烟草残茬水淹腐解特征及对水质的影响

陈金 黄杰 邓小华 黄国强 杨柳 张文军 何命军 李帆 谢鹏飞 裴晓东

摘  要：為明确水淹环境的烟草残茬腐解特征及对水质的影响，采用模拟试验，研究了水淹条件下烟草残茬腐解和养分及烟碱的释放动态特征，以及水体的烟碱、养分、pH、化学需氧量、生化需氧量的动态变化。结果表明，（1）烟草残茬腐解速率和养分、烟碱释放均表现为前期快后期慢的特点;30 d后烟碱累积释放率分别达到98.6%和99.1%;60 d后，烟茎氮、磷、钾、碳素累积释放率分别达到85.0%、85.5%、91.0%、48.1%，烟根分别达到71.1%、50.8%、87.0%、44.4%;120 d后，烟茎和烟根的累积腐解率分别达到66.2%和51.0%。（2）烟草残茬腐解导致水体烟碱含量快速增加，在4～10 d达到最大值，在40～50 d内分解完毕;烟草残茬腐解后，水体氮、磷、钾含量在30～60 d达到最大值，水体pH在40～50 d达到最大值，水体生化需氧量（BOD₅）和化学需氧量（COD_Cr）在30 d左右达到最大值。因此，烟草残茬腐解可提高水体中N、P、K和有机物含量，其释放的烟碱在水体中40～50 d完全分解;烟根和烟茎分别于腐解40、60 d后符合农田灌溉水质标准。

关键词：烟草残茬;水淹腐解;烟碱;水质

中图分类号：S572.01          文章编号：1007-5119（2019）06-0033-09      DOI：10.13496/j.issn.1007-5119.2019.06.005

The Characteristics of Tobacco Residue Decomposing under Water logged Conditions and its Impaction on Water Quality

CHEN Jin^1，2， HUANG Jie¹， DENG Xiaohua^1*， HUANG Guoqiang²， YANG Liu²， ZHANG Wenjun²，

HE Mingjun²， LI Fan²， XIE Pengfei²， PEI Xiaodong²

（1. College of Agronomy， Hunan Agricultural University， Changsha 410128， China; 2. Changsha Tobacco Company of Hunan Province， Changsha 410011， China）

Abstract：In order to clarify the characteristics of tobacco residue decomposing under waterlogged conditions and their effects on water quality， the simulated pot experiment was conducted to study the decomposing rate， decomposing amount and nitrogen， phosphorus， potassium， carbon and nicotine release characteristics of tobacco residues under waterlogged conditions， and the dynamic changes in nicotine， nitrogen， phosphorus， potassium， pH， chemical oxygen demand， and biochemical demand of water bodies after tobacco residue decomposing. The results showed that， （1） After decomposition of tobacco residues， the rate of decomposing， nutrient and nicotine release were fast at the early stage and slow at the late stage. The cumulative release rate of nicotine reached 98.6% and 99.1% respectively after 30 days. After 60 days， the cumulative release rates of nitrogen， phosphorus， potassium and carbon in tobacco stems reached 85.0%， 85.5%， 91.0% and 48.1%， and that in tobacco roots reached 71.1%， 50.8%， 87.0% and 44.4%， respectively. After 120 days， the cumulative decomposing rates of tobacco stems and tobacco roots reached 66.2% and 51.0% respectively. （2） The decomposition of tobacco residues led to rapid increase of nicotine content in water， which reached the maximum value 4 to 10 days after and the decomposition completed within 40 to 50 days. After tobacco residue being decomposed， the contents of N， P and K in water reached the maximum value from 30 to 60 days， the pH of the water reaches the maximum value from 40-50 days， the BOD₅and COD_Crof water reached the maximum around the 30th day of decomposition. As a result， the content of N， P， K and organic matter increased after tobacco residues decomposing and the released nicotine will decompose completely within 40 to 50 days in water; The roots and stems of tobacco met the Standards for irrigation water quality after decomposing for 40 and 60 days.

