农业面源污染研究进展与发展趋势.docx

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农业面源污染研究进展与发展趋势

作者：

于宁

来源：

《绿色科技》2014年第06期

摘要：

指出了作为对水环境质量有重要影响的污染源，农业面源污染在水环境污染贡献率中的比重逐年增加，越来越成为制约农业可持续发展和实现农村现代化的环境瓶颈。

对近年来国内外相关的文献进行了调研，综述了农业面源污染监测指标和方法，并对农业面源污染研究模型和评价方法进行了总结，最后展望了农业面源污染重点研究方向。

关键词：

农业面源污染；监测指标；模型；评价方法中图分类号：

X592

文献标识码：

A文章编号：

16749944（2014）06019004

1引言

人为水污染可分为点源污染和非点源污染（面源污染）两种形式，由于点源污染排放污染物特征明显，污染的强度大，早已成为世界水环境工作领域研究的重要课题，并建立了较为全面的监测、评价、控制体系。

相反，面源污染污染强度相对较小，排污的原因比较复杂，并且范围较广，排污口没有固定位置，这就导致对其监控存在很大难度，不被人们所重视，因而相应的研究工作开展存在滞后。

随着经济的飞速发展和社会进步，对于点源污染我们已经能有效地控制和治理，而面源污染造成的危害日益显现出来。

在美国，由于面源污染所造成的水质问题超过了所有水质问题的

50%以上。

最为严重的是面源污染对天然水域的水环境容量造成的影响，它能减弱水体的纳污能力。

因此，加强对面源污染的监控已迫在眉睫。

2面源污染的成因及主要特征

2.1面源污染的成因

以一个流域（或水系、河流、河段）为例，天然地表水的纳污范围包括该流域分水线所界定的集雨面积内的所有区域，一般均应含有山区、农村、城镇、工业区、生活区等多种不同形式和功能的地区。

在这些地区，不仅存在点源固定排污口，同时上述区域内的人类和动植物活动所带来的各种无机质、有机质，被由于雨水的冲刷和渗透所形成的地表及浅层土壤中的地下径流以散排的形式带入江河中，这就形成了对江河水质的面源污染。

2.2面源污染特点

（1）分散性和滞后性。

点源污染具有集中性的特征，相反，小流域面源污染比较分散。

它由于流域内地形地貌、水文、气象、土地利用等的差异性而存在着空间异质性和时间不均匀性。

面源污染与降雨和径流有着紧密的联系，由于它们是污染物进入水体的驱动力，所以从时间上看面源污染存在着滞后性。

（2）随机性和不确定性。

面源污染的产生与降雨紧密相关，水文过程在其发展过程中起到影响和支配作用。

由于降雨具有随机性，这就导致面源污染的产生也存在着随机性。

此外，影响面源污染因素的复杂性，造成污染源不确定、排放点不确定和排放时间不确定等，增大了我们对面源污染的监控与控制难度。

（3）广泛性与难监测性。

小流域面源污染所牵涉到的污染源比较多，在给定的流域内各个污染源相互影响，此外，由于地形地貌、气象、水文等条件的差异，污染源会产生位移、转化。

因此，使得对单个污染源具体排放量的测定难度加大。

3面源污染监测指标及方法

3.1面源污染监测指标建立原则

通过对面源污染的成因和特征可以发现，面源污染的影响因素复杂多变，所以制定面源污染监测指标体系应遵照一定的原则。

（1）科学性原则：

选取有代表性的指标作为监测指标体系的内容，每个指标应意义清楚，概念明确，各个指标之间应存在清晰的联系，对水体的变化情况反应全面。

（2）主导型原则：

反映面源污染产生及发展的主动因子，在监测指标体系中应存在。

（3）相对独立性原则：

为了使各指标之间的相关性降到最低，防止出现无效数据和数据过多而导致监测工作量加剧，应尽可能减少每个指标之间的重复部分。

（4）实用性原则：

作为评价面源污染状况的因素，其监测结果应有可对照性。

3.2面源污染的监测方法

因为监测污染物的浓度和种类的特点不易观察出来，因此，在面源污染的监测过程中，监测和评价的目标应选择与人类和动植物生命活动联系紧密、在土壤中生活广泛并且容易沉淀和吸附的物质。

