农业废弃物产生及其资源化利用进展

Research progress in agricultural waste production and resource utilization

摘要

为系统了解农业废弃物产生现状与农业废弃物资源化利用技术发展趋势，以“秸秆” “蔬菜” “水果” “废弃物” “畜禽” “粪便”和“资源化利用”等中文加英文关键词，分别检索Web of Science（WOS）与中国知网（CNKI）数据库，并基于获得的相关研究论文，从废弃物产量、特征、时空分布与利用技术等视角，对当前农业废弃物产生及其资源化利用技术进行了总结梳理。结果表明：1）推动农业废弃物高效高质资源化利用已成为我国“十五五”期间农业发展的重要任务；2）我国农业废弃物呈现“粪便为主，秸秆为辅，尾菜为补”形式，三者时空分布存在显著差异；3）以肥料化利用为主，辅以饲料化、能源化、基质化与材料化利用可实现农业废弃物高效利用。综上，农业废弃物资源化利用技术已取得长足发展，但仍存在市场化程度低与制度保障体系不健全等问题，未来需要进一步加强高价值利用技术开发与政策保障措施建立，为推动绿色、低碳、可持续的农业发展模式提供坚实支撑。

Abstract

To systematically understand the generation of agricultural waste and the trends in its resource utilization， a systematic literature search was conducted based on Web of Science （WOS） core collection and the China National Knowledge Infrastructure （CNKI） database. Both Chinese and English keywords were employed， including straw， vegetable， fruit， waste， livestock， poultry， manure， and resource utilization. Based on the obtained relevant research papers， the generation of agricultural waste and its resource utilization technologies were systematically reviewed and summarized from the perspectives of waste yield， characteristics， spatial-temporal distribution， and resource utilization technologies. The results show that： 1） Promoting the efficient resource utilization of agricultural waste became an important task for agricultural development in China during the 15th Five-Year Plan period. 2） The agricultural waste in China is primarily composed of livestock and poultry manure， followed by crop straw and vegetable waste， and the spatial distribution of the three categories differs significantly. 3） The resource utilization of agricultural waste is predominantly fertilizer-based， supplemented by feed， energy， substrate， and material utilization， which can realize the efficient resource recycling of agricultural waste. In summary， while significant progress has been made in the resource utilization of agricultural waste， challenges persist， including insufficient marketization and inadequate institutional support systems. Future efforts should focus on developing high-value utilization technologies and optimizing policy support measures to promote the green， low-carbon， and sustainable development of agricultural production.

Graphical abstract

关键词

农业废弃物 / 作物秸秆 / 尾菜 / 畜禽粪便 / 循环农业 / 资源化利用

Key words

agricultural waste / crop straw / vegetable waste / livestock and poultry manure / circular agriculture / resource utilization

农业是人类文明发展的基石，对人类社会演进具有重大影响。据世界粮农组织统计，截至2023年，世界主要作物产量高达9.9×10⁹ t^［1］。随之而来的便是农业废弃物的大量产生，我国是农业废弃物产生大国，畜禽粪便是最主要的农业废弃物，每年产生量高达3.6×10⁹ t，作物秸秆产量为8.6×10⁸ t^［2-3］。农业废弃物内部含有大量生物活性物质兼具低成本与再生性等优点，使其成为一种重要的生物质资源，其资源化利用过程为人类可持续发展提供了重要保障。当前，世界各国大多已开展废弃物资源化利用探索：日本水稻秸秆资源化利用率达97.3%^［4］，法国作物秸秆资源化利用效率接近90.0%^［5］。此外，日本约九成的畜禽粪便通过堆肥化或液肥化处理^［6］，韩国分别有72.7%与11.8%的畜禽粪便通过堆肥与液体肥料方式再利用^［7］，而荷兰畜禽粪便中则有72.0%的氮与73.5%的磷在农业中重新利用^［8］。当前，我国作物秸秆综合利用率为88.1%，畜禽粪便综合利用率则不足60.0%，与世界发达国家存在较大差距^{［2， 9］}。

