韓薇薇 高瑞 常青平
摘要 以京津冀地區(qū)13個地級市為研究對象,通過文獻整理和數(shù)據(jù)分析,估算出各地級市蔬菜廢棄物的污染負荷、污染強度和污染風(fēng)險,并結(jié)合各地化肥施用量,探究蔬菜廢棄物的資源化利用潛力。結(jié)果表明,2020年京津冀地區(qū)的蔬菜廢棄物、TN、TP和TK污染負荷分別為2 199 836、46 627、28 509和49 674 t。各地級市中,唐山市、張家口市、石家莊市和邯鄲市的污染負荷較高;廊坊市、唐山市、秦皇島市和石家莊市的污染風(fēng)險較高。若將京津冀地區(qū)蔬菜廢棄物資源化利用,所利用帶來的肥料化效益達到124 802 t,相當于區(qū)域內(nèi)4.06%的化肥施用折純量,資源化效益顯著。因此,推動京津冀地區(qū)蔬菜廢棄物的資源化利用對于緩解資源緊缺和環(huán)境污染具有重要意義。
關(guān)鍵詞 蔬菜廢棄物;資源化利用;京津冀地區(qū);污染風(fēng)險
中圖分類號 X705? 文獻標識碼 A
文章編號 0517-6611(2024)06-0060-04
doi:10.3969/j.issn.0517-6611.2024.06.014
開放科學(xué)(資源服務(wù))標識碼(OSID):
Analysis of Pollution Risk and Resource Utilization Potential of Vegetable Waste in the Beijing-Tianjin-Hebei Region
HAN Wei-wei,GAO Rui,CHANG Qing-ping
(School of Economics and Management,Tianjin University of Science and Technology,Tianjin 300457)
Abstract Taking 13 prefecture-level cities in the Beijing-Tianjin-Hebei region as the research object,the pollution load,pollution intensity and pollution risk of vegetable waste in various prefecture-level cities were estimated by literature review and data analysis,the potential for resource utilization of vegetable waste was explored based on the application of chemical fertilizers in each region.The results showed that in 2020,the pollution loads of vegetable waste,TN,TP and TK were 2 199 836,46 627,28 509 and 49 674 t,respectively.Among various cities,Tangshan City,Zhangjiakou City,Shijiazhuang City and Handan City showed higher pollution loads,Langfang City,Tangshan City,Qinhuangdao City and Shijiazhuang City exhibited higher pollution risks.If the vegetable waste in the Beijing-Tianjin-Hebei region was utilized as a resource,the fertilizer utilization benefits could reach 124 802 t,equalling 4.06% of the net amount of fertilizer application in the region.The benefits of utilizing this resource were significant.Therefore,promoting the resource utilization of vegetable waste in the Beijing-Tianjin-Hebei region was crucial for reducing resource scarcity and environmental pollution.