3.2.1氮污染指标

在天然水体中，尽管氮、磷等一些水质监测项目没有超标或有较低含量，但是随处可见。

氮是动植物体内蛋白质和硝石（NaNO3）等矿物的重要组成部分，土壤中由于农田施肥等情况

也存在硝酸盐类如KNO3等。

由于微生物的作用，这些含氮有机物进到水体后，被氧化分解成简单的物质如氨。

水中存在溶解氧，产生硝化作用，即氨先被硝化细菌氧化成亚硝酸盐，亚硝酸盐再被氧化成硝酸盐。

水体中的其它无机物，也存在着相似的转化过程。

因此，我们对水体中总氮含量进行监测，可以利用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（可测定水中亚硝酸盐氮、无机铵盐、硝酸盐氮、溶解态氨及大部分有机含氮化合物中氮的总量，其最低检出浓度为0.050mg/l）。

总氮含量是评价水体污染状况及发展趋势的指示指标。

3.2.2磷污染指标

天然水体中磷的存在形式有两种：

呈溶解或悬浮状态的无机正磷酸盐和有机磷化合物。

化合价通常为+5。

磷进入水体的方式也有两种。

一是含磷岩、矿石的风化侵蚀和采掘，一是存在于人工复合肥料、农药和某些合成洗涤剂中进入水循环系统。

尽管在生物及非生物共同作用下，水体中不同价态磷之间会发生互相转化、迁移，形成一个动态循环系统，但总磷含量还是可以准确表征或预测某一水域面源污染状况。

总量含量的测定可以利用钼酸盐分光光度法，该法可定水中溶解的、悬浮的、有机的和无机磷的总和，其最低检出浓度为0.010mg/l。

3.2.3重金属污染指标

我国各城市郊区都在一定程度上受到重金属（铜、铅、汞、镉、镍等）污染，重金属污染的来源主要有三种：

工业“三废”排放、污泥及含重金属的农药、城市生活垃圾。

农业环境中的污染来自于化肥。

目前，环境质量评价指标中土壤重金属评价有一系列建议指标，如综合指标、有效量指标、总量指标、生化指标、生物指标等。

但重金属污染指标不易确定，这是因为土壤类型复杂，土壤中重金属形态有差异性以及监测方法不同等原因。

土壤环境评价受评价标准的高、低的影响，为了避免给土壤污染的防治工作带来经济和人力上的浪费，必须将其与所带来的生态效益结合起来。

重金属在土壤中形态和生物效应均存在差异性，因此，将重金属的化学形态、土壤酶活性和植物有效性、生物毒性三者结合起来研究，能更精确地反映土壤重金属污染状况。

4监测方法研究进展

4.1地面观测法

地面观测法是指通过在监测水域内布设卡口站、气象站、土样取样点等，定时或者不定时采样、测定，得到定量监测数据。

4.2调查法

作为实际工作中常见的一种方法，调查监测法一般是在现场观察，利用目视观察、询问、测量、试验等，该方法主要用来调查社会经济状况、农田灌溉施肥情况、农药、农膜利用状况，包括普查、抽样调查和典型调查。

4.3“3S”技术法

遥感监测法是一种新兴监测方法，特点是监测快速、准确。

利用RS可以对植被状况、土地利用状况等进行动态监测，能迅速获取各类面积数据；GIS通过分析水域的坡度、坡向，提供了面源污染空间地形数据；此外，为了获取更广域面源污染信息，可以利用GIS分析地面观测数据与空间信息。