近年来，由人类活动与化石燃料燃烧导致的全球气候变化愈发严重，为应对全球气候变化，我国在第七十五届联合国大会上宣布力争2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和目标^［10］。随后，《农业农村减排固碳实施方案》将“农业废弃物减排与资源化利用”列为十大重点行动之一^［11］，《关于加快农业发展全面绿色转型促进乡村生态振兴的指导意见》^［12］也进一步强调了废弃物资源化利用是推动农业发展全面绿色转型的重要任务和关键举措，这一目标的提出不仅是农业生产方式绿色转型的标准，也是“绿水青山就是金山银山”新发展理念的全面落实。当前，农业废弃物资源化利用已有多种方式，包括利用农业废弃物制备新型复合材料^［13］、提取生物活性物质^［14］、生产生物燃料^［15］与制备栽培发酵基质^［16］等。近年来，随着农业废弃物应用价值认知不断深化，该领域研究成果呈现爆发式增长，涉及微生物学、农学及生物技术等多个研究方向。

然而，现有研究大多关注农业废弃物利用技术开发及其产品应用效果，缺少对农业废弃物产出及其利用技术的系统梳理。因此，为系统性揭示农业废弃物资源化利用技术现状与发展趋势，本研究以“秸秆”“蔬菜”“水果”“废弃物”“畜禽”“粪便”和“资源化利用”为中文及英文关键词分别检索中英文数字库，对来源于Web of Science（WOS）与中国知网（CNKI）的科研论文进行整合分析，进而归纳我国废弃物产量、特点与时空分布特征。此外，对现有农业废弃物资源化利用技术进行了整理，对我国目前农业废弃物资源化利用的不足之处进行了分析，以期为我国农业废弃物资源化利用提供科学参考。

1　农业废弃物来源与特征

广义上的农业废弃物是农业生产和再生产链条中资源投入与产出在物质和能量上的差额；狭义上的农业废弃物则是指在整个农业生产活动中被丢弃的有机类物质，根据农业废弃物来源可将其分为3类，分别为种植业废弃物、养殖业废弃物与加工废弃物。

1.1　种植业废弃物

在农业生产中，作物收获后所产生的废物（作物秸秆、叶片及枝条）是全球种植业的主要废弃物来源。据统计，全球每年作物废物产量高达5.3×10⁹ t，亚洲是最大的产生区域，占世界总产量的46.8%；其次是美洲（29.5%）；欧洲（16.1%）；非洲（6.6%）与大洋洲（1.0%），详见表1^［17］。我国作物废物主要以秸秆产量衡量，其中玉米、水稻与小麦秸秆所占比例达到76.1%，其总产量占世界总产量的五分之一^［2］。

蔬菜是我国第二大农作物，在种植与收获等过程中也会产生大量废物，常被称作尾菜，包括蔬菜的根、茎、叶等废物。据统计，蔬菜生产过程中尾菜平均产生率约为33.6%，由此估算我国蔬菜废弃物产量高达2.9×10⁸ t^［18］。与其他农业废弃物相比，蔬菜废弃物水分与养分含量较高，其含水量为75%~95%，总氮含量为2.0%~5.4%，总磷含量为0.4%~1.8%，总钾含量为0.5%~5.4%，详见表2^［19］。

我国秸秆资源主要集中在东北、华东与华中区域，呈现出东北高、西南低的分布格局（图1）。从省级行政区域层面来看，秸秆资源主要集中于13个粮食主产区，秸秆总产量占全国秸秆总量的71.2%。根据作物种类分析，粮食作物秸秆集中于我国东北、华东与华中区域，油料作物秸秆集中于我国西南、华东与华中区域，而糖料作物秸秆则在华南区域集中产生。蔬菜废弃物主要集中于我国华东、华中与西南区域，其产量分别占蔬菜废弃物总量的28.8%、20.4%与17.3%（图2）。从省级层面来看，山东和河南两省是我国蔬菜废弃物的重要产区，两省产量分别为3.2×10⁷ t与2.8×10⁷ t，其次是江苏（2.1×10⁷ t）、河北（1.9×10⁷ t）与四川（1.9×10⁷ t）三省。

