煙草廢棄物在堆肥領(lǐng)域的研究進(jìn)展

王金棒，邱紀(jì)青，汪志波，李凌，盧志菁，鄒珺*，陳彥*

1.中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州450001；

2.廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，廣州510385

煙草廢棄物是指煙草生產(chǎn)過程中廢棄的煙葉、煙末、干煙筋、干煙莖、煙根等物質(zhì)，主要含有利用價值較高的生物有機成分和次生代謝產(chǎn)物及氮、磷、鉀、微量元素等養(yǎng)分，但由于其含有煙堿、茄尼醇等油溶性毒性成分，不適合直接還田，施用前需進(jìn)行發(fā)酵腐熟處理，即在適合的條件下利用微生物對有機物質(zhì)及毒性成分進(jìn)行降解。經(jīng)過一定時間的好氧發(fā)酵等一系列生化反應(yīng)將廢棄物中有機可腐物轉(zhuǎn)化為營養(yǎng)物質(zhì)或腐殖質(zhì)，最終得到腐熟的堆肥產(chǎn)品［1］。生物腐熟具有周期短、無污染及利用率高等特點，且處理量大，已發(fā)展成為我國煙草廢棄物利用的一種主要途徑［2］。

目前堆肥分為普通堆肥和高溫堆肥兩類。普通堆肥一般混土較多，堆腐時溫度較低且變化不大，所需堆置時間較長，適用于常年積造。高溫堆肥是以富含纖維素的有機物料為主，同時加入一定量的人畜糞尿等物質(zhì)，以調(diào)節(jié)C/N比，堆腐時有明顯的高溫階段，堆置時間雖短但能加速堆制物質(zhì)的腐解并殺滅其中的病菌、蟲卵和雜草種子等。高溫堆置適合集中處理大量農(nóng)作物秸稈物料或生活垃圾，使之在短期內(nèi)迅速成肥［3］。煙草廢棄物有機肥主要指高溫堆肥，制備過程包括升溫階段、高溫階段和腐熟階段（降溫階段），期間嗜溫微生物、嗜熱微生物交替活躍，直至堆肥完全熟化。煙草行業(yè)在煙草廢棄物生物有機肥開發(fā)利用方面進(jìn)行了諸多研究，并取得了良好的社會、生態(tài)與經(jīng)濟效益［4-8］。鑒于此，本文著重從堆肥的制備、土壤參數(shù)的改良以及對作物的肥效3個方面對國內(nèi)外煙草廢棄物在該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)梳理和總結(jié)，以期在技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品研發(fā)和技術(shù)推廣等方面為高效利用煙草廢棄物提供理論參考。

1 煙草廢棄物堆肥制備技術(shù)

煙草廢棄物堆肥化制備技術(shù)主要包括基于微生物菌劑的添加技術(shù)、與雞糞等混合的共堆肥技術(shù)、沼氣化聯(lián)產(chǎn)堆肥技術(shù)等方法。其中，高溫（60～70℃）和高溫持續(xù)時間是影響堆置效果的重要因素，直接關(guān)系到廢棄物中病菌與蟲卵的高溫滅活程度和大分子有機質(zhì)降解為游離態(tài)養(yǎng)分的速度等［9］。Briski等［10］和邸慧慧等［11］研究顯示，相比厭氧堆置，好氧發(fā)酵體系溫度可達(dá)50℃以上，發(fā)酵16 d原料中煙堿含量可下降77.5%，且最優(yōu)發(fā)酵溫度為50～65℃；此外，陳飛等［12］研究發(fā)現(xiàn)，在雞糞與小麥秸稈聯(lián)合進(jìn)行的好氧堆肥過程中添加少量煙草廢棄物，制備的堆肥產(chǎn)品對土壤根結(jié)線蟲具有明顯的抑殺效果（致死率100%）?？梢?，煙草廢棄物堆肥化處理可有效降低煙草原料堆肥還田后對植物生長的不利影響，同時還具有一定的病蟲害防治效果。

1.1 微生物菌劑添加技術(shù)

煙草廢棄物尤其是煙稈含有大量的木質(zhì)纖維素，且木質(zhì)纖維素的降解是煙草廢棄物堆肥化的關(guān)鍵［13］。研究表明，木質(zhì)纖維素的分解主要發(fā)生在高溫階段，而在高溫階段微生物菌落的種類和數(shù)量均會受到很大程度的抑制，據(jù)統(tǒng)計，較中溫階段平均減少1～2個數(shù)量級，嚴(yán)重限制了木質(zhì)素、纖維素等物質(zhì)的降解［13］。另外，煙草廢棄物中含有煙堿等具有生物毒性的成分，這也是影響其堆肥化效率的重要因素。因此，研究者大多將研發(fā)的焦點集中在耐高溫纖維素及煙堿降解菌的篩選、菌劑的開發(fā)和應(yīng)用等方面，以進(jìn)一步提高堆體升溫速率，加快木質(zhì)素、纖維素等物質(zhì)的降解，縮短堆肥周期。