Key words Vegetable waste;Resource utilization;Beijing-Tianjin-Hebei region;Pollution risk
我國是世界蔬菜生產(chǎn)第一大國,蔬菜種植面積和產(chǎn)量逐年持續(xù)增長。2022年我國蔬菜產(chǎn)量達到7.67億t,種植面積達到2 235.64萬hm2,較2012年分別增加了24.50%和11.89%,其中,京津冀地區(qū)蔬菜產(chǎn)量和播種面積占全國總播種面積和總產(chǎn)量的4.16%和7.48%[1]。隨著蔬菜產(chǎn)量的不斷增長和人民生活質(zhì)量的提高,蔬菜從播種到消費的整個過程中產(chǎn)生的廢棄物量也在急速增加。每年我國蔬菜廢棄物產(chǎn)生量超過2.5億t,可利用量超過2.0億t,資源量十分豐富。蔬菜廢棄物中含有豐富的養(yǎng)分,將其資源化利用后可以增加農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益。據(jù)統(tǒng)計,若我國每年產(chǎn)生的蔬菜廢棄物得到資源化利用,其產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)效益相當于全國當年氮肥、磷肥和鉀肥施用量的3.99%、6.44%和13.07%。但是,由于目前我國蔬菜廢棄物回收體系不完善和相關(guān)技術(shù)水平的限制,蔬菜廢棄物通常都被隨意丟棄在田間地頭或經(jīng)垃圾場進行填埋或焚燒,不僅造成了大量資源的浪費,也導(dǎo)致了嚴重的生態(tài)環(huán)境污染,阻礙了蔬菜產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展[2]。
目前,國內(nèi)關(guān)于蔬菜廢棄物的研究仍處于起步階段,學(xué)者的研究集中于利用方式[3]、處理技術(shù)[4-5]、發(fā)酵工藝[6]等。有研究發(fā)現(xiàn),蔬菜廢棄物的資源化利用存在著跨地區(qū)現(xiàn)象,區(qū)域協(xié)同管理能有效促進農(nóng)業(yè)廢棄物區(qū)域流動,提高區(qū)域整
體的資源化利用率[7]。但目前的研究大多側(cè)重于省、市尺度蔬菜廢棄物資源量的估算[8-9],對于地區(qū)層面蔬菜廢棄物的產(chǎn)生量及分布特征研究涉及較少。京津冀作為中國三大區(qū)域經(jīng)濟體之一,是我國主要蔬菜產(chǎn)區(qū),同時也是重要的蔬菜消費區(qū)[10]。近年來,隨著京津冀協(xié)同化的不斷推進,農(nóng)業(yè)協(xié)同發(fā)展成為京津冀協(xié)同發(fā)展的重要內(nèi)容。因此,研究其蔬菜廢棄物污染風(fēng)險及資源化利用潛力,對于提出京津冀地區(qū)蔬菜廢棄物資源化利用策略,以促進蔬菜廢棄物高效利用并進而指導(dǎo)全國蔬菜廢棄物的有效利用具有重要意義。
1 資料與方法
1.1 研究區(qū)概況
京津冀地區(qū)地處華北平原,是我國三大城市群之一,位于113°27′~119°50′E、36°01′~42°37′N,包括北京市、天津市和河北省,總面積2.20×105km2[11],屬于溫暖帶大陸性季風(fēng)型氣候,夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥,年降雨量300~800 mm。該地區(qū)耕地面積6.54萬km2,約占區(qū)域總面積的30%。2020年京津冀地區(qū)蔬菜產(chǎn)量為5 602.58萬t,占全國總產(chǎn)量的7.48%,是我國的主要蔬菜產(chǎn)區(qū)和消費區(qū)。
1.2 數(shù)據(jù)來源
