柳榭陽(yáng) 邸慧慧 黃占斌 何小松*

1 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 北京 100083

2 中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院國(guó)家環(huán)境保護(hù)地下水污染模擬與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100012

3 湖北省煙草公司恩施州公司 恩施 445000

4 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 長(zhǎng)沙 410128

我國(guó)作為煙草大國(guó)，每年的煙葉產(chǎn)量超過(guò)200萬(wàn)噸，煙草種植面積和產(chǎn)量均居世界首位。在種植與加工煙草的過(guò)程中，產(chǎn)生的煙草廢棄物（杈煙、莖桿、低次煙葉）能夠達(dá)到煙葉總產(chǎn)量的25%，如果對(duì)其處理不當(dāng)，不僅浪費(fèi)資源，還會(huì)污染大氣、土壤及地下水，對(duì)環(huán)境造成危害[1]。目前，我國(guó)煙草行業(yè)對(duì)煙草廢棄物的處理方式，大多仍是隨意丟棄或者集中焚燒銷毀。因此，探究煙草廢棄物如何更高效合理的利用，是目前我國(guó)關(guān)于生態(tài)環(huán)境研究中需要解決的問(wèn)題之一。本文綜述了煙草廢棄物資源化利用現(xiàn)狀，包括提取茄尼醇、蛋白質(zhì)等物質(zhì)以及生產(chǎn)堆肥；煙草廢棄物堆肥過(guò)程中的關(guān)鍵物質(zhì)：腐植酸、煙堿和木質(zhì)纖維素研究；煙草廢棄物堆肥研究的概況。這對(duì)加強(qiáng)煙草廢棄物的資源化利用，特別是煙草廢棄物作為原料生產(chǎn)堆肥具有重要意義。

1 煙草廢棄物資源化利用現(xiàn)狀

我國(guó)作為煙草種植大國(guó)，生產(chǎn)中不可避免會(huì)產(chǎn)生大量的煙草廢棄物。為了提高優(yōu)質(zhì)煙葉有效供給能力，實(shí)現(xiàn)卷煙上水平，2011年國(guó)家煙草專賣局要求每株煙打掉3片葉（2片底腳葉、1片頂葉），即每公頃約產(chǎn)生1800 kg廢棄鮮煙葉，所以各煙區(qū)勢(shì)必產(chǎn)生大量的廢棄鮮煙葉[2]。這樣既造成了資源浪費(fèi)，也造成了環(huán)境污染。近年來(lái)，國(guó)家逐漸加大了環(huán)境保護(hù)和農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用力度，煙草行業(yè)也不例外。國(guó)內(nèi)外針對(duì)煙草的資源化利用進(jìn)行了大量研究。研究表明，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)煙草廢棄物的資源化利用主要是從煙葉中提取茄尼醇、煙堿、植物蛋白等物質(zhì)，也可用于制作堆肥、活性炭及生物質(zhì)燃料等[3]。

1.1 國(guó)內(nèi)外煙草廢棄物相關(guān)研究概況

運(yùn)用Citespace軟件，對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于煙草廢棄物相關(guān)研究進(jìn)行可視化分析。采用中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)作為中文文獻(xiàn)檢索平臺(tái)，檢索方式選擇高級(jí)檢索，來(lái)源類別限定為“核心期刊”（具體包括：北大核心期刊、中國(guó)科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(kù)和南大核心期刊），以“煙草廢棄物”或“廢棄煙草”或“廢棄煙葉”為主題詞進(jìn)行檢索，檢索時(shí)間跨度為2001—2020年，經(jīng)人工確認(rèn)研究主題無(wú)誤且沒(méi)有重復(fù)記錄后，得到的中文文獻(xiàn)只有55篇，所以不對(duì)此進(jìn)行Citespace分析。外文文獻(xiàn)來(lái)源于Web of Science（WOS）數(shù)據(jù)庫(kù)核心合集，設(shè)置檢索策略為：TS=（tobacco waste or discarded tobacco），語(yǔ)言選擇“English”，時(shí)間跨度設(shè)為2001—2020年，同樣經(jīng)過(guò)人工確認(rèn)研究主題無(wú)誤且沒(méi)有重復(fù)記錄后，共得650篇英文文獻(xiàn)。

從不同年份的相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)文量來(lái)看（圖1），關(guān)于煙草廢棄物相關(guān)研究的發(fā)文量隨著出版年份逐漸上升，可知近20年來(lái)，人們對(duì)煙草廢棄物的處理越來(lái)越關(guān)注。

圖1 WOS數(shù)據(jù)庫(kù)中煙草廢棄物相關(guān)研究發(fā)文量趨勢(shì)Fig.1 Trends in the publications number of research related with tobacco waste in WOS database

