果園廢棄物資源化利用研究進展

聶佩顯，姚文濤，王海勇，陶吉寒*

(1.山東省果樹研究所，山東泰安 271000；2.泰晟環境服務(山東)有限公司，山東泰安 271000)

目前，農業面源污染問題是中國農業發展過程中的一個重大問題[1]。中國于 2010年開展了第1次全國污染源普查表明，在主要污染物排放量中，農業生產主要污染物的排放量成為污染源之首。2018年中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發的《中共中央國務院關于實施鄉村振興戰略的意見》要求：“加強農業面源污染防治，開展農業綠色發展行動，實現廢棄物資源化，推進有機肥替代化肥、畜禽糞污處理、農作物秸稈綜合利用、廢棄農膜回收”。2022年農業農村部、國家發展改革委聯合印發的《農業農村減排固碳實施方案》中明確指出，推進農業農村減排固碳，是農業生態文明建設的重要內容，是2030 年前實現碳排放達峰、2060 年前實現碳中和的重要舉措。

果園中的礦質元素主要通過收獲果實、清理修剪枝條、落葉等途徑帶出果園，枝條和葉片養分含量和累積量占了大部分[2]，為了使養分輸入輸出達到平衡，除了配方施肥外，使枝條、葉片合理地回補果園也是一條重要途徑，因此筆者以果園廢棄物回補果園為切入點展開論述。

1 果園廢棄物的組成與營養成分

果園廢棄物主要由農藥和化肥的包裝物、反光膜、紙袋、以及修剪下的枝、落果、落葉、雜草等組成。蘋果園、桃園、梨園、葡萄園、板栗園每年每666.7 m2剪枝量干重分別約為191 kg、251 kg、125 kg、102 kg、45 kg，總碳含量45%以上，有機質含量95%以上，其中纖維素、半纖維素和木質素含量超過了80%[3]。柑桔廢棄物中，無氮浸出物和粗纖維含量分別占67.9%和9.5%[4]，柑桔皮渣和種子中的萜類化合物含量達768.4～3 200 mg/kg，且含有大量的膳食纖維和生物堿等[5]。梨園每年每666.7 m2因修剪枝條帶走N、P、K和Ga的量分別約為4 kg、0.33 kg、2.2 kg和10.33 kg[6]。如何使帶走的營養成分合理地回補果園是果園廢棄物研究利用的重點。

2 果園廢棄物的資源化利用

以枝條為代表的果園廢棄物粉碎還田覆蓋果園是最簡單的利用方式，覆蓋寬度40～60 cm，厚度10～15 cm，雜草危害嚴重的果園，覆蓋厚度可達20 cm。呂三三[7]研究發現，蘋果枝條粉碎還田有利于土壤生態系統的穩定，對0～20 cm的土層影響顯著，可穩定土壤溫度，提高土壤含水量和改善微生物群落。但是，用未經發酵的枝條直接覆蓋，有導致樹勢衰弱和增加病害傳播的風險[8]。而通過傳統堆肥、超高溫堆肥和炭化技術處理后再還田，可提高養分吸收利用速度，又可在一定程度上避免傳染病害的風險。

2.1 傳統堆肥技術

果園枝條傳統堆肥方法處理被微生物所分解，養分得到釋放，植物能更好地吸收利用，同時又能殺死其中含有的大量病菌、蟲卵等[8,9]。通常情況下，把果樹枝條木屑與動物糞便有機物、化肥等按一定比例混勻后共同堆腐發酵，發酵時間大約35 d左右，堆體內溫度可達60 ℃[8]。如果堆體內加入熒光假單胞菌，發酵速度較快，15 d左右便可完成發酵，堆體內溫度可達70 ℃，可殺死大部分病原微生物[10]。

