煙桿腐解速率及養分釋放規律研究①

劉炎紅，姜超強，沈 嘉，李 田，汪文杰，崔權仁，竟麗麗，祖朝龍*

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煙桿腐解速率及養分釋放規律研究①

劉炎紅1，姜超強2，沈 嘉2，李 田3，汪文杰3，崔權仁2，竟麗麗2，祖朝龍2*

(1 安徽省煙草公司，合肥 230071；2 安徽省農業科學院煙草研究所，合肥 230031；3 安徽省煙草公司池州市公司，安徽池州 247000)

利用安徽省池州市東至縣典型煙田土壤，采用尼龍網袋法研究了煙桿還田后的腐解速率及養分釋放規律。結果表明，煙桿還田后，腐解速率表現為前期快、后期慢。試驗期間(120 d)，常規還田、添加白云石粉和生石灰還田煙桿的累計腐解率分別為56%、53% 和49%。各處理煙桿還田的養分釋放率均為鉀>磷>氮。煙桿還田前15 d內，鉀的釋放達到88%，磷的釋放率為76%，而氮的釋放率僅為53%。煙桿還田對土壤pH有顯著影響，在整個腐解過程中生石灰和白云石粉處理土壤pH均顯著高于常規還田和不還田處理。煙桿還田顯著增加土壤速效鉀的含量，較不還田提高47%。由煙桿腐解特點和養分釋放的規律可見，煙桿中的鉀是水浸提的速效鉀，水稻推薦施肥量中可考慮減去(或部分減去)所用煙桿的鉀含量。

煙桿還田；腐解速率；養分釋放；稻田

我國是秸稈產量大國，主要作物秸稈種類有近20種，占世界秸稈資源產量的25% 左右[1]。且隨著農作物產量的提高，秸稈產量持續增長。煙桿是我國大量而普遍存在的有機物料，近年來我國煙葉產量約450 ~ 500萬t，按1︰1推算煙桿年產約450 ~ 500萬t，是一種重要的有機鉀肥資源[2–3]。煙桿中含N 14.4 g/kg、P2O516.9 g/kg、K2O 18.8 g/kg[2–3]，其合理還田可能進一步提升農田氮磷營養，從而大幅降低晚稻肥料投入成本，增加農民收益。據我們對我國南方不同煙稻輪作區的調查，出于防止病原菌考慮，當前生產技術規程要求晚稻種植前將煙桿清除出田。但是，由于煙草戶均種植規模增大、騰茬播種晚稻的時間緊張和用工成本高等因素的制約，在煙–稻輪作區煙桿直接還田的現象普遍存在。因此，加速還田煙桿的腐解，促進煙桿養分有效釋放，對煙桿還田與化肥的合理配施有著重要的意義[4–5]。然而，雖然有將煙桿制成生物有機肥的研究報道[6–9]，但有關煙桿直接還田后腐解特征及其養分釋放方面的報道甚少。

目前，研究秸稈腐解的方法主要有模擬培養法[10]、同位素標記示蹤法[11]、砂管濾法[12]和尼龍網袋法[13]等。采用尼龍袋法是將秸稈裝入尼龍網袋內置于田間土壤中，通過定期取樣測定分析秸稈重量和養分，從而了解秸稈腐解及其養分釋放的情況[4]。尼龍網袋法因其對田間水分的影響小，袋內水分狀況接近田間實際情況，能夠較為真實地模擬秸稈的實際腐解情況，這一技術已成為研究還田條件下煙桿的腐解和養分釋放速度和規律普遍采用的方法。為此，本研究以皖南煙區煙桿為研究對象，采用尼龍網袋法研究煙桿還田后的腐解特征和養分釋放規律，以期為煙桿資源的合理利用和煙后稻田養分科學管理提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤采自安徽省池州市東至縣張溪鎮典型煙稻輪作農田，為簡育水耕人為土(水稻土)，煙草收獲后采集土壤樣品。土樣基本理化性質：pH 6.32，有機質、全氮、全鉀分別為17.82、0.92 和9.84 g/kg，堿解氮、速效鉀、緩效鉀分別為100.16、100.79和292.14 mg/kg。

