农业废弃物的基质化利用研究进展

范如芹， 罗 佳， 高 岩， 刘海琴， 严少华， 张振华

(1.江苏省农业科学院资源与环境研究所，江苏 南京 210014;2.江苏滩涂生物农业协同创新中心，盐城师范学院，江苏 盐城224002)

基质栽培是无土栽培的最主要形式，而基质的选择与配方研究不仅是栽培成功的关键和基础，也充分反映了无土栽培的水平［1-3］。基质配方的关键在于原材料的选择、配比与前处理。如何开发一种性能稳定、养分丰富、来源广泛、价格低廉、无污染且便于规模化生产的基质产品至关重要。农业废弃物主要包括种植业废弃物(如作物秸秆、粮食外壳、果蔬残体等)、农产品加工废弃物、畜禽粪便和农村居民生活废弃物［4-6］。随着世界农业的发展和农产品数量的不断增加，农业废弃物的排放呈现日益增长的态势，其合理利用与管理成为当前世界上大多数国家共同面临的一个重要农业和环境问题［7-8］。另一方面，这些废弃物种类繁多、取材方便，而且含有丰富的植物生长所需的各类养分，被称作“放错位置的资源”［6］。利用这些物质生产基质不仅可以解决当前棘手的农业环境污染与资源浪费问题，而且可以为基质的商业化生产提供优质、广泛、廉价的原材料，变废为宝，一举两得。

本文就国内外农业废弃物资源的特点、基质化利用的研究现状、农业废弃物基质化利用存在的问题以及今后的发展方向等内容进行了综述和探讨，旨在为推进农业废弃物的基质化利用提供借鉴和参考。

1 农业废弃物的特点

1.1 养分含量高

农业废弃物主要元素为碳、氢和氧，且含有大量的氮、磷、钾、钙、镁等植物生长所需营养元素(表1)。化学组成上主要由纤维素、半纤维素、木质素、淀粉、蛋白质、天然橡胶和果胶等高分子聚合物和生物碱、氨基酸、单糖、脂肪、脂肪酸、碳氢化合物等小分子化合物组成［6，9］。据统计，鸡、鸭粪便中含有粗蛋白质28.0% ～31.3%，钙、磷等营养物质含量也较高［10］。作物秸秆中含有大量的木质素、纤维素、半纤维素、粗蛋白质等，其中油菜秸秆的纤维素含量高达50.0%以上，玉米秸秆的粗蛋白质、中性洗涤纤维、木质素含量分别达9.8%、70.4%和4.9%［11］。

1.2 来源广泛、种类繁多及基质化利用潜力巨大

农业废弃物包括农业生产和农村居民生活中所产生的各种非产品材料，来源与性质的差异导致其颗粒大小、形状、容重、总孔隙度、大小孔隙比、pH值、EC值、CEC值等存在差异，但普遍具有表面密度小、韧性大、抗拉、抗弯、抗冲击能力强的特点［6］。中国是世界上农业废弃物产出量最大的国家，每年大约产出4.0×109t(表1)，约合7.0×108t标准煤，且这些废弃物以年5%～10%速度递增，预计到2020年将超过5.0×109t［10］。

表1 中国农业废弃物数量及其养分含量［6，10，12］Table 1 Amount and nutrient content of agricultural wastes in China

2 国内外农业废弃物基质化利用现状

栽培基质是新型高效农业的基础，被广泛应用于花卉工厂化种苗生产、蔬菜工厂化种苗生产以及蔬菜和花卉的无土栽培领域。基质包括无机基质、有机基质、混合基质三类。无机材料有岩棉、河沙、炉渣、蛙石、珍珠岩等，这些也是基质栽培发展初期所用的材料。无机基质因养分含量低、水肥保持能力差等缺点而限制了推广应用。农业生产中大量使用的基质为性能较佳的有机无机基质，即由草炭、椰糠、酒糟、树皮、畜禽粪便、秸秆、生活垃圾等有机物料添加无机材料合理配比而成的混合基质。

