蔬菜廢棄物還田資源化利用潛力分析

吳文輝，朱為靜，朱鳳香，洪春來，姚燕來，王旭東，王衛平*

(1.西北農林科技大學 資源環境學院，陜西 楊凌 712100； 2.浙江省農業科學院 環境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

蔬菜產業作為農業的重要組成部分，在全國深入推進種植業結構調整的進程中，因比較收益相對較高，已逐漸成為全國各地打造特色產業、推進扶貧攻堅和增加農民收入的重要抓手。我國既是蔬菜生產大國，又是蔬菜消費大國。蔬菜是我國除糧食作物外種植面積最廣、經濟地位最高的作物。據統計，2013年我國蔬菜種植總面積達到2 000多萬hm2，年產量近7億t，分別占世界蔬菜種植面積和產量的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大，以及居民對蔬菜品質要求的提高，低利用價值的蔬菜廢棄物產生量也日益增多[2]。據2012年統計，我國蔬菜廢棄物的年產生量已達2.0億t，這些廢棄物已成為繼糧食作物后的第二大農業生物質廢棄物[3]。受經濟、技術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，不僅易引發蔬菜產地周邊環境和水體的污染，而且易造成病蟲草害的大發生和資源的浪費。研究表明，蔬菜廢棄物養分含量豐富，若將其妥善處置，對提高資源利用率、減少環境污染、促進蔬菜產業健康可持續發展等具有積極意義[4]。近幾年，國內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量評價、堆肥過程中氮素損失途徑探究等，關于蔬菜廢棄物資源化還田的報道在本研究檢索范圍內還較少見。本文從蔬菜廢棄物來源、特性、資源化利用現狀，以及多種蔬菜廢棄物還田資源化利用方式等角度進行綜合分析，旨在為蔬菜廢棄物資源化高效利用途徑創新與應用提供思路與參考。

1 蔬菜廢棄物來源和特性

蔬菜廢棄物不僅指收獲時產生的無商業價值的根、莖、葉和果實，也包括在儲存、運輸、加工、銷售等過程中產生的黃化、變質，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、農貿市場和蔬菜加工場所[5]。王樹忠等[6]估算，北京市每年產生210萬t蔬菜廢棄物。北京新發地農產品批發市場在每年的蔬菜銷售旺季，日產垃圾量達到200 t，其中蔬菜廢棄物占90%以上[7]。不同種類蔬菜因產量、種植密度、食材部位各異，以及收獲等環節的損失程度不同，蔬菜廢棄物的產生量也存在顯著差異。趙麗婭[8]調查發現，葉菜類蔬菜廢棄物占全部蔬菜廢棄物總量的71%。韓雪等[9]利用草谷比較為準確地計算出葉菜類、瓜果類、根莖類產廢系數平均值分別為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，蔬菜廢棄物的產生量也顯著不同。表1為2018年通過下發調查問卷和實地調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生量，可以看出，不同蔬菜產生的廢棄物數量差異巨大。

表1 不同蔬菜每667 m2產生的廢棄物數量

蔬菜廢棄物具有含水量高、有機碳豐富、礦質養分含量高等特點[10]。蔬菜殘體的干物質含量較低，有機質含量占所有干物重的70%以上，氮、磷、鉀總量占5.7%～9.6%[11]，電導率在7.8～9.7 mS·cm-1[12]，有機成分中纖維素和木質素含量分別為28.5%和10.98%[5]。蔬菜廢棄物中其他物質的含量如表2所示。這些特定的理化性質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

2 蔬菜廢棄物利用現狀

2.1 蔬菜廢棄物傳統處理方式

蔬菜廢棄物主要是蔬菜種植生產的副產品，但受技術、生產力水平和經濟條件制約，過剩的蔬菜廢棄物正在成為農業生態環境中的非點源污染源[20]。傳統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，且常帶有農藥殘留或攜帶病原菌殘體，腐解易產生酚酸類自毒物質[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境。若未經處理直接還田，可能引起下茬作物病蟲害加重；若直接喂食牲畜，可能引發疾病等；而露天焚燒則會產生大量煙塵，污染環境，還可能引發火災等重大災害。

2.2 蔬菜廢棄物資源化利用方式

蔬菜廢棄物資源化利用是果蔬產地和城市垃圾分類處置中一個比較棘手的問題。據王亞靜等[22]對2005年全國各類秸稈資源可收集利用潛力的統計分析，蔬菜藤蔓及其殘余物的可收集系數為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，利用價值較低，只宜采取就近處置或低成本轉化的策略。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將其轉化為肥料等農業利用品的過程。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，腐熟轉化為較為穩定的腐殖質類產物，用于還田、培肥改良土壤。目前，關于蔬菜殘體肥料化利用的研究國內外已有較多報道，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，增強土壤的持水能力，增加通氣孔隙，為辣椒高產提供良好的土壤條件[23]。Tits等[24]研究發現，果蔬廢棄物和園林廢棄物堆肥可替代部分無機氮肥，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，往往會產生揮發性氨(刺激性氣體)，造成氮素損失[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。山東等蔬菜主產區已開展蔬菜種植區與當地有機肥生產企業的對接，通過制定相關的政策、管理與激勵措施，使蔬菜廢棄物的收集、運輸與處置利用有機結合，保證蔬菜產業健康發展。總地來看，蔬菜廢棄物通過堆肥化處理后制備成有機肥還田使用是目前或今后一段時期內該類廢棄物利用的主要途徑。

