果樹廢棄枝條資源化處理研究現(xiàn)狀

李婧驊，孫一丹，梁嘉宜，李梅芳

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺研究院，山東煙臺 264670）

0 引言

果園在中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系中占有舉足輕重的地位[1]，據(jù)國家統(tǒng)計局發(fā)布數(shù)據(jù)，2020年中國果園面積達(dá)到126.5萬hm2[2]。在水果種植面積的持續(xù)增長的情形下，果園日常經(jīng)營過程中產(chǎn)生的廢棄枝條數(shù)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(zhì)成分，對于改善土壤肥力、優(yōu)化果樹生長有著重要意義[4]。于東梅等[5]以平歐榛子為調(diào)研對象，實驗發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)枝條樣本有機質(zhì)含量均達(dá)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(fēng)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(dāng)作薪柴使用[8]。不僅浪費了資源，而且對環(huán)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)研究的關(guān)鍵型課題，也是對于習(xí)近平總書記指出的綠色循環(huán)發(fā)展思想的落實。綜述了目前果樹廢棄枝條資源化處理技術(shù)方面的進(jìn)展，以期為果樹枝條資源化處理技術(shù)的進(jìn)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(shù)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(chǎn)生的廢棄枝條數(shù)量巨大。假設(shè)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(dá)到948.8 萬t[10]。除此之外，由于環(huán)境污染會導(dǎo)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(yōu)等手段對于果品進(jìn)行升級以及由于果樹自身特點原因大約17～20 a就需要進(jìn)行砍伐更新，一次性產(chǎn)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(chǎn)生大量的生物資源，這種木質(zhì)纖維素生物質(zhì)，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(zhì)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(dǎo)致枝條上農(nóng)藥殘留物或其他有毒物質(zhì)滲入土壤，一方面對土壤造成腐蝕，破壞土壤結(jié)構(gòu)，另一方面會影響水果品質(zhì)[14]。枝條焚燒會產(chǎn)生大量碳?xì)浠衔?、煙塵等，加重了空氣污染指數(shù)，經(jīng)過太陽光照射后產(chǎn)生的有害物質(zhì)又產(chǎn)生了二次污染[15-16]。研究發(fā)現(xiàn)，枝條燃燒增加了顆粒物污染，易導(dǎo)致人們死于心肺疾病，據(jù)估計PM 2.5 每增加10 mg/m3，死亡率就會增加3.25%，農(nóng)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(fù)面效應(yīng)，因此多數(shù)果樹樹枝可能會被隨意丟棄，枝條會吸引諸多蚊蟲，滋生細(xì)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(jù)較大面積，而粉碎后可用于發(fā)酵堆肥、研究生物能源等，挖掘潛力較大。農(nóng)業(yè)廢棄物，像是廢棄果樹枝條，被認(rèn)為是合成經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的催化劑的可行來源，對農(nóng)業(yè)廢棄物的環(huán)保利用，無論是作為原料還是用于生產(chǎn)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(xiàn)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(jìn)可被有益菌降解的有機物，向穩(wěn)定的礦質(zhì)成分以及腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化的生物發(fā)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(chǎn)物[20]。枝條堆肥還田有利于穩(wěn)定土壤溫度、提高土壤含水量、優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu)[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(yīng)速度，一般保持水分達(dá)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(dǎo)致N向NH3轉(zhuǎn)化，從而導(dǎo)致N缺少，且產(chǎn)生臭味，而pH 過低，則不利于堆肥發(fā)酵[23]。C/N比過高會產(chǎn)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(wěn)定度的重要指標(biāo)，溫度變化與堆肥中有機質(zhì)的可氧化含量正相關(guān)，堆肥過程中溫度總是先升高到60～70℃，持續(xù)一段時間后降低，當(dāng)溫度與周圍環(huán)境基本一致后，表示有機質(zhì)完全分解[25]。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)堆肥方式由于含有難降解木質(zhì)素，存在發(fā)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(fā)現(xiàn)加菌處理微生物比CK處理含量高，且脲酶活性峰值達(dá)到37.38 NH3-N mg/(g·24 h)，纖維素酶活性峰值達(dá)到51.85 μg/min，均高于CK 處理，轉(zhuǎn)化酶活性出現(xiàn)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(dá)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(shè)置了接種復(fù)合菌劑的T 處理組以及無任何添加的CK 處理組，研究發(fā)現(xiàn)，堆肥成熟時T處理組以及CK處理組發(fā)芽指數(shù)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(dá)到峰值，但T處理組活性顯著高于CK處理組，漆酶、木質(zhì)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(yǎng)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(zhì)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(chǎn)將近一倍。次仁吉保等[31]也發(fā)現(xiàn)將葡萄碎枝條與鮮雞糞1:1 混合添加菌劑，種子發(fā)芽率達(dá)到88.2%，顯著提高了堆肥質(zhì)量。

