秸稈還田對云南典型煙區(qū)土壤物理性狀的影響①

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秸稈還田對云南典型煙區(qū)土壤物理性狀的影響①

田育天1，李湘?zhèn)?，謝新喬1，孫維俠2*，史學正2，楊繼周1，林云紅1，戴 勛1，胡保文1，潘金華2,3，徐靈穎2,3

(1 紅塔煙草(集團)有限責任公司，云南玉溪 653100；2 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室(中國科學院南京土壤研究所)，南京 210008；3 中國科學院大學，北京100049)

為研究典型煙區(qū)秸稈還田對土壤物理性狀的影響，以云南省典型煙區(qū)(峨山縣)為研究區(qū)，對CK(未秸稈還田)和SR(秸稈還田)處理的耕作層(0 ~ 15 cm)和犁底層(15 ~ 25 cm)土壤進行調查分析，結果表明：與CK相比，SR處理耕作層土壤有機質、全氮和活性有機質含量分別提高了13.4%、10.9% 和21.6%，犁底層分別提高了32.7%、25.7% 和47.4%，秸稈還田對犁底層的改良效果更為明顯。從土壤物理性質上看，SR處理耕層作和犁底層土壤容重分別比CK降低了4.9% 和6.6%，通氣孔隙度分別比CK增加了34.3% 和163%。因此，在典型煙區(qū)實施秸稈還田，可以顯著增加土壤通氣孔隙，降低土壤容重，顯著提高土壤活性有機質含量，使之滿足優(yōu)質煙草生長所需的土壤環(huán)境，為其他煙區(qū)土壤改良提供理論指導和技術支持。

秸稈還田；典型煙區(qū)；容重；通氣孔隙

云南烤煙種植區(qū)作為我國重要的優(yōu)質煙葉生產(chǎn)地區(qū)之一，因其生產(chǎn)的煙葉以色澤金黃、組織細致、油潤豐滿、氣味清香醇和而聞名[1-2]。云南省年均烤煙種植面積約為3.5×105hm2，年產(chǎn)量約為8×105t，約占全國烤煙總產(chǎn)量的30%[3]。近年來，在云南煙區(qū)烤煙生產(chǎn)中煙草常年連作，如一年一季烤煙或一年兩季作物(烤煙/豆類或油菜)，油菜等的秸稈通常在田間焚燒，造成大氣污染風險[4]，其原因在于缺乏有效的秸稈還田機械。另一方面，烤煙與其他作物不同，其收獲的產(chǎn)品是煙葉，而煙稈和煙根由于易導致病蟲害傳播，都不能歸還土壤，這樣新鮮有機物料歸還少，導致煙區(qū)土壤質量下降[5]，土壤板結日趨嚴重[6]，煙草根系發(fā)育不良，烤煙品質持續(xù)降低[7]。良好的土壤結構是保證煙草生長發(fā)育的基礎[8]，對煙葉生長發(fā)育、風格特色彰顯和品質形成起著至關重要的作用[9]。

秸稈還田是一種普遍有效的土壤結構改良方法。目前秸稈還田在植煙土壤改良中的應用也得到了一些關注，主要可以分為以下幾個方面：一是不同秸稈還田對于土壤質量的改良效果。如尚志強[10]分析了麥稈、稻草等不同秸稈還田與覆蓋處理對云南保山植煙土壤的影響，結果表明秸稈還田后土壤變得疏松多孔，土壤透水透氣性改善，土壤有益微生物增加，其中麥稈覆蓋的綜合表現(xiàn)最好；薄國棟等[11]在山東省諸城市開展的兩年秸稈定位試驗結果表明，等量玉米秸稈在提高植煙土壤有機質含量及團聚體特征方面要優(yōu)于小麥秸稈。二是不同還田量對于土壤質量的改良效果。施河麗等[12]分析了不同用量的煙草秸稈生物有機肥對土壤的改良效果，一般狀況的植煙土壤以施用1 500 kg/hm2為宜，板結、黏重的植煙土壤以施用3 000 kg/hm2為好；湯浪濤[13]分析云南省曲靖地區(qū)煙草生產(chǎn)的秸稈最佳施用量后發(fā)現(xiàn)，隨著秸稈還田量的增加，土壤中有機質、速效氮、有效磷等含量隨之增加，且在煙草移苗50 d左右達到最大值。三是不同還田年限對土壤質量的影響。如黃平娜等[14]通過連續(xù)兩年的稻草還田改良試驗發(fā)現(xiàn)，稻草翻壓還田有助于土壤速效養(yǎng)分的釋放，提高煙葉產(chǎn)質量。綜上所述，秸稈還田能夠有效改善土壤質量，促進煙草生產(chǎn)。盡管之前的研究對于秸稈還田的改良效果已有一定的認識，但是對于長時間秸稈還田條件下的煙田土壤物理性狀和土壤活性有機質等的改良效果鮮有報道。

