王亞麒，魏立本，易忠經，趙 建，袁 玲*

（1.西南大學資源環(huán)境學院，重慶 400700；2.貴州省煙草公司遵義市公司，貴州 遵義 563000）

烤煙是我國重要的經濟作物，是當地煙農經濟和國家財政稅收的主要來源之一。我國每年生產煙葉450萬～500萬t，其中約有25%的煙末（梗）不能用于卷煙生產。例如，在我國的主產煙區(qū)——云南省，所生產的煙葉中有30%～35%屬于不能進行卷煙加工的低等或等外級煙葉［1］；在煙草種植與煙廠生產卷煙時，廢棄的大量煙末和煙梗需要無害化處理。目前，處理廢棄煙末（梗）的主要方式包括直接焚燒、能源燃燒、衛(wèi)生填埋等，直接焚燒不僅污染空氣，而且浪費有機質資源；煙末（梗）的燃燒值低，做能源燃燒的經濟收益差，入不敷出；衛(wèi)生填埋占用土地，容易造成水源污染；廢棄煙末（梗）含有多種有害物質，如：煙堿（0.5%～6%）、尼古丁酸（0.5%～2%）、茄尼醇（0.5%～4%），以及某些煙草病原菌（花葉病、根腐病、黑脛病等），其中煙堿對多種土壤微生物的生長有抑制作用［2］；煙草病原菌可增加后茬茄科作物致病率，降低其果實產量與品質［3］。值得注意的是，廢棄煙末（梗）富含有機質、氮、磷、鉀及其它營養(yǎng)元素，其養(yǎng)分含量顯著高于玉米、小麥、水稻等禾本科作物秸稈，是優(yōu)良的有機肥源［4］。在農業(yè)生產中，施用有機肥補充土壤碳、氮、磷、鉀及微量元素，改善土壤物理、化學及生物學性質，如疏松土壤，改良土壤結構，提高養(yǎng)分生物有效性，增強微生物活性，增加作物產量，改善品質等［5-8］。因此，生產有機肥是無害化處理與資源化利用廢棄煙末（梗）的有效方式之一。

目前，在利用煙草廢棄物發(fā)酵生產有機肥方面雖有一些報道，但是由于普通堆肥及短期發(fā)酵不能完全清除、殺滅煙草廢料中的毒素和病原菌［9］，加之工藝流程不完善、堆肥菌劑與輔助材料各異，堆肥效果差異較大［10-11］。為此，本項研究以熱解纖維梭菌（Clostridium thermocellumsp.）作菌劑，對煙末（梗）廢棄物進行60 d的高溫發(fā)酵處理，生產出煙末（梗）有機肥，并以黔北煙區(qū)典型、具有代表性的玉米、花椰菜和楊梅為對象，驗證其肥效，旨在為無害化處理資源化利用廢棄煙末（梗），防治環(huán)境污染，改良土壤，提高作物產量與品質提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 煙末（梗）有機肥的制備

廢棄煙末（梗）：供試煙末（梗）來源于貴州遵義市煙草公司綏陽煙草科技園，由當地烤煙采收丟棄的煙梗和煙葉，以及烘烤遺棄的煙末（梗）組成。

發(fā)酵菌劑：熱解纖維梭菌由西南大學資源環(huán)境學院微生物實驗室分離獲得，最高耐受溫度72℃，最適生長和最適產酶溫度52～55℃。在50℃培養(yǎng)條件下，用50 mL赫奇遜液體培養(yǎng)基培養(yǎng)10 d，6 000 r/min離心培養(yǎng)10 min，上清液中的纖維酶活力分別為10.2 μg/（min·mL）（CMC-Na酶）、6.1 μg/（min·mL）（微晶纖維素酶）、3.1 μg/（min·mL）（濾紙酶）。在 50℃條件下，分別液體培養(yǎng)供試菌株10 d備用［12-13］。

生產設施：用透光率大于70%的陽光板構建太陽能溫室，面積1 200 m2（長×寬=60 m×20 m），高5 m；30 cm C30混凝土（標準立方體抗壓強度為30 Mpa）地面，發(fā)酵槽高2 m，寬4 m，長50 m；在發(fā)酵槽底部，間隔0.5 m鋪設直徑為4 cm的通氣管，通氣管上每隔10 cm有直徑0.5 cm的通氣孔；在發(fā)酵槽上部，安裝行走式翻拋機。

