果树废弃枝条资源化处理研究现状

李婧骅，孙一丹，梁嘉宜，李梅芳

（中国农业大学烟台研究院，山东烟台 264670）

0 引言

果园在中国农业生产体系中占有举足轻重的地位[1]，据国家统计局发布数据，2020年中国果园面积达到126.5万hm2[2]。在水果种植面积的持续增长的情形下，果园日常经营过程中产生的废弃枝条数量也随之增多[3]。果树废弃的枝条是价值丰厚的生物资源，其本身含有丰富的矿物质成分，对于改善土壤肥力、优化果树生长有着重要意义[4]。于东梅等[5]以平欧榛子为调研对象，实验发现果树枝条中含有N、K、Ca 等多种微量元素。李传友等[6]测定了苹果、桃等水果发现枝条样本有机质含量均达到95%以上，纤维素含量在26.02%～44.94%，具有丰富的资源化利用价值。但是目前无论是被修剪下来的枝条，还是被大风刮断或机器折断的枝条，往往作为废弃物被清出果园[7]或是当作薪柴使用[8]。不仅浪费了资源，而且对环境造成了污染[9]。因此，如何处理果树修剪下的枝条，使其物尽其用，变废为宝是农业生产研究的关键型课题，也是对于习近平总书记指出的绿色循环发展思想的落实。综述了目前果树废弃枝条资源化处理技术方面的进展，以期为果树枝条资源化处理技术的进一步探索及推广提供参考。

1 果树废弃枝条利用概况

1.1 果树废弃枝条来源

对于多数果树而言，定期修剪枝条是必不可少的，加之因为意外情形断裂的枝条，每年产生的废弃枝条数量巨大。假设每公顷年修剪枝条按7.5 t保守计算，全国果园年修剪树枝将达到948.8 万t[10]。除此之外，由于环境污染会导致污染物通过土壤、大气等侵入树体，造成果树枝条逐渐枯死[11]。而且如果果树采用高接换优等手段对于果品进行升级以及由于果树自身特点原因大约17～20 a就需要进行砍伐更新，一次性产生的果树枝条量就会成倍增加[12]。

1.2 废弃枝条主要利用方式

每年例行的果树修剪和砍伐会产生大量的生物资源，这种木质纤维素生物质，主要以树枝、树干、砧木和树叶的形式存在，是一种潜在的高质量燃料，但往往被视为废弃物[13]。中国目前对于废弃枝条多采用填埋、焚烧、废弃、粉碎。枝条填埋，可能会导致枝条上农药残留物或其他有毒物质渗入土壤，一方面对土壤造成腐蚀，破坏土壤结构，另一方面会影响水果品质[14]。枝条焚烧会产生大量碳氢化合物、烟尘等，加重了空气污染指数，经过太阳光照射后产生的有害物质又产生了二次污染[15-16]。研究发现，枝条燃烧增加了颗粒物污染，易导致人们死于心肺疾病，据估计PM 2.5 每增加10 mg/m3，死亡率就会增加3.25%，农村中老年人群对该污染尤为敏感[17]。而由于填埋、焚烧需要耗费人力，所带来收效甚微，甚至是负面效应，因此多数果树树枝可能会被随意丢弃，枝条会吸引诸多蚊虫，滋生细菌，污染空气，对人的身体健康造成危害。目前来看，果树枝条粉碎化处理利用价值最大，在粉碎前会占据较大面积，而粉碎后可用于发酵堆肥、研究生物能源等，挖掘潜力较大。农业废弃物，像是废弃果树枝条，被认为是合成经济、环保的催化剂的可行来源，对农业废弃物的环保利用，无论是作为原料还是用于生产所谓的活性炭，都是值得研究的重要课题[18]。

2 果树废弃枝条资源化处理研究现状

2.1 果树枝条还田

（1）加入菌剂堆肥还田堆肥主要是依靠有益微生物，借助人力有控制地促进可被有益菌降解的有机物，向稳定的矿质成分以及腐殖质转化的生物发酵过程[19]。它是固体废物资源化利用的有效处理方式之一，也是堆肥过程的最终产物[20]。枝条堆肥还田有利于稳定土壤温度、提高土壤含水量、优化土壤结构[21]。

影响堆肥的因素包括水分、pH、C/N、温度等因素。微生物新陈代谢过程中，水分是必不可少的条件，堆肥水分多少直接影响反应速度，一般保持水分达到50%～70%为最佳[22]。在堆肥过程中，酸碱度影响着微生物的生长，一般pH 控制在6.0～8.5 左右最有利于微生物生长。pH过高会导致N向NH3转化，从而导致N缺少，且产生臭味，而pH 过低，则不利于堆肥发酵[23]。C/N比过高会产生与pH过高同样的效果，而C/N比过低则会使得微生物需要氧化多次才能消耗掉过量的碳，降低降解速度[24]。温度是评价堆肥稳定度的重要指标，温度变化与堆肥中有机质的可氧化含量正相关，堆肥过程中温度总是先升高到60～70℃，持续一段时间后降低，当温度与周围环境基本一致后，表示有机质完全分解[25]。