1.1.1 纖維材料降解菌株的篩選 在纖維材料降解菌株篩選方面，相關(guān)降解微生物主要是從富含微生物的牛糞、豬糞堆肥、腐殖土、煙草源或非煙草源腐殖質(zhì)，以及煙草廢棄物中經(jīng)分離、篩選得到，且對煙草廢棄物纖維素等大分子的降解效率主要依賴于微生物所產(chǎn)酶的活性［13］。張楠等［14］從牛糞、豬糞堆肥和腐殖土等不同原料中篩選得到4株降解纖維素的耐高溫真菌，所產(chǎn)酶酶活超過10 U，施加7 d后煙稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的分解率分別可達(dá)52.7%、47.9%和37.6%，顯著優(yōu)于對照（不接菌的煙稈）。楊雪梅等［5］從腐殖質(zhì)中分離出高產(chǎn)漆酶的木質(zhì)素降解真菌——粘頭酶屬（Moniliales gliocephaliassp.），其產(chǎn)酶酶活為3.24 U·mL-1，施加30 d后煙稈粉末中木質(zhì)素和纖維素降解率分別為39.39%和36.00%。黃小容［15］從煙稈堆腐殖、白櫟腐殖、白蟻、葡萄枝等樣品中篩選得到14株綜合酶活力較高的木質(zhì)素降解菌，通過拮抗實驗和煙稈降解效果實驗篩選出對半纖維素、纖維素和木質(zhì)素降解效果較好的兩組組合菌劑，分別為枯草芽胞桿菌+盤長孢狀刺盤孢+雜色曲霉組合和枯草芽胞桿菌+漠海威芽孢桿菌+盤長孢狀刺盤孢+雜色曲霉組合，二者對半纖維素、纖維素和木質(zhì)素的降解率較接近，分別為33.70%、39.93%、44.61%和39.74%、41.22%、48.01%。梅金飛等［16-17］從煙稈廢棄物中篩選得到4株高效纖維素降解菌——嗜熱芽孢桿菌（Bacillus aerophilus）、枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）、解淀粉芽孢桿菌（Bacillus amyloliquefaciens）和高地芽孢桿菌（Bacillus altitudinis），復(fù)配后的菌劑促腐效果明顯優(yōu)于商業(yè)有機肥菌劑。Liang等［18］從腐爛的木頭和煙稈廢棄物中篩選得到兩種白腐菌——毛曲菌（Trametes hirsuta）S13和平菇（Pleurotus ostreatus）S18，堆肥過程中施加兩種菌可將煙稈中木質(zhì)素的降解率提高2倍，至41.1%。鑒于煙草原料組成的獨特性，相應(yīng)微生物的篩選還傾向于聚焦耐高溫、耐煙堿或可同時降解多靶標(biāo)底物的同時降解等性能。王明旭等［6］從廢棄煙絲、腐熟牛糞、油枯有機肥和味精下腳料等廢棄物中分離篩選出6株高效菌株，綜合考慮對纖維素的降解能力和耐煙堿（濃度0.5%～0.1%）能力，發(fā)現(xiàn)解淀粉芽孢桿菌（Bacillus amyloliquefaciensN1）和母牛分枝桿菌（Mycobacterium vaccaeN2）復(fù)配后的菌劑效果最好，且復(fù)配后菌劑的煙堿耐受性顯著高于相應(yīng)單一菌株。李文豪等［19］從自然腐爛的木樁、煙稈以及木材廢料堆中篩選得到3種優(yōu)良纖維素降解菌株——霉A（Trametessp.）、N019a（Lysinibacillus fusiformis）與imp（Rhizopus oryzae），且3株菌株與纖維素降解菌株B4、B26與M90以及煙堿降解菌株P(guān)3a均有良好的兼容性，復(fù)配后施加煙稈中木質(zhì)素的降解率比對照（不接種任何菌）提高了56.78%，且煙堿的降解率達(dá)到59.51%。此外，基于產(chǎn)高活性纖維素酶的外源菌株復(fù)配也是煙稈降解微生物及菌劑的重要來源。彭瀚輝等［20］通過將產(chǎn)纖維素酶活力較高的菌株復(fù)配得到耐高溫高效復(fù)合菌H2568-B1-M1，所產(chǎn)纖維素酶活力最高可達(dá)625.44 U·mL-1，施加15 d后煙稈中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的降解率分別為59.15%、75.20%和36.44%。

1.1.2 煙堿降解菌株的篩選 在煙堿降解菌株篩選方面，仍主要是從富含微生物的含煙堿基質(zhì)，如植煙土壤、煙草廢棄物或堆肥等中篩選、鑒定新型的煙堿降解菌株，且研究發(fā)現(xiàn)，煙堿降解菌在降解基質(zhì)煙堿的同時還與纖維材料降解微生物有一定的協(xié)同促進(jìn)作用［21-22］。伍良偉［21］從土樣、煙稈、實驗室已保藏菌株中篩選得到1株降解煙堿能力最好的菌株EA-17——嗜組氨醇節(jié)桿菌（Arthrobacter histidinolovorans），所產(chǎn)煙堿脫氫酶酶活達(dá)8.11 U·mL-1，遠(yuǎn)高于同屬其他菌株，施加到煙稈-廢水污泥（1∶1）混合堆肥體系（已添加降纖維素菌株黑曲霉和芽孢桿菌混合菌劑），煙堿的降解率達(dá)到49.33%，較對照（只添加降纖維素菌株黑曲霉和芽孢桿菌混合菌劑）提高了21.06%，且纖維素和半纖維素的降解率也明顯提高，增幅分別為26.29%和17.52%。王瑞等［22］研究也顯示，EA-17菌株在堆肥中生長良好，在單獨煙稈堆肥化過程中添加M1+M90+B4+B26混合菌劑和EA混合菌劑的煙堿降解率較對照（僅添加M1+M90+B4+B26混合菌劑）提高了74.5%，且對纖維素、半纖維素的降解效果與伍良偉［21］的研究一致。Briski等［23］從堆肥中分離到1株煙堿降解菌FN——銅綠假單胞菌，煙草滲濾液實驗顯示，菌株FN對煙堿具有很強的降解性能。

