基于盆栽試驗的煙草殘茬還田對水稻生長和產量的影響

陳 金，黃 杰，鄧永晟，張慶富，楊 柳，謝鵬飛，鄧小華

（1湖南省煙草公司長沙市公司，長沙 410011；2湖南農業大學農學院，長沙 410128；3長沙市煙草公司寧鄉市分公司，湖南寧鄉 410600）

0 引言

中國是烤煙生產大國，每年都有大量的煙草秸稈廢棄物產生，烤煙秸稈的回收利用是限制煙草農業可持續發展的主要問題之一。目前烤煙秸稈可被用來提取化學物質[1]、生產纖維板[2]或制作活性炭[3]。也有研究表明，煙草秸稈中的糖類、脂肪、蛋白質等營養物質含量較高，可以作為動物飼料的原料[4-5]。由于煙草秸稈含有較高的氮磷鉀養分，可以用來生產生物有機肥[6-7]或生物炭[8]，用來間接還田。但由于應用成本和技術難度等原因，這些技術的推廣應用并不廣泛，烤煙秸稈仍以丟棄或直接焚燒為主，造成了環境污染和資源浪費[9]。煙稻復種制是中國南方煙區重要種植制度，為穩定南方煙區煙草種植面積和產量、提高煙葉質量發揮了重要作用，也是保證煙糧雙豐收的重要種植制度[10]。煙草秸稈是一種營養元素齊全而且豐富的有機肥原料，在改土、增肥、增產、增收等方面具有明顯的效果[11]。肖漢乾等[12]認為煙桿還田能促進水稻生長發育，提高群體質量，還能有效控制水稻紋枯病的發生；但從長遠來看，必須考慮煙稈還田后可能帶來的土傳病害等負面影響。柳開樓等[13]認為雖然不同煙草秸稈還田量下腐解特征相似，但實現水稻增產需要合理的碳氮比投入。已有相關研究主要集中在煙草秸稈還田后的腐解動態和對水稻產量的影響等方面，對煙草秸稈還田后水稻整個生育期內的生長發育動態和氮磷鉀吸收利用的研究較少[14]。據此，本試驗采用模擬試驗，就煙草殘茬還田后的水稻生長發育和營養元素積累動態及產量構成進行研究，以期為稻作煙區的煙草殘茬還田提供參考。

1 材料與方法

1.1 地點與材料

試驗于2019 年在湖南農業大學煙草樓試驗大棚內進行。煙草殘茬包括煙草殘茬（煙莖）、煙草根系（煙根）、煙草打頂后花器及清除的低腳葉等[15]。本試驗選用的煙莖（氮磷鉀含量分別為26.66、3.52、33.33 g/kg）和煙根（氮磷鉀含量分別為32.17、1.73、13.00 g/kg）來自寧鄉煙區；將煙莖和煙根剖開，切成5～10 cm 小段，烘干備用。水稻土壤來自寧鄉煙區沒有種植煙草和早稻的田塊。土壤pH 7.82，有機質13.8 g/kg，全氮11.1 g/kg，全磷5.0 g/kg，全鉀49.7 g/kg。水稻品種為‘湘早秈45 號’，為中熟優質水稻，6 月15 號播種。塑料盆長、寬、高規格為71 cm×45.5 cm×18 cm。灌溉水為生活用自來水。尿素含N 46%，復合肥N:P2O5:K2O=10:10:10。

1.2 試驗設計

采用盆栽模擬試驗，試驗設3 個處理，即T1，模擬煙莖和煙根全量還田；T2，模擬煙葉收獲砍莖只留煙根還田；CK，對照，無煙草殘茬還田。前期調研的煙草殘茬全部還田量大約300 g/m2，所以，T1處理每盆60 g煙莖+40 g 煙根；T2 處理每盆40 g 煙根。每處理5 盆，其中2盆用來取樣分析，3盆用來測定水稻產量。每盆加入25 kg風干土壤，7.5 g尿素，5 g復合肥，將煙草殘茬、尿素、復合肥與水稻土充分混勻，灌水后靜置一晚，第二天播種水稻。水稻種子催芽，采用單粒直播，株距5 cm×5 cm，基本苗400蔸/m2。前期保持土壤濕潤，扎根后保持2 cm淹水層。