经研究发现，传统堆肥方式由于含有难降解木质素，存在发酵周期长，效率低下等问题[26-27]。顾文杰等[28]将堆肥中加入菌剂，并与无添加的CK 处理作比较，发现加菌处理微生物比CK处理含量高，且脲酶活性峰值达到37.38 NH3-N mg/(g·24 h)，纤维素酶活性峰值达到51.85 μg/min，均高于CK 处理，转化酶活性出现于第3天以及第14天，快于CK处理，由此研究得出在堆肥中加入菌剂有利于提高酶的活性，提前达到峰值，加快微生物分解。史龙翔等[29]以猪粪以及苹果树枝条为材料，并设置了接种复合菌剂的T 处理组以及无任何添加的CK 处理组，研究发现，堆肥成熟时T处理组以及CK处理组发芽指数分别为(89.8±0.00)a以及(83.3±0.01)b，纤维素酶活性测定中2 组均在第7 天达到峰值，但T处理组活性显著高于CK处理组，漆酶、木质素过氧化酶、锰过氧化物酶活性T处理组均整体显著高于CK处理组，在不同特征时期对堆料培养96 h后，T 处理组每孔颜色变化率值以及对六大类碳源的利用率也均显著高于CK 处理组，尤其是高温期的糖类以及多胺类，T 处理组比CK 处理组利用率分别高50%和77%，因此加入菌剂能够提高生长效率，加速木质素降解，提高碳源利用率，加快果树枝条堆肥速度。刘丽丽等[30]通过研究比较得出将柑橘枝条与羊粪1:1 还田效果最佳，甚至比单纯利用枝条增产将近一倍。次仁吉保等[31]也发现将葡萄碎枝条与鲜鸡粪1:1 混合添加菌剂，种子发芽率达到88.2%，显著提高了堆肥质量。

诸多学者针对堆肥的流程以及具体设计均展开了研究。陈紫梅等[32]设计了运用桑枝堆肥的详细流程，将桑枝中添加腐熟剂以促使其富含的纤维素和木质素被降解成为腐殖质，选择1～2种微生物好氧发酵菌，辅以花生饼、豆饼等饼肥，选址于地势开阔处，水分需保持在50%～60%，后进行有益菌种接种，逐层起堆，保持宽度1.2～2 m，高度1.2～1.5 m，接下来是覆膜、发酵与翻堆，经过约60～90 d，基本呈现褐色或黑褐色后原料完全腐熟。沈晓贺等[33]研制了枝条粉碎发酵堆肥机并对发酵工艺进行了详细的设计，以期将发酵好的肥料直接排入果园。

（2）炭化处理还田果树废弃枝条经过炭化之后，内部的氮素虽然减少，但剩余矿物质含量和营养成分均会增加，生物质炭中的炭含量可达到70%[34]。Saletnik等[35]研究发现果树枝条的热转化对产生的生物炭的热值有显著影响，研究结果显示，相对于未加工的生物质而言，所有生物炭的平均热值都提高了62.24%。苹果、樱桃和梨枝条产生物炭的平均热值分别为27.90、28.75、26.84 MJ/kg。赵世翔[36]在300～600℃下制备苹果枝条生物质炭，结果显示500℃条件下制备效果最好，此时土壤pH、灰分含量较高，土壤MBC、WSO、CROC 在培养初期得到明显提高，培养360 d 后减幅明显低于同高温段的600℃，BC500对于土壤胡敏素增长效益最为显著，对于在5～8 mm，2～5 mm下水稳性团聚体有机碳分配效果较其他温度也具有显著差异，因此，枝条生物炭在500℃条件下，能显著增强土壤稳定性、土壤腐殖化程度、有机碳在土壤团聚体中的分配。段春燕等[37]利用桉树枝条在500℃厌氧环境下进行生物炭制备，分别输入了不同质量分数的桉树枝条生物炭，结果表明，4%～6%枝条生物炭输入量效果最佳，对于土壤理化性质积极影响最大，土壤容重降幅达到3.82%～33.55%，阳离子交换量最多增长至160.39%，pH 增加了0.17～1.29，有机碳增幅达到10.94%～51.37%，由此得出枝条生物炭化后对于减缓土壤酸化速度、优化土壤理化性质、增强土壤保水保肥的能力具有显著影响。