1.1.3 堆肥產(chǎn)品的制備 在堆肥產(chǎn)品制備方面，研究發(fā)現(xiàn)，相比自然發(fā)酵和使用單一或單獨EM菌，在堆置過程中施加復(fù)合微生物菌劑不僅能夠顯著縮短發(fā)酵周期，而且能夠使有機物和煙堿的降解更充分，利于氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素的充分釋放，從而得到高效的有機肥［24］。張占軍等［7］研究發(fā)現(xiàn)，添加含細(xì)菌、霉菌和真菌的復(fù)合微生物菌劑可明顯促進(jìn)煙草廢棄物的堆肥化進(jìn)程，堆肥34 d即可完全腐熟，種子發(fā)芽指數(shù)達(dá)到88.6%，而同等條件下對照組（不添加任何菌劑）的種子發(fā)芽指數(shù)僅為47.1%。高明等［25］在煙梗高溫好氧堆肥化的研究中添加含細(xì)菌、放線菌和真菌的發(fā)酵菌劑也得到了相似的結(jié)論，且所得有機肥產(chǎn)品的各項指標(biāo)均優(yōu)于生物有機肥農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（NY884-2012生物有機肥）［7，25］。另外，張志玲等［24］研究還顯示，微生物菌劑除了能夠縮短發(fā)酵周期、提高種子發(fā)芽指數(shù)指數(shù)外，還可顯著增加煙草堆肥產(chǎn)品中N、P、K等養(yǎng)分含量，降低堆肥容重，提高堆肥總孔隙度和持水孔隙度，進(jìn)而改善堆肥產(chǎn)品的整體品質(zhì)。以上研究表明，菌劑篩選主要集中在纖維素降解菌和煙堿降解菌方面，相關(guān)菌主要從含有纖維素的復(fù)雜基質(zhì)中經(jīng)分離、篩選得到，如動物糞便、堆肥、農(nóng)林廢棄物等。降解菌劑的開發(fā)也逐步由單一菌劑過渡到混合菌劑，兼顧耐高溫、耐煙堿等特性，在顯著降低纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和煙堿等目標(biāo)底物時具有一定的協(xié)同作用，進(jìn)而達(dá)到縮短堆置時間和提高堆肥品質(zhì)的目的。

1.2 共堆肥技術(shù)

影響廢棄物堆肥化進(jìn)程和有機肥品質(zhì)的因素較多，如溫度、含水率、通氣量、pH、C/N比等，其中原料的C/N比是至關(guān)重要的因素［26］。鑒于煙草廢棄物的C/N比通常不在堆肥化的最佳范圍，一些研究者將雞糞、豬糞、葡萄渣、橄欖渣或蘋果渣等有機物料作為碳源或氮源調(diào)節(jié)劑加入煙草廢棄物中進(jìn)行共堆肥，不僅可將混合原料的C/N比調(diào)節(jié)到堆肥化的最佳比例，而且對煙草廢棄物中的煙堿也起到一定的稀釋效果［8，27-36］。此外，由于動物糞物料孔隙度大且富含有益微生物，故可有效提高堆肥物料的孔隙度和微生物數(shù)量，進(jìn)而促進(jìn)共堆肥化進(jìn)程，降低堆肥產(chǎn)品的生物毒性［37-38］。

