農業廢棄物的基質化利用研究進展

范如芹， 羅 佳， 高 巖， 劉海琴， 嚴少華， 張振華

(1.江蘇省農業科學院資源與環境研究所，江蘇 南京 210014;2.江蘇灘涂生物農業協同創新中心，鹽城師范學院，江蘇 鹽城224002)

基質栽培是無土栽培的最主要形式，而基質的選擇與配方研究不僅是栽培成功的關鍵和基礎，也充分反映了無土栽培的水平［1-3］。基質配方的關鍵在于原材料的選擇、配比與前處理。如何開發一種性能穩定、養分豐富、來源廣泛、價格低廉、無污染且便于規模化生產的基質產品至關重要。農業廢棄物主要包括種植業廢棄物(如作物秸稈、糧食外殼、果蔬殘體等)、農產品加工廢棄物、畜禽糞便和農村居民生活廢棄物［4-6］。隨著世界農業的發展和農產品數量的不斷增加，農業廢棄物的排放呈現日益增長的態勢，其合理利用與管理成為當前世界上大多數國家共同面臨的一個重要農業和環境問題［7-8］。另一方面，這些廢棄物種類繁多、取材方便，而且含有豐富的植物生長所需的各類養分，被稱作“放錯位置的資源”［6］。利用這些物質生產基質不僅可以解決當前棘手的農業環境污染與資源浪費問題，而且可以為基質的商業化生產提供優質、廣泛、廉價的原材料，變廢為寶，一舉兩得。

本文就國內外農業廢棄物資源的特點、基質化利用的研究現狀、農業廢棄物基質化利用存在的問題以及今后的發展方向等內容進行了綜述和探討，旨在為推進農業廢棄物的基質化利用提供借鑒和參考。

1 農業廢棄物的特點

1.1 養分含量高

農業廢棄物主要元素為碳、氫和氧，且含有大量的氮、磷、鉀、鈣、鎂等植物生長所需營養元素(表1)。化學組成上主要由纖維素、半纖維素、木質素、淀粉、蛋白質、天然橡膠和果膠等高分子聚合物和生物堿、氨基酸、單糖、脂肪、脂肪酸、碳氫化合物等小分子化合物組成［6，9］。據統計，雞、鴨糞便中含有粗蛋白質28.0% ～31.3%，鈣、磷等營養物質含量也較高［10］。作物秸稈中含有大量的木質素、纖維素、半纖維素、粗蛋白質等，其中油菜秸稈的纖維素含量高達50.0%以上，玉米秸稈的粗蛋白質、中性洗滌纖維、木質素含量分別達9.8%、70.4%和4.9%［11］。

1.2 來源廣泛、種類繁多及基質化利用潛力巨大

農業廢棄物包括農業生產和農村居民生活中所產生的各種非產品材料，來源與性質的差異導致其顆粒大小、形狀、容重、總孔隙度、大小孔隙比、pH值、EC值、CEC值等存在差異，但普遍具有表面密度小、韌性大、抗拉、抗彎、抗沖擊能力強的特點［6］。中國是世界上農業廢棄物產出量最大的國家，每年大約產出4.0×109t(表1)，約合7.0×108t標準煤，且這些廢棄物以年5%～10%速度遞增，預計到2020年將超過5.0×109t［10］。

表1 中國農業廢棄物數量及其養分含量［6，10，12］Table 1 Amount and nutrient content of agricultural wastes in China

2 國內外農業廢棄物基質化利用現狀

栽培基質是新型高效農業的基礎，被廣泛應用于花卉工廠化種苗生產、蔬菜工廠化種苗生產以及蔬菜和花卉的無土栽培領域。基質包括無機基質、有機基質、混合基質三類。無機材料有巖棉、河沙、爐渣、蛙石、珍珠巖等，這些也是基質栽培發展初期所用的材料。無機基質因養分含量低、水肥保持能力差等缺點而限制了推廣應用。農業生產中大量使用的基質為性能較佳的有機無機基質，即由草炭、椰糠、酒糟、樹皮、畜禽糞便、秸稈、生活垃圾等有機物料添加無機材料合理配比而成的混合基質。