突現(xiàn)關(guān)鍵詞是指關(guān)鍵詞在某個(gè)時(shí)段內(nèi)頻次突然增高，即突現(xiàn)關(guān)鍵詞。分析研究領(lǐng)域中的突現(xiàn)關(guān)鍵詞，可以反映某領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)及前沿。WOS數(shù)據(jù)庫(kù)中煙草廢棄物相關(guān)研究的前25個(gè)突現(xiàn)關(guān)鍵詞如圖2所示。圖中展示了其突現(xiàn)強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)長(zhǎng)，發(fā)現(xiàn)所有的突現(xiàn)關(guān)鍵詞都持續(xù)了2年及以上，其中持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的突現(xiàn)關(guān)鍵詞是2015—2020年的菌株（strain），表明從2015年開始關(guān)于菌株在尼古丁降解方面的研究廣泛出現(xiàn)，一直持續(xù)至今；2001—2007年沒(méi)有出現(xiàn)突現(xiàn)關(guān)鍵詞，說(shuō)明這段時(shí)間的研究不多；2007—2012年的研究主要集中在煙草廢棄物的生物降解和被其污染土壤中物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化，可推測(cè)早期的煙草廢棄物處理還是多以填埋、隨意丟棄為主；2012—2016年主要對(duì)煙草廢棄物潛在應(yīng)用進(jìn)行了大量研究，包括煙堿的降解和提取利用、菌株在煙堿降解中的作用以及煙草生長(zhǎng)發(fā)育相關(guān)研究。近年來(lái)的研究主要集中在煙草廢棄物的處理處置方面，包括煙草廢棄物的減量手段和綜合利用方法，其中關(guān)于焚燒銷毀、制備活性炭和利用廢棄煙草中纖維素的研究最多。

圖2 WOS數(shù)據(jù)庫(kù)中煙草廢棄物相關(guān)研究的前25個(gè)突現(xiàn)關(guān)鍵詞Fig.2 Top 25 highlight key words of research related with tobacco waste in WOS database

1.2 煙草廢棄物的資源化利用途徑

1.2.1 提取重要化合物

提取茄尼醇。茄尼醇具有抗菌、消炎的作用，是一種重要的抗癌、抗?jié)兒涂剐哪X血管疾病藥物的中間體，未來(lái)在醫(yī)藥行業(yè)有著巨大的發(fā)展前景。它是一種天然產(chǎn)物，在煙草、馬鈴薯和桑葉中含量較高[3]。

提取煙堿。煙堿俗稱尼古丁，是天然煙葉中存在的一種特殊生物堿，它的用途非常的廣泛，在國(guó)防、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥和煙草行業(yè)被廣泛的應(yīng)用[4]。

提取蛋白質(zhì)。從煙草中提取的蛋白質(zhì)具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和藥用價(jià)值。它是一種優(yōu)良的食品添加劑原料，同時(shí)還能作為人類補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)的物質(zhì)。煙葉蛋白中含有10種氨基酸，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他植物蛋白。

1.2.2 制備其他物質(zhì)

生產(chǎn)堆肥。利用生物腐熟技術(shù)將煙稈或廢棄煙葉制成堆肥。該技術(shù)具有周期短、無(wú)環(huán)境污染及利用率高等特點(diǎn)。由于煙堿含量較高，經(jīng)過(guò)腐殖化后形成的堆肥具有獨(dú)特的抗病和生化作用。湖北省恩施州利用煙草秸稈發(fā)酵技術(shù)成功生產(chǎn)出煙草秸稈生物堆肥，并形成“一廠四線”的生物堆肥生產(chǎn)布局，構(gòu)建了“低碳煙草、清潔生產(chǎn)、循環(huán)農(nóng)業(yè)”的煙區(qū)可持續(xù)發(fā)展全新模式[5]。

制備活性炭。煙草廢棄物中有機(jī)碳含量較高，可以用其來(lái)制備活性炭。采用化學(xué)法在合適的工藝條件下制備的活性炭具有原料成本低廉、產(chǎn)品純度高、比表面積大、吸附性能好等優(yōu)良特性，可用做催化劑或催化劑載體，具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度及耐酸、耐熱、耐堿性能?；钚蕴勘粡V泛應(yīng)用于化學(xué)和醫(yī)學(xué)工業(yè)方面，在城市污水、飲用水、工業(yè)廢水的處理上表現(xiàn)良好。

制備生物質(zhì)類燃料。通過(guò)一定的方式將煙草廢棄物有效利用，制成生物質(zhì)燃料，可以解決一定的能源問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)再生。生物質(zhì)燃料是一種清潔的新能源，具有原料多樣化和資源可循環(huán)利用的特點(diǎn)。此外，它對(duì)環(huán)境無(wú)害，經(jīng)濟(jì)上可行。它可以轉(zhuǎn)化為傳統(tǒng)的固體、液體和氣體燃料，是一種資源利用率高的可再生能源，可以替代煤炭[6]。

