果樹廢棄枝條資源化處理研究現狀

李婧驊，孫一丹，梁嘉宜，李梅芳

（中國農業大學煙臺研究院，山東煙臺 264670）

0 引言

果園在中國農業生產體系中占有舉足輕重的地位[1]，據國家統計局發布數據，2020年中國果園面積達到126.5萬hm2[2]。在水果種植面積的持續增長的情形下，果園日常經營過程中產生的廢棄枝條數量也隨之增多[3]。果樹廢棄的枝條是價值豐厚的生物資源，其本身含有豐富的礦物質成分，對于改善土壤肥力、優化果樹生長有著重要意義[4]。于東梅等[5]以平歐榛子為調研對象，實驗發現果樹枝條中含有N、K、Ca 等多種微量元素。李傳友等[6]測定了蘋果、桃等水果發現枝條樣本有機質含量均達到95%以上，纖維素含量在26.02%～44.94%，具有豐富的資源化利用價值。但是目前無論是被修剪下來的枝條，還是被大風刮斷或機器折斷的枝條，往往作為廢棄物被清出果園[7]或是當作薪柴使用[8]。不僅浪費了資源，而且對環境造成了污染[9]。因此，如何處理果樹修剪下的枝條，使其物盡其用，變廢為寶是農業生產研究的關鍵型課題，也是對于習近平總書記指出的綠色循環發展思想的落實。綜述了目前果樹廢棄枝條資源化處理技術方面的進展，以期為果樹枝條資源化處理技術的進一步探索及推廣提供參考。

1 果樹廢棄枝條利用概況

1.1 果樹廢棄枝條來源

對于多數果樹而言，定期修剪枝條是必不可少的，加之因為意外情形斷裂的枝條，每年產生的廢棄枝條數量巨大。假設每公頃年修剪枝條按7.5 t保守計算，全國果園年修剪樹枝將達到948.8 萬t[10]。除此之外，由于環境污染會導致污染物通過土壤、大氣等侵入樹體，造成果樹枝條逐漸枯死[11]。而且如果果樹采用高接換優等手段對于果品進行升級以及由于果樹自身特點原因大約17～20 a就需要進行砍伐更新，一次性產生的果樹枝條量就會成倍增加[12]。

1.2 廢棄枝條主要利用方式

每年例行的果樹修剪和砍伐會產生大量的生物資源，這種木質纖維素生物質，主要以樹枝、樹干、砧木和樹葉的形式存在，是一種潛在的高質量燃料，但往往被視為廢棄物[13]。中國目前對于廢棄枝條多采用填埋、焚燒、廢棄、粉碎。枝條填埋，可能會導致枝條上農藥殘留物或其他有毒物質滲入土壤，一方面對土壤造成腐蝕，破壞土壤結構，另一方面會影響水果品質[14]。枝條焚燒會產生大量碳氫化合物、煙塵等，加重了空氣污染指數，經過太陽光照射后產生的有害物質又產生了二次污染[15-16]。研究發現，枝條燃燒增加了顆粒物污染，易導致人們死于心肺疾病，據估計PM 2.5 每增加10 mg/m3，死亡率就會增加3.25%，農村中老年人群對該污染尤為敏感[17]。而由于填埋、焚燒需要耗費人力，所帶來收效甚微，甚至是負面效應，因此多數果樹樹枝可能會被隨意丟棄，枝條會吸引諸多蚊蟲，滋生細菌，污染空氣，對人的身體健康造成危害。目前來看，果樹枝條粉碎化處理利用價值最大，在粉碎前會占據較大面積，而粉碎后可用于發酵堆肥、研究生物能源等，挖掘潛力較大。農業廢棄物，像是廢棄果樹枝條，被認為是合成經濟、環保的催化劑的可行來源，對農業廢棄物的環保利用，無論是作為原料還是用于生產所謂的活性炭，都是值得研究的重要課題[18]。