中国的设施农业无土栽培水平远远落后于欧美等发达国家。在荷兰、美国、英国、日本等国家都有专门的基质研究和生产机构。如美国加州大学的Ucmix、康奈尔大学的 Comell peat-litemix、Texas A and M Mix等都开发了以草炭为主要原料的基质产品［13］。草炭是传统优良的基质原料，但其短期不可再生，地区分布不均，价格较高。20世纪80年代后期以来，欧美国家陆续颁布法令禁止对草炭资源的开采，因此开发资源丰富、可再生、价格低廉、养分充足的草炭替代基质原料至关重要。

2.1 菇渣

自20世纪90年代以来，中国食用菌产业迅速发展，2010年产量已高达2.0×106t，占全球产量的70%，而且每年仍在迅速增长［14］。食用菌采收后产生大量的磨菇渣废料。每100 kg培养料，收获100 kg鲜菇后便可产生60 kg菇渣废物，这些菇渣若随意丢弃会导致病菌和害虫积聚孳生，不仅造成栽培环境和周围水体生态环境恶化，还会使得食用菌生产出现连作障碍。菇渣具有疏松多孔的结构，含有丰富的有机质、全氮和有效氮，且来源广泛，价格便宜，组成稳定，通过适当调节及采取适当管理措施，在无土栽培中作为草炭替代物是完全可行的。

目前以菇渣为原料的基质研究主要集中在菇渣配以不同比例的其他材料如椰糠、木糠、粗河沙、畜禽粪便等，用于番茄、黄瓜、西瓜等秧苗的培育［15-17］以及花卉栽培［18］。Zhang等［19］对菇渣基质种植黄瓜及番茄进行了研究，取得了良好效果，并提出菇渣可替代价格昂贵的草炭而成为基质的主要成分。菇渣∶泥炭∶珍珠岩∶蛭石以1.0∶1.0∶2.0∶0.5的比例配比制得的低成本基质可以作为草莓专用基质的替代品［20］。蘑菇下脚料40%、卡拉胶滤渣40%、泥炭20% 的配比适于培育优质番茄秧苗［21］。孙向丽［22］研究结果表明，茹渣和锯末可作为丽格海棠无土栽培的代用基质。Medina等［15］研究发现，诸多菇渣原料的基质中，菇渣多达75%的配方仍适用于做蔬菜种子发芽基质。Jordan等［23］报道，菇渣栽培基质有助于铅锌尾矿理化性质的改善，并最终通过提供植物所需养分和降低重金属浓度而实现矿区的改善。但是，目前菇渣的基质化利用方面缺乏深入的综合研究，配比基质的其他原料杂乱，并且大多数研究只是针对某一种作物的研究，配方的普适性较低［14］。

2.2 作物秸秆

作物秸秆粉碎后直接作为基质原料。赵珊珊等［24］将不同比例的玉米和大豆秸秆与土壤混合制成基质用于越橘栽培，发现玉米秸秆与土壤按1∶20质量比的混合栽培基质是越橘生长发育的适宜基质。作物秸秆用于基质利用多是先经过发酵腐熟再用于基质配方研制。有机物料经过发酵腐熟后，其产物作为土培基质施用效果较好［25］。Raviv等［26］研究发现，小麦秸秆与牛粪等材料发酵制得的基质不仅有助于减少番茄烂根等病害，还可有效减少病原菌数量。Belal等［27］将稻草秸秆发酵后加入到泥炭与蛭石基质中用于观赏植物育苗，结果发现幼苗生物量、株高、叶片数等生长指标均未受到影响，说明稻草秸秆可以替代部分草炭作为基质原料。江笑丹等［28］用青玉米秸秆堆制后应用于蔬菜栽培基质取得可喜成果。冯冰［29］在混配基质中用小麦秸秆、玉米秸秆、椰糠、菇渣等废弃物原料制成的基质栽培亚洲百合，结果表明其效果与草炭基质相比毫无逊色。张文斌等［30］将玉米秸秆、牛粪、菌棒、糖醛按照0.6∶1.0∶1.0∶0.6的体积比与0.6体积的炉渣组合，所得配方较为适宜辣椒有机生态型无土栽培。崔元圩等［31］对棉花秸秆、菌糠、稻壳、玉米秸秆粉碎发酵后与河沙、炉渣等混合配比用于蔬菜栽培的基质研究，结果得出棉花秸秆作为基质栽培的有机原料，经过合理的配方组合可以在生产上应用，并能取得良好的生产效果。刘伟等［32］采用玉米秸秆、菇渣与炉渣、锯末等混配的有机基质，可获得番茄高产。宋丽萍［33］进行了秸秆源废弃物发酵工艺技术和设备的研制，报道了从秸秆原料到商品基质产品的制作工艺流程。

