黄土高原半干旱地区尾菜高量还田的环境风险及其成本约束机制*

张光全,巴 音,杜玉明,李凤民,薛 伟**

(1.榆中县农业技术推广中心 榆中 730100;2.兰州大学生态学院 兰州 730000;3.内蒙古自治区环境监测总站乌海分站 乌海 016000)

中国是世界上蔬菜生产第一大国,2019年全国蔬菜产量已达到了7.2 亿t[1],蔬菜种植面积和产量分别占全球50.1%和62.6%[2]。蔬菜收获、流通和消费过程中,商品平均损失率在30%以上,其中流通环节占总损失率的60.0%以上[3-4],远高于其他农产品[5]。在我国,蔬菜废弃物/剩余物(以下简称为“尾菜”)已成为仅次于水稻(Oryza sativa)、玉米(Zea mays)和小麦(Triticum aestivum)的第四大类农作物废弃物,2019年全国尾菜产生量超过3.1 亿t[6],其中叶类尾菜占比高达71.0%以上[7]。甘肃是我国“高原夏菜”主产区和最大的“北菜南运、西菜东调”的集散中心,2018年尾菜产生量为1089 万t,仅6—10月份流通环节尾菜产生量就高达600 万t[8]。与大田作物秸秆相比,尾菜具有产生期集中量大、含水率高、易腐烂变质、资源密度和能量价值低等特殊属性,处理不及时易污染环境[9-11]。

尾菜污染问题出现初期,人们普遍认为尾菜类似于大田作物秸秆,是具有高附加值、可观经济效益的“有机垃圾”,多采用工厂化处理模式处理尾菜。目前,云南嵩明和甘肃榆中两地工厂化干/湿发酵系统普遍存在易失稳、能耗高、效率和处理量低等不足[12]。另一方面,工厂化干湿分离系统产生的大量废水,其铵态氮含量、化学需氧量(COD)和生化需氧量(BOD)高,污水处理成本高[13]。尾菜饲料化需要筛选、清洗尾菜以去除腐烂尾菜、泥土、垃圾等杂质,在筛选、清洗过程中需要消耗大量劳力和水资源,且操作方法要求较高,一次处理需要数十天且尾菜处理量少[14]。工厂化堆沤肥技术能够较好地保存原料营养元素,杀灭有害生物,但堆肥操作规程不当,往往会出现许多基础性的技术问题,如堆制时间长、臭味严重、温室气体排放量大、转化利用率低和产生大量废水等,且一次处理需要45～75 d[12]。上述工厂化模式仍不能从根本上解决黄土高原半干旱地区高原夏菜流通环节尾菜面源污染问题,2020年甘肃尾菜综合利用率仍不足40.0%[15],尾菜随意露天堆置造成的城郊环境污染已成为高原夏菜高质量发展的“卡脖子”问题。

研究表明,大田作物秸秆还田可以培肥地力、提高作物产量,是解决资源浪费、减少环境污染的主要措施[16-18],秸秆高量(75 t·hm—2)还田可以培肥亚耕层,提高土壤固碳效率,实现作物增产[19-21];同时不同还田深度也会影响耕作层水分、养分分布,土壤有机碳固存率及作物出苗等[22-23]。以干基质计算,尾菜N、P、K 平均含量分别达3.50%、0.54%、3.12%,有机质平均含量在80%以上,其营养成分与常用的天然有机肥料相当[9,24],蔬菜废弃物还田可以改善土壤环境质量,显著提高土壤肥力[25],增加作物产量和经济效益[26-27];同时直接还田操作简单,处理成本低,是目前尾菜资源化利用比较广泛的方法之一。叶类尾菜含水率在90.0%左右,C/N 值相对较小,一般介于6.7～22.4[28],易降解,其在黄土高原半干旱地区更适合高量还田。前期研究表明,在黄土高原半干旱区采用覆土埋压法将尾菜高量还田能够抑制土壤氮淋溶并培肥低质黄土[29],但是尾菜含有较为丰富的N 和S 等元素,在其降解过程中会产生大量NH3和H2S 等臭气,污染大气环境[30]。土壤对恶臭气体有很强的吸附作用,一般覆土厚度或还田深度越大,对臭气去除效率越高[31-32],但同时会带来处理成本增加。尾菜高量还田后,降解过程中会释放大量水分和养分,还田尾菜量和覆土厚度会显著影响土壤水分和养分补给量和运移,进而可能促使原生土盐离子和尾菜固有的盐离子大量积聚在地表,造成土壤盐渍化[33]。而且,在蔬菜种植过程中,农药和肥料的不合理使用等行为可能会使较多重金属和农药残留在蔬菜和土壤,大量尾菜集中还田是否会带来土壤二次污染有待论证。还田尾菜量和覆土厚度是影响其环境效益、生态效益和成本效益的主要因素,但是在黄土高原半干旱地区,尾菜还田量和覆土厚度对环境的影响缺乏强有力的科学依据,它们之间的最佳效益尚不清楚。因此,探究尾菜还田量与覆土厚度对环境及处理成本的影响,对提高高原夏菜尾菜资源化利用和培肥黄土有着重要意义。

