總結：農業面源污染防控與水環境保護研究展望

時間：2018-02-28 來源：《中國科學院院刊》 作者：楊林章 吳永紅

1.2 農業面源污染形成的原因與特征

隨著社會和經濟的不斷發展，農村的產業結構和生活方式也不斷發生變化。因此，包括農業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性的降雨。一般來說，在發展中國家，包括農田、畜禽、水產養殖、農村徑流和分散式生活污水在內的農業源是造成面源污染的主要原因。此外，在山區，不適當的土地利用和隨之而來的水土流失也會造成農業面源污染。

(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，這種以農業化學為基礎的集約化農業是農業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。農田中這些養分的釋放已成為農業面源污染的主要來源。

(2)畜禽和水產養殖。畜禽和水產養殖過程中的殘餌以及產生的排泄物等，也是農業面源污染物的主要類型。畜禽糞便流失已經成為污染大戶，我國的規模養殖中有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。集約化畜禽養殖場產生的廢棄物實質與農戶散養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”變成了農業污染的“罪魁禍首”。

(3)土地利用不當。在山區，不合理的土地利用導致的土壤侵蝕是造成農業面源污染的另一個主要原因，因為營養物質可隨流失的土壤遷移進入下游水體。傳統的順坡耕種、陡坡耕作、復種等種植效率高，更易加劇土壤侵蝕。而土壤侵蝕是規模最大、危害程度最嚴重的一種農業面源污染，它在損失土壤表層有機質層的同時，許多營養及其他污染物進入水體形成嚴重的農業面源污染。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面源污染的主要形式之一。三峽庫區是典型的山地土地類型，也是我國典型的水土流失重災區，降雨量集中期(每年4—10月)，三峽片區各子流域的農業面源污染負荷強度表現出很強的空間差異性，且農業面源污染負荷的時空分布與年降水量和人類活動呈現明顯的正相關。

(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農業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%。由于缺乏管理和規劃，大部分農村地區沒有污水收集和處理系統，也沒有垃圾收集和處理系統，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系統中，勢必形成大規模和低濃度的面源污染負荷。

2 農業面源污染的控制策略

目前，國內外開展了大量的有關農業面源污染防控的研究，開發了不少行之有效的技術，其中部分技術還建立了示范工程，如節水灌溉、保護性耕作和生態溝渠。但是，這些更多是關注技術層面的防控，缺乏系統和全面的控制體系;更多的只是關注對農業生態系統局部或某個要素的修補或完善，而缺乏對整個農業生態系統功能的恢復與優化。事實上，農業生態系統的各種物質循環，如水分和養分，以及各個生態要素之間是相互作用的。因此，要維持和提高農業生態系統內在消納農業面源污染的能力，需要從生態系統的全局出發，構建一個生態系統要素與物質交換、能流與物流聯動、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展過程于2011年提出了農業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，即在農業面源污染控制工程建設過程中，以實現農業環境保護、農業經濟可持續發展與農村人居環境和諧發展為目標，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，在此基礎上對農業生態系統進行環保修復(修復)，實現農業生態系統自我修復功能的提高和系統的穩態轉換。

基于循環經濟理論與全球資源戰略的要求，筆者對3R策略。進行了發展和升華，形成了另外一種更高級的農業面源污染控制工程指導模式——“源頭減量(Reduce)—過程阻斷(Retain)—養分再利用(Reuse)—生態修復(Restore)”(4R)策略，形成了包括源頭減量、過程阻斷、養分再利用和生態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點上，使節點技術在流程上銜接、時空上覆蓋，形成區域集成技術體系，其特點有全過程、全空間覆蓋，氮減排與資源利用結合，農業發展與環境保護雙贏。4R 策略詳述如下：

(1)源頭減量。類似于點源污染控制，減少來源是農業面源污染控制的關鍵和最有效的策略。由于養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化養分和水分管理過程，減少肥料的投入，提高養分利用效率，以及實施節水灌溉和徑流控制。

(2)過程阻斷。過程控制技術包括生態溝渠、緩沖帶、生態池塘和人工濕地。一般來說，生態溝渠是農業領域最有效的營養保留技術之一。在生態溝渠中，排水中的氮、磷等營養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得到廣泛應用。此外，采用保護性耕作、免耕和生態隔離帶等措施也是攔截農業面源污染的重要措施。

(3)養分再利用。養分再利用將面源污水中的氮、磷等營養物再度進入農作物生產系統，為農作物提供營養，達到循環再利用的目的。對于畜禽糞便和農作物秸稈中的氮、磷養分，可通過直接還田，或養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、農田排水及富營養化河水中的氮、磷養分，可通過稻田濕地系統對其消納凈化和回用。研究結果表明，在水稻拔節期和灌漿期，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)水生生態系統修復。這里的水生生態系統指的是農業區內的污水路徑，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修復，以提高其自凈能力。迄今為止，已經開發并廣泛應用了生態浮床、生態潛水壩、河岸濕地和沉水植物等多種修復技術。

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