芹菜面源污染防治種植模式綜合效益評估

葉家慧，胡夢甜，韓永偉*，高馨婷，劉輝,2

1.中國環境科學研究院 2.內蒙古大學

農業面源污染是指農村生活和農業生產活動中產生的污染[1]，相較于點源污染，面源污染具有范圍大、污染物產生隨機性強和輸移過程復雜等特點，因此控制難度更大[2-3]。有研究表明，種植業已成為農業面源污染的主要來源之一，是導致水環境質量下降和水體富營養化的重要原因[4-6]。種植業面源污染中，蔬菜種植產生的污染比較嚴重，這主要是因為蔬菜具有產出快、生長周期短和菜地養分流失高等特征，在傳統的種植模式下，菜農往往會為了追求高產出、高收益而投入過量的化肥，化肥流失引起土壤理化性狀改變、地下水硝酸鹽污染及地表水富營養化等環境問題。

為防治種植業面源污染問題，研究人員在傳統的種植技術基礎上，針對耕作、施肥、灌溉、施藥等技術環節進行了諸多改進和研究，形成多種污染防治種植模式，但其污染防治效果參差不齊。在對各種污染防治種植模式進行篩選與決策時，有必要對其開展綜合效益的評估。目前關于面源污染防治技術的效益評估主要集中在單項技術的成本、技術有效性和環境效益等方面[7-9]，對組合技術的評估，特別是綜合考慮經濟效益、產品品質和環境效益3個方面的評估鮮見報道。

巢湖流域是我國中部地區典型的農業生產區，農業以種植業為主，播種面積大且化肥施用強度高[10-11]。由《合肥統計年鑒2019》[12]可知，2018年巢湖流域的蔬菜種植面積為67 024 hm2，化肥用量(折純)達17.8萬t，大量施肥和施肥方式不當等成為巢湖水體污染的重要原因之一，因此探索巢湖流域蔬菜面源污染防治技術新模式具有重要的現實意義。筆者在巢湖流域廬江縣郭河產學研基地開展芹菜面源污染防治組合技術種植試驗，探討不同種植模式的適用性和組合效益，以期為巢湖流域及其他流域種植業面源污染防治技術模式篩選和綜合效益評估提供理論依據。

1 研究方法與數據處理

1.1 研究區概況

廬江縣(117°01′E～117°34′E，30°57′N～31°33′N)隸屬安徽省合肥市，地處巢湖水域和長江流域之間，與巢湖、桐城、肥西、舒城等縣市接壤。廬江縣位于中緯度地帶，四季分明，春秋溫和，夏熱冬寒，多年平均無霜期為238 d，梅雨特征顯著；年內平均氣溫為15.8 ℃，7月最高(28.3 ℃)，1月最低(2.6 ℃)，多年平均降水量為1 188 mm。

2018年廬江縣農作物播種總面積達155 880 hm2，其中蔬菜播種面積達17 181 hm2，單位面積化肥施用量為398 kghm2，高于全國平均水平(335 kghm2)，是國際化肥安全利用上限(225 kghm2)的1.76倍。由于地膜的保溫增產效果，其施用量也在不斷上升，2018年廬江縣使用量達128 t，而地膜降解難度大，不利于土壤透水、透氣，遠期危害較大。目前廬江縣主要從肥料施用、秸稈還田、末端治理的角度防控種植業面源污染，其中在肥料施用方面主要通過推廣測土配方施肥法、配施農家肥等減少化肥的施用量，且仍集中在單項技術的推廣試驗階段。

1.2 研究方法

1.2.1指標體系構建

1.2.1.1評估指標篩選

邀請了4位種植業和養殖業面源污染防控專家以及種植基地3位面源污染防控高級農藝師，對指標的選取提出建議，并查閱相關文獻對評估指標進行篩選；同時對核心利益人群(農戶)開展開放式問卷調查，于2017年12月在廬江縣西北部的南圩村和郭河鎮北圩村共收集有效問卷30份，問卷內容主要是關于農戶在經濟效益上對種植技術的傾向并進行打分；此外，于2018年2月進行閉式網絡問卷調查，內容主要是針對消費者在購買芹菜時會考慮的指標及其排序，總共收集有效問卷77份。采用Excel軟件對問卷調查結果進行統計分析，由此篩選并確定經濟效益、產品品質效益和環境效益的具體評估指標。