本研究在甘肃省榆中县北山黄土丘陵区开展了尾菜还田厚度和覆土厚度小区试验,调查尾菜降解率、覆土表面NH3及H2S 排放速率和土壤盐离子含量等数据。为了充分论证上述科学问题并增加试验结果的决策咨询价值,本研究同时在榆中蔬菜冷鲜库附近设置了两个尾菜高量还田中型试验,加大尾菜还田厚度,除了采集上述数据外还采集了土壤重金属、土壤农药残留量及尾菜还田工程成本等数据。通过上述内容研究,从环境和经济角度探讨了尾菜高量还田在黄土高原半干旱地区的可行性,以期为该地区探索一种安全、高效、低成本尾菜资源化利用途径提供理论和技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

榆中县是甘肃高原夏菜最大生产基地和集散中心,全年尾菜产生量100 万t,其中流通环节尾菜产生量为50 万t。每年6—10月份流通环节每天可产生尾菜0.3 万t,高峰期可达0.5 万t[34]。尾菜主要种类为娃娃菜(Brassica rapavar.Glabra)、花椰菜(Brassica oleraceavar.Botrytis)、芹菜(Apium graveolens)和莴笋(Lactuca sativavar.Angustata)等,尾菜含有极微量的重金属且农药残留量未检出(表1)。该地区属于半干旱黄土丘陵区,全年降水量为300～400 mm,潜在蒸散发量高达1300 mm,年均气温6.6 ℃,年极端最高气温39.8 ℃,年极端最低气温—27.2 ℃,无霜期100～140 d(图1)。黄土地貌分布于榆中县域的中部和北部地区,黄土层深厚达200 m,土壤有机碳含量3.6～9.7 g·kg-1,土壤pH 为 8.4～8.8,土壤容重为1.2～1.3 g·cm-3。

表1 甘肃省榆中县主要类型尾菜重金属及农药残留含量Table 1 Heavy metals and pesticide contents in main vegetables residues in Yuzhong County,Gansu Province

1.2 试验设计

小区试验位于榆中县北山中连川乡,中型试验分别位于榆中县金崖镇金崖村和清水驿乡王家湾村(图1)。小区试验和王家湾中型试验所需尾菜来源于三角城乡蔬菜冷鲜库,金崖中型试验所需尾菜来源于金崖蔬菜冷鲜库。中型试验场距离周边蔬菜冷鲜库直线距离小于10 km,周边1.0 km 之内没有居民区。

图1 试验地位置及年降水、日均温变化Fig.1 Location of test sites and annual precipitation,temperature change

小区试验设置3 个尾菜还田厚度和3 个覆土厚度处理组合。还田尾菜厚度分别为20 cm(C1)、40 cm(C2)和60 cm(C3),覆土厚度分别为10 cm(T1)、20 cm(T2)和30 cm(T3),同时设置全土(QT,仅对表层30 cm的土壤进行翻耕)和全菜(QC,将60 cm 厚的尾菜露天放置60 cm 深小区,不再做任何处理)两个对照,对照和各处理均设置3 个重复,共计33 个试验小区,小区面积5 m × 5 m,采取完全随机区组设计。为了实现尾菜高量还田后,各处理与地表面高度保持一致,便于准确测量还田尾菜降解变化,于2020年7月26日,选取0.2 hm2撂荒地,整理成0 cm(QT)、30 cm(C1T1)、 40 cm(C1T2)、50 cm(C1T3 和C2T1)、60 cm(C2T2 和QC)、70 cm(C2T3 和C3T1)、80 cm(C3T2)和90 cm(C3T3)深度的5 m × 5 m 方形标准小区,四周筑垄防止雨水流入。根据试验设计,将各小区尾菜平整,达到厚度要求后,表面覆盖黄土,不做其他任何处理,所有试验处理在2 d 内完成。根据尾菜拉运量计算,还田尾菜厚度为20 cm、40 cm 和60 cm,各小区可处理尾菜量分别为2 t、4 t 和6 t。