2.2.2 基質化利用

蔬菜廢棄物基質化利用主要是將蔬菜廢棄物堆制、發酵后的物料與有機無機輔料按一定比例進行混配，然后用作替代土壤進行無土栽培等。利用蔬菜廢棄物生產基質不僅可以節約資源、減少對環境的污染，還能夠為商業化基質提供環保、優質、廉價的原材料[27]。何宗均等[28]發現，由黃瓜秧子、番茄秧子、牛糞、蛭石發酵組合而成的基質處理效果最佳。賀滿橋[29]以食用菌廢棄物作為草炭替代品的新型基質，種植的番茄各生理指標與對照無明顯差異，部分指標甚至優于對照。蔬菜廢棄物腐熟后基質化利用一般應用在苗木、花卉和蔬菜栽培基質的配方中。

2.2.3 能源化利用

蔬菜廢棄物中纖維素含量高，適合采用厭氧發酵工藝，在發酵微生物的作用下，將有機物質分解轉化為可再生能源。目前，該技術多應用于沼氣發酵。劉榮厚等[16]用廢棄的甘藍葉進行厭氧發酵試驗，證實用蔬菜廢棄物厭氧發酵制沼氣的工藝是可行的；毛羽等[30]對菠菜葉進行厭氧發酵，發現其產氣潛力很大。此外，蔬菜秸稈的能源化利用現在主要包括秸稈氣化，秸稈壓縮固化成型燃料顆粒技術，以及秸稈發酵制氫、制乙醇技術等，這類技術一般需要一定的生產規模，且需要配套相應的設備和裝置，用作能源的話，還需下游的配套產業跟進才能實施，其應用推廣在短時間內仍有很大難度。

2.2.4 飼料化利用

蔬菜廢棄物具有一定的營養價值。目前，國內有研究通過青儲和黃貯方式對蔬菜廢棄物進行固體發酵，將其用作反芻動物的粗飼料替代品。研究發現，其發酵產物不僅柔軟多汁、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。利用蔬菜廢棄物發酵生產飼料，既可變廢為寶，節約成本，還能夠緩解蔬菜廢棄物帶來的環境污染問題[31]。張繼等[32]用廢棄的高山娃娃菜葉進行固體發酵，產物中蛋白質含量有明顯提高，宜作為飼料。李海玲等[33]將白菜尾菜與小麥秸稈混合發酵，明顯增加了發酵產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特定時段，且必須及時就地處置，否則很快就要腐爛變質，而且農牧產業要能對接好才可進行。

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用于環保、化工等領域，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、環保方面的應用成為可能。

3 蔬菜廢棄物還田資源化利用潛力分析

3.1 堆肥化還田利用模式

為了促進蔬菜產業的持續健康發展，蔬菜廢棄物綜合利用問題正逐漸成為科學研究的熱點。堆肥化還田作為農田土壤修復最有效的方式之一，其核心理念就是將堆肥化處理的有機物料作為有機肥或土壤改良劑，使土壤保持健康且富有活力，進而促進作物正常生長[35]。研究表明，蔬菜殘體經高溫好氧堆肥處理，可降低化感效應的影響，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質，改善土壤通氣性，提高土壤質量等[37]。韓伶[38]將廢棄的黃瓜、番茄秸稈堆腐還田后，在促進作物生長的同時也改善了土壤根區環境。總的來看，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量有明顯影響，為了確保堆肥產品的安全使用，必須注重堆肥質量的提高。

3.1.1 堆制方式對堆肥質量的影響

堆肥過程是微生物分解有機物料的過程，堆肥物料腐熟的快慢與微生物活動密切相關；因此，在制作堆肥時，一定要注意物料含水量、空氣和溫度等因素。為了有效促進蔬菜廢棄物堆肥處理，國內外許多學者對高溫堆肥中各個階段的堆肥質量進行了深入研究[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]發現，好氧堆肥比厭氧處理的堆體溫度上升快，高溫持續時間長，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，得到的堆肥產物有機質含量明顯提高，是一種適用于蘭州地區的蔬菜廢棄物有機肥堆制方法。