1.2　养殖业废弃物

中国是目前全球最大的肉类生产国与消费国，肉类产量占世界产量的26.8%^［1］。近年来，随着农业结构调整与产业推进，规模化与集约化逐渐成为我国畜牧业的主要特征，这也导致我国畜禽粪便产量逐年增加。畜禽粪便富含氮磷钾等大量元素与钙、镁、铜、锌与锰等微量元素，这些养分以有机和无机形式存在，可为作物提供即时与缓效养分^［21］。然而，畜禽粪便中还含有大量病原体、激素、抗生素与重金属等有害物质，这些有害物质极易扩散到环境中，对环境与人体健康具有诸多不良影响^［22］。从地域分布上看，西南地区是我国畜禽粪便产生的重点区域（图3），占我国畜禽粪便总量的22.5%，华北（13.5%）、华东（15.0%）、华中（16.0%）与西北（14.8%）地区则为我国畜禽粪便的主要产区^［3］。从省级行政区域层面来看，我国畜禽粪便资源主要集中于四川、河南、云南、内蒙古与湖南等地。

1.3　农业加工废弃物

农业加工业废弃物主要为加工过程中丧失原有利用价值或被弃用的物质，全球每年产生约6×10⁸ t农业加工业废弃物，其中稻壳和甘蔗渣是目前产量最高的2种农业加工废弃物^［23-24］。果蔬加工也是加工废弃物的重要来源，仅中美两国果蔬加工消费等环节产生的废弃物总量便高达4.7×10⁷ t，欧盟每年产生的食物垃圾中有19%来自食品饮料加工制造部门^［25-26］。与作物秸秆和畜禽粪便相比，果蔬废弃物含有丰富的生物活性化合物，如多酚、类黄酮与类胡萝卜素等，可作为多种生物活性物质的重要来源，详见表3^［27］。

2　农业废弃物危害

2.1　对土壤的危害

未得到合理应用的作物秸秆往往被随意焚烧或是在田间随意堆积，导致严重的环境污染问题。秸秆焚烧会破坏土壤物理化学结构，导致土壤微生物群落结构受损并影响土壤酶活^［35-36］。堆积秸秆则会为病虫害提供越冬载体，导致病虫害发生概率增加，同时堆积时产生的渗滤液会直接污染土壤与水体^［37］。畜禽粪便的大量施入会导致土壤重金属与抗生素积累，加速抗生素耐药基因传播并向环境中释放微塑料，进而对土壤理化性质与微生物群落造成不良影响^［38-40］。

2.2　对水体的危害

秸秆与果蔬废物在水体中腐烂将导致水体悬浮物增加并加剧水体富营养化，导致水体微生物短时间大量增殖^［41］。畜禽粪便进入水体后将会释放大量抗生素与常规养分，全球约有2.2×10⁷ t的氮和1.8×10⁶ t的磷通过此途径进入水体，该途径还向我国水体中排放了3.2×10³ t的抗生素，导致严重的水体污染^［42-43］。果蔬废物养分充足且含水量高，在堆放过程中极易腐败产生多种有害物质，通过雨水及地表径流等导致水体污染。

2.3　对大气的危害

农业废弃物对大气污染主要与生物质焚烧过程相关，此过程会释放二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物及大量携带致癌物的烟雾颗粒，这些空气污染物不仅直接危害人体健康还会影响大气化学、地球辐射收支与全球水循环过程^［44］。畜禽粪便在堆积中会产生大量氨气、甲烷及硫化氢等刺激性气体，进而影响人体健康与全球气候^［45］。

3　农业废弃物资源化利用方式

3.1　肥料化利用

农业废弃物肥料化利用是传统的废弃物处理方式，也是目前农业废弃物最常见的处理方式，我国约有62.1%的作物秸秆以此方式利用，可分为直接利用与间接利用^［46］。

3.1.1　直接利用

直接利用是将秸秆等农业废弃物直接还田，利用土壤微生物将其分解。秸秆还田能够改善土壤物理结构并直接提升土壤肥力，还可为土壤微生物提供养分与能量，进而改变土壤微生物群落结构与功能^［47-48］。此外，秸秆还田还可提升与土壤养分循环相关的脲酶与酸性磷酸酶等功能酶活性，进而影响土壤养分循环过程^［49］。蔬菜废弃物降解速度较快，更适于直接还田^［19］。与秸秆类似，蔬菜废弃物还田也可改善土壤理化性质、土壤微生物及土壤酶活^［50］。与种植业废弃物相比，畜禽粪便还富含有机质、胡敏酸与富里酸等有机物质，既可直接为农作物提供养分又可改良土壤理化性质与微生物群落结构^［51］。

