【研究】我国农业面源污染治理技术研究进展

2016-08-31 杨林章等 农业环境科学

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本文重点介绍了当前我国农业面源污染的状况、农业面源污染的成因及特征,并从农村生活污水的治理技术、农村生活垃圾的处理处置技术、农田径流生态拦截技术以及包括化肥减量化技术和农药减量化与残留控制技术为主的农业化学品减量使用技术等方面介绍了我国农业面源污染治理研究的发展现状，提出未来我国农业面源污染治理的系统控制思想和相关技术研究的趋势, 包括系统控制与区域治理结合、技术研发与工程示范结合、面源污染控制与管理结合及建立健全国家级农业面源污染监测评价与预警体系等。

小鱼

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面源污染, 亦即非点源污染(non-point source pollution), 是相对于排污点集中、排污途径明确的点源污染而言的。农业面源污染主要包括农用化学品污染(化肥、农药等)、集约化养殖场污染、农村生活污水污染等方面。对于中国绝大多数流域, 如太湖、滇池流域等, 农田径流、畜禽场径流以及城乡结合部污水排放和垃圾堆放是造成面源污染的主要原因。据第一次全国污染源普查资料显示, 在我国主要污染物排放量中, 农业生产(含禽畜养殖业、水产养殖业与种植业)排放的COD、N、P 等主要污染物量, 已远超过工业与生活源, 成为污染源之首,其中COD 排放量占总量的46%以上, N、P 占50%以上。在农业生产过程中, 种植业的农药、化肥、地膜等农用物资的不合理和过量使用, 在降水或灌溉过程中, 污染物通过农田地表径流、农田排水和地下渗透进入附近水体, 引起水体的污染已形成共识,由此导致的农业面源污染问题日益突出。农业面源污染正在成为水体污染、湖泊富营养化的主要原因, 已严重影响到我国的水环境质量、生态环境健康, 制约了我国经济社会的可持续发展。对农业面源污染的控制不仅成为水污染治理的重中之重, 也逐步成为现代农业和社会可持续发展的重大课题。

1 农业面源污染的成因及特点
农业面源污染根本原因在于粮食安全压力大,从而导致农用化学品的过量使用。目前, 我国已经成为世界上最大的化肥生产和消费国。施肥技术落后、肥料和灌溉水利用率低是导致氮素损失的主要原因。在东部发达农区氮肥施用量较高, 施肥阶段与作物需求脱节, 易于导致较高的N 损失。同时, 过量的灌溉也容易引起营养元素的流失, 进而加剧对水环境的威胁。如我国的苏南地区, 年均施纯氮600~675 kg·hm⁻², 而其利用率平均为20%~25%。

肥料养分施用比例失调, 偏施、重施单一化肥,N 的比重过大, N、P、K 养分的比例不协调, 限制了N 利用率的提高; 另一方面, 化肥施用比例过高, 有机肥比重较少, 导致土壤物理性状变差、团粒结构遭到破坏、土块板结、保水保肥能力降低, 从而加大了养分的地表径流, 养分流失加剧。

城镇化发展、地面硬化程度的提高, 加速了面源污染物质的扩散和迁移。镇、村居民点地表径流也已成为水环境污染或水体富营养化的重要来源。此外, 集约化养殖发展迅速, 废弃物处理率低下,以及农业技术推广滞后, 公众缺乏环境意识, 也是农业面源污染日趋严重的重要因素之一。

农业面源污染具有分散、随机、难监测等特点。面源污染主要以扩散的方式发生, 一般与气象事件的发生有关, 加之流域内土地利用状况、地形地貌、水文特征、气候、土壤类型等的不同, 导致面源污染时空分布的不均一性。此外, 由于降雨、水文条件变化的随机性, 直接影响了面源污染发生的时间、区域及强度, 致使面源污染的发生也具有随机的特点。而面源污染的分散、随机发生, 致使人们无法在发生之处进行及时监测, 真正的污染源头难以跟踪, 即面源污染具有发生时间、发生源、污染物浓度3个不确定性因素, 这给面源污染的治理带来了较大难度。

2 农业面源污染治理研究现状

2.1 农村生活污水治理技术
近 20 年来, 国外在农业面源污染控制实践中,农村生活污水治理研究得到了较大发展。国内在消化、吸收国外先进技术的基础上, 对生活污水处理技术进行了集成及创新, 尤其针对我国农村分散式生活污水处理, 开展了技术研究与工程实践, 取得了较好进展。

