張光全,巴 音,杜玉明,李鳳民,薛 偉**

(1.榆中縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心 榆中 730100;2.蘭州大學(xué)生態(tài)學(xué)院 蘭州 730000;3.內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站烏海分站 烏海 016000)

中國(guó)是世界上蔬菜生產(chǎn)第一大國(guó),2019年全國(guó)蔬菜產(chǎn)量已達(dá)到了7.2 億t[1],蔬菜種植面積和產(chǎn)量分別占全球50.1%和62.6%[2]。蔬菜收獲、流通和消費(fèi)過(guò)程中,商品平均損失率在30%以上,其中流通環(huán)節(jié)占總損失率的60.0%以上[3-4],遠(yuǎn)高于其他農(nóng)產(chǎn)品[5]。在我國(guó),蔬菜廢棄物/剩余物(以下簡(jiǎn)稱為“尾菜”)已成為僅次于水稻(Oryza sativa)、玉米(Zea mays)和小麥(Triticum aestivum)的第四大類農(nóng)作物廢棄物,2019年全國(guó)尾菜產(chǎn)生量超過(guò)3.1 億t[6],其中葉類尾菜占比高達(dá)71.0%以上[7]。甘肅是我國(guó)“高原夏菜”主產(chǎn)區(qū)和最大的“北菜南運(yùn)、西菜東調(diào)”的集散中心,2018年尾菜產(chǎn)生量為1089 萬(wàn)t,僅6—10月份流通環(huán)節(jié)尾菜產(chǎn)生量就高達(dá)600 萬(wàn)t[8]。與大田作物秸稈相比,尾菜具有產(chǎn)生期集中量大、含水率高、易腐爛變質(zhì)、資源密度和能量?jī)r(jià)值低等特殊屬性,處理不及時(shí)易污染環(huán)境[9-11]。

尾菜污染問(wèn)題出現(xiàn)初期,人們普遍認(rèn)為尾菜類似于大田作物秸稈,是具有高附加值、可觀經(jīng)濟(jì)效益的“有機(jī)垃圾”,多采用工廠化處理模式處理尾菜。目前,云南嵩明和甘肅榆中兩地工廠化干/濕發(fā)酵系統(tǒng)普遍存在易失穩(wěn)、能耗高、效率和處理量低等不足[12]。另一方面,工廠化干濕分離系統(tǒng)產(chǎn)生的大量廢水,其銨態(tài)氮含量、化學(xué)需氧量(COD)和生化需氧量(BOD)高,污水處理成本高[13]。尾菜飼料化需要篩選、清洗尾菜以去除腐爛尾菜、泥土、垃圾等雜質(zhì),在篩選、清洗過(guò)程中需要消耗大量勞力和水資源,且操作方法要求較高,一次處理需要數(shù)十天且尾菜處理量少[14]。工廠化堆漚肥技術(shù)能夠較好地保存原料營(yíng)養(yǎng)元素,殺滅有害生物,但堆肥操作規(guī)程不當(dāng),往往會(huì)出現(xiàn)許多基礎(chǔ)性的技術(shù)問(wèn)題,如堆制時(shí)間長(zhǎng)、臭味嚴(yán)重、溫室氣體排放量大、轉(zhuǎn)化利用率低和產(chǎn)生大量廢水等,且一次處理需要45～75 d[12]。上述工廠化模式仍不能從根本上解決黃土高原半干旱地區(qū)高原夏菜流通環(huán)節(jié)尾菜面源污染問(wèn)題,2020年甘肅尾菜綜合利用率仍不足40.0%[15],尾菜隨意露天堆置造成的城郊環(huán)境污染已成為高原夏菜高質(zhì)量發(fā)展的“卡脖子”問(wèn)題。

研究表明,大田作物秸稈還田可以培肥地力、提高作物產(chǎn)量,是解決資源浪費(fèi)、減少環(huán)境污染的主要措施[16-18],秸稈高量(75 t·hm—2)還田可以培肥亞耕層,提高土壤固碳效率,實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)[19-21];同時(shí)不同還田深度也會(huì)影響耕作層水分、養(yǎng)分分布,土壤有機(jī)碳固存率及作物出苗等[22-23]。以干基質(zhì)計(jì)算,尾菜N、P、K 平均含量分別達(dá)3.50%、0.54%、3.12%,有機(jī)質(zhì)平均含量在80%以上,其營(yíng)養(yǎng)成分與常用的天然有機(jī)肥料相當(dāng)[9,24],蔬菜廢棄物還田可以改善土壤環(huán)境質(zhì)量,顯著提高土壤肥力[25],增加作物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益[26-27];同時(shí)直接還田操作簡(jiǎn)單,處理成本低,是目前尾菜資源化利用比較廣泛的方法之一。葉類尾菜含水率在90.0%左右,C/N 值相對(duì)較小,一般介于6.7～22.4[28],易降解,其在黃土高原半干旱地區(qū)更適合高量還田。前期研究表明,在黃土高原半干旱區(qū)采用覆土埋壓法將尾菜高量還田能夠抑制土壤氮淋溶并培肥低質(zhì)黃土[29],但是尾菜含有較為豐富的N 和S 等元素,在其降解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量NH3和H2S 等臭氣,污染大氣環(huán)境[30]。土壤對(duì)惡臭氣體有很強(qiáng)的吸附作用,一般覆土厚度或還田深度越大,對(duì)臭氣去除效率越高[31-32],但同時(shí)會(huì)帶來(lái)處理成本增加。尾菜高量還田后,降解過(guò)程中會(huì)釋放大量水分和養(yǎng)分,還田尾菜量和覆土厚度會(huì)顯著影響土壤水分和養(yǎng)分補(bǔ)給量和運(yùn)移,進(jìn)而可能促使原生土鹽離子和尾菜固有的鹽離子大量積聚在地表,造成土壤鹽漬化[33]。而且,在蔬菜種植過(guò)程中,農(nóng)藥和肥料的不合理使用等行為可能會(huì)使較多重金屬和農(nóng)藥殘留在蔬菜和土壤,大量尾菜集中還田是否會(huì)帶來(lái)土壤二次污染有待論證。還田尾菜量和覆土厚度是影響其環(huán)境效益、生態(tài)效益和成本效益的主要因素,但是在黃土高原半干旱地區(qū),尾菜還田量和覆土厚度對(duì)環(huán)境的影響缺乏強(qiáng)有力的科學(xué)依據(jù),它們之間的最佳效益尚不清楚。因此,探究尾菜還田量與覆土厚度對(duì)環(huán)境及處理成本的影響,對(duì)提高高原夏菜尾菜資源化利用和培肥黃土有著重要意義。