經濟效益指種植模式的投入與產出是否在農戶的可接受范圍內。現場問卷調查發現農戶普遍更愿意接受操作簡易的技術，因此在經濟效益指標篩選時，增加技術難度指標，最終選擇資金投入量、產量、技術難度3個指標來衡量經濟效益。

由問卷調查獲知，消費者較關注產品的衛生品質、商品品質和營養品質，參考文獻[13]選擇蔬菜的硝酸鹽累積量、農藥殘留量和重金屬濃度是否合格來反映產品的衛生品質；商品品質主要包括蔬菜的外觀、口感和色味等，選取大小、光潔度、缺陷、硬度、香氣和口感6個指標作為商品品質指標，結合問卷選項統計得到各指標權重比為3∶3∶5∶2∶1∶1；根據Crubben提出的平均營養值(ANV)[14]來衡量蔬菜的營養品質，經驗公式如下：

100 g食用部分的平均營養值=蛋白質5+纖維素+
鈣100+鐵2+胡蘿卜素+維生素40

(1)

式中：蛋白質、纖維素質量單位為g；鈣、鐵、胡蘿卜素、維生素質量單位為mg。

氮、磷、鉀肥利用效率可以反映投入土壤的肥料所帶來的環境風險情況[15]，故選擇該指標作為環境效益的指標。考慮到土壤中微生物群落是土壤生物化學過程的基礎，若微生物區系遭到破壞，將不利于營養成分的轉化，因此土壤中微生物可以敏感地指示土壤環境質量變化。考慮土壤中微生物量、微生物多樣性、微生物活性等方面，土壤微生物指標分別選擇土壤中微生物生物量碳、香農指數和微生物熵3個指標。

1.2.1.2評估模型構建

采用Saaty等[16]提出的定量和定性相結合的多目標決策分析法——層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)進行芹菜種植模式的綜合效益評估。該方法以層次化和系統化分析問題的思路，將決策問題分成目標層(A層)、準則層(B層)和指標層(C層)3個層次，通過分析各不同指標之間的相對重要性得到判斷矩陣，由判斷矩陣確定各指標的相對權重，最后進行綜合評估[17-20]。本研究中目標層是芹菜種植模式的綜合效益評估，準則層考慮了經濟效益、產品品質效益和環境效益3個方面，指標層包括對應準則層所考慮的因素。

1.2.1.3權重的確定

征詢專家意見，依據1～9標度法兩兩進行比較，得到各指標之間的相對重要性，由此構建判斷矩陣。計算判斷矩陣的最大特征值和特征向量，得到對應的權重值；然后進行層次單排序，即計算本層次對于上一層次目標相對重要性的排序；接著計算判斷矩陣的最大特征根，并進行一致性檢驗，確定權重是否可以應用；最后進行層次總排序，得到C層對A層的相對重要性排序。

1.2.2指標數據的獲取

結合研究區芹菜的種植特點，選擇不同的施肥技術、是否施用土壤改良劑和是否進行地膜覆蓋這幾種單項面源污染防治技術，通過技術組合設計了不同芹菜種植模式(表1)，在巢湖流域廬江縣進行芹菜大棚種植試驗，獲取不同種植模式下相關指標數據。其中，傳統施肥模式中施基肥量為525 kghm2，追肥2次，分別追施尿素120、270 kghm2和硫酸鉀60、135 kghm2；有機無機肥混施模式中，施菜籽餅肥3 846.7 kghm2，追肥2次，分別追施尿素44、132 kghm2和硫酸鉀88.0、197.8 kghm2；生物基膜按1 000 kghm2的生物基磺酸鈣兌水1∶1噴灑在試驗地，且能夠100%降解。按照上述種植模式，芹菜春播于2017年1月21日播種，4月5日定植，7月5日收獲；秋播于11月20日播種，2018年1月15日定植，3月25日收獲。

