芹菜面源污染防治种植模式综合效益评估

叶家慧，胡梦甜，韩永伟*，高馨婷，刘辉,2

1.中国环境科学研究院 2.内蒙古大学

农业面源污染是指农村生活和农业生产活动中产生的污染[1]，相较于点源污染，面源污染具有范围大、污染物产生随机性强和输移过程复杂等特点，因此控制难度更大[2-3]。有研究表明，种植业已成为农业面源污染的主要来源之一，是导致水环境质量下降和水体富营养化的重要原因[4-6]。种植业面源污染中，蔬菜种植产生的污染比较严重，这主要是因为蔬菜具有产出快、生长周期短和菜地养分流失高等特征，在传统的种植模式下，菜农往往会为了追求高产出、高收益而投入过量的化肥，化肥流失引起土壤理化性状改变、地下水硝酸盐污染及地表水富营养化等环境问题。

为防治种植业面源污染问题，研究人员在传统的种植技术基础上，针对耕作、施肥、灌溉、施药等技术环节进行了诸多改进和研究，形成多种污染防治种植模式，但其污染防治效果参差不齐。在对各种污染防治种植模式进行筛选与决策时，有必要对其开展综合效益的评估。目前关于面源污染防治技术的效益评估主要集中在单项技术的成本、技术有效性和环境效益等方面[7-9]，对组合技术的评估，特别是综合考虑经济效益、产品品质和环境效益3个方面的评估鲜见报道。

巢湖流域是我国中部地区典型的农业生产区，农业以种植业为主，播种面积大且化肥施用强度高[10-11]。由《合肥统计年鉴2019》[12]可知，2018年巢湖流域的蔬菜种植面积为67 024 hm2，化肥用量(折纯)达17.8万t，大量施肥和施肥方式不当等成为巢湖水体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术新模式具有重要的现实意义。笔者在巢湖流域庐江县郭河产学研基地开展芹菜面源污染防治组合技术种植试验，探讨不同种植模式的适用性和组合效益，以期为巢湖流域及其他流域种植业面源污染防治技术模式筛选和综合效益评估提供理论依据。

1 研究方法与数据处理

1.1 研究区概况

庐江县(117°01′E～117°34′E，30°57′N～31°33′N)隶属安徽省合肥市，地处巢湖水域和长江流域之间，与巢湖、桐城、肥西、舒城等县市接壤。庐江县位于中纬度地带，四季分明，春秋温和，夏热冬寒，多年平均无霜期为238 d，梅雨特征显著；年内平均气温为15.8 ℃，7月最高(28.3 ℃)，1月最低(2.6 ℃)，多年平均降水量为1 188 mm。

2018年庐江县农作物播种总面积达155 880 hm2，其中蔬菜播种面积达17 181 hm2，单位面积化肥施用量为398 kghm2，高于全国平均水平(335 kghm2)，是国际化肥安全利用上限(225 kghm2)的1.76倍。由于地膜的保温增产效果，其施用量也在不断上升，2018年庐江县使用量达128 t，而地膜降解难度大，不利于土壤透水、透气，远期危害较大。目前庐江县主要从肥料施用、秸秆还田、末端治理的角度防控种植业面源污染，其中在肥料施用方面主要通过推广测土配方施肥法、配施农家肥等减少化肥的施用量，且仍集中在单项技术的推广试验阶段。

1.2 研究方法

1.2.1指标体系构建

1.2.1.1评估指标筛选

邀请了4位种植业和养殖业面源污染防控专家以及种植基地3位面源污染防控高级农艺师，对指标的选取提出建议，并查阅相关文献对评估指标进行筛选；同时对核心利益人群(农户)开展开放式问卷调查，于2017年12月在庐江县西北部的南圩村和郭河镇北圩村共收集有效问卷30份，问卷内容主要是关于农户在经济效益上对种植技术的倾向并进行打分；此外，于2018年2月进行闭式网络问卷调查，内容主要是针对消费者在购买芹菜时会考虑的指标及其排序，总共收集有效问卷77份。采用Excel软件对问卷调查结果进行统计分析，由此筛选并确定经济效益、产品品质效益和环境效益的具体评估指标。

经济效益指种植模式的投入与产出是否在农户的可接受范围内。现场问卷调查发现农户普遍更愿意接受操作简易的技术，因此在经济效益指标筛选时，增加技术难度指标，最终选择资金投入量、产量、技术难度3个指标来衡量经济效益。

由问卷调查获知，消费者较关注产品的卫生品质、商品品质和营养品质，参考文献[13]选择蔬菜的硝酸盐累积量、农药残留量和重金属浓度是否合格来反映产品的卫生品质；商品品质主要包括蔬菜的外观、口感和色味等，选取大小、光洁度、缺陷、硬度、香气和口感6个指标作为商品品质指标，结合问卷选项统计得到各指标权重比为3∶3∶5∶2∶1∶1；根据Crubben提出的平均营养值(ANV)[14]来衡量蔬菜的营养品质，经验公式如下：