Keywords： tobacco residue; decomposing under waterlogged conditions; nicotine; water quality

烟稻复种是南方稻作烟区的主要种植制度，其烟草残茬（主要为烟根、烟茎）合理利用是必须面对的问题。当前烟草生产技术规程要求将烟草残茬移出大田，主要用于制作生物有机肥^[1-3]和生物质燃料^[4-5];但南方稻作烟区受烟草残茬移出稻田用工成本和烟稻茬口时间短的制约，烟草残茬直接还田现象普遍存在^[6]。秸秆直接还田是处理多熟种植过程中作物秸秆最有效的方式之一^[7-8]。烟草残茬还田能返还作物从土壤中吸收的大部分养分离子^[9]、增加土壤有机质^[10]、提升土壤生产力^[11]，还能减少水稻化肥用量和病害^[12-13]、增加水稻产量^[13]。烟草秸秆还田时添加生石灰和白云石粉可以提高烟草秸秆累积腐解率，达到更好的腐解效果^[6]。烟草残茬腐解后能够促进土壤中微生物数量的增加，增强脲酶活性，对其他酶活性也有一定影响^[14];油菜和小麦秸秆还田会对农田水体的养分产生一定的影响^[15-16];也有人认为烟草残茬含有烟碱和有机物，直接归还稻田会污染灌溉水，影响水稻种植的安全性。鉴于此，本试验模拟在淹水环境条件下烟草残茬腐解过程，研究烟草根系和茎秆腐解与养分释放动态及对水质的影响，为稻作烟区烟草残茬合理利用提供依据。

1  材料与方法

1.1  试验材料

供试烟草残茬于烤烟收获后采集于长沙市宁乡烟区，烟茎切成10～15 cm的小段，烟根洗净剖开两半，分别杀青并于40 ℃条件下烘干备用。盆栽试验于2018年7月至10月在湖南农业大学烟草科学与健康研究重点实验室进行，试验期间的月平均气温分别为31.7 ℃、30.5 ℃、26.0 ℃、19.3 ℃。

1.2  试验设计

采用容器模拟烟草残茬在淹水环境中的腐解过程。由于烟茎和烟根的腐解程度不同，试验设烟茎、烟根两个处理。根据盛水容器的大小，结合试验前期调研（烟草残茬还田量大约100 g/m²），称取烘干后烟茎、烟根各20 g，分别放入容器中，各加蒸馏水2 L，将烟茎和烟根淹埋入水中，置于室外并做遮雨处理。各处理重复30次。试验期间适时补充蒸馏水，以保证水量基本恒定（采用刻度标记）。整个试验时长120 d。取样10次，取样时间为淹水后0、5、10、20、30、40、50、60、90、120 d，每次取样3盆。水体烟碱含量测定取样19次，具体为前10 d为1 d/次，10～30 d为5 d/次，40、50、60、90、120 d各取1次。

1.3  检测项目及测定方法

取出烟草残茬于60 ℃烘干至恒质量，其质量为烟草残茬腐解残留量;烟草残茬总碳采用重铬酸钾-硫酸氧化法、全氮采用凯氏定氮法、全磷采用钼锑抗比色法、全钾采用火焰光度法测定^[17];烟草残茬烟碱和水体烟碱含量采用醋酸提取-连续流动分析仪测定^[17];水体中的总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（HJ636—2012）、全磷采用钼酸铵分光光度法（GB/T 11893—1989）、全钾采用火焰原子吸收分光光度法（GB/T 11904—1989）测定;pH采用pH计测定;生化需氧量（BOD₅）采用稀释与接种法（GB—T 7488—1987）、化学需氧量采用重铬酸盐法（HJ 828—2017）测定。

1.4  统计分析

采用Excel 2013进行数据处理。参考文献[18-19]统计方法，腐解速率（g/d）=（M_t-M_t-1）/（T_t-1-T_t）;累积腐解率（%）=[（M₀-M_t）/M₀]×100%，养分累积释放率=（C₀×M₀-C_t×M_t）/C₀×M₀）×100%;式中：C₀為烟草茬体初始养分含量（质量分数）;C_t为t时刻烟草残茬养分含量（质量分数）;M₀为烟草残茬初始干物质量;M_t为t时刻烟草残茬干物质量（残留量）;T_t为t时刻的天数。

2  结  果

2.1  烟草残茬腐解特征

2.1.1  腐解速率和腐解量的动态变化  由图1-a可知，烟茎和烟根的淹水腐解均表现为前期快后期慢的特点。0～20 d为快速腐解期，第10天时烟茎和烟根均达到最大腐解速率，分别为0.48和0.42 g/d

