贛江上游小流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染生態(tài)防治技術(shù)研究

涂安國，謝頌華，2，鄭海金，張 杰，莫明浩

(1.江西省水土保持科學(xué)研究所，江西 南昌330029;2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)，江西 南昌330045)

農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染會加劇受納地表水體富營養(yǎng)化、增加地下水硝酸鹽含量，又因其具有分散、隱蔽、隨機(jī)和發(fā)生不確定性等特點(diǎn)而難以控制［1－2］，已成為影響水體質(zhì)量的重要污染源［3－4］。產(chǎn)生農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的根本原因是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重失調(diào)［5］。生態(tài)工程措施可以通過調(diào)控農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)平衡和物質(zhì)流動途徑來控制污染物的流失，減少潛在運(yùn)移的污染物數(shù)量，在運(yùn)移途中通過滯留徑流、增加流動時間等減少進(jìn)入水體的污染物，進(jìn)而從農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的來源和徑流運(yùn)移等方面控制污染的發(fā)生［5－7］，是目前較為常用的非點(diǎn)源污染控制方法。

贛江上游地區(qū)是贛江流域的主要產(chǎn)沙區(qū)，多年平均輸沙量為659萬t，占贛江輸沙量的71.6%，上游4條支流平均輸沙模數(shù)均大于140 t/(km2·a)［8］。由于水土流失導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染，贛江上游贛州市河段已成為贛江流域的主要污染河段，主要污染物有氨氮、總磷等。根據(jù)我國水環(huán)境治理以流域?yàn)閱卧闹卫砟Ｊ剑菊n題選取流域治理的最小單元——小流域?yàn)閷ο?，在?shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上，根據(jù)非點(diǎn)源污染“源—流—匯”逐級控制理念，探討贛江上游非點(diǎn)源污染生態(tài)控制關(guān)鍵技術(shù)，以期為贛江流域的水土流失控制和水環(huán)境治理提供參考。

1 研究區(qū)概況

贛江是江西省境內(nèi)鄱陽湖水系第一大河。贛江流域地處南嶺以北、長江以南，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，雨量豐沛，四季分明，光照充足，年均氣溫17.6℃，年均蒸發(fā)量815.7 mm，年均降水量1542.6 mm，降水主要集中在4—6月，期間降水量占年降水量的46.8%。

左馬小流域位于贛江支流上游于都縣城郊南面30 km處。流域內(nèi)地形開闊平坦，坡面較緩，大部分已被修成梯田、臺地種植農(nóng)作物和挖魚鱗坑植樹，土壤類型主要為花崗巖和紅砂巖發(fā)育的紅壤;植被種群豐富，以針葉、闊葉、灌木類為主，林草覆蓋度為40%～50%，分布有天然次生林和果園;土地總面積為318.27 hm2，其中耕地 38.18 hm2、園地 22.89 hm2、林地 245.15 hm2、水域4.22 hm2、其他用地7.83 hm2;人口全部為農(nóng)村人口，人口密度為358人/km2;農(nóng)業(yè)生產(chǎn)占主導(dǎo)地位，農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不盡合理，以種植糧食作物為主，經(jīng)濟(jì)作物、林果和漁業(yè)比重小，外出打工收入為非農(nóng)產(chǎn)業(yè)收入的主要來源;小流域內(nèi)水土流失較為嚴(yán)重，水土流失面積占土地總面積的36.6%，土壤侵蝕模數(shù)達(dá)4120 t/(km2·a)。

2 研究區(qū)非點(diǎn)源污染現(xiàn)狀調(diào)查

2.1 研究方法

課題組通過實(shí)地踏勘和農(nóng)戶問卷調(diào)查的方式對左馬小流域的主要產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、污染源、生活方式等基本情況進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查，并建立卡口站進(jìn)行定位觀測。2010年1—9月對該小流域水體進(jìn)行了非點(diǎn)源污染物采樣分析，測試指標(biāo)包括總磷和可溶性總磷、總氮和可溶性總氮、氨態(tài)氮和硝態(tài)氮。樣品的采集和分析測試嚴(yán)格按照《水土保持試驗(yàn)規(guī)范》(SD 239—87)、《水質(zhì)采樣技術(shù)規(guī)程》(SL 187—96)、《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》(SL 219—98)等規(guī)程規(guī)范執(zhí)行。