人工湿地污水处理系统是一种研究较为广泛的污水处理系统。它是在自然湿地基础上发展起来的污水处理生态工程技术, 利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用来实现对污水的净化。澳大利亚科学和工业研究组织(CSIRO)研制的“FILTER”污水处理系统则是一种“过滤、土地处理与暗管排水相结合的污水再利用系统”。其特点是过滤后的污水都汇集到地下暗管排水系统中, 并设有水泵, 可以控制排水暗管以上的地下水位以及处理后污水的排出量。“FILTER”系统对生活污水的处理效果好, 其运行费用低, 特别适用于土地资源丰富、可以轮作休耕的地区, 或是以种植牧草为主的地区。毛细管渗滤沟污水处理, 是一种基于土地的地下污水渗滤处理系统, 它利用了自然净化能力,是一种简单、高效的小规模污水处理工艺, 特别适用于污水管网不完备的地区, 是一项处理分散排放的污水的实用技术。

蚯蚓生态滤池处理系统是近年在法国和智利发展起来的一项针对农村生活污水的处理技术, 该工艺仅通过向土壤处理系统中接种蚯蚓, 改善生态滤池的处理环境, 提高污水处理效率, 适宜用于农村生活污水处理。李军状等采用塔式蚯蚓生态滤池处理系统对集中型农村生活污水进行处理, 该系统对COD、NH₄⁺-N、TN 和TP 的平均去除率分别为86.7%、91.3%、72.4%和96.2%。不过, 如何长期保持蚯蚓良好的活性, 是该技术面临的一个重要问题。另外, 对蚯蚓生态滤池处理系统的长期运行效果, 尚需检验。

稳定塘处理系统是由美国加州大学伯克利分校的Oswald 提出的, 是一种利用天然净化能力的生物处理构筑物的总称, 主要利用菌藻的共同作用处理废水中的有机污染物。Babu 等的研究证明, 其建造的藻类稳定塘的主要除N 机理是硝化−反硝化、藻类对N 的利用以及矿化作用。赵学敏等对滇池流域大清河生物稳定塘系统中的水质净化效果进行了分析, 结果表明, 生物稳定塘系统对TN、TP、NH₄⁺-N、BOD₅ 和COD 的去除率分别达29.29%、48.68%、33.68%、68.14%和71.25%。

生物膜处理技术是近几十年来得到迅速发展的污水处理方法。生物膜法就是利用微生物分解功能,采取人工措施来创造更有利于微生物生长和繁殖的环境, 使微生物大量繁殖, 以提高对污水中有机物的氧化降解效率。吴迪等对改进后的“一体化生物膜技术”处理农村生活污水进行了实际应用, 监测结果表明, 其对COD、BOD、NH₄⁺-N、TN、TP 和SS平均去除率分别为75.6%、85.9%、86.7%、63.9%、69.3%和85.5%。吴永红等系统研究了自然生物膜对于N、P 等营养元素的去除效果和机理。其N、P去除机理首先是生物膜利用沉积于膜上的有机物为营养物质, 将一部分物质转化为细胞物质, 进行生长繁殖, 成为生物膜中新的活性物质; 其次由于生物膜的蓬松的絮状结构, 微孔多, 表面积大, 具有很强的吸附能力。

2.2 生活垃圾和农业废弃物处理技术
生活垃圾、农作物秸秆、畜禽养殖废弃物等是我国农村主要的固体废弃物, 实现农村固体废弃物的资源化是当前农村生态环境建设的重要内容。由于生活垃圾来源和成分复杂, 目前的主要处理方式以“村收集−镇转运−县(市)集中处理”为主, 大部分被集中填埋或焚烧, 少部分与农作物秸秆、畜禽养殖废弃物等进行堆肥化处理。高温堆肥过程中如何减少N的损失是高温堆肥要解决的关键技术。

农作物秸秆是农村主要的固体废弃物, 目前其资源化率还比较低, 部分地区农作物秸秆的焚烧已导致严重的生态环境问题, 尤其在我国的东部地区。目前, 农作物秸秆的处理以还田为主, 包括部分还田或全量还田。随着作物收获机械的改进, 秸秆全量还田已成为主要还田方式。此外, 秸秆打捆收获后用作能源、建筑材料、花卉盆钵等新型资源化方式也已形成一定的规模。