1.3 測定項目與方法

于水稻播種后20、30、40、60、80天取樣，每次取長勢均勻的5 蔸水稻調查株高、分蘗數、根系形態指標，地上部和地下部干物質積累量和全氮、全磷、全鉀含量。挖取水稻根系，用水沖洗干凈，采用LA-2400多參數根系分析系統[16]，測定根長、根投影面積、根表面積、根體積、根直徑及根尖數。水稻樣株按地上部分、地下部分剪斷，分別裝袋，于105℃條件下30 min 殺青，在80℃條件下烘至恒重，粉碎后過60 目篩。植株用H2SO4-H2O2法消煮，全氮采用凱氏定氮法測定[17]，全磷鉬銻抗比色法測定[17]，全鉀火焰光度法測定[17]。水稻各部位的干物質重分別乘以各部位的氮、磷、鉀含量，計算出各部位的氮、磷、鉀積累量。成熟期將每盆水稻收獲帶回室內考察有效穗，隨機取50穗調查每穗粒數和實粒數，風干后測定千粒重（含水率14%），成穗率、結實率和理論產量的計算分別見公式(1)、(2)、(3)。

1.4 統計分析方法

采用Microsoft Excel 2003 和SPSS17.0 進行數據處理和統計分析。采用Duncan 法在P=0.05 水平下檢驗顯著性。

2 結果與分析

2.1 對水稻分蘗和株高的影響

水稻分蘗數影響水稻產量，株高體現水稻生長狀態。由圖1 可知，各處理分蘗數隨水稻生長而逐漸增加，在第40 天達到最大值，分別為800 個/m2(T1)、666個/m2(T2)、400個/m2(CK)。同一時間，不同處理之間的水稻分蘗數T1>T2>CK，且差異達到顯著水平（第30 天除外）。不同處理水稻株高前期無顯著差異，至第40～80天，煙草殘茬還田處理(T1、T2)株高顯著高于對照(CK)。說明煙草殘茬還田能促進水稻分蘗、增加株高，有利于水稻生長。

圖1 水稻分蘗和株高動態變化

2.2 對水稻根系的影響

由表1可知，在水稻播種后20天，煙草殘茬還田處理(T1、T2)的根投影面積、表面積、平均直徑、體積和根尖數顯著高于對照(CK)，根系長度差異不顯著；30 天后T1 處理水稻根系長度、投影面積、表面積、平均直徑、體積和根尖數均高于CK，T2處理根平均直徑和根體積顯著高于CK；在40 天，各處理間差異增大，除根系長度外，其余各指標差異均達到顯著水平。60天后根系體積和根尖數差異減小；80 天后，由于部分根系衰老死亡，各處理間差異進一步縮小，T1和T2僅根系平均直徑存在顯著差異，但殘茬還田處理各根系指標均顯著優于對照。說明煙草殘茬還田能促進水稻根系發育。

表1 不同殘茬還田的水稻根系動態變化

2.3 對水稻干物質積累的影響

干物質的積累量可以一定程度反應水稻植株光合能力和物質合成水平。由圖2 可知，水稻干物質積累量隨水稻生長而逐漸增加，前期增長較慢，后期加快。播種后20～30 天，T1、T2 地上部干物質積累量顯著高于CK，地下部干物質積累量處理間差異不顯著。40～80 天，地上部干物質積累量由大到小為：T1>T2>CK，且差異達到顯著水平；地下部干物質積累量由大到小也為：T1>T2>CK，但只有T1 地下部干物質積累量顯著大于T2、CK。第80天，各處理地上部干物質積累量為T1(1867.36 g)、T2(1747.98 g)、CK(1491.31 g)；地下部分干物質積累量為T1(283.17 g)、T2(198.99 g)、CK(156.80 g)。說明煙草殘茬還田能增強水稻光合能力，從而提高地上和地下部干物質積累水平。

圖2 水稻干物質積累動態變化

2.4 對水稻氮磷鉀養分積累的影響

氮、磷、鉀是水稻從土壤吸收量最大元素，水稻對氮、磷、鉀的積累量可以在一定程度上反應水稻的營養狀況和土壤的營養元素供給能力。由圖3 可知，水稻對氮、磷、鉀元素積累量總體趨勢基本一致。對于氮元素來說，第20天煙草殘茬還田處理地上部積累量顯著高于對照；第30～80 天，氮積累量T1 顯著大于T2，T2顯著大于CK；氮積累量在第40天達到最大，分別為T1(18.37 g/m2)、T2(14.68 g/m2)、CK(12.97 g/m2)；地下部氮積累量T1 顯著大于CKt1 氮積累量第80 天達到最大(2.11 g/m2)，T2 氮積累量第60 天達到最大(1.37 g/m2)，CK氮積累量第80天達到最大(0.93 g/m2)。

