蔬菜废弃物还田资源化利用潜力分析

吴文辉，朱为静，朱凤香，洪春来，姚燕来，王旭东，王卫平*

(1.西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌 712100； 2.浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

蔬菜产业作为农业的重要组成部分，在全国深入推进种植业结构调整的进程中，因比较收益相对较高，已逐渐成为全国各地打造特色产业、推进扶贫攻坚和增加农民收入的重要抓手。我国既是蔬菜生产大国，又是蔬菜消费大国。蔬菜是我国除粮食作物外种植面积最广、经济地位最高的作物。据统计，2013年我国蔬菜种植总面积达到2 000多万hm2，年产量近7亿t，分别占世界蔬菜种植面积和产量的41.75%和50.96%[1]。其中，种植面积较大的为叶菜类、茄果类和根茎类蔬菜，且还呈增加趋势。

伴随着蔬菜种植面积的扩大，以及居民对蔬菜品质要求的提高，低利用价值的蔬菜废弃物产生量也日益增多[2]。据2012年统计，我国蔬菜废弃物的年产生量已达2.0亿t，这些废弃物已成为继粮食作物后的第二大农业生物质废弃物[3]。受经济、技术水平和蔬菜废弃物资源化处置、利用条件的限制，大量的蔬菜废弃物未被合理处置利用，而是被随意堆放、丢弃，不仅易引发蔬菜产地周边环境和水体的污染，而且易造成病虫草害的大发生和资源的浪费。研究表明，蔬菜废弃物养分含量丰富，若将其妥善处置，对提高资源利用率、减少环境污染、促进蔬菜产业健康可持续发展等具有积极意义[4]。近几年，国内对蔬菜废弃物资源化利用的研究大多集中在堆肥上，如蔬菜废弃物堆肥质量评价、堆肥过程中氮素损失途径探究等，关于蔬菜废弃物资源化还田的报道在本研究检索范围内还较少见。本文从蔬菜废弃物来源、特性、资源化利用现状，以及多种蔬菜废弃物还田资源化利用方式等角度进行综合分析，旨在为蔬菜废弃物资源化高效利用途径创新与应用提供思路与参考。

1 蔬菜废弃物来源和特性

蔬菜废弃物不仅指收获时产生的无商业价值的根、茎、叶和果实，也包括在储存、运输、加工、销售等过程中产生的黄化、变质，甚至腐烂的蔬菜，以及次品尾菜。其分布相对集中，主要是在蔬菜基地、蔬菜集散地、农贸市场和蔬菜加工场所[5]。王树忠等[6]估算，北京市每年产生210万t蔬菜废弃物。北京新发地农产品批发市场在每年的蔬菜销售旺季，日产垃圾量达到200 t，其中蔬菜废弃物占90%以上[7]。不同种类蔬菜因产量、种植密度、食材部位各异，以及收获等环节的损失程度不同，蔬菜废弃物的产生量也存在显著差异。赵丽娅[8]调查发现，叶菜类蔬菜废弃物占全部蔬菜废弃物总量的71%。韩雪等[9]利用草谷比较为准确地计算出叶菜类、瓜果类、根茎类产废系数平均值分别为9.7%、3.8%、4.7%。

即使同种蔬菜，受不同品种、不同栽培模式和地域气候影响，蔬菜废弃物的产生量也显著不同。表1为2018年通过下发调查问卷和实地调查获得的全国部分蔬菜种植基地(河北、河南、山东、湖南、四川、浙江等)不同种类蔬菜废弃物的产生量，可以看出，不同蔬菜产生的废弃物数量差异巨大。

表1 不同蔬菜每667 m2产生的废弃物数量

蔬菜废弃物具有含水量高、有机碳丰富、矿质养分含量高等特点[10]。蔬菜残体的干物质含量较低，有机质含量占所有干物重的70%以上，氮、磷、钾总量占5.7%～9.6%[11]，电导率在7.8～9.7 mS·cm-1[12]，有机成分中纤维素和木质素含量分别为28.5%和10.98%[5]。蔬菜废弃物中其他物质的含量如表2所示。这些特定的理化性质决定了蔬菜废弃物具有较高的资源化利用潜力[10]。

表2 蔬菜废弃物理化性质

2 蔬菜废弃物利用现状

2.1 蔬菜废弃物传统处理方式

蔬菜废弃物主要是蔬菜种植生产的副产品，但受技术、生产力水平和经济条件制约，过剩的蔬菜废弃物正在成为农业生态环境中的非点源污染源[20]。传统的蔬菜废弃物处理方式主要有随意堆放、就地还田、喂食牲畜和露天焚烧等。但蔬菜废弃物含水量高、体积大、易腐烂，且常带有农药残留或携带病原菌残体，腐解易产生酚酸类自毒物质[21]。随意将其堆置在田间地头、沟渠旁，不仅占用土地资源，而且还可能污染地下水资源与周边环境。若未经处理直接还田，可能引起下茬作物病虫害加重；若直接喂食牲畜，可能引发疾病等；而露天焚烧则会产生大量烟尘，污染环境，还可能引发火灾等重大灾害。

