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X52文献标识码:

A文章编号:

1009—2242(2006)06—0192—04

ResearchonAgriculturalDiffusePollutionandControllingTechnology

CHAIShi—weil~,PEIXiao—mei3,ZHANGYa—lei2,LIJian—hua2,ZHAOJian—ful’’(1.StateKeyLaboratory

ofPollutionControlandResources,SchoolofEnvironmentalSc;

enceandEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092;

2.KeyLaboratoryofYangtzeRiverWaterEnvironment,MinistryofEducation,SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092;

3.TongjiUnivers靠y,Shanghai200092)

Abstract:

Theponderanceofdiffusepollutioninwaterenvironmenthasbeenattentioned

togenerally,andthedif—fusepollutionwasalreadytheactivefieldfortheresearchontheproblemofwaterenvironmentintheworld.Thispaperstartedfromthecharacteristicsandtheoccuringmechanismsofagriculturaldiffusepollution,andanalyzedtheinterrelationbetweenagriculturaldiffusepollutionandthewaterenvironment,discussedtheinfluenceofagri—culturaldiffusepollutiononthewaterenvironment.Thebestmanagementpractices(BMPs)isappliedbroadlyinthecontrollingofdiffusepollution.Andtheconstructedwetlands,primaryreservoirs,bufferandinterlacedstripbetweenwaterandland,sollandwaterconservationandagriculturaleco—engineering

arethemaintechnologiesforthecontrollingofagriculturaldiffusepollutioninresearchandapplyingrelatively.

Keywords:

agriculturaldiffusepollution;

waterenvironment;

controllingtechnology

1引言

水体环境污染源按照排放方式可分为点污染源和面污染源(或称非点污染源)两种。

20世纪90年代以前,人们一直认为点源是造成水污染的主要原因,对环境污染的控制主要集中在工业点源上,而没有认识到面源污染的严重性。

但是,在点源污染治理取得显著成效后,水体环境并未得到很好的改善,这是因为除了点源污染外,还有很大一部分水体受到面源的污染(tg萍等,1999;

Knapp,2005)。

目前,水环境面源污染的严重性已受到国内外普遍的关注(Anderson等,1995;

尹澄清等,20023)。

面污染源一般来自农业、森林砍伐、矿业、建筑与城市等几个方面,其中对水体危害最大、程度最重的首推农业面污染源。

2国内外农业面源污染概况

从20世纪60年代开始,由于农业活动的加强,地表水体中氮的含量稳步上升。

Anderson等(1995)的研究

表明,在20世纪80年代后期,每年大约有3450t的磷以动物饲料、化学肥料和人类消费品的形式输入到佛罗

里达州的Okeechoee湖,其余300t是以降雨的形式进入Okeechoee湖。

据美国19qo年的调查评估报告称(蒋茂贵等,2001),美国面源污染约占总污染量的2/3,其中农业面源污染占面源污染总量的68%~83%,影响到50%~70%受污染或威胁的地面水体。

Kronvang等(1996)认为,营养物质的面污染源(主要是农业面源)是丹麦水体环境富营养化的主要原因,面源污染可以解释1993年河流水体中94%的赛污染负荷和52%的磷污染负荷;

在1989~1993年间,由面源产生的农业区河流年平均氮污染负荷(中值为23.4kgN/hm2)是自然区河流年平均氮污染负荷(中值为2.2

kgN/hm2)的10倍多,相对应的农业区河流年平均磷污染负荷(中值为0.29

收稿日期:

2006—08—30*通讯作者

第6期柴世伟等:

农业面源污染及其控制技术研究193kgP/hm2)是自然区河流年平均氮污染负荷(中值为0.07kgP/hm2)的3.5倍多;

同时,随着区域农业土地比例的增加,氮污染负荷和磷污染负荷还在增加。

我国农业面源污染的状况也不容乐观。

研究表明(史志华等,2002),面源污染是汉江水质恶化的重要因素。

孙皓等(2000)对连云港市部分农田地下4~7m深水质监测表明:

