农村面源污染治理的“4R”理论与工程实践 —— — 源头减量技术

【点击上方  蓝色字体--关注我们！】

摘要: 

农村面源污染因其污染源的高度分散性及污染排放的时空不确定性等特征，使得从源头上控制污染物的产生变得尤为重要。本文在自己已有工作的基础上，系统总结梳理了国内外的源头减量技术，并按照技术原理进行分类阐述。研究表明，源头减量可以通过减少肥料用量或者减少排水量两种途径实现。减少肥料用量，可采用基于目标产量和肥料效应函数的氮肥优化技术、按需施肥技术、平衡施肥技术、有机无机配合技术或者使用新型缓控释肥等技术，也可通过改变轮作制度等来实现。从源头上减少排水量，则需要对水分进行优化管理，旱地采用水肥一体化技术，水田采用节水灌溉技术，坡耕地采用保护性耕作等技术等。减量技术的应用要兼顾作物产量和经济效益，并结合区域环境特征，因地制宜。源头减量技术的研发要顺应时代要求，以节本省工为目标，逐步向智能化、机械化迈进。源头减量的同时，要配置生态拦截技术等，并对污染物中的氮磷养分进行回用，最终实现污染物减排的最大化。

要打造美丽乡村，必须对农村面源污染进行控制。农村面源污染中，化肥尤其是氮肥的大量使用是最重要的来源。据调查，我国氮肥利用率为 30%~35%，磷肥利用率仅为 10%~20%，每年农田氮肥的损失率在33.3%~73.6%之间，平均总损失率约 60%。农村面源污染因其污染源的高度分散性以及污染排放的时空不确定性，使得管理者很难确定具体的责任主体和责任分担。鉴于过程监控的难度和末端治理的滞后效应及高成本等，从源头控制污染物的产生及其进入环境是防治农业面源污染的最佳对策。

本文以农村面源污染的主要来源—— — 种植业为主要研究对象，着重阐述农田氮磷养分损失的源头控制技术，并根据其技术原理进行分类概括，总结了技术的应用效果及其适用范围，以期为从事农村面源污染治理的相关人员提供借鉴参考。

1 基于增效原理的优化施肥技术 

优化施肥技术以保证作物产量为核心，以作物养分需求为指导，并考虑土壤的养分供应能力进行施肥，使得施入的肥料尽量能被作物完全吸收利用，从而提高肥料利用率，达到减少化肥投入，降低面源污染的目的。

具体分以下4个技术：（查看全文，请点击文末左下方“阅读原文”）

1.1 基于目标产量和肥料效应函数的氮肥优化技术

1.2 基于作物冠层光谱或叶色的按需施氮技术

1.3 平衡施肥技术

1.4 新型缓控释肥技术

2 有机肥替代减量技术 

这类技术多以农业废弃物如秸秆、处理过的畜禽粪便、沼液沼渣、菌渣、绿肥等富含一定 NP 养分的有机物料来替代部分化肥，利用有机物料中养分缓慢释放的特点，达到减少化肥用量，减少面源污染排放的目的。稻麦轮作系统采用有机肥与无机化肥配施, 与传统农户施肥处理可减少氮用量 25%左右，产量略有增加，氮肥利用效率增加，稻季径流氮损失减少 6%~28%，麦季径流和渗漏损失减少 25%~46%；与等氮量的纯化肥处理相比，径流减排效果因径流产生的时间而变化，若径流发生在施肥后期，有机肥处理因其养分缓慢释放特性而导致径流损失略高于纯化肥处理，若径流发生在施肥后一周内，则低于纯化肥处理。秸秆还田处理使稻麦两熟制农田周年作物产量略有增加，减少稻麦周年的氮磷径流损失量 7%~8% 。双季稻采用绿肥还田，能减少化肥氮投入 115.5 kgN·hm -2 ，径流氮损失减少 8.9 kgN·hm -2。南四湖沿岸麦玉轮作区玉米季采用麦秸还田处理和有机无机配施处理，在减少化肥氮投入的同时，径流和淋溶无机氮损失减少了 23%和 25% 。露地蔬菜有机无机配施也可提高蔬菜产量，削减地表径流氮磷损失。若采用商品有机肥还田，有机肥的比例以占氮总量的20%~30%为宜，基肥时施入，这样既能维持土壤肥力，保证产量，又不过多增加投入成本，是一项经济简单又能减少面源污染的实用技术。