中國的設施農業無土栽培水平遠遠落后于歐美等發達國家。在荷蘭、美國、英國、日本等國家都有專門的基質研究和生產機構。如美國加州大學的Ucmix、康奈爾大學的 Comell peat-litemix、Texas A and M Mix等都開發了以草炭為主要原料的基質產品［13］。草炭是傳統優良的基質原料，但其短期不可再生，地區分布不均，價格較高。20世紀80年代后期以來，歐美國家陸續頒布法令禁止對草炭資源的開采，因此開發資源豐富、可再生、價格低廉、養分充足的草炭替代基質原料至關重要。

2.1 菇渣

自20世紀90年代以來，中國食用菌產業迅速發展，2010年產量已高達2.0×106t，占全球產量的70%，而且每年仍在迅速增長［14］。食用菌采收后產生大量的磨菇渣廢料。每100 kg培養料，收獲100 kg鮮菇后便可產生60 kg菇渣廢物，這些菇渣若隨意丟棄會導致病菌和害蟲積聚孳生，不僅造成栽培環境和周圍水體生態環境惡化，還會使得食用菌生產出現連作障礙。菇渣具有疏松多孔的結構，含有豐富的有機質、全氮和有效氮，且來源廣泛，價格便宜，組成穩定，通過適當調節及采取適當管理措施，在無土栽培中作為草炭替代物是完全可行的。

目前以菇渣為原料的基質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、畜禽糞便等，用于番茄、黃瓜、西瓜等秧苗的培育［15-17］以及花卉栽培［18］。Zhang等［19］對菇渣基質種植黃瓜及番茄進行了研究，取得了良好效果，并提出菇渣可替代價格昂貴的草炭而成為基質的主要成分。菇渣∶泥炭∶珍珠巖∶蛭石以1.0∶1.0∶2.0∶0.5的比例配比制得的低成本基質可以作為草莓專用基質的替代品［20］。蘑菇下腳料40%、卡拉膠濾渣40%、泥炭20% 的配比適于培育優質番茄秧苗［21］。孫向麗［22］研究結果表明，茹渣和鋸末可作為麗格海棠無土栽培的代用基質。Medina等［15］研究發現，諸多菇渣原料的基質中，菇渣多達75%的配方仍適用于做蔬菜種子發芽基質。Jordan等［23］報道，菇渣栽培基質有助于鉛鋅尾礦理化性質的改善，并最終通過提供植物所需養分和降低重金屬濃度而實現礦區的改善。但是，目前菇渣的基質化利用方面缺乏深入的綜合研究，配比基質的其他原料雜亂，并且大多數研究只是針對某一種作物的研究，配方的普適性較低［14］。

2.2 作物秸稈

作物秸稈粉碎后直接作為基質原料。趙珊珊等［24］將不同比例的玉米和大豆秸稈與土壤混合制成基質用于越橘栽培，發現玉米秸稈與土壤按1∶20質量比的混合栽培基質是越橘生長發育的適宜基質。作物秸稈用于基質利用多是先經過發酵腐熟再用于基質配方研制。有機物料經過發酵腐熟后，其產物作為土培基質施用效果較好［25］。Raviv等［26］研究發現，小麥秸稈與牛糞等材料發酵制得的基質不僅有助于減少番茄爛根等病害，還可有效減少病原菌數量。Belal等［27］將稻草秸稈發酵后加入到泥炭與蛭石基質中用于觀賞植物育苗，結果發現幼苗生物量、株高、葉片數等生長指標均未受到影響，說明稻草秸稈可以替代部分草炭作為基質原料。江笑丹等［28］用青玉米秸稈堆制后應用于蔬菜栽培基質取得可喜成果。馮冰［29］在混配基質中用小麥秸稈、玉米秸稈、椰糠、菇渣等廢棄物原料制成的基質栽培亞洲百合，結果表明其效果與草炭基質相比毫無遜色。張文斌等［30］將玉米秸稈、牛糞、菌棒、糖醛按照0.6∶1.0∶1.0∶0.6的體積比與0.6體積的爐渣組合，所得配方較為適宜辣椒有機生態型無土栽培。崔元圩等［31］對棉花秸稈、菌糠、稻殼、玉米秸稈粉碎發酵后與河沙、爐渣等混合配比用于蔬菜栽培的基質研究，結果得出棉花秸稈作為基質栽培的有機原料，經過合理的配方組合可以在生產上應用，并能取得良好的生產效果。劉偉等［32］采用玉米秸稈、菇渣與爐渣、鋸末等混配的有機基質，可獲得番茄高產。宋麗萍［33］進行了秸稈源廢棄物發酵工藝技術和設備的研制，報道了從秸稈原料到商品基質產品的制作工藝流程。

