吳文輝,朱為靜,朱鳳香,洪春來,姚燕來,王旭東,王衛(wèi)平*
(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,陜西 楊凌 712100; 2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所,浙江 杭州 310021)
蔬菜產(chǎn)業(yè)作為農(nóng)業(yè)的重要組成部分,在全國深入推進(jìn)種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的進(jìn)程中,因比較收益相對較高,已逐漸成為全國各地打造特色產(chǎn)業(yè)、推進(jìn)扶貧攻堅(jiān)和增加農(nóng)民收入的重要抓手。我國既是蔬菜生產(chǎn)大國,又是蔬菜消費(fèi)大國。蔬菜是我國除糧食作物外種植面積最廣、經(jīng)濟(jì)地位最高的作物。據(jù)統(tǒng)計(jì),2013年我國蔬菜種植總面積達(dá)到2 000多萬hm2,年產(chǎn)量近7億t,分別占世界蔬菜種植面積和產(chǎn)量的41.75%和50.96%[1]。其中,種植面積較大的為葉菜類、茄果類和根莖類蔬菜,且還呈增加趨勢。
伴隨著蔬菜種植面積的擴(kuò)大,以及居民對蔬菜品質(zhì)要求的提高,低利用價(jià)值的蔬菜廢棄物產(chǎn)生量也日益增多[2]。據(jù)2012年統(tǒng)計(jì),我國蔬菜廢棄物的年產(chǎn)生量已達(dá)2.0億t,這些廢棄物已成為繼糧食作物后的第二大農(nóng)業(yè)生物質(zhì)廢棄物[3]。受經(jīng)濟(jì)、技術(shù)水平和蔬菜廢棄物資源化處置、利用條件的限制,大量的蔬菜廢棄物未被合理處置利用,而是被隨意堆放、丟棄,不僅易引發(fā)蔬菜產(chǎn)地周邊環(huán)境和水體的污染,而且易造成病蟲草害的大發(fā)生和資源的浪費(fèi)。研究表明,蔬菜廢棄物養(yǎng)分含量豐富,若將其妥善處置,對提高資源利用率、減少環(huán)境污染、促進(jìn)蔬菜產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展等具有積極意義[4]。近幾年,國內(nèi)對蔬菜廢棄物資源化利用的研究大多集中在堆肥上,如蔬菜廢棄物堆肥質(zhì)量評價(jià)、堆肥過程中氮素?fù)p失途徑探究等,關(guān)于蔬菜廢棄物資源化還田的報(bào)道在本研究檢索范圍內(nèi)還較少見。本文從蔬菜廢棄物來源、特性、資源化利用現(xiàn)狀,以及多種蔬菜廢棄物還田資源化利用方式等角度進(jìn)行綜合分析,旨在為蔬菜廢棄物資源化高效利用途徑創(chuàng)新與應(yīng)用提供思路與參考。
蔬菜廢棄物不僅指收獲時(shí)產(chǎn)生的無商業(yè)價(jià)值的根、莖、葉和果實(shí),也包括在儲存、運(yùn)輸、加工、銷售等過程中產(chǎn)生的黃化、變質(zhì),甚至腐爛的蔬菜,以及次品尾菜。其分布相對集中,主要是在蔬菜基地、蔬菜集散地、農(nóng)貿(mào)市場和蔬菜加工場所[5]。王樹忠等[6]估算,北京市每年產(chǎn)生210萬t蔬菜廢棄物。北京新發(fā)地農(nóng)產(chǎn)品批發(fā)市場在每年的蔬菜銷售旺季,日產(chǎn)垃圾量達(dá)到200 t,其中蔬菜廢棄物占90%以上[7]。不同種類蔬菜因產(chǎn)量、種植密度、食材部位各異,以及收獲等環(huán)節(jié)的損失程度不同,蔬菜廢棄物的產(chǎn)生量也存在顯著差異。趙麗婭[8]調(diào)查發(fā)現(xiàn),葉菜類蔬菜廢棄物占全部蔬菜廢棄物總量的71%。韓雪等[9]利用草谷比較為準(zhǔn)確地計(jì)算出葉菜類、瓜果類、根莖類產(chǎn)廢系數(shù)平均值分別為9.7%、3.8%、4.7%。