3.1.2　间接利用

间接利用主要是废弃物通过堆肥、过腹及烧灰等方式还田，其中堆肥还田最为常见。堆肥产品的施加可显著改善土壤物理结构与土壤微生物群落结构，提升土壤肥力、土壤酶活与土壤微生物多样性^［52-53］。由于单一废弃物理化性质往往无法达到最佳发酵条件，因此实际生产中多使用多种废弃物混合堆肥，还可通过引入相关功能微生物来提升堆肥过程中木质纤维素降解速率并提升堆肥品质^［54-55］。近年来，部分昆虫与腐生生物也被应用于堆肥生产，如黑水虻（Hermetia illucens）、蟋蟀（Acheta domesticus）、黄粉虫（Tenebrio molitor）、大麦虫（Zophobas morio）、家蝇（Musca domestica）、麻蝇（Sarcophaga dux）、绿蝇（Lucilia sericata）与赤子爱胜蚓（Eisenia fetida）等^［56］。目前，利用微生物制剂将传统发酵与工业化相结合，使得农业废弃物肥料化利用逐渐向机械化、规模化和专业化方向发展。

3.2　饲料化利用

农业废弃物中富含养分、蛋白质及活性功能成分，通过适当加工和处理将其转化为营养饲料能够降低畜禽养殖成本，目前我国约有15.4%的作物秸秆以此方式利用^［46］。

3.2.1　植物性废弃物饲料化

植物性废弃物的饲料化需利用物理法、化学法与生物法进行预处理，将纤维素、半纤维素和木质素等大分子物质转化为动物可消化利用的小分子化合物。物理法包括机械粉碎、微波辐射法与超声法，化学法包括酸处理、碱处理、有机溶剂处理与离子液体处理^［57］。生物法则针对木质纤维素结构利用真菌、细菌及降解酶进行处理，这也是目前农业废弃物饲料化应用较多的处理方法，主要包括青贮、黄贮与微贮等^［57-58］。水果蔬菜废弃物富含生物活性物质，是动物饲料的优良原料，其在饲料中的添加可改善动物生长性能与免疫能力^［59］。

3.2.2　动物性废弃物饲料化

畜禽粪便内部富含蛋白质、粗纤维、粗脂肪和矿物质等，经过处理可将其转化为优质动物饲料，目前可分为直接法、干燥法、青贮法与生物法4种利用方式。

1）直接法。直接法主要用于鸡粪处理，由于鸡的消化道较短，饲料中约70%的营养物质被排出体外，导致鸡粪中氨基酸与养分含量较高，所以可利用鸡粪来代替部分饲料。但直接法并未对粪便进行深入处理，粪便内部寄生虫、病毒及细菌等病原微生物未被杀死，易对取食畜禽造成不良影响^［60］。2）干燥法。干燥法通过人工烘干或自然干燥方式处理畜禽粪便，在对其消毒杀菌并添加饲料与营养物质后用于畜禽喂养，是畜禽粪便饲料化利用的常用方法^［60］。3）青贮法。青贮法是将畜禽粪便与秸秆、废弃谷物和蔬菜混合，通过青贮发酵的方式将其变为饲料，发酵过程可杀灭粪便中寄生虫与致病菌等有害生物，但发酵时间较长导致时间成本偏高^［61］。4）生物法。生物法是利用低等生物对畜禽粪便进行分解转化得到蛋白饲料的方法，处理结束后获得的动物幼虫和蛹养分含量丰富，其在饲料中的添加可促进动物生长^{［56， 62］}。

