袁卫东，陆 娜，*，宋吉玲，陈 青，闫 静，王伟科，亢学平，王世恒

(1.杭州市农业科学研究院，浙江 杭州 310024；2.浙江省农业技术推广中心，浙江 杭州 310020；3.延边朝鲜族自治州农业科学院，吉林 延边 133400)

农作物废弃物焚烧和水体腐化过程对环境的影响

袁卫东1，陆 娜1，*，宋吉玲1，陈 青2，闫 静1，王伟科1，亢学平3，王世恒1

(1.杭州市农业科学研究院，浙江 杭州 310024；2.浙江省农业技术推广中心，浙江 杭州 310020；3.延边朝鲜族自治州农业科学院，吉林 延边 133400)

摘 要：针对食用菌生产中的常用基质——稻草、桑枝条、茭白叶、玉米芯和山核桃蒲等5种农业废弃物，模拟农民2种典型处置方式(燃烧、丢弃水体)，研究其对环境质量的影响。结果表明，在相同水平的农作物秸秆投放量下，明火和闷烧下均产生大量的SO2、细颗粒物(PM2.5)和NOx等排放物，闷烧产生的排放物明显高于明火燃烧，PM2.5和SO2排放以茭白叶最高，分别为2 773.37、3.96mg·m-3，NOx排放以桑枝条最高，达61.5mg·m-3。农作物废弃物丢弃水体(浸泡)使水体的pH值下降(除山核桃蒲外)，其悬浮物、总氮(total nitrogen，TN)、总磷(total phosphorus，TP)、氨氮、高锰酸盐指数和色度值都升高，在30～50d时各指标达到峰值。茭白叶水体腐化过程的TN排放量达270.85μg·L-1，较其他样品高出5倍以上。农作物废弃物浸泡后，水体中大肠埃希菌在60d周期内基本呈现“滋生—增长—凋亡”的变化过程，细菌菌落则在10d时最大，之后逐渐凋亡。农作物废弃物焚烧和水体腐化2种处置方式均会造成环境污染，建议加大对农业废弃物的资源化循环利用。

关键词：农业废弃物；环境污染；环境管理

我国是农业大国，秸秆等农作物废弃物资源丰富，每年产生的农作物秸秆理论资源量约为8.2亿t，但利用率不高，约有31.31%的农作物秸秆被废弃或焚烧[1]。Zhang等[2]指出，我国每年有1.04 Mt的细颗粒物(PM2.5)来源于农作物秸秆野外焚烧；彭立群等[3]调查表明，露天焚烧产生的污染物排放在秸秆燃烧中的贡献合计约为87%；朱佳雷等[4]确定了水稻等4种农作物秸秆的焚烧比例及排放因子，认为秸秆焚烧产生了大量的PM2.5，并导致区域性雾霾天气的发生；曹国良等[5]研究表明，空气污染物排放具有较强的季节性，主要由农作物秸秆露天焚烧的季节性等所致；唐喜斌等[6]研究了玉米等农作物秸秆模拟燃烧的空气污染物和颗粒物排放特征，表明炉灶燃烧的污染物排放因子总体高于露天燃烧。但这些研究主要集中在稻草、麦秆等少数农作物上，而有关桑枝条、茭白叶、山核桃蒲等浙江常见的农作物废弃物焚烧对空气质量的影响未见报道。

农作物废弃物在自然条件下分解产生腐殖质随地表径流进入水环境，导致水体富营养化，引起细菌、病毒传播，是水环境污染因子的重要来源之一[7-8]。王磊等[8]、程研等[9]就花卉、蔬菜废弃物开展模拟实验，对水体总氮(total nitrogen，TN)、总磷(total phosphorus，TP)总释放量进行研究，李杰霞等[10]通过计算，分析了农业面源污染——化学需氧量(chemical oxygen demand，COD)、TN、TP的排放浓度；但关于农业废弃物腐化对水体环境影响的研究却未见报道。

为此，本研究拟选取浙江省食用菌生产上常用的5种农作物废弃物进行焚烧和腐化模拟实验，研究其对大气和水体环境的影响，对其危害性进行评估，为农业废弃物资源生态循环应用提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 供试材料

选取具有浙江特色的茭白叶、稻草、桑枝条、玉米芯、山核桃蒲为供试材料，分别收集于余杭、淳安、江山、临安等地。

1.2 实验方法

1.2.1 农作物废弃物燃烧对空气质量的影响

设明火燃烧和闷火燃烧2个处理，3次重复。

将供试材料晒干后切成60～80cm小段备用。实验时，每个样品称取2.5 kg，放置于8 m2的房间内，静风条件下进行燃烧和闷火燃烧处理，测定二氧化硫(SO2)、PM2.5和氮氧化物(NOx)的排放量。