其他用途。煙草秸稈富含纖維素，含量為38%～45%，纖維質(zhì)量好，且比一般木材和草類秸稈纖維更易提取和加工，成本更低。纖維素具有多種用途：纖維素衍生物羧甲基纖維素鈉是一種應(yīng)用廣泛的化工原料；秸稈堆肥含有纖維素生物質(zhì)；利用纖維素可以生產(chǎn)燃料乙醇；煙草秸稈還可以制作纖維板。煙草秸稈既可用于造紙業(yè)，又可供卷煙廠按比例摻在煙末中作煙草薄片，這樣做出的薄片強(qiáng)度高、彈性好、燃燒性能好[7]。

2 堆肥過(guò)程中關(guān)鍵物質(zhì)研究

堆肥是在一定條件下通過(guò)微生物的作用，使有機(jī)物不斷被降解和穩(wěn)定，并產(chǎn)出一種適宜于土地利用的產(chǎn)品的過(guò)程。任何一種合格優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥料的生產(chǎn)都必須經(jīng)過(guò)堆肥發(fā)酵過(guò)程。堆肥過(guò)程中一些物質(zhì)的形成和轉(zhuǎn)化影響著堆肥進(jìn)程。腐殖化是有機(jī)物礦質(zhì)化過(guò)程中的一些中間產(chǎn)物在微生物作用下重新合成一種更復(fù)雜的有機(jī)化合物，即腐殖質(zhì)的過(guò)程。腐殖質(zhì)化過(guò)程為土壤保存了養(yǎng)分，是土壤的保肥過(guò)程。堆肥過(guò)程中主要降解物質(zhì)是分別參與碳、氮循環(huán)的蛋白質(zhì)類物質(zhì)與木質(zhì)纖維素類物質(zhì)，其中木質(zhì)纖維素類有機(jī)質(zhì)是腐殖質(zhì)的主要來(lái)源，而腐植酸是土壤腐殖質(zhì)的主要活性成分。煙草廢棄物中的煙堿屬于有害物質(zhì)，隨意丟棄會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康造成嚴(yán)重危害，所以煙草廢棄物資源化利用前，先要妥善處理其中的煙堿。

2.1 腐植酸形成

腐植酸是動(dòng)植物遺?。ㄖ饕侵参镞z骸）經(jīng)過(guò)微生物的分解和轉(zhuǎn)化，以及地球化學(xué)的一系列過(guò)程形成和積累起來(lái)的一類有機(jī)物質(zhì)[8]，其化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大分子的基本結(jié)構(gòu)是芳環(huán)和脂環(huán)，環(huán)上連有羧基、羥基、羰基、醌基、甲氧基等官能團(tuán)。它主要從風(fēng)化煤、褐煤、泥炭中活化、提取和分離，還可以通過(guò)其他工藝手段從潔凈的生物質(zhì)資源中轉(zhuǎn)化而來(lái)，是地球上最豐富的天然有機(jī)分子，也是維持土壤結(jié)構(gòu)和肥力的關(guān)鍵組成[9]。在堆肥過(guò)程中，一部分腐植酸是在堆肥過(guò)程中新生成的，另一部分腐植酸是由堆肥原料中原有腐殖質(zhì)腐殖化而來(lái)的[10]。堆肥時(shí)間、原料成分、堆置工藝都會(huì)影響腐植酸的生成和變動(dòng)。作物秸稈、禽畜糞便等在微生物（真菌、細(xì)菌）作用下，通過(guò)有氧發(fā)酵，將纖維素、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)等分解成作物可利用的養(yǎng)分，并形成腐殖質(zhì)。堆肥的腐殖化過(guò)程與土壤腐殖化過(guò)程相近，是土壤腐殖化過(guò)程的一個(gè)快速過(guò)程，對(duì)補(bǔ)充腐殖質(zhì)含量低，結(jié)構(gòu)溶解性和生物活性比較差的土壤有重要意義。