針對京津冀地區(qū)所轄的13個地級市種植的主要蔬菜種類開展調(diào)查,包括葉菜類、白菜類、甘藍類、根莖類、瓜果類、豆類、茄果類、蔥蒜類、水生菜類和其他蔬菜。京津冀地區(qū)各地級市蔬菜產(chǎn)量、化肥施用純量、耕地面積數(shù)據(jù)來源于《北京統(tǒng)計年鑒》《天津統(tǒng)計年鑒》《河北省農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》和《中國農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》。不同種類蔬菜產(chǎn)廢系數(shù)及養(yǎng)分參考前人的研究綜合得到[8,12-13],具體見表 1。
1.3 研究方法
1.3.1 污染負荷估算。
草谷比法是估算農(nóng)作物秸稈與作物產(chǎn)量比例的方法,是目前國內(nèi)普遍認同的蔬菜廢棄物資源量估算方法[14]。根據(jù)各市統(tǒng)計年鑒獲取京津冀地區(qū)各地級市各類蔬菜產(chǎn)量,北京市、天津市各類蔬菜產(chǎn)量根據(jù)河北省各類蔬菜的產(chǎn)量權(quán)重計算得到。采用草谷比法計算13個地級市蔬菜廢棄物產(chǎn)量及氮磷鉀養(yǎng)分含量,以污染負荷表示,計算公式如下:
V=ni=1(Pi×ri)
VN/P/K=ni=1(Pi×ri×CN/P/K)
式中:V為區(qū)域內(nèi)蔬菜廢棄物污染負荷(t);Pi為區(qū)域內(nèi)各地級市第i種蔬菜產(chǎn)量(t);i為蔬菜種類,i=1,2,…,n;ri為第i種蔬菜的產(chǎn)廢系數(shù);VN/P/K為蔬菜廢棄物中TN、TP、TK的污染負荷(t);CN/P/K為第i種蔬菜廢棄物中TN、TP、TK含量(g/kg)。
1.3.2 污染風(fēng)險評估。
不同地市蔬菜廢棄物量及其所蘊含的TN、TP、TK含量不同,耕地面積也不同,無法在同一尺度上比較13個地級市蔬菜廢棄物、TN、TP、TK的污染強度關(guān)系。農(nóng)業(yè)面源污染中污染強度表示某地區(qū)的農(nóng)業(yè)集約化程度和單位土地面積的農(nóng)業(yè)活動對水體的影響[15]。因此在分析京津冀地區(qū)蔬菜廢棄物污染強度時引入地均污染強度。用各地市的污染負荷分別除以各地的耕地面積,得到京津冀地區(qū)蔬菜廢棄物污染強度,計算公式如下:
Dv=V/a×100%
DN/P/K=VN/P/K/a×1 000
式中:Dv為蔬菜廢棄物污染強度(t/hm2);DN/P/K為TN、TP、TK污染強度(kg/hm2);a為耕地面積(hm2)。
由于各指標數(shù)值水平相差較大,對求得的TN、TP、TK污染強度進行離差標準化分析,使其結(jié)果落于[0,1],再對這3種污染強度標準化值按相同權(quán)重加和得到污染綜合指數(shù),從而確定蔬菜廢棄物面源污染風(fēng)險排序,并以此為依據(jù)確定重點控制區(qū)域。轉(zhuǎn)換函數(shù)為:
Qi=(Ii-Imin)/(Imax-Imin)
X=13×(QN+QP+QK)
其中:Qi為評價因子的第i級的污染強度標準化值;Ii為評價因子的第i級的編碼值;Imax為評價因子的最大編碼值;Imin為評價因子的最小編碼值;X為綜合污染指數(shù);QN、QP、QK分別表示TN、TP、TK標準化值。
1.3.3 農(nóng)作物廢棄物肥料化效益估算模型。
(1)蔬菜廢棄物肥料化效益測算:
FV=VN+VP+VK
式中,F(xiàn)V為蔬菜廢棄物肥料化利用效益(t)。
(2)蔬菜廢棄物總養(yǎng)分代替肥料率:
P=FV/F×100%
式中:P為蔬菜廢棄物總養(yǎng)分替代率(%);FV為蔬菜廢棄物肥料化利用效益(t);F為化肥施用折純量(t)。
2 結(jié)果與分析
2.1 京津冀地區(qū)蔬菜廢棄物污染負荷時間特征
