水體富營養化農業污染防治措施
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農業面源污染是由大范圍分散污染造成的,主要包括農業面源污染,林地和草地的養分流失,農田徑流和固體廢棄物的淋溶污染等[4]。近年來,盡管人們對農業面源污染識別和治理能力越來越強,但農田養分的投入和農田土壤養分的積累及流失量卻在不斷增加,農業面源污染所占的負荷越來越大,農業逐漸成為水體富營養化最主要的污染源,其主要原因:①作物種植面積在流域總面積中占有最大的比例;②土壤、氣候和水文都促使養分從土地向水體轉移;③化學肥料投入越來越大,致使大量養分流失[5]。在美國環保署呈送國會的報告中提到:農業面源污染是河流和湖泊污染物的主要來源之一,從而阻礙了水清潔行動中水質目標的實現[6]。同時,富營養化也是地表水最主要的環境問題。據報道,農業面源污染源占河流和湖泊營養物質負荷總量的60%～80%。另據估計[7],在歐洲發達國家的地表水中,農業排磷所占的污染負荷比為24%～71%。農業生態系統的養分流失是水體中硝酸鹽的主要來源,同時還是磷的第二大來源。據美國、日本等發達國家報道[4],即使點源污染全面控制之后,但如果面源污染控制不好,水體仍無法達標。另據報道,美國的面源污染占污染總量的2/3,其中農業貢獻率為75%左右。現在人們認為農業面源污染為地表水污染物質的主要來源。
在美國Virgin島調查發現[8],由于過去40a間農村經濟迅速發展,大量鄉村未鋪石土路的出現造成了嚴重的水土流失,過量放牧造成的土壤踐踏和地表植被的減少也會加劇地表徑流、土壤流失加重和地下滲漏的減少,致使大量營養物質進入受納水體。在我國,近年來,由于農村勞動力的減少,致使化肥施用量增加,有機肥投入減少,從而導致土壤物理性狀的惡化、土塊板結和土壤通透性降低、地表徑流加大、大量養分流失,造成水體富營養化。據1990年美國調查[6],57%的湖泊受到農田養分流失的嚴重影響。在荷蘭、比利時、德國和丹麥等歐洲國家畜牧業產值占農業生產總值的一半以上。在奶牛、豬和蛋雞消耗的飼料中,約70%的N通過糞便排泄。肉雞飼料約50%的N以糞便排出。據調查,有30%左右的糞便流失,尿液有60%左右流失,沖洗水有80%以上流失[9]。在芬蘭[5],大多數作物種植區域內的水體都表現出嚴重的富營養化,地表徑流中的總氮、硝態氮和亞硝態氮含量與作物種植面積百分比呈明顯的正相關。在滇池的入湖總磷中[10],農業面源磷占28%,而在南四湖則高達68%。我國每年土壤流失量達50億t,帶走的N、P、K及微量元素等養分相當于全國一年的化肥使用總量,其中相當一部分進入了水體中[11]。
2農業面源污染的綜合治理
農業面源污染無法采取集中治理的方法加以解決,但可以根據其污染特點采取針對性的措施減輕其危害。水體富營養化中的農業面源污染可以采用“控源節流”方法進行治理,“控源”即科學合理施肥,也就是平衡農田中的養分,使其輸入(化肥、糞肥、種子、降水等)與輸出(作物、水土流失等)基本一致,減少營養物質的積累量與流失量。“節流”即對水土流失進行控制,減少營養物質流失量。除了以上兩個方面以外,還必須對流域進行全面規劃,科學管理,從而達到綜合治理農業面源污染的目的。
2.1農業面源污染源的管理