2.2 蔬菜废弃物资源化利用方式

蔬菜废弃物资源化利用是果蔬产地和城市垃圾分类处置中一个比较棘手的问题。据王亚静等[22]对2005年全国各类秸秆资源可收集利用潜力的统计分析，蔬菜藤蔓及其残余物的可收集系数为0.6，可见大部分蔬菜废弃物可以被回收后资源化利用。但是，蔬菜废弃物毕竟是废弃物，利用价值较低，只宜采取就近处置或低成本转化的策略。蔬菜废弃物的综合利用，主要是通过将蔬菜废弃物破碎、脱水、固液分离，然后利用资源化技术将其转化为肥料等农业利用品的过程。目前，蔬菜废弃物资源化利用方式主要包括肥料化、基质化、能源化、饲料化。

2.2.1 肥料化利用

肥料化利用就是利用自然界中广泛存在的细菌、放线菌、真菌等微生物菌群的生命活动，将蔬菜废弃物生物降解，腐熟转化为较为稳定的腐殖质类产物，用于还田、培肥改良土壤。目前，关于蔬菜残体肥料化利用的研究国内外已有较多报道，如利用蔬菜残株堆肥处理后还田种植辣椒，可显著降低土壤容重，增强土壤的持水能力，增加通气孔隙，为辣椒高产提供良好的土壤条件[23]。Tits等[24]研究发现，果蔬废弃物和园林废弃物堆肥可替代部分无机氮肥，并可有效提高土壤的供氮能力。在蔬菜废弃物的堆肥过程中，往往会产生挥发性氨(刺激性气体)，造成氮素损失[25]。徐路魏[26]选用蔬菜废弃物、菌糠和畜禽粪便混合堆肥，可以有效减少堆肥中的碳、氮损失，起到保碳、保氮的作用。山东等蔬菜主产区已开展蔬菜种植区与当地有机肥生产企业的对接，通过制定相关的政策、管理与激励措施，使蔬菜废弃物的收集、运输与处置利用有机结合，保证蔬菜产业健康发展。总地来看，蔬菜废弃物通过堆肥化处理后制备成有机肥还田使用是目前或今后一段时期内该类废弃物利用的主要途径。

2.2.2 基质化利用

蔬菜废弃物基质化利用主要是将蔬菜废弃物堆制、发酵后的物料与有机无机辅料按一定比例进行混配，然后用作替代土壤进行无土栽培等。利用蔬菜废弃物生产基质不仅可以节约资源、减少对环境的污染，还能够为商业化基质提供环保、优质、廉价的原材料[27]。何宗均等[28]发现，由黄瓜秧子、番茄秧子、牛粪、蛭石发酵组合而成的基质处理效果最佳。贺满桥[29]以食用菌废弃物作为草炭替代品的新型基质，种植的番茄各生理指标与对照无明显差异，部分指标甚至优于对照。蔬菜废弃物腐熟后基质化利用一般应用在苗木、花卉和蔬菜栽培基质的配方中。

2.2.3 能源化利用

蔬菜废弃物中纤维素含量高，适合采用厌氧发酵工艺，在发酵微生物的作用下，将有机物质分解转化为可再生能源。目前，该技术多应用于沼气发酵。刘荣厚等[16]用废弃的甘蓝叶进行厌氧发酵试验，证实用蔬菜废弃物厌氧发酵制沼气的工艺是可行的；毛羽等[30]对菠菜叶进行厌氧发酵，发现其产气潜力很大。此外，蔬菜秸秆的能源化利用现在主要包括秸秆气化，秸秆压缩固化成型燃料颗粒技术，以及秸秆发酵制氢、制乙醇技术等，这类技术一般需要一定的生产规模，且需要配套相应的设备和装置，用作能源的话，还需下游的配套产业跟进才能实施，其应用推广在短时间内仍有很大难度。

2.2.4 饲料化利用

蔬菜废弃物具有一定的营养价值。目前，国内有研究通过青储和黄贮方式对蔬菜废弃物进行固体发酵，将其用作反刍动物的粗饲料替代品。研究发现，其发酵产物不仅柔软多汁、气味酸香、消化率高，而且适口性好，可以作为反刍动物(牛、羊、马)良好的饲料蛋白原材料。利用蔬菜废弃物发酵生产饲料，既可变废为宝，节约成本，还能够缓解蔬菜废弃物带来的环境污染问题[31]。张继等[32]用废弃的高山娃娃菜叶进行固体发酵，产物中蛋白质含量有明显提高，宜作为饲料。李海玲等[33]将白菜尾菜与小麦秸秆混合发酵，明显增加了发酵产物的粗蛋白和脂肪含量。但该种利用方式的局限性是，原料来源仅集中在某一个特定时段，且必须及时就地处置，否则很快就要腐烂变质，而且农牧产业要能对接好才可进行。

