黃土高原半干旱地區(qū)尾菜高量還田的環(huán)境風險及其成本約束機制*

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)測總站烏海分站 烏海 016000)

中國是世界上蔬菜生產(chǎn)第一大國,2019年全國蔬菜產(chǎn)量已達到了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、流通和消費過程中,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],遠高于其他農(nóng)產(chǎn)品[5]。在我國,蔬菜廢棄物/剩余物(以下簡稱為“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年全國尾菜產(chǎn)生量超過3.1 億t[6],其中葉類尾菜占比高達71.0%以上[7]。甘肅是我國“高原夏菜”主產(chǎn)區(qū)和最大的“北菜南運、西菜東調(diào)”的集散中心,2018年尾菜產(chǎn)生量為1089 萬t,僅6—10月份流通環(huán)節(jié)尾菜產(chǎn)生量就高達600 萬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)、資源密度和能量價值低等特殊屬性,處理不及時易污染環(huán)境[9-11]。

尾菜污染問題出現(xiàn)初期,人們普遍認為尾菜類似于大田作物秸稈,是具有高附加值、可觀經(jīng)濟效益的“有機垃圾”,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養(yǎng)元素,殺滅有害生物,但堆肥操作規(guī)程不當,往往會出現(xiàn)許多基礎(chǔ)性的技術(shù)問題,如堆制時間長、臭味嚴重、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、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,實現(xiàn)作物增產(chǎn)[19-21];同時不同還田深度也會影響耕作層水分、養(yǎng)分分布,土壤有機碳固存率及作物出苗等[22-23]。以干基質(zhì)計算,尾菜N、P、K 平均含量分別達3.50%、0.54%、3.12%,有機質(zhì)平均含量在80%以上,其營養(yǎng)成分與常用的天然有機肥料相當[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)濟效益[26-27];同時直接還田操作簡單,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,在其降解過程中會產(chǎn)生大量NH3和H2S 等臭氣,污染大氣環(huán)境[30]。土壤對惡臭氣體有很強的吸附作用,一般覆土厚度或還田深度越大,對臭氣去除效率越高[31-32],但同時會帶來處理成本增加。尾菜高量還田后,降解過程中會釋放大量水分和養(yǎng)分,還田尾菜量和覆土厚度會顯著影響土壤水分和養(yǎng)分補給量和運移,進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,在蔬菜種植過程中,農(nóng)藥和肥料的不合理使用等行為可能會使較多重金屬和農(nóng)藥殘留在蔬菜和土壤,大量尾菜集中還田是否會帶來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環(huán)境的影響缺乏強有力的科學(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環(huán)境及處理成本的影響,對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)開展了尾菜還田厚度和覆土厚度小區(qū)試驗,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)問題并增加試驗結(jié)果的決策咨詢價值,本研究同時在榆中蔬菜冷鮮庫附近設(shè)置了兩個尾菜高量還田中型試驗,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)。通過上述內(nèi)容研究,從環(huán)境和經(jīng)濟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t,其中流通環(huán)節(jié)尾菜產(chǎn)生量為50 萬t。每年6—10月份流通環(huán)節(jié)每天可產(chǎn)生尾菜0.3 萬t,高峰期可達0.5 萬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200 m,土壤有機碳含量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 試驗設(shè)計

小區(qū)試驗位于榆中縣北山中連川鄉(xiāng),中型試驗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)試驗和王家灣中型試驗所需尾菜來源于三角城鄉(xiāng)蔬菜冷鮮庫,金崖中型試驗所需尾菜來源于金崖蔬菜冷鮮庫。中型試驗場距離周邊蔬菜冷鮮庫直線距離小于10 km,周邊1.0 km 之內(nèi)沒有居民區(qū)。

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

小區(qū)試驗設(shè)置3 個尾菜還田厚度和3 個覆土厚度處理組合。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),同時設(shè)置全土(QT,僅對表層30 cm的土壤進行翻耕)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)兩個對照,對照和各處理均設(shè)置3 個重復(fù),共計33 個試驗小區(qū),小區(qū)面積5 m × 5 m,采取完全隨機區(qū)組設(shè)計。為了實現(xiàn)尾菜高量還田后,各處理與地表面高度保持一致,便于準確測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 方形標準小區(qū),四周筑壟防止雨水流入。根據(jù)試驗設(shè)計,將各小區(qū)尾菜平整,達到厚度要求后,表面覆蓋黃土,不做其他任何處理,所有試驗處理在2 d 內(nèi)完成。根據(jù)尾菜拉運量計算,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撂荒坡地為試驗地(JZX),在3 處低洼地打井測定地下水位在30 m 以下。依據(jù)荒地地形,使用一輛履帶式挖掘機(PC300-7 型)和一輛輪胎式裝載機(比如三一重工的SW955K 型)修建長方形或正方形或半圓形高量尾菜還田試驗場,處理場深度為4.0 m,其中開挖底標高(hd)為1.0 m 或2.0 m(公式1),將挖出來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),通過鏟車拍打壓實土墻,堅實系數(shù)為1.0～1.5,場地內(nèi)地面平整,無大的地勢起伏。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0.27 hm2中型試驗場(WZX)。中型試驗場建好后,根據(jù)場地特點,共設(shè)置3 個以上等面積分區(qū),是為試驗重復(fù),同時在試驗場外圍設(shè)置3 個5 m × 5 m 全土(QT)對照小區(qū),不做任何處理。試驗場地整理就緒后立即組織尾菜拉運車開進場內(nèi),傾倒尾菜,使用裝載機堆放至350 cm 厚,然后在尾菜層上面覆蓋厚度為30 cm 的黃土,對覆土不做任何處理,直至試驗場各分區(qū)堆滿尾菜并全部覆土,最后封場。