N0。

一N超标率为87%,地下水中NO。

一N含量随施肥量的增加而增加。

曹秀玲(2003)的研究表明,农业面源污染近年来已上升为“三湖(位于云南省玉溪市3个高原湖泊抚仙湖、星云湖和杞麓湖)”水污染的重要因素。

潘洁(2003)对丽水市农业面源污染的调查结果表明,农用化肥、农药及畜禽水产养殖是引起农业面源污染的主要原因,本市农业面源污染已经比较严重。

近年来,我国三河(淮河、海河、辽河)、三湖(太湖、滇池、巢湖)和一库区(三峡库区)等重点水域的农业面源污染比重也在不断上升。

2000年3种污染源对我国滇池水域污染的贡献率见表l。

3农业面源污染特征分析

3.1农业面源污染发生机理

农业面源污染主要是由于耕作或者砍伐扰动土壤而引起,土壤类型、气候、管理措施和地形等因素也会影响污染负

荷(珠江水资源管理办公室,1987)。

污染物来源于广泛使用

的肥料和农药,在降雨或灌溉过程中,经地表径流、农田排

水、地下渗漏等途径而造成水体污染。

降雨径流是农业面源污染的主要诱因,是面源污染负荷产生的动力和输移条件的载体,下垫面地表污染物质类型及其积累数量是面源污染的物质基础(徐祖信,2003),这2个条件随时空差异具有显著的随机性,常使面源污染负荷变化范围超过几个数量级。

3.2农业面源污染的特点

美国清洁水法修正案(Lee,1979)定义非点源(面源)污染为“污染物以广域的、分散的、微量的形式进入地表及地下水体”。

与点源污染相比,面源污染的时空范围更广,不确定性更大,成分、过程更复杂,因而加深了相应研究、治理和管理政策制定的难度。

总的来说,农业面源污染具有污染发生时间的随机性、发生方式的间歇性、机理过程复杂性、排放途径及排放量的不确定性、污染负荷时空变异性和监测、模拟与控制困难性等特点。

农业面源污染与水体环境4.1农业面源污染对地表水体环境的影响

近年来,尽管人们对农业面源污染识别和治理能力越来越强,但农业面源污染所占的负荷越来越大,农业面源污染逐渐成为地表水污染物质的主要来源(Sims等,1999)。

据美国、El本等发达国家报道(何萍等,1999),即使点源污染全面控制之后,但如果面源污染控制不好,水体仍无法达标。

在芬兰,,弋多数作物种植区域内的水体都表现出严重的富营养化,地表径流中的总氮、硝态氮和亚硝态氮含量与作物种植面积百分比呈明显的正相关(Sims等,1999)。

米玉华等(2000)认为,从近年来我国河北省山区72个水质水量控制站的地表水水质水量年内变化规律来看,由于这些河流在长达8~9个月的时间内处于无地表径流加入的状态,各种污染物在流域面上日积月累,待到雨季来临,流域产生暴雨洪水,雨水淋溶和径流输送使积存于流域面上的各种污染物随洪水从四面八方汇入河流、水库,使地表水体的水质明显变差。

计算结果还表明,洪水期间地表水中的污染物含量主要来源于面污染源,面污染源输送量占其总输送量的99%以上,占全年污染物输送量的80%以上。

马立珊等(1997)的研究结果也表明,苏南太湖水系农业面源氮素污染负荷量随年降水量和灌溉量的增加而增大。

由此可见,面污染源对地表水环境造成的影响非常严重。

4.2农业面源污染对地下水体环境的影响

一般认为,地下水相对而言不易受到工农业废水和生活污水的直接污染,污水人渗需经土层的过滤,因此地下水水质较好。

然而,当上覆土层和含水层中的污染物质积累到相当数量后,受滤污作用限制,随着地表水体的入渗,地下水水质也会受到污染,而且这种污染会持续发生。

米玉华等(2000)为研究地下水水质变化规律,曾在石家庄山前滏西平原设立了一个地下水水质水量结合评价的试验区(面积873.7km2,水质井19眼,井网密度为46km2/眼),对受“96.8”暴雨影响前后的地下水水质状况进行评价,结果发现,“96.8”暴雨发生后,试验区除承接该区的降雨外,还要承接来自山区的河道洪水,使地下水位特别是行洪河道沿岸的地下水位大幅度上