近年來,隨著農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平的不斷提高,京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)逐步向現(xiàn)代化過渡,蔬菜種植面積和產(chǎn)量不斷增加,蔬菜廢棄物產(chǎn)生量也逐年增加。從圖 1可看出,2016—2020年京津冀地區(qū)蔬菜廢棄物污染負荷呈現(xiàn)一定波動變化,但總體呈上升趨勢。自2016年以來蔬菜廢棄物污染負荷平均以3.44萬t/a的速度增加。2020年京津冀地區(qū)蔬菜廢棄物污染負荷最高,達到219.98萬t。但2017、2019年與之前相比卻略有下降,可能與當年氣候、種植面積等因素有關(guān)。TN、TP、TK污染負荷與蔬菜廢棄物污染負荷年際變化規(guī)律較為一致,總體呈上升趨勢,2020年京津冀地區(qū)TN、TP、TK污染負荷分別為46 627、28 509、49 674 t。
2.2 2020年京津冀地區(qū)各地級市蔬菜廢棄物污染風(fēng)險分析
2.2.1 蔬菜廢棄物及TN、TP、TK污染負荷。
2020年京津冀地區(qū)各地級市蔬菜廢棄物污染負荷和TN、TP、TK污染負荷如表 2所示。京津冀地區(qū)蔬菜廢棄物、TN、TP、TK總污染負荷分別為2 199 836、46 627、28 509、49 674 t。各市蔬菜廢棄物污染負荷平均為169 218 t,其中,唐山市蔬菜廢棄物污染負荷最高,占全京津冀地區(qū)的16.15%,其次是張家口市和邯鄲市,分別占全地區(qū)的11.93%和10.34%,高于平均值的還有石家莊市、保定市、廊坊市;蔬菜廢棄物污染負荷量較少的市為北京市、秦皇島市、衡水市。TN、TP、TK污染負荷平均值分別為3 587、2 193、3 821 t,以唐山市最高,達到20 058 t,占全地區(qū)的16.07%,其次是張家口市和石家莊市,分別占全地區(qū)的11.37%和10.41%;北京市、衡水市、邢臺市、天津市TN、TP、TK污染負荷較少。從以上結(jié)果可看出,京津冀地區(qū)蔬菜廢棄物、TN、TP、TK污染強度分布較為一致,呈中部和東南部較低、西部較高的特點。
2.2.2 蔬菜廢棄物污染強度分析。
采用ArcGIS 10.5空間分析技術(shù),繪制2020年京津冀地區(qū)各市蔬菜廢棄物污染強度空間分布圖(圖2)。各市蔬菜廢棄物、TN、TP、TK平均污染強度分別為370.03、7.89、4.84、8.46 kg/hm2。由圖 2可知,2020年京津冀地區(qū)蔬菜廢棄物污染強度空間差異明顯。京津冀地區(qū)蔬菜廢棄物污染強度平均為370.03 kg/hm2,其中,廊坊市和唐山市蔬菜廢棄物污染強度較高,分別為746.20、713.41 kg/hm2,比地區(qū)平均值分別增加了101.66%、92.80%,其TN、TP、TK污染強度分別為15.04、9.26、15.97 kg/hm2,這2個市耕地面積較小,蔬菜種植比例和蔬菜產(chǎn)量較高;衡水市、邢臺市、滄州市污染強度較低,TN、TP、TK污染強度分別為3.75、2.16、4.11 kg/hm2。
2.2.3 污染風(fēng)險分析。
經(jīng)計算可得京津冀地區(qū)蔬菜廢棄物污染綜合指數(shù),2020年13個地市蔬菜廢棄物、TN、TP、TK的污染強度標準化值及綜合指數(shù)結(jié)果見表 3。從表3可以看出,綜合指數(shù)從大到小依次為廊坊、唐山、秦皇島、石家莊、邯鄲、承德、保定、張家口、北京、天津、邢臺、衡水、滄州。