本研究在甘肅省榆中縣北山黃土丘陵區(qū)開(kāi)展了尾菜還田厚度和覆土厚度小區(qū)試驗(yàn),調(diào)查尾菜降解率、覆土表面NH3及H2S 排放速率和土壤鹽離子含量等數(shù)據(jù)。為了充分論證上述科學(xué)問(wèn)題并增加試驗(yàn)結(jié)果的決策咨詢價(jià)值,本研究同時(shí)在榆中蔬菜冷鮮庫(kù)附近設(shè)置了兩個(gè)尾菜高量還田中型試驗(yàn),加大尾菜還田厚度,除了采集上述數(shù)據(jù)外還采集了土壤重金屬、土壤農(nóng)藥殘留量及尾菜還田工程成本等數(shù)據(jù)。通過(guò)上述內(nèi)容研究,從環(huán)境和經(jīng)濟(jì)角度探討了尾菜高量還田在黃土高原半干旱地區(qū)的可行性,以期為該地區(qū)探索一種安全、高效、低成本尾菜資源化利用途徑提供理論和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

榆中縣是甘肅高原夏菜最大生產(chǎn)基地和集散中心,全年尾菜產(chǎn)生量100 萬(wàn)t,其中流通環(huán)節(jié)尾菜產(chǎn)生量為50 萬(wàn)t。每年6—10月份流通環(huán)節(jié)每天可產(chǎn)生尾菜0.3 萬(wàn)t,高峰期可達(dá)0.5 萬(wàn)t[34]。尾菜主要種類為娃娃菜(Brassica rapavar.Glabra)、花椰菜(Brassica oleraceavar.Botrytis)、芹菜(Apium graveolens)和萵筍(Lactuca sativavar.Angustata)等,尾菜含有極微量的重金屬且農(nóng)藥殘留量未檢出(表1)。該地區(qū)屬于半干旱黃土丘陵區(qū),全年降水量為300～400 mm,潛在蒸散發(fā)量高達(dá)1300 mm,年均氣溫6.6 ℃,年極端最高氣溫39.8 ℃,年極端最低氣溫—27.2 ℃,無(wú)霜期100～140 d(圖1)。黃土地貌分布于榆中縣域的中部和北部地區(qū),黃土層深厚達(dá)200 m,土壤有機(jī)碳含量3.6～9.7 g·kg-1,土壤pH 為 8.4～8.8,土壤容重為1.2～1.3 g·cm-3。

表1 甘肅省榆中縣主要類型尾菜重金屬及農(nóng)藥殘留含量Table 1 Heavy metals and pesticide contents in main vegetables residues in Yuzhong County,Gansu Province

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

小區(qū)試驗(yàn)位于榆中縣北山中連川鄉(xiāng),中型試驗(yàn)分別位于榆中縣金崖鎮(zhèn)金崖村和清水驛鄉(xiāng)王家灣村(圖1)。小區(qū)試驗(yàn)和王家灣中型試驗(yàn)所需尾菜來(lái)源于三角城鄉(xiāng)蔬菜冷鮮庫(kù),金崖中型試驗(yàn)所需尾菜來(lái)源于金崖蔬菜冷鮮庫(kù)。中型試驗(yàn)場(chǎng)距離周邊蔬菜冷鮮庫(kù)直線距離小于10 km,周邊1.0 km 之內(nèi)沒(méi)有居民區(qū)。

圖1 試驗(yàn)地位置及年降水、日均溫變化Fig.1 Location of test sites and annual precipitation,temperature change

小區(qū)試驗(yàn)設(shè)置3 個(gè)尾菜還田厚度和3 個(gè)覆土厚度處理組合。還田尾菜厚度分別為20 cm(C1)、40 cm(C2)和60 cm(C3),覆土厚度分別為10 cm(T1)、20 cm(T2)和30 cm(T3),同時(shí)設(shè)置全土(QT,僅對(duì)表層30 cm的土壤進(jìn)行翻耕)和全菜(QC,將60 cm 厚的尾菜露天放置60 cm 深小區(qū),不再做任何處理)兩個(gè)對(duì)照,對(duì)照和各處理均設(shè)置3 個(gè)重復(fù),共計(jì)33 個(gè)試驗(yàn)小區(qū),小區(qū)面積5 m × 5 m,采取完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)尾菜高量還田后,各處理與地表面高度保持一致,便于準(zhǔn)確測(cè)量還田尾菜降解變化,于2020年7月26日,選取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 方形標(biāo)準(zhǔn)小區(qū),四周筑壟防止雨水流入。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì),將各小區(qū)尾菜平整,達(dá)到厚度要求后,表面覆蓋黃土,不做其他任何處理,所有試驗(yàn)處理在2 d 內(nèi)完成。根據(jù)尾菜拉運(yùn)量計(jì)算,還田尾菜厚度為20 cm、40 cm 和60 cm,各小區(qū)可處理尾菜量分別為2 t、4 t 和6 t。