3 基于种植制度/轮作制度调整的源头减量技术 

轮作制度或者耕作制度不同，化肥的投入量及水分管理方式也会不同，从而造成面源污染产生情况也不尽相同。我们在太湖流域宜兴连续 8 年的定位试验结果表明，与稻麦轮作农户常规施肥模式相比，稻-紫云英、稻-黑麦草和稻-休闲轮作下水稻无氮区产量可达最高产量的 75%~85%，稻季氮肥用量分别减至150 kg·hm -2 和 200 kg·hm -2 时产量还略有增加，径流总氮损失可减少 18%~45%；由于冬季不施氮肥，冬季径流总氮损失减少了 70%~90% 。进一步对稻-紫云英、稻-蚕豆、稻-油菜、稻-休闲和稻麦五种轮作方式的连续 3 年田间数据比较发现，稻-紫云英和稻-休闲的减排效果最佳，能减少径流总氮损失 35%~40%，每667m2 经济效益减少 250~300 元；而稻-蚕豆轮作能在减少径流氮排放 25%~30%的条件下获得较高的经济效益（图 4）。洱海流域水稻 4 种不同轮作模式（水稻-蚕豆、水稻-油菜、水稻-大蒜、水稻-黑麦草）的调查也表明，水稻-蚕豆比水稻-大蒜模式减少氮素流失风险 38% 。利用豆科植物轮作还田, 可提高土壤肥力，降低稻季施肥量 ，减少稻季氮肥流失引起的环境风险；另外，由于冬季不施氮肥有效降低了土壤中速效氮含量，从而使冬季径流氮损失显著减少，无疑是河网地区环境敏感区面源污染削减的有效方法之一。在此基础上，我们又进一步研究了水稻-紫云英轮作下氮肥减量的最大可能性，长期定位试验田的 3年微区试验结果表明，紫云英还田条件下，稻季只补施 33%的化肥氮即 81 kg·hm -2 左右，就能获得与农户施肥模式相同的产量（数据略）。

60%以上的设施菜地在夏季期间处于揭棚状态，而揭棚期（6—9 月）又恰逢降雨高峰期，加上设施菜地土壤硝态氮高残留现象普遍，导致该期土壤硝态氮淋失严重，为氮流失的高峰时期。

该期种植填闲作物，可有效吸收土壤根层氮素，减少径流损失；同时植物的蒸腾作用减少了土壤剖面中的水分，减少了硝酸盐随水分的下移；深根系的填闲作物还可通过根系的下扎将土壤下层养分像泵一样抽上来，从而显著减少了土壤淋洗的风险。太湖地区设施蔬菜轮作体系的揭棚期种植填闲作物甜玉米，可显著降低土壤剖面中硝态氮的含量，减少淋洗液中总氮浓度 22%~64%。填闲作物配合蔬菜的氮肥减量处理，其减排效果更为显著（图 5）。

4 节水灌溉及水肥一体化技术 

农田氮磷等养分的流失是以水为载体，对于旱地，水分还是影响肥料有效性的重要因素，因此农田水分管理对控制农业面源污染的流失起着不可忽视的作用。在旱作和蔬菜生产中，多采用大水畦灌、随水冲肥的方法，造成氮素养分向深层土壤淋失，氮素利用率降低。优化灌溉管理，发展水肥一体化技术（滴灌、喷灌），可有效提高水肥利用率，减少氮磷流失，并缓解土壤次生盐渍化问题。水肥一体化技术与传统施肥相比节肥 30%左右，作物产量相当，蔬菜体内硝酸盐含量降低 30%以上，硝酸盐淋洗减少 1/3 以上。水肥一体化技术实现了平衡施肥和集中施肥，减少了肥料挥发和流失以及养分过剩造成的损失，具有施肥简便、供肥及时、作物易于吸收、提高肥料利用率等优点。但投资较大，并需进行合理的管理和维护，否则易导致滴头堵塞。

稻田田面平整，犁底层结实，并在田埂的保护下形成封闭径流体系，只有在特殊情况如暴雨发生时，田面水才会溢出形成机会径流。因此，通过水分管理在源头上控制氮磷流失是可行的而且较易实施。在同一施氮水平下，水稻控制灌溉可明显减少灌水次数和灌水量，节水 25%左右，并降低渗漏水量 32.7%，尽管渗漏水中氮浓度略有上升，但渗漏氮损失量仍减少了16%~49%，产量还有所增加。水稻采用间歇灌溉和湿润灌溉比常规淹灌能显著减低排水中氮磷浓度。张志剑等提出了稻田“零排放”水分管理模式，即在节水灌溉的基础上，综合降雨信息，将田间烤田取代人工田间排水，确保在水稻的全生育期内只灌不排的稻田水分管理技术；试验结果表明，一季水稻的总磷、溶解态磷和颗粒态磷的净排放负荷分别降到了-0.65、-0.30、-0.17 kgP·hm -2 ，使稻田由输出磷素的“源”转而成为截流净化磷素的“汇”，起到了净化水体的作用。乔欣等则提出了稻田的浅灌深蓄模式，即提高田埂高度，降低每次灌水的深度，比常规灌溉能减少排水量 44.7% 。稻田节水灌溉减少氮磷流失的机理主要体现在：（1）减少了稻田机会径流，降低了排水量； （2）降低了稻田表层水的水压，削弱了稻田水分下渗的动力，抑制了氮磷的淋失； （3）薄水层增加了土壤及其表层水中微生物的数量和活性，提高了氮素吸收利用率；（4）土壤通气性增强，氧化还原电位增加，加速了磷的固定，降低了磷素流失的潜能。但在实际应用中，节水灌溉应考虑施肥活动的影响，延长施肥与田间排水的时间差，施肥后一周内应尽量避免排水事件的发生。