2 果樹廢棄枝條資源化處理研究現狀

2.1 果樹枝條還田

（1）加入菌劑堆肥還田堆肥主要是依靠有益微生物，借助人力有控制地促進可被有益菌降解的有機物，向穩定的礦質成分以及腐殖質轉化的生物發酵過程[19]。它是固體廢物資源化利用的有效處理方式之一，也是堆肥過程的最終產物[20]。枝條堆肥還田有利于穩定土壤溫度、提高土壤含水量、優化土壤結構[21]。

影響堆肥的因素包括水分、pH、C/N、溫度等因素。微生物新陳代謝過程中，水分是必不可少的條件，堆肥水分多少直接影響反應速度，一般保持水分達到50%～70%為最佳[22]。在堆肥過程中，酸堿度影響著微生物的生長，一般pH 控制在6.0～8.5 左右最有利于微生物生長。pH過高會導致N向NH3轉化，從而導致N缺少，且產生臭味，而pH 過低，則不利于堆肥發酵[23]。C/N比過高會產生與pH過高同樣的效果，而C/N比過低則會使得微生物需要氧化多次才能消耗掉過量的碳，降低降解速度[24]。溫度是評價堆肥穩定度的重要指標，溫度變化與堆肥中有機質的可氧化含量正相關，堆肥過程中溫度總是先升高到60～70℃，持續一段時間后降低，當溫度與周圍環境基本一致后，表示有機質完全分解[25]。

經研究發現，傳統堆肥方式由于含有難降解木質素，存在發酵周期長，效率低下等問題[26-27]。顧文杰等[28]將堆肥中加入菌劑，并與無添加的CK 處理作比較，發現加菌處理微生物比CK處理含量高，且脲酶活性峰值達到37.38 NH3-N mg/(g·24 h)，纖維素酶活性峰值達到51.85 μg/min，均高于CK 處理，轉化酶活性出現于第3天以及第14天，快于CK處理，由此研究得出在堆肥中加入菌劑有利于提高酶的活性，提前達到峰值，加快微生物分解。史龍翔等[29]以豬糞以及蘋果樹枝條為材料，并設置了接種復合菌劑的T 處理組以及無任何添加的CK 處理組，研究發現，堆肥成熟時T處理組以及CK處理組發芽指數分別為(89.8±0.00)a以及(83.3±0.01)b，纖維素酶活性測定中2 組均在第7 天達到峰值，但T處理組活性顯著高于CK處理組，漆酶、木質素過氧化酶、錳過氧化物酶活性T處理組均整體顯著高于CK處理組，在不同特征時期對堆料培養96 h后，T 處理組每孔顏色變化率值以及對六大類碳源的利用率也均顯著高于CK 處理組，尤其是高溫期的糖類以及多胺類，T 處理組比CK 處理組利用率分別高50%和77%，因此加入菌劑能夠提高生長效率，加速木質素降解，提高碳源利用率，加快果樹枝條堆肥速度。劉麗麗等[30]通過研究比較得出將柑橘枝條與羊糞1:1 還田效果最佳，甚至比單純利用枝條增產將近一倍。次仁吉保等[31]也發現將葡萄碎枝條與鮮雞糞1:1 混合添加菌劑，種子發芽率達到88.2%，顯著提高了堆肥質量。

諸多學者針對堆肥的流程以及具體設計均展開了研究。陳紫梅等[32]設計了運用桑枝堆肥的詳細流程，將桑枝中添加腐熟劑以促使其富含的纖維素和木質素被降解成為腐殖質，選擇1～2種微生物好氧發酵菌，輔以花生餅、豆餅等餅肥，選址于地勢開闊處，水分需保持在50%～60%，后進行有益菌種接種，逐層起堆，保持寬度1.2～2 m，高度1.2～1.5 m，接下來是覆膜、發酵與翻堆，經過約60～90 d，基本呈現褐色或黑褐色后原料完全腐熟。沈曉賀等[33]研制了枝條粉碎發酵堆肥機并對發酵工藝進行了詳細的設計，以期將發酵好的肥料直接排入果園。