2020年9月23—24日,在金崖村选择0.07 hm2撂荒坡地为试验地(JZX),在3 处低洼地打井测定地下水位在30 m 以下。依据荒地地形,使用一辆履带式挖掘机(PC300-7 型)和一辆轮胎式装载机(比如三一重工的SW955K 型)修建长方形或正方形或半圆形高量尾菜还田试验场,处理场深度为4.0 m,其中开挖底标高(hd)为1.0 m 或2.0 m(公式1),将挖出来的黄土用于修建边墙,边墙截面呈梯形(上边和底边分别为1.0 m 和4.0 m,高4.0 m),通过铲车拍打压实土墙,坚实系数为1.0～1.5,场地内地面平整,无大的地势起伏。2021年6月22—24日,采用同样的工程措施在王家湾村选取0.4 hm2撂荒坡地,修建一个0.27 hm2中型试验场(WZX)。中型试验场建好后,根据场地特点,共设置3 个以上等面积分区,是为试验重复,同时在试验场外围设置3 个5 m × 5 m 全土(QT)对照小区,不做任何处理。试验场地整理就绪后立即组织尾菜拉运车开进场内,倾倒尾菜,使用装载机堆放至350 cm 厚,然后在尾菜层上面覆盖厚度为30 cm 的黄土,对覆土不做任何处理,直至试验场各分区堆满尾菜并全部覆土,最后封场。

基坑下挖深度根据试验场周长(lp)、试验场表面积(sp)、边墙截面面积(sw)、边墙土壤容重(ρw)、天然黄土土壤容重(ρs)和尾菜层上层覆土厚度(hc)确定:

比如:依托黄土丘陵边坡建设试验场,仅3 面需要建设边墙,试验场长=30 m,内宽=20 m,lp=90 m,sp=600 m2,sw=10 m2,ρw=2.0 t·m—3,ρs=1.6 t·m—3,hc=0.5 m,则hd=2.4 m,即基坑开挖底标高为2.4 m。

1.3 测定指标与方法

小区试验开始后的前40 d,平均每10 d 测定1次尾菜降解剩余物,之后平均每30 d 监测1 次,共监测6 次。在试验开始后的前30 d,平均每7 d 监测1次土壤表面NH3和H2S 排放量,之后平均每30 d 监测1 次,共监测6 次。每个小区随机选取3 个土壤样品采集点,采集混合土样,用于测定土壤盐分含量,土壤样品采集范围为尾菜层上层的覆土(深度分别为10 cm、20 cm 和30 cm)和尾菜层下的60 cm 深土壤,尾菜层上层覆土和尾菜层下土壤20 cm 内每10 cm采集1 个样品,其他土层每20 cm 采集1 个土样。在每个小区内,根据尾菜还田深度设置采样深度,随机设置3 个50 cm × 50 cm 样方,采集尾菜层未降解剩余物,测定鲜重,105 ℃下杀青15 min 后70 ℃烘干至恒重。H2S 测定采用静态箱抽气法采集土壤排放气体:静态箱由箱体和底座两部分组成,箱体为避光有机玻璃材质的正方体(50 cm×50 cm×50 cm),底座上表面四周有凹槽,采气时,用水密封凹槽,然后罩上箱体,以防止箱体与底座之间漏气,使用500 mL注射器从取样口抽取样品;将底座插入表层覆土里,入土约5 cm,在整个试验过程箱体不再移动。采样时间均固定在上午8:00—11:30,采气时将底座水槽中注水加以封闭,从箱体置于底座上开始计时,3 h后从箱体内抽取1 L 气体,注入装有吸收液的吸收瓶内,利用《空气和废气监测分析方法(第4 版)》亚甲基蓝分光光度法测定吸收液浓度;NH3测定采用农田氨挥发测定方法中的《通气-靛蓝比色法》[35];土壤盐分、Na+和Ca2+含量采用火焰光度法和原子吸收光谱法测定。

按下式计算尾菜的鲜(干)重降解率:

式中:D表示尾菜鲜(干)重降解率,W表示小区尾菜还田总鲜(干)重量,R表示小区尾菜降解剩余物鲜(干)重。

H2S 排放速率计算公式如下:

式中:P表示H2S 排放速率(g·hm—2·d—1),μ表示吸收液H2S 浓度(mg·L—1),Vl表示吸收液体积(L),Vg表示抽取气体体积(m3),h表示静态箱体高度(m),t表示静态箱采集时间(d)。