供試煙桿于收獲后采集，切成長約10 cm的小段還田備用，同時取混合樣品測定煙桿養分含量。煙桿全氮、磷、鉀含量分別為9.67、1.78和14.93 g/kg。

1.2 試驗設計

煙桿腐解試驗在盆栽培養條件下采用尼龍網袋法[4]進行，尼龍網袋規格為35 cm×25 cm(長×寬)，孔徑為1 mm。盆栽培養試驗共設3個處理，即St(煙桿還田)、St+D(煙桿還田+白云石粉)和St+L(煙桿還田+生石灰)。將上述風干、壓碎和過篩后的土壤裝入直徑和高度分別為30 cm和30 cm的聚乙烯塑料桶中，每盆裝土20 kg。生石灰(CaO，分析純)和白云石粉(pH 8.50，陽離子交換量0.01 cmol/kg，Ca 220 g/kg，Mg 124 g/kg)用量均為每盆13.3 g(每畝施用量100 kg，根據土壤重量換算)。裝盤前將生石灰和白云石粉分別與稱量好的土壤充分混勻。同時，設置煙桿不還田處理以考察煙桿還田對土壤理化性狀的影響。

供試煙桿經剪切至10 cm左右放入尼龍網袋中，扎緊袋口。每袋裝煙桿量為新鮮350 g(干重約50 g) (還田煙桿重量根據盆栽土壤重量計算)，煙桿混勻后裝入尼龍網袋內呈扁平狀，豎直埋入距土面3 cm的位置。所有處理均緩慢加入適量的水，保證2 cm的淹水層。試驗于2014年7—12月在安徽省池州市張溪科技示范園試驗大棚內進行，過程中保持土壤淹水層恒定。

還田煙桿的取樣時間為還田后2、5、15、45、70、120 d，每個處理取樣6次，每次3個重復。樣品經去離子水洗凈烘干，供測定煙桿干重、全氮、全磷、全鉀。每次煙桿取樣后將剩余土樣混勻快速風干、過篩，供測定土壤養分含量。

1.3 測定方法

煙桿干重用烘干法測定，烘干溫度為65℃；煙桿全氮采用H2SO4-H2O2消煮–蒸餾法、全磷采用鉬銻抗比色法、全鉀采用火焰光度計法測定[14]。

土壤pH、有機質、全氮、堿解氮、全鉀和速效鉀含量的測定方法均采用土壤農化分析常規方法[15–16]。

1.4 計算公式

各期腐解量(g) = 第–1次的干物質總量–第次的干物質總量

平均腐解速率(g/d) = 腐解量/腐解天數

累積腐解率=[(0天的干物質總量–天的干物質總量)/0天的干物質總量]×100%

養分累積釋放率(%) =[(0天的養分總量–天的養分總量)/0天的養分總量]×100%

1.5 數據處理

試驗數據采用 Microsoft Excel 2013 和 IBM Statistics SPSS 19.0 等軟件進行分析，用 Duncan 新復極差法進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 還田煙桿腐解特征

常規還田的條件下，煙桿的腐解表現為前期快、后期慢的特點：0 ~ 15 d為快速腐解期，5 d時煙桿腐解量和平均腐解速率均達到最大，分別為7.53 g和2.51 g/d(圖1)；15 d之后，煙桿的腐解速率逐漸放緩，45 d的秸稈平均腐解速率均只有0.11 g/d，120 d時煙桿累計腐解率達到了49.49%(圖1)。不同腐解劑對煙桿的腐解率有顯著影響。添加生石灰和白云石粉煙桿0 ~ 5 d的腐解量和腐解速率均高于常規還田處理，但處理間差異不顯著；各處理前期累積腐解速率無顯著差異，但隨著腐解時間的延長，45 d以后煙桿累積腐解率呈現添加生石灰≥添加白云石粉≥常規還田，其中生石灰處理顯著高于常規還田。120 d時添加生石灰、白云石粉和常規還田煙桿累積腐解率分別為56.01%、53.28% 和49.49%(圖1)。