木質(zhì)素降解和腐殖質(zhì)形成作為堆肥化過(guò)程中的重要步驟，直接影響堆肥效率和產(chǎn)品質(zhì)量。在堆肥過(guò)程中，木質(zhì)素及其解聚產(chǎn)物是腐殖質(zhì)的重要前體物質(zhì)，木質(zhì)素能夠在特定微生物的代謝作用下發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，最終腐殖化形成特定結(jié)構(gòu)的腐殖質(zhì)[11]。腐植酸形成的過(guò)程被稱為腐殖化，涉及許多生物化學(xué)反應(yīng)。目前，腐殖化過(guò)程主要有3種理論：木質(zhì)素－蛋白理論、多酚－蛋白理論和羰胺縮合理論。木質(zhì)素參與的有木質(zhì)素－蛋白理論和多酚－蛋白理論，因此在堆肥過(guò)程中，木質(zhì)素是形成腐殖質(zhì)的重要前體物質(zhì)[12]。堆肥腐殖質(zhì)是堆肥化過(guò)程中生成的次生產(chǎn)物。腐植酸是腐殖質(zhì)的主要成分[13]。在堆肥過(guò)程中，腐殖質(zhì)的含量是不斷變化的。Wang等[14]研究了豬糞和木屑共同堆肥的腐殖化過(guò)程。堆肥初期，可能是原料中部分腐殖質(zhì)組分降解，腐植酸和黃腐酸含量迅速下降。隨后，腐植酸和黃腐酸含量變化呈相反的趨勢(shì)，黃腐酸含量持續(xù)下降，而腐植酸含量逐漸增加。Zhou等[15]通過(guò)添加不同量的中草藥渣，定量分析了餐廚垃圾和鋸末堆肥過(guò)程中腐殖質(zhì)的含量。當(dāng)廚余垃圾、木屑與中草藥渣含量的比例為1∶1∶1時(shí)，腐植酸和黃腐酸的含量分別從8.10%和6.88%下降到3.97%和0.79%；在堆肥中期，腐植酸含量先降低后升高；堆肥后，腐植酸含量從0.96%增加到2.67%；在沒(méi)有中草藥殘?jiān)那闆r下，腐植酸含量呈先上升后下降的趨勢(shì)，從0.68%下降到0.40%。

腐植酸的含量變化與堆肥化進(jìn)程密切相關(guān)。腐植酸/黃腐酸的比值被廣泛用于評(píng)價(jià)腐植酸和黃腐酸轉(zhuǎn)化的相對(duì)速度以及堆肥的腐熟度。在整個(gè)堆肥化過(guò)程中，腐植酸/黃腐酸顯著增加，最終趨于穩(wěn)定。E4/E6是腐植酸在465與665 nm波長(zhǎng)處的吸光度之比，反映腐植酸的縮合度和芳構(gòu)化程度。與原料相比，腐熟堆料中腐植酸的E4/E6顯著降低，表明堆肥化過(guò)程產(chǎn)生更多的腐植酸，且腐植酸分子中縮合度、芳構(gòu)化程度和分子量均增大[12]。堆肥腐植酸的形成與多種因素有關(guān)。主要包括溫度、pH值、有機(jī)物、抑制劑和誘導(dǎo)劑等[11]。

堆肥腐植酸具有多種環(huán)境功能，包括改變微量元素的遷移、固定及淋溶，間接激活或抑制土壤酶活性，保護(hù)和貯存諸多營(yíng)養(yǎng)元素，在改善土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)團(tuán)粒的形成和增加土壤的緩沖性能，改良酸性土，改造鹽堿地方面發(fā)揮著重要作用[16]。我國(guó)南方酸性土壤較多，施用腐植酸肥料后，腐植酸與土壤中的鐵、鋁等離子發(fā)生作用，形成絡(luò)合物，再加上腐植酸本身的緩沖作用，從而可降低酸性土壤的酸度。我國(guó)鹽堿地大多分布在北方干旱地區(qū)，施用腐植酸類肥料能改變鹽堿地土壤表層的結(jié)構(gòu)，增加團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，破壞鹽分上升的條件，起到“隔鹽”的作用。腐植酸有吸附、絡(luò)合重金屬的能力，也是重金屬污染修復(fù)的重要材料[17]。腐植酸還可以控氮釋磷促鉀，提高肥料利用效率，增加作物產(chǎn)量[18]。

2.2 煙堿的生物調(diào)控

煙堿的生物調(diào)控是指利用微生物的礦化作用將煙堿降解為羧酸和氨基酸等低害或無(wú)害物質(zhì)的過(guò)程，與傳統(tǒng)煙堿調(diào)控技術(shù)相比具有降解效率高、降解產(chǎn)物好等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的物理和化學(xué)方法可以降解煙堿，但這些方法不僅耗時(shí)且價(jià)格昂貴。目前，對(duì)于煙堿生物調(diào)控的研究主要集中在微生物降解方面。微生物在自然界中存在廣泛，是物質(zhì)循環(huán)的重要促進(jìn)者，它們?cè)谡{(diào)節(jié)煙草廢棄物中煙堿含量方面起到了積極的作用，具有重要的應(yīng)用前景。到目前為止，能降解煙堿的微生物主要是細(xì)菌，真菌相對(duì)較少?？山到鉄焿A的細(xì)菌中50%以上屬于節(jié)桿菌屬（Arthrobacter）和假單胞菌屬（Pseudomonas），其他菌株大多為產(chǎn)堿菌（Al-caligenes）、無(wú)色桿菌屬（Achromobacter）、芽孢桿菌屬（Bacillus）和中間蒼白桿菌屬（Ochrobac-trum intermediate）等[19]。煙堿降解菌主要是通過(guò)礦質(zhì)化作用降解煙堿，這些菌株具有較強(qiáng)的煙堿抗性，能將煙堿轉(zhuǎn)化為羧酸和氨基酸，從而降解有毒有害廢物。