在兩種物料混合堆肥方面，相關(guān)研究涉及造紙廠制漿污泥、牛糞、雞糞、豬糞、蘋果渣等外源性物料，研究主要聚焦于優(yōu)化外源性物料與煙草廢棄物的混合比例，進(jìn)而提高堆肥的腐熟度。陳育如等［27］在國內(nèi)率先開展了兩種物料的聯(lián)合堆肥處理，基于造紙廠制漿污泥含水量高和煙草廢棄物含水量低的特點，通過優(yōu)化得到了適合微生物生長的堆肥基料。韓相龍等［28］研究發(fā)現(xiàn)，在添加EM菌劑的基礎(chǔ)上，適宜的煙梗與牛糞混合比例有利于加快堆肥腐熟和提高產(chǎn)品中礦質(zhì)養(yǎng)分含量，最適C/N比為22，且堆肥45 d后產(chǎn)品的種子發(fā)芽指數(shù)高達(dá)121.3%。Kopcic等［29-30］分析了蘋果渣與煙草廢棄物混合堆肥的方法，在C/N比為11.6時堆肥后物料中53.1%的揮發(fā)性固體（volatile solids）可被降解。何云龍等［31-32］在添加混合菌劑的基礎(chǔ)上研究確定了雞糞與煙草廢棄物的最佳混合比例，為1.000∶1.373，此時C/N比為20，堆肥30 d可完全腐熟，種子發(fā)芽指數(shù)達(dá)到79.1%，而對照樣（純煙草廢棄物）C/N比為25的種子發(fā)芽指數(shù)約為23.0%。竹江良等［33］分析了豬糞與煙草廢棄物聯(lián)合堆肥對腐熟進(jìn)程的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，豬糞的添加量越多越有利于縮短物料進(jìn)入高溫階段所需時間和高溫的持續(xù)時長，煙草廢棄物與豬糞比例分別為7∶3、8∶2和9∶1時，堆肥結(jié)束后產(chǎn)品種子發(fā)芽指數(shù)分別為81.4%、84.1%和83.7%，而對照（單純煙草廢棄物物料）僅為72.7%。李放等［8，34］研究顯示，相比碳酸氫銨等無機調(diào)節(jié)劑，煙稈與雞糞聯(lián)合堆肥處理的高溫保持時間更長，短期堆肥條件下（20～30 d），腐熟更為徹底，但長時間堆肥條件下（50 d），二者差異并不明顯。Adediran等［35］也綜合研究了牛糞、豬糞、家禽糞以及卷心菜廢棄物等有機物料與煙草廢棄物（含木屑）共堆肥的效果，結(jié)果顯示，4種組合物料經(jīng)45～49 d堆肥均可達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)，且相比于原料，堆肥化中每千克物料煙堿的降解率最高可達(dá)98.7%，最終堆肥產(chǎn)品的煙堿含量低于160 mg·kg-1。除兩種物料的共堆肥化體系外，一些研究還涉及了3種物料的調(diào)控技術(shù)。Wang等［36］系統(tǒng)研究了雞糞、煙末和蘑菇基質(zhì)3種物料的混合發(fā)酵，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，蘑菇基質(zhì)的添加可提高堆肥的腐熟度，降低堆肥的植物毒性，堆置20 d時種子發(fā)芽指數(shù)就達(dá)到了80%，35 d時種子發(fā)芽指數(shù)增加到120%，而未添加蘑菇基質(zhì)的堆肥產(chǎn)品種子發(fā)芽指數(shù)仍低于80%。

在新型工藝開發(fā)方面，徐智等［39］在廢煙末和豬糞共堆肥原料的基礎(chǔ)上，開發(fā)了不同于常規(guī)堆置發(fā)酵的裝袋密封（厭氧或缺氧）發(fā)酵方法，結(jié)果顯示，袋式發(fā)酵可較好地完成堆肥過程，含水率對堆肥發(fā)酵過程影響不顯著，堆置40 d含水率不同（45%～60%）的各堆肥原料所對應(yīng)產(chǎn)品的種子發(fā)芽指數(shù)為80%～85%，綜合考慮堆肥產(chǎn)品的后續(xù)加工，對混合物料的聯(lián)合發(fā)酵適宜采用低水分配置堆肥，優(yōu)化后的處理條件：C/N比為25、含水率為45%～50%、袋式發(fā)酵時間18 d以上即可。

1.3 煙草材料預(yù)處理技術(shù)

煙草廢棄物尤其是廢棄烤煙煙葉富含煙堿，其C/N比常低于20，不利于堆肥腐化過程。除在堆肥過程中添加降煙堿微生物菌劑或葡萄渣、橄欖渣等其他物料進(jìn)行稀釋或調(diào)節(jié)外，研究發(fā)現(xiàn)，對原料進(jìn)行預(yù)處理或?qū)煵莶煌课辉匣旌贤瑯涌蛇_(dá)到調(diào)節(jié)堆肥原料C/N比的目的，同時還簡化了堆肥原料的準(zhǔn)備及復(fù)配過程［26］。Zhao等［26］研究發(fā)現(xiàn)，堆肥前對煙葉原料進(jìn)行熱預(yù)處理可調(diào)控?zé)熑~原料C/N比的效果，與煙稈按4∶1混合堆置49 d即可完全熟化，種子發(fā)芽指數(shù)超過80%，60 d后種子發(fā)芽指數(shù)為85.2%，而此時對照（未進(jìn)行熱預(yù)處理的煙草廢棄物）僅為31.3%。趙桂紅等［40-41］研究發(fā)現(xiàn)，在純煙葉堆肥化中添加煙梗能加快堆肥化的啟動和延長高溫持續(xù)時間，進(jìn)而促進(jìn)堆肥的穩(wěn)定和腐熟，但添加量過高則不利于堆肥的進(jìn)行，葉梗比8∶2為最優(yōu)，且動態(tài)堆肥的效果優(yōu)于靜態(tài)［30］。

1.4 其他有機肥制備技術(shù)

相比常規(guī)固態(tài)的堆肥產(chǎn)品，魯賢等［42］將煙梗發(fā)酵后制成濾液，制備出液態(tài)的水溶性肥料。此外，Liu等［43］還通過煙稈、小麥秸稈和豬糞等混合物料的厭氧發(fā)酵沼氣化技術(shù)聯(lián)產(chǎn)了相應(yīng)的有機肥，并發(fā)現(xiàn)高溫（55℃）發(fā)酵能夠同時將原料所含的黃瓜花葉病毒和煙草花葉病毒滅活，且經(jīng)發(fā)酵后可直接或經(jīng)深加工制成水溶肥、葉面肥或育苗基質(zhì)等應(yīng)用于果蔬、糧食及花卉的生產(chǎn)。

2 煙草廢棄物堆肥肥效研究

土壤性狀的改良或作物產(chǎn)量及品質(zhì)的提升程度是評價有機堆肥效果最直觀的指標(biāo)。有機堆肥主要是通過改善土壤物理性質(zhì)來改變化學(xué)環(huán)境、強化微生物活動、提高酶活性和增加土壤微量元素含量，從而達(dá)到提高土壤肥力的效果，最終提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。