2020年9月23—24日,在金崖村選擇0.07 hm2撂荒坡地為試驗(yàn)地(JZX),在3 處低洼地打井測(cè)定地下水位在30 m 以下。依據(jù)荒地地形,使用一輛履帶式挖掘機(jī)(PC300-7 型)和一輛輪胎式裝載機(jī)(比如三一重工的SW955K 型)修建長(zhǎng)方形或正方形或半圓形高量尾菜還田試驗(yàn)場(chǎng),處理場(chǎng)深度為4.0 m,其中開(kāi)挖底標(biāo)高(hd)為1.0 m 或2.0 m(公式1),將挖出來(lái)的黃土用于修建邊墻,邊墻截面呈梯形(上邊和底邊分別為1.0 m 和4.0 m,高4.0 m),通過(guò)鏟車拍打壓實(shí)土墻,堅(jiān)實(shí)系數(shù)為1.0～1.5,場(chǎng)地內(nèi)地面平整,無(wú)大的地勢(shì)起伏。2021年6月22—24日,采用同樣的工程措施在王家灣村選取0.4 hm2撂荒坡地,修建一個(gè)0.27 hm2中型試驗(yàn)場(chǎng)(WZX)。中型試驗(yàn)場(chǎng)建好后,根據(jù)場(chǎng)地特點(diǎn),共設(shè)置3 個(gè)以上等面積分區(qū),是為試驗(yàn)重復(fù),同時(shí)在試驗(yàn)場(chǎng)外圍設(shè)置3 個(gè)5 m × 5 m 全土(QT)對(duì)照小區(qū),不做任何處理。試驗(yàn)場(chǎng)地整理就緒后立即組織尾菜拉運(yùn)車開(kāi)進(jìn)場(chǎng)內(nèi),傾倒尾菜,使用裝載機(jī)堆放至350 cm 厚,然后在尾菜層上面覆蓋厚度為30 cm 的黃土,對(duì)覆土不做任何處理,直至試驗(yàn)場(chǎng)各分區(qū)堆滿尾菜并全部覆土,最后封場(chǎng)。

基坑下挖深度根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)周長(zhǎng)(lp)、試驗(yàn)場(chǎng)表面積(sp)、邊墻截面面積(sw)、邊墻土壤容重(ρw)、天然黃土土壤容重(ρs)和尾菜層上層覆土厚度(hc)確定:

比如:依托黃土丘陵邊坡建設(shè)試驗(yàn)場(chǎng),僅3 面需要建設(shè)邊墻,試驗(yàn)場(chǎng)長(zhǎng)=30 m,內(nèi)寬=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,則hd=2.4 m,即基坑開(kāi)挖底標(biāo)高為2.4 m。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

小區(qū)試驗(yàn)開(kāi)始后的前40 d,平均每10 d 測(cè)定1次尾菜降解剩余物,之后平均每30 d 監(jiān)測(cè)1 次,共監(jiān)測(cè)6 次。在試驗(yàn)開(kāi)始后的前30 d,平均每7 d 監(jiān)測(cè)1次土壤表面NH3和H2S 排放量,之后平均每30 d 監(jiān)測(cè)1 次,共監(jiān)測(cè)6 次。每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取3 個(gè)土壤樣品采集點(diǎn),采集混合土樣,用于測(cè)定土壤鹽分含量,土壤樣品采集范圍為尾菜層上層的覆土(深度分別為10 cm、20 cm 和30 cm)和尾菜層下的60 cm 深土壤,尾菜層上層覆土和尾菜層下土壤20 cm 內(nèi)每10 cm采集1 個(gè)樣品,其他土層每20 cm 采集1 個(gè)土樣。在每個(gè)小區(qū)內(nèi),根據(jù)尾菜還田深度設(shè)置采樣深度,隨機(jī)設(shè)置3 個(gè)50 cm × 50 cm 樣方,采集尾菜層未降解剩余物,測(cè)定鮮重,105 ℃下殺青15 min 后70 ℃烘干至恒重。H2S 測(cè)定采用靜態(tài)箱抽氣法采集土壤排放氣體:靜態(tài)箱由箱體和底座兩部分組成,箱體為避光有機(jī)玻璃材質(zhì)的正方體(50 cm×50 cm×50 cm),底座上表面四周有凹槽,采氣時(shí),用水密封凹槽,然后罩上箱體,以防止箱體與底座之間漏氣,使用500 mL注射器從取樣口抽取樣品;將底座插入表層覆土里,入土約5 cm,在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程箱體不再移動(dòng)。采樣時(shí)間均固定在上午8:00—11:30,采氣時(shí)將底座水槽中注水加以封閉,從箱體置于底座上開(kāi)始計(jì)時(shí),3 h后從箱體內(nèi)抽取1 L 氣體,注入裝有吸收液的吸收瓶?jī)?nèi),利用《空氣和廢氣監(jiān)測(cè)分析方法(第4 版)》亞甲基藍(lán)分光光度法測(cè)定吸收液濃度;NH3測(cè)定采用農(nóng)田氨揮發(fā)測(cè)定方法中的《通氣-靛藍(lán)比色法》[35];土壤鹽分、Na+和Ca2+含量采用火焰光度法和原子吸收光譜法測(cè)定。

按下式計(jì)算尾菜的鮮(干)重降解率:

式中:D表示尾菜鮮(干)重降解率,W表示小區(qū)尾菜還田總鮮(干)重量,R表示小區(qū)尾菜降解剩余物鮮(干)重。

H2S 排放速率計(jì)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 濃度(mg·L—1),Vl表示吸收液體積(L),Vg表示抽取氣體體積(m3),h表示靜態(tài)箱體高度(m),t表示靜態(tài)箱采集時(shí)間(d)。