基坑下挖深度根據(jù)試驗場周長(lp)、試驗場表面積(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)試驗場,僅3 面需要建設(shè)邊墻,試驗場長=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,即基坑開挖底標高為2.4 m。

1.3 測定指標與方法

小區(qū)試驗開始后的前40 d,平均每10 d 測定1次尾菜降解剩余物,之后平均每30 d 監(jiān)測1 次,共監(jiān)測6 次。在試驗開始后的前30 d,平均每7 d 監(jiān)測1次土壤表面NH3和H2S 排放量,之后平均每30 d 監(jiān)測1 次,共監(jiān)測6 次。每個小區(qū)隨機選取3 個土壤樣品采集點,采集混合土樣,用于測定土壤鹽分含量,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 個樣品,其他土層每20 cm 采集1 個土樣。在每個小區(qū)內(nèi),根據(jù)尾菜還田深度設(shè)置采樣深度,隨機設(shè)置3 個50 cm × 50 cm 樣方,采集尾菜層未降解剩余物,測定鮮重,105 ℃下殺青15 min 后70 ℃烘干至恒重。H2S 測定采用靜態(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,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,在整個試驗過程箱體不再移動。采樣時間均固定在上午8:00—11:30,采氣時將底座水槽中注水加以封閉,從箱體置于底座上開始計時,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內(nèi),利用《空氣和廢氣監(jiān)測分析方法(第4 版)》亞甲基藍分光光度法測定吸收液濃度;NH3測定采用農(nóng)田氨揮發(fā)測定方法中的《通氣-靛藍比色法》[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定。

按下式計算尾菜的鮮(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)箱采集時間(d)。

中型試驗開始后的前35 d,平均每7 d 監(jiān)測1 次試驗場沉降深度,以后平均每30 d 監(jiān)測1 次,共監(jiān)測9 次。試驗開始后的前50 d 內(nèi),平均每7 d 監(jiān)測1 次土壤表面NH3和H2S 臭氣排放量,之后平均每30 d監(jiān)測1 次,共監(jiān)測8 次。在還田前,將運至JZX 中型試驗場的尾菜分批次抽取尾菜樣品,用于測定尾菜重金屬含量(Cu、Pb、Cd、Ni、As、Cr、Hg 和Zn)和常用農(nóng)藥阿維高氯(abamectin and cypermethrin)、啶蟲脒(acetamiprid)殘留量。待試驗場沉降穩(wěn)定后用土鉆(鉆頭直徑為5.0 cm,長度為20.0 cm)在中型試驗場的每個分區(qū)和對照全土小區(qū)內(nèi)隨機選取3 個取樣點,采集混合土樣和尾菜降解剩余物用于測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 個樣品,尾菜層下層2 m 以內(nèi)每0.5 m 深采集1 個樣品,之后每1 m 深采集1 個樣品。對照全土(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應(yīng)。

由于JZX 和WZX 中型試驗場尾菜處理量大,現(xiàn)場采集尾菜降解剩余物比較困難,因而通過測量尾菜降解沉降率來間接反映尾菜降解率(式4)。假設(shè)在尾菜高量還田降解過程中,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場沉降變化是一致的。利用還田尾菜沉降率同樣可以間接反映中型試驗場尾菜降解規(guī)律,具體公式如下:

式中:S表示尾菜降解沉降率,Hs表示中型試驗場沉降厚度,Hw表示中型試驗場尾菜還田厚度。

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

統(tǒng)計JZX 和WZX 中型試驗場尾菜處理成本數(shù)據(jù),主要包括施工機械租賃費(含燃油)、務(wù)工費和其他,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 尾菜累計降解率時間序列變化