3.3　能源化利用

随着工业发展与人口快速增长，全球能源需求与日俱增，探索可持续能源对世界发展乃至人类生存至关重要。生物质能源是最具可持续性和成本效益的可再生能源，主要利用方式有燃烧、气化、液化、炭化与热解等，这也是我国农业废弃物资源化利用的主流方式^［46］。

3.3.1　燃烧

燃烧是生物质能转化为热能最常用的技术，可分为3个阶段：干燥、热解和挥发性气体与固体炭燃烧。农作物秸秆与畜禽粪便热值较高，可直接用作燃料，而蔬菜水果废弃物热值较低，多与其他高能量废物共同燃烧^［63-64］。

3.3.2　气化

生物质气化是在部分氧气供应或氧化剂存在下，将生物质转化为具有特定热值可燃气体的过程，这些气体包括甲烷、二氧化碳、氢气、一氧化碳及少量轻烃，具体组成取决于气化炉类型、工艺条件、生物质化学成分和气化剂组成^［65］。生物质气化可分为4个步骤，分别为干燥、热解、氧化与还原过程^［66］。此反应具备较高的能量回收能力，所产生气体能够保留初始生物质70%~80%的能量，固体副产物的用途较为广泛。

3.3.3　热解

热解是有机材料在无氧条件下的热降解，其反应产物包括固体（生物炭）、液体（生物油）和气体（热解气），而比例则取决于工艺参数。根据反应温度和停留时间的不同，生物质热解可分为3种类型，包括快速热解、慢速热解和闪速热解。

1）快速热解。快速热解是在高加热速率（>10~200 ℃/s）和温度（450~650 ℃）下进行的反应，反应停留时间较短（0.5~10.0 s）。快速热解生物油产量较高，产量约为生物质进料量的50%~70%，内部包括大量的水、酸、醇、酮、醛、酚、醚、酯、呋喃、烯烃与氮化合物等数百种有机化合物^［67］。这些物质往往具有反应性，导致生物油稳定性较差，在应用前需进一步加工，常用技术包括乳化、酯化、脱氧、催化裂化与蒸汽重整等，还可将生物油内酚、醛与酸类物质提取于化工产品生产^［67-68］。2）慢速热解。慢速热解也被称为碳化，是目前最常用的商业技术，反应在相对较低的温度（300~700 ℃）和加热速率（~1.6 ℃/s）及较长的停留时间（>60 min）下进行，反应生物炭产量较高，生物油和合成气产量较低^［67-68］。3）闪速热解。闪速热解在更高的加热速率（10³~10⁴ ℃/s）和温度（800~1000 ℃）下进行反应，反应时间通常少于0.5 s，反应生物油产量可达生物质的75%~80%，而气体和生物炭的产率为12%~13%^{［67，69］}。

3.3.4　水热炭化

水热炭化是以热压缩水作炭化驱动力处理生物质的方法，与燃烧、热解和气化相比，此方法适合处理高含水量生物质，可将生物质转化为高热值与高碳量的水热炭，产量约为原始生物质的40%~70%，反应通常在低温（170~220 ℃）、中温（220~260 ℃）和高温（>260 ℃）环境下进行^［70-71］。水热炭化具有许多优点，包括生物质无需干燥与反应温度低，并且反应中生成的氮氧化物和硫氧化物可在水中溶解，有效降低空气污染风险。

3.3.5　水热液化

水热液化是利用水作为反应介质将生物质转化为液体燃料的方法，反应多在4~25 MPa的高压和250~400 ℃的环境下进行，水热液化反应可分为3个步骤，即生物质解聚、生物质单体裂解和水、羧基与氨基的去除，反应产物包括9%~72%的生物油、6%~20%的气体和0.20%~0.05%的灰分^{［68，70］}。与热解相比，水热液化所产生的生物油热值更高（27~35 MJ/kg）^［68］。

