地表水體(如河流、湖泊和海洋)的污染來源分為兩種:點源和面源污染。點源污染由于其排放時間、地點和成分基本已知,易被監(jiān)測到。隨著公眾意識和監(jiān)管力度的提高,點源污染正逐步得到全面控制,面源污染正成為地表水體污染的重要污染源,是當前全球面臨的主要環(huán)境問題之一。過量氮(N)、磷(P)等面源污染物進入地表水體,正是造成我國諸多湖泊、水庫和海灣富營養(yǎng)化和有害藻類“水華”爆發(fā)的重要原因之一,嚴重威脅我國水環(huán)境安全。
面源污染按照來源的不同,可細化為農業(yè)面源污染和城市面源污染。隨著城市污水收集管道和雨污分流工程的建設,城市面源污染正逐步得到解決。相對城市地區(qū),農業(yè)面源污染不但多年來一直是我國“三河三湖”污染的主要污染源,也漸成為農村地表水體污染的主要貢獻者,嚴重威脅全國人民的飲水安全。據?2010?年《第一次全國污染源普查公報》結果顯示,農業(yè)污染源是造成我國水環(huán)境污染的“大戶”,其化學需氧量(COD)、總氮(TN)和總磷(TP)排放分別占地表水體污染總負荷的?43.7%、57.2%?和?67.4%(圖?1)。
可見,農業(yè)面源污染已經成為當前地表水體污染的主要來源。全球每年用于糧食生產的?1.2?億噸氮中,只有?10%?被人類直接消費,大部分未使用的氮則被分散到廣泛的環(huán)境中,最終匯入地表水體,成為主要的面源污染源。農業(yè)則是導致過量養(yǎng)分排放到水體中的最主要驅動因素。研究表明,太湖約?58%?和?40%?比例的總氮和總磷來自于農業(yè)產生的面源污染。
為了消除農業(yè)污染問題,我國政府明確提出,2020年中國將形成“環(huán)境友好型、資源節(jié)約型”的兩型農業(yè)。因此,迫切需要開展農業(yè)面源污染源防控工作。本文分析了我國農業(yè)面源污染產生的原因和特征,歸納了當前主流的農業(yè)面源污染控制措施和策略,并針對當前農業(yè)面源污染控制還存在的問題提出了研究展望。
農業(yè)面源污染特征及其形成原因
農業(yè)面源污染的特征
農業(yè)面源污染通常產生在廣闊的領域,無法追蹤其具體的來源,產生時間和污染物的濃度。排放時間、頻率和組成的不確定,被稱為農業(yè)面源污染的“三大不確定性”特征,這極大地增加了面源污染防控的難度。
(1)來源的廣泛性和復雜性。農業(yè)面源污染的來源廣泛,包括化肥、農藥流失和滲漏、農村地表徑流、未處理的生活污水的排放以及暴雨導致的初期生活污水的漫流、畜禽養(yǎng)殖以及漁場養(yǎng)殖廢水的排放和水土流失等都是農業(yè)面源污染的來源[11,12]。
(2)排放過程中的不確定性和不可計量。農業(yè)面源污染的排放過程具有明顯的不確定性,并且不能量化?;屎娃r藥的使用量具有明顯的個體差異性,污水的排放量的多少也是隨機發(fā)生。此外,由于降水的不確定性,導致農業(yè)面源污染在時間和空間上的不確定性和隨機性。
(3)污染水體規(guī)模大且治理難度大。由于農業(yè)面源污染來源和排放過程中的不確定性,大量的污染源通過地表徑流或者地下徑流進入江河湖泊,進而形成規(guī)模大且濃度低(TN?濃度<10?mg?L-1,TP?濃度<2?mg?L-1)的江河湖泊污染,這種規(guī)模大而且濃度低的特征導致了農業(yè)面源污染治理的難度更大。
綜上所述,農業(yè)面源污染物的形成與發(fā)展涉及污染物的運輸與轉化。在集約化農田,土壤和水中的養(yǎng)分濃度比地表水高很多,這種濃度梯度加速了養(yǎng)分從土壤向地表水擴散、輸送,導致農業(yè)面源污染負荷向就近地表水體遷移。
農業(yè)面源污染形成的原因與特征
隨著社會和經濟的不斷發(fā)展,農村的產業(yè)結構和生活方式也不斷發(fā)生變化。因此,包括農業(yè)生產和農村居民來源在內的面源污染源排放量不斷增加,地表水受到嚴重污染。農業(yè)面源污染的形成和產生高度依賴于氣象條件,例如降雨,并且通常是間歇性的而不是連續(xù)性的降雨。一般來說,在發(fā)展中國家,包括農田、畜禽、水產養(yǎng)殖、農村徑流和分散式生活污水在內的農業(yè)源是造成面源污染的主要原因。此外,在山區(qū),不適當?shù)耐恋乩煤碗S之而來的水土流失也會造成農業(yè)面源污染。