PM2.5的测定参照HJ 618—2011质量法进行，实验仪器为TH-150C型智能中流量总悬浮微粒采样器和XS-205型电子天平；SO2的测定参照HJ 479—2009盐酸萘乙二胺分光光度法进行，NOx的测定参照HJ 482—2009甲醛吸收-恩波副品红分光光度法进行，实验仪器为TH-150C型智能中流量总悬浮微粒采样器和723N分光光度计。

1.2.2 农作物废弃物腐化对水体环境的影响

实验设10、20、30、40、50、60d 6个处理，以清水为对照，3次重复。

将新鲜供试材料切成长度5cm的小段，每样品称取500g，放入15 L的塑料桶中，加入10 L的水，充分搅拌后置于室内任其自然腐烂。定期采样，测定样品水体中的pH值、悬浮物(suspended solids，SS)、TN、TP、氨氮等含量，以及高锰酸盐指数、色度值、大肠埃希菌和菌落总数。

pH的测定采用玻璃电极法，按土水质量体积比1∶5的比例浸提，实验仪器为SevenEase S20酸度计；SS的测定参照GB/T 11901—1989质量法进行，实验仪器为101AS-2电热恒温干燥箱、XS-205型电子天平；TN的测定参照HJ 636—2012碱性过硫酸钾消解紫外光度法进行，实验仪器为UV-1240型紫外可见分光光度计；TP、氨氮的测定分别参照GB/T 11893—1989钼酸铵分光光度法、HJ 535—2009纳氏试剂光度法进行，实验仪器为723N分光光度计；高锰酸盐指数的测定参照GB/T 11892—1989酸性法进行；色度的测定参照GB/T 11903—1989稀释倍数法进行；大肠埃希菌的测定参照AOAC991.14测试片法进行，测试片为PetrifilmTM大肠菌群测试片；菌落总数的测定参照3M PetrifilmTMAC再水化干燥纸片计数法进行，测试片为Petrifilm Aerobic Count(AC)测试片。

2 结果与分析

2.1 农作物废弃物燃烧对空气质量的影响

2.1.1 对PM2.5的影响

如图1所示，5种农作物废弃物在闷烧状态下产生PM2.5最高的是茭白叶，为2 773.37mg·m-3，比最低的桑枝条(756.24mg·m-3)高266.73%，在明火燃烧状态下产生PM2.5最高的是山核桃蒲，为1 123.82mg·m-3，比最低的桑枝条(113.75mg·m-3)高887.98%。对各样品而言，闷烧所产生的PM2.5均高于明火燃烧，其中，茭白叶闷烧状态下排放的PM2.5比明火燃烧高212.32%，而山核桃蒲2种燃烧方式下所产生的PM2.5相差不大。

图1 农作物废弃物燃烧对空气中PM2.5的影响Fig.1 Effect of burning of agricultural residue on PM2.5 in air

2.1.2 对SO2的影响

如图2所示，茭白叶、稻草、桑枝条、玉米芯、山核桃蒲在闷烧状态下产生的SO2分别为3.96、1.37、0.65、0.41、1.60mg·m-3，以茭白叶最高，玉米芯最低，明火燃烧下产生的SO2分别为2.66、0.53、0.17、0.38、0.59mg·m-3，以茭白叶最高、桑枝条最低。同一样品在闷烧条件下产生的SO2均高于明火燃烧，其中，茭白叶闷烧状态下排放的SO2比明火燃烧高49.1%，而玉米芯2种燃烧方式所产生的SO2基本相同。

2.1.3 对NOx的影响

如图3所示，茭白叶、稻草、桑枝条、玉米芯、山核桃蒲在闷烧状态下产生的NOx分别为50.47、36.12、61.50、21.05、6.34mg·m-3，以桑枝条最高、山核桃蒲最低，明火燃烧下产生的NOx分别为12.50、27.00、3.18、13.61、4.88mg·m-3，以稻草最高、桑枝条最低。同一样品闷烧状态下产生的NOx明显高于明火燃烧。

图2 农业废弃物燃烧对空气中SO2的影响Fig.2 Effect of burning of agricultural residue on SO2 in air

