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农业非点源污染防治的生态工程措施 杜守建李怀恩王启田
【摘要】随着化肥和农药大量的使用, 农业非点源污染已经成为水污染的主要来源之一。本文介绍并讨论几种有代表性的防治农业非点源污染的生态工程措施, 包括农田生态系统、生态农业、植被过滤带、湿地系统与多水塘系统等。它们的有机结合可形成控制非点源污染的流域生态工程,对农业非点源污染控制与管理更为有效。
关键词: 农业;非点源污染;生态工程;防治
一、引言
非点源污染(Non-point Source Pollution是与点源污染相对而言的,它自上个世纪70年代被提出和证实以来,对水体污染所占比重随着对点源污染的大力治理呈上升趋势,而农业非点源污染又是非点源污染的最主要来源之一。农业非点源污染具有随机性强、影响因子复杂,分布范围广、影响深远,形成过程复杂、机理模糊,潜伏周期长、危害大等特点。我国的大部分地区降雨集中,生态破坏致使水土流失严重,近年来农药化肥等化学物质的用量不断增加,加上使用技术上的不合理,造成农业非点源污染问题日益突出,目前成为影响水体质量的重要污染源[1-4]。
农业非点源污染来源于非特定的、分散的地区,与土壤的侵蚀程度、化肥、农药的施用量、农业耕作方式、地质地貌、区域降水过程等密切相关。非点源污染的本质是农业生态系统的严重失调。生态工程措施可以通过调控农业生态系统的物质平衡和物质流动途径来控制污染物的流失,减少潜在运移的污染物数量,在运移途径中通过滞留径流、增加流动时间等减少进入水体的污染物量,是进行流域生态修复、强化物质循环的有效方法,进而从农业非点源污染的来源和径流运移等方面控制污染。生态工程措施作为进行流域生态修复、强化物质循环的有效方法[5,6,7],也是目前较为实用的非点源污染控制方法。
二、控制农田污染源的生态工程措施
非点源污染的来源主要有可被冲入径流的固体废弃物、滞留在地上的污水污泥、大量施肥的农田土壤等。采用农田生态系统措施、生态农业建设等一系列生态技术,从源头上减少这些来源,就能对非点源污染起到一定的控制作用。
1、农田生态系统措施
农田生态系统是指由不同农作物种植制度、耕作方式、农药和化肥使用方式、灌溉等土地管理措施相互组合共同形成的生产系统。由于不同系统中农作物对养分吸收、利用差异较大,致使不同农田生态系统中的养分和农药流失不同,因而在控制非点源污染形成过程中起到不同作用[8]。根据不同化肥、农药使用量、使用方式和季节,农田耕作措施、灌溉方式在非点源污染形成中起的不同作用,在化肥和农药使用上,可以充分考虑农田土壤特征和农作物生长状况,根据农作物对养分和农药的需求量、对养分的吸收和需求季节安排施肥量、施肥方式和时间,提高农作物对土壤养分的吸收,将减少农药和养分流失危险[9]。例如,控制氮肥的施用量,平衡氮、磷、钾的比例,将施氮量控制在合适的范围之内,增大磷肥、钾肥的投入,平衡施肥,这些是控制化肥污染的首要措施。同时,有机肥中的腐殖质可以提高土壤的保肥性能,还可以增强土壤微生物的数量和活力,利用土壤微生物先将化肥氮同化,然后再缓慢释放,提高氮肥的利用率,减少氮肥流失。另外,与传统耕作方式相比,免耕和少耕可以降低径流中悬浮物含量,减少土壤中养分流失,有利于防止农业非点源污染形成。与沟灌和漫灌相比,喷灌大大降低了径流产生,节水灌溉能使灌溉用水量减少 3 1 %~3 6%,从而地表排水量减少 78%~ 90 %[10],氮素负荷量相应减少,由此降低了农业非点源污染形成的危险。
2、生态农业建设
生态农业的思想是1971年由美国土壤学家william﹒A﹒Albrecbt首次提出来的。1979年在英国召开了第一届生态农业会议,从此生态农业在世界范围内发展起来。19世纪80年代初,生态农业的思想引入我国,并迅速发展,目前已成为实现农业可持续发展的必然途径。所谓生态农业,就是以生态学和生态经济学理论为指导,从系统思想出发,按照生物共生和物质循环再生原理,运用现代科学技术成果、现代管