5 其他技术 

针对旱地尤其是坡耕地，发展了基于保护性耕作的土壤养分流失控制技术，如免耕技术、覆盖技术、横垄耕作技术等，可减少地表产流次数和径流量，降低氮磷养分流失。另外，针对土壤磷素流失，采用施加一些土壤改良剂如氢氧化铝、石灰石粉、石膏、氯化钙、铁铝氧化物、粉煤灰、污泥以及粘粒含量较高的泻湖沉积物等来降低土壤中磷的有效性，从而达到减少磷流失的目的。

6 小结与讨论 

（1）源头减量是减少面源污染的根本所在。农业面源污染因其污染来源复杂、分散，污染排放存在着不确定性和随机性、时空变异性较大等特点，造成污染的过程监控和过程拦截难以实施。加上其污染物浓度较低，汇入水体后的末端治理成本高，见效慢。因此，从源头上控制面源污染发生量是减少面源污染的最有效措施。

（2）源头减量可以通过减少肥料用量或者减少排水量两种途径实现。减少肥料用量，则可采用基于目标产量和肥料效应函数的氮肥优化技术、按需施肥技术、平衡施肥技术、有机无机配合技术或者使用新型缓控释肥等技术，也可通过改变轮作制度等来实现。从源头上减少排水量，则需要对水分进行优化管理，旱地采用水肥一体化技术，水田采用节水灌溉技术，

坡耕地采用保护性耕作等技术等。

（3）减量技术的应用要兼顾作物产量和经济效益，并结合区域环境特征，因地制宜。我国人多地少，为确保粮食安全，就必须要保证作物高产。源头减量技术要被广大农民所接受并自觉采纳，除了政府适当的引导外，技术的经济效益分析不容忽视。另外，还需根据区域环境特征，因地制宜，对这些源头减量技术进行优化组合，并在空间上进行优化配置，从而最大程度地减少面源污染的发生量。如针对太湖流域稻田，可以根据稻田沿河湖距离的远近，因地制宜地采用不同的技术组合，对一级保护区或沿河湖区，优先考虑环境效应，可以改变轮作制度，冬季种植豆科绿肥，保证稻季高产，牺牲冬季作物产量；而对其他区域的稻田，则进行优化施肥处理，保证高产高效的同时减少污染排放。

（4）源头减量技术的研发要顺应时代要求，以节本省工为目标，逐步向智能化、机械化迈进。随着我国农村经济水平的提高以及农村务工人员的不断增多，劳动力日益紧缺。农村土地扭转现象普遍，农村合作社、家庭农场将成为未来农业的发展方向，节本省工便成为源头减量技术研发的第一要求，机械化、智能化将成为未来的发展方向。如大田作物发展基于作物长势遥感和土壤肥力的实时精准施肥机械，蔬菜发展水肥一体化控制系统，稻田研发基于大粒缓控释肥的施肥插秧一体化机械等等。

（5）源头减量的同时，要配置生态拦截技术等，并对污染物中的氮磷养分进行回用，最终实现污染物减排的最大化。源头减量虽然能有效减少污染物的产生量，但不能完全控制污染的产生，这就要求在污染物向水体的迁移过程中实施生态拦截等技术，增加污染物在陆地的停留时间和路线，进一步对污染物中的氮磷养分进行回用，减少其向水体的迁移，从而最大程度地减少面源污染对水体环境的风险。

查看全文，请点击左下方“阅读原文”！

----END----

  回复【框内】关键词或人名  查询近期文章：

【土壤管控】土壤重金属污染防治的有效措施：土壤负载容量管控法

【王瑞】畜禽粪便中残留四环素类抗生素和重金属的污染特征及其控制

【朱建春】中国畜禽粪便的能源潜力与氮磷耕地负荷及总量控制

【吴根义】我国畜禽养殖污染防治现状及对策

【周启星】纳米零价铁在污染土壤修复中的应用与展望

【陈怀满】耕地土壤环境质量评价中点对点土壤--农产品同时采样的重要性和必要性

【宗良纲】  人物专访--在紫砂界整出名堂的土壤教授

(农业环境科学 ID:nyhjkx 带您关注农业环境）

合作QQ号：103169304

合作微信号：3294087148

投稿邮箱：[e-mail]

我们的两个兄弟号，欢迎您关注！