1、農業非點源污染及其防治技術1. 引言20 世紀 70 年代以來,興旺國家的污染限制經驗說明,隨著對工業廢水和 城市生活污水等點源污染的有效限制, 非點源污染尤其是農業生產和生活活動引 起的農業非點源污染, 已經成為水環境污染的最重要的來源. 目前,農業非點源 污染問題在全球仍十分嚴峻.美國的非點源污染占污染總量的 2/3 ,其中農業非 點源污染的奉獻率為 75%左右.而 N、P 營養元素是農業非點源污染主要的污染 物質.在丹麥 270 條河流中 94%的氯負荷、 52%的磷負荷來自于非點源污染；荷 蘭來自于農業非點源污染的總氮、總磷分別占水環境污染總量的60%、40%.農業非點源污染影響了全球

2、陸地面積的 30%-50%據統計,到2021年,經濟合作 與開展組織OECD國家農業總用水將增長15%從農業入河的氮和生化需氧量BOD將至少增加25%中國農業非點源污染的局面也非常嚴峻.據中國農業 信息網公布數據核算,中國 2005 年使用化肥 4766 萬 t 折純,按當年農作物 播種面積計算,農作物的平均化肥施用量為 306.5 kg/hm2,是世界化肥平均用量 的 3 倍之多.但中國化肥的利用率很低,其中氮肥的利用率為 30%-35%,磷肥 為 10%-20%,鉀肥 35%-50%.到 2005 年,東部湖泊的污染負荷輸入量中,農業 非點源污染負荷入湖量已超過 50%；大理洱海流域非點源

3、氮、磷污染負荷分別占 流域污染負荷的 97.1%和 92.5%；滇池外海流域的污染負荷中,來自農業非點源 污染的總氮、總磷和化學需氧量分別占污染總負荷的60%- 70%、50%- 60%和30%- 40%.農田過量使用化肥是造成非點源污染的主要原因. 世界銀行的報道指 出,中國地下水有將近 50%被農業非點源污染.此外,中國受農業非點源污染影 響的耕地面積已近2000萬hni至2005年,農業非點源污染已占中國全部污染 的 1/3 ,并有繼續惡化的趨勢.因此,增強對農業非點源污染防治技術的研究已 迫在眉睫.世界各國已經逐漸意識到農業非點源污染的嚴重性和形式的緊迫性, 紛紛開展農業非點源污染防治

4、的研究, 并在防治技術和治理政策方面取得了一定 的成效.2. 農業非點源污染產生的原因農業非點源污染的概念是與點源污染相對的, 是指溶解性的或非溶解性的污 染物從非特定的地域, 在降水和徑流作用的沖刷下, 通過徑流過程匯入受納水體 而引起的污染.導致農業非點源污染的直接原因可以歸納為以下幾類： 農業化肥、 農藥的 過量、不合理施用,科學利用率低,導致土壤板結、營養元素淋溶和徑流損失增 大.流域環境地表侵蝕引起的水土流失和徑流污染. 其中,土壤侵蝕是規模最 大、危害程度最嚴重的一種農業非點源污染. 畜禽糞便、 剩余餌料等導致的養 殖污染. 農村生活污水未處理和非達標排放向非點源轉化 如洗滌劑的大

5、量使 用.農膜等農業生產殘留物和農村生活垃圾垃圾堆放、雨水沖淋、秸稈焚 燒處理不當.過度灌溉.流域土地利用結構和土地利用類型 如農業用地、 城鎮用地、河湖水體、森利用地、道路用地、以及灘涂荒地等不合理.農業非 點源污染主要由降雨徑流、 土壤侵蝕、地表溶質溶出和土壤溶質滲漏 4 個過程形 成,它們之間相互聯系、相互作用,導致了農業非點源污染廣泛性、模糊性、潛 伏性、隱蔽性、難治理的特點.此外,環境物品的公共物品屬性、 公共物品產權不明晰、 環境效益在社會發 展進程中一度被無視等經濟、社會因素也在農業非點源污染情況惡化的原因之 列.3. 農業非點源污染防治技術3.1. 農業非點源污染防治的單一技術

6、3.1.1. 科學施肥、施藥技術農業生產過程中, 化肥、農藥等農業投入品的過量、 不當施用是農業非點源 污染的主要來源,其通過淋溶、滲漏作用對土壤、水體造成巨大危害,直接威脅 到人類和其他生物的健康. 合理施用化肥可以有效地減少污染來源. 氮磷鉀肥混 施可以減少營養元素的滲漏損失量；配施有機肥可以有效降低營養元素的淋失, 減少元素從土壤中滲漏損失的數量； 有機肥經過氧化分解處理后也可以降低營養 元素的淋失率, 因此,施用有機肥能明顯提升土壤有機質的含量, 并隨施用量的 增加而呈上升的趨勢.因而,科學施肥提倡有機、無機肥料配合施用.農藥的化 學特性是影響農藥滲漏的最重要的因素,在生產中應盡量選用