即使同種蔬菜,受不同品種、不同栽培模式和地域氣候影響,蔬菜廢棄物的產(chǎn)生量也顯著不同。表1為2018年通過下發(fā)調(diào)查問卷和實(shí)地調(diào)查獲得的全國部分蔬菜種植基地(河北、河南、山東、湖南、四川、浙江等)不同種類蔬菜廢棄物的產(chǎn)生量,可以看出,不同蔬菜產(chǎn)生的廢棄物數(shù)量差異巨大。
表1 不同蔬菜每667 m2產(chǎn)生的廢棄物數(shù)量
蔬菜廢棄物具有含水量高、有機(jī)碳豐富、礦質(zhì)養(yǎng)分含量高等特點(diǎn)[10]。蔬菜殘?bào)w的干物質(zhì)含量較低,有機(jī)質(zhì)含量占所有干物重的70%以上,氮、磷、鉀總量占5.7%~9.6%[11],電導(dǎo)率在7.8~9.7 mS·cm-1[12],有機(jī)成分中纖維素和木質(zhì)素含量分別為28.5%和10.98%[5]。蔬菜廢棄物中其他物質(zhì)的含量如表2所示。這些特定的理化性質(zhì)決定了蔬菜廢棄物具有較高的資源化利用潛力[10]。
表2 蔬菜廢棄物理化性質(zhì)
蔬菜廢棄物主要是蔬菜種植生產(chǎn)的副產(chǎn)品,但受技術(shù)、生產(chǎn)力水平和經(jīng)濟(jì)條件制約,過剩的蔬菜廢棄物正在成為農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境中的非點(diǎn)源污染源[20]。傳統(tǒng)的蔬菜廢棄物處理方式主要有隨意堆放、就地還田、喂食牲畜和露天焚燒等。但蔬菜廢棄物含水量高、體積大、易腐爛,且常帶有農(nóng)藥殘留或攜帶病原菌殘?bào)w,腐解易產(chǎn)生酚酸類自毒物質(zhì)[21]。隨意將其堆置在田間地頭、溝渠旁,不僅占用土地資源,而且還可能污染地下水資源與周邊環(huán)境。若未經(jīng)處理直接還田,可能引起下茬作物病蟲害加重;若直接喂食牲畜,可能引發(fā)疾病等;而露天焚燒則會產(chǎn)生大量煙塵,污染環(huán)境,還可能引發(fā)火災(zāi)等重大災(zāi)害。
蔬菜廢棄物資源化利用是果蔬產(chǎn)地和城市垃圾分類處置中一個(gè)比較棘手的問題。據(jù)王亞靜等[22]對2005年全國各類秸稈資源可收集利用潛力的統(tǒng)計(jì)分析,蔬菜藤蔓及其殘余物的可收集系數(shù)為0.6,可見大部分蔬菜廢棄物可以被回收后資源化利用。但是,蔬菜廢棄物畢竟是廢棄物,利用價(jià)值較低,只宜采取就近處置或低成本轉(zhuǎn)化的策略。蔬菜廢棄物的綜合利用,主要是通過將蔬菜廢棄物破碎、脫水、固液分離,然后利用資源化技術(shù)將其轉(zhuǎn)化為肥料等農(nóng)業(yè)利用品的過程。目前,蔬菜廢棄物資源化利用方式主要包括肥料化、基質(zhì)化、能源化、飼料化。
2.2.1 肥料化利用