2.2 农作物废弃物腐烂对水体环境的影响

2.2.1 对水体pH值、悬浮物、色度的影响

由图4可知，除山核桃蒲外，其余4种农作物废弃物腐烂均导致水体pH值下降，尤以玉米芯效果最明显，可导致水体pH值下降至5.5～5.0，山核桃蒲的影响最小，可能与其本身含碱量较高有关。山核桃蒲和玉米芯的浸泡时长对水体pH值影响很小，而茭白叶、稻草和桑枝条浸泡的前10d，水体pH值迅速下降，之后随着处理时间延长，pH值逐步回升，分别于40、50、30d时趋于稳定。

由图5可知，各处理水体SS值随时间推移均表现为上升-下降-平稳的趋势。不同样品出现峰值的时间不同，产生的SS量也不同，最高的为稻草(14.4×105μg·L-1)，比茭白叶、桑枝条、山核桃蒲分别高152.63%、336.36%、657.89%。经测算，1 kg样品向水体排放的SS(按最高值计)分别为稻草28.8g、茭白叶11.5g、桑枝条6.77g、山核桃蒲3.87g、玉米芯3.07 g。

由图6可知，除茭白叶处理的水体色度表现为上升-平稳趋势外，其他处理的水体色度整体表现为上升-下降-平稳的趋势。不同样品出现峰值的时间不同，产生的色度值也不同，茭白叶最高，达到1000，桑枝条最小，为200。

2.2.2 对水体TN、TP、氨氮及高锰酸盐指数的影响

图4 各处理水体pH值变化Fig.4 Changes of pHvalue under different treatments

图5 各处理水体SS值变化Fig.5 Changes of SS value under different treatments

图6 各处理水体色度变化Fig.6 Changes of chromatic value under different treatments

由图7可知，农作物废弃物腐烂对水体中TN含量的影响各不相同，在16.20～270.85μg·L-1之间，一般在40～50d达到峰值。各处理水体的TN含量以茭白叶最高，达270.85μg·L-1，其他样品之间差距不大。经测算，1 kg样品向水体排放的TN分别为茭白叶5.42mg、稻草0.88mg、玉米芯0.60mg、桑枝条0.58mg、山核桃蒲0.32mg。

由图8可知，农作物废弃物腐烂后，水体中的TP含量分别为茭白叶64.15μg·L-1、稻草39.66μg·L-1、桑枝条28.50μg·L-1、玉米芯19.53μg·L-1、山核桃蒲7.88μg·L-1，一般在30d达到最高。经测算，1 kg样品向水体排放的TN分别为茭白叶1.28mg、稻草0.79mg、桑枝条0.57mg、玉米芯0.39mg、山核桃蒲0.16mg。

图7 各处理水体TN变化Fig.7 Changes of TN in water under different treatments

图8 各处理水体TP变化Fig.8 Changes of TP in water under different treatments

由图9可知，农作物废弃物腐烂后会导致水体中氨氮含量上升，一般在40～50d达到最高。不同样品水体中的氨氮含量最高分别为茭白叶259.65μg·L-1、玉米芯28.13μg·L-1、稻草25.40μg·L-1、桑枝条19.10μg·L-1、山核桃蒲13.57μg·L-1。经测算，1 kg样品向水体排放的氨氮分别为茭白叶5.19mg、玉米芯0.56mg、稻草0.51mg、桑枝条0.38mg、山核桃蒲0.27mg，以茭白叶最高、山核桃蒲最低。

图9 各处理水体中氨氮含量变化Fig.9 Changes of ammonia nitrogen in water under different treatments

图10 各处理水体中高锰酸盐指数变化Fig.10 Changes of permanganate index in water under different treatments

2.2.3 对水体菌落总数的影响

由表1可知，在60d的农作物废弃物腐烂周期内，大肠埃希菌菌群含量呈现出“滋生—增长—凋亡”的变化过程。以茭白叶浸泡30d时最高，达到3 325×103MPN·mL-1，桑枝条最低，10d 时菌群最高，也仅为10×103MPN·mL-1。

由表2可知，农作物废弃物腐烂导致水体中菌落总数大量增加，以茭白叶10d时最高，达到80000× 105cfu·mL-1，山核桃蒲最低，为15.0×105cfu·mL-1。

表1各处理水体中大肠埃希菌菌群含量变化

Table1Changes ofEscherichiacoligroup contents under different treatments103MPN·mL-1

处理Treatment不同时间(d)的菌群含量 Contents of Escherichia coli under different time(d)102030405060对照CK0.000790.210.170.120.00500茭白叶Zizania latifolia leaves13.50302.03325142.53.1000.4500稻草Rice straw1.63069142.20.98桑枝条Mulberry branch105.04.50.400.160玉米芯Cow cob203560117.01.9山核桃蒲peels of Carya cathayensis Sarg1.79.5708.72.30.97