100 g食用部分的平均营养值=蛋白质5+纤维素+
钙100+铁2+胡萝卜素+维生素40

(1)

式中：蛋白质、纤维素质量单位为g；钙、铁、胡萝卜素、维生素质量单位为mg。

氮、磷、钾肥利用效率可以反映投入土壤的肥料所带来的环境风险情况[15]，故选择该指标作为环境效益的指标。考虑到土壤中微生物群落是土壤生物化学过程的基础，若微生物区系遭到破坏，将不利于营养成分的转化，因此土壤中微生物可以敏感地指示土壤环境质量变化。考虑土壤中微生物量、微生物多样性、微生物活性等方面，土壤微生物指标分别选择土壤中微生物生物量碳、香农指数和微生物熵3个指标。

1.2.1.2评估模型构建

采用Saaty等[16]提出的定量和定性相结合的多目标决策分析法——层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)进行芹菜种植模式的综合效益评估。该方法以层次化和系统化分析问题的思路，将决策问题分成目标层(A层)、准则层(B层)和指标层(C层)3个层次，通过分析各不同指标之间的相对重要性得到判断矩阵，由判断矩阵确定各指标的相对权重，最后进行综合评估[17-20]。本研究中目标层是芹菜种植模式的综合效益评估，准则层考虑了经济效益、产品品质效益和环境效益3个方面，指标层包括对应准则层所考虑的因素。

1.2.1.3权重的确定

征询专家意见，依据1～9标度法两两进行比较，得到各指标之间的相对重要性，由此构建判断矩阵。计算判断矩阵的最大特征值和特征向量，得到对应的权重值；然后进行层次单排序，即计算本层次对于上一层次目标相对重要性的排序；接着计算判断矩阵的最大特征根，并进行一致性检验，确定权重是否可以应用；最后进行层次总排序，得到C层对A层的相对重要性排序。

1.2.2指标数据的获取

结合研究区芹菜的种植特点，选择不同的施肥技术、是否施用土壤改良剂和是否进行地膜覆盖这几种单项面源污染防治技术，通过技术组合设计了不同芹菜种植模式(表1)，在巢湖流域庐江县进行芹菜大棚种植试验，获取不同种植模式下相关指标数据。其中，传统施肥模式中施基肥量为525 kghm2，追肥2次，分别追施尿素120、270 kghm2和硫酸钾60、135 kghm2；有机无机肥混施模式中，施菜籽饼肥3 846.7 kghm2，追肥2次，分别追施尿素44、132 kghm2和硫酸钾88.0、197.8 kghm2；生物基膜按1 000 kghm2的生物基磺酸钙兑水1∶1喷洒在试验地，且能够100%降解。按照上述种植模式，芹菜春播于2017年1月21日播种，4月5日定植，7月5日收获；秋播于11月20日播种，2018年1月15日定植，3月25日收获。

不同芹菜种植模式的技术难度由安徽省庐江县试验基地的3位农艺师打分，技术难度越低得分越高，即经济效益越好；资金投入量指标根据试验过程中所记录的人员及物质的消耗得到；在芹菜生长末期一次性收割并测定鲜质量，重复3次取平均值即得芹菜产量；卫生品质依据国家市场监督管理总局以及GB 19338—2003《蔬菜中硝酸盐限量》对于农产品的相关规定，测定芹菜体内硝酸盐浓度、农药残留量和重金属铅浓度是否合格，计算不同种植模式下芹菜的产品合格率，作为卫生品质指标。芹菜收获时邀请种植基地工作人员(消费者)对芹菜的外观、口感等品质进行评分，对每项评分取平均值；芹菜的营养品质通过测定芹菜样品中6种营养物浓度，取每种种植模式的平均值，并根据式(1)计算不同种植模式的平均营养值。

表1 芹菜面源污染防治不同种植模式

查阅不同蔬菜对肥料需求特性方面的文献，结合本试验数据，分别计算各种植模式下氮、磷、钾肥利用率，计算公式如下：

肥料利用率=芹菜单位面积产量×
每kg芹菜肥料吸收量/单位面积肥料投入量

(2)

式中每kg芹菜约吸收3.6 kg的氮、1.5 kg的五氧化二磷、3.7 kg的氧化钾。种植前测定土壤基本情况，可知土壤中不同区块间的微生物生物量碳没有显著差异，因此收获后采集各模式的土壤样品进行混合，测定土壤中的微生物生物量碳，计算香农指数和微生物熵。

