基于蔬菜残渣发酵液的循环农业模式：以甘蓝生产为案例研究

《Bioresource Technology Reports》：A circular agriculture model based on vegetable tailing fermentation broth: a case study of cabbage production

　　

摘要

农业废弃物回收对提升土壤质量至关重要，而蔬菜残渣发酵液在田间应用方面的研究仍较为有限。本研究探讨了在白菜种植中用蔬菜残渣发酵液（蔬菜残渣与牛粪按7:3比例混合）部分替代化学肥料的效果。T30处理组（减少30%化学肥料用量，用30%的蔬菜残渣发酵液替代，并额外施用9000公斤/公顷的生物有机肥料）取得了最佳效果：它不仅显著提升了白菜的产量、营养价值和经济收益，还改善了土壤养分状况、细菌多样性以及有益微生物的数量。物质流分析显示，每公顷白菜种植每年可回收53吨蔬菜残渣和22吨牛粪，其中氮、磷、钾的回收率分别为48.43%、50.39%和58.19%。这种循环农业模式带来了显著的经济和环境效益，为可持续农业发展提供了路径。

引言

蔬菜生产是全球粮食安全与营养健康的基石，其供应链的各个环节都存在着机遇与挑战。随着农业技术的进步、环保意识的提高以及绿色可持续农业理念的深入，资源回收与可持续利用已成为农业发展的主流趋势（Shih等，2018）。作为蔬菜产业链的副产品，积累起来的蔬菜残渣占据了宝贵的土地资源，这些残渣可能通过渗滤液污染土壤和水体，对生态环境构成威胁（Lin等，2011；Wei等，2018）。因此，如何安全处置并高效回收利用蔬菜残渣，日益受到农业和环境领域研究人员及从业者的关注。探索蔬菜残渣在农业生产中的有效利用途径，对于推动农业可持续发展、构建循环农业生态系统具有重要意义。据不完全统计，中国作为主要的蔬菜生产国，每年产生的蔬菜废弃物超过3.6亿吨（Chang等，2019）。如果直接丢弃或填埋，这些蔬菜残渣不仅浪费了宝贵的生物资源，还会成为环境污染的重要来源（Bas-Bellver等，2023）。先前的研究表明，蔬菜残渣富含有机物、氮、磷、钾等作物生长所需的养分。对蔬菜残渣样本的分析显示，其总氮含量为1.96%–5.39%，总磷含量为0.35%–1.82%，总钾含量为0.80%–5.42%，碳氮比则在6.70到20.35之间，表明其具有很高的肥料利用潜力（Yue等，2024a）。目前，将蔬菜残渣进行堆肥处理已成为利用这些废弃物的有效方法。通过好氧堆肥方式处理农业种植和养殖过程中产生的废弃物，可以实现生物资源的高效转化，提升这些资源的利用价值，减轻对环境的不良影响，同时扩大堆肥原料的选择范围，进而降低生产成本，将废弃物转化为高价值的可重复利用资源（Tie等，2023）。例如，在温室番茄种植中使用番茄残渣堆肥，可以提高番茄产量并改善土壤状况（Durmu?和Kizilkaya，2022）。当蔬菜残渣与有机肥料（如蘑菇堆肥）一起使用时，有益微生物可通过复杂的细菌-土壤-植物相互作用维持土壤肥力，从而促进植物生长和产量提升，抑制植物病害的发生（Yiyang等，2019）。

