的焦甜醇甜香型风格烟叶产区。地处皖南山区余脉与长江中下游冲积平原结合部，属低山丘陵区，亚热带湿润季风气候，年平均气温15.9 ℃，年平均降雨量1294.4 mm，气候湿润温和，无霜期240 d;种植烤烟品种为云烟97，土壤类型为潴育性水稻土，质地为黏壤土。土壤的基本理化性质为：pH 5.38，碱解氮60.71 mg/kg，有效磷41.35 mg/kg，速效钾156.72 mg/kg，有机质19.85 g/kg。

1. 2  试验设计

秸秆还田试验于2013—2014年进行。试验共设置4个处理：CK，无秸秆;T1，水稻秸秆覆盖还田;T2，水稻秸秆粉碎后翻压还田;T3，水稻秸秆炭化为生物炭后还田。田间随机区组排列，3次重复，小区面积72 m²，小区四周设置保护行，烟株行株距为120 cm×55 cm。T1、T2处理的水稻秸秆还田量均为250 kg/666.7 m²（以秸秆干物质计），其中T3处理的等量水稻秸秆炭化为生物炭后还田，自制生物炭的炭化温度为350 ℃，转化率约为33%。T1处理在团棵期（移栽后35 d）揭膜进行秸秆覆盖处理，全部覆盖垄面及垄沟;T2及T3处理在烤烟起垄前，还田的粉碎秸秆或生物炭进行条施，然后施肥起垄，试验田的施氮量为112.5 kg/hm²，m（N）∶m（P₂O₅）∶m（K₂O）=1∶2∶3。烟田管理措施按皖南優质烟叶生产技术规范进行。2013年烤烟收获后，采用烟稻轮作制度种植晚稻，田间施肥量为尿素（含氮47%）10 kg/hm²，复合肥（含N、P₂O₅、K₂O各15%）20 kg/hm²。2014年秸秆还田处理及烟田施肥量与2013年保持一致。

1.3  试验方法与处理

1.3.1  土壤样品采集与处理  2014年7月烟叶采收完成后，在每个小区采用“S”型采样法分别采集烟垄上两株烟中间0～20 cm的耕层混合农化土样以及原状土样，将耕层土样放入塑料袋中，将原状土放入容积为10 cm×8 cm×5 cm的塑料盒中，并尽

量减少在采集以及运输的过程中对原状土的破坏。带回实验室后，耕层农化土样风干、过筛后备用;原状土样在室内沿自然结构（自然脆弱带）轻轻掰成直径约1 cm的小土块，同时除去植物残体、小石块以及蚯蚓等动物，并风干备用。土壤理化性质按照常规方法测定^[10]：pH采用电位法[V（水）：V（土）=2.5∶1];有机质采用重铬酸钾氧化法;碱解氮采用碱解扩散法;有效磷采用NH₄F-HCl浸提-钼锑抗比色法;速效钾采用醋酸铵浸提-火焰光度法。土壤团聚体测定采用周虎等^[11]的方法并略作修改，其中湿筛分析使用团聚体分析仪进行，套筛孔径分别为5、2、0.5、0.25、0.106 mm。先将原状土土样倒入套筛，用水缓慢湿润约5 min，调整套筛高度，使得仪器开动时套筛上沿始终保持在水面以下。开启团聚体分析仪，设置上下振荡，频率为20次/min，定时5 min。筛分结束后，将各级筛子上的团聚体分别洗入烧杯，将烧杯中的团聚体在烘箱内55 ℃烘干后称重。

1.3.2  烤后烟叶化学成分测定  取各处理2014年烤后中部烟叶（C3F）1.0 kg，烘干磨碎过0.25 mm筛，参照蒋锦锋等方法^[12]采用近红外技术测定烟叶中总糖、还原糖、总氮、烟碱、钾、氯的含量，并根据测定结果计算两糖比、糖碱比、氮碱比、钾氯比等派生指标。

1.3.3  烤后烟叶感官质量评价  取各处理2014年烤后中部烟叶（C3F）2.0 kg，由上海烟草集团有限责任公司技术中心专业评价人员按照相关标准进

行烤后烟叶的感官质量评价^[13]。

1.3.4  烤后烟叶经济性状测定  2014年烤烟成熟采收开始后，各处理单独采收、编竿、烘烤、存放，计产计值。

1.4  数据处理

土壤团聚体的平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）、分维数（D）采用文献[14]中的公式及方法进行计算。采用SPSS 19.0及Microsoft Excel 2007进行所有的数据处理及图表制作。