2.3 禽畜粪便与发酵床垫料

随着规模养猪、养鸡等养殖业的发展，不断增加的禽畜粪便给生态环境造成了巨大的承载压力。同时，这些粪便中又含有大量的氮、磷、钾等养分、矿物质与各种微量元素［34］，因而可被应用到栽培基质配方中。鸡粪、牛粪、猪粪等以合适比例添加到基质中均可提高基质品质［35］。畜禽粪便的发酵液代替营养液添加到基质中可提高茄子的产量和品质［36］。李志刚等［37］研究发现，添加鸡粪可使基质的容重、持水孔隙度、pH、EC等理化指标均呈上升趋势，对基质性状的调控效果较佳。鸡粪添加到改良铜尾矿基质中能够促进豆科植物生长，植物的株高、冠幅、根长等指标均增加，且随着生长期延长，增加效果明显［38］。卢继锋等［39］研究了不同比例的鸡粪与花生壳基质配方对番茄长势、产量和品质等的影响，得出150 kg鸡粪与1 m3花生壳的比例可促进番茄高产。与添加化肥相比，基质中猪粪氮可显著增加栽培番茄的茎粗、果枝台数、座果数与茎叶生物量，获得60.7～69.9 t/hm2的番茄产量［40］。汪开英等［41］将猪粪与木屑、茶渣和药渣等材料混合复配，结果发现30%腐熟猪粪含量的基质理化性质比较适合作物栽培，腐熟周期适于工厂化生产。李婧等［42］研究发现，将牛粪与秸秆、草炭、蛭石按5∶1∶2∶2的体积比混合制得的基质可以显著改善辣椒苗质量，效果优于草炭基质。由于中国畜禽饲料添加剂质量标准和管理不够严格，造成许多地方在饲料添加剂中大量使用铜、锌、锰、钴、硒、碘、砷等中微量元素，畜禽粪便中重金属超标率高［43］，因此畜禽粪便含量高的基质多用于观赏性植物的栽培。

除将畜禽粪便直接或发酵添加到基质中以外，近年来畜禽发酵床垫料作为基质原料成为垫料处理和利用的一个新方式，引起了研究者的注意。发酵床垫料是将接种有益菌的秸秆、锯末、稻壳、菇渣、中药渣、花生壳等有机废弃物切碎后铺垫于牲畜圈舍内，并在畜禽粪尿排泄和踩踏等的长时间作用下所产生的分解半分解混合物。目前关于垫料作为基质原料的研究结果还鲜有报道，但随着规模养猪的发展，大量发酵床垫料的产生造成一定生态风险［44］，其作为基质原料的应用具有较好的前景。

2.4 椰子纤维

椰子纤维疏松多孔，保水和通气性能良好，氮、磷等含量高，因具有类似于草炭的优良特性而受到基质配方研究者的青睐［45］。早在上世纪九十年代，世界各国就开始了对椰子纤维基质栽培观赏植物的大量研究。早在1993年Handreck［46］就系统研究了利用椰子纤维替代草炭作为矮牵牛花栽培基质的配方。Offord等［47］研究了椰子纤维和草炭基质对澳大利亚本土植被的栽培效果，发现2种栽培方式下植物长势相差不大。Hernández等［48］首次研究了以椰子纤维为原料的基质对意大利伞松、地中海柏木及绿干柏等观赏植物的栽培效果，得出椰子纤维配以松树皮及生物固定的混合基质对这些植物的栽培效果最佳。在设施农业较为发达的荷兰，其温室3/4以上面积采用基质栽培，原料主要为岩棉和陶粒、椰子纤维、草炭、树皮等［13］。