煙草種植中由于煙葉、煙桿等在收獲時均被移出耕地，土壤獲得的新鮮有機物歸還量很低[15]，土壤日趨板結。云南煙區(qū)的油菜/煙草和麥類/煙草作物系統(tǒng)占有一定比例，能否利用煙草前茬作物秸稈還田解決植煙土壤的板結問題值得深入研究。云南玉溪植煙區(qū)秸稈長期還田區(qū)域相對較少，僅在峨山縣有兩個鄉(xiāng)鎮(zhèn)在政府組織下實行了大面積的長期秸稈還田管理，本研究立足于該兩個典型鄉(xiāng)鎮(zhèn)的秸稈還田土壤(十多年還田史)，分析探究秸稈還田對耕層和犁底層土壤養(yǎng)分和物理性狀的影響，為云南典型煙區(qū)土壤改良優(yōu)化提供理論依據(jù)和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

玉溪市峨山縣位于云南省中部，地理位置24°01′ ~ 24°32′ N，101°52′ ~ 102°37′ E，總面積1 972 km2，是云南典型植煙區(qū)。縣域內海拔區(qū)間在820 ~ 2 584 m，平均海拔為1 691 m，屬于高原地貌形態(tài)，地形東部狹長，西部較寬，地勢東北高，西南低。峨山縣屬于中亞熱帶半濕潤高原季風氣候區(qū)，終年氣候溫和，春暖干旱，夏無酷暑且雨水較多，秋涼濕潤，冬無嚴寒且較干燥，部分區(qū)域具有立體氣候特征，年均氣溫15.9℃，年均降雨量896.2 mm，年均日照時長2 286.9 h。土壤類型主要有：紅壤、黃壤、石灰土、紫色土、水稻土等。研究區(qū)主要由兩個鄉(xiāng)鎮(zhèn)組成，兩個鄉(xiāng)鎮(zhèn)在地方政府的組織下利用拖拉機、收割機等農(nóng)機設備實現(xiàn)了大面積秸稈還田，其中麥類/煙草輪作為主的富良棚鄉(xiāng)從2001年實現(xiàn)了全面機械還田，油菜/煙草輪作為主的塔甸鎮(zhèn)從2011年開始實施了秸稈還田。

1.2 土樣采集

綜合考慮地形和土壤特征等因素，本研究于2017年11月通過野外考察并采集了14個樣點土壤，劃分常規(guī)處理(CK)和秸稈還田處理(SR)，其中CK處理2個樣點，SR處理12個樣點，分為耕作層(0 ~ 15 cm)和犁底層(15 ~ 25 cm)取樣，分別采集環(huán)刀樣、分析樣。環(huán)刀樣用于測定土壤容重及土壤通氣孔隙度[16]。分析樣風干后研磨過60目篩測定土壤有機質、活性有機質和全氮含量。其中，土壤有機質含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定[17]；土壤活性有機質采用333 mol/L的重鉻酸鉀氧化法測定[18]；土壤全氮含量采用半微量凱氏法測定[17]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

測定數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2003軟件進行統(tǒng)計分析并作圖，采用IBM SPSS 22.0對土壤各項指標進行顯著性檢驗與分析。

2 結果

2.1 土壤容重

對不同處理耕作層和犁底層土壤容重的分析結果見表1。由表1可知，CK和SR處理的耕作層容重分別為1.23 g/cm3和1.17 g/cm3，均小于1.35 g/cm3臨界值。與CK相比，SR處理土壤容重低了0.06 g/cm3，降幅為4.9%。CK和SR處理的犁底層容重分別1.37 g/cm3和1.28 g/cm3，與CK相比，SR處理犁底層土壤容重下降6.6%。耕作層和犁底層的土壤容重均表現(xiàn)為SR處理的土壤容重更小；從變異系數(shù)看，兩處理的變異系數(shù)均較小，表明采用秸稈還田能夠降低土壤容重，使之符合優(yōu)質煙葉的生產(chǎn)需求。