理手段以及传统农业的有益经验,因地制宜,建立和调整农业生产结构,合理组织农、林、牧、副、渔、加工等部门的比例,选择最优化模式,以实现经济效益、社会效益和生态效益相统一的农业生产体系[11]。生态农业的核心是充分利用现代生物技术,一方面通过利用生物技术实现低投入、高产出,获取最大的经济效益,同时利用生物技术保护资源和环境,实现资源可持续利用和生态环境的优化。因此,生态农业是生态系统的基本原理在农业生产系统的应用。生态农业技术使物质在系统内多次循环,废物产生最小化,因此能减少农业非点源污染。
20世纪80年代,针对农业生态环境和生产条件逐步恶化趋势,农业部提出了发展生态农业的总体思路,进行了多种模式的生态农业建设活动,开展了一系列的生态农业试点示范。生态农业建设,根据气候、土壤、生产目标的不同,可以采取许多不同生态农业模式。比如红壤丘陵区可以发展“顶林、腰园、谷农、塘鱼”的模式。它以养猪为纽带,实行种养结合,建立饲草—猪沼—菇果—粮鱼—珍珠的食物链,定量调控结合链环的饲料配置,粪尿投放,制沼育菇和塘淤返田,提高了系统生产力,减少了废物产生量和非点源污染。1993年,农业部、国家发展计划委员会、财政部、科技部、水利部、国家环境保护总局和国家林业局联合组织开展了全国51个生态农业试点县建设。在此基础上,七部委局于2000年在全国又启动了第二批50个生态农业示范县建设。经过十几年的发展,中国开展生态农业建设的县、乡、村已达到2000多个,其中生态农业县 300多个,取得了显著的经济、环境、社会效益。生态农业建设有效地提高了我国土地的利用率,明显地改善了我国农业的生态环境,减轻了农业非点源污染。
三、处理农田径流的生态工程措施
由于水生高等植物对农业非点源污染物的净化能力很强,结合农田林网建设,建造一些人工处理农田径流的生态工程,是防治农田径流污染湖泊、河流的重要方法。处理农田径流的生态工程的主要方法有在严重污染的地段下游建造截留污染物和使污染物循环利用的各类
设施。它针对非点源污染突发性、大流量、低浓度的特点,能够有效消减污染物,常用的生态工程措施包括植被过滤带、湿地系统、多水塘等。
1、植被过滤带
植被过滤带(vegetative filter strips,亦称缓冲带(buffer strips为从水面的边缘处向外延伸一段指定的距离,利用永久性植被拦截污染物或有害物质的条带状、受保护的天然植被带[12, 13]。由于不合理的土地利用,从农田和其它受干扰的土地流失的沉积物大大地促成了河流和湖泊的非点源污染,沉积物除了本身作为一种污染物之外,它还能携带氮、磷进入水生态系统,加速湖泊的富营养化。缓冲带独特的物理和生物地球化学特性决定着陆地与水体间的水量、养分的流动。污染物在从农田和村庄向水体转移的途径中,以地表径流、潜层渗流的方式通过缓冲带进入水体,污染物能得到一定的消减。根据Peterjohn和 Correl 的研究结果,农田与水体间50m宽的沿岸植被缓冲带能减少进入地表水89%的氮和80%的磷[14]。氮在缓冲带内的截留机理主要有:随泥沙沉降、反硝化作用、植物吸收。由于硝酸盐具有易溶性,能通过地下水进入水体,运用缓冲带时要注意影响反硝化作用的因素:温度、氧化还原能力、可利用的碳源量、氮源量。磷在缓冲带内的截留主要是磷随泥沙的沉降及溶解态磷在土壤和植物残留物之间的交换。因此,缓冲带在控制非点源污染的同时,还可改善区域环境,增加生物多样性,增加植被覆盖率,提高抗灾能力等。
目前,已经开发出许多用于减少污染物随径流流失的管理模式,其中能够去除来自降雨径流的污染物的植被过滤带(VFS是这些管理模式中成本最低,而且最富成效的一种。过滤带能增加地表水流的水力粗糙度,降低水流速度以及水流作用于土壤的剪切力,进而降低沉积物的输移能力,促进其在过滤带中的沉淀。过滤带的设计不仅涉及生态、地形地貌等自然因素,更主要的还要考虑社会、经济等因素。在利用缓冲带时,必须加强管理,防止沟蚀、绕流等不利情况出现。美国自20世纪30年代就开始高度重视环境保护,采用了独具特色的缓冲带技术,到目前已逐步趋于完善。合理的VFS能有效地保护水质和改善生态环境质量,其设置越来越受到我国政府的高度重视[15]。
