不同果園枝條修剪量及資源化利用分析*

李傳友，張 莉，劉京蕊，郝東生，李學(xué)斌，張海雷，劉 攀，李 震，滕 飛

（1 北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定推廣站，100079）（2 密云區(qū)農(nóng)機(jī)化技術(shù)推廣服務(wù)站）（3 平谷區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械推廣站）（4 大興區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站）（5 昌平區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣站）

我國(guó)是水果生產(chǎn)大國(guó)，果樹栽培歷史悠久，資源豐富[1]。近年來，隨著水果產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，果樹枝條修剪量逐年增加，據(jù)估計(jì)，每年果樹枝條修剪量可達(dá)4 650 萬t[2]。果樹枝條傳統(tǒng)的處理方法主要是堆放和焚燒，而堆放處理所需容納土地量大，焚燒處理會(huì)造成環(huán)境二次污染，導(dǎo)致生物質(zhì)資源的浪費(fèi)[3]。近年來，我國(guó)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用進(jìn)程提速，科技人員對(duì)殘枝處理技術(shù)的關(guān)注度越來越高，楊葉、劉麗麗等對(duì)果樹枝條資源化利用研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)[4-5]，杜娟等對(duì)林果業(yè)殘枝粉碎機(jī)械的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析[6-11]。

林果殘枝三級(jí)全量化利用機(jī)械化技術(shù)模式是根據(jù)木質(zhì)殘枝的生物學(xué)特性，選用高效的粉碎機(jī)將殘枝破碎，并把破碎后的殘枝分選為小于0.2、0.2～1.0、1.0～5.0 cm 這3 個(gè)等級(jí)，分別用于有機(jī)肥加工、栽培基質(zhì)加工和有機(jī)覆蓋物加工，從而真正意義上實(shí)現(xiàn)對(duì)林果殘枝的全量化利用。果園修剪下的殘枝無論以何種方式進(jìn)行資源化利用都要先進(jìn)行粗加工粉碎。

果園枝條資源化常見利用模式有以下幾種。①直接粉碎還田：殘枝可直接粉碎還田至土壤中，提高土壤肥力，從而提高水果品質(zhì)[12]。②制作有機(jī)肥：木質(zhì)素是堆肥化原料中一種重要的限速高聚物，其有效降解對(duì)堆肥化速度、堆肥質(zhì)量有重要作用[12]。③制作栽培基質(zhì)：殘枝粉碎后染彩色作有機(jī)覆蓋物。通常情況下，果園全年進(jìn)行夏剪、冬剪2 次，以保證果園產(chǎn)量。對(duì)果園剪枝量的計(jì)算，目前大都是估算的方法，不同樹種、不同種植模式差異很大。傅童成等[13-14]對(duì)林業(yè)剩余物資源量評(píng)估所用系數(shù)的定義、取值和林業(yè)剩余物資源量評(píng)估方法進(jìn)行了研究。對(duì)于果園剪枝量，目前國(guó)內(nèi)外鮮有相關(guān)報(bào)道。本研究選擇代表性果樹，估算了不同果園的剪枝量并對(duì)其理化性狀進(jìn)行了分析，以期為政府相關(guān)部門制定相關(guān)政策措施和資源化利用發(fā)展規(guī)劃提供重要依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 小區(qū)劃分方法

目前，北京市蘋果、桃、梨有傳統(tǒng)種植和標(biāo)準(zhǔn)化種植2 類模式，葡萄和板栗只有傳統(tǒng)種植模式。所有果樹均為樹齡4 年以上的成齡樹。每個(gè)種植模式選擇3 個(gè)符合條件的果園。采取分區(qū)隨機(jī)取樣的方法在每個(gè)果園中選擇3 個(gè)小區(qū)，蘋果、桃、梨、板栗園每個(gè)小區(qū)確定相連的3 株樹，葡萄每個(gè)小區(qū)選擇相連的10 株樹。收集劃定小區(qū)內(nèi)的果樹冬剪、夏剪剪下的枝條，稱量記錄其新鮮枝條樣本重量和烘干后的重量，分別計(jì)算出各種處理果樹的年剪枝量的濕重和干重。

1.2 樣品預(yù)處理及含水率測(cè)定

果樹枝條的含水率較高，易發(fā)霉變質(zhì)，故通過烘干處理延長(zhǎng)其貯存期，保證其物質(zhì)含量成分不產(chǎn)生變化，用于后續(xù)理化指標(biāo)測(cè)定。參考NREL/TP-510-42621 標(biāo)準(zhǔn)方法制作烘干樣本，并測(cè)定其含水率。將采集到的新鮮果樹枝條樣本在（105±5）℃條件下，烘干（18±6）h，得到干燥樣本，并計(jì)算含水率。