表 1 秸稈還田條件下典型煙區(qū)的土壤容重特征(g/cm3)

2.2 土壤肥力

氮素是所有營養(yǎng)元素中對煙草生長、發(fā)育以及煙葉品質影響最大的元素，也是最敏感的元素。由圖1可知，CK耕作層全氮含量為2.01 g/kg，SR處理為2.23 g/kg，較CK高出0.22 g/kg，增幅為10.9%。CK和SR處理的犁底層全氮含量分別為1.62 g/kg和2.04 g/kg，SR處理犁底層全氮含量增加0.42 g/kg，增幅達25.7%，氮素養(yǎng)分提升效果明顯。

圖1表明，CK耕作層有機質含量為33.9 g/kg，SR處理為38.4 g/kg，較CK高出4.55 g/kg，增幅為13.4%；與耕作層類似，SR處理犁底層有機質含量提升效果更加明顯，增幅達32.7%。結果表明，峨山地區(qū)的植煙土壤有機質含量總體較高，而秸稈長期還田后能大幅度提升土壤有機質含量。

圖1 秸稈還田條件下典型煙區(qū)的土壤有機質和全氮特征

圖2 秸稈還田條件下典型煙區(qū)的土壤活性有機質特征

土壤活性有機質是指土壤中有效性較高、易被土壤微生物分解礦化、對植物養(yǎng)分供應有最直接作用的那部分有機質。從圖2可以看出，CK的耕作層土壤活性有機質含量為4.6 mg/kg，SR處理含量為5.6 mg/kg，高出CK處理21.6%，增加幅度較有機質(13.4%)大，犁底層結果與其保持一致。

2.3 土壤通氣孔隙

不同處理的土壤通氣孔隙分析結果見表2。從表2的結果來看，CK和SR處理耕作層通氣孔隙度均值分別為10.5% 和14.1%，SR處理耕作層通氣孔隙度大于CK處理，提升了34.3%；CK和SR處理犁底層通氣孔隙度均值分別為5.9% 和15.5%，SR處理的通氣孔隙度提升達163%。與CK相比，SR處理耕作層和犁底層之間的通氣孔隙度差異較小，而且以犁底層的通氣孔隙度范圍更大，變異系數(shù)為13.8% ~ 14.9%，表明通過秸稈還田增加犁底層的通氣孔隙度幅度更大。SR處理的土壤通氣孔隙度基本滿足煙草生長需求。因此，秸稈還田措施能夠在一定程度上增加土壤孔隙，改善土壤通氣狀況，從而形成生產(chǎn)優(yōu)質煙葉的土壤環(huán)境。

表 2 秸稈還田條件下典型煙區(qū)的土壤通氣孔隙特征(%)

3 討論

3.1 秸稈還田有助于提升土壤養(yǎng)分含量

土壤有機質是土壤肥力的重要物質基礎，在一定范圍內，土壤有機質含量高，對促進煙株生長發(fā)育、協(xié)調煙葉化學成分具有較好的效果，可有效提高煙葉香氣質、香氣量，減少青雜氣和刺激性[19-20]。本研究結果表明，秸稈還田有助于提高土壤有機質、全氮和土壤活性有機質含量，其中土壤有機質和土壤全氮的增加幅度具有明顯的一致性。樊俊等[15]在湖北省宣恩縣椒園鎮(zhèn)涼風村的3 a秸稈還田定位試驗結果也表明，在0 ~ 20 cm深度范圍內秸稈還田對土壤養(yǎng)分有一定的提升效果，其中土壤有機質含量從10.11 g/kg提升到了11.00 ~ 12.31 g/kg，與本研究的養(yǎng)分區(qū)間差異較大而且提升幅度小，這可能是由于該研究的還田試驗與本研究相比還田時間較短，而且沒有進行輪作。王篤超和吳景貴[21]對比了玉米秸稈等不同有機物料還田效果后，發(fā)現(xiàn)秸稈還田對于大豆土壤有機碳的增加有顯著效果。劉軍等[22]研究長年連作棉田秸稈還田改良效果也發(fā)現(xiàn)，秸稈還田能夠提高長期連作棉田土壤胡敏酸和胡敏素的含量，提高土壤腐殖質品質，而且在20 ~ 40 cm土層土壤胡敏酸積累幅度最大。此外，本研究發(fā)現(xiàn)，犁底層的養(yǎng)分增加幅度要遠高于表層，而且兩個層次在秸稈還田處理中的養(yǎng)分含量相近。這可能是由于本研究中的秸稈還田方式伴隨著拖拉機等大型農(nóng)機的翻耕(翻耕深度一般在20 cm左右)，使得上下層的土壤混合，下層的土壤被帶到上層，秸稈也更加均勻地混施其中，所以犁底層的養(yǎng)分明顯提升。殷曉燕等[23]的研究也表明翻耕+玉米秸稈整株粉碎還田能夠顯著增加土壤養(yǎng)分，提高土壤質量。