3.3.6　厌氧消化

厌氧消化是农业废弃物能源化利用的关键技术，产物沼气通常由50%~75%的甲烷、25%~50%的二氧化碳和1%~15%的其他气体组成，可直接当作能源或生产生物甲烷。厌氧消化可分为4个步骤，即水解、酸化、乙酸化和甲烷化，在水解过程中，梭菌（Clostridium）、芽孢杆菌（Bacillus）、瘤胃球菌（Ruminococcus）及丁酸弧菌（Butyrivibrio）等微生物能够产生水解酶，将农业废物中的复杂分子分解为简单单体并将不可溶性聚合物转化为可溶性衍生物。这些水解产物随后被产酸菌利用转化为多种挥发性脂肪酸、氢气与二氧化碳等气体并被进一步转化为乙酸。这一过程涉及同型产乙酸菌与硫酸盐还原菌，其中同型产乙酸菌包括梭菌（Clostridium）、醋酸杆菌（Acetobacterium）、产醋菌（Acetogenium）、氨基杆菌（Aminobacterium）、暗杆菌（Pelobacter）、丁酸杆菌（Butyribacterium）与厌氧醋酸菌（Acetoanaerobium）等，硫酸盐还原菌则包括脱硫弧菌（Desulfovibrio）、脱硫杆菌（Desulfobacter）、脱硫肠状菌（Desulfotomaculum）与脱硫单胞菌（Desulfomonas）等，随后在甲烷杆菌（Methanobacterium）、甲烷八叠球菌（Methanosarcina）、甲烷丝菌（Methanothrix）、甲烷热杆菌（Methanothermobacter）、甲烷囊菌（Methanoculleus）与甲烷短杆菌（Methanobrevibacter）等古菌作用下将各个步骤的中间产物转化为甲烷^［72-73］。欧洲是世界沼气产量最多的地区，预计到2030年生物甲烷产量将提升到3.5×10¹⁰ m³，我国则计划在2030年将生物甲烷产量提升到2.0×10¹⁰ m^3［74-75］。

3.3.7　生物乙醇

生物燃料是利用生物质生产的液体或气体燃料，生物乙醇因其可再生性、可持续性、成本效益和环境友好性成为最具发展前景的生物燃料，富含木质纤维素的农业废弃物是其生产的重要原料^［76］。生物转化是生物乙醇生产的重要方式，生产工艺包括分步水解发酵（Separate hydrolysis and fermentation， SHF）、同步糖化发酵（Simultaneous saccharification and fermentation， SSF）、同步糖化共发酵（Simultaneous saccharification and co-fermentation， SSCF）及联合生物加工（Consolidated bioprocessing， CBP）。

1）分步水解发酵。分步水解发酵是利用木质纤维素生产乙醇最古老与最常用的技术，此工艺中水解酶生产、水解与发酵分别进行，优势在于不同反应过程可在各自最佳环境下进行，但生产成本与污染风险较高。此外，水解过程中还原糖的积累还会降低水解酶活性，导致还原糖产率降低，最终影响乙醇产量^［77-79］。2）同步糖化发酵。同步糖化发酵工艺是为了消除分步水解发酵中产物对酶活性的抑制而开发的，此工艺将水解与发酵2个过程在一个容器中同步进行，使纤维素底物水解得到的糖立即被发酵微生物代谢转化为乙醇（表4），此工艺乙醇产量高、污染风险低且不需要准备单独的反应容器^［77-79］。3）同步糖化共发酵。同步糖化共发酵将半纤维素发酵过程纳入同步糖化发酵工艺，工艺中纤维素与半纤维素可同时水解，随后利用微生物将水解产生的六碳糖和五碳糖共同转化为乙醇（表4）。此工艺同时利用了原料中的纤维素和半纤维素，显著提高了原料利用率与乙醇产率并降低生产成本与生产时间，兼具污染风险低和酶解抑制物少等优点^［78-79］。4）联合生物加工。联合生物加工将酶生产、水解与发酵集成在单个反应器中，消除了传统水解、糖化与发酵的单独反应器需求，有效降低运营成本^［77-79］。此工艺的关键在于开发既可产生水解酶又可产生高浓度乙醇的工业化微生物菌株，其开发方式可分为3种：1）天然法。天然法是将微生物改造使其适应CBP生产。2）重组法。重组法是利用基因重组方法使微生物高效表达相应功能酶以提升乙醇产量。3）联盟法。联盟法利用不同特性微生物协同合作以最大程度提升乙醇产量^［80］。当前，基于上述方法得到了多种具有应用前景的微生物与微生物联盟，详见表4。