中型試驗(yàn)開(kāi)始后的前35 d,平均每7 d 監(jiān)測(cè)1 次試驗(yàn)場(chǎng)沉降深度,以后平均每30 d 監(jiān)測(cè)1 次,共監(jiān)測(cè)9 次。試驗(yàn)開(kāi)始后的前50 d 內(nèi),平均每7 d 監(jiān)測(cè)1 次土壤表面NH3和H2S 臭氣排放量,之后平均每30 d監(jiān)測(cè)1 次,共監(jiān)測(cè)8 次。在還田前,將運(yùn)至JZX 中型試驗(yàn)場(chǎng)的尾菜分批次抽取尾菜樣品,用于測(cè)定尾菜重金屬含量(Cu、Pb、Cd、Ni、As、Cr、Hg 和Zn)和常用農(nóng)藥阿維高氯(abamectin and cypermethrin)、啶蟲(chóng)脒(acetamiprid)殘留量。待試驗(yàn)場(chǎng)沉降穩(wěn)定后用土鉆(鉆頭直徑為5.0 cm,長(zhǎng)度為20.0 cm)在中型試驗(yàn)場(chǎng)的每個(gè)分區(qū)和對(duì)照全土小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取3 個(gè)取樣點(diǎn),采集混合土樣和尾菜降解剩余物用于測(cè)定土壤和尾菜降解剩余物中重金屬、農(nóng)藥殘留量及土壤鹽分含量。在各分區(qū)內(nèi),土壤重金屬樣品采樣范圍為尾菜層上層覆土(0.3 m 深)和尾菜層下層0.5 m深土壤。土壤鹽分樣品采樣范圍為尾菜層上層覆土(0.3 m 深)和尾菜層下層10 m 深土壤,尾菜層上層表土每0.1 m 采集1 個(gè)樣品,尾菜層下層2 m 以內(nèi)每0.5 m 深采集1 個(gè)樣品,之后每1 m 深采集1 個(gè)樣品。對(duì)照全土(QT)的重金屬、農(nóng)藥和土壤鹽分采集深度范圍與尾菜處理相對(duì)應(yīng)。

由于JZX 和WZX 中型試驗(yàn)場(chǎng)尾菜處理量大,現(xiàn)場(chǎng)采集尾菜降解剩余物比較困難,因而通過(guò)測(cè)量尾菜降解沉降率來(lái)間接反映尾菜降解率(式4)。假設(shè)在尾菜高量還田降解過(guò)程中,土壤質(zhì)量和密度均不發(fā)生變化,尾菜降解質(zhì)量(鮮重或干重)變化與尾菜還田試驗(yàn)場(chǎng)沉降變化是一致的。利用還田尾菜沉降率同樣可以間接反映中型試驗(yàn)場(chǎng)尾菜降解規(guī)律,具體公式如下:

式中:S表示尾菜降解沉降率,Hs表示中型試驗(yàn)場(chǎng)沉降厚度,Hw表示中型試驗(yàn)場(chǎng)尾菜還田厚度。

土壤NH3和H2S 排放量及土壤鹽分測(cè)定方法同小區(qū)試驗(yàn)。尾菜中重金屬及農(nóng)藥含量測(cè)定參照《食品衛(wèi)生檢驗(yàn)方法》(GB/T 5009.12/15/17/110—2003)、《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 5009.11/123—2014)、《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》(GB 23200.19—2016),土壤重金屬殘留測(cè)定參照《土壤和沉積物銅、鋅、鉛、鎳、鉻的測(cè)定 火焰原子吸收分光光度法》(HJ491—2019)、《土壤和沉積物12 種金屬元素的測(cè)定 王水提取-電感耦合等離子質(zhì)譜法》(HJ803—2016)、農(nóng)藥測(cè)定采用《分散固相萃取-氣相色譜法測(cè)定》[36-37]和《水果、蔬菜中啶蟲(chóng)脒殘留量的測(cè)定液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法》(GB/T 23584—2009)。

統(tǒng)計(jì)JZX 和WZX 中型試驗(yàn)場(chǎng)尾菜處理成本數(shù)據(jù),主要包括施工機(jī)械租賃費(fèi)(含燃油)、務(wù)工費(fèi)和其他,用于尾菜高量還田成本分析。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)整理使用Microsoft Excel 2003 軟件(Microsoft,Washington,USA),數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析利用SPSS26軟件(IBM,New York,USA),圖表制作使用Origin2017(OriginLab,MA,USA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 尾菜累計(jì)降解率時(shí)間序列變化

圖2 顯示,所有小區(qū)試驗(yàn)的尾菜鮮重和干重累積降解率變化規(guī)律基本一致,表現(xiàn)出先快后慢,呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng)曲線;降解率與還田尾菜厚度(r=—0.75,P=0.04)和覆土厚度(r=—0.62,P=0.31)呈負(fù)相關(guān)。試驗(yàn)開(kāi)始后的30 d,對(duì)照(QC)降解率顯著高于其他處理(P=0.04);試驗(yàn)第10 天,T1 處理組(C1、C2 和C3)尾菜鮮重累積降解率為64.3%～52.6%,第20 天為78.2%～64.8%,第30 天為84.9%～75.6%,第40 天為88.4%～79.2%,第70 天為96.6%～85.7%,第100 天為97.0%～88.5%;且均表現(xiàn)為隨覆土厚度增加,尾菜累積降解率呈減小趨勢(shì)。T2 處理組(C1、C2 和C3)和T3 處理組(C1、C2 和C3)變化趨勢(shì)與T1 處理組一致。T2 和T3 處理組,在試驗(yàn)第10 天,尾菜鮮重累積降解率分別為63.2%～50.4%和62.8%～48.2%,第20 天為76.7%～62.2%和76.0%～61.3%,第30 天為82.6%～74.4%和 82.4%～73.3%,第 40 天為 87.7%～78.9%和68.1%～77.8%,第70 天為95.5%～84.9%和94.6%～83.7%,第100 天為96.6%～87.6%和96.0%～85.5%。

圖2 覆土厚度為10 cm(T1,a)、20 cm(T2,b)和30 cm(T3,c)時(shí)不同還田尾菜厚度下尾菜降解率的時(shí)間序列變化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