不同芹菜種植模式的技術難度由安徽省廬江縣試驗基地的3位農藝師打分，技術難度越低得分越高，即經濟效益越好；資金投入量指標根據試驗過程中所記錄的人員及物質的消耗得到；在芹菜生長末期一次性收割并測定鮮質量，重復3次取平均值即得芹菜產量；衛生品質依據國家市場監督管理總局以及GB 19338—2003《蔬菜中硝酸鹽限量》對于農產品的相關規定，測定芹菜體內硝酸鹽濃度、農藥殘留量和重金屬鉛濃度是否合格，計算不同種植模式下芹菜的產品合格率，作為衛生品質指標。芹菜收獲時邀請種植基地工作人員(消費者)對芹菜的外觀、口感等品質進行評分，對每項評分取平均值；芹菜的營養品質通過測定芹菜樣品中6種營養物濃度，取每種種植模式的平均值，并根據式(1)計算不同種植模式的平均營養值。

表1 芹菜面源污染防治不同種植模式

查閱不同蔬菜對肥料需求特性方面的文獻，結合本試驗數據，分別計算各種植模式下氮、磷、鉀肥利用率，計算公式如下：

肥料利用率=芹菜單位面積產量×
每kg芹菜肥料吸收量/單位面積肥料投入量

(2)

式中每kg芹菜約吸收3.6 kg的氮、1.5 kg的五氧化二磷、3.7 kg的氧化鉀。種植前測定土壤基本情況，可知土壤中不同區塊間的微生物生物量碳沒有顯著差異，因此收獲后采集各模式的土壤樣品進行混合，測定土壤中的微生物生物量碳，計算香農指數和微生物熵。

1.3 數據處理

由于指標體系中各指標的單位不同，通過種植試驗獲取指標后不能直接進行相加，選擇離差標準化的方法進行無量綱化處理，將所獲指標值進行線性變換后映射到[0,1]之間，具體算法如下：

x*=(x-xmin)(xmax-xmin)

(3)

式中：x*為無量綱化后數據；x為原始數據；xmin為樣本數據最小值；xmax為樣本數據最大值。為了獲得更加直觀的相對值，計算時擴大10倍使指標值范圍處于[0,10]，且相對值越高，效益越好。

無量綱化處理后，綜合效益值等于每個指標的相對值乘以對應的權重后相加，計算方法如下：

(4)

式中：Em為第m層的效益;Fmi為第m層第i項要素的相對值;Wmi為第m層第i項要素的權重。

2 結果與分析

2.1 綜合效益評估指標體系

構建的芹菜種植模式綜合效益評估體系以及各要素的權重如表2所示。由表2可知，評估指標體系由3個層次構成：A層為芹菜面源污染防治不同種植模式的綜合效益評估，B層包括經濟效益(B1)、產品品質效益(B2)和環境效益(B3)3個方面，C層由3個方面效益下屬的12項指標構成。其中，經濟效益站在農戶的角度衡量種植技術的投入與產出是否可以接受，選擇了資金投入量、產量和技術難度3項指標；產品品質效益的指標依據消費者的關注度，選擇了產品合格率(反映衛生品質)、商品品質和平均營養值3項指標；環境效益指標考慮到設施蔬菜栽培過程中農民為了追求經濟效益過量投入化肥，導致氮素利用率低[21-22]、微生物區系破壞[23]、土壤質量退化[24]等問題，選擇了氮、磷、鉀肥的利用率、微生物生物量碳、香農指數和微生物熵6項指標。

由各層要素權重可知，經濟效益中資金投入量和產量的權重相等，而技術難度的權重最低；產品品質效益中各指標權重依次為產品合格率>平均營養值>商品品質；環境效益指標中貢獻最大的是氮肥利用率，其次是鉀肥利用率，最低的是磷肥利用率。綜合效益中，產品品質效益的權重最大，這是因為蔬菜產品的營養安全問題與農業化肥的過量投入和不規范使用等原因有關，是對面源污染防治效益的反映。