諸多學(xué)者針對堆肥的流程以及具體設(shè)計均展開了研究。陳紫梅等[32]設(shè)計了運用桑枝堆肥的詳細(xì)流程，將桑枝中添加腐熟劑以促使其富含的纖維素和木質(zhì)素被降解成為腐殖質(zhì)，選擇1～2種微生物好氧發(fā)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(jìn)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(fā)酵與翻堆，經(jīng)過約60～90 d，基本呈現(xiàn)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(fā)酵堆肥機并對發(fā)酵工藝進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計，以期將發(fā)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(jīng)過炭化之后，內(nèi)部的氮素雖然減少，但剩余礦物質(zhì)含量和營養(yǎng)成分均會增加，生物質(zhì)炭中的炭含量可達(dá)到70%[34]。Saletnik等[35]研究發(fā)現(xiàn)果樹枝條的熱轉(zhuǎn)化對產(chǎn)生的生物炭的熱值有顯著影響，研究結(jié)果顯示，相對于未加工的生物質(zhì)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(chǎn)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(zhì)炭，結(jié)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(yǎng)初期得到明顯提高，培養(yǎng)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(wěn)性團(tuán)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(wěn)定性、土壤腐殖化程度、有機碳在土壤團(tuán)聚體中的分配。段春燕等[37]利用桉樹枝條在500℃厭氧環(huán)境下進(jìn)行生物炭制備，分別輸入了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的桉樹枝條生物炭，結(jié)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(zhì)積極影響最大，土壤容重降幅達(dá)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(dá)到10.94%～51.37%，由此得出枝條生物炭化后對于減緩?fù)寥浪峄俣?、?yōu)化土壤理化性質(zhì)、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(yīng)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(jié)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(tài)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(chǎn)球團(tuán)，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(zhì)為基礎(chǔ)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(fā)現(xiàn)，優(yōu)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(jié)果表明，2 種優(yōu)化配方在單位能量相對成本方面均顯著優(yōu)于純JB制球，它們具有商業(yè)應(yīng)用的潛力。

2.3 果樹枝條培養(yǎng)食用菌

食用菌含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，如優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)、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(zhì)，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(chǎn)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(tài)，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(jīng)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(chǎn)。賀建超等[44]通過研究發(fā)現(xiàn)獼猴桃枝條以及油桃枝條木屑栽培平菇生物均促進(jìn)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(shè)計了制作流程并給出了注意事項。

2.4 果樹枝條醫(yī)用價值

Sasaki等[47]發(fā)現(xiàn)果樹枝條的樹皮中包含大量熊果苷，研究結(jié)果顯示在熊果苷濃度為0.004%時，經(jīng)處理的B16黑色素瘤細(xì)胞的黑色素產(chǎn)量為未經(jīng)處理細(xì)胞的77.9%±3.9%，且無細(xì)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(xì)胞中黑色素形成具有顯著的抑制作用。Wei等[48]發(fā)現(xiàn)核桃樹枝產(chǎn)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(nèi)采集的軟火酸經(jīng)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(zhì)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(fā)。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(qū)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(fā)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(nèi)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(guān)鍵因素。

3 問題和建議

3.1 存在問題

3.1.1 市場認(rèn)知缺乏，系統(tǒng)性研究不足 目前農(nóng)戶尚未充分認(rèn)識到果樹枝條富含的價值以及資源化利用的潛力，多數(shù)廢棄枝條仍只是丟棄，而浪費了資源。多數(shù)農(nóng)戶自身文化水平不高，缺乏主動獲取農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化信息的積極性，對于開發(fā)果樹枝條價值的技術(shù)或設(shè)想缺乏實踐能力，造成果樹枝條資源化利用難以得到進(jìn)步與提升。除此之外，多數(shù)商家也并未挖掘到果樹枝條的利用價值，未充分認(rèn)識到果樹枝條所蘊含的生物資源、有機質(zhì)等具有商業(yè)價值的物質(zhì)，致使市面上相關(guān)宣傳匱乏。對于果樹枝條的研究多數(shù)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(jìn)一步實踐探索。

3.1.2 技術(shù)支撐薄弱，設(shè)備質(zhì)量參差不齊 果樹枝條資源化利用需要相關(guān)技術(shù)手段作為輔助，目前果樹粉碎技術(shù)、發(fā)酵堆肥技術(shù)、炭化處理技術(shù)等均缺乏足夠的研究與實踐，殘枝處理設(shè)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(fēng)磨盤粉碎機等，但是質(zhì)量參差不齊，存在著生產(chǎn)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(jìn)步空間。