194水土保持学报第20卷标率高达94.7%,足以证明面污染源对地下水环境的影响不仅范围广,而且危害大。

5农业面源污染控制技术

对于面源污染的控制,目前普遍认为由美国环保署(USEPA)提出的“最佳管理措施(BMPS)”是值得采用的(Weightman,1996)。

最佳管理措施是指任何能够减少或预防水资源污染的方法、措施或操作程序,包括工程、非工程措施的操作和维护程序,现已提出并应用的有人工湿地、植被过滤带、草地缓冲带、岸边缓冲区、免耕少耕法、综合病虫害防治、灌溉水的生态化、生物废弃物的再利用、防护林、地下水位控制等方法和措施。

BMPS因其高效、经济、符合生态学原则,现已得到广泛的应用。

5.1农业面源污染控制的人工湿地技术

人工湿地是20世纪70年代发展起来的一种污水处理技术,和传统的二级生化处理相比,人工湿地具有氮、磷去除能力强,处理效果好,操作简单,维护和运行费用低等优点。

人工湿地按水流方式的不同主要分为地表流湿地、潜流湿地、垂直流湿地和潮汐流湿地等4种类型,地表流和垂直流湿地系统目前应用的不是很多,潮汐流湿地系统是近年来由伯明翰大学提出的,目前较多采用的是潜流人工湿地(Sun等,1999)。

人工湿地中不同植物对湿地内污染物的去除效率是不同的,季节性和挺水植物比一年生植物和沉水植物具有更高的去除营养物的能力,国内有报道用木本植物作为人工湿地的主要植被且试验证明效果和芦苇接近(胡焕斌,1997)。

去除效率还和湿地内废水的性质、当地的气候、土壤等性质有关。

同时,为了达到一定的处理效果,流经湿地的污水必须有一定的水力停留时间,水力停留时间受湿地长度、宽度、植物、基底材料空隙率、水深、床体坡度等因素的影响。

湿地去除氮磷效率的变化很大,主要取决于湿地的特性、负荷速率和所涉及的营养物质。

通常来说,湿地的去氮效率比去磷效率高,这主要是由于N、P循环过程存在较大的差异。

湿地中氮的循环主要是通过一系列复杂生物化学作用方式发生,硝化、反硝化是人工湿地去除氮的一种重要途径。

湿地中磷主要是通过植物和藻类的吸收、沉淀、细菌作用、床体材料吸收及和其他有机物质结合在一起而去除,而在湿地中通过湿地植物直接吸收的磷素养分一般很少,大约95%的磷被滞留在沉积物中(Jay等,2000)。

另外,湿地中不溶性有机物主要是通过湿地的沉淀、过滤作用而被截留在湿地中,可溶性有机物则通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物降解过程而被分解去除。

湿地植物还对金属离子具有较强的生物富集作用,可以起到消除重金属污染的目的(Donal,1993)。

由于湿地对TSS具有良好的沉降性能,一些沉淀物会积累在湿地底部,沉淀物中有机物含量可达16%,这些有机物为湿地众多生物提供了营养物质,不会引起大量沉淀物的积累。

我国在“八五”攻关课题“滇池防护带农田径流污染控制工程技术研究”中,首次引进处理城市生活污水的人工湿地工程技术来处理农田径流废水,取得了十分满意的社会环境效益,为我国和发展中国家控制农业面源污染提供了具有参考价值的技术方法。