1.3 数据处理

由于指标体系中各指标的单位不同，通过种植试验获取指标后不能直接进行相加，选择离差标准化的方法进行无量纲化处理，将所获指标值进行线性变换后映射到[0,1]之间，具体算法如下：

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

(3)

式中：x*为无量纲化后数据；x为原始数据；xmin为样本数据最小值；xmax为样本数据最大值。为了获得更加直观的相对值，计算时扩大10倍使指标值范围处于[0,10]，且相对值越高，效益越好。

无量纲化处理后，综合效益值等于每个指标的相对值乘以对应的权重后相加，计算方法如下：

(4)

式中：Em为第m层的效益;Fmi为第m层第i项要素的相对值;Wmi为第m层第i项要素的权重。

2 结果与分析

2.1 综合效益评估指标体系

构建的芹菜种植模式综合效益评估体系以及各要素的权重如表2所示。由表2可知，评估指标体系由3个层次构成：A层为芹菜面源污染防治不同种植模式的综合效益评估，B层包括经济效益(B1)、产品品质效益(B2)和环境效益(B3)3个方面，C层由3个方面效益下属的12项指标构成。其中，经济效益站在农户的角度衡量种植技术的投入与产出是否可以接受，选择了资金投入量、产量和技术难度3项指标；产品品质效益的指标依据消费者的关注度，选择了产品合格率(反映卫生品质)、商品品质和平均营养值3项指标；环境效益指标考虑到设施蔬菜栽培过程中农民为了追求经济效益过量投入化肥，导致氮素利用率低[21-22]、微生物区系破坏[23]、土壤质量退化[24]等问题，选择了氮、磷、钾肥的利用率、微生物生物量碳、香农指数和微生物熵6项指标。

由各层要素权重可知，经济效益中资金投入量和产量的权重相等，而技术难度的权重最低；产品品质效益中各指标权重依次为产品合格率>平均营养值>商品品质；环境效益指标中贡献最大的是氮肥利用率，其次是钾肥利用率，最低的是磷肥利用率。综合效益中，产品品质效益的权重最大，这是因为蔬菜产品的营养安全问题与农业化肥的过量投入和不规范使用等原因有关，是对面源污染防治效益的反映。

表2 芹菜种植模式综合效益评估体系及各层要素权重

2.2 不同种植模式的经济效益

不同芹菜种植模式的经济效益评估结果如图1所示。由图1可知，LM模式的资金投入量最少，OM+Agri14.59+基膜模式最多(相对值为0)；LM+Agri14.59+基膜模式的产量最高，其次是OM+Agri14.59+基膜模式，而LM模式产量最低(相对值为0)，可以看出施用松土促根剂和生物基膜对产量增加有促进作用；NM模式的种植难度最低，OM+Agri14.59+基膜模式种植难度最高(相对值为0)。不同种植模式的经济效益排序为OM+Agri14.59+基膜模式

图1 不同芹菜种植模式的经济效益Fig.1 Economic benefits of different celery planting patterns

2.3 不同种植模式的产品品质

不同芹菜种植模式的产品品质效益评估结果如图2所示。由图2可知，NM模式的产品合格率最低，LM模式和OM+基膜模式的产品合格率最高；商品品质方面，OM+Agri14.59+基膜模式表现最好，NM模式最低(指标相对值为0)，OM模式的商品品质相对LM模式更好；OM模式下平均营养值较低，且施用松土促根剂(OM+Agri14.59模式)后最低(指标相对值为0)，但施用基膜(OM+基膜模式)后情况改善，而LM模式的平均营养值最高。不同种植模式的芹菜产品品质效益为NM模式

图2 不同芹菜种植模式的产品品质效益Fig.2 Product quality benefits of different celery planting patterns

2.4 不同种植模式的环境效益

不同芹菜种植模式下肥料利用率如表3所示。由表3可知，不同种植模式下，NM模式对氮、磷、钾肥的利用率都最低，可见传统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，为35.24%；OM+Agri14.59+基膜模式次之，为35.15%。钾肥和磷肥利用率同氮肥，其中钾肥较氮肥和磷肥利用率更高，LM+Agri14.59+基膜模式的钾肥利用率高达44.87%。可见，配合施用松土促根剂和生物基膜能进一步提高肥料利用效率，LM+Agri14.59+基膜模式相较于NM模式，其氮、磷、钾肥的利用率分别提高了73.34%、80.76%、59.28%；OM+Agri14.59+基膜模式相较NM模式，其氮、磷、钾肥利用率分别提高了72.9%、79.69%、39.72%。组合技术大大提高了肥料尤其是钾肥的利用率，可以在当地农户中推广使用。