2.3 禽畜糞便與發酵床墊料

隨著規模養豬、養雞等養殖業的發展，不斷增加的禽畜糞便給生態環境造成了巨大的承載壓力。同時，這些糞便中又含有大量的氮、磷、鉀等養分、礦物質與各種微量元素［34］，因而可被應用到栽培基質配方中。雞糞、牛糞、豬糞等以合適比例添加到基質中均可提高基質品質［35］。畜禽糞便的發酵液代替營養液添加到基質中可提高茄子的產量和品質［36］。李志剛等［37］研究發現，添加雞糞可使基質的容重、持水孔隙度、pH、EC等理化指標均呈上升趨勢，對基質性狀的調控效果較佳。雞糞添加到改良銅尾礦基質中能夠促進豆科植物生長，植物的株高、冠幅、根長等指標均增加，且隨著生長期延長，增加效果明顯［38］。盧繼鋒等［39］研究了不同比例的雞糞與花生殼基質配方對番茄長勢、產量和品質等的影響，得出150 kg雞糞與1 m3花生殼的比例可促進番茄高產。與添加化肥相比，基質中豬糞氮可顯著增加栽培番茄的莖粗、果枝臺數、座果數與莖葉生物量，獲得60.7～69.9 t/hm2的番茄產量［40］。汪開英等［41］將豬糞與木屑、茶渣和藥渣等材料混合復配，結果發現30%腐熟豬糞含量的基質理化性質比較適合作物栽培，腐熟周期適于工廠化生產。李婧等［42］研究發現，將牛糞與秸稈、草炭、蛭石按5∶1∶2∶2的體積比混合制得的基質可以顯著改善辣椒苗質量，效果優于草炭基質。由于中國畜禽飼料添加劑質量標準和管理不夠嚴格，造成許多地方在飼料添加劑中大量使用銅、鋅、錳、鈷、硒、碘、砷等中微量元素，畜禽糞便中重金屬超標率高［43］，因此畜禽糞便含量高的基質多用于觀賞性植物的栽培。

除將畜禽糞便直接或發酵添加到基質中以外，近年來畜禽發酵床墊料作為基質原料成為墊料處理和利用的一個新方式，引起了研究者的注意。發酵床墊料是將接種有益菌的秸稈、鋸末、稻殼、菇渣、中藥渣、花生殼等有機廢棄物切碎后鋪墊于牲畜圈舍內，并在畜禽糞尿排泄和踩踏等的長時間作用下所產生的分解半分解混合物。目前關于墊料作為基質原料的研究結果還鮮有報道，但隨著規模養豬的發展，大量發酵床墊料的產生造成一定生態風險［44］，其作為基質原料的應用具有較好的前景。

2.4 椰子纖維

椰子纖維疏松多孔，保水和通氣性能良好，氮、磷等含量高，因具有類似于草炭的優良特性而受到基質配方研究者的青睞［45］。早在上世紀九十年代，世界各國就開始了對椰子纖維基質栽培觀賞植物的大量研究。早在1993年Handreck［46］就系統研究了利用椰子纖維替代草炭作為矮牽牛花栽培基質的配方。Offord等［47］研究了椰子纖維和草炭基質對澳大利亞本土植被的栽培效果，發現2種栽培方式下植物長勢相差不大。Hernández等［48］首次研究了以椰子纖維為原料的基質對意大利傘松、地中海柏木及綠干柏等觀賞植物的栽培效果，得出椰子纖維配以松樹皮及生物固定的混合基質對這些植物的栽培效果最佳。在設施農業較為發達的荷蘭，其溫室3/4以上面積采用基質栽培，原料主要為巖棉和陶粒、椰子纖維、草炭、樹皮等［13］。