中国海南等地拥有丰富的椰子纤维资源，开发利用前景广阔。刘茳等［49］研究发现，以椰糠、珍珠岩及蛭石为材料制成的基质可作为岩生报春无土栽培的代用基质。有关学者对椰子纤维作为其他观赏花卉［50-52］、香蕉秧苗［53-54］和黄瓜等蔬菜［55-57］的栽培基质进行了大量研究，并取得了良好效果。采用椰子纤维基质栽培可提高西甜瓜的果实品质［58］。

2.5 水葫芦渣

水葫芦可有效吸收水体氮、磷等营养物质，被认为是修复富营养化水体的优势漂浮植物物种［59］。鉴于中国水体富营养化的严峻形势，近年来国内外以净化水体为目的的水葫芦种植面积不断扩大。中国部分高校及科研院所在国家级省市重大科技项目的支持下，在太湖、滇池等水体对水葫芦进行了大规模控制性种养和资源化利用。目前对水体修复后的水葫芦多作沼气或有机肥的生产，但利用率有待提高。水葫芦中含有大量可被植物吸收利用的氮、磷、钾、有机质等营养物质，且其生物量大，年生长量(鲜质量)可达6.21×105kg/hm2，折合干物质4.72×104kg/hm2［60］，因此水葫芦渣在基质化利用中有很大潜力。针对其含水量较高的特点，首先需要对水葫芦进行有效脱水。采用垛式和槽式发酵腐熟的方式使其脱水，然后与秸秆、畜禽粪便等原料混合后二次发酵，最后根据发酵后的养分和理化性状特点与其他原料进行配比调控。目前国内外关于水葫芦渣基质化利用的研究尚罕见报道，中国江苏省农业科学院等单位目前正对此进行研究。

2.6 其他农业废弃物

除上述目前研究较多的原料，树皮、锯末、芦苇渣、中药渣、酒糟、花生壳、稻糠等其他农业废弃物在基质配制中也有一定的应用空间。Guerrero等［61］研究得出松树皮和污泥原料基质可替代草炭作为凤梨和绿干柏的栽培基质。Ostos等［62］将修剪废弃物与污泥等其他有机废物搭配，用于地中海灌木秧苗的基质栽培，并取得良好效果。Papafotiou等［63］报道，橄榄油生产所产生的废弃物可替代25%的草炭作为栽培基质，而不会对植株的品质产生影响。制糖废物甘蔗渣经过合理处理可成为与泥炭种植效果相当的良好栽培基质［64］。孙治强等［65］研究发现，甘蔗渣添加煤渣、鸡粪、尿素等制成的基质对番茄的栽培效果极佳。郑金生等［66］在制药产生的甘草渣中添加膨化鸡粪和尿素等经过发酵制得基质，其理化性质等可达到栽培要求。Carmona等［67］成功地利用葡萄杆和葡萄酒榨渣为原料的栽培基质实现了对生菜、番茄、辣椒等蔬菜幼苗培育。

3 农业废弃物基质化利用存在的问题

3.1 缺乏基质栽培标准化参数

农业废弃物来源不一，也没有标准化的生产工艺，质量稳定性较差，理化性状差异较大，各批量间质量存在一定差异，目前尚没有提出主要作物栽培基质的标准化性状参数。可以说在基质化利用上还存在经验性甚至盲目性［68］。从目前的情况看，废弃物处理只是作为栽培基质的前期处理工作，其研究和基质产品研究处于一种割裂状态［69］。

3.2 综合利用技术水平低及基质化生产成本高

目前世界上农业废弃物用于基质生产的创新性技术缺乏，没有形成完整成熟的技术体系，难以实现高效机械设备与生物技术的有机结合，工艺和工程技术得不到升级，设备水平较低，废弃物基质化利用面临着技术单一、难以为继的困境［70］。同时由于缺乏新技术、新工艺来降低成本，利用废弃物生产栽培基质的成本较高［68］，与产业化生产相距甚远。