2.1 改良土壤

土壤是烤煙生存的基質(zhì)，植煙土壤的酸度、有機質(zhì)、氮磷鉀含量及中微量元素等對烤煙的產(chǎn)量和質(zhì)量有重要的影響。樊俊等［44］研究發(fā)現(xiàn)，煙稈有機肥還田處理后，土壤的養(yǎng)分含量、酶活性和微生物數(shù)量顯著高于秸稈（水稻秸稈、玉米秸稈、煙草秸稈）直接還田和對照（不翻壓秸稈組），速效磷、速效鉀、有效鋅、有效鎂、有效硼含量分別比對照提高了74.9%、86.9%、134.5%、66.2%和46.6%。姚珊珊等［45］在對酸性土壤改良的研究中發(fā)現(xiàn)，煙稈有機肥對提高土壤有機質(zhì)和總氮含量的效果顯著優(yōu)于玉米秸稈有機肥、商用有機肥、土壤調(diào)理劑（施地佳）和堿性肥料（生石灰、白云石粉），但提高土壤磷、鉀含量的效果有限。在共堆肥產(chǎn)品評價方面，韋建玉等［46］研究發(fā)現(xiàn)，有機物料與煙稈堆置制備的有機肥可明顯提高植煙土壤中有效磷和速效鉀的含量，總量分別提高33.0%和33.5%。李文豪等［16］研究表明，增施煙稈有機肥可顯著提高土壤中交換性鈣、速效磷與有機質(zhì)的含量，還有利于提高土壤pH和穩(wěn)定性。施河麗等［47］的研究結(jié)果與李文豪等一致，并確定了煙稈有機肥的煙田最佳施用量（1 500 kg·hm-2），烤煙生長旺盛期土壤的交換性鹽總量和離子飽和度分別比對照（單施化學(xué)肥料）提高了41.29%和36.88%。在堆肥使用方式方面，耿明明等［48］的研究表明，施加煙梗（末）有機肥或與化肥配施可有效提高土壤有機質(zhì)含量，改善土壤氮、磷、鉀養(yǎng)分狀況，其中與化肥配施的效果更好，其土壤氮、磷、鉀含量分別比對照（不施肥料）提高了8.95%、2.79%、8.86%和2.64%，即使在烤煙生長后期，土壤中有效磷和速效鉀含量也顯著高于僅施加化肥的土壤。王亞麒［49］的研究也發(fā)現(xiàn)，煙末有機肥單獨施用或與化肥配施在提高土壤微生物量、碳、氮、以及碳氮比方面顯著優(yōu)于對照（不施肥）和純化肥處理，說明煙草源有機肥更能改善土壤水分、養(yǎng)分的供應(yīng)狀況，滿足作物和土壤微生物對養(yǎng)分的需求。

土壤團聚體被視為評價土壤質(zhì)量最重要的指標(biāo)之一，良好的土壤結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的團聚體對提高土壤養(yǎng)分供給能力、促進(jìn)土壤生產(chǎn)力恢復(fù)、提高孔隙度和降低可蝕性等均至關(guān)重要。而土壤團聚體的形成和其穩(wěn)定性則受施肥的影響最為顯著。金亞波等［50］以連作20年的黃壤煙田為研究對象，研究了各類腐熟有機物料（雞糞、豬糞、煙稈有機肥、菌渣有機肥）與化肥配合長期施用對連作煙田土壤團聚體組成特征及土壤肥力的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，施用有機物料雞糞、豬糞、煙稈有機肥、菌渣有機肥均可有效提升土壤的速效養(yǎng)分和改善土壤的團聚體組成，其中煙稈有機肥的提升效果最好，分別比對照（僅施化學(xué)肥料）提高了27.6%和13.3%。陳紅華等［51］的研究也發(fā)現(xiàn)，相比稻殼、稻殼+谷糠、茶枯等農(nóng)業(yè)廢棄物，煙稈有機肥還田對土壤團聚體（大于0.25 mm）含量、總孔隙度、通氣孔隙度、毛管持水量和土壤含水量等指標(biāo)的提升效果最好，分別提高了28.1%、17.2%、43.4%、13.0%和10.3%，且對植煙土壤中根結(jié)線蟲病的防治效果也最好，處理60 d和120 d后的防控效果分別為77.27%和49.9%。