表3 不同芹菜种植模式的肥料利用率

不同芹菜种植模式的环境效益评估结果如图3所示。由图3可知，NM模式下，环境效益各指标的相对值均为0，其在环境效益各指标中表现最差；肥料利用率方面，氮肥和磷肥的利用率较为一致，且氮肥的利用率相对低一些，整体来看，LM模式的氮、磷、钾肥利用率较OM模式高，其中LM+Agri14.59+基膜模式效果最好；OM模式的3个微生物指标总体较LM模式高，其中OM+Agri14.59+基膜模式的3个微生物指标最高，可见，有机肥的施用能明显提高土壤中微生物量和微生物活性。不同种植模式的环境效益依次为NM模式

图3 不同芹菜种植模式的环境效益Fig.3 Environmental benefits of different celery planting patterns

2.5 不同种植模式的综合效益

不同芹菜种植模式综合效益评估结果如图4所示。由图4可知，不同种植模式综合效益为NM模式

图4 不同芹菜种植模式的综合效益Fig.4 Comprehensive benefits of different celery planting patterns

3 讨论

有研究表明，减量施肥对增产和提高化肥利用率均有作用，如孙丽[25]在巢湖流域开展了肥料减量施用对于番茄产量和品质的影响研究，结果表明，减少15%无机肥料施用量时番茄产量最大，增产可达24.3%，同时土壤中的有效磷和硝态氮减少量也最大。本研究的经济效益评估中，LM模式产量较NM模式有所下降，但施加松土促根剂和生物基膜后产量大大提高，这可能是由于不同施肥条件下的效果不同，后续还需要进一步开展试验，探索最合适的施肥量。而环境效益评估中，减量施肥相较于传统施肥的肥料利用率都有所提升，其中磷肥增幅最大。

本研究结果表明，在LM和OM模式下施用松土促根剂后芹菜产量、微生物生物量碳、香农指数和微生物熵均明显提升，其中产量提高最大，松土促根剂的施用在经济效益和环境效益方面表现突出。张传忠等[26]在豫东平原潮土区种植2期小麦，结果表明：松土促根剂增产效果显著(可达15%)，土壤物理性状改善，根系干重提升20%；松土促根剂的施用量为15.0～22.5 kg/hm2时，小麦增产和改良土壤质量的效益最好。这可能是由于松土促根剂的添加有利于土壤中硝化细菌等有益微生物的生长，可破除土壤板结、降低土壤容重、提高土壤保水能力，促进作物根系生长，从而达到增产的效果[27]。

产品品质效益评估中，在OM模式下施用生物基膜后，产品合格率和平均营养值都有所增加，环境效益中化肥利用率和微生物指标均明显提高，这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温湿度、增加有效积温、促使作物根系深扎的作用，另一方面可以避免普通农膜因为不可降解而降低土壤通透性，引发土层理化性状恶化的情况，从而有利于作物的生长和环境效益的提升。

研究结果显示，经济效益和环境效益表现最好的均为组合技术，分别为LM+Agri14.59模式和OM+Agri14.59+基膜模式；随着松土促根剂和生物基膜的加入，LM和OM模式下综合效益评估整体也都呈上升趋势，最佳模式为OM+Agri14.59+基膜模式，其次是OM+基膜模式。总体上减量施肥、施用松土促根剂、施用生物基膜等组合技术比单一技术的综合效益更好，这可能是由于各项技术之间可以互相促进，其相关机理有待进一步深入研究。综上，在巢湖流域可以根据实际情况推广组合技术的应用，以有效降低蔬菜种植的面源污染。

4 结论

(1)构建了包含经济效益、产品品质和环境效益3层共12项指标的芹菜面源污染防治种植模式综合效益评估指标体系，其中经济效益包括资金投入量、产量和技术难度3项指标，产品品质包含产品合格率、商品品质和平均营养值3项指标，环境效益包括氮、磷、钾肥利用效率，微生物生物量碳，香农指数和微生物熵6项指标。

(2)不同芹菜种植模式评估结果表明，经济效益方面，减量施肥+松土促根剂模式表现最好；产品品质方面，传统施肥模式表现最差，减量施肥模式表现最好，有机无机肥混施模式表现一般；环境效益方面，减量施肥、有机无机肥混施模式明显高于传统施肥，其与松土促根剂和基膜组合后，肥料利用率和微生物指标均明显提升。建议采用减量施肥、有机无机肥混施方式以有效减少种植业面源污染。

(3)综合效益评估结果表明，施用松土促根剂和生物基膜可提升整体效益，组合技术的表现优于单项技术，无机有机肥混施+松土促根剂+生物基膜的组合技术模式表现最好，建议可在种植业面源污染防控中应用。

由于采用层次分析法、问卷调查法来构建指标体系和确定权重存在一定的主观性，同时试验周期相对较短，加上由于土壤异质性问题，各组土壤的本底物理、化学性状可能有差异，因此可能对最终评估结果造成影响，今后还有待开展持续跟踪试验从而进一步研究完善指标体系及相关评估结果。