分析可知,污染風(fēng)險與單個污染強度指標分布規(guī)律較為一致。其中,廊坊、唐山、秦皇島污染綜合指數(shù)較高,為蔬菜廢棄物高污染風(fēng)險區(qū)域;石家莊、邯鄲、承德、保定為中污染風(fēng)險區(qū)域;張家口、北京、天津、邢臺、衡水、滄州為低污染風(fēng)險區(qū)域,其中滄州市蔬菜廢棄物、TN、TP、TK的標準化值均為0.00,滄州市綜合指數(shù)最小,蔬菜廢棄物污染風(fēng)險最低??傮w而言,京津冀地區(qū)蔬菜廢棄物污染呈中部和東北部污染風(fēng)險高、南部污染風(fēng)險低的特點。低污染風(fēng)險區(qū)域主要為城市化率較高、農(nóng)業(yè)比重小的城市;高污染風(fēng)險地區(qū)為農(nóng)地面積少、規(guī)模大、蔬菜種植比例高的城市。
2.3 京津冀地區(qū)蔬菜廢棄物資源化利用潛力分析
由表 4可知,2020年京津冀地區(qū)蔬菜廢棄物資源化利用帶來的肥料化效益達到124 802 t,相當于區(qū)域內(nèi)4.06%的化肥施用折純量。區(qū)域內(nèi)各地級市蔬菜廢棄物肥料化效益在3 165~20 058 t,其可替代化肥施用純量的比率在1.76%~10.99%。若將其進行肥料化利用,可有效減少區(qū)域內(nèi)化肥施用量。
張家口市蔬菜廢棄物肥料化效益替代化肥施用純量的比率最高,其肥料化效益為14 193 t,資源化利用潛力最高。此外,肥料替代率高利用潛力地區(qū)還包括廊坊市、承德市,肥料化效益分別為11 700和8 275 t。滄州市、邢臺市、衡水市肥料化利用潛力相對較小,其肥料替代率位于后3位。
3 討論
廢棄物資源化利用是緩解環(huán)境壓力和資源短缺的重要手段[16],由上述可知,京津冀地區(qū)蔬菜廢棄物產(chǎn)生量巨大,由此帶來的污染負荷和污染風(fēng)險較高,但同時,其中蘊含的養(yǎng)分量也十分豐富,資源化利用潛力巨大。若能將資源化利用,不僅能減少氮、磷、鉀等污染元素的排放,帶來較大的環(huán)境效益,也能獲得蔬菜廢棄物中養(yǎng)分的價值,得到較大的經(jīng)濟效益。
京津冀地區(qū)作為我國的政治及文化中心、北方經(jīng)濟的重要核心區(qū),其蔬菜廢棄物資源化利用水平關(guān)系到該區(qū)域乃至全國蔬菜產(chǎn)業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展。為防治農(nóng)業(yè)廢棄物污染,促進農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用,2023年中央一號文件再次提出要建立健全秸稈、農(nóng)膜、農(nóng)藥包裝廢棄物、畜禽糞污等農(nóng)業(yè)廢棄物收集利用處理體系。但是由于產(chǎn)業(yè)鏈條結(jié)構(gòu)不完整、農(nóng)戶綠色生產(chǎn)觀念落后、各地區(qū)發(fā)展不均衡等原因,京津冀地區(qū)蔬菜廢棄物資源化率較低。因此,需要當?shù)卣拖嚓P(guān)部門加大宣傳力度,引導(dǎo)農(nóng)民認識到資源化利用蔬菜廢棄物的優(yōu)點和重要性。同時,還應(yīng)積極研發(fā)適合農(nóng)民使用,有益于農(nóng)民的處理技術(shù),以期在處理蔬菜廢棄物時達到最大的環(huán)境效益、經(jīng)濟效益和社會效益。
4 結(jié)論
(1)2020年京津冀地區(qū)蔬菜廢棄物、TN、TP、TK污染負荷分別為2 199 836、46 627、28 509、49 674 t。各市蔬菜廢棄物平均污染強度分別為370.03、7.89、4.84、8.46 kg/hm2。
(2)京津冀地區(qū)蔬菜廢棄物污染風(fēng)險較高的地區(qū)為廊坊市、唐山市和秦皇島市,邢臺市、衡水市、滄州市污染風(fēng)險較低。污染風(fēng)險與單個污染強度指標分布較為一致。
(3)2020年京津冀地區(qū)蔬菜廢棄物資源化利用帶來的肥料化效益達到124 802 t,相當于區(qū)域內(nèi)4.06%的化肥施用折純量。肥料化利用潛力較高的地級市為張家口市、廊坊市、承德市。
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