畜禽粪便是农业面源污染的主要来源, 已经成为经济发达地区或水环境敏感地区优先控制的污染源。在中国的传统农业中, 畜禽粪便是优质的农家肥, 不仅能提供农作物生长所需的养分, 也能改善土壤物理化性质, 是中国农业数千年持续发展的重要物质基础。畜禽粪便资源化的主要途径是农肥化,固体部分经发酵后生产优质有机肥, 再进行还田以实现循环利用。液体部分目前主要处理方式包括厌氧发酵生产沼气, 或直接进入污水处理工程进行净化, 或与农村的固体废弃物如秸秆、生活垃圾等进行联合发酵。其中沼液的安全处置是当前急需要解决的关键问题。

2.3 农业化学品减量化技术
2.3.1 化肥减量化技术
我国是世界上化肥施用量最多的国家, 肥料的平均利用率只有30%左右, 大多数养分随径流、渗漏和挥发等途径损失掉了, 不仅浪费了资源, 而且加剧了水体富营养化。因此, 根据不同地区的实际情况研究减量施肥技术具有重大的意义。目前主要的化肥减量技术有以下几种:

氮肥运筹优化技术: 在施氮量相等的情况下,合理调整基追肥的分配比例, 如太湖流域的稻田土壤, 基于目前常规施肥量, 将基肥施用量削减20%,可有效地协调当地的经济效益和环境效益。Qiao等的研究证实, 在太湖地区水稻产区通过两年连续试验, 消减50%的施氮量(相对于常规施氮量)并未显著影响水稻产量。何传龙等在巢湖地区根据蔬菜地养分供应能力和甘蓝的营养特性, 运用减量平衡施肥技术, 使肥料施用量减少30%, N、P、K 肥利用率分别提高27.3%、23.4%和23.5%, N、P 淋失量分别减少90.0%、78.4%。但是此类研究一般局限于较短时间, 对于长期减量施肥对作物产量有何影响, 尚需进一步探明。

种植制度优化技术: 比如稻麦轮作制中引入豆科绿肥, 既可降低旱季的施氮量, 又可补充稻季的氮素。在太湖地区进行的水稻−紫云英轮作试验结果表明, 冬季将小麦改为紫云英, 稻季不施用化学氮肥, 水稻产量可达到农户常规产量的95%左右, 如果补充农户施氮量的30%, 则可获得与农户正常产量相当的产量, 或略有增产。王静等在滇池流域蔬菜产地的调查表明, 合理的轮作模式可减少蔬菜地N、P 的盈余量。

缓控释等新型肥料技术: 缓控释肥料中养分的释放与作物养分需求比较吻合, 养分的释放供应量前期不过多, 后期不缺乏, 具有“削峰填谷”的效果,可以大大降低向环境排放的风险。田琳琳等在太湖流域大田蔬菜地的试验结果表明, 在蔬菜生产中,“低量控释肥+低量化肥”是兼具经济效益和环境效益的施肥模式。但是目前缓控释肥费用相对普通化肥较高, 限制了其广泛使用。

施加土壤改良剂控制N、P 流失: 生物质炭(biochar)由于其良好的吸附性能、低廉的成本以及良好的生物亲和性, 将其运用于农田营养盐释放控制,受到研究人员的关注。Ding等在农田表层20cm的土壤施加0.5%的生物质炭, 可以减少15.2%的NH₄⁺-N 损失量。姬红利等以滇池设施农业土壤和坡耕地土壤为研究对象, 采用外源施用土壤改良剂(硫酸亚铁、硫酸铝和聚丙烯酰胺)和土壤消毒剂(五氯硝基苯)的办法, 研究了土壤改良剂对土壤解吸过滤液中TP 和TDP浓度变化的影响。野外田间试验表明: 施加改良剂后, 径流雨水中TP 和TDP 值明显降低, 上述土壤改良剂的施用对降低P流失具有明显效果。但是其经济性与环境风险如何尚待进一步研究。