圖2 顯示,所有小區(qū)試驗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,呈對數(shù)增長曲線;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)呈負相關(guān)。試驗開始后的30 d,對照(QC)降解率顯著高于其他處理(P=0.04);試驗第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。T2 處理組(C1、C2 和C3)和T3 處理組(C1、C2 和C3)變化趨勢與T1 處理組一致。T2 和T3 處理組,在試驗第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)時不同還田尾菜厚度下尾菜降解率的時間序列變化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 中型試驗場尾菜沉降率明顯小于小區(qū)試驗尾菜降解率,但是尾菜沉降率時間序列變化特征與小區(qū)試驗尾菜干/鮮降解率變化規(guī)律一致,呈對數(shù)增長曲線,在試驗前35 d,尾菜平均沉降率可達70%以上。

圖3 中型試驗場尾菜沉降率時間序列變化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)試驗土壤表面NH3排放速率時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)在試驗開始后的第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照QC(P=0.008)的62.8 kg·hm—2·d—1。中型試驗場(JZX 和WZX)NH3排放速率變化規(guī)律與小區(qū)試驗相一致,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累計排放量隨還田尾菜厚度增加有顯著增加趨勢(r=0.86,P=0.03),隨覆土厚度增加呈顯著減少態(tài)勢(r=—0.51,P=0.02)。NH3排放強度隨尾菜還田厚度(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)尾菜還田試驗處理組H2S 排放速率峰值出現(xiàn)在試驗開始第7 天,最大值平均為0.7 g·hm—2·d—1;在試驗第14 天時,排放速率接近對照QT,但是對照QC 仍然顯著高于其他處理(P=0.003)。中型試驗(JZX 和WZX)的H2S 排放速率時間序列變化規(guī)律與小區(qū)試驗一致,峰值同樣出現(xiàn)在試驗第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,其排放量接近對照QT。從小區(qū)試驗H2S 累計排放量來看,除處理C3T1 和對照QC 外,其他處理間無顯著差異(P＞0.05);但是當尾菜還田厚度大幅增加至350 cm,JZX 和WZX 中型試驗場的H2S 累計排放量有了明顯增加(P=0.02)。但從整體來看,H2S的排放量非常有限。H2S 的排放強度與還田尾菜厚度有顯著負相關(guān)(r=—0.67,P=0.01),與覆土厚度無明顯相關(guān)關(guān)系。

圖4 不同還田尾菜厚度及覆土厚度的小區(qū)試驗和中型試驗場土壤表面臭氣(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)試驗進行到242 d 時,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,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+的含量與對照QT 無顯著差異(P=0.38),尾菜還田厚度增加不會增加土壤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,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,在試驗進行到第245 天時,中型試驗場(JZX)尾菜層上層土壤Na+含量與對照(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,說明尾菜降解過程中細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。對于JZX 中型試驗場來說,不論是尾菜層上層土壤還是尾菜層下層土壤,還田試驗場和對照QT 之間Ca2+的含量相似,沒有顯著差異(P=0.51)。從小區(qū)試驗和中型試驗場數(shù)據(jù)來看,尾菜覆土埋壓、高量還田不會帶來土壤鹽漬化風險。

圖6 金崖中型試驗場土壤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 中型試驗場尾菜層及其上層和下層土壤中Cu、Pb、Cd、Ni、As、Cr、Hg 和Zn 含量均與對照全土(QT)無顯著差異(P=0.53),農(nóng)藥阿維高氯和啶蟲脒均未檢出,土壤重金屬檢測指標值均低于《土壤環(huán)境質(zhì)量-農(nóng)用地土壤污染風險管控標準》(GB 15618—2018)限值。數(shù)據(jù)結(jié)果表明,還田尾菜厚度達到350 cm 的中型試驗仍然不會造成土壤污染物超標。

表2 金崖中型試驗場土壤重金屬及農(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

在實際操作中發(fā)現(xiàn),利用1 臺挖斗容量為0.3 m3的挖掘機將每斗土不間隔放,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)田日常維護及監(jiān)測等費用。農(nóng)田整理成本主要包括場地平整、還田區(qū)建設(shè)、尾菜運輸?shù)缆沸藿ǖ取Ｎ膊诉€田成本則包括尾菜收集運輸費用、機械租賃或購置費、燃油費和現(xiàn)場材料費等。農(nóng)田日常管理成本則主要包含農(nóng)田的日常維護費及管理人員工資、各項指標監(jiān)測費用等。通過對榆中縣境內(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 中型試驗場平均成本僅為(25±7)元·t—1(鮮重)(表3)。以WZX 中型試驗場為例,設(shè)置還田面積和覆土厚度相同的還田試驗,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,以橫坐標為尾菜處理量(t),縱坐標為處理成本(元·t—1),還田尾菜量與處理成本呈冪律負相關(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 中型試驗場的實際還田成本為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)計表Table 3 Cost of incorporation of large amount of vegetable residues