中型试验开始后的前35 d,平均每7 d 监测1 次试验场沉降深度,以后平均每30 d 监测1 次,共监测9 次。试验开始后的前50 d 内,平均每7 d 监测1 次土壤表面NH3和H2S 臭气排放量,之后平均每30 d监测1 次,共监测8 次。在还田前,将运至JZX 中型试验场的尾菜分批次抽取尾菜样品,用于测定尾菜重金属含量(Cu、Pb、Cd、Ni、As、Cr、Hg 和Zn)和常用农药阿维高氯(abamectin and cypermethrin)、啶虫脒(acetamiprid)残留量。待试验场沉降稳定后用土钻(钻头直径为5.0 cm,长度为20.0 cm)在中型试验场的每个分区和对照全土小区内随机选取3 个取样点,采集混合土样和尾菜降解剩余物用于测定土壤和尾菜降解剩余物中重金属、农药残留量及土壤盐分含量。在各分区内,土壤重金属样品采样范围为尾菜层上层覆土(0.3 m 深)和尾菜层下层0.5 m深土壤。土壤盐分样品采样范围为尾菜层上层覆土(0.3 m 深)和尾菜层下层10 m 深土壤,尾菜层上层表土每0.1 m 采集1 个样品,尾菜层下层2 m 以内每0.5 m 深采集1 个样品,之后每1 m 深采集1 个样品。对照全土(QT)的重金属、农药和土壤盐分采集深度范围与尾菜处理相对应。

由于JZX 和WZX 中型试验场尾菜处理量大,现场采集尾菜降解剩余物比较困难,因而通过测量尾菜降解沉降率来间接反映尾菜降解率(式4)。假设在尾菜高量还田降解过程中,土壤质量和密度均不发生变化,尾菜降解质量(鲜重或干重)变化与尾菜还田试验场沉降变化是一致的。利用还田尾菜沉降率同样可以间接反映中型试验场尾菜降解规律,具体公式如下:

式中:S表示尾菜降解沉降率,Hs表示中型试验场沉降厚度,Hw表示中型试验场尾菜还田厚度。

土壤NH3和H2S 排放量及土壤盐分测定方法同小区试验。尾菜中重金属及农药含量测定参照《食品卫生检验方法》(GB/T 5009.12/15/17/110—2003)、《食品安全国家标准》(GB/T 5009.11/123—2014)、《食品安全国家标准》(GB 23200.19—2016),土壤重金属残留测定参照《土壤和沉积物铜、锌、铅、镍、铬的测定 火焰原子吸收分光光度法》(HJ491—2019)、《土壤和沉积物12 种金属元素的测定 王水提取-电感耦合等离子质谱法》(HJ803—2016)、农药测定采用《分散固相萃取-气相色谱法测定》[36-37]和《水果、蔬菜中啶虫脒残留量的测定液相色谱-串联质谱法》(GB/T 23584—2009)。

统计JZX 和WZX 中型试验场尾菜处理成本数据,主要包括施工机械租赁费(含燃油)、务工费和其他,用于尾菜高量还田成本分析。

1.4 数据处理

数据整理使用Microsoft Excel 2003 软件(Microsoft,Washington,USA),数据统计分析利用SPSS26软件(IBM,New York,USA),图表制作使用Origin2017(OriginLab,MA,USA)。

2 结果与分析

2.1 尾菜累计降解率时间序列变化

图2 显示,所有小区试验的尾菜鲜重和干重累积降解率变化规律基本一致,表现出先快后慢,呈对数增长曲线;降解率与还田尾菜厚度(r=—0.75,P=0.04)和覆土厚度(r=—0.62,P=0.31)呈负相关。试验开始后的30 d,对照(QC)降解率显著高于其他处理(P=0.04);试验第10 天,T1 处理组(C1、C2 和C3)尾菜鲜重累积降解率为64.3%～52.6%,第20 天为78.2%～64.8%,第30 天为84.9%～75.6%,第40 天为88.4%～79.2%,第70 天为96.6%～85.7%,第100 天为97.0%～88.5%;且均表现为随覆土厚度增加,尾菜累积降解率呈减小趋势。T2 处理组(C1、C2 和C3)和T3 处理组(C1、C2 和C3)变化趋势与T1 处理组一致。T2 和T3 处理组,在试验第10 天,尾菜鲜重累积降解率分别为63.2%～50.4%和62.8%～48.2%,第20 天为76.7%～62.2%和76.0%～61.3%,第30 天为82.6%～74.4%和 82.4%～73.3%,第 40 天为 87.7%～78.9%和68.1%～77.8%,第70 天为95.5%～84.9%和94.6%～83.7%,第100 天为96.6%～87.6%和96.0%～85.5%。

图2 覆土厚度为10 cm(T1,a)、20 cm(T2,b)和30 cm(T3,c)时不同还田尾菜厚度下尾菜降解率的时间序列变化Fig.2 Time series of degradation rate of different thickness of vegetable residues with 10 cm(T1,a),20 cm(T2,b)and 30 cm(T3,c)soil cover depths