2.3 木質(zhì)纖維素的降解

木質(zhì)纖維素是地球上最豐富的生物質(zhì)資源，其主要由纖維素（占干物質(zhì)重的30%～50%）、半纖維素（占干物質(zhì)重的20%～40%）及木質(zhì)素（占干物質(zhì)重的15%～25%）三部分構(gòu)成，此外還包括少量的結(jié)構(gòu)蛋白、脂類和灰分。煙桿中纖維素含量可達(dá)77.44%，木質(zhì)素含量可達(dá)18.63%[20]。堆肥能否腐熟主要限制因素是木質(zhì)素，堆肥過(guò)程中蛋白質(zhì)類物質(zhì)在高溫下容易被微生物降解為氨基酸、脂肪酸等小分子物質(zhì)，而木質(zhì)纖維素類有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)致密、難降解、腐熟周期較長(zhǎng)，是腐殖質(zhì)的主要來(lái)源，也是腐熟周期的主要限制因素。在植物細(xì)胞壁中，纖維素通過(guò)木質(zhì)素、半纖維素和蛋白質(zhì)形成的共價(jià)化學(xué)鍵嵌入，這使得植物在物理和化學(xué)性質(zhì)等各個(gè)方面都難以被微生物降解。木質(zhì)素的解聚是木質(zhì)纖維素碳循環(huán)的強(qiáng)制性要求，也是木質(zhì)纖維素綜合應(yīng)用的關(guān)鍵步驟[21]。

隨著纖維素的廣泛應(yīng)用，世界各國(guó)學(xué)者在纖維素降解菌的篩選方面做出了很多努力，獲得了許多優(yōu)良菌株（表1）。

表1 微生物降解纖維素的主要種屬Tab.1 Main species of microbial degrading cellulose

木質(zhì)素是一種復(fù)雜的三維網(wǎng)狀高分子芳香族聚合物，其溶解性差，化學(xué)降解難[22]。自然界中的木質(zhì)素降解菌極少，僅有極少數(shù)菌能完全分解木質(zhì)素生成CO2。木材腐朽真菌通常分為3類：白腐擔(dān)子菌（White-Rot Basidiomycetes）、軟腐菌（Soft-Rot Fungi）與褐腐擔(dān)子菌（Brown-Rot Basidiomycetes），分別主要引起木材白色、軟質(zhì)或棕色腐朽。白腐真菌是擔(dān)子菌中的一類異質(zhì)真菌，其中側(cè)耳菌（Pleurotus）和粗毛栓菌（Trametes gallica）均有產(chǎn)木質(zhì)素降解酶的能力，且產(chǎn)酶較快。白腐真菌是已知的唯一能將木質(zhì)素降解為CO2和H2O的一類真菌，被公認(rèn)為是一種高效木質(zhì)素降解功能微生物，黃孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）是其代表菌種。子囊菌（Ascomycetes）和氘菌（Deuteromycetes）通常導(dǎo)致木材軟腐腐爛，氘菌與一些子囊菌能在土壤、森林垃圾和堆肥中降解木質(zhì)素[23，24]。擔(dān)子菌是降解木質(zhì)素的最大真菌類群，絕大部分褐腐菌也屬于擔(dān)子菌。擔(dān)子菌型白腐菌和一些相關(guān)的凋落物分解真菌是唯一能使木質(zhì)素有效礦質(zhì)化的微生物。

細(xì)菌降解木質(zhì)素的降解能力很弱，只能降解分子量低的木質(zhì)素或木質(zhì)素產(chǎn)物，它們的降解方式包括侵蝕、挖掘和形成洞穴。細(xì)菌僅在木質(zhì)素降解的最后階段發(fā)揮作用，但其在礦質(zhì)化木質(zhì)素方面起重要作用。具有木質(zhì)素降解能力的菌株包括假單胞菌屬（Pseudomonassp.）、微球菌屬（Micrococcussp.）和小單胞菌屬（Micromonosporasp.），其中，假單胞菌降解效率最高，但是這些細(xì)菌都不產(chǎn)生胞外氧化還原酶（Peroxidase）。放線菌可產(chǎn)生具有催化活性的胞外氧化還原酶，其中鏈霉菌會(huì)溶解部分木質(zhì)素，最終產(chǎn)物是水溶性酸可沉淀的聚合木質(zhì)素，例如屬于鏈霉菌屬的絲狀細(xì)菌可礦質(zhì)化木質(zhì)素[25，26]。