2.3.2 农药减量化与残留控制技术
在化学农药减量施用方面, 当前主要发展趋势是由化学农药防治逐渐转向非化学防治技术或低污染的化学防治技术。近年来, 江苏省多家单位联合开展水稻化学农药污染控制技术研究, 针对水稻螟虫、灰飞虱、条纹叶枯病与纹枯病等重大病虫害, 研究开发了多项无公害关键技术, 在水稻核心示范区减少了30%农药用量。卢仲良等选用高效低毒的三唑磷、丙溴磷、井冈霉素、噻嗪酮、毒死蜱等药剂进行施药, 增产6.97%。在农药残留生物降解方面,国内外做了很多研究工作, 包括细菌、真菌、放线菌等各种降解农药的微生物菌株相继被分离和鉴定,用以降解有机磷、有机氯和三嗪类除草剂、氨基甲酸酯类、拟除虫菊酯类等多种农药。近年来伴随着基因工程和分子生物学的发展, 构建高效工程菌是当前研究的热点, 将高效降解农药酶的基因构建到载体上, 经转化获得工程菌, 以期提高具降解作用的特定蛋白或酶的表达水平, 从而提高降解活性。但是目前的研究仍然存在不足, 大多数研究以实验室研究为主, 降解机理研究不够深入, 中间产物难以检测, 技术零散、集成度低、配套性差和展示度低等仍然是目前我国集约化农田农药减量化与残留控制需求中的突出问题。

2.4 污染物质的生态拦截技术
农业面源污染物质大部分随降雨径流进入水体,在其进入水体前, 通过建立生物(生态)拦截系统, 有效阻断径流水中的N、P 等污染物进入水环境, 是控制农业面源污染物的重要技术手段。国外主要是设置宽广的生物隔离带来控制N、P 的径流迁移, 如加拿大一种“草地−树木过滤带系统”, 可以显著降低径流的污染物含量。杨林章等结合太湖地区实际情况提出了生态拦截型沟渠系统, 它主要由工程部分和植物部分组成, 能减缓流速, 促进流水携带颗粒物质的沉淀, 有利于构建植物对沟壁、水体和沟底中逸出养分的立体式吸收和拦截, 从而实现对农田排出养分的控制。沟渠系统对农田径流中TN、TP的去除效果分别达到48.1%和40.2%。但是, 在生态沟渠的农田规划和设计标准、两侧及岸边植物品种筛选及空间配置技术、水生经济植物的品种筛选及空间配置技术、浮床植物的肥药管理技术、浮床植物残体的再利用技术以及植物的高效N、P 利用机制等的研究还需要进一步拓展和深化。

3 未来农业面源污染治理的发展趋势

3.1 系统控制与区域治理结合
面源污染已经成为我国农村的主要污染源, 也是导致河流、湖泊水体富营养化的重要污染源。如何有效地控制农村的面源污染是消减河流污染负荷、减轻湖泊富营养化危害、改善河流湖泊水质的重要前提。在过去单项技术突破的基础上, 对面源污染实行系统控制, 实施面源污染的“源头减量(reduce)—前置阻断(retain)—循环利用(reuse)—生态修复(restore)”的“4R”技术体系, 从而达到全类型、全过程、全流域(区域)的控制, 是我国农业面源污染治理的发展方向。

3.2 技术研发与工程示范结合
面源污染的治理是一个综合性工程, 高效实用的面源污染治理技术是改善农村生态环境的重要支撑, 尤其是开发适合我国农村居住特色、高度集约化的生产方式的面源污染治理技术更加迫切。同时我国是一个资源短缺的国家, 而面源污染中主要污染物是N、P 等, 实现N、P 的循环利用, 不仅可以减少其对水环境的污染, 也可补充农作物生产所需的养分, 实现污染治理与养分利用的双赢。在技术突破的基础上, 把技术转化为治理工程是面源污染治理的重要保障。

3.3 面源污染控制与管理结合
农业面源污染来源复杂, 涉及部门众多, 与千家万户密切相关。要确保面源污染治理取得实效,必须建立农村面源污染管理体系。包括农村污染物的堆放与收集条例、污染物的处理处置规定、污染物治理技术规范、污染治理工程长效运行与维护条例等。同时, 在农村要进行生态文化与环保意识的教育, 提高农户的环保意识与参与程度, 以实现面源污染治理的长效化。在政策保障方面, 要研究与面源污染控制相关的生态补偿政策、产业转型政策、税收调控政策等, 并逐步开展试点和示范。

3.4 建立健全国家级农业面源污染监测评价与预警体系
鉴于我国土地利用方式和农业生产的多样性,应在不同类型区建立农业面源污染的监测系统, 摸清农业面源污染的主要来源及负荷量, 主要的排放途径与时空分布, 识别面源污染的高风险区域, 为有效控制面源污染提供基础数据与依据。在国家级农业环境监测网络的基础上, 通过数据分析与系统集成, 建立农业面源污染的预警体系, 及时发布污染风险预警, 为全面控制农业面源污染奠定基础。