目前,我国在滇池、洱海等许多湖泊面源污染控制中拟采用人工湿地工程技术,人工湿地技术在环境污染修复方面极具潜力。

5.2农业面源污染控制的前置库技术

20世纪50年代后期,前置库就开始被作为流域面源污染控制的有效技术进行开发研究,丹麦的Nyholm(1978)和前捷克的Fiala等(1982)也先后开展了利用前置库治理水体富营养化的工作。

目前,我国对于前置库技术的研究和利用还不多,在于桥水库富营养化的研究中(边金钟等,1994),曾在入库河流入口段设置前置库,采取一定工程措施,调节来水在前置库区的滞留时间,使泥沙和吸附在泥沙上的污染物质在前置库沉降,取得了较好的效果,在滇池面源控制中前置库技术也得到应用(杨文龙等,1996)。

这种因地制宜的水污染治理措施,前置库对于控制面源污染,减少湖泊外源有机污染负荷,特别是去除入湖地表径流中的N和P安全有效,具有广泛的应用前景。

5.3农业面源污染控制的缓冲带和水陆交错带技术

目前,有关农业面源污染的缓冲带或缓冲区技术主要有美国的植被过滤带(Vegetatedfilterstrips)、新西兰的水边休闲地(Retirementofriparianzones)、英国的缓冲区(Bufferzones)、中国的多水塘和匈牙利的Kis—Palaton工程(尹澄清等,2002)等。

许多研究已表明,缓冲区能有效地去除水中N、P和有机污染物,其效率取决于污染物的运输机制。

所谓缓冲区,就是指永久性植被区,宽度一般为5~100m,大多数位于水体附近,这种缓冲区降低了潜在污染物与接纳水体之间的联系,并且提供了一个阻止污染物输入的生化和物理障碍带。

缓冲区

农业面源污染及其控制技术研究195著减少。

陈金林等(2002)通过林带对太湖地区农业非点源污染控制效应的研究,认为农田与沟渠间的缓冲林带有利于截留和净化土壤径流中的N、P等物质,从而在一定程度上控制农业面源污染。

研究结果还表明,一个健康的水陆交错带可以对流经此带的水流及其所携带的营养物质有截留和过滤作用,其功能相当于一个对物质具有选择性的半透膜(尹澄清等,2002)。

尹澄清等(20C2)还发现,我国的人工多水塘系统具有很强的截留来目农田的径流和非点源污染物的生态功能。

另外,他们在白洋淀进行的野外实验结果还表明,水陆交错带中的芦苇群落和群落间的小沟都能有效截留来自上游流域的污染物。

其中,有植被290m长的小沟对地表径流总氮和总磷的截留率分别为42%和65%;

4m芦苇根区土壤对地下径流总氮和总磷的截留率分别为64%和92%,被截留最大的是无机态的正磷酸根态磷和铵态氮,这两者正是造成水体富营养化的主要因子。

因此,充分利用这一资源,对于防治我国的水体污染问题具有十分重要的意义。

5.4农业面源污染控制的水土保持技术

农业面源污染主要是由地表径流而引起,因而治理水土流失是解决水体污染的根本之策。

换言之,所有控制水土流失的对策都可以治理水体污染问题(Risto等,2000)。

水土保持措施可从2个方面来探讨:

一方面是使表土稳定化或以植被覆盖来减少雨点对表土的冲击,另一方面是降低坡度,以渠道化手段分散径流或降低流速,以减弱径流的侵蚀力,并减少雨水在地面溢流的数量。

围绕这2个方面,许多水土保持技术都在水体污染防治中发挥着重要作用。

如我国发展起来的坡面生态工程对减少流域上游土壤侵蚀有明显效果;

复合系统中空间上有林木、农作物等不同类型的组合,它对雨滴的打击、坡面地貌的发育、侵蚀泥沙和径流的运动有明显的有益作用;

在适当区域构筑必要的拦水截沙引水槽、拦沙坝、山塘等工程设施,以减少泥沙冲刷,可取得防治水体污染的良好效果;