肥料化利用就是利用自然界中廣泛存在的細(xì)菌、放線菌、真菌等微生物菌群的生命活動,將蔬菜廢棄物生物降解,腐熟轉(zhuǎn)化為較為穩(wěn)定的腐殖質(zhì)類產(chǎn)物,用于還田、培肥改良土壤。目前,關(guān)于蔬菜殘?bào)w肥料化利用的研究國內(nèi)外已有較多報(bào)道,如利用蔬菜殘株堆肥處理后還田種植辣椒,可顯著降低土壤容重,增強(qiáng)土壤的持水能力,增加通氣孔隙,為辣椒高產(chǎn)提供良好的土壤條件[23]。Tits等[24]研究發(fā)現(xiàn),果蔬廢棄物和園林廢棄物堆肥可替代部分無機(jī)氮肥,并可有效提高土壤的供氮能力。在蔬菜廢棄物的堆肥過程中,往往會產(chǎn)生揮發(fā)性氨(刺激性氣體),造成氮素?fù)p失[25]。徐路魏[26]選用蔬菜廢棄物、菌糠和畜禽糞便混合堆肥,可以有效減少堆肥中的碳、氮損失,起到保碳、保氮的作用。山東等蔬菜主產(chǎn)區(qū)已開展蔬菜種植區(qū)與當(dāng)?shù)赜袡C(jī)肥生產(chǎn)企業(yè)的對接,通過制定相關(guān)的政策、管理與激勵措施,使蔬菜廢棄物的收集、運(yùn)輸與處置利用有機(jī)結(jié)合,保證蔬菜產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展??偟貋砜?,蔬菜廢棄物通過堆肥化處理后制備成有機(jī)肥還田使用是目前或今后一段時(shí)期內(nèi)該類廢棄物利用的主要途徑。
2.2.2 基質(zhì)化利用
蔬菜廢棄物基質(zhì)化利用主要是將蔬菜廢棄物堆制、發(fā)酵后的物料與有機(jī)無機(jī)輔料按一定比例進(jìn)行混配,然后用作替代土壤進(jìn)行無土栽培等。利用蔬菜廢棄物生產(chǎn)基質(zhì)不僅可以節(jié)約資源、減少對環(huán)境的污染,還能夠?yàn)樯虡I(yè)化基質(zhì)提供環(huán)保、優(yōu)質(zhì)、廉價(jià)的原材料[27]。何宗均等[28]發(fā)現(xiàn),由黃瓜秧子、番茄秧子、牛糞、蛭石發(fā)酵組合而成的基質(zhì)處理效果最佳。賀滿橋[29]以食用菌廢棄物作為草炭替代品的新型基質(zhì),種植的番茄各生理指標(biāo)與對照無明顯差異,部分指標(biāo)甚至優(yōu)于對照。蔬菜廢棄物腐熟后基質(zhì)化利用一般應(yīng)用在苗木、花卉和蔬菜栽培基質(zhì)的配方中。
2.2.3 能源化利用
蔬菜廢棄物中纖維素含量高,適合采用厭氧發(fā)酵工藝,在發(fā)酵微生物的作用下,將有機(jī)物質(zhì)分解轉(zhuǎn)化為可再生能源。目前,該技術(shù)多應(yīng)用于沼氣發(fā)酵。劉榮厚等[16]用廢棄的甘藍(lán)葉進(jìn)行厭氧發(fā)酵試驗(yàn),證實(shí)用蔬菜廢棄物厭氧發(fā)酵制沼氣的工藝是可行的;毛羽等[30]對菠菜葉進(jìn)行厭氧發(fā)酵,發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)氣潛力很大。此外,蔬菜秸稈的能源化利用現(xiàn)在主要包括秸稈氣化,秸稈壓縮固化成型燃料顆粒技術(shù),以及秸稈發(fā)酵制氫、制乙醇技術(shù)等,這類技術(shù)一般需要一定的生產(chǎn)規(guī)模,且需要配套相應(yīng)的設(shè)備和裝置,用作能源的話,還需下游的配套產(chǎn)業(yè)跟進(jìn)才能實(shí)施,其應(yīng)用推廣在短時(shí)間內(nèi)仍有很大難度。
2.2.4 飼料化利用