表2 芹菜種植模式綜合效益評估體系及各層要素權重

2.2 不同種植模式的經濟效益

不同芹菜種植模式的經濟效益評估結果如圖1所示。由圖1可知，LM模式的資金投入量最少，OM+Agri14.59+基膜模式最多(相對值為0)；LM+Agri14.59+基膜模式的產量最高，其次是OM+Agri14.59+基膜模式，而LM模式產量最低(相對值為0)，可以看出施用松土促根劑和生物基膜對產量增加有促進作用；NM模式的種植難度最低，OM+Agri14.59+基膜模式種植難度最高(相對值為0)。不同種植模式的經濟效益排序為OM+Agri14.59+基膜模式

圖1 不同芹菜種植模式的經濟效益Fig.1 Economic benefits of different celery planting patterns

2.3 不同種植模式的產品品質

不同芹菜種植模式的產品品質效益評估結果如圖2所示。由圖2可知，NM模式的產品合格率最低，LM模式和OM+基膜模式的產品合格率最高；商品品質方面，OM+Agri14.59+基膜模式表現最好，NM模式最低(指標相對值為0)，OM模式的商品品質相對LM模式更好；OM模式下平均營養值較低，且施用松土促根劑(OM+Agri14.59模式)后最低(指標相對值為0)，但施用基膜(OM+基膜模式)后情況改善，而LM模式的平均營養值最高。不同種植模式的芹菜產品品質效益為NM模式

圖2 不同芹菜種植模式的產品品質效益Fig.2 Product quality benefits of different celery planting patterns

2.4 不同種植模式的環境效益

不同芹菜種植模式下肥料利用率如表3所示。由表3可知，不同種植模式下，NM模式對氮、磷、鉀肥的利用率都最低，可見傳統施肥模式不利于化肥的高效利用。氮肥利用率中，LM+Agri14.59+基膜模式最高，為35.24%；OM+Agri14.59+基膜模式次之，為35.15%。鉀肥和磷肥利用率同氮肥，其中鉀肥較氮肥和磷肥利用率更高，LM+Agri14.59+基膜模式的鉀肥利用率高達44.87%。可見，配合施用松土促根劑和生物基膜能進一步提高肥料利用效率，LM+Agri14.59+基膜模式相較于NM模式，其氮、磷、鉀肥的利用率分別提高了73.34%、80.76%、59.28%；OM+Agri14.59+基膜模式相較NM模式，其氮、磷、鉀肥利用率分別提高了72.9%、79.69%、39.72%。組合技術大大提高了肥料尤其是鉀肥的利用率，可以在當地農戶中推廣使用。

表3 不同芹菜種植模式的肥料利用率

不同芹菜種植模式的環境效益評估結果如圖3所示。由圖3可知，NM模式下，環境效益各指標的相對值均為0，其在環境效益各指標中表現最差；肥料利用率方面，氮肥和磷肥的利用率較為一致，且氮肥的利用率相對低一些，整體來看，LM模式的氮、磷、鉀肥利用率較OM模式高，其中LM+Agri14.59+基膜模式效果最好；OM模式的3個微生物指標總體較LM模式高，其中OM+Agri14.59+基膜模式的3個微生物指標最高，可見，有機肥的施用能明顯提高土壤中微生物量和微生物活性。不同種植模式的環境效益依次為NM模式

圖3 不同芹菜種植模式的環境效益Fig.3 Environmental benefits of different celery planting patterns

2.5 不同種植模式的綜合效益

不同芹菜種植模式綜合效益評估結果如圖4所示。由圖4可知，不同種植模式綜合效益為NM模式

圖4 不同芹菜種植模式的綜合效益Fig.4 Comprehensive benefits of different celery planting patterns