果園廢棄物經過傳統堆肥處理后含有大量的腐植酸和氮、磷、鉀等元素。劉恩璽等[11]將剪枝進行堆肥處理1年后，土壤中微生物的活性顯著提高，土壤中可吸收氮的含量顯著增加。孫輝[12]用雞糞樹皮堆肥處理施入桃園后，顯著降低了桃園表層土壤的容重，增大了通氣性，增強了根系活力，而且顯著提高了桃果實品質。范學山等[13]在梨園連續4年施用梨樹枝條堆肥，顯著地善了土壤的理化性質，促進了梨樹根系的生長，提高了梨果產量和質量。但也有研究表明經施堆肥的果園易發生干腐病，可能是枝條堆肥發酵后仍帶有腐爛病菌，還田后存在一定的風險[14]。在日本，果園修剪的枝條作堆肥處理，通常堆制一兩年后再施入果園[8]。

2.2 超高溫堆肥技術

超高溫堆肥是發酵溫度高，超過85 ℃，最高超過93.4 ℃[15]，而且不依賴外源熱量，主要利用超嗜熱微生物有氧呼吸代謝產生的生物熱能，使堆肥的溫度迅速升高，加速了有機物的降解，縮短了發酵周期，減少了氮素損失，達到快速資源化利用的目的[16]。

超高溫堆肥過程可分為升溫、超高溫、嗜熱和腐熟4個階段。微生物菌群以假單胞菌科為主，通過分泌蛋白酶降解堆肥中的蛋白質[17]，堆體溫度迅速超過80 ℃[15]，優勢微生物菌群大多是棲熱菌門和厚壁菌門的棲熱菌屬和芽孢桿菌屬、中華芽孢桿菌屬和地桿菌屬[18]。其中，棲熱菌屬氨化活性較低，不參與堆體氮素的氨化反應，可減少氮素損失。超高溫階段之后的嗜熱階段，堆體溫度會逐漸降低至50～80 ℃，優勢菌群變為高溫放線菌科[15]和動球菌科[19]，高溫放線菌科礦化堆體中的有機氮，動球菌科降解堆體中的纖維素和甘露醇。腐熟階段的溫度低于50 ℃[20]，微生物菌群變為嗜熱真菌曲霉菌屬，參與木質素的降解，不參與氮素的氨化反應，可將銨態氮轉化為硝態氮和凱氏氮[21]。

超高溫堆肥具有減少N素損失的優點。比如豬糞和秸稈經過超高溫處理，比傳統堆肥減少49.09%的N素損失[19]。雞糞和秸稈接種4.3%超高溫堆肥腐熟回料，比傳統堆肥降低了52.4%的氨氣揮發，減少40.9%的N素損失[18]。脫水污泥和木屑接種50%超高溫堆肥腐熟回料，比傳統堆肥減少96.84% N素損失[22]。因此，超高溫堆肥通過促進嗜熱、超嗜熱菌群的生長，降低了氨化作用菌群的活性，減少了氮素損失。

2.3 生物質炭化還田技術

近年來，部分學者嘗試將果樹枝條加工成生物炭加以利用。生物炭是生物質在無氧或缺氧條件下，通過熱裂解的方式形成穩定的富碳產物[23]。研究表明，生物質炭化還田是一個凈的“負碳”過程[24]，是人類解決氣候問題的重要途徑[25]。自陳溫福院士率先提出“通過生物炭技術實現農林廢棄物炭化還田改土”新理念以后，極大地促進了生物炭在農業領域的應用基礎研究與技術開發[23]。

