果园废弃物资源化利用研究进展

聂佩显，姚文涛，王海勇，陶吉寒*

(1.山东省果树研究所，山东泰安 271000；2.泰晟环境服务(山东)有限公司，山东泰安 271000)

目前，农业面源污染问题是中国农业发展过程中的一个重大问题[1]。中国于 2010年开展了第1次全国污染源普查表明，在主要污染物排放量中，农业生产主要污染物的排放量成为污染源之首。2018年中共中央办公厅、国务院办公厅印发的《中共中央国务院关于实施乡村振兴战略的意见》要求：“加强农业面源污染防治，开展农业绿色发展行动，实现废弃物资源化，推进有机肥替代化肥、畜禽粪污处理、农作物秸秆综合利用、废弃农膜回收”。2022年农业农村部、国家发展改革委联合印发的《农业农村减排固碳实施方案》中明确指出，推进农业农村减排固碳，是农业生态文明建设的重要内容，是2030 年前实现碳排放达峰、2060 年前实现碳中和的重要举措。

果园中的矿质元素主要通过收获果实、清理修剪枝条、落叶等途径带出果园，枝条和叶片养分含量和累积量占了大部分[2]，为了使养分输入输出达到平衡，除了配方施肥外，使枝条、叶片合理地回补果园也是一条重要途径，因此笔者以果园废弃物回补果园为切入点展开论述。

1 果园废弃物的组成与营养成分

果园废弃物主要由农药和化肥的包装物、反光膜、纸袋、以及修剪下的枝、落果、落叶、杂草等组成。苹果园、桃园、梨园、葡萄园、板栗园每年每666.7 m2剪枝量干重分别约为191 kg、251 kg、125 kg、102 kg、45 kg，总碳含量45%以上，有机质含量95%以上，其中纤维素、半纤维素和木质素含量超过了80%[3]。柑桔废弃物中，无氮浸出物和粗纤维含量分别占67.9%和9.5%[4]，柑桔皮渣和种子中的萜类化合物含量达768.4～3 200 mg/kg，且含有大量的膳食纤维和生物碱等[5]。梨园每年每666.7 m2因修剪枝条带走N、P、K和Ga的量分别约为4 kg、0.33 kg、2.2 kg和10.33 kg[6]。如何使带走的营养成分合理地回补果园是果园废弃物研究利用的重点。

2 果园废弃物的资源化利用

以枝条为代表的果园废弃物粉碎还田覆盖果园是最简单的利用方式，覆盖宽度40～60 cm，厚度10～15 cm，杂草危害严重的果园，覆盖厚度可达20 cm。吕三三[7]研究发现，苹果枝条粉碎还田有利于土壤生态系统的稳定，对0～20 cm的土层影响显著，可稳定土壤温度，提高土壤含水量和改善微生物群落。但是，用未经发酵的枝条直接覆盖，有导致树势衰弱和增加病害传播的风险[8]。而通过传统堆肥、超高温堆肥和炭化技术处理后再还田，可提高养分吸收利用速度，又可在一定程度上避免传染病害的风险。

2.1 传统堆肥技术

果园枝条传统堆肥方法处理被微生物所分解，养分得到释放，植物能更好地吸收利用，同时又能杀死其中含有的大量病菌、虫卵等[8,9]。通常情况下，把果树枝条木屑与动物粪便有机物、化肥等按一定比例混匀后共同堆腐发酵，发酵时间大约35 d左右，堆体内温度可达60 ℃[8]。如果堆体内加入荧光假单胞菌，发酵速度较快，15 d左右便可完成发酵，堆体内温度可达70 ℃，可杀死大部分病原微生物[10]。

果园废弃物经过传统堆肥处理后含有大量的腐植酸和氮、磷、钾等元素。刘恩玺等[11]将剪枝进行堆肥处理1年后，土壤中微生物的活性显著提高，土壤中可吸收氮的含量显著增加。孙辉[12]用鸡粪树皮堆肥处理施入桃园后，显著降低了桃园表层土壤的容重，增大了通气性，增强了根系活力，而且显著提高了桃果实品质。范学山等[13]在梨园连续4年施用梨树枝条堆肥，显著地善了土壤的理化性质，促进了梨树根系的生长，提高了梨果产量和质量。但也有研究表明经施堆肥的果园易发生干腐病，可能是枝条堆肥发酵后仍带有腐烂病菌，还田后存在一定的风险[14]。在日本，果园修剪的枝条作堆肥处理，通常堆制一两年后再施入果园[8]。

2.2 超高温堆肥技术

超高温堆肥是发酵温度高，超过85 ℃，最高超过93.4 ℃[15]，而且不依赖外源热量，主要利用超嗜热微生物有氧呼吸代谢产生的生物热能，使堆肥的温度迅速升高，加速了有机物的降解，缩短了发酵周期，减少了氮素损失，达到快速资源化利用的目的[16]。

超高温堆肥过程可分为升温、超高温、嗜热和腐熟4个阶段。微生物菌群以假单胞菌科为主，通过分泌蛋白酶降解堆肥中的蛋白质[17]，堆体温度迅速超过80 ℃[15]，优势微生物菌群大多是栖热菌门和厚壁菌门的栖热菌属和芽孢杆菌属、中华芽孢杆菌属和地杆菌属[18]。其中，栖热菌属氨化活性较低，不参与堆体氮素的氨化反应，可减少氮素损失。超高温阶段之后的嗜热阶段，堆体温度会逐渐降低至50～80 ℃，优势菌群变为高温放线菌科[15]和动球菌科[19]，高温放线菌科矿化堆体中的有机氮，动球菌科降解堆体中的纤维素和甘露醇。腐熟阶段的温度低于50 ℃[20]，微生物菌群变为嗜热真菌曲霉菌属，参与木质素的降解，不参与氮素的氨化反应，可将铵态氮转化为硝态氮和凯氏氮[21]。