（图1-b）。经过20 d的快速腐解，烟茎和烟根的累积腐解率分别达到41.1%和33.0%（图1-c），占整个腐解期腐解量的60%以上。在20 d后，烟茎和烟根腐解速率放缓，最终趋于稳定（图1-a、1-c）。60 d后，烟茎和烟根的累积腐解率分别为57.7%和44.2%，120 d后，烟茎和烟根的累积腐解率分别达到66.2%和51.0%。烟茎腐解残留量（?=21.065x^?0.353，R²=0.994）和烟根腐解残留量（?=20.68x^?0.24，R²=0.983），以及烟茎累积腐解率[?=21.367㏑（x）+2.2063，R²=0.983]和煙根累积腐解率[?=17.117㏑（x）+0.1，R²=0.969]不同，烟茎腐解快于烟根，主要是由于烟茎木质化程度低于烟根造成。

2.1.2  氮、磷、钾、碳释放动态变化  由图2可知，在淹水后10 d，烟草残茬快速释放各种养分，60 d后逐渐趋于平稳，120 d后各养分累积释放率依次为K>N>P>C。烟草残茬养分释放大致可以分为3个阶段：前30 d为快速腐解阶段，易分解组织（韧皮部、髓等）等快速分解，养分释放迅速;30 d后，烟茎N、P、K、C素累积释放率达到75.0%、77.0%、77.0%、37.1%，分别占整个试验期间累积腐解率的83.8%、86.9%、81.1%、69.3%;烟根N、P、K、C素累积释放率达到52.2%、44.4%、70.0%、35.3%，分别占整个试验期间累积释放率的68.8%、70.8%、72.9%、70.9%。30～60 d为过渡期，残留的易分解组织基本完全分解，腐解速率明显减缓，养分释放减少，烟茎N、P、K、C素释放率分别占整个试验期间累积释放率的11.2%、9.6%、14.7%、20.6%;

烟根N、P、K、C释放率分别占整个试验期间累积释放率的24.9%、10.2%、17.7%、18.3%。60～120 d进入平缓期，该时期仅残存木质化程度高的组织，结构致密，难以被微生物分解，腐解速率小而平缓，养分释放量极少，烟茎N、P、K、C素释放率分别占整个试验期间累积释放率的5.0%、3.5%、4.2%、10.1%;烟根N、P、K、C释放率分别占整个试验期间累积释放率的6.3%、19.0%、9.4%、10.8%。

烟草残茬的养分释放率均表现为烟茎>烟根;但烟茎N累积释放率[?=27.933㏑（x）+13.086，R²=0.901，图2-a]与烟根[?=23.81㏑（x）+6.0123，R²=0.949，图2-a]、烟茎P累积释放率[?=17.477㏑（x）+8.6185，R²=0.945，图2-b]与烟根[?=23.016㏑（x）+26.312，R²=0.786，图2-b]差异大;烟茎K累积释放率[?=26.457㏑（x）+21.239，R²=0.876，图2-c]与烟根[?=26.683㏑（x）+17.309，R²=0.918，图2-c]、烟茎C累积释放率[?=17.029㏑（x）+2.6625，R²=0.981，图2-d]与烟根[?=16.284㏑（x）+1.1611，R²=0.982，图2-d]差异较小。

2.1.3  烟碱的释放动态变化  由图3可知，烟草残茬淹水腐解的烟碱释放非常迅速，烟茎和烟根中烟碱50%释放分别只用了10 d和5 d，且烟草残茬中的烟碱在30 d左右基本释放完毕（未检测出）。烟茎和烟根变化趋于一致，但烟根中烟碱释放率[?=48.94㏑（x）+13.345，R²=0.915]稍快于烟茎[?=49.367㏑（x）+1.6851，R²=0.996]，可能与烟根相对于烟茎直径更小，与水接触面积较大有关。

2.1.4  碳氮比动态变化  由图4可知，在淹水条件下腐解，烟草残茬的C/N随着时间的延长而逐渐增

大，与其腐解动态变化（图1）相符合。烟茎C/N（?=12.227x+100.65，R²=0.884）增速大于烟根（?=3.5881x+82.377，R²=0.996），烟茎和烟根C/N均在70∶1以上，在10～20 d内就已超过100∶1，20 d后烟茎C/N显著高于烟根，最大差值达到195.5（第120天），其中一个重要的原因是烟茎的N释放率显著高于烟根。