生產煙末（梗）有機肥：粉碎廢棄煙末（梗）至≤3 mm，按廢棄煙末（梗）∶水∶尿素∶發(fā)酵菌劑∶硫酸鈣質量比為100∶50∶0.5∶0.5∶1混合均勻，填充至1.8 m于發(fā)酵槽內，堆制第3 d后，每隔6 h用空壓機經通氣管道通氣，每次每立方米的煙末（梗）通氣為0.005 m3。每隔5 d用行走式翻拋機翻堆1次，翻堆當天不通氣，約60 d后物料腐熟成黑褐色即生產出煙末（梗）有機肥（以下簡稱有機肥，表 1）［4，14-17］。

表1 煙末（梗）有機肥的pH值、水分、有機質和養(yǎng)分含量

1.2 肥效研究

試驗區(qū)域概況：貴州省遵義市綏陽縣高方子村（N 27°53′、E 107°04′），海拔 1 200 m，亞熱帶太平洋季風氣候，年均氣溫14.7℃，年均降水1 200 mm，無霜期270 d。土壤類型為黃壤，中等肥力，pH值5.67、有機質22.75 g/kg、全氮1.03 g/kg、全磷0.48 g/kg、全鉀9.95 g/kg。

供試品種：玉米為墾粘1號，花椰菜為清江，均購于當地農資公司；楊梅為貴州火炭梅，樹齡8年。

化肥：尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O512%）和硫酸鉀（K2O 50%），購于當地農資公司。

試驗方法：試驗于2017年12月～2018年10月進行。設置：（1）不施肥（CK）；（2）單施化肥（CF）；（3）單施煙末（梗）有機肥（OF）；（4）50%化肥配施50%煙末（梗）有機肥（CF+OF）4種處理。

根據試驗區(qū)土壤肥力和計劃產量確定田間施肥量。其中，玉米N 150 kg/hm2、P2O5110 kg/hm2、K2O 140 kg/hm2；楊梅 N 225 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 140 kg/hm2；花椰菜 N 180 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 220 kg/hm2。玉米、花椰菜的小區(qū)面積30 m2，每公頃種植楊梅405～450株，每小區(qū)5～6株，均重復3次，隨機區(qū)組排列。在OF和CF+OF處理中，以氮為基準確定OF用量，不足的磷、鉀由化肥補充，使各施肥處理的氮、磷、鉀用量相等。在施肥時，煙末（梗）有機肥和磷鉀肥全做基肥，基肥用氮量占總用量的70%（玉米）或60%（楊梅、花椰菜），剩余的氮肥追施于玉米大喇叭口期、花椰菜花球成熟期、楊梅開花期，種植密度和病蟲害防治等田間管理同當地大田生產。

1.3 樣品采集與分析

土壤有效養(yǎng)分：分別在玉米出苗期、大喇叭口期、孕穗期、成熟期，楊梅花芽休眠期、開花期、果熟期，花椰菜苗期、蓮坐期、花球成熟期、開花結果期采集0～20 cm耕層土壤。用擴散法測定土壤堿解氮，鉬銻抗比色法測定有效磷，火焰光度法測定速效鉀［18］。

土壤微生物量：分別在玉米成熟期、楊梅果熟期、花椰菜開花結果期，按照測定土壤有效養(yǎng)分方法采集土壤樣品，用氯仿熏蒸—0.5 mol/L K2SO4提取微生物量碳、氮，K2CrO7氧化法測碳，腚酚藍比色法測氮［19-20］。

植株樣品：在作物成熟后，采集具有代表性的樣品，測定品質指標。玉米籽粒：粗蛋白、淀粉；楊梅果實：維生素C、可溶性糖、可滴定酸、糖酸比；花椰菜花球：收獲時含水量、粗蛋白、可溶性糖?？扇苄蕴恰⒖傻味ㄋ?、維生素C、淀粉、粗蛋白、硝酸鹽和游離氨基酸總量的測定方法依次是蒽酮比色法、酸堿中和滴定法、2，6-二氯酚靛酚滴定法、酸解-蒽酮比色法、凱氏定氮法、紫外分光光度法和水合茚三酮法［21］。