蔬菜廢棄物具有一定的營養(yǎng)價(jià)值。目前,國內(nèi)有研究通過青儲和黃貯方式對蔬菜廢棄物進(jìn)行固體發(fā)酵,將其用作反芻動物的粗飼料替代品。研究發(fā)現(xiàn),其發(fā)酵產(chǎn)物不僅柔軟多汁、氣味酸香、消化率高,而且適口性好,可以作為反芻動物(牛、羊、馬)良好的飼料蛋白原材料。利用蔬菜廢棄物發(fā)酵生產(chǎn)飼料,既可變廢為寶,節(jié)約成本,還能夠緩解蔬菜廢棄物帶來的環(huán)境污染問題[31]。張繼等[32]用廢棄的高山娃娃菜葉進(jìn)行固體發(fā)酵,產(chǎn)物中蛋白質(zhì)含量有明顯提高,宜作為飼料。李海玲等[33]將白菜尾菜與小麥秸稈混合發(fā)酵,明顯增加了發(fā)酵產(chǎn)物的粗蛋白和脂肪含量。但該種利用方式的局限性是,原料來源僅集中在某一個(gè)特定時(shí)段,且必須及時(shí)就地處置,否則很快就要腐爛變質(zhì),而且農(nóng)牧產(chǎn)業(yè)要能對接好才可進(jìn)行。
除以上4種主要的蔬菜廢棄物處理方式外,還有部分研究者探索利用蔬菜廢棄物提取特種物質(zhì)用于環(huán)保、化工等領(lǐng)域,如Donato等[34]通過綠色工藝提取的較高純度的檸檬和茴香殘留物多糖,可以作為海藻酸鈉(A)基薄膜的天然增塑劑,用于改善海藻酸鈉的性能,可克服其脆性限制,使其在低成本、環(huán)保方面的應(yīng)用成為可能。
為了促進(jìn)蔬菜產(chǎn)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展,蔬菜廢棄物綜合利用問題正逐漸成為科學(xué)研究的熱點(diǎn)。堆肥化還田作為農(nóng)田土壤修復(fù)最有效的方式之一,其核心理念就是將堆肥化處理的有機(jī)物料作為有機(jī)肥或土壤改良劑,使土壤保持健康且富有活力,進(jìn)而促進(jìn)作物正常生長[35]。研究表明,蔬菜殘?bào)w經(jīng)高溫好氧堆肥處理,可降低化感效應(yīng)的影響,消除致病菌,固化重金屬等[36]。而且,堆肥還田后還可以增加土壤有機(jī)質(zhì),改善土壤通氣性,提高土壤質(zhì)量等[37]。韓伶[38]將廢棄的黃瓜、番茄秸稈堆腐還田后,在促進(jìn)作物生長的同時(shí)也改善了土壤根區(qū)環(huán)境??偟膩砜?,蔬菜廢棄物堆肥化還田潛力巨大,但是不同堆肥方式對堆肥質(zhì)量有明顯影響,為了確保堆肥產(chǎn)品的安全使用,必須注重堆肥質(zhì)量的提高。
3.1.1 堆制方式對堆肥質(zhì)量的影響
堆肥過程是微生物分解有機(jī)物料的過程,堆肥物料腐熟的快慢與微生物活動密切相關(guān);因此,在制作堆肥時(shí),一定要注意物料含水量、空氣和溫度等因素。為了有效促進(jìn)蔬菜廢棄物堆肥處理,國內(nèi)外許多學(xué)者對高溫堆肥中各個(gè)階段的堆肥質(zhì)量進(jìn)行了深入研究[39]。蔬菜秸稈堆肥的影響因素與畜禽糞便堆肥過程的影響因素相似。席旭東等[40]發(fā)現(xiàn),好氧堆肥比厭氧處理的堆體溫度上升快,高溫持續(xù)時(shí)間長,腐熟程度好,是一種較理想的蔬菜廢棄物快速堆制方法;王輝等[41]采用好氧覆膜堆肥法,得到的堆肥產(chǎn)物有機(jī)質(zhì)含量明顯提高,是一種適用于蘭州地區(qū)的蔬菜廢棄物有機(jī)肥堆制方法。
3.1.2 堆肥材料對堆肥質(zhì)量的影響
適宜的堆肥材料對堆肥進(jìn)程有促進(jìn)作用,適宜的堆肥物料碳氮比和高活性降解微生物的協(xié)調(diào)作用是物料快速腐熟穩(wěn)定化的重要因素。許多研究者通過添加不同物料,就其對蔬菜廢棄物堆肥腐熟進(jìn)程的影響進(jìn)行了探索性的嘗試。蔡盡忠等[42]通過同時(shí)添加葡萄糖和微生物菌劑,顯著提高了堆肥質(zhì)量;徐路魏等[43]研究發(fā)現(xiàn),加入一定比例的生物炭可以有效促進(jìn)堆肥化進(jìn)程,減少堆肥過程中的氮素?fù)p失;Rawoteea等[44]將含有纖維素、半纖維素的辦公廢棄紙張和廢紙箱混合制堆,發(fā)現(xiàn)可以有效促進(jìn)堆肥進(jìn)程。