果園廢棄物資源化利用研究進(jìn)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(huán)境服務(wù)(山東)有限公司，山東泰安 271000)

目前，農(nóng)業(yè)面源污染問題是中國農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中的一個(gè)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(wù)院辦公廳印發(fā)的《中共中央國務(wù)院關(guān)于實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的意見》要求：“加強(qiáng)農(nóng)業(yè)面源污染防治，開展農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展行動(dòng)，實(shí)現(xiàn)廢棄物資源化，推進(jìn)有機(jī)肥替代化肥、畜禽糞污處理、農(nóng)作物秸稈綜合利用、廢棄農(nóng)膜回收”。2022年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、國家發(fā)展改革委聯(lián)合印發(fā)的《農(nóng)業(yè)農(nóng)村減排固碳實(shí)施方案》中明確指出，推進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村減排固碳，是農(nóng)業(yè)生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容，是2030 年前實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)峰、2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和的重要舉措。

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

1 果園廢棄物的組成與營養(yǎng)成分

果園廢棄物主要由農(nóng)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(jī)質(zhì)含量95%以上，其中纖維素、半纖維素和木質(zhì)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(dá)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(yǎng)成分合理地回補(bǔ)果園是果園廢棄物研究利用的重點(diǎn)。

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(yán)重的果園，覆蓋厚度可達(dá)20 cm。呂三三[7]研究發(fā)現(xiàn)，蘋果枝條粉碎還田有利于土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，對0～20 cm的土層影響顯著，可穩(wěn)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(jīng)發(fā)酵的枝條直接覆蓋，有導(dǎo)致樹勢衰弱和增加病害傳播的風(fēng)險(xiǎn)[8]。而通過傳統(tǒng)堆肥、超高溫堆肥和炭化技術(shù)處理后再還田，可提高養(yǎng)分吸收利用速度，又可在一定程度上避免傳染病害的風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 傳統(tǒng)堆肥技術(shù)

果園枝條傳統(tǒng)堆肥方法處理被微生物所分解，養(yǎng)分得到釋放，植物能更好地吸收利用，同時(shí)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(dòng)物糞便有機(jī)物、化肥等按一定比例混勻后共同堆腐發(fā)酵，發(fā)酵時(shí)間大約35 d左右，堆體內(nèi)溫度可達(dá)60 ℃[8]。如果堆體內(nèi)加入熒光假單胞菌，發(fā)酵速度較快，15 d左右便可完成發(fā)酵，堆體內(nèi)溫度可達(dá)70 ℃，可殺死大部分病原微生物[10]。

果園廢棄物經(jīng)過傳統(tǒng)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(jìn)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(qiáng)了根系活力，而且顯著提高了桃果實(shí)品質(zhì)。范學(xué)山等[13]在梨園連續(xù)4年施用梨樹枝條堆肥，顯著地善了土壤的理化性質(zhì)，促進(jìn)了梨樹根系的生長，提高了梨果產(chǎn)量和質(zhì)量。但也有研究表明經(jīng)施堆肥的果園易發(fā)生干腐病，可能是枝條堆肥發(fā)酵后仍帶有腐爛病菌，還田后存在一定的風(fēng)險(xiǎn)[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(shù)

超高溫堆肥是發(fā)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(chǎn)生的生物熱能，使堆肥的溫度迅速升高，加速了有機(jī)物的降解，縮短了發(fā)酵周期，減少了氮素?fù)p失，達(dá)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(gè)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(zhì)[17]，堆體溫度迅速超過80 ℃[15]，優(yōu)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(yīng)，可減少氮素?fù)p失。超高溫階段之后的嗜熱階段，堆體溫度會(huì)逐漸降低至50～80 ℃，優(yōu)勢菌群變?yōu)楦邷胤啪€菌科[15]和動(dòng)球菌科[19]，高溫放線菌科礦化堆體中的有機(jī)氮，動(dòng)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?yōu)槭葻嵴婢咕鷮?，參與木質(zhì)素的降解，不參與氮素的氨化反應(yīng)，可將銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮和凱氏氮[21]。

超高溫堆肥具有減少N素?fù)p失的優(yōu)點(diǎn)。比如豬糞和秸稈經(jīng)過超高溫處理，比傳統(tǒng)堆肥減少49.09%的N素?fù)p失[19]。雞糞和秸稈接種4.3%超高溫堆肥腐熟回料，比傳統(tǒng)堆肥降低了52.4%的氨氣揮發(fā)，減少40.9%的N素?fù)p失[18]。脫水污泥和木屑接種50%超高溫堆肥腐熟回料，比傳統(tǒng)堆肥減少96.84% N素?fù)p失[22]。因此，超高溫堆肥通過促進(jìn)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?fù)p失。