（2）炭化處理還田果樹廢棄枝條經過炭化之后，內部的氮素雖然減少，但剩余礦物質含量和營養成分均會增加，生物質炭中的炭含量可達到70%[34]。Saletnik等[35]研究發現果樹枝條的熱轉化對產生的生物炭的熱值有顯著影響，研究結果顯示，相對于未加工的生物質而言，所有生物炭的平均熱值都提高了62.24%。蘋果、櫻桃和梨枝條產生物炭的平均熱值分別為27.90、28.75、26.84 MJ/kg。趙世翔[36]在300～600℃下制備蘋果枝條生物質炭，結果顯示500℃條件下制備效果最好，此時土壤pH、灰分含量較高，土壤MBC、WSO、CROC 在培養初期得到明顯提高，培養360 d 后減幅明顯低于同高溫段的600℃，BC500對于土壤胡敏素增長效益最為顯著，對于在5～8 mm，2～5 mm下水穩性團聚體有機碳分配效果較其他溫度也具有顯著差異，因此，枝條生物炭在500℃條件下，能顯著增強土壤穩定性、土壤腐殖化程度、有機碳在土壤團聚體中的分配。段春燕等[37]利用桉樹枝條在500℃厭氧環境下進行生物炭制備，分別輸入了不同質量分數的桉樹枝條生物炭，結果表明，4%～6%枝條生物炭輸入量效果最佳，對于土壤理化性質積極影響最大，土壤容重降幅達到3.82%～33.55%，陽離子交換量最多增長至160.39%，pH 增加了0.17～1.29，有機碳增幅達到10.94%～51.37%，由此得出枝條生物炭化后對于減緩土壤酸化速度、優化土壤理化性質、增強土壤保水保肥的能力具有顯著影響。

2.2 果樹枝條能源化應用

Irawati 等[38]對印度尼西亞種植的11 種果樹可可樹、榴蓮、芒果、菠果蜜、紅毛丹等枝條的生物能量近似分析，結果顯示11 個樹種中紅毛丹、芒果和爪哇李作為柴火原料的最佳樹種，得分分別為176.6、169.2 和163.8；芒果、白鉛樹和菠果蜜枝條為最佳液態生物燃料原料，得分分別為91.1、86.6 和78.0；榴蓮和甘草的分支可以用于生物能源以外的目的。Li等[39]以修剪后的紅棗樹枝(JB)為一次原料，以修剪后的紅棗樹枝木炭(JBC)為二次原料生產球團，同時考慮到成本和潛在的污染問題，選擇使用低成本和大量可獲得的生物質為基礎的原材料作為添加劑，初步試驗表明，椰殼(CC)和骨粉(BM)作為園林花卉肥料的添加劑具有較好的性能。研究發現，優化后的JB、JBC、CC或BM配比配方可有效改善燃燒性能，同時提供儲運性能。成本估算結果表明，2 種優化配方在單位能量相對成本方面均顯著優于純JB制球，它們具有商業應用的潛力。

2.3 果樹枝條培養食用菌

食用菌含有豐富的營養物質，如優質蛋白質、碳水化合物、多種維生素、礦物元素等，具有高蛋白、低糖、低脂、低膽固醇等特點。此外，食用真菌中含有多種生物活性物質，如多糖、膳食纖維等，這些化合物大多具有抗氧化、抗腫瘤等生理功能[40]。果樹枝條是栽培食用菌的寶貴資源，按照0.22 kg/m2修建枝條計算，可生產代料食用菌100億袋[41]。金鑫等[42]通過研究得出，添加30%的蘋果枝條，45%的棉籽殼，15%的玉米芯加之必要輔料時，菌絲長勢處于極強狀態，且無論利用何種果樹枝條，栽培的靈芝子實體均至少含有16 種氨基酸，種類多、活性高易被人體吸收。夏雨鐘等[43]經實驗得到由40%的果樹枝條、29%的水稻秸稈、30%的稻殼加1%的石膏粉時配方最佳，最有助于菇類高產。賀建超等[44]通過研究發現獼猴桃枝條以及油桃枝條木屑栽培平菇生物均促進生物效率提高至67%～69%。劉紹玉[45]、張玉奇[46]均就利用果樹枝條培育菇類生物設計了制作流程并給出了注意事項。