1.3 理化指標(biāo)測(cè)定方法

1.3.1 有機(jī)質(zhì)測(cè)定

參考NREL/TP-510-42621 標(biāo)準(zhǔn)方法，通過測(cè)定物質(zhì)灰分含量估算果樹枝條的有機(jī)質(zhì)含量。將坩堝置于全自動(dòng)工業(yè)分析儀中，設(shè)置4 個(gè)梯度（100、200、300、600 ℃）的預(yù)熱溫度，分別加熱2 h，待機(jī)器自然冷卻至室溫，并自動(dòng)記錄恒重的坩堝質(zhì)量。稱取0.5 g 左右粉碎的枝條樣本于坩堝中，設(shè)置工業(yè)分析儀為575 ℃，灼燒灰化4 h 后至恒重。每個(gè)樣本重復(fù)2 次，計(jì)算有機(jī)質(zhì)含量。

1.3.2 木質(zhì)成分測(cè)定

枝條的主要化學(xué)組成是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，這3 種成分的測(cè)定采用兩步酸解法，參考NREL/TP-510-42621 標(biāo)準(zhǔn)方法。

1.3.3 部分元素含量測(cè)定

利用Vario EL 元素分析儀（Elemental 公司，德國(guó)）測(cè)定干燥粉末枝條樣本中的總碳、總氮、總硫和總氫的含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 剪枝量

各類果樹在不同種植模式下的剪枝量如表1 所示。測(cè)算結(jié)果表明，蘋果樹傳統(tǒng)種植模式下產(chǎn)生約3 178.50 kg/hm2的年剪枝量（干重，下同），較標(biāo)準(zhǔn)化種植模式下產(chǎn)生的年剪枝量（2 552.10 kg/hm2）略高。板栗樹只有傳統(tǒng)種植模式，年剪枝量為673.35 kg/hm2。桃樹標(biāo)準(zhǔn)化種植模式下產(chǎn)生約5 578.95 kg/hm2的年剪枝量，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)種植模式下產(chǎn)生的年剪枝量（1 959.30 kg/hm2）。梨樹標(biāo)準(zhǔn)化種植模式下產(chǎn)生約1 920.45 kg/hm2的年剪枝量，較傳統(tǒng)種植模式下產(chǎn)生的剪枝量（1 837.05 kg/hm2）略高。葡萄只有傳統(tǒng)種植模式，年剪枝量約為1 533.00 kg/hm2。總體來看，各個(gè)果園冬季產(chǎn)生的剪枝量高于夏季產(chǎn)生的剪枝量。

表1 不同果樹不同種植模式剪枝量估算表（干物質(zhì)）

2.2 含水率和有機(jī)質(zhì)含量

夏季枝條樣本的含水率為46.69%～81.88%，含水率主要集中在50%左右，其中葡萄的新鮮枝條樣本含水率較高，為81.88%。冬季果樹枝條樣本的含水率為41.12%～50.03%，較夏季枝條樣本的含水率偏低（表2），這可能是由北京冬季空氣干燥所致，同時(shí)，冬季果樹均處于休眠期，果樹生長(zhǎng)代謝過程較夏季緩慢。枝條樣本間的含水率差異主要與枝條脫離果樹枝干后的時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)。

表2 不同果樹不同種植模式枝條樣本含水率 %

夏季枝條樣本的有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定結(jié)果表明，枝條樣本含有豐富的有機(jī)質(zhì)，含量均大于98%，在果園廢棄物資源化利用方面具有良好的潛力。冬季枝條樣本的有機(jī)質(zhì)含量也均在95%以上，與夏季枝條樣本的有機(jī)質(zhì)含量差異不大，也是適宜的果園廢棄物資源化利用原料（表3）。