前人研究表明，施肥主要影響活性有機質的含量，土壤中活性有機質與土壤全氮、全磷含量呈極顯著相關關系，與堿解氮、有效磷含量呈顯著關系，在一定范圍內，提高土壤中活性有機質含量，可直接供植物吸收利用的堿解氮、有效磷含量隨之增加[24]。吳小丹等[25]研究發(fā)現(xiàn)長期化肥或化肥與有機肥、稻草配施有利于土壤全有機質、高活性有機質、中活性有機質和低活性有機質的提高。張永春等[26]在江蘇省環(huán)太湖地區(qū)的機械化稻麥秸稈還田試驗中發(fā)現(xiàn)秸稈全量還田土壤活性有機質的含量增加最多，而且作物產(chǎn)量與活性有機質及碳庫管理指數(shù)(CPMI)的相關性要遠高于總有機質。本研究也發(fā)現(xiàn)，秸稈還田條件下活性有機質的增加幅度與有機質相比更加明顯。因此，秸稈還田可以使土壤碳氮含量增加，其中活性有機質的反映更加明顯。

3.2 秸稈還田有助于改善土壤結構

土壤容重和通氣孔隙是反映土壤結構的重要指標。土壤容重是指在田間自然狀態(tài)下一定容積內的土體重量 (g/cm3)，是土壤重要的物理性質，不僅可以反映土壤結構的狀況，還可以指示土壤質量和生產(chǎn)力[27-28]。郝葳和田孝華[8]提出，適宜煙草生長的土壤容重為1.1 ~ 1.4 g/cm3。而胡偉[29]的試驗研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)質煙草適宜生長的土壤容重為1.12 ~ 1.27 g/cm3。土壤容重小于1.35 g/cm3時，植物根系生長阻力較小，高于1.35 g/cm3時根系生長受阻，而高于1.5 g/cm3時，植物根系將很難穿透，土壤成為作物生長的障礙層[30-31]。同時，土壤孔隙對煙草生長也至關重要，孔隙度不足會影響微生物活動，限制有機質分解和養(yǎng)分有效性，限制根系代謝活動，而且還會對水分吸收造成障礙。土壤孔隙結構是指土壤孔隙的形態(tài)大小、空間分布狀況以及數(shù)量搭配、相互連通狀況、孔隙之間相關性等空間分布特征[32]，是土壤透氣性的重要指標，土壤通氣孔隙度直接影響了煙草根系的正常生長。我國主要煙區(qū)都分布在紅壤區(qū)，紅壤的特點是富酸性、易干旱、易板結、肥力低，很容易造成土壤的自然壓實，影響作物根系的水、肥、氣、熱的交換。本研究表明，長期進行秸稈還田可以明顯降低土壤容重，增加土壤通氣孔隙度，其主要原因可能是由于秸稈直接粉碎還田后，新鮮有機物料的腐解有利于促進土壤微粒的團聚作用，微生物作用形成的腐殖酸與土壤中的鈣、鎂粘結成腐殖酸鈣和腐殖酸鎂，形成大量的水穩(wěn)性團聚體[33]，土壤結構得到有效改善，進而增加土壤透氣性[34]，降低土壤緊實度[35]。相關研究發(fā)現(xiàn)，3 a的連續(xù)秸稈覆蓋提高了土壤孔隙度[36]，劉定輝等[37]也通過田間定位試驗發(fā)現(xiàn)，通過秸稈還田能夠增加10 ~ 20 cm土層通氣孔隙的孔徑，改善心土層的土壤結構，降低無效孔隙的孔徑。王珍和馮浩[38]的研究表明，秸稈還田能夠顯著改善塿土土壤團聚結構，減小土壤容重，增加土壤孔隙度。