圖3 顯示,JZX 和WZX 中型試驗(yàn)場(chǎng)尾菜沉降率明顯小于小區(qū)試驗(yàn)尾菜降解率,但是尾菜沉降率時(shí)間序列變化特征與小區(qū)試驗(yàn)尾菜干/鮮降解率變化規(guī)律一致,呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng)曲線,在試驗(yàn)前35 d,尾菜平均沉降率可達(dá)70%以上。

圖3 中型試驗(yàn)場(chǎng)尾菜沉降率時(shí)間序列變化Fig.3 Time series of sinking rate of vegetable residues in medium-sized tests

2.2 土壤表面NH3 和H2S 排放量變化

由圖4 可知,尾菜還田可以極大減少NH3和H2S 的排放量。還田尾菜厚度為60 cm、覆土厚度為10～30 cm,較對(duì)照QC 可減少NH3排放量71.0%～86.0%,H2S 排放量減少84.9%～87.9%。小區(qū)試驗(yàn)土壤表面NH3排放速率時(shí)間序列變化均呈單窄峰值曲線,峰值為11.7～27.0 kg·hm—2·d—1,均出現(xiàn)在試驗(yàn)開(kāi)始后的第14 天,排放速率的大小隨著還田尾菜厚度的增加而增加(r=0.81P=0.009),隨覆土厚度增加而減少(r=—0.46,P=0.04),平均排放速率明顯低于對(duì)照QC(P=0.008)的62.8 kg·hm—2·d—1。中型試驗(yàn)場(chǎng)(JZX 和WZX)NH3排放速率變化規(guī)律與小區(qū)試驗(yàn)相一致,但其峰值明顯增大至41.3～46.7 kg·hm—2·d—1,出現(xiàn)時(shí)間延遲在第35 天,這主要與尾菜還田厚度有關(guān)。尾菜還田處理組NH3累計(jì)排放量隨還田尾菜厚度增加有顯著增加趨勢(shì)(r=0.86,P=0.03),隨覆土厚度增加呈顯著減少態(tài)勢(shì)(r=—0.51,P=0.02)。NH3排放強(qiáng)度隨尾菜還田厚度(r=—0.85,P=0.01)和覆土厚度(r=—0.55,P=0.03)增加而減少。

圖4 顯示,小區(qū)尾菜還田試驗(yàn)處理組H2S 排放速率峰值出現(xiàn)在試驗(yàn)開(kāi)始第7 天,最大值平均為0.7 g·hm—2·d—1;在試驗(yàn)第14 天時(shí),排放速率接近對(duì)照QT,但是對(duì)照QC 仍然顯著高于其他處理(P=0.003)。中型試驗(yàn)(JZX 和WZX)的H2S 排放速率時(shí)間序列變化規(guī)律與小區(qū)試驗(yàn)一致,峰值同樣出現(xiàn)在試驗(yàn)第7 天,峰值明顯增大至1.2 g·hm—2·d—1,然后快速降低,在第14 天時(shí),其排放量接近對(duì)照QT。從小區(qū)試驗(yàn)H2S 累計(jì)排放量來(lái)看,除處理C3T1 和對(duì)照QC 外,其他處理間無(wú)顯著差異(P＞0.05);但是當(dāng)尾菜還田厚度大幅增加至350 cm,JZX 和WZX 中型試驗(yàn)場(chǎng)的H2S 累計(jì)排放量有了明顯增加(P=0.02)。但從整體來(lái)看,H2S的排放量非常有限。H2S 的排放強(qiáng)度與還田尾菜厚度有顯著負(fù)相關(guān)(r=—0.67,P=0.01),與覆土厚度無(wú)明顯相關(guān)關(guān)系。

圖4 不同還田尾菜厚度及覆土厚度的小區(qū)試驗(yàn)和中型試驗(yàn)場(chǎng)土壤表面臭氣(NH3 和H2S)排放速率(a,b)、累積排放量(c,d)和排放強(qiáng)度(e,f)變化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+含量變化

圖5 顯示,在小區(qū)試驗(yàn)進(jìn)行到242 d 時(shí),尾菜還田后增加了土壤Na+含量,且與尾菜還田厚度呈顯著正相關(guān)(r=0.76,P=0.03);但隨著覆土厚度增加,表層10 cm 土壤Na+含量呈明顯減少(P=0.03)。還田尾菜厚度為20 cm(C1)、40 cm(C2)和60 cm(C3)時(shí),覆土厚度為10 cm(T1),表層10 cm 土壤Na+的平均含量分別為0.11 g·kg—1、0.14 g·kg—1和0.19 g·kg—1;覆土厚度為20 cm(T2),表層10 cm 土壤Na+的平均含量分別為0.10 g·kg—1、0.10 g·kg—1和0.17 g·kg—1;覆土厚度為30 cm(T3),表層10 cm 土壤Na+的平均含量分別為0.06 g·kg—1、0.08 g·kg—1和0.15 g·kg—1。尾菜處理土壤Ca2+的含量與對(duì)照QT 無(wú)顯著差異(P=0.38),尾菜還田厚度增加不會(huì)增加土壤Ca2+含量,但隨著覆土厚度增加,表層10 cm 土壤Ca2+含量有減少趨勢(shì),覆土厚度為10 cm、20 cm 和30 cm,表層10 cm 土壤平均Ca2+含量分別為0.11 g·kg—1、0.09 g·kg—1和0.07 g·kg—1。

圖5 覆土厚度為10 cm(T1,a)、20 cm(T2,b)和30 cm(T3,c)時(shí)不同還田尾菜厚度下土壤剖面Na+和Ca2+含量的空間變化Fig.5 Spatial changes of Na+ and Ca2+ contents along soil profile of plot test with different vegetable residues thickness and soil cover depths