7、被土壤吸附力強、 降解快、半衰期短的農藥, 減少對土壤和地下水的污染風險. 在農藥施用時應盡 量減少直接施到土壤外表. 在解決過量施肥導致的污染威脅方面, 測土施肥、 變 量施肥、配方施肥等技術的研究已較為成熟, 實現了因地制宜地根據每個網格的 農田土壤特征和農作物生長狀況進行施肥用藥, 包括施肥的時間、 方式、肥料的 種類、施肥比例等都實現精細操作.基于“源頭治理的思想,環境友好的、符合現代生態要求的微生物農藥、 無毒、低毒、低殘留農藥的開發研制已成為當前國內外研究的熱點.目前,國際 市場已有 30 種商品微生物農藥,且相關研究還在繼續.此外,膜限制釋放技術MCR是科學施肥技術研究中的新方向

8、.MC技術是 指在膜的作用下, 在規定的時間間隔和指定的局部區域按一定的速度釋放活性物 質如藥物、肥料、香料等的技術.該技術既支持規定劑量的化肥和農藥在指 定區域的快速釋放, 也可以通過膜擴散速度限制有效成分逐漸釋放. 它實際上是 一種限制非點源排放的方法.該技術起步較晚,但進展較快.MC技術應用于化肥的方式有聚合物包膜、無機物包膜、肥料包肥料；應用 于農藥的方式有微膠囊、塑料層壓、吸收混合、種子包衣、高分子載體等.硝化抑制劑是目前國際上正在熱切關注的一項研究. 硝化抑制劑可以抑制土 壤NH4-N向NO-N氧化,減少土壤NO>N累積,從而減少氮肥以NO-N形式淋溶損失, 提升氮肥的利用率

9、, 緩解氮肥流失對土壤、 水體造成的污染. 硝化抑制劑在美國、 日本等國已得到推廣,但在大多數國家還處在試驗階段.3.1.2. 緩沖帶防治技術緩沖帶,全稱保護緩沖帶 Conservation buffer strips ,是指利用永久 性植被攔截污染物或有害物質的條帶狀、 受保護的土地. 緩沖帶能有效過濾從農 田流失的沉積物、營養物質和殺蟲劑,能夠通過泥沙沉降、反硝化作用、植物吸 收等作用對地表徑流起到阻滯作用, 調節入河洪峰流量, 同時有效減少地表和地 下徑流中固體顆粒的養分含量,對農業非點源污染的擴散起到緩沖和調節的作 用.緩沖帶在限制非點源污染的同時, 還可以增加生物多樣性和植被覆蓋率,

10、 提 高鄰近水域溶解氧含量,從而改善區域環境.緩沖帶可分為緩沖濕地、 緩沖林帶和緩沖草地帶. 緩沖帶的防污治污效果取 決于其規模、位置、植被、水文條件和土壤類型等因素,因此,在緩沖帶的設計 中應綜合考慮這些因素. 此外,緩沖帶成熟后才能發揮營養物運移功能, 從種植 到成熟的時間間隔問題也不容無視. 國外在非點源污染治理中將緩沖濕地、 緩沖 林帶和緩沖草地帶有機結合起來,以增強防治效果.3.1.3. 農業污染處理和防治技術現已展開研究和投入應用的農業污染處理和防治技術包括村鎮生活污水及 農田排灌水氮磷污染限制技術 如筑建截污溝和泄洪溝, 運用土壤 -植物- 微生物 系統,綜合處理污水 ；暴雨徑流

11、、農村固體廢物無害化處理技術如用建“三 位一體農村戶用沼氣池的方法處理糞便,在農村建垃圾收集坑、生物凈化廁所等 ；農業廢棄物的資源化技術 如秸稈還田技術、利用畜禽糞便生產沼氣等 ；快速修復技術；生物籬等地表 徑流及滲漏的生態攔截技術等. 為了減少農用地膜的污染, 可借鑒美國的先進技 術和經驗, 推廣玉米淀粉膜進行覆蓋, 進而通過技術引領, 從源頭上防治農業非 點源污染.3.1.4. 開展生態農業開展生態農業的核心是在滿足現代社會高產出、 高效益的根底上, 強化復合 生態系統的內循環,即增強人與土地利用相互循環,輔以必要的催化增強物質, 盡量減少產出后向環境的排放. 基于生態農業的社會效益和環境