此外，對比耕層和犁底層的土壤容重和孔隙度可以發(fā)現(xiàn)，秸稈還田后犁底層的土壤結構和耕層趨于一致，即作物的生長區(qū)間得到有效增加，這與還田過程中大型農(nóng)機的翻耕密切相關。徐瑩瑩等[39]分析了秸稈的不同還田方式對于玉米土壤結構的影響，結果表明，秸稈還田可以有效降低土壤容重，增加土壤通氣孔隙，其中翻埋還田的效果最好，尤其是對于20 ~ 40 cm依然保持較好的改良效果。此外，新鮮秸稈粉碎產(chǎn)生的熱量也在一定程度上有助于土壤結構的改善，使得土壤保持一定的溫度和水分條件，李靜靜等[40]的研究也表明粉碎秸稈覆蓋可以保證穩(wěn)定有利的土壤水分和溫度條件，提高了生育后期的物質積累。胡偉[29]認為，隨著土壤容重增加根系向下伸展的能力減弱，當土壤容重低于1.12 g/cm3時，煙草根系能良好地向下生長，土壤容重再往上升高超過1.59 g/cm3時，根系向下生長的能力受到限制；王樹會和李天福[41]研究卻認為土壤容重和煙草的產(chǎn)質量之間呈現(xiàn)倒“V”關系，容重對煙株根系的影響是先促進后抑制。這種差異可能是與烤煙種植品種的不同有關。但綜合來看，植煙土壤存在一定的適宜容重和透氣性范圍，經(jīng)過秸稈粉碎還田的植煙土壤其耕層和犁底層土壤容重和通氣孔隙度基本保持在適宜的種植范圍之內。因此，為了保持良好的植煙土壤結構，要堅持采用秸稈翻耕還田。

4 小結

秸稈還田處理能顯著提升土壤物理性狀和養(yǎng)分，本研究結果顯示秸稈還田樣點的耕作層和犁底層土壤全氮、有機質、活性有機質等養(yǎng)分含量出現(xiàn)明顯累積，土壤通氣孔隙得到有效改善，土壤容重降低。犁底層的改良效果較耕作層更為明顯，而且兩個層次之間的均值差異不顯著，這可能是由于犁底層的初始背景值相對較低，改良的上升空間更大，而且翻耕措施使得上下層土壤混合，使得下層土壤改善更明顯。因此，秸稈還田是一項有效提升土壤肥力、改善土壤性質，而且便于實施的農(nóng)藝措施，值得推廣應用。

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Effects of Straw Returning on Soil Physical Properties in Typical Tobacco Planting Regions of Yunnan Province

TIAN Yutian1, LI Xiangwei1, XIE Xinqiao1, SUN Weixia2*, SHI Xuezheng2, YANG Jizhou1,LIN Yunhong1, DAI Xun1, HU Baowen1, PAN Jinhua2,3, XU Lingying2,3

(1 Hongta Tobacco (Group) Co., Ltd., Yuxi, Yunnan 653100, China;2 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 3 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

In order to study the effects of straw returning on soil physical properties in typical tobacco planting areas, a typical tobacco area (Eshan County) in Yunnan Province was used as a sample, the tillage layer soil (0–15 cm) and the plow-cultivated layer soil (15–25 cm) under CK (not straw returning) and SR (straw returning) were investigated and analyzed. The results showed that soil organic matter, total nitrogen and active organic matter in SR soil of tillage layer increased by 13.4%, 10.9% and 21.6% respectively compared with those of CK, and those in plow-cultivated layer increased by 32.7%, 25.7% and 47.4% respectively. As a result, the improvement range of straw returning for plow-cultivated layer is more effective than for tillage layer. According soil physical characteristics, bulk density of SR soil of tillage and plow-cultivated layers reduced by 4.9% and 6.6% respectively compared with CK, and aeration porosity increased by 34.3% and 163% respectively. Thus, the implementation of straw returning in typical tobacco planting region can improve soil physical properties, fulfill soil environment for the growth of high-quality tobacco, and provide theoretical guidance and technical support for soil improvement in other tobacco planting regions.

Straw returning; Typical tobacco planting regions; Soil bulk density; Aeration porosity

紅塔煙草(集團)有限公司科技項目(HT2016-6221)資助。

wxsun@issas.ac.cn)

田育天(1968—)，男，四川內江人，碩士，農(nóng)藝師，主要從事煙草農(nóng)業(yè)科技研究和原料基地管理。E-mail: tyt@hongta.com

S152；S159

A

10.13758/j.cnki.tr.2019.05.017