圖6 顯示,在試驗(yàn)進(jìn)行到第245 天時(shí),中型試驗(yàn)場(chǎng)(JZX)尾菜層上層土壤Na+含量與對(duì)照(QT)差異不顯著(P=0.45)。尾菜層下1 m 深處Na+含量顯著低于對(duì)照(P=0.006);在尾菜層下層4 m 處出現(xiàn)Na+聚集高峰,6～10 m 深處二者差異不顯著,說(shuō)明尾菜降解過(guò)程中細(xì)胞破裂釋放的大量水分導(dǎo)致尾菜層下層土壤Na+向深層淋溶。對(duì)于JZX 中型試驗(yàn)場(chǎng)來(lái)說(shuō),不論是尾菜層上層土壤還是尾菜層下層土壤,還田試驗(yàn)場(chǎng)和對(duì)照QT 之間Ca2+的含量相似,沒(méi)有顯著差異(P=0.51)。從小區(qū)試驗(yàn)和中型試驗(yàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)來(lái)看,尾菜覆土埋壓、高量還田不會(huì)帶來(lái)土壤鹽漬化風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 金崖中型試驗(yàn)場(chǎng)土壤Na+和Ca2+空間分布Fig.6 Spatial distribution of soil Na+ and Ca2+ in JZX medium-size test

2.4 土壤重金屬和農(nóng)藥殘留含量

表2 顯示,JZX 中型試驗(yàn)場(chǎng)尾菜層及其上層和下層土壤中Cu、Pb、Cd、Ni、As、Cr、Hg 和Zn 含量均與對(duì)照全土(QT)無(wú)顯著差異(P=0.53),農(nóng)藥阿維高氯和啶蟲(chóng)脒均未檢出,土壤重金屬檢測(cè)指標(biāo)值均低于《土壤環(huán)境質(zhì)量-農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—2018)限值。數(shù)據(jù)結(jié)果表明,還田尾菜厚度達(dá)到350 cm 的中型試驗(yàn)仍然不會(huì)造成土壤污染物超標(biāo)。

表2 金崖中型試驗(yàn)場(chǎng)土壤重金屬及農(nóng)藥殘留Table 2 Soil heavymetals andpesticideresidues cotent at Jin’ai medium-size test mg·kg—1

2.5 尾菜高量還田成本分析

在實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn),利用1 臺(tái)挖斗容量為0.3 m3的挖掘機(jī)將每斗土不間隔放,攤平一般覆土厚度為40～50 cm,間隔半斗寬堆放、攤平,覆土厚度為30～40 cm,間隔一斗寬堆放、攤平,覆土厚度為20～30 cm,這樣既不需要專人測(cè)量覆土厚度,便于基層一線人員操作掌握,降低了處理成本。覆土埋壓法還田處理尾菜的成本主要包括農(nóng)田整理、尾菜還田、農(nóng)田日常維護(hù)及監(jiān)測(cè)等費(fèi)用。農(nóng)田整理成本主要包括場(chǎng)地平整、還田區(qū)建設(shè)、尾菜運(yùn)輸?shù)缆沸藿ǖ?。尾菜還田成本則包括尾菜收集運(yùn)輸費(fèi)用、機(jī)械租賃或購(gòu)置費(fèi)、燃油費(fèi)和現(xiàn)場(chǎng)材料費(fèi)等。農(nóng)田日常管理成本則主要包含農(nóng)田的日常維護(hù)費(fèi)及管理人員工資、各項(xiàng)指標(biāo)監(jiān)測(cè)費(fèi)用等。通過(guò)對(duì)榆中縣境內(nèi)工廠化尾菜處理企業(yè)調(diào)研和地方農(nóng)業(yè)主管部門提供,現(xiàn)有工廠化尾菜處理工藝的平均成本為(100±15)元·t—1(鮮重),而JZX 和WZX 中型試驗(yàn)場(chǎng)平均成本僅為(25±7)元·t—1(鮮重)(表3)。以WZX 中型試驗(yàn)場(chǎng)為例,設(shè)置還田面積和覆土厚度相同的還田試驗(yàn),假設(shè)尾菜還田量從300 t 增加至5100 t,增大單位面積尾菜還田量,以橫坐標(biāo)為尾菜處理量(t),縱坐標(biāo)為處理成本(元·t—1),還田尾菜量與處理成本呈冪律負(fù)相關(guān)分布規(guī)律,隨著尾菜還田量增加,還田處理成本在指數(shù)降低,逐漸接近于20 元·t—1(圖7)。WZX 中型試驗(yàn)場(chǎng)的實(shí)際還田成本為16.3 元·t—1。

圖7 還田尾菜量與處理成本的關(guān)系Fig.7 Relationship between amount of vegetable residues incorporation and processing cost

表3 尾菜高量還田成本統(tǒng)計(jì)表Table 3 Cost of incorporation of large amount of vegetable residues