3.1.3 資金投入不足，政策引導(dǎo)力度有待提高 果樹枝條處理技術(shù)力量薄弱關(guān)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(guān)注程度不足，缺乏相關(guān)政策引導(dǎo)。雖然國家農(nóng)業(yè)部等六部委于2016 年聯(lián)合出臺農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用的相關(guān)文件，但是對于果樹廢棄枝條處理及利用缺乏實質(zhì)性、可操作性的政策措施，缺乏對于農(nóng)戶以及企業(yè)合理利用廢棄枝條的鼓勵措施及優(yōu)惠政策，導(dǎo)致農(nóng)戶參與積極性不高，企業(yè)在果樹枝條資源化利用過程中資金、技術(shù)等方面遇到瓶頸，難以創(chuàng)新突破。

3.2 相關(guān)建議

3.2.1 提高市場認(rèn)知能力，加強系統(tǒng)性研究 農(nóng)戶是果樹廢棄枝條資源化利用的重要實施者。農(nóng)戶要主動接納農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化信息，順應(yīng)市場需求，在政策引導(dǎo)下不斷提升自己的種植水平，認(rèn)識到果樹枝條所蘊含的豐富資源并加以開發(fā)利用，提高廢棄物再利用率，進(jìn)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(huán)。此外，商家也要關(guān)注到果樹枝條資源化利用的巨大市場發(fā)展空間，對于枝條價值的挖掘以及對其他要素的影響進(jìn)行更為深入的實踐研究。

3.2.2 增加技術(shù)投入，提高可用設(shè)備質(zhì)量 目前有關(guān)果樹枝條處理的設(shè)備匱乏且質(zhì)量堪憂的問題也是制約枝條資源化利用的重要原因。企業(yè)要具備敏銳的市場眼光，關(guān)注到當(dāng)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(guān)注農(nóng)戶實際需求，積極研發(fā)有助于挖掘果樹枝條價值的機械，并提升相關(guān)技術(shù)，力求使得設(shè)備在運轉(zhuǎn)時能夠達(dá)到低能耗、高效率。與此同時，企業(yè)也主動承擔(dān)社會責(zé)任，對于所生產(chǎn)的設(shè)備要提供足夠的質(zhì)量保障，以保護(hù)購買農(nóng)戶的權(quán)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(guān)鍵驅(qū)動力。國家應(yīng)出臺并不斷完善鼓勵枝條資源化利用的政策，對于在該領(lǐng)域有重大突破的企業(yè)或農(nóng)戶予以表彰，形成良好的模范帶頭作用。對于農(nóng)戶給予一定政策優(yōu)惠，并適時為農(nóng)戶開展專業(yè)化講座，為農(nóng)戶灌輸現(xiàn)代化種植及資源化利用技術(shù)，改變其傳統(tǒng)的思維，激勵其主動對于廢棄枝條進(jìn)行現(xiàn)代化處理，提高開發(fā)果樹枝條價值的意識以及實踐能力。

4 結(jié)語

果樹廢棄枝條是富含有機質(zhì)、礦質(zhì)成分、纖維素等物質(zhì)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(yǎng)食用菌以及用于醫(yī)學(xué)等方式，除此之外，還有枝條富含物質(zhì)潛在價值的挖掘，既可解決廢棄枝條數(shù)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(huán)境，增強果園土壤肥力，提高農(nóng)作物品質(zhì)，也為人類提供能源以及菌類生長基質(zhì)，實現(xiàn)生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益的雙豐收。

推進(jìn)果樹廢棄枝條合理處理，還需要政府加強政策引導(dǎo)，加大宣傳力度，提高農(nóng)戶對于農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用的認(rèn)識，定期為農(nóng)戶普及相關(guān)知識，提高農(nóng)戶專業(yè)度及素質(zhì)；推出相應(yīng)激勵措施以及優(yōu)惠政策，充分調(diào)動農(nóng)戶以及企業(yè)的積極性。企業(yè)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(zhì)量，并不斷加以創(chuàng)新，研究開發(fā)出性價比更高的用具，喚醒農(nóng)戶的需求。農(nóng)戶自身要順應(yīng)政策引導(dǎo)，不斷提高自身素養(yǎng)，關(guān)注農(nóng)業(yè)技術(shù)的變化，認(rèn)識到果樹枝條蘊含的資源并加以利用，最大限度挖掘其經(jīng)濟(jì)價值。