(1)農藥化肥的流失。在?20?世紀?50?年代綠色革命爆發(fā)之后,無機肥料、有機肥料和農藥的投入迅速增加,成為全球和中國獲得作物的高產量和間接提高畜牧生產的主要手段。隨之而來的結果是,農業(yè)面源污染物排放強度和頻率也相應的大幅增加。中國是世界上最大的合成氮肥用戶,然而,這種以農業(yè)化學為基礎的集約化農業(yè)是農業(yè)面源污染的主要貢獻者,也是重要的溫室氣體甲烷(CH4)和一氧化二氮(N2O)貢獻者。N2O?通過大氣沉降或隨降雨,以氣體的面源污染形式進入地表水體。中國農業(yè)部的一項調查顯示,稻田的氮素利用率為?30%—35%,而磷利用率則僅為10%—20%。全球范圍內,養(yǎng)分利用效率普遍低下,導致農田徑流中?TN、TP排放量普遍增加。農田中這些養(yǎng)分的釋放已成為農業(yè)面源污染的主要來源。
(2)畜禽和水產養(yǎng)殖。畜禽和水產養(yǎng)殖過程中的殘餌以及產生的排泄物等,也是農業(yè)面源污染物的主要類型。畜禽糞便流失已經成為污染大戶,我國的規(guī)模養(yǎng)殖中有?2/3?仍缺乏防污設施,每年產生的約?38?億噸畜禽糞便,其處理率不到?50%,其中總量的1/4?進入水體。有關報道表明,在湖泊中的殘餌污染占投餌量的?10%—40%,COD?排放達到了約?500?萬噸,接近生活污水?COD?排放量。集約化畜禽養(yǎng)殖場產生的廢棄物實質與農戶散養(yǎng)的畜禽生產的糞便一樣是一種資源,但目前我國還沒有很好地加以利用,以致“資源”變成了農業(yè)污染的“罪魁禍首”。
(3)土地利用不當。在山區(qū),不合理的土地利用導致的土壤侵蝕是造成農業(yè)面源污染的另一個主要原因,因為營養(yǎng)物質可隨流失的土壤遷移進入下游水體。傳統(tǒng)的順坡耕種、陡坡耕作、復種等種植效率高,更易加劇土壤侵蝕。而土壤侵蝕是規(guī)模最大、危害程度最嚴重的一種農業(yè)面源污染,它在損失土壤表層有機質層的同時,許多營養(yǎng)及其他污染物進入水體形成嚴重的農業(yè)面源污染。吳永紅等指出,滇池流域內?7.7%?的氮污染負荷源自于山地水土流失,29.7%?的磷污染負荷也由水土流失造成,水土流失是滇池農業(yè)面源污染的主要形式之一。三峽庫區(qū)是典型的山地土地類型,也是我國典型的水土流失重災區(qū),降雨量集中期(每年?4—10月),三峽片區(qū)各子流域的農業(yè)面源污染負荷強度表現(xiàn)出很強的空間差異性,且農業(yè)面源污染負荷的時空分布與年降水量和人類活動呈現(xiàn)明顯的正相關。
(4)農村徑流和分散式生活污水的排放。受傳統(tǒng)生活習慣影響,我國農村生活以一家一戶一院的形式為主。農村污水包括農村生活污水(如糞尿水、洗衣水、廚房水等)和農村生產廢水(由散戶畜禽養(yǎng)殖、小作坊等排放)。農村生活污水和生產廢水未經處理的直接排放也是引發(fā)農業(yè)面源污染的主要原因。我國農村居住人口眾多,其中農村人口占全國人口的?50.32%[31]。由于缺乏管理和規(guī)劃,大部分農村地區(qū)沒有污水收集和處理系統(tǒng),也沒有垃圾收集和處理系統(tǒng),這種分散式的生活污水或垃圾滲濾液直接進入河流和農田生態(tài)系統(tǒng)中,勢必形成大規(guī)模和低濃度的面源污染負荷。
農業(yè)面源污染的控制策略
目前,國內外開展了大量的有關農業(yè)面源污染防控的研究,開發(fā)了不少行之有效的技術,其中部分技術還建立了示范工程,如節(jié)水灌溉、保護性耕作和生態(tài)溝渠。但是,這些更多是關注技術層面的防控,缺乏系統(tǒng)和全面的控制體系;更多的只是關注對農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)局部或某個要素的修補或完善,而缺乏對整個農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)功能的恢復與優(yōu)化。事實上,農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的各種物質循環(huán),如水分和養(yǎng)分,以及各個生態(tài)要素之間是相互作用的。因此,要維持和提高農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內在消納農業(yè)面源污染的能力,需要從生態(tài)系統(tǒng)的全局出發(fā),構建一個生態(tài)系統(tǒng)要素與物質交換、能流與物流聯(lián)動、信息流互換的綜合防控策略。