2.2 果树枝条能源化应用

Irawati 等[38]对印度尼西亚种植的11 种果树可可树、榴莲、芒果、菠果蜜、红毛丹等枝条的生物能量近似分析，结果显示11 个树种中红毛丹、芒果和爪哇李作为柴火原料的最佳树种，得分分别为176.6、169.2 和163.8；芒果、白铅树和菠果蜜枝条为最佳液态生物燃料原料，得分分别为91.1、86.6 和78.0；榴莲和甘草的分支可以用于生物能源以外的目的。Li等[39]以修剪后的红枣树枝(JB)为一次原料，以修剪后的红枣树枝木炭(JBC)为二次原料生产球团，同时考虑到成本和潜在的污染问题，选择使用低成本和大量可获得的生物质为基础的原材料作为添加剂，初步试验表明，椰壳(CC)和骨粉(BM)作为园林花卉肥料的添加剂具有较好的性能。研究发现，优化后的JB、JBC、CC或BM配比配方可有效改善燃烧性能，同时提供储运性能。成本估算结果表明，2 种优化配方在单位能量相对成本方面均显著优于纯JB制球，它们具有商业应用的潜力。

2.3 果树枝条培养食用菌

食用菌含有丰富的营养物质，如优质蛋白质、碳水化合物、多种维生素、矿物元素等，具有高蛋白、低糖、低脂、低胆固醇等特点。此外，食用真菌中含有多种生物活性物质，如多糖、膳食纤维等，这些化合物大多具有抗氧化、抗肿瘤等生理功能[40]。果树枝条是栽培食用菌的宝贵资源，按照0.22 kg/m2修建枝条计算，可生产代料食用菌100亿袋[41]。金鑫等[42]通过研究得出，添加30%的苹果枝条，45%的棉籽壳，15%的玉米芯加之必要辅料时，菌丝长势处于极强状态，且无论利用何种果树枝条，栽培的灵芝子实体均至少含有16 种氨基酸，种类多、活性高易被人体吸收。夏雨钟等[43]经实验得到由40%的果树枝条、29%的水稻秸秆、30%的稻壳加1%的石膏粉时配方最佳，最有助于菇类高产。贺建超等[44]通过研究发现猕猴桃枝条以及油桃枝条木屑栽培平菇生物均促进生物效率提高至67%～69%。刘绍玉[45]、张玉奇[46]均就利用果树枝条培育菇类生物设计了制作流程并给出了注意事项。

2.4 果树枝条医用价值

Sasaki等[47]发现果树枝条的树皮中包含大量熊果苷，研究结果显示在熊果苷浓度为0.004%时，经处理的B16黑色素瘤细胞的黑色素产量为未经处理细胞的77.9%±3.9%，且无细胞毒性，由此得出从树皮中提取的含有熊果苷的溶液对B16黑色素瘤细胞中黑色素形成具有显著的抑制作用。Wei等[48]发现核桃树枝产生软火酸的温度范围为90～450℃，其中230～370℃的软火酸抗菌活性最强。在此温度范围内采集的软火酸经GC-MS分析，共检出有机酸类、酚类、酮类、苯醚类、吡喃衍生物等50 种化合物。酚类和有机酸类物质占总成分的63.46%，而酚类和有机酸类是抗菌活性成分。姜琳琳等[49]以苹果树枝条为原料通过特殊流程提取出多酚和黄酮，提供了一种具有抑菌抗氧作用的新型化合物，为果树枝条资源化利用提供了新的思路与启发。Yang 等[50]将枣树、柚子和番石榴这3 种果树的枝条剪下来，切碎，晾干，阴燃形成生物炭和烟雾。烟雾在6℃的条件下被浓缩成烟雾浓缩液(SCL)，用作灭蚊剂，以控制蚊子幼虫。通过抑菌区试验，10%的红枣、柚子和番石榴SCLs 的杀菌效果分别是使用75%乙醇的1.44 倍、1.13 倍和0.83 倍，抑菌效果与SCLs 液中挥发性化合物的含量呈正相，此外，10%的枣和柚子SCLs 溶液在2 h 内杀死了所有测试的幼虫，通过研究随时间变化的液体pH 和溶解氧(DO)的有效性和变化，得出SCL的添加是影响试验幼虫死亡率的唯一关键因素。