3 討論

3.1 尾菜降解率時(shí)間序列變化

秸稈還田的降解一般可分為快速、慢速和緩慢降解3 個(gè)階段[38-39]。在快速降解階段,主要分解秸稈中的纖維素、半纖維素、可溶性有機(jī)化合物等水溶性物質(zhì),到了慢速降解階段,主要降解木質(zhì)化纖維和木質(zhì)素[40],緩慢降解階段秸稈殘?bào)w的質(zhì)量損失幾乎到達(dá)極限,木質(zhì)纖維素和木質(zhì)素組分的降解速率接近于零[41]。尾菜含水率高,C/N 比值較低,其高量還田與常規(guī)大田作物秸稈還田降解存在差異。小區(qū)和中型試驗(yàn)場(chǎng)的尾菜累積降解率(鮮重/干重)均呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng)型曲線,尾菜累積降解率與尾菜還田厚度和覆土厚度均呈負(fù)相關(guān),尾菜累積降解率的大小主要受還田尾菜厚度影響。小區(qū)試驗(yàn)在開(kāi)始第10 天和20 天時(shí),其累計(jì)降解率分別達(dá)到48.2%～64.3%和61.3%～80.0%,到第100 天時(shí),尾菜累積降解率達(dá)85%。中型試驗(yàn)在開(kāi)始第7 天和21 天時(shí),其累計(jì)平均沉降率達(dá)45.3%和64.7%,到第155 天時(shí),尾菜平均沉降率達(dá)82.2%。在黃土高原半干旱地區(qū)尾菜還田效應(yīng)研究中發(fā)現(xiàn),在試驗(yàn)前期,芹菜和花椰菜分解迅速,6～14 d累積降解率可達(dá)51%以上[42]。在半干旱區(qū)玉米秸稈還田腐解及養(yǎng)分釋放特征影響研究結(jié)果顯示,秸稈的快速腐解階段主要發(fā)生在前90 d,在此期間秸稈腐解率高達(dá)37.3%～50.8%,而150 d 后僅為52.7%～55.8%[43]。在黃土高原半干旱區(qū),尾菜還田降解率變化規(guī)律與常規(guī)作物秸稈還田基本類似,均呈現(xiàn)出先快后慢的趨勢(shì),但是尾菜還田的降解率遠(yuǎn)大于大田作物秸稈。尾菜含水率較高,C/N 值較低,糖類和半纖維素等可溶性碳水化合物含量較高,尾菜高量還田后可以在幾天內(nèi)完成碳水化合物、蛋白和脂肪水解,釋放大量水分,使尾菜體積快速縮減[44]。在黃土高原半干旱地區(qū),采用覆土埋壓方式將尾菜高量還田,自然降解快,使尾菜體積快速、大量縮減,釋放大量水分和養(yǎng)分,便于將大量尾菜還田,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)尾菜資源化利用。

3.2 尾菜還田后土壤表面NH3 和H2S 排放量變化

尾菜含有大量水分和養(yǎng)分,將其隨意傾倒或露天堆放,易污染環(huán)境,造成資源浪費(fèi)。如將尾菜還田,既可減少污染物排放,又能培肥地力。與露天堆放相比,采用覆土埋壓法,還田尾菜厚度為60 cm,覆土厚度為10～30 cm,可減少71.0%～86.0% NH3排放量、84.9～87.9% H2S 排放量,可將更多的養(yǎng)分元素封存土壤,有利于培肥土壤。尾菜高量還田后,土壤表面NH3排放規(guī)律均呈單窄峰值曲線,排放峰值大小與還田尾菜厚度呈顯著正相關(guān),與覆土厚度呈負(fù)關(guān)系。在北方大田NH3揮發(fā)研究中發(fā)現(xiàn),深施或淺施尿素后,NH3揮發(fā)均呈現(xiàn)單窄峰值曲線,然后快速降低[45-47],這與尾菜高量還田試驗(yàn)結(jié)果一致。尿素的NH3揮發(fā)率為22%～38%[48]。如果尾菜含氮量按照0.35%計(jì)算,還田尾菜厚度20～60 cm,覆土厚度10～30 cm,NH3揮發(fā)率在6.2%～15.3%,遠(yuǎn)低于常規(guī)化肥。黃土高原土壤NH4+最大吸附容量為862.0 mg·kg-1[49],土壤中的總NH4+可分為水溶態(tài)NH4+、可交換態(tài)NH4+和固定態(tài)NH4+,占比分別為6.6%、4.4%和89.0%[50]。隨著還田尾菜厚度的增加,尾菜向土壤中釋放水分和NH4+量也均有所增加,促進(jìn)了可溶性態(tài)NH4+的排放[51-52],導(dǎo)致NH4+的排放量隨尾菜還田量增加而增加,但是這部分NH4+排放量非常有限。黃土中黏粒占比在58%以上,大部分NH4+被吸附成固定態(tài)NH4

+[50],進(jìn)而隨著覆土厚度增加,有助于減少土壤NH3排放,增加土壤無(wú)機(jī)氮養(yǎng)分含量。H2S 的最大排放速率出現(xiàn)在試驗(yàn)的第7 天,最大值為1.2 g·hm—2·d—1,其與尾菜厚度呈正相關(guān),和覆土厚度無(wú)明顯關(guān)系。從H2S 累計(jì)排放量整體來(lái)看,小區(qū)試驗(yàn)的H2S 累計(jì)排放量與尾菜還田厚度和覆土厚度無(wú)明顯關(guān)系,只有將尾菜還田厚度增加至3.5 m 時(shí),H2S 累計(jì)排放量才會(huì)有明顯增加,說(shuō)明土壤對(duì)H2S 有很大消納量。這可能與尾菜覆土埋壓后,釋放大量堿性NH4+,同時(shí)黃土自身偏堿性及其具有較強(qiáng)氧化能力有關(guān)[53]。從NH3和H2S 的排放強(qiáng)度來(lái)看,尾菜還田量越大和覆土厚度越大,越有助于減少NH3和H2S 的排放量,這可能與土壤對(duì)臭氣有較大的消納容量和尾菜降解過(guò)程有關(guān)。