2.3 生物質(zhì)炭化還田技術(shù)

近年來，部分學(xué)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(zhì)在無氧或缺氧條件下，通過熱裂解的方式形成穩(wěn)定的富碳產(chǎn)物[23]。研究表明，生物質(zhì)炭化還田是一個(gè)凈的“負(fù)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(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)林廢棄物炭化還田改土”新理念以后，極大地促進(jìn)了生物炭在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)研究與技術(shù)開發(fā)[23]。

生物質(zhì)炭化過程由干燥、預(yù)炭化、炭化和燃燒 4 個(gè)階段組成[26]。干燥階段，原料溫度上升到120～150 ℃時(shí)，水分受熱被析出，變成“干生物質(zhì)”。預(yù)炭化階段，“干生物質(zhì)”受熱溫度上升到150～275 ℃，不穩(wěn)定成分分解被析出。炭化階段溫度繼續(xù)上升至275～450 ℃ ，半纖維素和纖維素受熱劇烈分解，產(chǎn)生大量的揮發(fā)成分，并放出大量熱能，此階段剩余的固態(tài)產(chǎn)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(dá)到450～500 ℃ ，殘留的揮發(fā)性物質(zhì)獲得最終的生物炭[26]。生物炭的產(chǎn)率、性質(zhì)等很大程度上受原料性質(zhì)、炭化溫度、炭化時(shí)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(tuán)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(tuán)數(shù)量會(huì)減少[27]。用菌糠為原料制備生物質(zhì)炭的產(chǎn)率隨著炭化反應(yīng)時(shí)間的延長而降低[28]。

生物炭本身可供作物直接吸收的養(yǎng)分含量很少[16]，但由于其本身的特性，對土壤具有改良修復(fù)作用，從而間接提高了土壤有效養(yǎng)分的含量和生產(chǎn)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(diào)節(jié)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(huán)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(chǎn)量提高了15.99%[35]。葛順峰等[36]研究發(fā)現(xiàn)，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(jìn)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(fā)現(xiàn)，生物炭與有機(jī)肥混合施用，可顯著提高1年生禮泉短富蘋果樹的成花，當(dāng)年單株產(chǎn)量比對照提高43.3%。

3 發(fā)展建議

3.1 完善以利用目的為導(dǎo)向制定果園廢棄物分類標(biāo)準(zhǔn)

近年來，中國相關(guān)部門在農(nóng)業(yè)廢棄物標(biāo)準(zhǔn)研制工作中取得了不少成果，相繼制定了《NY/T 1701-2009 農(nóng)作物秸稈資源調(diào)查與評價(jià)技術(shù)規(guī)范》《GB/T 30366-2013 生物質(zhì)術(shù)語》《GB/T 34805-2017 農(nóng)業(yè)廢棄物綜合利用通用要求》《LY/T 1822-2019廢棄木材循環(huán)利用規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。然而，現(xiàn)行的農(nóng)業(yè)廢棄物分類標(biāo)準(zhǔn)主要按照可回收廢棄物產(chǎn)生的活動(dòng)屬性進(jìn)行分類，在具體指導(dǎo)果園廢棄物的資源化利用方面有所欠缺。果園廢棄物標(biāo)準(zhǔn)要發(fā)揮更好的指導(dǎo)作用，需根據(jù)不同的利用方式制定相應(yīng)的分類標(biāo)準(zhǔn)，如超高溫堆肥技術(shù)要求明確廢棄物的C/N比、含水率等。

3.2 廢棄物處理設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)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(nóng)分散經(jīng)營，對果園廢棄物的收集、外運(yùn)、存貯較難，研發(fā)針對不同廢棄物原料的精細(xì)化粉碎設(shè)備，研發(fā)實(shí)用的小型化、可移動(dòng)化的廢棄物處理設(shè)備，在原料產(chǎn)地實(shí)現(xiàn)就地就近處理，解決廢棄物的處理難、運(yùn)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(guān)酶活性的變化上，下一步應(yīng)加強(qiáng)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(zhì)，縮短堆肥時(shí)間，增加肥效，提高堆肥的品質(zhì)。

3.4 打造果園廢棄物循環(huán)利用的樣板園

以果園廢棄物循環(huán)利用為基礎(chǔ)，以還田利用為核心，積極打造果園廢棄物循環(huán)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(fù)提升果園土壤生態(tài)，在減肥減藥的基礎(chǔ)上，切實(shí)提高果實(shí)的品質(zhì)和產(chǎn)量，真正的把果園廢棄物當(dāng)作放錯(cuò)位置的能源開發(fā)好、利用好。