表3 不同果樹不同種植模式枝條樣本有機(jī)質(zhì)含量 %

2.3 木質(zhì)素、纖維素、半纖維素含量

果樹枝條含有豐富的木質(zhì)成分，主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成。纖維素是木材細(xì)胞壁的骨架物質(zhì)，半纖維素是細(xì)胞壁的黏結(jié)物質(zhì)，木質(zhì)素是細(xì)胞壁的硬固物質(zhì)。這3 種木質(zhì)成分的含量直接影響著果樹枝條的性能和利用。從夏季果樹枝條樣本的木質(zhì)成分測(cè)定結(jié)果來看（表4），其木質(zhì)成分中以纖維素含量最高，為38.67%～44.94%，且過半數(shù)枝條樣本的纖維素含量大于40%；木質(zhì)素含量和半纖維素含量分別為20.17%～29.83%和20.92%～23.15%。從冬季果樹枝條樣本的木質(zhì)成分測(cè)定結(jié)果來看（表4），其木質(zhì)成分也是以纖維素含量最高，為26.02%～33.54%，但同一產(chǎn)地枝條樣本的纖維素含量較夏季樣本低，大多數(shù)冬季枝條樣本的纖維素含量未達(dá)到40%。冬季果樹枝條樣本的半纖維素含量較夏季枝條樣本的半纖維素含量低，半纖維素含量為8.65%～11.14%；冬季果樹枝條樣本的木質(zhì)素含量為24.52%～30.55%，較夏季果樹枝條的木質(zhì)素含量高一些。這說明冬季果樹枝條材質(zhì)更加堅(jiān)硬，纖維結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固，適宜作為纖維原料；而夏季樣本的易降解成分（半纖維素）更多，更利于以發(fā)酵方式為主的資源化利用。

表4 不同果樹不同種植模式枝條樣本木質(zhì)成分含量 %

2.4 碳、氮、硫等元素含量

果樹枝條含有豐富的有機(jī)質(zhì)和木質(zhì)成分，因此其含有豐富的碳元素。由表5 可知，冬季果樹枝條的碳元素含量為47.08%～49.04%，均大于45%，這與其木質(zhì)成分含量較低有關(guān)，可認(rèn)為是生產(chǎn)生物炭的良好原材料。各類果樹枝條樣本氮元素含量為0.65%～1.71%。其中，板栗枝條樣本的氮元素含量較低。各樣本硫元素含量為0.22%～0.66%。元素測(cè)定數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，不同果樹不同種植模式、不同季節(jié)果樹枝條之間的主要元素差異并不明顯。同時(shí)，果樹枝條氮、硫含量很低，并不能作為農(nóng)林類廢棄物資源化利用的主要氮源和硫源。

表5 不同果樹不同種植模式枝條樣本元素成分含量 %

3 結(jié)論與討論

果樹枝條既是生產(chǎn)過程中不可避免的殘留物，又是一種可利用的資源，處理好二者的關(guān)系，對(duì)于保證果樹產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展具有十分重要的意義。夏季果樹枝條樣本木質(zhì)成分以纖維素含量最高，且過半數(shù)的樣本纖維素含量均大于40%，纖維素的分解需要纖維素內(nèi)切酶、端解酶和纖維素二糖酶的協(xié)同作用[15]。冬季果樹枝條樣本木質(zhì)成分也是以纖維素含量最高，但同一產(chǎn)地枝條樣本的纖維素含量較夏季樣本低，大多數(shù)冬季枝條樣本纖維素含量未達(dá)到40%。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)纖維素和木質(zhì)素有降解能力的微生物主要是高溫放線菌和高溫真菌，其中有獨(dú)特降解機(jī)制的白腐菌在木質(zhì)素降解過程中起著重要作用[16]。冬季果樹枝條的半纖維素含量較夏季果樹枝條的半纖維素含量低，木質(zhì)素含量則較夏季果樹枝條的高一些。枝條用作堆肥木質(zhì)纖維素的分解是一個(gè)復(fù)雜的過程，是各種酶之間相互協(xié)同作用的結(jié)果，纖維素和木質(zhì)素的生物降解是緊密相連、密不可分的[17-18]。

從研究結(jié)果可知，蘋果樹傳統(tǒng)種植模式下年剪枝量約為3 178.50 kg/hm2，標(biāo)準(zhǔn)化種植模式下年剪枝量約為2 552.10 kg/hm2；板栗樹只有傳統(tǒng)種植模式，年剪枝量約為673.35 kg/hm2；桃樹標(biāo)準(zhǔn)化種植模式下年剪枝量約為5 578.95 kg/hm2，傳統(tǒng)種植模式下年剪枝量約為1 959.30 kg/hm2；梨樹標(biāo)準(zhǔn)化種植模式下年剪枝量約為1 920.45 kg/hm2，傳統(tǒng)種植模式下年剪枝量約為1 837.05 kg/hm2；葡萄只有傳統(tǒng)種植模式，年剪枝量約為1 533.00 kg/hm2；本試驗(yàn)結(jié)果與傅童成等[13-14]采用每年修枝頻度系數(shù)和每次修枝剩余物產(chǎn)率得出的結(jié)論基本吻合。果樹枝條是富含養(yǎng)分的果園廢棄物，是適宜的廢棄物資源化利用原料。本試驗(yàn)為果樹枝條廢棄物的資源化利用提供了數(shù)據(jù)支撐。