農藝性狀：在作物成熟時，根據各作物每個小區(qū)分別隨機選取植株測定以下性狀指標。玉米：穗粒數、百粒重、籽粒產量；楊梅：總產量；花椰菜：單球重、球徑、總產量。

1.4 統(tǒng)計分析方法

使用Excel 2016對試驗數據進行統(tǒng)計整理，SPSS 18.0軟件進行統(tǒng)計分析，并采用LSD法比較處理間差異顯著性，顯著性水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 煙末（梗）有機肥對土壤養(yǎng)分的影響

圖1是玉米出苗期、大喇叭口期、孕穗期和成熟期土壤有效養(yǎng)分的變化。

圖1 煙末（梗）有機肥對玉米土壤有效養(yǎng)分的影響

堿解氮：在施用CF的土壤中，大喇叭口期堿解氮最高，然后降低，但孕穗期和成熟期仍顯著高于出苗期；隨著玉米的生長發(fā)育，CK、CF+OF和OF土壤中的堿解氮以近似直線的方式持續(xù)緩慢增加，整體呈現 CF+OF＞CF＞OF＞CK。

有效磷：在施用CF與CF+OF的土壤中，從出苗期到大喇叭口期有效磷含量顯著增加，之后顯著降低，呈現以大喇叭口期為峰頂單峰形勢變化；隨玉米生育期延長，CK與OF土壤中的有效磷含量持續(xù)降低，CK處理的降幅顯著高于OF，達34.79%。

速效鉀：在施用CF的土壤中，速效鉀含量變化類似堿解氮，在玉米大喇叭口期最高，之后逐漸下降；隨著玉米生長發(fā)育，CF+OF處理土壤中的速效鉀含量以近似拋物線方式持續(xù)增加；OF則無顯著變化；而CK顯著降低。

就養(yǎng)分含量而言，施肥土壤中的有效養(yǎng)分顯著高于CK；在孕穗期和成熟期，CF+OF土壤中的有效養(yǎng)分最高（大喇叭口期堿解氮和有效磷例外，分別與CF無顯著差異且低于CF）。

圖2是楊梅休眠期、開花期和果熟期土壤有效養(yǎng)分的變化。

堿解氮：OF與CF+OF處理的土壤堿解氮總體均呈直線方式平緩提高，就整體水平而言CF+OF＞OF；其中CK處理中堿解氮含量以近似直線方式逐步下降；在CF處理的土壤中，在花芽休眠期到開花期呈現上升趨勢，但從開花期到果熟期階段顯著降低。

有效磷：在楊梅土壤中，4種處理下土壤中有效磷含量呈現逐步減少的趨勢，整體表現為CF+OF＞CF＞OF＞CK，CK處理顯著低于其他3種處理；其中在開花期到果熟期階段CF處理下有效磷含量顯著降低，降幅達44.45%。

速效鉀：楊梅土壤在4種施肥處理下，速效鉀含量整體呈現降低趨勢；其中在OF處理下，楊梅花芽休眠期到開花期階段土壤速效鉀含量顯著下降，楊梅開花期到果熟期階段則無顯著變化；而在CF+OF處理下則與OF處理的變化相反，在楊梅生長前期無顯著變化，在生長后期則顯著下降。

從土壤總體養(yǎng)分含量來看，施肥處理顯著高于不施肥處理，CF+OF與OF處理在楊梅花芽休眠期內，土壤養(yǎng)分消耗趨勢顯著低于其他兩個處理。

圖2 煙末（梗）有機肥對楊梅土壤有效養(yǎng)分的影響

圖3是花椰菜不同生育期土壤有效養(yǎng)分的變化。

堿解氮：在CK與施用CF的花椰菜土壤中，二者整體呈現下降趨勢，隨花椰菜生育期延長，CF+OF與OF土壤中的堿解氮逐步增加，其中CF+OF的增長最為顯著，整體呈現CF+OF＞OF＞CF＞CK。

有效磷：在施用CF、CF+OF與OF的花椰菜土壤中，有效磷含量整體呈現逐步降低趨勢。其中在幼苗期到蓮座期階段CF+OF處理下有效磷含量下降，而在之后的生長期內呈現顯著上升趨勢，4種處理整體呈現CF+OF＞OF＞CF＞CK。

速效鉀：在CK和CF處理下，土壤速效鉀含量呈直線的方式逐步降低；OF處理速效鉀呈現出幼苗期至蓮座期時逐漸升高，在蓮座期之后逐漸降低的趨勢；而CF+OF處理下，土壤速效鉀呈現先下降后上升趨勢，整體表現為CF+OF＞CF＞OF＞CK。