除以上4种主要的蔬菜废弃物处理方式外，还有部分研究者探索利用蔬菜废弃物提取特种物质用于环保、化工等领域，如Donato等[34]通过绿色工艺提取的较高纯度的柠檬和茴香残留物多糖，可以作为海藻酸钠(A)基薄膜的天然增塑剂，用于改善海藻酸钠的性能，可克服其脆性限制，使其在低成本、环保方面的应用成为可能。

3 蔬菜废弃物还田资源化利用潜力分析

3.1 堆肥化还田利用模式

为了促进蔬菜产业的持续健康发展，蔬菜废弃物综合利用问题正逐渐成为科学研究的热点。堆肥化还田作为农田土壤修复最有效的方式之一，其核心理念就是将堆肥化处理的有机物料作为有机肥或土壤改良剂，使土壤保持健康且富有活力，进而促进作物正常生长[35]。研究表明，蔬菜残体经高温好氧堆肥处理，可降低化感效应的影响，消除致病菌，固化重金属等[36]。而且，堆肥还田后还可以增加土壤有机质，改善土壤通气性，提高土壤质量等[37]。韩伶[38]将废弃的黄瓜、番茄秸秆堆腐还田后，在促进作物生长的同时也改善了土壤根区环境。总的来看，蔬菜废弃物堆肥化还田潜力巨大，但是不同堆肥方式对堆肥质量有明显影响，为了确保堆肥产品的安全使用，必须注重堆肥质量的提高。

3.1.1 堆制方式对堆肥质量的影响

堆肥过程是微生物分解有机物料的过程，堆肥物料腐熟的快慢与微生物活动密切相关；因此，在制作堆肥时，一定要注意物料含水量、空气和温度等因素。为了有效促进蔬菜废弃物堆肥处理，国内外许多学者对高温堆肥中各个阶段的堆肥质量进行了深入研究[39]。蔬菜秸秆堆肥的影响因素与畜禽粪便堆肥过程的影响因素相似。席旭东等[40]发现，好氧堆肥比厌氧处理的堆体温度上升快，高温持续时间长，腐熟程度好，是一种较理想的蔬菜废弃物快速堆制方法；王辉等[41]采用好氧覆膜堆肥法，得到的堆肥产物有机质含量明显提高，是一种适用于兰州地区的蔬菜废弃物有机肥堆制方法。

3.1.2 堆肥材料对堆肥质量的影响

适宜的堆肥材料对堆肥进程有促进作用，适宜的堆肥物料碳氮比和高活性降解微生物的协调作用是物料快速腐熟稳定化的重要因素。许多研究者通过添加不同物料，就其对蔬菜废弃物堆肥腐熟进程的影响进行了探索性的尝试。蔡尽忠等[42]通过同时添加葡萄糖和微生物菌剂，显著提高了堆肥质量；徐路魏等[43]研究发现，加入一定比例的生物炭可以有效促进堆肥化进程，减少堆肥过程中的氮素损失；Rawoteea等[44]将含有纤维素、半纤维素的办公废弃纸张和废纸箱混合制堆，发现可以有效促进堆肥进程。蚯蚓辅助堆肥是近几年兴起的一种新的堆肥技术，蔬菜废弃物中的大多数有机物经蚯蚓食用、消化后，转化为稳定的腐殖物质。杨帆等[45]发现，蚯蚓辅助堆肥能够减少温室气体排放和堆体中的氮素损失，在确保堆肥养分含量的同时，还能够减少环境污染。

3.2 直接还田利用模式

蔬菜植物残体是广泛存在的可循环利用资源。将秸秆粉碎还田后，通过添加秸秆腐熟剂能够使这类有机废弃物快速分解腐熟，加快养分的释放，并增加土壤微生物菌群的多样性和生物活性，对于改良土壤性质、减少化肥使用量、实现农业的可持续发展等具有积极意义。

3.2.1 直接还田对土壤环境的影响

蔬菜废弃物通过土壤中的微生物活动分解腐烂，可提高土壤肥力，增加土壤孔隙度和持水性，改善土壤理化性质等。杨岩[46]将芹菜废弃物打浆处理后，添加生石灰后还田，发现其对土壤有机质有显著影响，并且对一些土著病原菌有一定的抑制作用。我国农田在长期的机械耕作碾压和人工作业下，大部分农田土壤耕层变浅，加之降雨、灌水沉实，导致土壤犁底层上移加厚，形成了坚硬深厚的阻隔层，蔬菜田耕作层变浅问题突出，该问题在设施栽培菜园表现得更为突出。研究发现，甘蔗叶覆盖和深埋10 cm时，可以打破阻隔层，显著提高土壤微生物碳、氮含量，同时还可以提高细菌多样性[47]。徐莹莹等[48]也发现，将秸秆深翻还田可以增加土壤有机质含量，并且当还田深度为15 cm时，土壤微生物菌群活力强，秸秆腐解速度最快，对土壤有机质含量的提高效果更明显。