基于此,筆者根據面源污染的形成和發(fā)展過程于2011年提出了農業(yè)面源污染控制工程的“減源(Reduce)—攔截(Retain)—修復(Restoration)”(3R)策略與實踐方案,即在農業(yè)面源污染控制工程建設過程中,以實現(xiàn)農業(yè)環(huán)境保護、農業(yè)經濟可持續(xù)發(fā)展與農村人居環(huán)境和諧發(fā)展為目標,從污染物產生的源頭開展污染物的減量化工程(減源),在污染物遷移過程中開展污染物的攔截與阻斷工程(攔截),并對面源污染物進行深度的處理與再凈化,在此基礎上對農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)進行環(huán)保修復(修復),實現(xiàn)農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)自我修復功能的提高和系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)轉換。
基于循環(huán)經濟理論與全球資源戰(zhàn)略的要求,筆者對?3R?策略。進行了發(fā)展和升華,形成了另外一種更高級的農業(yè)面源污染控制工程指導模式——“源頭減量(Reduce)—過程阻斷(Retain)—養(yǎng)分再利用(Reuse)—生態(tài)修復(Restore)”(4R)策略,形成了包括源頭減量、過程阻斷、養(yǎng)分再利用和生態(tài)修復防控面源污染的綜合性策略(圖?2)。
基于?4R?策略布局的技術分布在各節(jié)點上,使節(jié)點技術在流程上銜接、時空上覆蓋,形成區(qū)域集成技術體系,其特點有全過程、全空間覆蓋,氮減排與資源利用結合,農業(yè)發(fā)展與環(huán)境保護雙贏。4R?策略詳述如下:
(1)源頭減量。類似于點源污染控制,減少來源是農業(yè)面源污染控制的關鍵和最有效的策略[33]。由于養(yǎng)分利用效率低且肥料投入過量,直接導致了農田中氮和磷的過度排放。因此,降低源頭的策略主要包括優(yōu)化養(yǎng)分和水分管理過程,減少肥料的投入,提高養(yǎng)分利用效率,以及實施節(jié)水灌溉和徑流控制。
(2)過程阻斷。過程控制技術包括生態(tài)溝渠、緩沖帶、生態(tài)池塘和人工濕地。一般來說,生態(tài)溝渠是農業(yè)領域最有效的營養(yǎng)保留技術之一。在生態(tài)溝渠中,排水中的氮、磷等營養(yǎng)物質可以通過溝渠中的生物進行有效的攔截、吸附、同化和反硝化等多種方式去除,并已在我國太湖地區(qū)得到廣泛應用。此外,采用保護性耕作、免耕和生態(tài)隔離帶等措施也是攔截農業(yè)面源污染的重要措施。
(3)養(yǎng)分再利用。養(yǎng)分再利用將面源污水中的氮、磷等營養(yǎng)物再度進入農作物生產系統(tǒng),為農作物提供營養(yǎng),達到循環(huán)再利用的目的。對于畜禽糞便和農作物秸稈中的氮、磷養(yǎng)分,可通過直接還田,或養(yǎng)殖廢水和沼液在經過預處理后進行還田。對于農村生活污水、農田排水及富營養(yǎng)化河水中的氮、磷養(yǎng)分,可通過稻田濕地系統(tǒng)對其消納凈化和回用。研究結果表明,在水稻拔節(jié)期和灌漿期,稻田人工濕地對低污染水中氮、磷的凈化效率分別達到了?75%—81%、82%—96%。
(4)水生生態(tài)系統(tǒng)修復。這里的水生生態(tài)系統(tǒng)指的是農業(yè)區(qū)內的污水路徑,如運河、溝渠、池塘和溪流,而不是最終的目的地水域,如湖泊和水庫。盡管在運輸過程中采取了有效措施減少化肥投入和控制污染物輸出,但仍有大量的有機質和氮、磷等污染物將不可避免地被釋放出來。因此,需要對這些面源污水的輸移路徑進行水生生態(tài)修復,以提高其自凈能力。迄今為止,已經開發(fā)并廣泛應用了生態(tài)浮床、生態(tài)潛水壩、河岸濕地和沉水植物等多種修復技術。
存在問題與展望
自?20?世紀?80?年代對農業(yè)面源污染問題開始關注至今的?30?多年間,我國通過多年的自主研發(fā)和借鑒國外的成功經驗,目前已經形成了面向農業(yè)面源污染控制,農村生活污水治理,農業(yè)廢棄物、畜禽糞便和生活垃圾處理,以及塘、浜和小河等小水體修復等一系列頗有成效的技術。這些技術及相應的工程建設在削減農業(yè)面源污染負荷和改善生態(tài)環(huán)境均起到了較好的效果。