3 討論

3.1 尾菜降解率時間序列變化

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體的質(zhì)量損失幾乎到達極限,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)和中型試驗場的尾菜累積降解率(鮮重/干重)均呈對數(shù)增長型曲線,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)試驗在開始第10 天和20 天時,其累計降解率分別達到48.2%～64.3%和61.3%～80.0%,到第100 天時,尾菜累積降解率達85%。中型試驗在開始第7 天和21 天時,其累計平均沉降率達45.3%和64.7%,到第155 天時,尾菜平均沉降率達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),在試驗前期,芹菜和花椰菜分解迅速,6～14 d累積降解率可達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,但是尾菜還田的降解率遠大于大田作物秸稈。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,進而實現(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。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],進而隨著覆土厚度增加,有助于減少土壤NH3排放,增加土壤無機氮養(yǎng)分含量。H2S 的最大排放速率出現(xiàn)在試驗的第7 天,最大值為1.2 g·hm—2·d—1,其與尾菜厚度呈正相關(guān),和覆土厚度無明顯關(guān)系。從H2S 累計排放量整體來看,小區(qū)試驗的H2S 累計排放量與尾菜還田厚度和覆土厚度無明顯關(guān)系,只有將尾菜還田厚度增加至3.5 m 時,H2S 累計排放量才會有明顯增加,說明土壤對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+,同時黃土自身偏堿性及其具有較強氧化能力有關(guān)[53]。從NH3和H2S 的排放強度來看,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,這可能與土壤對臭氣有較大的消納容量和尾菜降解過程有關(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超標率分別為14.8%和27.9%,根莖類蔬菜Pb 超標率為7.1%[54-55],大量尾菜還田可能會增加土壤重金屬、農(nóng)藥污染風險。本研究通過對JZX 中型試驗場尾菜層上層和下層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、啶蟲脒等2種農(nóng)藥檢測分析發(fā)現(xiàn),即使尾菜還田厚度達到3.5 m時,各項指標與全土對照均無顯著差異,未對土壤造成污染。對天津地區(qū)各類尾菜成分檢測分析發(fā)現(xiàn),重金屬含量遠低于有機肥農(nóng)業(yè)行業(yè)標準要求,是一種資源豐富、養(yǎng)分充足及無害的有機肥料資源[56]。因此,尾菜高量還田一般不會給土壤帶來二次污染。這與齊鵬等[54]和孫建云[55]對甘肅蔬菜調(diào)查、評價結(jié)果不太一致,主要與國家大力推進農(nóng)業(yè)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變,有效控制化肥、農(nóng)藥使用量,各地認真落實化肥、農(nóng)藥使用量零增長行動方案密不可分。

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增加土壤K+、Ca2+和Na+等含量,同時釋放大量水分可能浸出土壤固有的鹽分,進而引發(fā)土壤次生鹽漬化。小區(qū)試驗結(jié)果顯示,尾菜高量還田會增加土壤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,同時受雨季(7—9月)降水影響,表層土壤鹽分向土壤深處移動[59]。中型試驗場結(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+含量與全土對照無明顯差異,說明高量尾菜還田不會引起土壤鹽分增加,而小區(qū)試驗中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,在中型試驗場表層土壤(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。尾菜高量還田沒有引起土壤Na+和Ca2+含量顯著增加,反而Na+因為尾菜釋放大量水分而下移,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單,處理量大,適應(yīng)性好,工程投資和運行成本較低,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,無需建設(shè)工廠,無需耗電、耗水,對處理尾菜質(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 臺挖機(PC300-7 型)和一輛輪胎式裝載機(三一重工的SW955K 型),在JZX 中型試驗場利用3 d 處理926 t 尾菜,在WZX 中型試驗場15 d 內(nèi)處理4800 t 尾菜。JZX 和WZX 中型試驗場工程成本顯示,在考慮建設(shè)投資及運行維護情況下,覆土埋壓法處理尾菜成本完全可控制在(25±7)元·t—1。從尾菜處理效益來看,尾菜高量還田更適合產(chǎn)生量大、產(chǎn)生時間較集中的流通環(huán)節(jié)尾菜處理。

4 結(jié)論

1)尾菜高量還田后,累積降解率呈對數(shù)增長型曲線,與尾菜還田厚度和覆土厚度呈負相關(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),與覆土厚度無明顯關(guān)系,高量尾菜還田后H2S 排放量可實現(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污染物排放量強度越小,大量營養(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,高量尾菜還田不會給土壤環(huán)境帶來環(huán)境污染風險。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,不會引起土壤次生鹽漬化。

4)高量尾菜還田技術(shù)簡便易行,處理量大,適應(yīng)性好,工程投資和運行成本較低,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。