生物質炭化過程由干燥、預炭化、炭化和燃燒 4 個階段組成[26]。干燥階段，原料溫度上升到120～150 ℃時，水分受熱被析出，變成“干生物質”。預炭化階段，“干生物質”受熱溫度上升到150～275 ℃，不穩定成分分解被析出。炭化階段溫度繼續上升至275～450 ℃ ，半纖維素和纖維素受熱劇烈分解，產生大量的揮發成分，并放出大量熱能，此階段剩余的固態產物即為“初步生物炭”。初步生物炭利用前一階段放出的大量熱能，溫度達到450～500 ℃ ，殘留的揮發性物質獲得最終的生物炭[26]。生物炭的產率、性質等很大程度上受原料性質、炭化溫度、炭化時間的影響。比如松木屑、稻稈和麥稈為原料制成的生物炭的比表面積、孔容積和吸附能力在相同溫度下依次減小，而所含表面含氧官能團種類和總量相近[27]，相同原料制成的生物炭pH值隨炭化溫度的升高而增大，而表面官能團數量會減少[27]。用菌糠為原料制備生物質炭的產率隨著炭化反應時間的延長而降低[28]。

生物炭本身可供作物直接吸收的養分含量很少[16]，但由于其本身的特性，對土壤具有改良修復作用，從而間接提高了土壤有效養分的含量和生產性能[29]。富含生物炭的土壤，土壤容重降低 9%，總孔隙率提高 4.9%[30]，田間持水量提高18%[31]。生物炭本身含有K+、Ca2+等離子，大部分為堿性，施入土壤后，通過置換土壤中的H+和Al3+，起到調節土壤pH的作用[32]。Lychuk等[33]和Sukartono等[34]研究表明，施入生物碳可以使土壤pH值分別由3.9增至5.64，由5.97增至6.25。在肥料減施的大環境下，在豆田增施生物炭處理比單施等量肥料未加炭處理，肥料表觀利用率提高了327.87%，產量提高了15.99%[35]。葛順峰等[36]研究發現，生物炭作為肥料載體，與肥料混合施用比單施等量肥料處理，極大地促進了蘋果植株的生長，和根系對肥料中氮的吸收，以及增加了土壤對氮的固定。李喜鳳等[37]發現，生物炭與有機肥混合施用，可顯著提高1年生禮泉短富蘋果樹的成花，當年單株產量比對照提高43.3%。

3 發展建議

3.1 完善以利用目的為導向制定果園廢棄物分類標準

近年來，中國相關部門在農業廢棄物標準研制工作中取得了不少成果，相繼制定了《NY/T 1701-2009 農作物秸稈資源調查與評價技術規范》《GB/T 30366-2013 生物質術語》《GB/T 34805-2017 農業廢棄物綜合利用通用要求》《LY/T 1822-2019廢棄木材循環利用規范》等標準規范。然而，現行的農業廢棄物分類標準主要按照可回收廢棄物產生的活動屬性進行分類，在具體指導果園廢棄物的資源化利用方面有所欠缺。果園廢棄物標準要發揮更好的指導作用，需根據不同的利用方式制定相應的分類標準，如超高溫堆肥技術要求明確廢棄物的C/N比、含水率等。

3.2 廢棄物處理設備的研發與應用

針對果園廢棄物種類多，大部分果園分布于嶺地丘陵山地，果農分散經營，對果園廢棄物的收集、外運、存貯較難，研發針對不同廢棄物原料的精細化粉碎設備，研發實用的小型化、可移動化的廢棄物處理設備，在原料產地實現就地就近處理，解決廢棄物的處理難、運輸成本高的問題。

3.3 篩選一批高效功能性微生物菌劑

目前在堆肥過程中的微生物研究主要集中在微生物群落演替及相關酶活性的變化上，下一步應加強具有嗜熱、適鹽、解磷固氮等功能性微生物菌劑的研究篩選，明確菌株間的相互作用和菌種間的混合比例，分解堆肥底物中的有毒有害物質，縮短堆肥時間，增加肥效，提高堆肥的品質。

3.4 打造果園廢棄物循環利用的樣板園

以果園廢棄物循環利用為基礎，以還田利用為核心，積極打造果園廢棄物循環利用的樣板園，做到果園廢棄物不出園“無廢化”處理。通過廢棄物的合理利用，修復提升果園土壤生態，在減肥減藥的基礎上，切實提高果實的品質和產量，真正的把果園廢棄物當作放錯位置的能源開發好、利用好。