2.2 水環(huán)境污染現(xiàn)狀

分析測試結(jié)果表明，受水土流失影響，左馬小流域降雨徑流中顆粒態(tài)污染物含量較高，其中顆粒態(tài)磷含量多占到總磷含量的70%以上，最高達(dá)92.77%;顆粒態(tài)氮含量多占到總氮含量的58%以上，最高達(dá)93.89%。依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，降雨徑流中氨態(tài)氮含量一般達(dá)到Ⅱ～Ⅳ類水濃度限值，且多為Ⅲ類以下，平均值為0.622 mg/L;總氮含量多超過Ⅳ類水的濃度限值1.5 mg/L，最高達(dá)4.189 mg/L;總磷含量在2—5月初濃度最大，達(dá)到Ⅱ～Ⅳ類水濃度限值，其他時間濃度較低，多為Ⅰ類水?？傮w而言，左馬小流域平時水質(zhì)較好，但遇暴雨徑流中顆粒態(tài)污染物濃度會急劇增加，如2010年4月27日發(fā)生短歷時暴雨，降雨徑流中總氮、總磷濃度明顯升高，尤其顆粒態(tài)污染物占到總污染物的90.18%以上。上述測試結(jié)果表明水土流失造成的非點(diǎn)源污染對小流域水質(zhì)具有重要影響，因此在配置非點(diǎn)源污染生態(tài)控制措施時應(yīng)貫徹水土保持這一重要理念。

2.3 農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染現(xiàn)狀

2.3.1 種植業(yè)污染

種植業(yè)污染主要源于化肥和農(nóng)藥投入量大、資源化利用率低。

(1)不合理施用化肥造成污染。調(diào)查結(jié)果表明，左馬小流域種植業(yè)以施用氮肥和復(fù)合肥為主，以農(nóng)家肥為輔，施肥量在900 kg/hm2以上，其中氮肥和復(fù)合肥的施用量分別約占施肥總量的40.34%和42.98%?；适┯昧扛摺⒔Y(jié)構(gòu)不合理、利用率低、流失量大，大量化肥(尤其是磷肥)通過農(nóng)田徑流匯入河流、湖庫等水體，造成水體富營養(yǎng)化，破壞水體周邊環(huán)境。不合理施用化肥還會導(dǎo)致部分土壤重金屬含量上升，蔬菜、水果等農(nóng)產(chǎn)品硝酸鹽含量超標(biāo)、品質(zhì)下降以及土壤次生鹽漬化和地下水污染等。

(2)農(nóng)藥殘留造成污染。左馬小流域農(nóng)藥使用量呈逐年上升趨勢，2008年約為38.7 kg/hm2。農(nóng)藥中，化學(xué)農(nóng)藥所占比例在95%以上，主要是殺蟲雙、三唑磷、稻瘟靈等;生物農(nóng)藥所占比例不到5%，主要是阿維菌素和井岡霉素等。任意加大農(nóng)藥使用量、多種農(nóng)藥混用、隨意丟棄農(nóng)藥瓶(袋)的情況比比皆是，導(dǎo)致了河、湖、塘等水體不同程度地受到農(nóng)藥殘留污染。

2.3.2 畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染

目前左馬小流域農(nóng)村還未建立有效的畜禽污水處理工程，85%以上的畜禽污水未經(jīng)處理就直接排放到溪河、魚塘或農(nóng)田;雖然90%以上的禽畜糞便采用堆肥還田或堆放在空地上，但是仍有少數(shù)直接倒入水體，從而形成了畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染源。2.3.3 水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)污染

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，有些養(yǎng)殖戶和養(yǎng)殖場為了追求經(jīng)濟(jì)效益，高密度投放魚種、大量投喂人工飼料和亂用、濫用漁藥等，造成氮、磷和漁藥以及其他有機(jī)或無機(jī)物質(zhì)超過了水體的自凈能力，從而導(dǎo)致水環(huán)境的污染。

2.3.4 農(nóng)村生活污水和垃圾污染

左馬小流域農(nóng)村缺乏統(tǒng)一的污水收集和垃圾收集系統(tǒng)，農(nóng)村生活垃圾處理方式基本上是以簡易填埋、隨意堆放為主。在暴雨徑流的作用下，垃圾堆放地和人畜排泄物堆放點(diǎn)的污染物，尤其是有害微生物、細(xì)菌等隨徑流進(jìn)入河流或滲入地下，造成飲用水源水質(zhì)惡化，嚴(yán)重污染農(nóng)村生態(tài)環(huán)境。

在對農(nóng)村生活習(xí)慣的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，多數(shù)農(nóng)民習(xí)慣在未經(jīng)任何處理的情況下，將生活污水直接排入村莊周邊的水渠或直接潑灑至村莊附近的空地。這樣就造成村莊附近土壤富集了大量營養(yǎng)物質(zhì)，在降雨徑流的作用下，增大了河流污染風(fēng)險，并且污水直排直接影響了局部河段水質(zhì)。