2.4 果樹枝條醫用價值

Sasaki等[47]發現果樹枝條的樹皮中包含大量熊果苷，研究結果顯示在熊果苷濃度為0.004%時，經處理的B16黑色素瘤細胞的黑色素產量為未經處理細胞的77.9%±3.9%，且無細胞毒性，由此得出從樹皮中提取的含有熊果苷的溶液對B16黑色素瘤細胞中黑色素形成具有顯著的抑制作用。Wei等[48]發現核桃樹枝產生軟火酸的溫度范圍為90～450℃，其中230～370℃的軟火酸抗菌活性最強。在此溫度范圍內采集的軟火酸經GC-MS分析，共檢出有機酸類、酚類、酮類、苯醚類、吡喃衍生物等50 種化合物。酚類和有機酸類物質占總成分的63.46%，而酚類和有機酸類是抗菌活性成分。姜琳琳等[49]以蘋果樹枝條為原料通過特殊流程提取出多酚和黃酮，提供了一種具有抑菌抗氧作用的新型化合物，為果樹枝條資源化利用提供了新的思路與啟發。Yang 等[50]將棗樹、柚子和番石榴這3 種果樹的枝條剪下來，切碎，晾干，陰燃形成生物炭和煙霧。煙霧在6℃的條件下被濃縮成煙霧濃縮液(SCL)，用作滅蚊劑，以控制蚊子幼蟲。通過抑菌區試驗，10%的紅棗、柚子和番石榴SCLs 的殺菌效果分別是使用75%乙醇的1.44 倍、1.13 倍和0.83 倍，抑菌效果與SCLs 液中揮發性化合物的含量呈正相，此外，10%的棗和柚子SCLs 溶液在2 h 內殺死了所有測試的幼蟲，通過研究隨時間變化的液體pH 和溶解氧(DO)的有效性和變化，得出SCL的添加是影響試驗幼蟲死亡率的唯一關鍵因素。

3 問題和建議

3.1 存在問題

3.1.1 市場認知缺乏，系統性研究不足 目前農戶尚未充分認識到果樹枝條富含的價值以及資源化利用的潛力，多數廢棄枝條仍只是丟棄，而浪費了資源。多數農戶自身文化水平不高，缺乏主動獲取農業現代化信息的積極性，對于開發果樹枝條價值的技術或設想缺乏實踐能力，造成果樹枝條資源化利用難以得到進步與提升。除此之外，多數商家也并未挖掘到果樹枝條的利用價值，未充分認識到果樹枝條所蘊含的生物資源、有機質等具有商業價值的物質，致使市面上相關宣傳匱乏。對于果樹枝條的研究多數傾向于修剪枝條后果園的效益方面，而針對于枝條本身價值的研究以及對土壤、能源等其他方面的影響亟需進一步實踐探索。

3.1.2 技術支撐薄弱，設備質量參差不齊 果樹枝條資源化利用需要相關技術手段作為輔助，目前果樹粉碎技術、發酵堆肥技術、炭化處理技術等均缺乏足夠的研究與實踐，殘枝處理設備也較為匱乏。市面上雖然有各式各樣的粉碎機等機械用具，像9FQ 系列粉碎機、HNX 旋風磨盤粉碎機等，但是質量參差不齊，存在著生產效率低下、耗能過高、易被磨損、壽命較短等問題，在制造工藝、制材選取等方面存在較大進步空間。