2、湿地系统
湿地是一独特的土壤—植物—微生物系统,是农田与水体之间的一个过渡带。自然和人工湿地中的土壤及砂石通过吸附、截留、过滤、离子交换、络合反应等净化去除水中的氮、磷等成分。水生植物可以通过其呈网络样的根系直接吸收农田排水中的氨氮等。湿地土壤中发育着大量的好氧、厌氧及兼性的微生物,由于水生植物的生长,其根系的分泌物及好氧环境为好氧细菌的生长创造了条件,将排水带来的有机物分解,被植物吸收。当农田排水流经湿地生态系统时,水中的有机质、氮、磷等营养成分将发生复杂的物理、化学和生物的转化作用,使污染物被截留、吸收和降解[16]。巴西的皮拉西卡巴的Engenho湿地对磷、硝酸盐和氨的去除率分别达到93%、78%和50%[17]。Chescheir等通过模型研究表明湿地可以净化79%的总氮、82%的硝酸盐氮、81%的总磷[18]。所以,湿地在去除农业非点源污染方面是一个简单而有效的工具[19]。同时,利用自然湿地生态系统的费用低廉。例如,瑞典的Rosenberg等估
计[20],每减少1kg进入波罗地海的氮,利用沿海的湿地需要0.6美元,用补救的农业措施需1.9—53.4美元,而通过污水处理厂减少城市废水中75%的氮需要15.6—31.2美元。另外,从生态学观点来看,输入到湿地中的氮、磷营养物可被植物吸收,促进如芦苇、蒲草、灯心草等水生维管植物的生长和发育,为保护生物的多样性,改善流域生态景观起到积极的作用。因此,从经济学和生态学的角度,湿地生态系统已是世界上很多国家认可的控制水环境污染的有效工具。
在国外,特别是西欧、美洲的一些国家进行了大量的利用湿地系统处理废、污水的应用。1974年在西德首次建造人工湿地,后来这一工艺在欧洲和北美得以迅速发展。20世纪80年代以后,我国先后在深圳、北京、天津等地建立了人工湿地处理系统,并开始了对湿地生态系统中营养物质转化机制的研究[21]。我国农田的氮肥用量居世界首位,而作物能够吸收的氮仅占施用量的15—30%,其余存留在土壤中的氮有一部分将随径流和下渗进入地表水和地下水中。我国的湿地总面积为6.594×105km3,居世界第四位,占国土面积的6.5%,因此,在我国有充分利用湿地资源去除农业非点源污染的巨大潜力。
3、多水塘系统
利用多水塘系统控制非点源污染的主要生态方法是修建暴雨滞留池[22],利用天然低洼地进行筑坝或人工开挖而成,水塘的体积、水深、水力负荷应适中,使污染物得到有效沉降,应该有适当的有机物负荷为微生物提供有机质,以加强反硝化过程,塘中大型植物群落生长有利于悬浮物和养分的去除。这些天然或人工水塘不断地与河流进行水、养分的交换,使流速降低,悬浮物得到沉降,增加水流与生物膜的接触时间,水塘对非点源污染物的滞留和净化能力很大。因此,修建人工水塘控制非点源污染是一种非常有效的方法[23]。瑞典从1987~ 1994年开展了大规模的非点源氮污染控制研究,发现水塘的除氮效果很好。在我国南方大部分农业区域,过去就存在着许多水塘用来拦截雨水灌溉农田,多水塘系统能截留来自农田的P、N污染负荷94%以上。因此,多水塘系统不仅控制污染负荷,也提高水资源的利用率,可以在农业非点源污染防治中广泛应用。
四、结语
非点源污染控制是一个涉及经济、社会、环境等方面的系统工程。农业非点源污染的防治应从流域角度探讨流域开发与水环境质量的关系,追踪污染物来源,实施“最佳管理措施”(best mana gement practices, BMPs,建立流域土地、水域最优开发和管理模式。既要加强对环境影响面大的源头防治,注重积极的生态农业战略措施的实施,减少污染物的排放和养分的流失,又要在污染治理技术上充分利用生态工程措施,建立流域非点源污染防治的科学体系。这样才能保持自然资源和生态系统自身的平衡,最大程度地利用生态系统功能控制非点源污染。
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