图3 显示,JZX 和WZX 中型试验场尾菜沉降率明显小于小区试验尾菜降解率,但是尾菜沉降率时间序列变化特征与小区试验尾菜干/鲜降解率变化规律一致,呈对数增长曲线,在试验前35 d,尾菜平均沉降率可达70%以上。

图3 中型试验场尾菜沉降率时间序列变化Fig.3 Time series of sinking rate of vegetable residues in medium-sized tests

2.2 土壤表面NH3 和H2S 排放量变化

由图4 可知,尾菜还田可以极大减少NH3和H2S 的排放量。还田尾菜厚度为60 cm、覆土厚度为10～30 cm,较对照QC 可减少NH3排放量71.0%～86.0%,H2S 排放量减少84.9%～87.9%。小区试验土壤表面NH3排放速率时间序列变化均呈单窄峰值曲线,峰值为11.7～27.0 kg·hm—2·d—1,均出现在试验开始后的第14 天,排放速率的大小随着还田尾菜厚度的增加而增加(r=0.81P=0.009),随覆土厚度增加而减少(r=—0.46,P=0.04),平均排放速率明显低于对照QC(P=0.008)的62.8 kg·hm—2·d—1。中型试验场(JZX 和WZX)NH3排放速率变化规律与小区试验相一致,但其峰值明显增大至41.3～46.7 kg·hm—2·d—1,出现时间延迟在第35 天,这主要与尾菜还田厚度有关。尾菜还田处理组NH3累计排放量随还田尾菜厚度增加有显著增加趋势(r=0.86,P=0.03),随覆土厚度增加呈显著减少态势(r=—0.51,P=0.02)。NH3排放强度随尾菜还田厚度(r=—0.85,P=0.01)和覆土厚度(r=—0.55,P=0.03)增加而减少。

图4 显示,小区尾菜还田试验处理组H2S 排放速率峰值出现在试验开始第7 天,最大值平均为0.7 g·hm—2·d—1;在试验第14 天时,排放速率接近对照QT,但是对照QC 仍然显著高于其他处理(P=0.003)。中型试验(JZX 和WZX)的H2S 排放速率时间序列变化规律与小区试验一致,峰值同样出现在试验第7 天,峰值明显增大至1.2 g·hm—2·d—1,然后快速降低,在第14 天时,其排放量接近对照QT。从小区试验H2S 累计排放量来看,除处理C3T1 和对照QC 外,其他处理间无显著差异(P＞0.05);但是当尾菜还田厚度大幅增加至350 cm,JZX 和WZX 中型试验场的H2S 累计排放量有了明显增加(P=0.02)。但从整体来看,H2S的排放量非常有限。H2S 的排放强度与还田尾菜厚度有显著负相关(r=—0.67,P=0.01),与覆土厚度无明显相关关系。

图4 不同还田尾菜厚度及覆土厚度的小区试验和中型试验场土壤表面臭气(NH3 和H2S)排放速率(a,b)、累积排放量(c,d)和排放强度(e,f)变化Fig.4 Changes in emission rate(a,b),cumulative emission(c,d)and emission intensity(e,f)of soil surface odor(NH3 and H2S)in the plot test with different vegetable residues thickness and soil cover depths and the medium-sized tests

2.3 土壤Na+和Ca2+含量变化

图5 显示,在小区试验进行到242 d 时,尾菜还田后增加了土壤Na+含量,且与尾菜还田厚度呈显著正相关(r=0.76,P=0.03);但随着覆土厚度增加,表层10 cm 土壤Na+含量呈明显减少(P=0.03)。还田尾菜厚度为20 cm(C1)、40 cm(C2)和60 cm(C3)时,覆土厚度为10 cm(T1),表层10 cm 土壤Na+的平均含量分别为0.11 g·kg—1、0.14 g·kg—1和0.19 g·kg—1;覆土厚度为20 cm(T2),表层10 cm 土壤Na+的平均含量分别为0.10 g·kg—1、0.10 g·kg—1和0.17 g·kg—1;覆土厚度为30 cm(T3),表层10 cm 土壤Na+的平均含量分别为0.06 g·kg—1、0.08 g·kg—1和0.15 g·kg—1。尾菜处理土壤Ca2+的含量与对照QT 无显著差异(P=0.38),尾菜还田厚度增加不会增加土壤Ca2+含量,但随着覆土厚度增加,表层10 cm 土壤Ca2+含量有减少趋势,覆土厚度为10 cm、20 cm 和30 cm,表层10 cm 土壤平均Ca2+含量分别为0.11 g·kg—1、0.09 g·kg—1和0.07 g·kg—1。