中國海南等地擁有豐富的椰子纖維資源，開發利用前景廣闊。劉茳等［49］研究發現，以椰糠、珍珠巖及蛭石為材料制成的基質可作為巖生報春無土栽培的代用基質。有關學者對椰子纖維作為其他觀賞花卉［50-52］、香蕉秧苗［53-54］和黃瓜等蔬菜［55-57］的栽培基質進行了大量研究，并取得了良好效果。采用椰子纖維基質栽培可提高西甜瓜的果實品質［58］。

2.5 水葫蘆渣

水葫蘆可有效吸收水體氮、磷等營養物質，被認為是修復富營養化水體的優勢漂浮植物物種［59］。鑒于中國水體富營養化的嚴峻形勢，近年來國內外以凈化水體為目的的水葫蘆種植面積不斷擴大。中國部分高校及科研院所在國家級省市重大科技項目的支持下，在太湖、滇池等水體對水葫蘆進行了大規模控制性種養和資源化利用。目前對水體修復后的水葫蘆多作沼氣或有機肥的生產，但利用率有待提高。水葫蘆中含有大量可被植物吸收利用的氮、磷、鉀、有機質等營養物質，且其生物量大，年生長量(鮮質量)可達6.21×105kg/hm2，折合干物質4.72×104kg/hm2［60］，因此水葫蘆渣在基質化利用中有很大潛力。針對其含水量較高的特點，首先需要對水葫蘆進行有效脫水。采用垛式和槽式發酵腐熟的方式使其脫水，然后與秸稈、畜禽糞便等原料混合后二次發酵，最后根據發酵后的養分和理化性狀特點與其他原料進行配比調控。目前國內外關于水葫蘆渣基質化利用的研究尚罕見報道，中國江蘇省農業科學院等單位目前正對此進行研究。

2.6 其他農業廢棄物

除上述目前研究較多的原料，樹皮、鋸末、蘆葦渣、中藥渣、酒糟、花生殼、稻糠等其他農業廢棄物在基質配制中也有一定的應用空間。Guerrero等［61］研究得出松樹皮和污泥原料基質可替代草炭作為鳳梨和綠干柏的栽培基質。Ostos等［62］將修剪廢棄物與污泥等其他有機廢物搭配，用于地中海灌木秧苗的基質栽培，并取得良好效果。Papafotiou等［63］報道，橄欖油生產所產生的廢棄物可替代25%的草炭作為栽培基質，而不會對植株的品質產生影響。制糖廢物甘蔗渣經過合理處理可成為與泥炭種植效果相當的良好栽培基質［64］。孫治強等［65］研究發現，甘蔗渣添加煤渣、雞糞、尿素等制成的基質對番茄的栽培效果極佳。鄭金生等［66］在制藥產生的甘草渣中添加膨化雞糞和尿素等經過發酵制得基質，其理化性質等可達到栽培要求。Carmona等［67］成功地利用葡萄桿和葡萄酒榨渣為原料的栽培基質實現了對生菜、番茄、辣椒等蔬菜幼苗培育。

3 農業廢棄物基質化利用存在的問題

3.1 缺乏基質栽培標準化參數

農業廢棄物來源不一，也沒有標準化的生產工藝，質量穩定性較差，理化性狀差異較大，各批量間質量存在一定差異，目前尚沒有提出主要作物栽培基質的標準化性狀參數。可以說在基質化利用上還存在經驗性甚至盲目性［68］。從目前的情況看，廢棄物處理只是作為栽培基質的前期處理工作，其研究和基質產品研究處于一種割裂狀態［69］。

3.2 綜合利用技術水平低及基質化生產成本高

目前世界上農業廢棄物用于基質生產的創新性技術缺乏，沒有形成完整成熟的技術體系，難以實現高效機械設備與生物技術的有機結合，工藝和工程技術得不到升級，設備水平較低，廢棄物基質化利用面臨著技術單一、難以為繼的困境［70］。同時由于缺乏新技術、新工藝來降低成本，利用廢棄物生產栽培基質的成本較高［68］，與產業化生產相距甚遠。