這里的農業指的是大農業,即農、林、牧、副、漁。農業面源污染源的管理是指控制肥料施用數量,減少土壤養分積累量,調節飼料中的養分比例,提高養分利用的效率。作物種植和動物飼養是大農業最重要的兩大產業,在發展中國家,種植業在農業中比重很大,其治理核心是搞好土壤養分的管理,平衡養分的投入和產出,減少其流失量。而在發達國家,畜牧業在農業中占據較大的比例,因此飼料和有機肥中的養分管理才是防治農業面源污染的關鍵。
2.1.1動物飼養中的養分管理
在許多地區由于人們對水體富營養化的關注,P通常被作為優先管理因子,一旦飼料和化肥中的磷超出產品所帶走的磷,就會產生磷素的流失[12]。在許多地區都存在這種狀況,尤其是那些家畜飼養業在農業經濟中扮演重要角色的地區。如在美國東北部[6],許多農場在奶牛飼養中通過集中放牧減少了P輸入的數量。集中草場管理的應用還會增加奶牛場的利潤,節省勞動力。同時,隨著環保意識的逐步增強,由于很少輸入飼料,所以減少了外界P素的輸入量。家禽飼料P素吸收的調節也逐步成為關注的焦點。在荷蘭二次世界大戰期間,由于精飼料和化肥供應緊張,導致糞肥中磷素含量下降,土壤中磷的積累量也相應減少,從而減輕了環境中P的負荷量。可見減少飼料中的磷含量和減少施P量可以降低輸入土地中磷的總量。同時,向動物飼料中添加酶制劑也可以提高磷消化吸收的效率。如植酸酶,它能夠提高作物飼料中植酸鈣鎂磷恢復的效率。同時植酸酶還會降低動物對礦質元素的需要量,但它在經濟上是否可行仍有待進一步研究。另外,通過篩選化學誘變玉米突變體,可減少玉米籽粒中植酸磷的含量。在一次雞飼養的試驗中,低植酸玉米可提高磷的利用效率,降低糞肥中磷的含量。因此,通過基因工程來改變玉米植酸磷的含量,可以提高飼料利用率和降低排泄糞便中磷的含量[13]。
2.1.2土壤養分管理
土壤養分管理涉及兩個過程,即施肥前測試土壤中養分的背景值和農學上考慮作物所需的養分量,以此決定化肥的施用量和施用方法。N流失的機制有兩個方面:一是通過淋溶移出植物根區;二是通過地表徑流和土壤侵蝕流失。被施用到土壤中的各種形態的N在化學和微生物活動作用下,首先轉變為NH4+,然后轉變為NO3-,在熱帶和亞熱帶耕作土壤礦質化的轉化速度十分迅速,NO3-若不能被植物完全吸收的話,就會產生淋溶,淋溶速率主要由水滲漏的速率決定,而滲漏速率則取決于土壤特性和降水程度。當表施化學N肥時,由地表徑流產生的N素流失更多。若N肥施于某一定深度,則N素流失主要是通過土壤侵蝕來完成的。據統計,在缺乏管理、休閑耕作的土壤上土壤和養分流失更多。施于熱帶和亞熱帶的磷經歷著一系列動態變化,這主要取決于每種類型土壤的生物化學特性。通常來說,水溶性磷慢慢地轉化為非溶性磷,這個轉化過程主要由土壤中Fe、Al、Ca的活力決定。不同形態的磷通常與土壤中的可溶性磷會達到一定平衡狀態,另一個重要的參數是土壤固定磷的能力,它決定植物吸收利用磷的效率,植物對各種形態磷的利用能力和程度是不一樣的,磷在土壤溶液中的溶解度很低,并且很難向下運動,因此磷不會對地下水造成污染[15]。最重要的是地表徑流或土壤侵蝕攜帶大量磷進入受納水體,從而導致地表水體的富營養化。在農業面源污染防治中,農田養分平衡是目前急需解決的重點問題。其中最為嚴重的是化肥的過量施用,許多研究表明當化肥施用量超過一定水平以后[12],其養分流失量顯著增大,但減少化肥施用量或不施,其養分流失量差別不大,而作物產量卻急劇下降,這主要是由于土壤養分大量積累,而土地保肥能力較差造成的。據魯如坤等人[16]對我國南方6省農田養分平衡現狀評價時發現(如表2),6省農田氮、磷、鉀素平衡均處于盈余狀態,一般當農田氮素平衡盈余超過20%、磷素超過150%、鉀素超過50%時,即分別可能引起氮素、磷素和鉀素對環境的潛在威脅。其中最嚴重是在福建和廣東兩省,氮素盈余達到了185%,磷素盈余均超過300%,鉀素盈余為80%。