圖3 水稻氮磷鉀積累動態變化

對于磷元素來說，第T1 地上部積累量顯著高于CK；地下部磷積累量前30天為T1顯著大于T2、CK，40天后3個處理差異顯著。磷元素積累隨時間延長而增加，第80天達到最大值，各處理地上部磷積累量為T1(4.06 g/m2)、T2(3.39 g/m2)、CK(3.03 g/m2)；地下部分磷積累量為T1(0.35 g/m2)、T2(0.28 g/m2)、CK(0.19 g/m2)。

對于鉀元素來說，在整個水稻生育期，地上部分和地下部分鉀積累量均為T1最高，T2次之，CK最低，且處理間差異顯著。鉀積累量與磷積累量變化趨勢一致，第80天達到最大值，各處理地上部鉀積累量為T1(28.84 g/m2)、T2(24.09 g/m2)、CK(19.56 g/m2)；地下部分鉀積累量為T1(2.13 g/m2)、T2(1.55 g/m2)、CK(1.16 g/m2)。說明在基礎土壤條件一致的情況下，煙草殘茬腐解使氮磷鉀元素進入土壤，為水稻生長提供額外的養分元素，增加水稻植株對養分的積累量。

2.5 對水稻產量構成及產量的影響

水稻產量由單位面積上的有效穗數、每穗粒數、粒重和結實率等基本因素構成。由表2 可知，煙草殘茬還田處理各產量構成（有效穗數、每穗粒數、粒重和結實率）均顯著高于對照，所以最終產量也顯著高于對照。2 種還田方式（T1 和T2）最終產量差異主要取決于有效穗數的差異。T1、T2 處理的水稻產量較CK 分別提高了17.35%、8.60%，說明煙草殘茬還田能優化水稻產量構成，最終表現為提高產量。

表2 不同殘茬還田的水稻產量及其構成因素比較

3 討論與結論

煙草土傳病害較多，在連作煙田不提倡采用煙秸還田。但是，在稻作煙區，煙稻復種為水旱交替，稻田在淹水時期趨于無氧狀態，旱作時期則處于好氧狀態，很少有生物能同時適應有氧和無氧2種環境[18]。土壤的干濕交替變化形成了不利于病蟲害蔓延的生態環境，有助于防止某些病蟲害的發生，特別是煙草土傳病害的傳播，從而減少病蟲害發生，進而促進農作物的增產[19]。此外，由于水田和旱田雜草的生態習性有所不同，水旱輪作能明顯地降低田間雜草密度，減少田間雜草的種類，有效防止雜草的瘋長[20-21]。自提倡煙稻復種制以來[22]，該模式在南方煙區發展迅速，為實現煙、稻雙豐收發揮了重要作用[23]。故煙稻復種可有效緩解煙秸還田帶來的負面效應[24-25]，同時還能利用煙草秸稈特有的煙堿防治水稻病蟲害[12,26]。因而，煙稻復種已成為南方稻作煙區的主要種植制度。

中國農作物秸稈數量及其養分資源量巨大，充分合理利用秸稈養分資源，是實現化肥減施增效的重要途徑[27]。煙草殘茬還田可補充大量的營養元素和有機質，可提高土壤肥力，從而降低土壤養分消耗速度。烤煙是嗜鉀作物，在生長過程中會從土壤吸收大量的鉀元素，實行煙草殘茬還田，能有效回補土壤虧缺的鉀，能夠部分替代化肥中的鉀[28]。煙草秸稈還田可使土壤細菌的多樣性增加[29]，秸稈在微生物的作用下腐爛分解后產生的營養元素種類多，能全面供給作物所需的養分；而且其肥效具有緩釋特性，能夠持久提供肥效，同時秸稈還田還能提高土壤養分有效性和利用率，改善土壤團粒結構，具有肥苗和肥土的雙重作用[11]。本研究中，煙草殘茬還田處理氮磷鉀元素和干物質積累量比對照顯著提高，說明秸稈還田為水稻生長提供了更多的養分，增加了干物質積累量，促進了水稻地上部和地下部根系的生長發育，并最終體現為水稻產量的提高，這與肖漢乾等[12]的研究結果一致。

本試驗條件下，煙草殘茬還田能顯著提高水稻分蘗數和株高；能有效促進根系發育，可顯著提升根系長度、投影面積、表面積平均直徑、體積和根尖數；能顯著提升水稻地上部和地下部干物質積累量和氮、磷、鉀積累量；能優化水稻產量構成因素，從而提高水稻產量。本試驗是在樓頂大棚內進行，且采用盆栽，其土壤溫度和水層溫度相對較高，有利于煙草殘茬的快速腐解和養分釋放，也有利于水稻分蘗和光合作用，以及水稻干物質和養分積累。因此，煙草殘茬還田處理的水稻產量顯著高于對照，且增產幅度較大。這種效果是否在大田中實現，還有待于大田試驗驗證。