4.4资料分析法

我们将整理已有资料，通过分析、统计、计算获取数据的方法称为资料分析法。

它是面源污染监测方法中一种基础的方法。

5面源污染研究模型

5.1我国面源污染模型研究现状

到20世纪80年代，我国面源污染问题的重要性日益凸现出来。

1980～1990年10年间我国只是把农业面源宏观特征和污染负荷定量计算模型作为非点源污染研究方向。

20世纪90年代以来，农药、化肥型模式成为主要的农业面源污染源。

现在，农业面源污染研究的新生长点集中在两方面，即农业面源污染负荷模型与3S技术结合和用于流域水质管理的水质模型对接技术。

由于农业非点源污染间歇性、随机性、不确定性的发生，增大了对其负荷难度的估算，近年来，人们将面源污染数学模型和地理信息系统结合起来，使非点源污染研究进入一个新的阶段。

其中，SWAT模型作为以GIS为基础的流域分布式水文模型，具有强物理机制、长时段等特点，被广泛和深入应用于非点源污染，但在国内使用情况较少，所以，结合国内实际情况，其在国内流域的研究中有着重要的意义。

5.2SWAT 模型原理及研究进展

美国农业部农业研究中心开发的SWAT模型，以SWRRB模型为基础，吸取了

GLEAMS，CEAMS，ROTO和EPIC等的特点。

和HSPF模型一样，对子流域在空间上进行划分和进一步细分，SWAT模型可以用来模拟农业非点源污染。

在时间上可以用SWAT模型做长期预测，但它对单一事件洪水演算不具备详细的演算能力。

SWAT模型在流域模拟、水资源管理、大面积没有监测站的水域内水文、泥沙和营养物质的预测和评估等方面发挥着重要作用。

目前，在美国国家项目（如HUMUS项目）、区域性大项目和其他不同规模的研究项目中，SWAT模型已得到广泛应用。

研究的内容包括水域流量预测、水质平衡和非点源污染控制等多方面。

在SWAT模型中，参数需要量大，SWAT-GRASS输入界面以GIS为基础，解决了集水区参数化的问题。

这个界面把SWAT和GRASS接合在一起，利用SWAT和GRASS操

作、提取、转换空间信息，对得克萨斯某一流域的土壤侵蚀、水文情况和泥沙传送，进行了模拟。

从GRASS中提取我们所需要的模拟信息，使数据筛选和操作时间得到降低。

6面源污染评价方法

6.1等标污染指数评价法

等标污染指数表征的是污染物的浓度和污染监测评价标准的关系，不牵涉到总排放量，是指某种污染物浓度的排放量超出污染监测评价标准规定的倍数。

利用这种方法可以对污染源的化学需氧量、总氮和总磷进行评价。

Kj 中最大值是指某地区主要污染源，按照其从大到小排列，我们就可以确定重点污染源；Ki中最大值是指主要污染物，按照其从大到小排列，我们就可以确定重点污染物。

6.3敏感性指数评价法

此评价方法20世纪90年代由美国农业部提出，通过我们所建立的指标体系对农业地区养分（P、N）流失的敏感性进行评价，农业非点源污染中，其潜在形成过程的空间分布可以利用养分流失敏感性指数进行半定量描述，也可以用来对农业非点源污染物关键输出去进行识别。

此方法的评价程序是：

①农业非点源污染敏感性因素的确定；②农业非点源污染敏感性监测评价指标体系的建立；③评价指标权重的确定；④评价等级的确定；⑤对敏感性指数进行计算；⑥对农业非点源源污染敏感性综合监测评价。

敏感性指数评价法中，尽管P和N的评价指标体系存在差异性，但是它们的评价方法一致。

许多研究实例表明，在美国P和N在关键源区也存在着差异性。

6.4基于GIS的面源污染评价方法

非点源污染是随机发生的，不能准确指出其排放的途径以及污染物种类，污染物符合在时空上有较大幅度的变化。

由于使用GIS能够对空间相关的非点源污染信息进行收集、管理、分析、模拟和显示，因而，以GIS技术为基础对非点源污染评价是新的研究方向。

He等把

AGNPS（农业面源污染模型）、GRASS（地理资源分析支持系统）和GRASSWATERWORKS结合起来，对Michigan州的Cass河水质非点源污染进行综合分析评价，得到地图式的输出成果，并且标记出对侵蚀抵抗力弱的地区。

对非点源污染采用GIS技术处理有以下优点：

①数据更新速度快，数据共享容易实现，并能直观