而據全國來說,我國農田氮素投入過大,大部分盈余的氮并未在生產上起作用卻進入了環境。我國農田磷素也處于盈余狀態,而更嚴重的是土壤磷的積累現象,這對地表水構成了潛在威脅。在我國農田鉀素平衡達到盈余狀態的并不多見,大多處于虧缺狀態。因此,推廣平衡施肥技術勢在必行,目前主要采用的施肥措施有:①葉面施肥、分次施肥、濕潤施肥、測土配方施肥、化肥深施、秋季施肥、飛機施肥、施液態肥和定點施肥,可以有效地提高化肥利用率,減少化肥施用量,降低養分流失的風險性;據有關學者在蘇南太湖流域研究發現[17],分次施肥能促進水稻對土壤氮素的吸收,當施氮量相同時,水稻對氮的利用率隨施用次數增加而提高。②平衡施肥技術,其內涵就是實行3個“平衡”,即有機肥與無機肥平衡施用;氮、磷、鉀素平衡施用;大量元素與中微量元素平衡施用。針對現在的施用狀況,一是要增加有機肥的投入,培肥土壤肥力;二是要控制和減少氮肥總量,協調氮、磷、鉀施用比例1∶0.3∶0.5,增加施用硅肥、硼肥和鋅肥等;③生物固氮,如豆科作物和非豆科作物及含固氮菌的菌肥,可以減少化學氮肥的施用量;還有使用比較廣泛的解磷菌肥和酵素菌肥,解磷菌肥能把土壤中的硅酸鹽態磷轉化為速效磷,供植物充分利用,既能降低土壤磷素流失的潛在危脅,又能減少磷肥的投入量[18];酵素菌肥是目前在生產上使用比較廣泛的一種微生物菌肥[19],該菌肥具有多種功效:增強植物抗逆性、減少土傳病害、提高土壤溫度、促進土壤團粒結構的形成、提高土壤肥力和減輕農藥、化肥殘留等,是生產綠色食品和提倡清潔生產的首選肥料,特別是在蔬菜種植業應積極推廣;④開發新型肥料,主要有3種類型:控制釋放型、高氮型和高磷型[9],逐步淘汰易揮發性流失品種如碳銨,推廣高濃度的復合肥及作物專用配方肥,提高化肥利用率;提倡施用有機無機復合肥,復合肥具有長效、緩釋、養分均衡等特點,適合于植物吸收,既能克服單純施用化肥利用率不高、易流失的缺點,又能克服單純施用有機肥養分含量低,施用量大、花勞力的缺點,可以起到長效與速效相結合,養地與用地相結合,提高肥料利用率和作物品質。環境問題的關注已經迫使美國許多州開始根據農田徑流中磷素損失的潛力來考慮磷素施用和流域管理[6]。然而,僅僅根據土壤中磷素的水平來評估農田土壤磷素流失的潛力是不科學的。土壤磷素的有效管理涉及到許多因子,如化肥和有機肥的施用量、施用時間、施用方法及其磷素在植物根區的積累。