蚯蚓輔助堆肥是近幾年興起的一種新的堆肥技術(shù),蔬菜廢棄物中的大多數(shù)有機(jī)物經(jīng)蚯蚓食用、消化后,轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的腐殖物質(zhì)。楊帆等[45]發(fā)現(xiàn),蚯蚓輔助堆肥能夠減少溫室氣體排放和堆體中的氮素?fù)p失,在確保堆肥養(yǎng)分含量的同時(shí),還能夠減少環(huán)境污染。
蔬菜植物殘?bào)w是廣泛存在的可循環(huán)利用資源。將秸稈粉碎還田后,通過添加秸稈腐熟劑能夠使這類有機(jī)廢棄物快速分解腐熟,加快養(yǎng)分的釋放,并增加土壤微生物菌群的多樣性和生物活性,對于改良土壤性質(zhì)、減少化肥使用量、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展等具有積極意義。
3.2.1 直接還田對土壤環(huán)境的影響
蔬菜廢棄物通過土壤中的微生物活動分解腐爛,可提高土壤肥力,增加土壤孔隙度和持水性,改善土壤理化性質(zhì)等。楊巖[46]將芹菜廢棄物打漿處理后,添加生石灰后還田,發(fā)現(xiàn)其對土壤有機(jī)質(zhì)有顯著影響,并且對一些土著病原菌有一定的抑制作用。我國農(nóng)田在長期的機(jī)械耕作碾壓和人工作業(yè)下,大部分農(nóng)田土壤耕層變淺,加之降雨、灌水沉實(shí),導(dǎo)致土壤犁底層上移加厚,形成了堅(jiān)硬深厚的阻隔層,蔬菜田耕作層變淺問題突出,該問題在設(shè)施栽培菜園表現(xiàn)得更為突出。研究發(fā)現(xiàn),甘蔗葉覆蓋和深埋10 cm時(shí),可以打破阻隔層,顯著提高土壤微生物碳、氮含量,同時(shí)還可以提高細(xì)菌多樣性[47]。徐瑩瑩等[48]也發(fā)現(xiàn),將秸稈深翻還田可以增加土壤有機(jī)質(zhì)含量,并且當(dāng)還田深度為15 cm時(shí),土壤微生物菌群活力強(qiáng),秸稈腐解速度最快,對土壤有機(jī)質(zhì)含量的提高效果更明顯。
3.2.2 秸稈覆蓋還田對作物生長的影響
蔬菜秸稈還田可創(chuàng)造適宜作物生長的環(huán)境。秸稈覆蓋地面,干旱期可以減少土壤水的地面蒸發(fā)量,保持田間蓄水量,雨季則可以緩沖雨水對土壤的侵蝕,減少地面徑流,增加耕層蓄水量。同時(shí),覆蓋秸稈可隔離陽光對土壤的直射,對土體與地表穩(wěn)熱的交換起到調(diào)劑作用。這些都能夠確保作物正常吸水,進(jìn)而促進(jìn)作物生長。孫藝文[49]在連作土壤中施用廢棄物殘茬處理,有效促進(jìn)了黃瓜幼苗的生長。王才斌等[50]發(fā)現(xiàn),秸稈覆蓋還能夠培肥土壤,提高作物產(chǎn)量,并且作物產(chǎn)量隨著覆蓋量增加而增加。此外,添加微生物菌劑也可以加快蔬菜、花卉廢棄物的腐解,促進(jìn)作物對養(yǎng)分的吸收,有效緩解廢棄物帶來的環(huán)境污染問題[51]。