2  结  果

2.1  不同还田方式对土壤理化性质的影响

从表1中可以看出，T3处理pH最高，且与其他处理之间存在显著差异（p≤0.05），其次是T2及T1处理，CK处理pH最低。可见不同秸秆还田措施均能不同程度提高土壤pH，改良酸化土壤，其中以秸秆炭化还田处理的效果最为突出。秸秆还田后有机质和碱解氮含量较CK处理均有增加的趋势，T3处理有机质和碱解氮含量显著增加，分别比CK处理提高了4.15 g/kg和65.85 mg/kg。有效磷含量T3最高，T2处理次之，且两者均显著高于CK和T1处理，同样T2和T3处理的速效钾含量也较高，显著高于CK和T1处理。可见秸秆炭化还田或粉碎还田均能不同程度提升土壤的有机质及氮磷钾养分含量，有助于烟田土壤培肥地力，且以炭化还田效果较优。

2.2  不同还田方式对土壤团聚体特征的影响

2.2.1  土壤团聚体含量  土壤团聚体是土壤结构的基本单位，其分布特征与稳定性直接影响土壤的水肥气热状况^[11，15]。通过干筛法可以获得原状土壤中非水稳性和水稳性团聚体的总量，湿筛法可以获得土壤中的水稳性团聚体，其在保持土壤结构的稳定性方面具有重要意义^[16]。在干筛条件下，不同处理的土壤团聚体分布有所不同（表2），但总体而言，所有处理的土壤团聚体含量均随团聚体粒径减小而呈下降趋势。T3处理中>5 mm的土壤团聚体百

分含量最高，为57.99%，分别比CK、T1、T2处理提高了11.6、8.26、2.25个百分点。土壤大团聚体的形成主要靠有机质的胶结作用，粉碎还田及炭化还田使土壤有机质增加，从而使土壤的团聚作用增强。

表3看出，在湿筛条件下，与对照相比，各秸秆还田处理中>5 mm及5～2 mm粒级的土壤团聚体含量增加，而0.25～0.106 mm及<0.106 mm的团聚体含量下降。T3处理中>5 mm的水稳性团聚体含量最高，比CK处理提高了27.67个百分点，0.5～0.25 mm和0.25～0.106 mm两个粒级的水稳性团聚体含量最低，分别比CK处理降低了9.53和7.72个百分点。T2处理中>5 mm的水稳性团聚体含量仅次于T3处理，比CK处理提高了17.37个百分点，同时T2处理中5～2 mm的团聚体含量在所有处理中最高。

2.2.2  土壤团聚体的稳定性  MWD和GMD是反映土壤团聚体稳定性状况的常用指标。MWD和GMD值越大表示团聚体的平均粒径团聚度越高，稳定性越强^[17]。从表4可以看出，干筛法测得不同处理间MWD及GMD的大小顺序分别是：T2>T3>

T1>CK，CK>T2>T1>T3。>0.25 mm的团聚体含量则以T2处理最高，CK处理次之。湿筛测得不同处理间MWD及GMD的大小顺序分别是：T3>T2>T1>CK，T2>T3>T1>CK。一般把>0.25 mm 的团聚体称为土壤团粒结构体，其数量与土壤的肥力状况呈正相关。由表4可见，>0.25 mm的水稳性团聚体含量最高的是T2处理，其次是T3处理，最低的是CK处理。可见，不同秸秆还田处理均能一定程度上提高土壤的团聚体稳定性，其中以粉碎还田处理土壤团聚体的机械稳定性及水稳性效果较好，炭化还田土壤次之。

一般认为土壤的团粒结构越好、结构越稳定则团聚体的分维数越小。从图1可以看出，在干筛及湿筛下土壤团聚体的分维数具有相类似的变化趋势，即T2处理的分维数最低，T3处理次之，而CK及T1处理的分维数相对较高。这与前面分析的MWD和GMD反映出的團聚体特征相类似。可见，秸秆粉碎还田及炭化还田均有利于改善土壤的团聚状况，使土壤团聚体的分维数明显降低。

2.3  不同还田方式对烤烟产质量的影响

2.3.1  对烤烟经济效益的影响  从表5可以看出，不同秸秆还田方式处理均不同程度改善了原烟的经济性状。其中T2处理烤后烟叶的产量及产值最高;其次为T1处理和T3处理，但两者差异不显著，CK处理最低。T2和T1处理的均价相对较高，中上等烟比例则以T2处理最高，对照处理最低。从不同秸秆还田方式下烤烟经济性状来看，秸秆粉碎还田的效果较好，秸秆覆盖处理次之，其次是炭化还田。