12、效益, 其相關措 施在美國等興旺國家已廣泛使用. 如秸稈收割時碎斷后覆蓋還田, 或編織草繩網 覆蓋在土壤表層,以保持水土、減少污染.國內學者以循環經濟理論為指導,對 生物物種共生型、 綜合開發復合型等多種生態農業系統進行了研究, 并提出具有 農業經濟和生態環境效益“雙贏的稻 - 魚- 萍、禽-魚-蚌、桑- 蠶-魚等模式,將 農業生產過程中產生的非點源污染最大限度的在生產系統內部轉化和消化, 降低 對外界環境造成的負面影響.3.1.5. 保護性耕作技術農業生產中, 采用不同的耕作方式, 對土壤養分的利用、 化肥農藥流失的控 制有顯著影響. 實施保護性耕作可以有效的防治水土流失. 保護性耕作舉措包

13、括 免耕、少耕、間套復種技術等.免耕、少耕法可大大減少土壤侵蝕和土壤有機碳的流失, 亦相應的減少了氮 和磷的流失量. 間套復種技術的使用, 可以利用不同作物對營養物需求比例的差 異,充分利用土壤養分, 減輕養分剩余對周圍水體造成的富營養化程度, 調節土 壤中各養分的比例, 防止土地板結和鹽堿化. 等高線條帶種植技術, 以及在坡面 地區實施橫坡耕作也可有效減少污染物向受納水體運移.3.1.6. 科學灌溉技術研究發現,灌溉方式與鹽分、化肥、農藥的流失程度密切相關,當水田灌溉 用量減少31%- 36%寸,地表排水量減少78%- 90% 氮負荷減少76%- 80% 滲漏水 氮負荷減少34%-40%可見

14、,科學的灌溉方式在減少農業非點源污染的同時,還提升了水資源的利用率,緩解了水資源的供需矛盾.具體的技術舉措包括： 通過對渠道進行防滲襯砌處理、 將明渠改為管道, 來 減少渠道滲漏和提升輸水效率；在平田整地、格田建設的根底上開展畦田灌溉, 改大畦為小畦, 嚴格限制畦田寬度和長度, 由于小畦灌溉與漫灌相比, 灌溉定額 可以降低一半,產量提升二成；重點開展噴灌、微灌和滴灌技術,將節水與增效 相結合,實現節水、節地、節工、增產.通過以上舉措降低因傳統的漫灌造成的 養分流失和非點源污染. 除此之外, 通過合理灌溉進行水域限制也是減少地區污 染的關鍵因素. 研究說明, 在灌溉深度減少 50%、氮施用量減少

15、 50%的同時農作物 產量可以提升. 合理灌溉是農民生產和畜禽廢棄物處理要求與節約用水、 保護環 境之間最好的均衡. 農作中營養元素的淋失一般隨著農田水分滲漏強度的增加而 增加.在農業生產中采用科學灌溉方法, 可以限制水分的滲漏強度, 延緩和減少 由于灌溉超滲所產生的農業化肥、 農藥及田間土壤有機質的淋失, 減少農業非點 源污染的生成和擴散.3.2. 農業非點源污染防治技術的集成3.2.1. 與 3S 技術的集成非點源污染所具有的不確定性、隱蔽性、潛伏性等特點,使其不易被發現,因此,非點源污染的治理有必要依賴于遙感 (remote sensing, RS等先進技術. RS 在農業非點源污染治理

16、方面可應用于土地分類,找出主要的污染源、污染物 種類、污染途徑. RS 及全球定位系統( Global Positioning System, GPS )結 合可獲取水文氣象、地形地質、土地利用、土壤種類、河流水系等數據,從而為 治理提供準確、可靠的信息.地理信息系統( Geographical Information System,GIS)源自 20世紀60年代,于20世紀80年代開始被用于評價非點源污染.GIS分層處理數據的功能極大 的方便了非點源污染的模擬、預測和治理決策.利用GIS可模擬各影響因子以及非點源污染的空間分布,從而對不同條件下的污染狀況進行識別和治理.GIS在非點源污染限制

17、領域的應用關鍵在于 GIS技術與專業模型的有機結合.在實時遙 感成像技術支持下,基于GIS的環境模型可有效的評價土壤侵蝕.國外學者已經 將GIS與相應模型結合并運用于農業污染治理、地下水污染治理和暴雨徑流分析 等領域.也有學者將 GIS與AGNP(Agricultural Non-point Source Pollution,AGNPS)模型相結合進行地表徑流評價和預測.GIS的空間信息治理的 綜合分析水平、RS勺空間動態監測水平和GPS勺高精度定位水平針對農業非點源 污染的特點,為監控和治理提供了有效的工具.3.2.2. 與決策支持系統的集成對于給定的氣候條件與治理的強相關性,決策支持系統(

18、 Decision Support System, DSS)是用來選擇有效的污染防治舉措的有力工具.DSS的引入使農業非點源污染治理方案的設計可以實現多目標決策. 目前, 國內外學者多用 “三部 件結構(即包括人機交互系統、模型庫治理系統、數據庫治理系統)的 DSS為 農業非點源污染問題提供決策支持.其中,數據庫的建立多集成GIS、 RS 實現.模型庫的構建可以融合當前較為通用的非點源污染治理、評價模型,如SWM模型(Storm Water ManagemenModel)、STORM模型(Storage Treatment Overflow Runoff Model) 、 HSPF (Hydr