這些措施都可以減少磷素在地表徑流中的暴露程度和增加作物磷素的吸收量以及作物產量,從而間接地減少農田中磷素的流失量。然而,這種措施是暫時的,并非長久之計,根本的解決方法是控制土壤侵蝕。另外[20],據報道儲存于我國農業土壤中固定態(難溶態)磷(P2O5)的總量目前可達6000萬t,相當于全國目前磷肥10a消費量的總和。因此,通過作物磷高效利用基因型的改良與定向培育,施用含解磷菌的菌肥,如果能充分挖掘及利用這部分磷,不僅可以節省大量資金與能源,而且更重要的是加快了磷的生物循環,并有效地阻止了磷素的流失及對環境的污染,對維護生態系統的良性循環及農業的可持續發展也具有重要的作用[11]。我國地少人多,為保障糧食供給,農田生態系統的磷素投入在相當長的時間內還要呈上升趨勢,農田土壤中的磷素還將進一步積累。通過優化景觀格局,合理配置土地資源來提高土壤保持養分的能力,減輕農田土壤磷素流失,具有實用、高效和投資少的特點。發達國家目前采取的各種行政、法律和經濟的手段,鼓勵和刺激農民運用更加有利于環境的耕作方法、施肥制度和土地利用方式,取得了顯著成效,值得人們認真借鑒。
2.2養分轉移途徑的管理
非點源污染的發生、轉移和轉化與景觀格局之間也有著十分密切的關系,通過對景觀要素的優化組合或引入新的成份,調整或構建新的景觀格局,增加景觀的異質性和穩定性,可以顯著地降低非點源污染的發生和由此產生的危害,同時還可以創造出優于原有景觀生態系統的經濟和生態效益,形成新的高效、和諧的人工-自然景觀。許多學者研究結果表明,不同的土地利用結構對農田土壤養分的分布和平衡有著顯著的影響,對土地資源進行優化配置,可以起到提高水土保持能力和減少養分流失的效果。
2.2.1
濕地在控制農業面源污染中的應用濕地是陸地和水體的過渡帶,它能夠容納高負荷的有機化學物質和高生物化學需氧量(BOD)或化學需氧量(COD)的廢棄物[10]。已有實驗證明,地表水和河流水的水質與淡水濕地的現存量呈正相關。一旦濕地縮小或消失后,則水體會接受來自外部輸入營養物和其它的物質,造成水體的富營養化[23]。濕地作為生物過濾器功能的利用,主要利用濕地研制和發展污水處理系統。近年來,由于人工濕地在建造過程中投資低廉,在處理污水的過程中管理簡單,且基本上不需要運轉費用,還可增加綠色面積,可以起到美化環境和凈化大氣污染的作用,并能為某些特定的生物物種提供固定的棲息地,這種技術在美國、德國、英國等國發展很快,并且得到政府的大力支持。目前,自然濕地和人工濕地主要用來處理來自小城鎮的二級處理水[24]。在瑞典[14],通過恢復池塘和濕地系統的功能后發現,其治理養分流失的效率顯著提高,他們認為:為了達到減少農業養分流失的目的,必須在采取農業措施的基礎上逐漸恢復池塘和濕地系統,才能較好地治理水體富營養化。濕地去除氮磷的效率變化很大,主要取決于濕地的特性、負荷速率和所涉及的營養物質。通常來說,濕地的去氮效率比去磷效率高,這主要是由于N、P循環過程存在較大的差異,但是許多實驗還是證實濕地能夠有效地截留水體中的磷。在濕地系統中,所有的生物化學過程可以把可溶性磷轉化為顆粒磷,再通過沉積作用進入地球圈。在濕地中通過濕地植物直接吸收的磷素養分一般很少,而大約95%的磷被滯留在沉積物中。新建造的濕地通常具有較高滯留磷的能力,而隨著“年齡”的增大,其滯留磷的能力也逐漸下降[25]。成功地去除營養物質主要取決于人工濕地的植被類型和好氧或厭氧條件之間的關系。另外,濕地植物還對金屬離子具有較強的生物富集作用,可以起到消除重金屬污染的目的[12,26]。
2.2.2建立、恢復和利用緩沖區、水陸交錯帶來防治農業面源污染