3.3 尾菜還田后土壤重金屬、農(nóng)藥殘留及土壤鹽分變化

有部分研究發(fā)現(xiàn),蘭州葉菜類蔬菜中Cd 和Pb超標(biāo)率分別為14.8%和27.9%,根莖類蔬菜Pb 超標(biāo)率為7.1%[54-55],大量尾菜還田可能會(huì)增加土壤重金屬、農(nóng)藥污染風(fēng)險(xiǎn)。本研究通過(guò)對(duì)JZX 中型試驗(yàn)場(chǎng)尾菜層上層和下層50 cm 土壤中的Cu、Pb、Cd、Ni、As、Cr、Hg、Zn 等8 種重金屬和阿維高氯、啶蟲(chóng)脒等2種農(nóng)藥檢測(cè)分析發(fā)現(xiàn),即使尾菜還田厚度達(dá)到3.5 m時(shí),各項(xiàng)指標(biāo)與全土對(duì)照均無(wú)顯著差異,未對(duì)土壤造成污染。對(duì)天津地區(qū)各類尾菜成分檢測(cè)分析發(fā)現(xiàn),重金屬含量遠(yuǎn)低于有機(jī)肥農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求,是一種資源豐富、養(yǎng)分充足及無(wú)害的有機(jī)肥料資源[56]。因此,尾菜高量還田一般不會(huì)給土壤帶來(lái)二次污染。這與齊鵬等[54]和孫建云[55]對(duì)甘肅蔬菜調(diào)查、評(píng)價(jià)結(jié)果不太一致,主要與國(guó)家大力推進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變,有效控制化肥、農(nóng)藥使用量,各地認(rèn)真落實(shí)化肥、農(nóng)藥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)方案密不可分。

蔬菜含有較為豐富的各類礦物質(zhì)元素,其中P、K、Ca 和Na 的含量最為豐富[57-58],尾菜高量還田可能會(huì)增加土壤K+、Ca2+和Na+等含量,同時(shí)釋放大量水分可能浸出土壤固有的鹽分,進(jìn)而引發(fā)土壤次生鹽漬化。小區(qū)試驗(yàn)結(jié)果顯示,尾菜高量還田會(huì)增加土壤Na+含量,還田尾菜厚度20～60 cm,土壤Na+增加量為0.08～0.17 g·kg-1,增加量有限;同時(shí)土壤Ca2+含量增加不明顯,而且Na+和Ca2+未在耕作層(0～30 cm)發(fā)生明顯富集現(xiàn)象,且隨著表層覆土厚度增加,鹽離子向深層淋洗越發(fā)明顯。高量尾菜還田,會(huì)在短期內(nèi)向土壤釋放大量水分,使鹽分快速向尾菜層下的土壤移動(dòng),同時(shí)受雨季(7—9月)降水影響,表層土壤鹽分向土壤深處移動(dòng)[59]。中型試驗(yàn)場(chǎng)結(jié)果顯示,即使尾菜還田厚度增加至3.5 m,土壤剖面Na+和Ca2+含量與全土對(duì)照無(wú)明顯差異,說(shuō)明高量尾菜還田不會(huì)引起土壤鹽分增加,而小區(qū)試驗(yàn)中Na+升高,可能與土壤自生Na+被尾菜釋放水分浸出有關(guān)。同時(shí),在中型試驗(yàn)場(chǎng)表層土壤(0～30 cm)中未發(fā)生鹽離子富集現(xiàn)象,反而Na+明顯向深土層淋洗。尾菜高量還田沒(méi)有引起土壤Na+和Ca2+含量顯著增加,反而Na+因?yàn)槲膊酸尫糯罅克侄乱?有利于改善耕作層土壤鹽堿化危害。

3.4 高量還田尾菜技術(shù)可操作性及工程成本

覆土埋壓法高量還田尾菜操作簡(jiǎn)單,處理量大,適應(yīng)性好,工程投資和運(yùn)行成本較低,便于基層人員操作掌握。與工廠化尾菜處理工藝相比,尾菜高量還田利用大自然自我生物降解原理,無(wú)需建設(shè)工廠,無(wú)需耗電、耗水,對(duì)處理尾菜質(zhì)量要求低,并且可以培肥土壤,又能減少污染物排放,是一種低碳的尾菜資源化利用途徑。僅利用1 臺(tái)挖機(jī)(PC300-7 型)和一輛輪胎式裝載機(jī)(三一重工的SW955K 型),在JZX 中型試驗(yàn)場(chǎng)利用3 d 處理926 t 尾菜,在WZX 中型試驗(yàn)場(chǎng)15 d 內(nèi)處理4800 t 尾菜。JZX 和WZX 中型試驗(yàn)場(chǎng)工程成本顯示,在考慮建設(shè)投資及運(yùn)行維護(hù)情況下,覆土埋壓法處理尾菜成本完全可控制在(25±7)元·t—1。從尾菜處理效益來(lái)看,尾菜高量還田更適合產(chǎn)生量大、產(chǎn)生時(shí)間較集中的流通環(huán)節(jié)尾菜處理。

4 結(jié)論

1)尾菜高量還田后,累積降解率呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng)型曲線,與尾菜還田厚度和覆土厚度呈負(fù)相關(guān),主要受還田尾菜厚度影響。尾菜還田后迅速降解致使其體積快速縮減,便于尾菜高量還田,促進(jìn)尾菜資源化利用。

2)尾菜高量還田后NH3排放速率呈單窄峰值曲線,其排放量與還田尾菜厚度呈顯著正相關(guān),與覆土厚度呈負(fù)關(guān)系。H2S 排放量與還田尾菜厚度呈顯著正相關(guān),與覆土厚度無(wú)明顯關(guān)系,高量尾菜還田后H2S 排放量可實(shí)現(xiàn)近零排放。尾菜還田可極大減少NH3和H2S 排放量,尾菜還田厚度越大,NH3和H2S污染物排放量強(qiáng)度越小,大量營(yíng)養(yǎng)元素封存土壤,有利于培肥地力,減少污染物排放。

3)尾菜重金屬和農(nóng)藥殘留含量非常有限,高量尾菜還田不會(huì)給土壤環(huán)境帶來(lái)環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。尾菜高量還田,在黃土高原半干旱地區(qū),隨著表層覆土厚度增加,鹽離子向深層淋洗越發(fā)明顯,不會(huì)引起土壤次生鹽漬化。

4)高量尾菜還田技術(shù)簡(jiǎn)便易行,處理量大,適應(yīng)性好,工程投資和運(yùn)行成本較低,便于基層農(nóng)技人員和相關(guān)人員掌握使用,有利于尾菜資源化利用推廣。