3.3 基質的重復利用率低

以農業廢棄物為原料的基質含有大量細菌、病原菌等，且經過植物生長和鹽分運移等作用后容易產生病蟲害，因此基質重復利用需進行消毒。目前的消毒措施有蒸汽消毒、溴甲烷、甲醛、氯化苦消毒，太陽暴曬等，但尚沒有經濟可靠的大批量基質消毒的方法［1，71］，限制了基質的重復利用，從而造成二次污染。

3.4 缺乏高性能優質基質產品

基質中水分運移、植株養分吸收、養分含量與形態以及微生物群落特征等隨時間的變化等過程仍不清楚，基質中各理化和生物學指標間的協調和相互作用機理鮮有報道，限制了基質品質的改進提升。缺乏高性能優質基質，針對性專用基質難以滿足不同地區的氣候條件、栽培環境等的要求，發展不同檔次和形式的設施基質栽培尚存在困難。

4 展望

4.1 進一步健全農業廢棄物綜合利用的法規和政策

在當前高度注重環境保護和食品安全的背景下，中國廢棄物統計標準欠缺，廢棄物利用率等都落后于發達國家［10］，有關農業廢棄物利用的法律法規有待健全。要加快推進農業廢棄物基質化利用進程，也需政府政策扶持，建立生產環境標準，通過減免稅和低利融資等辦法，積極鼓勵、引導投資，形成產業鏈和形成完整成熟的技術體系，才能降低成本和環境承載壓力，實現物盡其用、變廢為寶，改善農村生態環境，促進農業可持續發展。

4.2 加強新型材料在基質品質改良中的應用研究

鑒于目前高性能優質基質缺乏的現狀，普通基質配方基礎上新型材料的添加和調控勢在必行。生物炭、凹凸棒土、納米材料等材料具有豐富的孔隙結構、納米顆粒的大比表面積、表面負電性，因而具有較高的吸附能力，對養分的保蓄和重金屬鈍化具有顯著作用;高吸水性樹脂分子本身帶有大量強吸水性基團，因而具有高吸水性、保水性、保肥性等優良特性。可延緩植株萎蔫發生的時間，提高植株的水分利用率。這些材料在土壤性能改良中已經被證明具有可觀效果［72-73］，其在基質性質改良中的應用不僅是應理論和實際生產所需，而且在理論上完全可行并已有初步嘗試［74-75］，應用前景廣闊。

4.3 建立基質標準化參數體系

基質從原料到產品形成過程中的理化和生物學性質變化過程，基質使用過程中在植株生長的影響下其理化指標變化，養分轉化過程及供應原理，重金屬及有機污染物的鈍化與轉化和微生物種群特征變化等尚沒有完整的系統研究，因此闡明各類基質生產、使用和再生利用過程中理化及生物學特征的變化過程以及水分運移、養分供應和保蓄等功能的原理，形成一套完整的理論體系，并建立基質標準化參數體系，對基質材料配方和性能改良研究以及基質應用推廣都至關重要。

4.4 集中力量解決基質生產關鍵技術問題

農業廢棄物生產基質過程中，廢棄物處理技術以及基質栽培存在的基質消毒技術、基質病蟲害防治技術、抗低溫技術、基質水肥管理技術(包括營養液的配制技術、灌溉技術、監測調整技術、設施營養診斷技術、園藝用肥料研制技術等)等缺乏創新性突破，從根本上限制了基質產品的研制開發，因此下一步的重點應集中在這些技術的開發上。

4.5 強化基質大規模生產工藝及設備研究

優質基質大規模商品化生產的前提是相關生產工藝與設備的研究。不同原料的前期處理、有機物料的腐熟發酵、材料配比與調控、基質消毒、性能測試等基質生產工藝;基質生產和應用設備的研發，包括基質生產環節的消毒設備的研發和基質應用環節設施栽培工廠化自動生產設備的研發，如水分自動感應滴灌系統、葉菜類植物自動播種采收、基質再利用回收裝置等，并建立標準基質生產線，這些是大規模生產成熟基質產品的前提，也是未來設施農業發展大勢所趨。

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