3.1.2 堆肥材料對堆肥質量的影響

適宜的堆肥材料對堆肥進程有促進作用，適宜的堆肥物料碳氮比和高活性降解微生物的協調作用是物料快速腐熟穩定化的重要因素。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程的影響進行了探索性的嘗試。蔡盡忠等[42]通過同時添加葡萄糖和微生物菌劑，顯著提高了堆肥質量；徐路魏等[43]研究發現，加入一定比例的生物炭可以有效促進堆肥化進程，減少堆肥過程中的氮素損失；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，發現可以有效促進堆肥進程。蚯蚓輔助堆肥是近幾年興起的一種新的堆肥技術，蔬菜廢棄物中的大多數有機物經蚯蚓食用、消化后，轉化為穩定的腐殖物質。楊帆等[45]發現，蚯蚓輔助堆肥能夠減少溫室氣體排放和堆體中的氮素損失，在確保堆肥養分含量的同時，還能夠減少環境污染。

3.2 直接還田利用模式

蔬菜植物殘體是廣泛存在的可循環利用資源。將秸稈粉碎還田后，通過添加秸稈腐熟劑能夠使這類有機廢棄物快速分解腐熟，加快養分的釋放，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、減少化肥使用量、實現農業的可持續發展等具有積極意義。

3.2.1 直接還田對土壤環境的影響

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，改善土壤理化性質等。楊巖[46]將芹菜廢棄物打漿處理后，添加生石灰后還田，發現其對土壤有機質有顯著影響，并且對一些土著病原菌有一定的抑制作用。我國農田在長期的機械耕作碾壓和人工作業下，大部分農田土壤耕層變淺，加之降雨、灌水沉實，導致土壤犁底層上移加厚，形成了堅硬深厚的阻隔層，蔬菜田耕作層變淺問題突出，該問題在設施栽培菜園表現得更為突出。研究發現，甘蔗葉覆蓋和深埋10 cm時，可以打破阻隔層，顯著提高土壤微生物碳、氮含量，同時還可以提高細菌多樣性[47]。徐瑩瑩等[48]也發現，將秸稈深翻還田可以增加土壤有機質含量，并且當還田深度為15 cm時，土壤微生物菌群活力強，秸稈腐解速度最快，對土壤有機質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

蔬菜秸稈還田可創造適宜作物生長的環境。秸稈覆蓋地面，干旱期可以減少土壤水的地面蒸發量，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，覆蓋秸稈可隔離陽光對土壤的直射，對土體與地表穩熱的交換起到調劑作用。這些都能夠確保作物正常吸水，進而促進作物生長。孫藝文[49]在連作土壤中施用廢棄物殘茬處理，有效促進了黃瓜幼苗的生長。王才斌等[50]發現，秸稈覆蓋還能夠培肥土壤，提高作物產量，并且作物產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，促進作物對養分的吸收，有效緩解廢棄物帶來的環境污染問題[51]。

3.3 堆肥化還田和直接還田利用模式優缺點比較

堆肥化還田模式生產周期短，堆肥品質好，處理量大，可以降解除去酚類等自毒有害物質，消滅病原菌、害蟲卵和雜草種子，堆肥營養全面。但是堆肥物料干濕分離后，還需要大面積的堆積場地，陰雨季節難以操作。而且，來不及處置的物料自然腐爛可產生大量的滲濾液，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，該模式較適用于遠離城市、土地資源豐富的地區，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，對環境的影響小，并且可以減少化肥投入，提高作物產量，具有良好的經濟效益，而且有助于有效遏制秸稈焚燒現象。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致未腐解的殘渣嚴重影響下茬作物種植。病蟲害嚴重的還田原料直接還田后，病菌蟲卵進入土壤，增加了治理難度，嚴重影響收成，并會降低作物品質。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戶。

4 促進蔬菜廢棄物高效利用的思考

蔬菜廢棄物作為第二大類農業廢棄物，具有養分含量高、營養物質豐富的特點，有很高的資源化利用價值。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，常年有廢棄物產生，其含水量高，不易機械化收集，常攜帶病原菌，并且在生產、收獲、運輸、儲存、銷售等環節也會產生大量的廢棄物，不利于統一回收處理，收集成本高。另一方面，部分蔬菜廢棄物種類多，成分和質地不同，加上秸稈中混有少量不易降解的塑料捆繩，處理設備、技術不盡完善，普遍存在著規模化處置和利用程度不高、運行狀況不佳的情況。

為了解決蔬菜廢棄物資源化利用問題，促進蔬菜產業持續健康發展，首先應加強政府政策引導，通過采取資金扶持、合理獎懲等多管齊下的措施，引導農業廢棄物資源化利用工作落實落細。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結合，引導農業廢棄物向生態循環利用方向轉化。菜農作為蔬菜廢棄物資源化利用的主要實施者，應對其加大宣傳力度，讓廣大菜農充分認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，調動菜農的積極性。其次要調整生產模式，建立新型的蔬菜生產模式，鼓勵蔬菜生產企業通過凈菜上市、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-銷售環節的損失，從源頭治理蔬菜廢棄物。同時，應加大基礎設施建設，實施蔬菜廢棄物綜合利用專項，建立以肥料化為主的蔬菜廢棄物綜合利用技術模式，如“秸稈換肥”，落地秸稈收集、運費補助等政策、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，確保蔬菜廢棄物從回收到利用既有專門的處理場地與設施，又有規范的處理管理辦法與實施技術操作規程。