超高温堆肥具有减少N素损失的优点。比如猪粪和秸秆经过超高温处理，比传统堆肥减少49.09%的N素损失[19]。鸡粪和秸秆接种4.3%超高温堆肥腐熟回料，比传统堆肥降低了52.4%的氨气挥发，减少40.9%的N素损失[18]。脱水污泥和木屑接种50%超高温堆肥腐熟回料，比传统堆肥减少96.84% N素损失[22]。因此，超高温堆肥通过促进嗜热、超嗜热菌群的生长，降低了氨化作用菌群的活性，减少了氮素损失。

2.3 生物质炭化还田技术

近年来，部分学者尝试将果树枝条加工成生物炭加以利用。生物炭是生物质在无氧或缺氧条件下，通过热裂解的方式形成稳定的富碳产物[23]。研究表明，生物质炭化还田是一个净的“负碳”过程[24]，是人类解决气候问题的重要途径[25]。自陈温福院士率先提出“通过生物炭技术实现农林废弃物炭化还田改土”新理念以后，极大地促进了生物炭在农业领域的应用基础研究与技术开发[23]。

生物质炭化过程由干燥、预炭化、炭化和燃烧 4 个阶段组成[26]。干燥阶段，原料温度上升到120～150 ℃时，水分受热被析出，变成“干生物质”。预炭化阶段，“干生物质”受热温度上升到150～275 ℃，不稳定成分分解被析出。炭化阶段温度继续上升至275～450 ℃ ，半纤维素和纤维素受热剧烈分解，产生大量的挥发成分，并放出大量热能，此阶段剩余的固态产物即为“初步生物炭”。初步生物炭利用前一阶段放出的大量热能，温度达到450～500 ℃ ，残留的挥发性物质获得最终的生物炭[26]。生物炭的产率、性质等很大程度上受原料性质、炭化温度、炭化时间的影响。比如松木屑、稻秆和麦秆为原料制成的生物炭的比表面积、孔容积和吸附能力在相同温度下依次减小，而所含表面含氧官能团种类和总量相近[27]，相同原料制成的生物炭pH值随炭化温度的升高而增大，而表面官能团数量会减少[27]。用菌糠为原料制备生物质炭的产率随着炭化反应时间的延长而降低[28]。

生物炭本身可供作物直接吸收的养分含量很少[16]，但由于其本身的特性，对土壤具有改良修复作用，从而间接提高了土壤有效养分的含量和生产性能[29]。富含生物炭的土壤，土壤容重降低 9%，总孔隙率提高 4.9%[30]，田间持水量提高18%[31]。生物炭本身含有K+、Ca2+等离子，大部分为碱性，施入土壤后，通过置换土壤中的H+和Al3+，起到调节土壤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值分别由3.9增至5.64，由5.97增至6.25。在肥料减施的大环境下，在豆田增施生物炭处理比单施等量肥料未加炭处理，肥料表观利用率提高了327.87%，产量提高了15.99%[35]。葛顺峰等[36]研究发现，生物炭作为肥料载体，与肥料混合施用比单施等量肥料处理，极大地促进了苹果植株的生长，和根系对肥料中氮的吸收，以及增加了土壤对氮的固定。李喜凤等[37]发现，生物炭与有机肥混合施用，可显著提高1年生礼泉短富苹果树的成花，当年单株产量比对照提高43.3%。

3 发展建议

3.1 完善以利用目的为导向制定果园废弃物分类标准

近年来，中国相关部门在农业废弃物标准研制工作中取得了不少成果，相继制定了《NY/T 1701-2009 农作物秸秆资源调查与评价技术规范》《GB/T 30366-2013 生物质术语》《GB/T 34805-2017 农业废弃物综合利用通用要求》《LY/T 1822-2019废弃木材循环利用规范》等标准规范。然而，现行的农业废弃物分类标准主要按照可回收废弃物产生的活动属性进行分类，在具体指导果园废弃物的资源化利用方面有所欠缺。果园废弃物标准要发挥更好的指导作用，需根据不同的利用方式制定相应的分类标准，如超高温堆肥技术要求明确废弃物的C/N比、含水率等。

3.2 废弃物处理设备的研发与应用

针对果园废弃物种类多，大部分果园分布于岭地丘陵山地，果农分散经营，对果园废弃物的收集、外运、存贮较难，研发针对不同废弃物原料的精细化粉碎设备，研发实用的小型化、可移动化的废弃物处理设备，在原料产地实现就地就近处理，解决废弃物的处理难、运输成本高的问题。

3.3 筛选一批高效功能性微生物菌剂

目前在堆肥过程中的微生物研究主要集中在微生物群落演替及相关酶活性的变化上，下一步应加强具有嗜热、适盐、解磷固氮等功能性微生物菌剂的研究筛选，明确菌株间的相互作用和菌种间的混合比例，分解堆肥底物中的有毒有害物质，缩短堆肥时间，增加肥效，提高堆肥的品质。

3.4 打造果园废弃物循环利用的样板园

以果园废弃物循环利用为基础，以还田利用为核心，积极打造果园废弃物循环利用的样板园，做到果园废弃物不出园“无废化”处理。通过废弃物的合理利用，修复提升果园土壤生态，在减肥减药的基础上，切实提高果实的品质和产量，真正的把果园废弃物当作放错位置的能源开发好、利用好。