图5 覆土厚度为10 cm(T1,a)、20 cm(T2,b)和30 cm(T3,c)时不同还田尾菜厚度下土壤剖面Na+和Ca2+含量的空间变化Fig.5 Spatial changes of Na+ and Ca2+ contents along soil profile of plot test with different vegetable residues thickness and soil cover depths

图6 显示,在试验进行到第245 天时,中型试验场(JZX)尾菜层上层土壤Na+含量与对照(QT)差异不显著(P=0.45)。尾菜层下1 m 深处Na+含量显著低于对照(P=0.006);在尾菜层下层4 m 处出现Na+聚集高峰,6～10 m 深处二者差异不显著,说明尾菜降解过程中细胞破裂释放的大量水分导致尾菜层下层土壤Na+向深层淋溶。对于JZX 中型试验场来说,不论是尾菜层上层土壤还是尾菜层下层土壤,还田试验场和对照QT 之间Ca2+的含量相似,没有显著差异(P=0.51)。从小区试验和中型试验场数据来看,尾菜覆土埋压、高量还田不会带来土壤盐渍化风险。

图6 金崖中型试验场土壤Na+和Ca2+空间分布Fig.6 Spatial distribution of soil Na+ and Ca2+ in JZX medium-size test

2.4 土壤重金属和农药残留含量

表2 显示,JZX 中型试验场尾菜层及其上层和下层土壤中Cu、Pb、Cd、Ni、As、Cr、Hg 和Zn 含量均与对照全土(QT)无显著差异(P=0.53),农药阿维高氯和啶虫脒均未检出,土壤重金属检测指标值均低于《土壤环境质量-农用地土壤污染风险管控标准》(GB 15618—2018)限值。数据结果表明,还田尾菜厚度达到350 cm 的中型试验仍然不会造成土壤污染物超标。

表2 金崖中型试验场土壤重金属及农药残留Table 2 Soil heavymetals andpesticideresidues cotent at Jin’ai medium-size test mg·kg—1

2.5 尾菜高量还田成本分析

在实际操作中发现,利用1 台挖斗容量为0.3 m3的挖掘机将每斗土不间隔放,摊平一般覆土厚度为40～50 cm,间隔半斗宽堆放、摊平,覆土厚度为30～40 cm,间隔一斗宽堆放、摊平,覆土厚度为20～30 cm,这样既不需要专人测量覆土厚度,便于基层一线人员操作掌握,降低了处理成本。覆土埋压法还田处理尾菜的成本主要包括农田整理、尾菜还田、农田日常维护及监测等费用。农田整理成本主要包括场地平整、还田区建设、尾菜运输道路修建等。尾菜还田成本则包括尾菜收集运输费用、机械租赁或购置费、燃油费和现场材料费等。农田日常管理成本则主要包含农田的日常维护费及管理人员工资、各项指标监测费用等。通过对榆中县境内工厂化尾菜处理企业调研和地方农业主管部门提供,现有工厂化尾菜处理工艺的平均成本为(100±15)元·t—1(鲜重),而JZX 和WZX 中型试验场平均成本仅为(25±7)元·t—1(鲜重)(表3)。以WZX 中型试验场为例,设置还田面积和覆土厚度相同的还田试验,假设尾菜还田量从300 t 增加至5100 t,增大单位面积尾菜还田量,以横坐标为尾菜处理量(t),纵坐标为处理成本(元·t—1),还田尾菜量与处理成本呈幂律负相关分布规律,随着尾菜还田量增加,还田处理成本在指数降低,逐渐接近于20 元·t—1(图7)。WZX 中型试验场的实际还田成本为16.3 元·t—1。

图7 还田尾菜量与处理成本的关系Fig.7 Relationship between amount of vegetable residues incorporation and processing cost

表3 尾菜高量还田成本统计表Table 3 Cost of incorporation of large amount of vegetable residues