2.2  烟草残茬腐解对水质的影响

2.2.1  水体中烟碱含量动态变化  由图5可知，烟草残茬腐解后，烟碱迅速进入水体中，水体烟碱含量均呈快速升高再逐渐降低的趋势。烟茎处理（?=1.133x³-0.084x²-0.001x+12.453，R²=0.504）的第4天，水体烟碱达到最大值42.5 mg/L;烟根处理（?=-1.39x²-0.2x+29.817，R²=0.34）的第10天，水体烟碱含量达到最大值51.5 mg/L。二者达到峰值的时间不一致，可能是烟根中烟碱含量高于烟茎的缘故。烟碱在水体中残留的时间较短，烟茎处理的水体30 d后，烟根处理的水体50 d后烟碱含量低于仪器检测水平。

2.2.2  水体中氮、磷、钾含量动态变化  由图6可知，烟草残茬腐解提高了水体N、P、K的含量。水体N含量（图6a）呈先上升高后略微下降的趋势，在40 d左右达到峰值;烟茎N浸出量（?=-0.0032x⁴+0.2017x³-4.4054x²+37.23x-31.043，R²=0.973）略高于烟根（?=-0.0017x⁴+0.1225x³- 3.1568x²+31.85x-32.707，R²=0.979）。水体P含量（图6b）呈先上升后略微下降的趋势，在30 d左右达到峰值;烟茎P浸出量（?=-0.00005x⁴+0.0031x³- 0.0631x²+0.5014x-0.4458，R²=0.986）高于烟根（?=-0.00003x⁴+0.0019x³-0.0406x²+0.3438x-0.3082，R²=0.944）。水体K含量（图6-c）在前10 d快速增加，后缓慢增加，至60 d达到平稳;烟茎的K浸出量[?=16.083㏑（x）+14.15，R²=0.858]明显高于烟根[?=6.0137㏑（x）+4.5741，R²=0.859]。表明煙草残茬腐解可提高水体的养分含量。

2.2.3  水体pH动态变化  由图7可知，烟茎腐解的水体pH（?=0.0003x³-0.0157x²+0.2631x+6.5809，R²=0.941）和烟根腐解的水体pH（?=0.0003x³- 0.0138x²+0.2171x+6.4695，R²=0.756）均呈曲线变化。在烟草残茬腐解前5 d，由于各类有机酸等酸性物质快速溶于水中，造成了水体pH的显著降低;之后随着腐解反应的进一步发生，水体pH逐步回升，在40～50 d达到最大值（烟茎处理和烟根处理最大pH分别为8.0和7.6），之后pH略有下降，再逐步趋于平稳。在整个腐解期间，烟茎处理pH始终大于烟根处理。

2.2.4  水体有机物含量动态变化  由图8可知，COD_Cr与BOD₅变化规律基本一致，均呈先升高后降低的变化趋势，前20 d上升迅速，30 d左右达到峰值，60 d后下降逐渐平缓。整个腐解期内，烟茎处理的COD_Cr值（?=-0.0107x⁴+0.6797x³-14.782x²+ 119.83x-97.83，R²=0.979）大于烟根处理（?=-0.0183x⁴+1.0821x³- 21.253x²+147.17x-144.51，R²=0.949），COD_Cr值在40 d后差异达到最大（图8-a）;烟茎处理的BOD₅值（?=-0.003x⁴+0.1828x³- 3.8219x²+29.437x-25.839，R²=0.985）大于烟根处理（?=-0.0027x⁴+0.1678x³-3.518x²+26.468x-26.283，R²=0.970），烟根和烟茎BOD₅值在50 d后差异达到最大（图8-b）。

3  讨  论

植物残茬腐解大致可以分为机械破碎、可溶性有机物的浸出以及在细菌和真菌作用下植物组织分解等过程^[20]。本研究发现烟草残茬腐解呈前期快后期慢的特点，与多数的作物秸秆腐解规律一致^[18-19，21]，主要是由于前期烟草残茬易分解有机质占比较高，并且为微生物的繁殖提供了足够养分，促进了养分释放;随着腐解反应的进行，烟草残茬难以分解的纤维素、木质素比例增大，腐解速率也随之减小。在整个腐解期内，养分累积释放率K最大，C最小，表现为“速效”与“缓释”的区别，可能与K素主要以离子形态存在，而C素主要以有机物形式存在有关。一般认为C/N越大，腐解难度越大^[22]，以C/N为18～28^[23]最适宜微生物生长。烟草残茬的C/N达到了100：1以上，且随着腐解进行，C/N逐步增大，远超最适微生物分解值。因此，烟秸直接还田适时补充N素能有效促进有机质的分解和养分释放^[24-25]。