3.4　材料化利用

3.4.1　生产高价值化合物

随着人们对健康食物关注度的提升，药品与食品行业开始利用植物体内的生物活性成分生产药物、功能性或营养性食品。果蔬废弃物内部往往含有多种抗氧化、抗病毒与抗肿瘤的生物活性成分，具有极高的利用价值。

1）酚类化合物。酚类化合物是果蔬废弃物中研究最多的生物活性产物，具有抗氧化、抗炎、抗菌与抗病毒活性，在心血管疾病、癌症与老年痴呆症等慢性病的预防与治疗方面发挥重要作用。果蔬废弃物中往往含有丰富的酚类化合物，常见提取方法有溶剂提取法、微波辅助提取法、超声波辅助提取法及酶解法等，其中溶剂提取法是酚类化合物提取最常用的方法^［94］。2）膳食纤维。膳食纤维是一种特殊的碳水化合物，由纤维素、半纤维素、木质素与果胶类物质构成，具有降血压、降血脂、降血糖与抗氧化等多种生理功能。果蔬废弃物膳食纤维含量较高，橄榄渣、蓝莓渣与菠萝渣膳食纤维含量分别为53.7%、47.5%与45.2%^［95］。利用果蔬废物提取膳食纤维是废弃物资源化利用的关键策略，提取方法包括化学法、酶法和微生物法。近年来，绿色提取方法如乙醇提取、蒸汽提取、超声辅助提取及超高压辅助提取等技术也被广泛采用^［96］。3）香气化合物。香气化合物由多种具有特定理化性质的挥发性与非挥发性物质构成，广泛存在于食物、香料、花卉或植物中，在化妆品、香水及食品工业中具有极高的利用价值。农业废弃物往往含有丰富的天然香气化合物，可利用多种提取方式生产香气化合物，传统提取法包括蒸馏法、溶剂提取法及索氏提取法，工艺简单且成本较低，但产量小、效率低且耗时长。现代香气化合物提取工艺包括超临界流体萃取、微波辅助萃取、超声辅助萃取与液体加压萃取等。与传统提取方法相比，现代工艺耗时短、能源消耗低且产品纯度高^［97-98］。

3.4.2　生产功能性材料

农业废弃物是很多天然聚合物的来源，其自身还具有诸多官能团和独特理化性质，可在吸附材料、建筑材料与功能性复合材料中应用。

1）生物功能材料。农业废弃物生物质具有广泛的可用性与自然降解能力，将其转化为生物功能材料已逐渐引发关注。农业废弃物中提取得到的纤维素纳米晶体具有良好的生物相容性、机械性能和环境效益，将其掺入薄膜后可提升薄膜拉伸性能和热稳定性^［99-100］。农业废弃物纤维素制备的生物材料还具有良好的生物相容性，可用于心血管植入物、关节软骨修复、血管移植物粘附屏障与人造皮肤等医疗应用^［101］。2）吸附材料。农业废弃物中的羧基、羟基、巯基和酰胺等官能团在吸附液体中污染物方面起着重要作用，干燥粉碎后便可直接用于水体处理^［102］。近年来，相关研究逐渐聚焦于将农业废弃物转化为具有优异吸附能力的生物炭材料，此过程还可通过与其他材料复配制备改性生物炭材料以进一步提升吸附能力^{［103-104］}。3）建筑材料。农业废弃物作为可再生资源能够替代天然骨料生产绿色混凝土，有助于减少能源与资源消耗并降低建筑成本。农作物秸秆纤维具有良好的韧性与拉伸性，可有效改善混凝土力场分布，提升混凝土抗冲击能力、抗弯强度、抗拉强度与保温能力^{［105-107］}。新开发的“原位去木质素组装”策略则利用小麦秸秆制备出具有较强抗压、隔热与生物降解能力的新型泡沫材料^［108］。