2.2 還田煙桿養分釋放規律

由圖2可知，煙桿還田后養分釋放速率依次為鉀>磷>氮。在麥稈還田120 d，常規還田、添加白云石粉和生石灰鉀的釋放率分別達到了98.76%、99.16% 和99.37%，磷的釋放率為86.79%、88.93% 和91.43%，而氮的釋放率僅為72.67%、83.11% 和83.84%。各處理煙桿氮素的釋放在腐解前期(5 d)并無顯著差異，隨著腐解時間的延長，15 d以后氮素的釋放呈現出添加生石灰≈白云石粉>常規還田(圖2)。各處理對煙桿磷素養分的釋放影響較小，處理間無顯著差異。各處理煙桿鉀素的釋放在前期(45 d)呈現生石灰≥白云石粉>常規還田的規律(圖2)，但是腐解后期各處理煙桿鉀素釋放率并無顯著差異。

2.3 煙桿還田對土壤pH和養分的影響

由圖3可知，煙桿還田對土壤pH有顯著影響，在整個腐解過程中生石灰和白云石粉處理土壤pH均顯著高于常規還田和不還田處理；試驗處理前土壤pH為6.32，煙桿腐解120 d不還田、常規還田、白云石粉和生石灰處理土壤pH分別為6.22、6.43、6.66和6.99。在腐解周期內，煙桿不還田和常規還田處理土壤pH呈現先降低后增加的趨勢，120 d時兩處理土壤pH與處理前無顯著差異；而白云石粉和生石灰處理土壤pH呈現先升高后降低的趨勢，培養結束時(120 d)pH較處理前分別增加0.34和0.67。

煙桿不還田條件下，各取樣時期土壤全氮和堿解氮含量均無顯著差異(圖4)；煙桿還田處理后，土壤全氮和堿解氮含量均呈現先降低后增加的趨勢。培養結束時(120 d)全氮含量與試驗處理前均無顯著差異；而堿解氮含量則比處理前有所增加，常規還田、白云石粉和生石灰處理分別增加了17%、23% 和21%。

如圖5所示，各處理同一取樣時期土壤全鉀含量并無顯著差異。各處理土壤速效鉀含量均呈現前期(5 d)快速增加中后期(15～120 d)趨于穩定平衡的趨勢，培養結束時(120 d)不還田、常規還田、白云石粉和生石灰處理土壤速效鉀含量分別較試驗處理前增加了32%、105%、107% 和94%。煙桿還田處理從腐解的2 d開始土壤速效鉀含量顯著高于不還田處理，在取樣結束的120 d，常規還田、白云石粉和生石灰處理土壤速效鉀含量分別較不還田高55%、47% 和56%。

3 討論

3.1 煙桿腐解特征

腐解量、腐解率和腐解速率是反映秸稈還田腐解情況的常用指標。本研究發現還田煙桿的腐解呈現前期快、后期慢的特點，0 ~ 15 d為快速腐解期，15 d之后煙桿的腐解速率逐漸放緩。這可能主要是由于腐解前期煙桿中的可溶性有機物和營養元素含量較高，為微生物提供大量的碳源和養分，微生物數量和活性提高，從而加速煙桿的腐解；而腐解后期由于煙桿中可溶性有機物和養分含量逐漸減少，腐解的速率也隨之降低。因此，秸稈在土壤中的分解過程通?？煞譃榭焖俜纸怆A段和緩慢分解階段[17]。李逢雨等[4]在麥稈和油菜稈腐解過程中也發現了類似的規律。此外，由于煙桿外表面具有很厚的角質層，且中腔被易腐解的髓所填滿。在腐解前15 d，煙桿中易腐解的髓已基本腐解，表皮層脫落，剩下的表面角質層腐解較慢。所以煙桿在腐解前15 d的腐解率較高，后期腐解較緩慢。