但是,這些技術多針對污染物發(fā)生和遷移的某一個環(huán)節(jié)或者某一個子系統(tǒng),所建立的污染控制工程相對孤立,盡管對污染物濃度的控制已取得了一定的成效,但由于污染總量大,處理后尾水中的污染負荷依然可觀,不僅造成污染物中氮、磷等養(yǎng)分資源的浪費,而且下游水體水質的改善效果甚微。與西方國家和日本以保護性耕作為主,復種指數(shù)低,面源污染防治多以犧牲農業(yè)生產產量或中小企業(yè)發(fā)展為代價來達到保護小區(qū)域環(huán)境的目的不同,我國人多地少,糧食安全問題突出,耕地集約化程度高,待改善水環(huán)境面積大且水系龐雜,這決定了我國農業(yè)面源污染防控不可能像西方和日本一樣,采用某一或幾項高效技術,利用大量閑置土地來進行濕地或隔離帶工程建設來實現(xiàn)污染物削減,也不可能在短期內實現(xiàn)高密度、高頻次污染物自動檢測;同樣,由于農業(yè)發(fā)展還沒達到一定的規(guī)模化,農業(yè)生產也沒嚴格的技術規(guī)程或標準,也很難在短時間內完成相關環(huán)境立法。
因此,我國農業(yè)面源污染控制須走大區(qū)域聯(lián)控之路,即不僅要集成度高,而且從點到面、從線性到空間的全過程、全區(qū)域的覆蓋?!笆濉敝痢笆濉逼陂g,基于區(qū)域污染物聯(lián)控思路,我國已形成了“源頭減量(Reduce)—過程阻斷(Retain)—養(yǎng)分再利用(Reuse)—生態(tài)修復(Restore)”的?4R?策略。迄今為止,針對上述各農業(yè)面源污染防控四個過程的技術研究頗多,技術儲備也相當豐厚,相應的工程運行也取得一定成效。
但針對不同區(qū)域農業(yè)面源污染特征,如何進一步深入發(fā)掘技術優(yōu)勢,合理布局合理布局基于?4R?策略的技術體系,最大化提高各個過程的技術集成度,實現(xiàn)防控工程的時空銜接、區(qū)域污染物負荷的顯著削減和區(qū)域水質的整體改善仍是農業(yè)面源污染控制亟待解決的難題之一。此外,如何加快實現(xiàn)農業(yè)面源防控技術設備化、產品化以及農業(yè)面源防控管理與長效運行維護機制建設,使農業(yè)面源防控工程真正地推廣應用到廣泛農業(yè)生產實踐也是亟待解決的重要問題。結合筆者多年從業(yè)經驗,認為以下?3?個方面的研究亟待加強。
深化基礎研究,破解污染形成機制
農業(yè)面源污染產生的實質,其實就是養(yǎng)分或污染物從“土相”向“水相”的運移,本質就是養(yǎng)分或污染物在土-水界面的遷移轉化行為。因此,需要強化土-水界面間的污染物生物地球化學循環(huán)研究。然而,傳統(tǒng)土-水界面的生物地球化學循環(huán)研究,忽視了土壤表層(尤其是稻田土壤表層)上的微生物聚集體的存在,這種微生物聚集體水生生物學上被定義為周叢生物或自然生物膜,可通過同化、吸收、吸附、硝化、反硝化、水解和降解等過程影響氮、磷、有機物等的轉化和運移過程,進而影響農業(yè)面源污染形成、發(fā)生和發(fā)展??梢?,為精準了解養(yǎng)分或污染物在土-水界面的行為及其對農業(yè)面源污染產生和排放的影響,需要強化周叢生物參與下的土-水界面間的污染物生物地球化學循環(huán)研究。
雖然現(xiàn)有的農業(yè)面源污染負荷監(jiān)測、模擬或定量評估方法給科學研究和職能管理部門提供了一定的幫助,但是從現(xiàn)有方法或措施“勘測”出的污染負荷及其分布看,并不能有效幫助農業(yè)面源污染防控工程的建設,導致不少工程項目“事倍功半”或僅僅停留在示范工程的階段。這主要是因為無論現(xiàn)在的原位監(jiān)測、模型預測,還是在線監(jiān)測,都是基于“已知”排放點而開展的工作。換句話說,這些工作的基礎認為農業(yè)面源污染的產生和排放與點源污染的一致,這恰恰與農業(yè)面源污染的“三個不確定性”相矛盾,因此,建議今后在農業(yè)面源污染負荷監(jiān)測與評估方面研究,需要尋求新的研究方法,破解農業(yè)面源污染形成的機制。從農業(yè)面源污染的實質——養(yǎng)分或污染物在土-水界面間的遷移轉化過程出發(fā),可能是一個值得探索的方向。