3.3 基质的重复利用率低

以农业废弃物为原料的基质含有大量细菌、病原菌等，且经过植物生长和盐分运移等作用后容易产生病虫害，因此基质重复利用需进行消毒。目前的消毒措施有蒸汽消毒、溴甲烷、甲醛、氯化苦消毒，太阳暴晒等，但尚没有经济可靠的大批量基质消毒的方法［1，71］，限制了基质的重复利用，从而造成二次污染。

3.4 缺乏高性能优质基质产品

基质中水分运移、植株养分吸收、养分含量与形态以及微生物群落特征等随时间的变化等过程仍不清楚，基质中各理化和生物学指标间的协调和相互作用机理鲜有报道，限制了基质品质的改进提升。缺乏高性能优质基质，针对性专用基质难以满足不同地区的气候条件、栽培环境等的要求，发展不同档次和形式的设施基质栽培尚存在困难。

4 展望

4.1 进一步健全农业废弃物综合利用的法规和政策

在当前高度注重环境保护和食品安全的背景下，中国废弃物统计标准欠缺，废弃物利用率等都落后于发达国家［10］，有关农业废弃物利用的法律法规有待健全。要加快推进农业废弃物基质化利用进程，也需政府政策扶持，建立生产环境标准，通过减免税和低利融资等办法，积极鼓励、引导投资，形成产业链和形成完整成熟的技术体系，才能降低成本和环境承载压力，实现物尽其用、变废为宝，改善农村生态环境，促进农业可持续发展。

4.2 加强新型材料在基质品质改良中的应用研究

鉴于目前高性能优质基质缺乏的现状，普通基质配方基础上新型材料的添加和调控势在必行。生物炭、凹凸棒土、纳米材料等材料具有丰富的孔隙结构、纳米颗粒的大比表面积、表面负电性，因而具有较高的吸附能力，对养分的保蓄和重金属钝化具有显著作用;高吸水性树脂分子本身带有大量强吸水性基团，因而具有高吸水性、保水性、保肥性等优良特性。可延缓植株萎蔫发生的时间，提高植株的水分利用率。这些材料在土壤性能改良中已经被证明具有可观效果［72-73］，其在基质性质改良中的应用不仅是应理论和实际生产所需，而且在理论上完全可行并已有初步尝试［74-75］，应用前景广阔。

4.3 建立基质标准化参数体系

基质从原料到产品形成过程中的理化和生物学性质变化过程，基质使用过程中在植株生长的影响下其理化指标变化，养分转化过程及供应原理，重金属及有机污染物的钝化与转化和微生物种群特征变化等尚没有完整的系统研究，因此阐明各类基质生产、使用和再生利用过程中理化及生物学特征的变化过程以及水分运移、养分供应和保蓄等功能的原理，形成一套完整的理论体系，并建立基质标准化参数体系，对基质材料配方和性能改良研究以及基质应用推广都至关重要。

4.4 集中力量解决基质生产关键技术问题

农业废弃物生产基质过程中，废弃物处理技术以及基质栽培存在的基质消毒技术、基质病虫害防治技术、抗低温技术、基质水肥管理技术(包括营养液的配制技术、灌溉技术、监测调整技术、设施营养诊断技术、园艺用肥料研制技术等)等缺乏创新性突破，从根本上限制了基质产品的研制开发，因此下一步的重点应集中在这些技术的开发上。

4.5 强化基质大规模生产工艺及设备研究

优质基质大规模商品化生产的前提是相关生产工艺与设备的研究。不同原料的前期处理、有机物料的腐熟发酵、材料配比与调控、基质消毒、性能测试等基质生产工艺;基质生产和应用设备的研发，包括基质生产环节的消毒设备的研发和基质应用环节设施栽培工厂化自动生产设备的研发，如水分自动感应滴灌系统、叶菜类植物自动播种采收、基质再利用回收装置等，并建立标准基质生产线，这些是大规模生产成熟基质产品的前提，也是未来设施农业发展大势所趋。

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