3.2.2 秸秆覆盖还田对作物生长的影响

蔬菜秸秆还田可创造适宜作物生长的环境。秸秆覆盖地面，干旱期可以减少土壤水的地面蒸发量，保持田间蓄水量，雨季则可以缓冲雨水对土壤的侵蚀，减少地面径流，增加耕层蓄水量。同时，覆盖秸秆可隔离阳光对土壤的直射，对土体与地表稳热的交换起到调剂作用。这些都能够确保作物正常吸水，进而促进作物生长。孙艺文[49]在连作土壤中施用废弃物残茬处理，有效促进了黄瓜幼苗的生长。王才斌等[50]发现，秸秆覆盖还能够培肥土壤，提高作物产量，并且作物产量随着覆盖量增加而增加。此外，添加微生物菌剂也可以加快蔬菜、花卉废弃物的腐解，促进作物对养分的吸收，有效缓解废弃物带来的环境污染问题[51]。

3.3 堆肥化还田和直接还田利用模式优缺点比较

堆肥化还田模式生产周期短，堆肥品质好，处理量大，可以降解除去酚类等自毒有害物质，消灭病原菌、害虫卵和杂草种子，堆肥营养全面。但是堆肥物料干湿分离后，还需要大面积的堆积场地，阴雨季节难以操作。而且，来不及处置的物料自然腐烂可产生大量的渗滤液，从而给地表水和地下水带来污染降解过程产生的氨、硫化氢等有害气体，以及恶臭气味会对大气造成污染。所以，该模式较适用于远离城市、土地资源丰富的地区，特别是蔬菜种植基地。对于直接还田模式而言，还田原料易获取，成本低，对环境的影响小，并且可以减少化肥投入，提高作物产量，具有良好的经济效益，而且有助于有效遏制秸秆焚烧现象。然而，蔬菜秸秆直接还田，即使添加腐熟剂，也会由于秸秆种类不同、腐解周期不可控等导致未腐解的残渣严重影响下茬作物种植。病虫害严重的还田原料直接还田后，病菌虫卵进入土壤，增加了治理难度，严重影响收成，并会降低作物品质。因此，该模式较适用于种植可以轮作、倒茬或具备还田处理间隔期蔬菜种类的农户。

4 促进蔬菜废弃物高效利用的思考

蔬菜废弃物作为第二大类农业废弃物，具有养分含量高、营养物质丰富的特点，有很高的资源化利用价值。但蔬菜废弃物资源化再利用面临着2大难题：一方面，蔬菜种植相对分散，且茬口多，常年有废弃物产生，其含水量高，不易机械化收集，常携带病原菌，并且在生产、收获、运输、储存、销售等环节也会产生大量的废弃物，不利于统一回收处理，收集成本高。另一方面，部分蔬菜废弃物种类多，成分和质地不同，加上秸秆中混有少量不易降解的塑料捆绳，处理设备、技术不尽完善，普遍存在着规模化处置和利用程度不高、运行状况不佳的情况。

为了解决蔬菜废弃物资源化利用问题，促进蔬菜产业持续健康发展，首先应加强政府政策引导，通过采取资金扶持、合理奖惩等多管齐下的措施，引导农业废弃物资源化利用工作落实落细。在全国推动秸秆禁烧的大背景下，将秸秆禁烧与秸秆资源化利用有机结合，引导农业废弃物向生态循环利用方向转化。菜农作为蔬菜废弃物资源化利用的主要实施者，应对其加大宣传力度，让广大菜农充分认识到蔬菜废弃物无害化处理的必要性和给他们带来的好处，调动菜农的积极性。其次要调整生产模式，建立新型的蔬菜生产模式，鼓励蔬菜生产企业通过净菜上市、分等分级等措施提高蔬菜商品附加值，走商品化处理、品牌化销售的道路，减少生产-销售环节的损失，从源头治理蔬菜废弃物。同时，应加大基础设施建设，实施蔬菜废弃物综合利用专项，建立以肥料化为主的蔬菜废弃物综合利用技术模式，如“秸秆换肥”，落地秸秆收集、运费补助等政策、措施，建成和完善蔬菜废弃物回收站和蔬菜种植基地废弃物处置综合利用示范点，确保蔬菜废弃物从回收到利用既有专门的处理场地与设施，又有规范的处理管理办法与实施技术操作规程。