3.5　基质化利用

近年来，国内设施与智慧农业的发展导致市场对蔬菜无土栽培基质的需求量不断增加，传统蔬菜育苗与栽培基质主要以草炭为原料，但其属于不可再生资源，过度开采对自然环境造成了严重破坏。农业废弃物中含有大量的粗蛋白质与氮磷钾等营养物质，由其配置的栽培基质具有更为优良的理化性质，可有效促进栽培作物生长并提升作物产量与品质^{［109-110］}。目前，我国秸秆基质化利用多用于育苗与食用菌栽培，但占比较少，仅有0.7%的秸秆以此方式利用^［46］。

4　结论与展望

4.1　结论

为系统揭示农业废弃物产生与资源化利用技术研发现状，本研究对WOS与CNKI相关科研论文进行归纳总结，探究我国农业废弃物产生现状及资源化利用技术发展情况，主要结论如下：

1）我国农业废弃物资源化利用已从传统分散治理、单一利用转向政策驱动、全链条循环、高值化与智能化并存，“十五五”农业发展规划及“双碳”目标的提出则进一步要求加强农业废弃物处理及高值利用关键技术装备科技攻关，可见推动农业废弃物高效高质资源化利用已成为我国“十五五”期间农业发展的重要任务。

2）我国农业废弃物总产量约为4.8×10⁹ t，其中畜禽粪便占比超七成，是我国体量最大的农业废弃物，秸秆占比为18.1%，为次要类型，尾菜占比仅为6.1%，属于补充类废弃物，农业废弃物整体结构差距较大。此外，不同农业废弃物时空分布也有所不同，秸秆资源主要集中在我国东北、华东与华中区域，蔬菜废弃物主要集中于我国华东、华中与西南区域，畜禽粪便则集中在我国西南地区。

3）我国农业废弃物资源化利用呈现多元化发展，以肥料化利用为核心利用模式，饲料化、能源化、基质化与材料化等辅助利用路径同步推进，不断拓宽资源转化渠道。当前，我国各类农业废弃物利用技术持续优化，不同利用方式互补协同，标志着我国农业废弃物综合利用技术体系已初步形成。

4.2　展望

当前我国农业废弃物资源化利用已取得长足进展，然而以收储难、转运贵为代表的“最后一公里”难题、高价值利用技术发展滞后、化合物提取纯化成本模糊与废弃物协同处理生命周期评估缺失等问题依然制约着我国农业废弃物的高效利用。破解当前我国农业废弃物资源化利用困局，需要结合我国农业废弃物来源、种类与特点，从技术、市场、政策等方面协同发力，以实现农业废弃物高效利用，可优先关注以下4个方面：1）强化产学研协同。重点推动高校、科研院所与相关企业合作，攻关高价值化合物通用提取技术、废弃物协同体系边界界定方法与废弃物协同处理物质能量流核算模型，优化高价值化合物提取转化成本并持续追踪原材料与能源价格，提前预测高值化合物生产成本。2）提升市场参与积极性。将高价值利用技术开发、设备购置与生命周期评估纳入农业废弃物处理扶持政策体系，建立相应处理评价方法，鼓励引导下游食品、医药与材料等相关产业优先采购以拓宽应用场景。对于生命周期评估可鼓励第三方专业评估机构为中小企业提供低成本的评估服务，降低中小企业参与门槛。3）推动构建农业废弃物处理社会化服务模式。针对农业废弃物产出分散，运输成本高昂的现状，设立农业废弃物收运基金，加大对村级收集设施与短途转运的补贴力度，建立长期稳定的资金投入机制，还可由政府牵头联合相关企业构建统一的回收-储藏-转运体系，并委托高校与相关企业开发青贮保鲜、干燥压缩等低成本存储技术，推动农业废弃物资源化利用可持续发展。4）构建智慧平台。结合人工智能技术构建农业废弃物智能收储转运平台，综合储藏、转运与利用方式，实施“需求发布+资源提供”模式，推动废弃物资源化跨区域协同发展。

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基金资助

中国农业科学院青年创新专项(Y2023QC35)

湖南中烟工业有限责任公司面上项目(KY2022YC0001)

湖南中烟工业有限责任公司面上项目(KY2024YC0002)

青岛市博士后项目(QDBSH20240201026)

吉林省教育厅项目(JJKH20220435KJ)