強化生態(tài)系統(tǒng)服務功能,促進全過程防控
現(xiàn)有面源污染防控技術僅關注源頭減量或過程阻斷,缺少從“土相”“水相”和“生物相”等多層面揭示污染物的生物地球化學循環(huán)過程,也缺少從生態(tài)系統(tǒng)的層面上進行調控,忽略了生態(tài)系統(tǒng)自身的調控功能與機制,制約著農業(yè)面源污染防控措施的有效實施(圖?3)
圖?3 農業(yè)面源污染防控:從控制到生態(tài)系統(tǒng)服務集成。
生態(tài)系統(tǒng)自身具有調控功能,農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)也不例外。在農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內部,可通過優(yōu)化土地利用格局來實現(xiàn)面源污水的回用,提高氮、磷等營養(yǎng)鹽的利用率,阻斷污染物的遷移過程,故應該充分利用農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)自身的調控功能來減少面源污染物的輸出與排放。
當然,優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)服務功能,并不是簡單地在控制區(qū)內機械地進行植被恢復,還可從以下?3?個方面入手:①?研究基于區(qū)域污染物總量削減的農業(yè)用地格局的空間優(yōu)化配置,各利用方式之間的空間銜接技術,有效阻斷污染物的空間隔離帶技術;②?研究合理的種植制度或輪作方式,優(yōu)化“種植—養(yǎng)殖—加工”鏈中養(yǎng)分的循環(huán)模式與再利用技術;③探索集約化農田的排水方式,建立能逐級削減污染物的溝-渠-塘結構與工藝,延長污染物在溝-渠-塘中的停留時間,提高降解能力,實現(xiàn)農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)轉化和自凈能力提升,促進污染物的區(qū)域聯(lián)控。
加強技術的物化研究,推動技術應用
當前農業(yè)面源污染防控主要由政府管理部門承擔,包括項目立項、執(zhí)行以及驗收等過程,都是政府部門的主要職責。有利之處在于,經費有保障,便于協(xié)調各方面的關系,但是也限制了市場作用的發(fā)揮,使得農業(yè)面源污染防控仍局限在政府指定的區(qū)域內。隨著?2017?年中共中央辦公廳、國務院辦公廳《關于引導農村土地經營權有序流轉發(fā)展農業(yè)適度規(guī)模經營的意見》頒發(fā),農村將有大片的土地進行集中式管理,農業(yè)面源污染防控將是各個承包業(yè)主的責任,政府管理部門將僅僅扮演“考核者”的角色。這也意味著,農業(yè)面源污染技術需要轉化為物化產品,通過市場化的運作,推動治理技術的推廣應用。此外,新型環(huán)境材料的研發(fā),污染物控制產品與設備研發(fā),廢棄物資源化產品與設備研發(fā),以及農業(yè)面源污染遠程管理終端等也是未來亟須解決的問題。
可以預見,農業(yè)面源污染即將成為我國地表水體污染的重要來源,嚴重影響我國水生生態(tài)環(huán)境安全,威脅著我國的飲用水安全,最終威脅我國農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和糧食安全,給我國社會、經濟發(fā)展帶來諸多不利影響。因此,迫切需要轉變思路,在現(xiàn)有防控策略的基礎上,進一步深化基礎研究,探索新的防控方向,進一步強化污染防控的技術集成與區(qū)域聯(lián)控,提升生態(tài)服務功能,進一步加強技術的設備化和裝備化,打好面源污染治理的攻堅戰(zhàn),為我國農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的改善提供技術支持。(楊林章 江蘇省農業(yè)科學院農業(yè)資源與環(huán)境研究所;吳永紅 中國科學院南京土壤研究所 土壤與農業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室 《中國科學院院刊》供稿)
來源:中國網 作者:楊林章、吳永紅
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