3 討論

有研究表明，減量施肥對增產和提高化肥利用率均有作用，如孫麗[25]在巢湖流域開展了肥料減量施用對于番茄產量和品質的影響研究，結果表明，減少15%無機肥料施用量時番茄產量最大，增產可達24.3%，同時土壤中的有效磷和硝態氮減少量也最大。本研究的經濟效益評估中，LM模式產量較NM模式有所下降，但施加松土促根劑和生物基膜后產量大大提高，這可能是由于不同施肥條件下的效果不同，后續還需要進一步開展試驗，探索最合適的施肥量。而環境效益評估中，減量施肥相較于傳統施肥的肥料利用率都有所提升，其中磷肥增幅最大。

本研究結果表明，在LM和OM模式下施用松土促根劑后芹菜產量、微生物生物量碳、香農指數和微生物熵均明顯提升，其中產量提高最大，松土促根劑的施用在經濟效益和環境效益方面表現突出。張傳忠等[26]在豫東平原潮土區種植2期小麥，結果表明：松土促根劑增產效果顯著(可達15%)，土壤物理性狀改善，根系干重提升20%；松土促根劑的施用量為15.0～22.5 kg/hm2時，小麥增產和改良土壤質量的效益最好。這可能是由于松土促根劑的添加有利于土壤中硝化細菌等有益微生物的生長，可破除土壤板結、降低土壤容重、提高土壤保水能力，促進作物根系生長，從而達到增產的效果[27]。

產品品質效益評估中，在OM模式下施用生物基膜后，產品合格率和平均營養值都有所增加，環境效益中化肥利用率和微生物指標均明顯提高，這可能是由于生物基膜一方面可以起到普通地膜的保持土壤溫濕度、增加有效積溫、促使作物根系深扎的作用，另一方面可以避免普通農膜因為不可降解而降低土壤通透性，引發土層理化性狀惡化的情況，從而有利于作物的生長和環境效益的提升。

研究結果顯示，經濟效益和環境效益表現最好的均為組合技術，分別為LM+Agri14.59模式和OM+Agri14.59+基膜模式；隨著松土促根劑和生物基膜的加入，LM和OM模式下綜合效益評估整體也都呈上升趨勢，最佳模式為OM+Agri14.59+基膜模式，其次是OM+基膜模式。總體上減量施肥、施用松土促根劑、施用生物基膜等組合技術比單一技術的綜合效益更好，這可能是由于各項技術之間可以互相促進，其相關機理有待進一步深入研究。綜上，在巢湖流域可以根據實際情況推廣組合技術的應用，以有效降低蔬菜種植的面源污染。

4 結論

(1)構建了包含經濟效益、產品品質和環境效益3層共12項指標的芹菜面源污染防治種植模式綜合效益評估指標體系，其中經濟效益包括資金投入量、產量和技術難度3項指標，產品品質包含產品合格率、商品品質和平均營養值3項指標，環境效益包括氮、磷、鉀肥利用效率，微生物生物量碳，香農指數和微生物熵6項指標。

(2)不同芹菜種植模式評估結果表明，經濟效益方面，減量施肥+松土促根劑模式表現最好；產品品質方面，傳統施肥模式表現最差，減量施肥模式表現最好，有機無機肥混施模式表現一般；環境效益方面，減量施肥、有機無機肥混施模式明顯高于傳統施肥，其與松土促根劑和基膜組合后，肥料利用率和微生物指標均明顯提升。建議采用減量施肥、有機無機肥混施方式以有效減少種植業面源污染。

(3)綜合效益評估結果表明，施用松土促根劑和生物基膜可提升整體效益，組合技術的表現優于單項技術，無機有機肥混施+松土促根劑+生物基膜的組合技術模式表現最好，建議可在種植業面源污染防控中應用。

由于采用層次分析法、問卷調查法來構建指標體系和確定權重存在一定的主觀性，同時試驗周期相對較短，加上由于土壤異質性問題，各組土壤的本底物理、化學性狀可能有差異，因此可能對最終評估結果造成影響，今后還有待開展持續跟蹤試驗從而進一步研究完善指標體系及相關評估結果。