3.1.3 資金投入不足，政策引導力度有待提高 果樹枝條處理技術力量薄弱關鍵因素之一即資金投入力度不足，政府對于果樹廢棄枝條處理關注程度不足，缺乏相關政策引導。雖然國家農業部等六部委于2016 年聯合出臺農業廢棄物資源化利用的相關文件，但是對于果樹廢棄枝條處理及利用缺乏實質性、可操作性的政策措施，缺乏對于農戶以及企業合理利用廢棄枝條的鼓勵措施及優惠政策，導致農戶參與積極性不高，企業在果樹枝條資源化利用過程中資金、技術等方面遇到瓶頸，難以創新突破。

3.2 相關建議

3.2.1 提高市場認知能力，加強系統性研究 農戶是果樹廢棄枝條資源化利用的重要實施者。農戶要主動接納農業現代化信息，順應市場需求，在政策引導下不斷提升自己的種植水平，認識到果樹枝條所蘊含的豐富資源并加以開發利用，提高廢棄物再利用率，進而提升種植果樹的附加值，帶來更大的利潤增長空間，形成果樹種植的良性循環。此外，商家也要關注到果樹枝條資源化利用的巨大市場發展空間，對于枝條價值的挖掘以及對其他要素的影響進行更為深入的實踐研究。

3.2.2 增加技術投入，提高可用設備質量 目前有關果樹枝條處理的設備匱乏且質量堪憂的問題也是制約枝條資源化利用的重要原因。企業要具備敏銳的市場眼光，關注到當前尚未得到充分開拓的果樹枝條資源化利用的市場，深入基層，關注農戶實際需求，積極研發有助于挖掘果樹枝條價值的機械，并提升相關技術，力求使得設備在運轉時能夠達到低能耗、高效率。與此同時，企業也主動承擔社會責任，對于所生產的設備要提供足夠的質量保障，以保護購買農戶的權益。

3.2.3 加強政策支持，鼓勵果樹枝條資源化利用 政策支持是果樹廢棄物資源化利用的關鍵驅動力。國家應出臺并不斷完善鼓勵枝條資源化利用的政策，對于在該領域有重大突破的企業或農戶予以表彰，形成良好的模范帶頭作用。對于農戶給予一定政策優惠，并適時為農戶開展專業化講座，為農戶灌輸現代化種植及資源化利用技術，改變其傳統的思維，激勵其主動對于廢棄枝條進行現代化處理，提高開發果樹枝條價值的意識以及實踐能力。

4 結語

果樹廢棄枝條是富含有機質、礦質成分、纖維素等物質的生物資源，具有寶貴的研究利用價值。果樹廢棄枝條的處理辦法有：加入菌劑堆肥還田或炭化處理還田、制作生物能源及其他能源、培養食用菌以及用于醫學等方式，除此之外，還有枝條富含物質潛在價值的挖掘，既可解決廢棄枝條數量大無處存放的問題，也可以充分挖掘其價值，變廢為寶，改善果園環境，增強果園土壤肥力，提高農作物品質，也為人類提供能源以及菌類生長基質，實現生態效益與經濟效益的雙豐收。

推進果樹廢棄枝條合理處理，還需要政府加強政策引導，加大宣傳力度，提高農戶對于農業廢棄物資源化利用的認識，定期為農戶普及相關知識，提高農戶專業度及素質；推出相應激勵措施以及優惠政策，充分調動農戶以及企業的積極性。企業要抓住市場潛在需求，積極探索果樹枝條的利用價值，提高機械用具的質量，并不斷加以創新，研究開發出性價比更高的用具，喚醒農戶的需求。農戶自身要順應政策引導，不斷提高自身素養，關注農業技術的變化，認識到果樹枝條蘊含的資源并加以利用，最大限度挖掘其經濟價值。