農業面源污染是水體富營養化的一個重要原因,因此阻止農業面源污染成為了水體富營養化防治的關鍵。國外許多國家在這方面開展了廣泛研究,目前正在實驗開發用于此種目的的設置有美國的植被過濾帶(Vegetatedfiltertrips),新西蘭的水邊休閑地(Retirementofriparianzones),英國的緩沖區(Bufferzones),中國的多水塘和匈牙利的Kis-Palaton工程[27]。英國政府建議在污染源與接納水體之間建立緩沖區(Bufferzones)來控制農業面源污染。所謂緩沖區就是指永久性植被區。許多研究已經表明,緩沖區能有效地去除水中N、P和有機污染物,其效率取決于污染物的運輸機制。緩沖區的寬度一般為5～100m,大多數位于水體附近,這種緩沖區降低了潛在污染物與接納水體之間的聯系,并且提供了一個阻止污染物輸入的生化和物理障礙帶。緩沖區的植被通常包括樹草和濕地植物,緩沖區成為控制農業面源污染最有效的方式。在美國,植被過濾帶也被認為是最好的治理措施。表4列出了緩沖區對磷處理效果的一些研究實例。一系列試驗結果表明,緩沖帶能夠有效地降低地表水中硝態氮的含量,其作用機制在于許多過程的聯合作用,它能夠減小地表水流動的速率,從而提高大型土壤顆粒的沉積作用。當地表水發生滲漏時,緩沖區的葉層和土壤能夠有效地阻止懸浮顆粒。地表水在緩沖區上的空間分布決定著它阻止養分的效率,當緩沖區內有一條小溝時,其滯留硝態氮的效率會大大降低。緩沖區能夠減小地表水中氮素含量的主要原因是它能加劇下列過程:植物吸收、微生物代謝、硝化和反硝化等過程。其中反硝化是去除地表水中養分的最關鍵過程[29]。Pinay等人[30]證實在夏秋兩季,反硝化作用和植物吸收能共同移去地表水中的硝態氮,而在冬季和春季,地表水中的硝態氮主要是通過反硝化作用去除掉。MarietM.Hefting等人[31]通過試驗發現,當地表水流經水岸緩沖區后,地表水中硝態氮含量降低了95%,在森林緩沖區上層土壤(0～30cm)中測定的反硝化速率是9～200kgN/(hm2•a),而草地緩沖區中反硝化速率是1.2～32kgN/(hm2•a),其原因主要是森林緩沖區的土壤內具有更高的硝態氮含量和水滯留時間。
但也有研究發現,緩沖區能夠顯著降低地表徑流中總磷和顆粒態磷的含量,卻增加了可溶性磷的含量[25],其在治理水體富營養化方面是否可行,還必須依據當地的實際情況而定。內陸水/陸地交錯帶(簡稱水陸交錯帶)指的是內陸水生態系統和陸地生態系統之間界面區。由于它在系統間的特殊地位,近年來受到國際生態和環境界的格外重視。水陸交錯帶按其景觀作用可分為以下4種:湖周(包括水庫、沼澤)交錯帶,河岸交錯帶,源頭交錯帶,地下水/地表水交錯帶。發育良好的水陸交錯帶具有一定的結構,在自然條件下,其分布呈現與水邊相平行的帶狀。其微地貌常以“水陸-沼澤帶-洲灘帶-低濕地帶-陸地”結構出現。其植被依當地的氣候、土壤、坡度以及水體的富營養化程度和水文特點各異[32]。水陸交錯帶是開放的系統,物質、能量和信息通過交錯帶向鄰近的系統流動。研究結果表明,一個健康的水陸交錯帶可以對流經此帶的水流及其所攜帶的營養物質有截留和過濾作用,其功能相當于一個對物質具有選擇性的半透膜[27]。尹澄清等學者發現[32],我國的人工多水塘系統具有很強的截留來自農田的徑流和非點源污染物的生態功能,另外,他們還在白洋淀進行的野外實驗結果表明水陸交錯帶中的蘆葦群落和群落間的小溝都能有效截留來自上游流域的污染物。