19、ologic Simulation Program Fortran) 模型、 AGNPS(Agricultural Non-point Source Pollution) 模型、 SWAT(Soil and Water Assessment Tool) 模型、 EPIC(environmental policy integrate climate)模型等.國外學者還通過研究構建了包含 GIS的綜合非點源模型,即GIS-CropSyst模 型,綜合考慮不同的氣候與農作物的關系, 評價污染防治舉措的可變標準對產品 和環境的影響,對區域治理和方案提供了有效的支持.DSS 可以增強模型的模擬和預測水平

20、.國內學者針對小流域非點源污染問 題,應用GIS實現了農業非點源模型(AGNP)的數據輸入和結果分析功能,調 用篩選模塊生成較優的非點源污染限制技術組合集. 國外學者針對超大型灌溉工 程中地下水污染問題構建了含有 GIS的DSS框架.此外,空間決策支持系統(Spatial Decision Support System ,SDSS 是 DSS 的多模型組合建模技術與 地理信息系統的空間分析技術的融合, 將環境模型有效的結合入空間模型庫, 將 SDSS應用于農業非點源污染防治中不確定性問題的解決以及輔助決策的實現目 前也在研究中.目前,農業非點源污染防治的DS研究,尤其是與GIS集成的DSS 的

21、研究多半還停留在框架研究階段, 真正應用到實際污染防治中的實例還鮮有報 道.3.2.3. 與示蹤技術的集成同位素示蹤技術可以與土壤學原理、 計算機技術相結合, 對農業生態系統中 物質的循環和轉化過程及機理進行研究, 找到農業生態系統中物質的循環特點及 其與作物產量、品質的關系,進而確定污染物的運移路徑、確定污染范圍,為農 業非點源污染的治理指明方向, 針對農業非點源污染具有隱蔽性這一特點提供解決方案,示蹤技術與其它技術的集成使用還可以實現對污染負荷超標的預警. 示 蹤技術在美國已有應用, 研究證實, 示蹤技術可以為農用化學品和抗生素的使用 提供信號.3.3. 農業非點源污染防治的綜合舉措3.3

22、.1. 最正確治理實踐 ( Best ManagementPractices ,BMPs)最正確治理實踐( Best Management Practices , BMP)s 最初由美國國家環保 局針對非點源污染問題提出,并由英、美等國率先應用,且在 20 世紀 70 年代, BMPs在改善流域水質方面的有效性就已經得到驗證. 事實上,BMPs是對綜合控 制舉措的一種統稱. 該方法,是目前防治或減少農業非點源污染最有效和最實際 的舉措.BMP著重于源的治理而不是污染物的處理.BMPs的目標是緩解并改善 現有水質, 使由土地利用引起的水質、 水量問題到達最小； 防治和削減非點源污 染負荷,維持并

23、促進養分的最大利用和最少損失； 實現農戶個人收益與社會收益、 環境收益之間的均衡；根據新獲得的信息尋求 BMPs舉措,及時處理環境問題. BMPs實質上就是一套既不損害生產者的經濟利益,又能將農田營養物質對環境 的危害降至最低限度的治理舉措.BMPs的提出和研究使農業非點源污染防治工作走出了單一方法、技術難以 應對的窘境,隨著研究的深入,BMPs實質上已經演變成一種思想,而并非一種 確定的方法或手段.或者說,BMPs是一個日趨完善的預防、應對、治理農業非 點源污染的舉措集對具體區域、具體問題的響應.BMPs可分為工程舉措和治理舉措.治理舉措又分為養分治理、耕作治理和 景觀治理三個層次. 作為間

24、接治理手段, 水域景觀特征對水質有顯著影響. 這三 個層次雖然在空間尺度上不同,在效果上互相配合,但是都圍繞一個中央原那么, 即最大的保證物質循環的效率, 減少元素的輸出損失, 從而在滿足植物生長需求 的同時降低對環境的影響. 工程舉措既包括修建沉砂池、 滲濾池和集水設施等傳 統的工程舉措,也包括濕地、植被緩沖區和水陸交錯帶等新興的生態工程舉措. 在應用中,BMPs要根據區域特征、污染狀況確定BMPs中包含的具體的治理舉措 和工程舉措,隨著技術的進步,相應舉措會有改良和增加.此外,BMPs在具體實施中還包括經濟手段、非正式制度的社會因素以及教育等因素, 因此,BMPs相 當于一個動態的系統.BMPs的理論研究和體系構建已日趨成熟,由于農業非點源污染防治技術的 最終實施者是農戶,為了有