3 讨论

3.1 尾菜降解率时间序列变化

秸秆还田的降解一般可分为快速、慢速和缓慢降解3 个阶段[38-39]。在快速降解阶段,主要分解秸秆中的纤维素、半纤维素、可溶性有机化合物等水溶性物质,到了慢速降解阶段,主要降解木质化纤维和木质素[40],缓慢降解阶段秸秆残体的质量损失几乎到达极限,木质纤维素和木质素组分的降解速率接近于零[41]。尾菜含水率高,C/N 比值较低,其高量还田与常规大田作物秸秆还田降解存在差异。小区和中型试验场的尾菜累积降解率(鲜重/干重)均呈对数增长型曲线,尾菜累积降解率与尾菜还田厚度和覆土厚度均呈负相关,尾菜累积降解率的大小主要受还田尾菜厚度影响。小区试验在开始第10 天和20 天时,其累计降解率分别达到48.2%～64.3%和61.3%～80.0%,到第100 天时,尾菜累积降解率达85%。中型试验在开始第7 天和21 天时,其累计平均沉降率达45.3%和64.7%,到第155 天时,尾菜平均沉降率达82.2%。在黄土高原半干旱地区尾菜还田效应研究中发现,在试验前期,芹菜和花椰菜分解迅速,6～14 d累积降解率可达51%以上[42]。在半干旱区玉米秸秆还田腐解及养分释放特征影响研究结果显示,秸秆的快速腐解阶段主要发生在前90 d,在此期间秸秆腐解率高达37.3%～50.8%,而150 d 后仅为52.7%～55.8%[43]。在黄土高原半干旱区,尾菜还田降解率变化规律与常规作物秸秆还田基本类似,均呈现出先快后慢的趋势,但是尾菜还田的降解率远大于大田作物秸秆。尾菜含水率较高,C/N 值较低,糖类和半纤维素等可溶性碳水化合物含量较高,尾菜高量还田后可以在几天内完成碳水化合物、蛋白和脂肪水解,释放大量水分,使尾菜体积快速缩减[44]。在黄土高原半干旱地区,采用覆土埋压方式将尾菜高量还田,自然降解快,使尾菜体积快速、大量缩减,释放大量水分和养分,便于将大量尾菜还田,进而实现尾菜资源化利用。

3.2 尾菜还田后土壤表面NH3 和H2S 排放量变化

尾菜含有大量水分和养分,将其随意倾倒或露天堆放,易污染环境,造成资源浪费。如将尾菜还田,既可减少污染物排放,又能培肥地力。与露天堆放相比,采用覆土埋压法,还田尾菜厚度为60 cm,覆土厚度为10～30 cm,可减少71.0%～86.0% NH3排放量、84.9～87.9% H2S 排放量,可将更多的养分元素封存土壤,有利于培肥土壤。尾菜高量还田后,土壤表面NH3排放规律均呈单窄峰值曲线,排放峰值大小与还田尾菜厚度呈显著正相关,与覆土厚度呈负关系。在北方大田NH3挥发研究中发现,深施或浅施尿素后,NH3挥发均呈现单窄峰值曲线,然后快速降低[45-47],这与尾菜高量还田试验结果一致。尿素的NH3挥发率为22%～38%[48]。如果尾菜含氮量按照0.35%计算,还田尾菜厚度20～60 cm,覆土厚度10～30 cm,NH3挥发率在6.2%～15.3%,远低于常规化肥。黄土高原土壤NH4+最大吸附容量为862.0 mg·kg-1[49],土壤中的总NH4+可分为水溶态NH4+、可交换态NH4+和固定态NH4+,占比分别为6.6%、4.4%和89.0%[50]。随着还田尾菜厚度的增加,尾菜向土壤中释放水分和NH4+量也均有所增加,促进了可溶性态NH4+的排放[51-52],导致NH4+的排放量随尾菜还田量增加而增加,但是这部分NH4+排放量非常有限。黄土中黏粒占比在58%以上,大部分NH4+被吸附成固定态NH4

+[50],进而随着覆土厚度增加,有助于减少土壤NH3排放,增加土壤无机氮养分含量。H2S 的最大排放速率出现在试验的第7 天,最大值为1.2 g·hm—2·d—1,其与尾菜厚度呈正相关,和覆土厚度无明显关系。从H2S 累计排放量整体来看,小区试验的H2S 累计排放量与尾菜还田厚度和覆土厚度无明显关系,只有将尾菜还田厚度增加至3.5 m 时,H2S 累计排放量才会有明显增加,说明土壤对H2S 有很大消纳量。这可能与尾菜覆土埋压后,释放大量碱性NH4+,同时黄土自身偏碱性及其具有较强氧化能力有关[53]。从NH3和H2S 的排放强度来看,尾菜还田量越大和覆土厚度越大,越有助于减少NH3和H2S 的排放量,这可能与土壤对臭气有较大的消纳容量和尾菜降解过程有关。