3 典型小流域非點(diǎn)源污染生態(tài)控制與生態(tài)調(diào)節(jié)技術(shù)研究

水土流失、村落污染和農(nóng)業(yè)污染是非點(diǎn)源污染治理的重點(diǎn)，提高森林覆蓋率、完善農(nóng)業(yè)耕作制度、建設(shè)合理的農(nóng)業(yè)生態(tài)結(jié)構(gòu)和衛(wèi)生的農(nóng)村生活環(huán)境是非點(diǎn)源污染治理的關(guān)鍵，強(qiáng)化管理是非點(diǎn)源污染治理的必要手段。非點(diǎn)源污染生態(tài)工程防治技術(shù)或措施應(yīng)涵蓋源頭控制技術(shù)、污染物遷移過程控制技術(shù)及末端控制技術(shù)等三方面。在左馬小流域非點(diǎn)源污染綜合治理過程中，應(yīng)配合村莊、坡耕地和水系整治等工程建設(shè)，根據(jù)污染物的產(chǎn)生和遷移路線，結(jié)合地質(zhì)地貌和景觀生態(tài)，采用源頭控制、過程阻斷和末端集中處理相結(jié)合的綜合防控思路，形成“源—流—匯”逐級防控農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的生態(tài)調(diào)節(jié)技術(shù)體系。

3.1 村落非點(diǎn)源污染生態(tài)控制技術(shù)

3.1.1 村落污水處理生態(tài)控制技術(shù)

考慮到左馬小流域經(jīng)濟(jì)相對落后、污水處理經(jīng)費(fèi)不足，推薦采用就地處理泛氧化塘+自然濕地模式。該模式不需要建設(shè)污水管網(wǎng)，可利用村里現(xiàn)有的水塘進(jìn)行加深、拓寬，建設(shè)成泛氧化塘進(jìn)行污水處理，同時對池塘水質(zhì)進(jìn)行維護(hù)，再利用水域周邊的自然濕地進(jìn)一步處理。

圖1為阿科蔓高效生態(tài)泛氧化塘處理工藝，其處理流程為:經(jīng)過預(yù)處理，去除污水中的漂浮物;工程沒有使用任何循環(huán)和動力設(shè)備，預(yù)處理出水自流到阿科蔓高效生態(tài)泛氧化塘，塘中安裝水底放置型阿科蔓生態(tài)基;阿科蔓高效泛氧化塘出水后進(jìn)入周邊地勢較低的自然濕地，進(jìn)一步凈化、改善水質(zhì)，以滿足受納水域的水功能要求。

圖1 阿科蔓高效生態(tài)泛氧化塘處理工藝

阿科蔓生態(tài)基上大量的本土微生物以好氧菌、兼氧菌、厭氧菌為主，能去除水體中的有機(jī)污染物;有益藻類和固氮細(xì)菌、反硝化菌、硝化菌等礦質(zhì)化合成細(xì)菌能去除水體中的TN、TP;水生動物主要起到轉(zhuǎn)移污染物的作用。阿科蔓高效生態(tài)泛氧化塘處理技術(shù)充分考慮了農(nóng)村經(jīng)濟(jì)和基礎(chǔ)設(shè)施情況，能高效利用農(nóng)村的景觀格局，因地制宜，并且污水處理系統(tǒng)無需任何耗能設(shè)備，不需要運(yùn)行費(fèi)用，具有經(jīng)濟(jì)節(jié)約、技術(shù)可靠的特點(diǎn)，同時為滿足高水質(zhì)的要求，增加了自然濕地處理過程，對處理后的出水進(jìn)行進(jìn)一步凈化。左馬小流域內(nèi)有很多河漫灘、池塘、水庫、稻田等具有濕地特征的景觀，可以充分利用這些景觀改善出水水質(zhì)。

3.1.2 村落固體廢棄物生態(tài)處理技術(shù)

村落固體廢棄物的來源有4個方面:一是農(nóng)田和果園的殘留物，如秸稈、雜草、落葉、藤蔓等;二是牲畜和家禽糞便以及欄圈用的鋪墊物;三是農(nóng)產(chǎn)品加工廢棄物;四是人糞尿以及生活廢棄物。目前，這些固體廢棄物大多是隨地堆放，嚴(yán)重影響著村落環(huán)境和河流水質(zhì)。

基于研究區(qū)村民的科技素質(zhì)及環(huán)境保護(hù)意識還不是很高、農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不高、山區(qū)能源短缺的現(xiàn)狀，推薦采取“豬—沼—果”水土保持生態(tài)治理模式對村落固體廢棄物進(jìn)行生態(tài)處理。該模式以農(nóng)戶為基礎(chǔ)，在果園套種飼料作物，以豬糞為沼氣發(fā)酵原料，以沼氣池為產(chǎn)氣主體、沼氣為能源、沼液(渣)為果蔬肥料。其基本內(nèi)容是戶建1個沼氣池，人均出欄2頭豬，人均開發(fā)1畝果(15畝=1 hm2)，簡稱“121”工程?！柏i—沼—果”模式以發(fā)展沼氣為中心，通過沼氣池建設(shè)，將種植業(yè)(果)、養(yǎng)殖業(yè)(豬)和農(nóng)村能源建設(shè)(沼)等有機(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)資源合理利用，從而形成相互促進(jìn)、良性循環(huán)的生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈，促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