表2各处理水体中菌落总数变化

Table2Changes of total number of colonies under different treatments105cfu·mL-1

处理Treatment不同时间(d)的菌落总数Total number of colonies under different time(d)102030405060对照CK0.03000.04000.1700.1903.259.28茭白叶Zizania latifolia leaves800001708558554758612.5144.5稻草Rice straw9.6023.032.4420206142桑枝条Mulberry branch18.046.077.018212267.0玉米芯Cow cob760022616397.059.318.0山核桃蒲Peels of Carya cathayensis Sarg15.012.22.051.410.7500.370

3 小结与讨论

5种农作物废弃物在两种燃烧状态下的排放量，闷烧明显高于明火燃烧，可能与闷烧的氧含量低造成燃烧不充分有关，检测数据均超环境空气质量标准(GB 3095—2012)，对环境空气会造成严重污染。两种燃烧方式产生的PM2.5与NOx的排放量与祝斌等[11]的研究结果基本一致，排放量的差异可能与秸秆本身的木质素、纤维素含量和含水量等因素有关，还有待进一步研究。

除山核桃蒲外，其他4种农作物废弃物浸泡均导致水体pH值下降，在10～30d时水体严重酸化。5种农作物废弃物浸泡在水体中腐化后，水体SS值和色度的变化整体呈上升—下降—平稳的规律，TN、TP、氨氮、高锰酸盐等含量大幅升高，在30～50d时各指标释放量达到峰值。虽然TN、TP释放浓度均未超过GB 3838—2002中的Ⅱ类水质限值，但会间接地加剧水体的富营养化。浸泡后，水体中大肠埃希菌和菌落总数在60d周期内基本呈现“滋生—增长—凋亡”的变化过程，均超过GB 3838—2002中Ⅴ类水的浓度限值，不宜作为饮用水和农业用水使用。由此可知，农业废弃物若处置不当会造成水体污染。

基于本实验结果，农作物废弃物无论是焚烧还是水体腐化，均会对空气和水体环境造成污染。因此，大力发展以农作物废弃物为原料的产业(如食用菌产业)，对促进农作物秸秆的资源化利用，发展生态循环农业，改善生态环境，推进美丽中国建设具有积极意义。

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[1] 农业部新闻办公室.全国农作物秸秆资源调查与评价报告[J].农业工程技术(新能源产业)，2011(2):2-5.

Information Office of the Ministry of Agriculture.Investigation and assessment of straw resources in China[J].AgriculturalEngineeringTechnology(NewEnergyIndustry)，2011(2):2-5.(in Chinese)

[2] ZHANG L，LIU Y，HAO L.Contributions of open crop straw burning emissions to PM2.5concentrations in China[J].EnvironmentalResearchLetters，2016，11(1):014014.

[3] 彭立群，张强，贺克斌.基于调查的中国秸秆露天焚烧污染物排放清单[J].环境科学研究，2016，29(8):1109-1118.

PENG L Q，ZHANG Q，HE K B.Emissions inventory of atmospheric pollutants from open burning of crop residues in China based on a national questionnaire[J].ResearchofEnvironmentalSciences，2016，29(8):1109-1118.(in Chinese with English abstract)

[4] 朱佳雷，王体健，邓君俊，等.长三角地区秸秆焚烧污染物排放清单及其在重霾污染天气模拟中的应用[J].环境科学学报，2012，32(12):3045-3055.

ZHU J L，WANG T J，DENG J J，et al.An emission inventory of air pollutants from crop residue burning in Yangtze River Delta Region and its application in simulation of a heavy haze weather process[J].ActaScientiaeCircumstantiae，2012，32(12):3045-3055.(in Chinese with English abstract)

[5] 曹国良，张小曳，龚山陵，等.中国区域主要颗粒物及污染气体的排放源清单[J].科学通报，2011，56(3):261-268.

CAO G L，ZHANG X Y，GONG S L，et al.Emission inventories of primary particles and pollutant gases for China[J].ChineseScienceBulletin，2011，56(3):261-268.(in Chinese)

[6] 唐喜斌，黄成，楼晟荣，等.长三角地区秸秆燃烧排放因子与颗粒物成分谱研究[J].环境科学，2014，35(5):1623-1632.

TANG X B，HUANG C，LOU S R，et al.Emission factors and PM chemical composition study of biomass burning in the Yangtze River Delta region[J].EnvironmentalScience，2014，35(5):1623-1632.(in Chinese with English abstract)

[7] 官会林，张云峰，张无敌，等.滇池农田废弃物生物处理及资源化利用研究[J].农业环境科学学报，2006，25(增刊):625-628.