土壤根際微生物群落，尤其是多樣性較高的細(xì)菌群落，可阻礙病原體入侵，細(xì)菌性土壤和真菌性土壤常被認(rèn)為分別是健康土壤和衰竭土壤的生物學(xué)指標(biāo)。有機肥的施用能顯著增加烤煙根際土壤微生物種群數(shù)量和豐度，進(jìn)而提高煙田土壤的抗性［46］。韋建玉等［46］研究發(fā)現(xiàn)，在烤煙土壤中施加有機物料和煙稈的共堆肥后，根際土壤中細(xì)菌、真菌、放線菌的生物數(shù)量可分別增加102.7%、63.9%、100%。李文豪等［19］研究也表明，相比真菌，施加煙稈有機肥更能提高土壤中細(xì)菌群落的豐度，表現(xiàn)為病原微生物豐度的明顯降低，以及大部分有益微生物與拮抗微生物豐度的增加。樊俊等［44］的研究也顯示，相比水稻秸稈、玉米秸稈、煙稈還田，施用煙稈堆肥后，土壤微生物種類的增幅最大，為15.5%，煙稈有機肥降低土壤中煙草致病菌豐度的效果優(yōu)于秸稈還田，比對照（不翻壓秸稈組）降低了37.9%，但同時固氮菌的相對豐度也降低了16.4%，可能稍不利于土壤氮素的固定。除對土壤微生物的影響外，樊俊等［44］、王亞麒［49］和Okur等［52］的研究還表明，單獨施用煙稈堆肥或與化肥配施可提升土壤蔗糖酶、脫氫酶、脲酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶的活性，有利于土壤有機質(zhì)循環(huán)、氮磷養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和活性氧消除。以上結(jié)果表明，相比其他農(nóng)林廢棄物直接還田、堆肥產(chǎn)品以及化學(xué)肥料，煙草廢棄物（煙稈）源堆肥單獨或配施更有利于改善土壤的理化性質(zhì)、提升土壤微生物種群的數(shù)量和豐度以及提高土壤養(yǎng)分關(guān)聯(lián)酶的活性，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.2 鈍化土壤中重金屬元素

煙草廢棄物堆肥原料重金屬原位鈍化的原理主要是有機物料經(jīng)微生物動態(tài)發(fā)酵后可快速分解，所產(chǎn)生的腐殖質(zhì)能夠與重金屬發(fā)生螯合反應(yīng)［53］，進(jìn)而限制了重金屬向生物體的轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化。周雯婧等［54］系統(tǒng)研究了煙草廢棄物、活性土壤和豬糞3種物料共堆肥過程中煙葉中重金屬鎘的5種形態(tài)（可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機物結(jié)合態(tài)、殘渣態(tài)）含量的動態(tài)變化，前3種形態(tài)不穩(wěn)定，具有較強的生物有效性，后2種是穩(wěn)定態(tài)，結(jié)果顯示，雖然堆肥化對煙草廢棄物中鎘的絕對量影響不大，但可明顯提升穩(wěn)定形態(tài)所占的比例，由52%提高至63%，其中，在腐熟階段轉(zhuǎn)化為殘渣態(tài)的比例最為顯著，由6.2%上升至29%，而有機結(jié)合態(tài)在升溫階段和降溫階段比例有所增加，高溫和腐熟階段相對回落，總體提升16%。Zittel等［55］評價了走私卷煙和工業(yè)污泥共堆肥對原料重金屬的影響，發(fā)現(xiàn)所制備的有機肥中重金屬濃度明顯低于國外有機堆肥標(biāo)準(zhǔn)，能夠達(dá)到適用于農(nóng)田的相關(guān)要求。Gebologlu等［56］研究也顯示，煙草廢棄物與糞肥、稻草的共堆肥產(chǎn)品中重金屬含量也均處于安全閾值以下?？梢?，堆肥化處理有利于降低原料中重金屬的活性和毒性。

此外，煙草廢棄物等有機肥富含有機質(zhì)，施入土壤還能夠與土壤中的重金屬離子發(fā)生螯合反應(yīng)，從而降低土壤中重金屬元素的生物可利用性［57］。Seremeta等［58］研究顯示，煙草源堆肥對Pb的吸附可能主要源于堆肥產(chǎn)品表面的酚羥基、羧基以及氨基等官能團的鍵合作用，并檢測到有機金屬螯合物的形成。高福宏等［59-60］研究也顯示，相比對照（不施肥），施用農(nóng)家肥和煙草廢棄物堆肥對土壤中Pb和Cd元素的總量無明顯影響，但均能顯著降低土壤中有效態(tài)Pb或Cd含量，進(jìn)而降低甘藍(lán)或辣椒等作物對土壤中Pb或Cd的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)。以上結(jié)果表明，煙草廢棄物堆肥化利用能夠通過腐殖質(zhì)與重金屬元素的螯合作用有效降低堆肥原料及土壤中重金屬元素的生物可用性，在重金屬污染土壤的修復(fù)方面具有一定的應(yīng)用潛力。

2.3 提高作物產(chǎn)量及品質(zhì)

煙草廢棄物堆肥對土壤的改良和重金屬元素的鈍化等最終都體現(xiàn)為對作物產(chǎn)量或品質(zhì)的提高。該領(lǐng)域的研究對象有煙草和其他作物如菜心、番茄、核桃、萵筍、玉米等；評價內(nèi)容除最終產(chǎn)品的產(chǎn)量或品質(zhì)外，還有堆肥施加前后植株生長性狀的變化和病蟲害的防治效果；評價過程有單施有機肥和與化肥或其他肥料配施兩種方式。

2.3.1 煙桿堆肥在煙草種植中的效果 在煙葉種植方面，李文豪等［19］研究發(fā)現(xiàn)，在煙草成熟期，煙稈堆肥促進(jìn)煙株上部葉片的效果優(yōu)于單施化肥，可明顯增加煙株的葉片數(shù)、株高、腰葉面積、莖圍和頂葉面積。李艷平等［61］的研究表明，煙稈有機肥提高烤煙根系生物量和生理活性的效果優(yōu)于化肥，移栽75 d后其根體積、根干重、根系活力和根系總吸收面積分別提高了60.77%、114.76%、53.12%和148.36%，同時顯著提高了植株對磷、鋅、鐵、錳等礦質(zhì)元素的吸收，增幅均大于30%，有效促進(jìn)了烤煙生長和煙葉質(zhì)量。