添加白云石粉和生石灰對煙桿前期腐解的影響并不顯著，這可能是腐解前期堿性環境不利于微生物活動和腐解物氮素的保持(易產生氨揮發)[18]，本研究中生石灰的加入可能導致pH過高，從而影響了秸稈前期腐解效果。但是45 d以后煙桿累積腐解率呈現生石灰≥白云石粉≥常規還田，120 d時煙桿累積腐解率分別為56.01%、53.28% 和49.49%，生石灰處理顯著高于常規還田?？梢?，添加白云石粉和生石灰處理可以達到較好的腐解效果。

3.2 煙桿養分釋放規律

煙桿還田后鉀的釋放最快，磷次之，氮最慢。在煙桿還田的前15 d，常規還田、白云石粉和生石灰處理鉀素的釋放率分別為88%、92% 和96%，磷的釋放率為76%、77% 和81%，而氮的釋放率僅為53%、63% 和67%。至試驗結束時，常規還田、白云石粉和生石灰處理鉀素的釋放率均為99%，磷的釋放率分別為87%、89% 和91%，而氮的釋放率分別為73%、83% 和84%。煙桿中氮磷鉀素釋放差異的原因，可能主要是由于元素間的生化特性差異所致。鉀素的釋放最快與其在植物體內以K+形態存在密切相關，秸稈鉀素很容易被水浸提釋放出來，這與李逢雨等[4]和李繼福等[19–21]的研究結果基本一致。本研究認為煙桿還田15 d，92% 的鉀素已經釋放，也說明了煙桿中鉀素是以離子形態存在的，并且鉀素的釋放與木質部的腐解無顯著關系。因此，煙桿中的鉀素較為容易被水提取，可以為后茬作物提供可利用的速效鉀素資源。

各處理煙桿氮素的釋放在腐解前期(5 d)并無顯著差異，隨著腐解時間的延長，15 d以后氮素的釋放呈現出添加生石灰≈白云石粉>常規還田，試驗結束時添加白云石粉或生石灰處理氮的累積釋放率比常規還田處理高14%和15%。這可能是在煙桿還田初期(前15 d)雖然加入生石灰和白云石粉處理能夠促進秸稈的腐解，但是由于其土壤環境呈中性或弱堿性，不利于微生物活動，反而減弱了加速秸稈腐解的效果。雖然前15 d出現次生木質部以上的皮層脫落，但參考煙桿中15 d 內磷和氮釋放的情況，78% 的磷應該屬于易水解/分解的有機態，殘余22% 的磷和39%的氮是難水解/分解的有機態，與隨后的機械組織腐解密切相關。

3.3 煙桿還田對土壤養分的影響

國內外科學家在秸稈還田對培肥土壤和作物產量的影響方面做了大量研究，基本明確了秸稈直接還田對作物產量形成、提高土壤有機碳含量、培肥地力、提高養分循環利用率以及緩解土壤酸化的重要作用[22–30]。本研究發現，煙桿還田對土壤pH有顯著影響，在整個腐解過程中生石灰和白云石粉處理土壤pH均顯著高于常規還田和不還田處理。煙桿還田條件下，添加白云石粉和生石灰土壤pH分別提高了0.23和0.56。已有研究也表明，在酸性土壤條件下，施用石灰和白云石粉可以提高土壤的pH，且pH隨著石灰施用量的增加而提高[31–32]。

由于秸稈中含有大量的氮磷鉀素，隨著煙桿的腐解和養分的釋放，土壤中的養分狀況，尤其是速效養分容易受到秸稈還田的影響。已有的研究表明，連續秸稈還田可減少氮肥施用量，提高水肥利用效率，增加培肥效果[17, 33]。Watanabe等[34]和潘劍玲等[17]認為，秸稈還田能夠提高土壤氮素的供應，有效降低氮肥用量和氮素的損失，減少氮肥施用引起的環境污染問題。此外，由于秸稈還田的外源有機物質的加入，增加了土壤生物有效性碳的數量，激發了異養微生物對秸稈的分解[35]，秸稈的分解又能促進養分的釋放，從而影響土壤養分狀況。本研究發現，煙桿還田對土壤全氮并無顯著的影響，則可能主要與還田的年限較短以及還田量較小有關。而煙桿還田120 d后堿解氮含量則比處理前有所增加，常規還田、白云石粉和生石灰處理分別增加了17%、23% 和21%。