将种植过程中的废弃物用作肥料，可以将种植和栽培过程中丢弃的养分重新返还到土壤中，实现“以土养土”的效果（Qiao等，2023）。由于其富含养分、微生物活性高且结构独特，这类废弃物能够改善土壤的物理、化学和生物特性，而这些特性是传统化学肥料所不具备的（Tie等，2024）。随着技术不断创新，通过压榨蔬菜残渣后再进行厌氧发酵得到的蔬菜残渣发酵液，已成为农业废弃物回收的一种很有前景的方法。相关研究表明，蔬菜残渣发酵液中的微生物活性较高，能够转化含氮有机化合物，增加土壤中的总氮和有机物含量，而且有机物含量与蔬菜残渣发酵液的处理时间呈正相关关系（Tong和Liu，2020；Ros等，2010）。不过，蔬菜残渣发酵液中也含有较高的可溶性盐分，过量施用于田间可能会提高土壤盐度，从而影响作物生长（Rusan等，2007）。因此，研究适宜的蔬菜残渣发酵液施用量也是一个需要解决的重要问题。

白菜（Brassica oleracea var. capitata L.）是一种广泛种植的十字花科蔬菜，其收获后的生物量中有超过50%被作为废弃物丢弃（Zhang等，2022）。科学合理地施用肥料对于提高产量和品质至关重要（Barrett等，2018）。本研究以白菜种植为研究对象，系统评估了蔬菜残渣发酵液在白菜生产中的应用效果。我们比较了传统施肥方式与用蔬菜残渣发酵液部分替代化学肥料对白菜产量、品质以及土壤微生物群落的影响。在白菜种植中成功应用蔬菜残渣发酵液，不仅是利用农业废弃物资源的有效尝试，也是推动循环农业模式建设的重要举措。通过建立“资源-产品-再生资源”的闭环循环模式，可实现农业生产中低消耗、低排放、高效率的目标。

章节节选

试验地点概况

该田间试验在中国甘肃省兰州市榆中县城关镇的康源农业有限公司下属蔬菜生产基地进行（纬度36°03′北，经度103°40′东）。该研究区域属于温带半干旱大陆性气候，平均海拔为1830米。该地区的多年平均气温为6.5℃，年降水量在300毫米左右

用蔬菜残渣发酵液替代化学肥料对白菜经济效益的影响

表3显示，所有减少化肥用量的处理组（T40、T30、T20、T10）的经济效益均显著高于传统施肥对照组CK1（p?

蔬菜残渣发酵液替代化学肥料对白菜产量、品质及土壤理化性质的影响

肥料类型和施用量是决定土壤理化性质和养分状况的关键因素。近年来，为保护环境质量、改善土壤结构并实现资源回收，有机肥料得到了广泛应用，而利用种植和养殖废弃物作为肥料也成为资源回收模式的重要方式之一（Zheng等，2024）。本研究发现，将蔬菜残渣压榨物与牛粪混合发酵后

结论

减少化学肥料投入和回收农业废弃物是缓解农业面源污染、推动可持续资源利用的核心途径。本研究基于蔬菜残渣与牛粪（质量比为7:3）的厌氧共发酵技术，开发了一种用于白菜种植中部分替代化学肥料的循环农业模式，并系统分析了该模式的综合效益及养分回收效率。

T30处理组

CRediT作者贡献说明

崔俊杰：论文撰写——审阅与编辑，论文撰写——初稿，可视化，数据整理。张荣荣：指导，方法设计，定量分析。杨明格：软件应用，资金筹集，数据整理。穆婷婷：软件应用，方法设计，定量分析。罗世磊：指导，资源协调，方法设计。李龙：结果验证，软件应用。张国斌：结果验证，资源协调，项目管理，资金筹集。

出版同意声明

所有共同作者均已阅读并批准了本文的最终版本，同意将其提交发表。

伦理审批声明

本论文未涉及任何涉及人类参与者、临床试验或实验动物的研究。所有的田间试验和样品采集工作均按照标准的农业研究规范进行，并遵守了当地的机构规定和国家相关法规。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

感谢甘肃省教育厅的产业支持与引导项目（2021CYZC-45）、甘肃省技术创新引导计划（22CX8NA045），以及干旱生境作物科学重点实验室的主任基金（GSCS-2020-Z3）的支持。

崔俊杰|张荣荣|杨明格|穆婷婷|罗世磊|李龙|张国斌

中国甘肃省兰州市730070，甘肃农业大学园艺学院