3 國(guó)內(nèi)外煙草廢棄物堆肥研究概況

3.1 國(guó)內(nèi)外煙草廢棄物堆肥文獻(xiàn)研究概況

再次運(yùn)用Citespace軟件，對(duì)國(guó)內(nèi)外煙草廢棄物堆肥研究進(jìn)行可視化分析。采用中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)作為中文文獻(xiàn)檢索平臺(tái)，檢索方式選擇高級(jí)檢索，來(lái)源類別限定為“核心期刊”（具體包括：北大核心期刊、中國(guó)科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(kù)和南大核心期刊），以“煙草廢棄物”并“堆肥”為主題詞進(jìn)行檢索，檢索時(shí)間跨度為2001—2020年，經(jīng)人工確認(rèn)研究主題無(wú)誤且沒(méi)有重復(fù)記錄后，得到的中文文獻(xiàn)只有6篇，所以不對(duì)此進(jìn)行Citespace分析。外文文獻(xiàn)來(lái)源于WOS數(shù)據(jù)庫(kù)核心合集，設(shè)置檢索策略為：TS=Tobacco waste and（composting or compost），語(yǔ)言選擇“English”，時(shí)間跨度設(shè)為2001—2020年，同樣經(jīng)過(guò)人工確認(rèn)研究主題無(wú)誤且沒(méi)有重復(fù)記錄后，共得66篇英文文獻(xiàn)。

由圖3所示，關(guān)于煙草廢棄物堆肥研究的發(fā)文量隨著出版年份呈波浪上升的趨勢(shì)，可知20年來(lái)，人們對(duì)煙草廢棄物堆肥處理的關(guān)注度逐漸上升。

圖3 WOS 數(shù)據(jù)庫(kù)中煙草廢棄物堆肥相關(guān)研究發(fā)文量趨勢(shì)Fig.3 Trends in the publications number of research related with tobacco waste compost in WOS database

WOS數(shù)據(jù)庫(kù)中煙草廢棄物堆肥研究的前25個(gè)突現(xiàn)關(guān)鍵詞見圖4。圖中展示了其突現(xiàn)強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)長(zhǎng)，早期的突現(xiàn)關(guān)鍵詞持續(xù)時(shí)長(zhǎng)都高達(dá)3年及以上，2010年后出現(xiàn)的突現(xiàn)關(guān)鍵詞持續(xù)了2年及以上，其中持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的關(guān)鍵詞是2008—2013年的酶活性（enzyme activity），表明從2008年開始關(guān)于煙草廢棄物堆肥過(guò)程中酶活性變化及煙草廢棄物作為土壤改良劑對(duì)土壤中酶活性影響方面的研究集中出現(xiàn)，一直持續(xù)至2013年。由圖4還可以看出，2001—2008年的突現(xiàn)關(guān)鍵詞就只有1個(gè)，說(shuō)明這個(gè)階段關(guān)于煙草廢棄物堆肥方面的研究并不廣泛；2008—2011年的研究主要集中在煙草廢棄物堆肥過(guò)程中微生物群落和酶活性變化方面；2011—2017年主要是對(duì)煙草廢棄物堆肥有機(jī)物、碳、氮、電導(dǎo)率等指標(biāo)和一些相關(guān)處理方法的研究。隨著近年來(lái)不斷強(qiáng)調(diào)農(nóng)業(yè)廢棄物無(wú)害化、減量化、資源化，煙草廢棄物堆肥研究中腐植酸、重金屬、有機(jī)改良劑、肥料的改良以及對(duì)環(huán)境的保護(hù)成為目前的研究熱點(diǎn)。

圖4 WOS 數(shù)據(jù)庫(kù)中煙草廢棄物堆肥相關(guān)研究的前 25 個(gè)突現(xiàn)關(guān)鍵詞Fig.4 Top 25 highlight key words of research related with tobacco waste compost in WOS database