淹水腐解初期，烟草残茬内的小分子有机物大量溶出并在好氧条件下分解，转化为更小分子的有机酸^[31]和氨氮等， 同时释放大量CO₂，导致水体pH迅速降低。随后，有机酸的进一步分解和含氮有机物在微生物的作用下转化成NH₄⁺和胺类物质，水体pH又会逐步回升^[26]，最终达到平衡。水体pH的变化会影响水中P素的浸出量，微生物分解有机物的过程中产生的有机酸可以促进秸秆中难溶P素的溶解^[27]，之后水体pH上升，P素又重新形成了难溶性金属盐而沉淀，导致水体P素的轻微下降。水体N素变化呈先上升后下降的趋势，主要是前期水中溶解氧含量高，微生物作用明顯，促进了烟草残茬中N素的释放^[28]，而后随着水中溶解氧的消耗，形成厌氧环境，水体中发生反硝化作用，厌氧微生物以硝酸根代替氧气进行反应，致使硝酸盐被逐步还原，而N被转化为N₂释放掉^[29]，导致水中N素的减少。水中K素含量短期内上升迅速，之后保持相对平稳状态，这是由于K素主要以离子形式存在，极易溶于水^[30]。因此，烟草残茬腐解可提高水体养分，可推测对促进水稻分蘖和提高晚稻产量有利^[13]。

烟碱是烟草残茬区别于其他作物秸秆的一个重大特征。烟碱可溶于水，在烟草残茬腐解后，有大量烟碱溶出，淹水30 d左右，烟草残茬中的烟碱全部都溶入到了水中，导致水体烟碱含量急剧增加。但烟碱在水中易分解^[31]，烟草残茬释放的烟碱在水中40～50 d就低于检出限。说明烟草残茬在淹水40～50 d后，烟碱基本释放和分解完毕。

农田灌溉水质标准（GB 5084—2005）中生化需氧量用五日生化需氧量（BOD₅）表示，化学需氧量用重铬酸盐法（COD_Cr）测定，是反映水体中有机污染物含量常用的指标^[32]。烟草残茬腐解前期（前30 d），易溶性小分子有机物的溶出，水体中BOD₅和COD_Cr快速上升，溶氧大量消耗使得水体处于缺氧状态。随后水体BOD₅和COD_Cr有明显下降的趋势，这与纤维素类有机物降解较慢有关。随着时间的推移，烟草残茬C释放与微生物的消耗达到平衡状态，水体耗氧量减小，水体BOD₅和COD_Cr保持在基本稳定的浓度范围。这与李焕运等^[15]在油菜秸秆腐解研究中得出的结论基本一致。烟草残茬 淹水腐解前期，水体有机物含量快速增加，水体化 学需氧量和生化需氧量超过农田灌溉水质标准^[33] （BOD₅≤60，COD_Cr≤150），可能对灌溉水造成一 定的污染;之后微生物的进一步分解可降低有机污 染物含量，至烟根腐解40 d后符合农田灌溉水标准，烟茎腐解60 d后才符合农田灌溉水质标准。

4  结  论

在整个腐解期内，烟茎腐解速率和养分释放率大于烟根，腐解速率均表现为前期快，之后随时间延长而逐渐减小的趋势。烟草残茬基础C/N高，之后C/N随腐解反应的进行进一步增大是腐解速率下降的重要原因。120 d后，烟茎和烟根的累积腐解率分别达到66.2%和51.0%，养分释放率总体呈现K>N>P>C的规律。60 d后，烟茎N、P、K、C素累积释放率分别达到85.0%、85.5%、91.0%、48.1%;烟根N、P、K、C素累积释放率分别达到71.1%、50.8%、87.0%、44.4%。烟茎和烟根烟碱释放迅速，30 d后烟碱累积释放率分别达到98.6%和99.1%。烟草残茬腐解能有效提升水体pH，增加水体N、P、K和有机物含量。烟草残茬中的烟碱在淹水30 d左右就基本完全溶入水中，使水中烟碱含量在短期内快速上升，之后水体中的烟碱在微生物的作用下逐渐分解，于40～50 d左右分解完毕。水体BOD₅和COD_Cr均呈单峰变化趋势，在30 d左右达到峰值，烟根处理有机物分解较烟茎处理快，于腐解40 d后符合农田灌溉水质标准，烟茎腐解60 d后符合农田灌溉水质标准。本研究只是探索烟草残茬在淹水环境条件下的腐解特征及对水质的影响，有关烟草残茬腐解对水体和土壤微生物的影响以及这些微生物如何影响烟草残茬腐解，还需要今后进一步开展研究。

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