GUAN H L，ZHANG Y F，ZHANG W D，et al.Utilization of agricultural residues with biological treatment in Dianchi Lake Basin[J].JournalofAgro-EnvironmentScience，2006，25(Supp.):625-628.(in Chinese with English abstract)

[8] 王磊，张乃明，杨育华，等.滇池流域花卉蔬菜废弃物对湖泊水质影响的模拟研究[J].环境科学导刊，2010，29(4):42-45.

WANG L，ZHANG N M，YANG Y H，et al.Simulation study of impacts on water quality from wastes of flowers and vegetables in Dianchi Lake watershed[J].EnvironmentalScienceSurvey，2010，29(4):42-45.(in Chinese with English abstract)

[9] 程研，张乃明.花卉蔬菜秸秆对水环境影响的模拟研究[J].中国农学通报，2015，31(6):167-171.

CHENG Y，ZHANG N M.Simulation research of impacts on water environment from flowers and vegetables straw[J].ChineseAgriculturalScienceBulletin，2015，31(6):167-171.(in Chinese with English abstract)

[10] 李杰霞，杨志敏，陈庆华，等.重庆市农业面源污染负荷的空间分布特征研究[J].西南大学学报(自然科学版)，2008，30(7):145-151.

LI J X，YANG Z M，CHEN Q H，et al.Spatial distribution of agricultural non-point source pollution in Chongqing[J].JournalofSouthwestUniversity(NaturalScienceEdition)，2008，30(7):145-151.(in Chinese with English abstract)

[11] 祝斌，朱先磊，张元勋，等.农作物秸秆燃烧PM2.5排放因子的研究[J].环境科学研究，2005，18(2):29-33.

ZHU B，ZHU X L，ZHANG Y X，et al.Emission factor of PM2.5from crop straw burning[J].ResearchofEnvironmentalSciences，2005，18(2):29-33.(in Chinese with English abstract)

Impactofburningandwatercorruptionofcropresiduesonenvironment

YUAN Weidong1，LUNa1，*，SONG Jiling1，CHEN Qing2，YAN Jing1，WANG Weike1，KANG Xueping3，WANG Shiheng1

(1.HangzhouAcademyofAgriculturalSciences，Hangzhou310024，China;2.ZhejiangAgriculturalTechnicalExtensionCenter，Hangzhou310020，China;3.YanbianAcademyofAgriculturalSciences，Yanbian133400，China)

Abstract:In the present study，five materials，commonly used in mushroom substrates，i.e.Zizanialatifolialeaves，rice straw，corn cob，mulberry branch and peels ofCaryacathayensisSarg，were selected as study objects to test the effects of two typical disposal methods(burning straightly and waste disposal in water) on environment.It was shown that burning(both open flame and smoulder) could produce a large amount of SO2，fine particles(PM2.5) and NOx.In addition，smoulder produced greater amount of emission than open flame.The burning ofZizanialatifolialeaves produced the largest amount of PM2.5and SO2，which were 2 773.37，3.96mg·m-3，respectively，while the burning of mulberry branches generated maximum amount of NOx，which was 61.5mg·m-3.Waste disposal(except peels ofCaryacathayensisSarg) decreased the pHof water body，yet increased the contents of suspended solids(SS)，total nitrogen(TN)，total phosphorus(TP)，ammonia nitrogen，permanganate index and chromatic value in water.These indexes reached the maximum value in 30-50d.Disposal ofZizanialatifolialeaves in water led to 270.85μg·L-1TN，which was 5 times greater than the others.The life cycle ‘multiplication-proliferation-death’ ofEscherichiacoliwas observed in contaminated water during 60d and the amount ofE.colicolonies reached to the highest level at 10d，then died gradually.Both burning and disposal in water would lead to serious environment issues.Thus，it was suggested to improve the resources cyclic utilization of substrate residues.

Key words:agricultural residue;environment pollution;environment management

中图分类号：X322；X502

A

文章编号：1004-1524(2018)06-1022-07

收稿日期：2017-07-31

基金项目：国家食用菌产业技术体系(CARS-24)

作者简介：袁卫东(1969—)，男，浙江杭州人，硕士，高级农艺师，从事食用菌新品种选育和栽培技术研究与推广。E-mail:ywd0507@126.com

，陆娜，E-mail:13738068366@163.com

10.3969/j.issn.1004-1524.2018.06.19

(责任编辑高 峻)