其中,有植被290m長的小溝對地表徑流總氮和總磷的截留率分別為42%和65%;4m蘆葦根區土壤對地下徑流總氮和總磷的截留率分別為64%和92%,被截留最大的是無機態的正磷酸根態磷和銨態氮,這兩者正是造成水體富營養化的主要因子。Peterjohn等[33]和Mander等[34]均發現恢復河岸森林植被帶能有效地截留來自農田的養分和泥沙,地表徑流總氮和總磷顯著減少。初步研究結果表明,水陸交錯帶對流經的污染物和養分具有明顯的截留作用,其截留機理十分復雜,主要是水陸交錯帶的植被能夠減緩徑流速度,導致較大顆粒物發生沉積。當水發生地下滲漏時,植物的葉層和土壤都會截留徑流的懸浮顆粒物,從而起到截留效果。其截留能力受多種因素的影響,包括交錯帶的寬度,植被和土壤類型等[34]。據估計[32],我國水陸交錯帶面積有10萬km2,其中蘆葦植被約133萬hm2。因此,充分利用這一資源,對于防治我國的水體富營養化問題具有十分重要的意義。
2.3開展小流域綜合治理,控制水土流失
從地表徑流和泥沙攜入湖的的氮、磷在外負荷中占較大的比例,因此治理水土流失才是解決水體富營養化問題的長久之計。換言之,所有控制水土流失的對策都可以治理水體富營養化問題[35]。在大于25°陡坡地要退耕還林,所有河流上游匯水區的輕、中度水土流失區均應大力營造水涵養林和水土保護林,并加強封山育林和幼林撫育。如果政策落實,措施得當,可以較大地提高森林覆蓋率,從而減少水土流失面積,降低進入受納水體的營養物質的數量。在人口密度高,水土流失嚴重地區,應改變肥料結構,提高施肥技術,增施有機肥料,科學使用化肥,推廣優良農作物品種,增加復種指數,改兩熟制為三熟制,解決林、糧爭地的矛盾,大力推廣和普及節柴灶,發展生物能源沼氣,提高物流和能流轉化效率,以減少氮、磷流失。如我國江西省和四川省最近幾年逐漸完善的“種植-養豬-沼氣”生態模式[36],以種植業帶動養豬業,以養豬業帶動沼氣工程,又以沼氣工程促進種植業和養豬業的發展,最終是豬多肥(有機沼肥)多,肥多糧多,糧多錢多,如此往復循環,使生物能得到多層次的重復利用,從而顯著降低了化肥的使用量,提高了養分的利用效率,達到綜合治理水體富營養化的目的。另外,在適當區域構筑必要的攔水截沙引水槽、攔沙壩、山塘等工程設施,以減少泥沙沖刷,也可取得防治水體富營養化的良好效果。
3農業面源污染治理的難點
總的來說,農業面源污染具有以下幾個方面的特點:①污染者數目,指大量污染個體的存在,管理者獲得污染者個體的信息以及污染者之間獲得信息者存在困難;②空間差異,是指同樣的行為在不同位置會有不同的環境影響;③隨機影響,即大多數面源問題都涉及隨機變量或生產中的隨機影響[9]。在農田流失養分的轉運過程中[37],不同的流域條件影響著溶解性和顆粒性磷的分配,從而影響著養分可利用程度和對水體富營養化產生不同的效應。因此,減少農田養分流失的所有治理措施都應以減少藻類可利用的養分為目的,以此達到治理水體富營養化的目的。由于農業面源污染具有以上幾個方面的特點,因此,它的治理無法采取象點源污染那樣集中治理的方法加以治理,只有從整個農業生態系統或流域出發,建立穩定、和諧和良性循環的生態系統,才能既減少面源污染的數量,又使系統具有較強的面源污染凈化能力,使其營養物質和有害成分在進入受納水體前就顯著降低,從而從根本上達到治理面源污染的目的[38]。