2.3.2  对烟叶化学成分的影响  一般认为优质烤烟（C3F）化学成分为烟碱2.5%左右，还原糖18%～22%，总钾1.5%以上，总氮2.5%左右，总糖20%～25%，总氯0.8%以下^[18]。表6表明，各处理总糖和还原糖含量略高，其余各处理烟叶化学成分含量基本处于适宜范围内。与CK相比，各还田处理C3F烟叶的总糖、还原糖和糖碱比等指标均显著降低（p≤0.05），而总氮、烟碱、钾及氯离子含量均呈现不同程度的提高趋势，两糖比、氮碱比及钾氯比3个指标在4个处理之间不存在显著性差异（p≤0.05）。整体来看，秸秆还田处理对烟叶常规化学成分的协调性具有正向效应，使其更加接近优质烤烟化学成分指标。与常规对照相比，秸秆粉碎还田的烤后烟叶化学成分指标相对最为协调，而秸秆炭化和覆盖还田相对次之。

2.3.3  烤后烟叶感官质量评价  表7所示，T2处理烟叶香气质和香气量均最好，同时其杂气和刺激性最小，劲头适中，综合评分最高，其次是T1和T3处理，而CK处理的烟叶香气质和香气量稍欠且略带杂气，评分最低。可见，与常规对照相比，不同秸秆还田处理均提高了烤后烟叶的感官质量，烟叶的香气质及香气量均有不同程度提升，T2处理最优。

3  討  论

作物秸秆是一种多用途、可再生的生物资源^[19]。秸秆中含有大量的中微量元素，对土壤培肥增效具有重要作用。本试验结果表明，不同秸秆还田方式均在不同程度上有效改善了土壤的理化性质，这与汪军等^[20]，韩光明等^[21]的研究结果类似。秸秆炭化还田后对改良酸化土壤，提高土壤有机质及氮磷钾含量的效果最好，其次是粉碎还田。这可能是由于秸秆炭化后含有大量的可溶态离子，并具有较大的孔隙率、表面积、阳离子交换容量等，可与土壤更好的接触，提高土壤的盐基饱和度^[22]。秸秆生物炭灰分中含有的碱性金属离子水解产生的OH^-，施入土壤后可提高土壤的pH。因此，秸秆转化为生物炭还田有利于改善烟田土壤的理化性状并具有良好的生态效应。

土壤团聚体是土壤中各种养分的贮藏库和微生物的生存环境，是评价土壤肥力的重要指标^[23]。高洪军等^[24]的研究发现，秸秆轮耕还田（2年旋耕还田+1年深翻还田）可明显改善东北黑钙土土壤的团聚体结构。徐国鑫等^[25]的研究表明，秸秆还田促进土壤团聚作用效果优于生物炭还田，本研究结果与之类似。本试验中不同的秸秆还田方式均能有效地调控土壤团聚体的粒径组成及团聚体的分维数，从而使得土壤团聚体的稳定性更高。各秸秆还田处理均使得土壤大粒径团聚体含量增加而小微粒径团聚体含量下降，从而使得土壤团聚性能增加、水稳定性增强。其中秸秆粉碎还田效果最佳，其次是炭化还田。这可能是由于秸秆炭化后稳定性较高，难以被微生物分解利用，而粉碎还田相当于植物残体输入土壤，促进了真菌菌丝体的生长及微生物分泌液的增多，有利于土壤大团聚体的形成^[26]。

不同秸秆还田方式对烤烟产质量的影响有所不同。王毅等^[27]对小麦秸秆直接施用与炭化施用条件下烤烟的生长发育及产质量进行对比发现，炭化还田效果更佳，而本试验的研究结果表明粉碎还田处理下烟叶的各项化学指标较协调，在提升烟叶感官品质方面效果最好，同时烟叶的经济效益亦最高，其次是覆盖还田，炭化还田在提升烟叶产质量效果方面要低于其他2种还田方式。这可能与研究区的气候、土壤及水肥等环境因素有关。本研究结论为皖南烟区水稻秸秆合理还田方式的选择提供了初步参考，但本研究仅是秸秆还田2年的阶段性结果，其普适性还需进一步开展长期定位研究。

4  结  论

在皖南烟稻轮作区，水稻秸秆粉碎还田与炭化还田均能显著提高烟田土壤pH，增加土壤肥力，其中炭化还田对土壤肥力提升效果更加显著。不同秸秆还田方式均能提高土壤团聚体稳定性，其中以秸秆粉碎还田处理土壤团聚效果最好，分维数最低。从烤后烟叶的经济效益及品质方面来看，以秸秆粉碎还田的经济效益最好，其产量及产值最高，同时烤后烟叶化学成分更协调、感官评价质量更好，焦甜香风格更突出。综合来看，水稻秸秆粉碎后翻压还田是皖南烟区培肥地力及提升烟叶产质量的较优还田方式。

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