3.3 尾菜还田后土壤重金属、农药残留及土壤盐分变化

有部分研究发现,兰州叶菜类蔬菜中Cd 和Pb超标率分别为14.8%和27.9%,根茎类蔬菜Pb 超标率为7.1%[54-55],大量尾菜还田可能会增加土壤重金属、农药污染风险。本研究通过对JZX 中型试验场尾菜层上层和下层50 cm 土壤中的Cu、Pb、Cd、Ni、As、Cr、Hg、Zn 等8 种重金属和阿维高氯、啶虫脒等2种农药检测分析发现,即使尾菜还田厚度达到3.5 m时,各项指标与全土对照均无显著差异,未对土壤造成污染。对天津地区各类尾菜成分检测分析发现,重金属含量远低于有机肥农业行业标准要求,是一种资源丰富、养分充足及无害的有机肥料资源[56]。因此,尾菜高量还田一般不会给土壤带来二次污染。这与齐鹏等[54]和孙建云[55]对甘肃蔬菜调查、评价结果不太一致,主要与国家大力推进农业发展方式转变,有效控制化肥、农药使用量,各地认真落实化肥、农药使用量零增长行动方案密不可分。

蔬菜含有较为丰富的各类矿物质元素,其中P、K、Ca 和Na 的含量最为丰富[57-58],尾菜高量还田可能会增加土壤K+、Ca2+和Na+等含量,同时释放大量水分可能浸出土壤固有的盐分,进而引发土壤次生盐渍化。小区试验结果显示,尾菜高量还田会增加土壤Na+含量,还田尾菜厚度20～60 cm,土壤Na+增加量为0.08～0.17 g·kg-1,增加量有限;同时土壤Ca2+含量增加不明显,而且Na+和Ca2+未在耕作层(0～30 cm)发生明显富集现象,且随着表层覆土厚度增加,盐离子向深层淋洗越发明显。高量尾菜还田,会在短期内向土壤释放大量水分,使盐分快速向尾菜层下的土壤移动,同时受雨季(7—9月)降水影响,表层土壤盐分向土壤深处移动[59]。中型试验场结果显示,即使尾菜还田厚度增加至3.5 m,土壤剖面Na+和Ca2+含量与全土对照无明显差异,说明高量尾菜还田不会引起土壤盐分增加,而小区试验中Na+升高,可能与土壤自生Na+被尾菜释放水分浸出有关。同时,在中型试验场表层土壤(0～30 cm)中未发生盐离子富集现象,反而Na+明显向深土层淋洗。尾菜高量还田没有引起土壤Na+和Ca2+含量显著增加,反而Na+因为尾菜释放大量水分而下移,有利于改善耕作层土壤盐碱化危害。

3.4 高量还田尾菜技术可操作性及工程成本

覆土埋压法高量还田尾菜操作简单,处理量大,适应性好,工程投资和运行成本较低,便于基层人员操作掌握。与工厂化尾菜处理工艺相比,尾菜高量还田利用大自然自我生物降解原理,无需建设工厂,无需耗电、耗水,对处理尾菜质量要求低,并且可以培肥土壤,又能减少污染物排放,是一种低碳的尾菜资源化利用途径。仅利用1 台挖机(PC300-7 型)和一辆轮胎式装载机(三一重工的SW955K 型),在JZX 中型试验场利用3 d 处理926 t 尾菜,在WZX 中型试验场15 d 内处理4800 t 尾菜。JZX 和WZX 中型试验场工程成本显示,在考虑建设投资及运行维护情况下,覆土埋压法处理尾菜成本完全可控制在(25±7)元·t—1。从尾菜处理效益来看,尾菜高量还田更适合产生量大、产生时间较集中的流通环节尾菜处理。

4 结论

1)尾菜高量还田后,累积降解率呈对数增长型曲线,与尾菜还田厚度和覆土厚度呈负相关,主要受还田尾菜厚度影响。尾菜还田后迅速降解致使其体积快速缩减,便于尾菜高量还田,促进尾菜资源化利用。

2)尾菜高量还田后NH3排放速率呈单窄峰值曲线,其排放量与还田尾菜厚度呈显著正相关,与覆土厚度呈负关系。H2S 排放量与还田尾菜厚度呈显著正相关,与覆土厚度无明显关系,高量尾菜还田后H2S 排放量可实现近零排放。尾菜还田可极大减少NH3和H2S 排放量,尾菜还田厚度越大,NH3和H2S污染物排放量强度越小,大量营养元素封存土壤,有利于培肥地力,减少污染物排放。

3)尾菜重金属和农药残留含量非常有限,高量尾菜还田不会给土壤环境带来环境污染风险。尾菜高量还田,在黄土高原半干旱地区,随着表层覆土厚度增加,盐离子向深层淋洗越发明显,不会引起土壤次生盐渍化。

4)高量尾菜还田技术简便易行,处理量大,适应性好,工程投资和运行成本较低,便于基层农技人员和相关人员掌握使用,有利于尾菜资源化利用推广。