3 问题和建议

3.1 存在问题

3.1.1 市场认知缺乏，系统性研究不足 目前农户尚未充分认识到果树枝条富含的价值以及资源化利用的潜力，多数废弃枝条仍只是丢弃，而浪费了资源。多数农户自身文化水平不高，缺乏主动获取农业现代化信息的积极性，对于开发果树枝条价值的技术或设想缺乏实践能力，造成果树枝条资源化利用难以得到进步与提升。除此之外，多数商家也并未挖掘到果树枝条的利用价值，未充分认识到果树枝条所蕴含的生物资源、有机质等具有商业价值的物质，致使市面上相关宣传匮乏。对于果树枝条的研究多数倾向于修剪枝条后果园的效益方面，而针对于枝条本身价值的研究以及对土壤、能源等其他方面的影响亟需进一步实践探索。

3.1.2 技术支撑薄弱，设备质量参差不齐 果树枝条资源化利用需要相关技术手段作为辅助，目前果树粉碎技术、发酵堆肥技术、炭化处理技术等均缺乏足够的研究与实践，残枝处理设备也较为匮乏。市面上虽然有各式各样的粉碎机等机械用具，像9FQ 系列粉碎机、HNX 旋风磨盘粉碎机等，但是质量参差不齐，存在着生产效率低下、耗能过高、易被磨损、寿命较短等问题，在制造工艺、制材选取等方面存在较大进步空间。

3.1.3 资金投入不足，政策引导力度有待提高 果树枝条处理技术力量薄弱关键因素之一即资金投入力度不足，政府对于果树废弃枝条处理关注程度不足，缺乏相关政策引导。虽然国家农业部等六部委于2016 年联合出台农业废弃物资源化利用的相关文件，但是对于果树废弃枝条处理及利用缺乏实质性、可操作性的政策措施，缺乏对于农户以及企业合理利用废弃枝条的鼓励措施及优惠政策，导致农户参与积极性不高，企业在果树枝条资源化利用过程中资金、技术等方面遇到瓶颈，难以创新突破。

3.2 相关建议

3.2.1 提高市场认知能力，加强系统性研究 农户是果树废弃枝条资源化利用的重要实施者。农户要主动接纳农业现代化信息，顺应市场需求，在政策引导下不断提升自己的种植水平，认识到果树枝条所蕴含的丰富资源并加以开发利用，提高废弃物再利用率，进而提升种植果树的附加值，带来更大的利润增长空间，形成果树种植的良性循环。此外，商家也要关注到果树枝条资源化利用的巨大市场发展空间，对于枝条价值的挖掘以及对其他要素的影响进行更为深入的实践研究。

3.2.2 增加技术投入，提高可用设备质量 目前有关果树枝条处理的设备匮乏且质量堪忧的问题也是制约枝条资源化利用的重要原因。企业要具备敏锐的市场眼光，关注到当前尚未得到充分开拓的果树枝条资源化利用的市场，深入基层，关注农户实际需求，积极研发有助于挖掘果树枝条价值的机械，并提升相关技术，力求使得设备在运转时能够达到低能耗、高效率。与此同时，企业也主动承担社会责任，对于所生产的设备要提供足够的质量保障，以保护购买农户的权益。

3.2.3 加强政策支持，鼓励果树枝条资源化利用 政策支持是果树废弃物资源化利用的关键驱动力。国家应出台并不断完善鼓励枝条资源化利用的政策，对于在该领域有重大突破的企业或农户予以表彰，形成良好的模范带头作用。对于农户给予一定政策优惠，并适时为农户开展专业化讲座，为农户灌输现代化种植及资源化利用技术，改变其传统的思维，激励其主动对于废弃枝条进行现代化处理，提高开发果树枝条价值的意识以及实践能力。

4 结语

果树废弃枝条是富含有机质、矿质成分、纤维素等物质的生物资源，具有宝贵的研究利用价值。果树废弃枝条的处理办法有：加入菌剂堆肥还田或炭化处理还田、制作生物能源及其他能源、培养食用菌以及用于医学等方式，除此之外，还有枝条富含物质潜在价值的挖掘，既可解决废弃枝条数量大无处存放的问题，也可以充分挖掘其价值，变废为宝，改善果园环境，增强果园土壤肥力，提高农作物品质，也为人类提供能源以及菌类生长基质，实现生态效益与经济效益的双丰收。

推进果树废弃枝条合理处理，还需要政府加强政策引导，加大宣传力度，提高农户对于农业废弃物资源化利用的认识，定期为农户普及相关知识，提高农户专业度及素质；推出相应激励措施以及优惠政策，充分调动农户以及企业的积极性。企业要抓住市场潜在需求，积极探索果树枝条的利用价值，提高机械用具的质量，并不断加以创新，研究开发出性价比更高的用具，唤醒农户的需求。农户自身要顺应政策引导，不断提高自身素养，关注农业技术的变化，认识到果树枝条蕴含的资源并加以利用，最大限度挖掘其经济价值。