關(guān)于共堆肥產(chǎn)品，顏培強等［62］研究發(fā)現(xiàn)，在整個煙草種植周期，施用煙稈和玉米秸稈共堆肥產(chǎn)品可減少15%專用肥的使用量，且氣候斑和花葉病病情指數(shù)的降幅明顯優(yōu)于對照（常規(guī)施肥組），煙葉產(chǎn)量提高了6.3%。相比餅肥，有機物料與煙稈共堆肥產(chǎn)品的施用能夠通過調(diào)控?zé)熑~中還原糖的含量、氯離子含量以及K/Cl比提高烤煙煙葉的整體品質(zhì)，且C/N高的堆肥產(chǎn)品的使用效果最好［46］。在組合施肥效果評價方面，在酸性土壤中施加專用復(fù)合肥、提苗肥和追肥的基礎(chǔ)上增施含煙稈有機肥或秸稈有機肥的肥料組合對煙株團棵期農(nóng)藝性狀的改善效果優(yōu)于加施商用有機肥、土壤調(diào)理劑（施地佳）、堿性肥料（生石灰、白云石粉）等組合肥料。其中，在煙草團棵期煙稈有機肥提升株高和莖圍的效果最為顯著，盡管打頂后各組合處理間的農(nóng)藝性狀無顯著差異，但含煙稈有機肥的肥料組合處理后株高、莖圍、葉寬和葉面積指標(biāo)為最優(yōu)［45］。在施用常規(guī)肥料的基礎(chǔ)上，加施煙稈和菜籽餅共堆肥產(chǎn)品早期能促進(jìn)煙葉早生快發(fā)，后期有利于煙葉成熟落黃，能顯著促進(jìn)烤煙根系生長，降低病害發(fā)生，提升煙葉外觀和內(nèi)在質(zhì)量，煙葉總糖、還原糖和上部葉煙堿的含量明顯降低，煙葉總氮和氧化鉀明顯提高，煙葉光澤和油分顯著增加，產(chǎn)量提高了6.2%［63］。解曉菲等［64］的研究也表明，煙稈堆肥與化肥配施更符合白肋煙生長的需肥規(guī)律，在上部煙葉提前成熟落黃和大田生育期縮短方面優(yōu)于純化肥處理，能有效促進(jìn)煙葉的生長，增大煙葉的面積。施用煙稈生物有機肥能顯著增加煙葉的產(chǎn)量和品質(zhì)，煙葉產(chǎn)量、產(chǎn)值、中等煙比例分別提高了7.48%、14.07%和11.72%。張盼等［65］的研究也表明，在有機、無機生物肥施用的基礎(chǔ)上增施煙草堆肥后，煙葉產(chǎn)量提高了13.7%，且中上等煙比例提高了2%。耿明明等［48］的研究顯示，相比單施化肥，煙梗（末）有機肥與化肥配施的煙葉產(chǎn)量和中上等煙占比分別提高了4.82%和2.42%，效果與商品有機肥配施化肥相當(dāng)，且煙葉鉀和總糖含量也分別提高了22.51%和12.43%。

在病蟲害防治方面，陳崗等［66］研究發(fā)現(xiàn)，在煙田中施加煙草廢棄物堆肥后，相比對照（不施加肥料），煙田中煙草炭蛆病和赤星病發(fā)病株率、花葉病株率、兩黑病發(fā)病株率分別下降了12%～15%、2%～3%和5%～7%。在與其他肥料配施后，煙稈堆肥的施用能夠顯著提高白肋煙的抗病性，青枯病發(fā)病率比對照（單施化肥組）降低了66.36%［64］。耿明明等［48］的研究表明，盡管煙梗（末）有機肥與商品有機肥均可有效降低煙草花葉病、青枯病、黑脛病及赤星病的發(fā)病率及病情指數(shù)，但煙梗（末）有機肥與化肥配施后的防治效果最好，且優(yōu)于單施煙梗（末）有機肥，其中，對團棵期和現(xiàn)蕾期花葉病防治率為31.91%和55.76%，對現(xiàn)蕾期和成熟期黑脛病防治率分別為53.60%和36.68%，對成熟期青枯病、赤星病的防治率分別為41.09%和46.35%。