文獻(xiàn)共被引就是2篇（或多篇論文）同時(shí)被后來(lái)1篇或多篇論文所引證，則稱這2篇論文構(gòu)成共被引關(guān)系。從圖5中可以得到，Briski F（2012）和Piotrowska-Cyplik A（2009）是2篇非常重要的論文，因?yàn)樗麄兊谋灰l次位列前2，說(shuō)明其在本領(lǐng)域內(nèi)具有重要影響。將這2篇論文提取出來(lái)（表2），發(fā)現(xiàn)2篇文章主要圍繞著煙草廢棄物堆肥過(guò)程中煙堿降解相關(guān)方面進(jìn)行研究，表明關(guān)于煙堿降解方面的研究具有重要意義。

表2 WOS數(shù)據(jù)庫(kù)中關(guān)于煙草廢棄物堆肥研究被引次數(shù)最高的2篇文章Tab.2 Top 2 cited articles on tobacco waste compost research in WOS database

圖5 WOS數(shù)據(jù)庫(kù)中關(guān)于煙草廢棄物堆肥文獻(xiàn)共被引網(wǎng)絡(luò)圖譜Fig.5 Network atlas of co-cited literatures on tobacco waste compost research in WOS database

20年來(lái)，在煙草廢棄物堆肥的研究領(lǐng)域中，發(fā)文數(shù)量較高的國(guó)家依次為中國(guó)、土耳其、克羅地亞和巴西（圖6）。中國(guó)發(fā)文量為14篇，占總量的21.21%；其次為土耳其10篇（15.15%）和克羅地亞8篇（12.12%）。其中中國(guó)的發(fā)文量不僅最多，而且其中心性達(dá)到了0.11，可見中國(guó)在這方面的研究和各國(guó)之間的合作比較緊密。

圖6 WOS數(shù)據(jù)庫(kù)中關(guān)于煙草廢棄物堆肥研究國(guó)家合作網(wǎng)絡(luò)圖譜Fig.6 National cooperative network map on tobacco waste compost research in WOS database

利用CiteSpace繪制了關(guān)于煙草廢棄物堆肥研究機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)圖譜（圖7）。WOS數(shù)據(jù)庫(kù)中發(fā)文量最多的機(jī)構(gòu)是薩格勒布大學(xué)（University of Zagreb），其次分別為愛(ài)琴海大學(xué)（Ege University）、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)（China Agricultural University）、安卡拉大學(xué)（Ankara University）、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院（Chinese Academy of Agricultural Sciences）。發(fā)文量排名前5的機(jī)構(gòu)中，有2所是來(lái)自中國(guó)。這表明中國(guó)在煙草廢棄物堆肥研究領(lǐng)域中發(fā)展較快、研究成果較多。同時(shí)，各機(jī)構(gòu)所表現(xiàn)的中心性都不強(qiáng)，反映了各機(jī)構(gòu)間合作強(qiáng)度很小。

圖7 WOS數(shù)據(jù)庫(kù)中關(guān)于煙草廢棄物堆肥研究機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)圖譜Fig.7 Cooperative network map of research institutions on tobacco waste compost research in WOS database

3.2 煙草廢棄物堆肥的應(yīng)用研究進(jìn)展

3.2.1 煙草廢棄物堆肥對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

土壤肥力是土壤肥沃的重要指標(biāo)之一。它是衡量土壤為作物生長(zhǎng)提供各種養(yǎng)分能力的指標(biāo)。長(zhǎng)期施用有機(jī)肥料可以增加速效養(yǎng)分，增加連作煙田大團(tuán)聚體的比例，提高團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。有機(jī)肥料作為一種天然植物類肥料，能顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量[27]。煙草廢棄物堆肥中營(yíng)養(yǎng)成分高，重金屬含量低，可作為有機(jī)肥料[28]。新鮮煙草廢棄物與農(nóng)田土壤制作的有機(jī)肥可以增加土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、總磷含量、土壤堿解氮、速效鉀、有效磷、土壤微生物碳氮含量[29]。施用由煙草廢棄物、樹皮和稻草制成的堆肥后，對(duì)灰壤化土中發(fā)生的與碳、氮和磷循環(huán)有關(guān)的生化過(guò)程有良好的影響，同時(shí)能顯著提高灰壤化土的pH值，是土壤中有機(jī)質(zhì)、總氮、有效磷和速效鉀的重要來(lái)源[30]。煙草廢棄物堆肥的好處可能在于其對(duì)后續(xù)植物生長(zhǎng)的殘留效應(yīng)，以及增加其他營(yíng)養(yǎng)素釋放的量[31]。