就養(yǎng)分含量而言，在施用肥料處理的土壤中有效養(yǎng)分顯著高于CK，其中CF與CK處理下在農作物生育期內土壤有效養(yǎng)分呈現逐步下降趨勢，而OF與CF+OF處理下土壤中的有效養(yǎng)分雖也有降低趨勢，但降幅明顯低于CF與CK處理。

圖3 煙末（梗）有機肥對花椰菜土壤有效養(yǎng)分的影響

2.2 煙末（梗）有機肥對土壤微生物量碳、氮的影響

由表2可知，玉米土壤微生物量碳CF+OF＞OF＞CF＞CK，變幅為151.56 ～ 398.35 mg/kg；微生物量氮CF+OF最高，OF和CF次之，CK最低，變幅為11.38～22.96 mg/kg；微生物量碳氮比CF+OF最高，OF次之，CK和CF最低，變幅為13.31～17.35。

表2 煙末（梗）有機肥對土壤微生物量碳、氮的影響

在楊梅土壤中，CF+OF處理下土壤微生物量碳相較于其他3種處理達最大值，CF略高于OF，CK與OF無顯著差異，相較于CK處理，CF+OF處理使土壤微生物量碳增加了15.51%；而微生物量氮，CF+OF同樣為最高，但OF、CF與CK之間并無顯著差異，4種處理變幅為16.41～18.21 mg/kg；微生物量碳氮比CF+OF最高，OF次之，CF再次之，CK處理最低，其中相較于CK處理，在CF+OF處理下碳氮比增加了66.81%。

在花椰菜土壤中，土壤微生物量碳CF+OF相較于其他3個處理最高，OF＞CF＞CK，變幅為140.67～378.46 mg/kg；而微生物量氮，CF+OF同樣為最高，OF和CF次之，CK最低，變幅為12.27～23.85 mg/kg；微生物量碳氮比OF最高，CF+OF次之，CK和CF最低，變幅為11.47～14.17。

2.3 煙末（梗）有機肥對作物產量與品質的影響

2.3.1 煙末（梗）有機肥對玉米產量與品質的影響

由表3可知，玉米籽粒產量CF+OF＞OF＞CF＞CK，變幅為8 574～10 565 kg/hm2。而玉米穗粒數指標中各個處理之間差異并不顯著，玉米籽粒的百粒重和產量CF+OF最高，CF和OF次之，CK最低，CF+OF的百粒重和籽粒產量分別比CF提高3.68%和8.81%。

在施用CF+OF和OF的處理中，玉米籽粒的粗蛋白分別比CF提高13.93%和12.14%；淀粉含量分別比CF增加16.52%和13.75%。

表3 煙末（梗）有機肥對玉米產量與品質的影響

2.3.2 煙末（梗）有機肥對楊梅產量與品質的影響

由表4可知，楊梅分兩次采摘，在第一次采摘中，楊梅的各個處理之間差異較大，其中CF+OF最高，CF次之，OF再次之，CK最低；第二次采摘中的各個處理之間差異較小，最后總產量呈現CF+OF≈ CF＞OF＞CK，CF+OF比CK產量提高26.75%，比CF產量提高5.74%。

由表4可知，在維生素C的指標中，CF+OF為最高，CF與OF次之，CK最低；在可溶性糖與可滴定酸的指標中，各處理表現為CF+OF＞OF＞CF＞CK；在糖酸比指標中，4種處理沒有顯著差異。

表4 煙末（梗）有機肥對楊梅產量與品質的影響

2.3.3 煙末（梗）有機肥對花椰菜產量與品質的影響

花椰菜經濟產量為CF+OF＞CF＞OF＞CK，變幅為25 960～29 640 kg/hm2。在花椰菜的單球重和球徑兩個指標中，CF+OF均為最高，CF和OF次之，CK最低；CF+OF的經濟產量比CF提高5.71%。

由表5可知，在CF、OF和CF+OF處理下，花椰菜收獲時含水量均顯著增高，其增幅分別為6.23%（CF+OF）＞5.74%（CF）＞5.24%（OF）； 在CF+OF和OF處理中，花椰菜花球的粗蛋白分別比CK處理提高了31.6%和14.15%；但可溶性糖指標中，CF+OF、OF和CF處理之間則無顯著差異，但3種處理都顯著高于CK處理增幅為6.04%～6.65%。