2.3.2 煙桿堆肥在其他作物種植中的效果施用煙稈堆肥對其他作物（主要包括菜心、番茄、核桃、萵筍、玉米）種植影響的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，相比單施有機肥，有機堆肥與無機肥配施的效果更好，這可能與有機肥遲效、緩效的特點有關(guān)，故有機堆肥多與無機肥配施。煙稈堆肥對玉米有促生作用，施用后玉米的株高、根長、葉長、葉寬、全重、莖重、根重以及根冠比等均顯著增加［17］。相比單施有機肥，與無機肥配施的效果更顯著。李放［34］的研究顯示，煙稈與雞糞共堆肥產(chǎn)品或與化肥配施提升菜心產(chǎn)量和質(zhì)量的效果較好，其中配施效果最好，菜心干物質(zhì)產(chǎn)量相比對照（不施肥料）提高了51.0%，且菜心的硝酸鹽含量達(dá)到一級食品的要求。毛家偉等［67］的研究顯示，雞糞和煙葉共堆肥產(chǎn)品施用后對番茄和黃瓜產(chǎn)量的提升效果優(yōu)于單施雞糞有機肥，相比對照（不施有機肥組），番茄和黃瓜可分別增產(chǎn)20.0%～22.8%和23.9%～29.6%。楊政明等［68］研究發(fā)現(xiàn)，相比常規(guī)無機復(fù)混肥、煙草廢棄物堆肥和農(nóng)家肥，煙草廢棄物堆肥中添加無機氮、磷、鉀制成的有機無機復(fù)混肥促進(jìn)核桃生長，提升核桃產(chǎn)量和質(zhì)量的效果最好，產(chǎn)量比對照（施用當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)農(nóng)家肥組）提高了18.9%。王亞麒［49］的研究發(fā)現(xiàn)，煙末有機堆肥與化肥配施對玉米、楊梅、花椰菜和辣椒產(chǎn)量及品質(zhì)的提升效果顯著優(yōu)于單施化肥，其中玉米粒產(chǎn)量、粗蛋白和淀粉含量分別提高了10.11%、13.94%和13.75%，花椰菜的產(chǎn)量、粗蛋白和淀粉含量分別提高了15.57%、24.55%和23.51%，辣椒的產(chǎn)量、維生素C和硝酸鹽含量分別提高了14.04%、38.36%和13.76%，楊梅的產(chǎn)量和維生素C含量分別提高了5.45%和4.77%。在液態(tài)有機肥效果評價方面，魯賢等［42］的研究發(fā)現(xiàn)，煙梗發(fā)酵后制成的濾液（水溶性肥料）可通過增加單株萵筍的重量和長度提升萵筍產(chǎn)量，產(chǎn)量分別比對照（不施肥組）和化肥組提高了20.4%和18.2%。

以上結(jié)果表明，煙草廢棄物堆肥化利用對煙草和其他諸如菜心、番茄、核桃、萵筍、玉米等作物的產(chǎn)量和品質(zhì)均有顯著的提升效果，其中煙草源堆肥與化肥共同施用的效果最好，且優(yōu)于單施化肥，具體表現(xiàn)為減肥增效、產(chǎn)量和品質(zhì)明顯提升，其中品質(zhì)包括中上等煙葉比重、產(chǎn)品營養(yǎng)元素含量增加以及有害元素降低等方面。另外，在煙葉種植方面，煙草源堆肥的施用對煙田炭蛆病、赤星病、花葉病、青枯病、黑脛病等還具有顯著的病蟲害防治效果。

3 展望

煙草廢棄物堆肥化制備技術(shù)主要有3種，分別是微生物菌劑添加技術(shù)、共堆肥技術(shù)和煙草堆肥原料的預(yù)處理技術(shù)。此外，還衍生出液態(tài)有機肥以及厭氧發(fā)酵聯(lián)產(chǎn)有機肥兩種技術(shù)。在堆肥肥效研究方面，目前主要是通過對土壤的物理、化學(xué)以及生物參數(shù)的全面調(diào)控來達(dá)到改良土壤的目的，且煙草源有機肥或單施或配施的效果通常優(yōu)于其他秸稈有機肥。在土壤修復(fù)方面，煙草廢棄物堆肥化以及堆肥產(chǎn)品的施用能夠顯著鈍化原料及土壤中的重金屬元素，降低其生物可利用性，二者共同作用進(jìn)而提高了作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，其中煙草廢棄物有機肥與化肥配施的方式對作物增產(chǎn)和提質(zhì)的效果相對較好，也將是未來煙草源堆肥的主要利用方式。

針對煙草特種材料，各堆肥化技術(shù)路線研究的系統(tǒng)性還有待完善，如各煙區(qū)煙草廢棄物的物質(zhì)基礎(chǔ)及堆肥化的適應(yīng)性評價研究、煙草廢棄物堆肥腐熟度的快速測定指標(biāo)體系研究、堆肥化過程中微生物區(qū)系動態(tài)演變與堆肥有效養(yǎng)分和安全性評價之間的互作關(guān)系等尚不明確。另外，基于煙草堆肥菌劑商業(yè)化方面的考慮，如何在提高纖維素降解菌產(chǎn)酶量和酶活性的同時進(jìn)一步降低菌劑的成本（生產(chǎn)和儲運），還需體系化研究。但相比傳統(tǒng)化肥，煙草源堆肥的整個產(chǎn)業(yè)鏈還受限于其較高的成本，尤其是煙田廢棄物收集、儲運、預(yù)處理等環(huán)節(jié)，在很大程度上影響了其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。在未來綠色循環(huán)生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展大勢中，如何進(jìn)一步提高堆肥產(chǎn)品的性價比乃至整個產(chǎn)業(yè)鏈的經(jīng)濟性仍舊是技術(shù)產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)的關(guān)鍵，其中，堆肥的多功能化或許是其創(chuàng)新利用的一個重要發(fā)展路徑，即將堆肥產(chǎn)品與其他有機肥、無機肥、保水劑、有益微生物菌劑、生物農(nóng)藥等的一種或多種功能成分進(jìn)行有機耦合，研發(fā)兼顧短期與長期效應(yīng)、病蟲防治、抗旱保水、土壤改良與修復(fù)及作物品質(zhì)產(chǎn)量提升等多重功能的新型產(chǎn)品，進(jìn)而形成對傳統(tǒng)化肥的比較優(yōu)勢，是未來學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界應(yīng)關(guān)注的重要研發(fā)方向。