另外还有农田免耕法、保护性耕作法、草地轮作制、梯田建设、等高线耕作,以及我国目前在西部大开发中的退耕还林还草等水土保持措施等,也对水体污染的控制起到了重要作用。

5.5农业面源污染控制的农业生态工程技术

农业生态工程是通过生态学原理,同时应用系统工程方法,将生态工程建设与治污工程并举,从根本上减少化肥、农药的投入和降低能源、水资源的消耗,从而减少污染物的排放,达到治理与控制面源污染的目的。

卞有生(2001)通过对湖泊面源污染的深入分析,认为在湖区及上游水源区开展农业生态工程建设,必将显著地改善地区的农业生产状况,极大地减少生产过程中资源的消费,特别是减少化肥、农药的使用,有效地控制和减少面源污染。

开展生态农业建设,也可极大程度地降低农业水体的污染。

如我国江西省和四川省最近几年逐渐完善的“种植一养猪一沼气”生态模式,以种植业带动养猪业,以养猪业带动沼气工程,又以沼气工程促进种植业和养猪业的发展,最终是猪多肥(有机沼肥)多,肥多粮多,粮多钱多,如此往复循环,使生物能得到多层次的重复利用,从而显著降低了化肥的使用量,提高了养分的利用效率,达到综合治理水体污染的目的。

同时,将膜控制释放技术用于农业,开发膜控制释放化肥、膜控制释放农药,也是控制农业面源污染的一条重要途径(蒋茂贵等,2001),这种化肥和农药的施用,能明显地提高化肥和农药的利用率,减少农用化学物质对水体的污染。

6结语

水环境面源污染的严重性已受到国内外普遍关注,面源污染研究业已成为国际上水环境问题研究的活跃领域。

我国农业面源污染研究工作也取得了一些进展,先后开展了“太湖典型地区农村面源污染调查及预测方法研究”、国家“863”太湖项目“河网地区面源污染控制成套技术”、中科院知识创新重大项目“长江中下游地区湖泊富营养化的发生机制与控制对策研究”(简称长江项目)等。

结合国内外研究和工程现状,在今后农业面源污染治理研究中,我们应做好以下几点工作:

(1)区域污染源的界定及其污染通量的确定。

我国幅员辽阔,自然生态条件复杂,面源污染类型多样,因此界定不同地区农业面污染源及其污染通量的确定就非常重要,在研究中做到有的放矢,在吸取和借鉴发达国家的经验和教训的同时,在实践中不断探索适合我国不同区域特点的面源污染理论和控制方法。

(2)高新技术的运用。

包括“3S技术”在内的各种新兴技术,对于我们建立区域面源污染监测信息系统和决策支持信息系统等有着非常重要的作用;

同时,以“精细农业”或“精确农业”以及农业清洁生产技术等为支撑的生态农业的发展,将从源头上减少农业面源污染。

(3)技术措施与非技术措施并举。

与点源污染不同,面源污染治理更多地依赖民众的直接参与,要特别重视法规、政策、管理和教育等非技术性措施的建设,同时重视技术措施与非技术措施的协调与互补。

总体上来说,

作者:

柴世伟,裴晓梅,张亚雷,李建华,赵建夫,CHAIShi-wei,PEIXiao-mei,ZHANGYa-lei,LIJian-hua,ZHAOJian-fu作者单位:

柴世伟,CHAIShi-wei(同济大学,环境科学与工程学院,污染控制与资源化研究国家重点实验

室,上海,200092;

同济大学,环境科学与工程学院,长江水环境教育部重点实验室,上海

200092,裴晓梅,PEIXiao-mei(同济大学,上海,200092,张亚雷,李建华,ZHANGYa-

lei,LIJian-hua(同济大学,环境科学与工程学院,长江水环境教育部重点实验室,上海

200092,赵建夫,ZHAOJian-fu(同济大学,环境科学与工程学院,污染控制与资源化研究

国家重点实验室,上海,200092

刊名:

水土保持学报

英文刊名:

JOURNALOFSOILANDWATERCONSERVATION

年,卷(期:

2006,20(6

被引用次数:

19次

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