表5 煙末（梗）有機肥對花椰菜產量與品質的影響

3 討論

在堆肥腐熟過程中，微生物可以使有機質發(fā)生礦化與腐殖化［22］，在發(fā)酵的高溫階段，高溫微生物活躍程度達到頂峰，有機質礦化和脫水速率達最高，是無害化處理廢棄物生產有機肥的關鍵時期［23-24］。在此試驗中，接種高溫纖維芽孢桿菌之后，物料迅速升溫，最高可達74℃。在≥70℃的高溫期，大多數病原微生物無法存活，僅剩下接入的高溫菌種。此外，煙稈中的纖維素與半纖維素在纖維芽孢桿菌作用下釋放出大量熱量，在提高溫度的同時也殺滅了大量的病原微生物。此階段在腐熟廢棄煙末（梗）的過程中對脫水、腐熟、提高堆肥質量、除臭和滅菌等均有重要作用［25-27］。

試驗表明，施用CF+OF處理的土壤有效養(yǎng)分（堿解氮、有效磷、速效鉀）在玉米、楊梅與花椰菜的生長中后期均得到顯著提高，恰好與作物在果熟期時需要較多營養(yǎng)元素相協調，有益于滿足作物的營養(yǎng)需要，提高作物的產量與品質。土壤微生物可以直接參與各種土壤養(yǎng)分的分解與轉化，特別是有機質的分解與腐殖質的合成［28-29］。而微生物量碳、氮與土壤微生物的具體數量相比較更能全面的表征土壤實際肥力水平和潛力，是更靈敏、更準確的土壤肥力水平指標［6，30］。與CK和CF處理相比，CF+OF處理顯著提高土壤微生物量碳、氮，說明煙末（梗）有機肥促進微生物生長繁殖，數量增加，類似普通商品有機肥，其原因是施用的煙末（梗）有機肥里富含有機質，為微生物生長提供了更多的碳源和氮源，同時促進作物根系代謝，使根系的分泌物增多，微生物繁殖加快，從而提高了土壤酶活性［31-34］。此外，在不同施肥處理中，微生物量碳氮比差異顯著，推測土壤微生物的組成和群落結構因施肥而發(fā)生變化，具體情況需要進一步研究。

在煙末（梗）有機肥與化肥混合施用的處理下，由于土壤養(yǎng)分的增加，土壤微生物活力增強，使3種作物的產量均得到不同程度的提高。從玉米產量的構成因素可知，增加穗粒數，提高粒重是玉米高產的直接原因。而增加單球重，提高球徑是花椰菜增產的主要因素。從果實品質上來看，施用煙末（梗）有機肥后，玉米籽粒的粗蛋白和淀粉含量顯著高于CF和CK，說明玉米籽粒品質得到有效改善；楊梅的維生素C、可溶性糖和可滴定酸含量顯著提高。但是在糖酸比指標中，4種處理的比值均無顯著差異，而可溶性糖與可滴定酸的比值及其動態(tài)變化在很大程度上決定了楊梅果實風味。由此可見，煙末（梗）有機肥與化肥混施可以有效提高楊梅可溶性糖含量與可滴定酸含量，但是對楊梅口味與風味的影響，與單施化肥的處理無顯著差異。這可能與農民疏于管理，果園從栽種之后就沒有系統(tǒng)規(guī)范的施過肥料，土壤普遍缺乏基礎養(yǎng)分有關，需進一步研究觀察［35-37］；從花球的品質看，施用煙末（梗）有機肥后，花椰菜的粗蛋白含量顯著高于單施化肥處理，說明花椰菜花球的品質得到有效改善。

4 結論

在無害化處理廢棄煙末（梗）的過程中，接種高溫纖維芽孢桿菌菌劑，添加適量尿素與水，經60 d高溫堆肥發(fā)酵，腐熟而成的煙末（梗）有機肥。經肥效驗證，可以提高土壤微生物量碳、氮含量，促進微生物的生長繁殖，進而活化土壤，有利于作物根系的生長和發(fā)育，進一步促進了作物對氮、磷和鉀養(yǎng)分的吸收，煙末（梗）有機無機肥配施顯著提高作物的產量和品質。因此，在國家竭力控煙的政策和農田大量缺乏有機肥原料的情況下，在貴州遵義綏陽縣的栽培實踐中，腐熟堆制的廢棄煙末（梗）可為當地的谷物、水果、蔬菜種植提供大量有機肥源，可進一步推廣應用。