堆肥化還田模式生產(chǎn)周期短,堆肥品質(zhì)好,處理量大,可以降解除去酚類等自毒有害物質(zhì),消滅病原菌、害蟲卵和雜草種子,堆肥營養(yǎng)全面。但是堆肥物料干濕分離后,還需要大面積的堆積場地,陰雨季節(jié)難以操作。而且,來不及處置的物料自然腐爛可產(chǎn)生大量的滲濾液,從而給地表水和地下水帶來污染降解過程產(chǎn)生的氨、硫化氫等有害氣體,以及惡臭氣味會對大氣造成污染。所以,該模式較適用于遠(yuǎn)離城市、土地資源豐富的地區(qū),特別是蔬菜種植基地。對于直接還田模式而言,還田原料易獲取,成本低,對環(huán)境的影響小,并且可以減少化肥投入,提高作物產(chǎn)量,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益,而且有助于有效遏制秸稈焚燒現(xiàn)象。然而,蔬菜秸稈直接還田,即使添加腐熟劑,也會由于秸稈種類不同、腐解周期不可控等導(dǎo)致未腐解的殘?jiān)鼑?yán)重影響下茬作物種植。病蟲害嚴(yán)重的還田原料直接還田后,病菌蟲卵進(jìn)入土壤,增加了治理難度,嚴(yán)重影響收成,并會降低作物品質(zhì)。因此,該模式較適用于種植可以輪作、倒茬或具備還田處理間隔期蔬菜種類的農(nóng)戶。
蔬菜廢棄物作為第二大類農(nóng)業(yè)廢棄物,具有養(yǎng)分含量高、營養(yǎng)物質(zhì)豐富的特點(diǎn),有很高的資源化利用價(jià)值。但蔬菜廢棄物資源化再利用面臨著2大難題:一方面,蔬菜種植相對分散,且茬口多,常年有廢棄物產(chǎn)生,其含水量高,不易機(jī)械化收集,常攜帶病原菌,并且在生產(chǎn)、收獲、運(yùn)輸、儲存、銷售等環(huán)節(jié)也會產(chǎn)生大量的廢棄物,不利于統(tǒng)一回收處理,收集成本高。另一方面,部分蔬菜廢棄物種類多,成分和質(zhì)地不同,加上秸稈中混有少量不易降解的塑料捆繩,處理設(shè)備、技術(shù)不盡完善,普遍存在著規(guī)?;幹煤屠贸潭炔桓?、運(yùn)行狀況不佳的情況。
為了解決蔬菜廢棄物資源化利用問題,促進(jìn)蔬菜產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展,首先應(yīng)加強(qiáng)政府政策引導(dǎo),通過采取資金扶持、合理獎懲等多管齊下的措施,引導(dǎo)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用工作落實(shí)落細(xì)。在全國推動秸稈禁燒的大背景下,將秸稈禁燒與秸稈資源化利用有機(jī)結(jié)合,引導(dǎo)農(nóng)業(yè)廢棄物向生態(tài)循環(huán)利用方向轉(zhuǎn)化。菜農(nóng)作為蔬菜廢棄物資源化利用的主要實(shí)施者,應(yīng)對其加大宣傳力度,讓廣大菜農(nóng)充分認(rèn)識到蔬菜廢棄物無害化處理的必要性和給他們帶來的好處,調(diào)動菜農(nóng)的積極性。其次要調(diào)整生產(chǎn)模式,建立新型的蔬菜生產(chǎn)模式,鼓勵蔬菜生產(chǎn)企業(yè)通過凈菜上市、分等分級等措施提高蔬菜商品附加值,走商品化處理、品牌化銷售的道路,減少生產(chǎn)-銷售環(huán)節(jié)的損失,從源頭治理蔬菜廢棄物。同時(shí),應(yīng)加大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),實(shí)施蔬菜廢棄物綜合利用專項(xiàng),建立以肥料化為主的蔬菜廢棄物綜合利用技術(shù)模式,如“秸稈換肥”,落地秸稈收集、運(yùn)費(fèi)補(bǔ)助等政策、措施,建成和完善蔬菜廢棄物回收站和蔬菜種植基地廢棄物處置綜合利用示范點(diǎn),確保蔬菜廢棄物從回收到利用既有專門的處理場地與設(shè)施,又有規(guī)范的處理管理辦法與實(shí)施技術(shù)操作規(guī)程。