已有研究表明，長期秸稈還田提高了土壤水溶性鉀、非特殊吸附鉀、非交換性鉀和礦物鉀的含量[36–37]。廖育林等[26]研究認為稻草還田攜入的鉀與化學鉀肥具有相同的營養功能，稻草可替代部分化學鉀肥。李繼福等[19–21]對稻田的研究表明，長期秸稈還田不僅可以起到歸還養分的作用，同時秸稈腐解的過程也是一個活化礦物鉀的過程，可能促進礦物鉀的釋放。本研究發現，煙桿還田對土壤全鉀含量并無顯著影響，但是能夠顯著增加土壤速效鉀的含量。常規還田、白云石粉和生石灰處理土壤速效鉀含量分別較不還田高55%、47% 和56%。這與Li等[38]研究基本一致，他們認為秸稈的鉀素主要以離子態存在，很容易被溶解出來，供應作物吸收利用，因此秸稈還田可以提高土壤速效鉀的含量。Liao等[29]在紅壤水稻土的長期定位試驗發現，與對照相比，秸稈還田土壤交換性鉀提高了26%?？梢?，盡管由于還田秸稈種類、還田年限以及土壤鉀素基礎含量差異等原因導致不同的研究者得出的結論并不完全一致[39–41]，但是總體而言，目前研究結果基本明確了秸稈還田能夠提高土壤有效鉀的含量這一結論。

4 結論

煙桿還田后腐解速率均表現為前期快，隨后減慢。煙桿還田后鉀的釋放率大于磷、氮；煙桿加生石灰和白云石粉能起到加速腐解的作用；煙桿還田配施生石灰和白云石粉可以提高土壤pH；煙桿還田能夠顯著增加土壤速效鉀的含量。

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Decomposition Rates and Nutrient Release Patterns of Tobacco Straw

LIU Yanhong1, JIANG Chaoqiang2, SHEN Jia2, LI Tian3, WANG Wenjie3, CUI Quanren2, JING Lili2, ZU Chaolong2*

(1 Anhui Provincial Tobacco Company, Hefei 230071, China; 2 Tobacco Research Institute, Anhui Academy of Agricultural Science, Hefei 230031, China; 3 Chizhou Tobacco Company of Anhui Province, Chizhou, Anhui 247000, China)

Decomposition rates and nutrient release patterns of tobacco straws were studied by nylon-bag experiment. Results showed that the decomposition rate of tobacco straw were fast at the beginning and then slowly decreased with the decomposing process. During the experiment (120 d), the cumulative decomposed rates of tobacco straw were 56%, 53% and 49% for the conventional method, dolomite powder and lime treatment, respectively. The release rates of the nutrients in tobacco straw followed an order of K>P>N in all of the treatments. Within 15 d of the treatment, the release rates of K and P were about 88% and 76%, respectively, however, only about 53% of N was released from tobacco straw. Tobacco straw returning had a significant effect on soil pH. Soil pH values with dolomite powder and lime treatment were significant higher than that of the conventional treatment. Tobacco straw returning significantly increased soil available K content by 47% compared with non-straw returning treatment. Based on the above results, K in tobacco straw was inferred as water extractable and available K, thus, it should be subtracted from the recommended fertilization rate for the rotate rice.

Tobacco straw returning; Decomposition rate; Nutrient release; Paddy field

10.13758/j.cnki.tr.2017.03.017

S141.4

A

安徽省煙草公司科技項目(20140551004)和安徽省農業科學院院長青年基金項目(14B0945)資助。

(lcz2468@sina.com)

劉炎紅(1965—)，男，安徽太和人，農藝師，主要從事優質煙葉生產技術與管理的研究。E-mail: liuyanhong1965@sina.com