3.2.2 煙草廢棄物堆肥對(duì)土壤微生態(tài)的影響

農(nóng)田中產(chǎn)生大量含水量高的新鮮煙草廢棄物，如處理不當(dāng)，可能造成環(huán)境污染。鮮煙葉含有大量的病原菌，特別是煙草花葉病毒，如果將煙葉直接還田，將增加煙草花葉病毒的發(fā)病率[32]。土壤環(huán)境中富含微生物，部分為植物病害的土傳病原菌（病原微生物），部分為可通過(guò)參與碳循環(huán)提高植物抗病性的微生物[33～35]。煙草廢棄物堆肥可以改善土壤的物理性質(zhì)，是優(yōu)良的土壤改良劑[36]。施用煙草廢棄物堆肥后，可增加土壤的孔隙度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和田間持水量，并降低土壤的容重和密度，對(duì)谷物產(chǎn)量產(chǎn)生了積極的影響[37，38]。通過(guò)對(duì)部分土壤質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行2年以上的監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，煙草廢棄物堆肥可以提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和田間持水量，并降低土壤的堆積密度[39，40]。施用煙草廢棄物堆肥后，可促進(jìn)土壤中假單胞菌、固氮菌等有益微生物群落的建立[29]。將煙草廢棄物堆肥和農(nóng)田糞便以不同比例施用于土壤后，顯著提高了土壤中呼吸酶、脫氫酶、脲酶和堿性磷酸酶的活性[41]。研究發(fā)現(xiàn)，作物秸稈與糞便等制作的有機(jī)肥，可以改善微生物群落和功能，增強(qiáng)植株抗病性，減少土傳病害的發(fā)生[42]。施用堆肥后，土壤有機(jī)質(zhì)、線蟲多樣性和微生物碳量顯著提高[43]。

3.2.3 煙草廢棄物堆肥對(duì)煙草生長(zhǎng)的影響

煙葉質(zhì)量的高低主要取決于土壤養(yǎng)分、空間養(yǎng)分和煙葉養(yǎng)分的平衡與調(diào)控。土壤養(yǎng)分是影響煙葉質(zhì)量的重要因素之一。烤煙生長(zhǎng)發(fā)育所需的礦質(zhì)養(yǎng)分基本來(lái)自土壤。土壤的組成和性質(zhì)決定了烤煙的養(yǎng)分供應(yīng)。研究表明，施用煙草腐熟堆肥能有效改善土壤養(yǎng)分狀況，有利于保持土壤肥力[44]。適量的施用煙草腐熟有機(jī)肥，對(duì)煙草生長(zhǎng)前期有一定的影響，但由于后期腐熟有機(jī)肥的緩慢釋放，促進(jìn)生長(zhǎng)，會(huì)將這一影響逐漸縮小，進(jìn)而超過(guò)未施用腐熟有機(jī)肥的處理。施用煙草廢棄物堆肥，不僅可以減少肥料投入，還可以通過(guò)替代部分肥料來(lái)增加有益微生物數(shù)量并刺激煙草植物生長(zhǎng)[29]。在植煙土壤中添加煙草廢棄物制備的有機(jī)肥，不僅可以增加煙葉長(zhǎng)、葉寬、有效葉數(shù)和最大葉面積等農(nóng)藝性狀，而且可以提高煙葉中氮、磷、鉀的含量[44]。研究表明，施用堆肥可以改善煙葉的外觀質(zhì)量、煙葉的顏色、結(jié)構(gòu)、含油量和色度，提高烤煙的平均產(chǎn)量、平均價(jià)格和產(chǎn)值等經(jīng)濟(jì)效益[45]。

4 結(jié)論與展望

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)煙草廢棄物的綜合利用主要是提取茄尼醇、煙堿和蛋白質(zhì)等。在眾多的關(guān)于煙草廢棄物研究中，僅有少部分文獻(xiàn)報(bào)道是關(guān)于煙草廢棄物堆肥研究。對(duì)于煙草廢棄物肥料化利用的研究主要集中在煙草堆肥過(guò)程的模擬、煙草堆肥腐熟度的評(píng)價(jià)以及煙草廢棄物對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響等方面，而對(duì)煙草廢棄物堆肥的養(yǎng)分控釋機(jī)理和土壤微環(huán)境的研究較少。此外，煙草廢棄物堆肥利用存在集中堆肥成本高、運(yùn)輸難、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和煙葉堆肥的氮、磷、鉀養(yǎng)分控釋及保水機(jī)理不明的問(wèn)題，關(guān)于煙草廢棄物堆肥施用后對(duì)土壤微環(huán)境的影響還待明確。

針對(duì)以上問(wèn)題，我們應(yīng)該開展煙草廢棄物堆肥的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，以明確煙草廢棄物堆肥養(yǎng)分控釋機(jī)理和對(duì)土壤微環(huán)境的影響，為后續(xù)制定煙草廢棄物田間堆肥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和煙草廢棄物堆肥應(yīng)用技術(shù)規(guī)程提供理論依據(jù)，對(duì)未來(lái)煙草廢棄物的處理和資源化利用提供一個(gè)新的方向。