3.2 耕地非點(diǎn)源污染生態(tài)控制技術(shù)

3.2.1 坡耕地水土保持農(nóng)業(yè)技術(shù)

水土流失既是農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的主要形式，又是農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的主要載體［9］，控制水土流失可以有效控制小流域非點(diǎn)源污染。Henderson等［10］認(rèn)為控制農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染最有效和最經(jīng)濟(jì)的方法是采取適當(dāng)?shù)霓r(nóng)田管理方式。針對左馬小流域的水土流失特征，本課題主要采取增加地面植被覆蓋和增加土壤入滲、提高土壤抗蝕性能兩類保水保土耕作技術(shù):為增加地面植被覆蓋主要是采用間作、套種與混播、等高耕作等技術(shù)，改變傳統(tǒng)的耕作方式;為增加土壤入滲、提高土壤抗蝕性能主要是在夏、秋兩季進(jìn)行深耕，一般深耕25～30 cm，其他季節(jié)則采用少耕甚至免耕等措施，以提高土壤抗蝕性能。

3.2.2 田間污染生態(tài)控制與調(diào)控技術(shù)

農(nóng)田田間污染物主要是降水和灌溉產(chǎn)生的地表徑流攜帶的氮、磷、泥沙和農(nóng)藥等。治理時，可因地制宜地將田間渠道、坑、塘等改造成土地處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田污染生態(tài)控制。圖2為農(nóng)田田間處理系統(tǒng)流程，該處理系統(tǒng)主要由收集系統(tǒng)、緩沖調(diào)控系統(tǒng)和凈化系統(tǒng)組成，其中凈化系統(tǒng)的主要組成部分有渠道、田間坑、塘以及其中的各類生物。

圖2 農(nóng)田田間處理系統(tǒng)流程

3.3 水系徑流生態(tài)處理與生態(tài)修復(fù)技術(shù)

水系徑流生態(tài)處理工程主要是在嚴(yán)重污染地段的下游建造截留污染物和污染物循環(huán)利用的各類設(shè)施，針對非點(diǎn)源污染的突發(fā)性、大流量、低濃度等特點(diǎn)，有效控制和削減污染物。左馬小流域主要采用了植被過濾帶、生態(tài)溝渠、多水塘濕地凈化系統(tǒng)等水系徑流生態(tài)處理工程。

3.3.1 植被過濾帶技術(shù)

植被過濾帶能增加地表的粗糙度，降低水流速度以及水流作用于土壤的剪切力，進(jìn)而降低沉積物的輸移能力，促進(jìn)其在過濾帶中沉淀。以凈化徑流為目的的過濾帶，應(yīng)盡可能建在靠近污染源的地方，并且沿等高線分布，使水流可以平緩地流過過濾帶。在左馬小流域的丘陵地區(qū)，大部分降雨要流入上游溪流，因此沿小河或上游河道建造過濾帶通常會比沿大河或下游河流建造更為有效。

過濾帶的設(shè)計要考慮過濾帶的大小、植被類型、管理方式等諸多要素，而這些要素又取決于過濾帶的立地條件，包括污染類型和負(fù)荷、過濾帶截留和轉(zhuǎn)化污染物的能力、降低污染的程度等，因此應(yīng)根據(jù)徑流量和立地條件的變化來加大或減小過濾帶在不同區(qū)域的寬度。比如，可以在地形圖上畫出產(chǎn)流區(qū)和徑流流入過濾帶的位置，對過濾帶的寬度進(jìn)行必要的調(diào)整以適應(yīng)不同的徑流量;在上方坡面徑流區(qū)域較大、污染物負(fù)荷較高的區(qū)域，過濾帶也應(yīng)較寬。同時，地面坡度和土壤類型也會影響過濾帶去除污染物的能力:陡坡會加大污染物流量、減少入滲時間、影響過濾帶效果，因此地面坡度較陡時需要較寬的過濾帶;入滲能力強(qiáng)的土壤比入滲能力弱的土壤可以在更大程度上減少徑流，因此土壤入滲能力弱時需要較寬的過濾帶。

左馬小流域植被過濾帶設(shè)計采用喬灌草相結(jié)合的植被結(jié)構(gòu)，喬、灌木發(fā)達(dá)的根系可以穩(wěn)固河岸，防止水流的沖刷和侵蝕;草本過濾帶可通過增加地表粗糙度來增強(qiáng)地表徑流的滲透能力，并減小徑流流速，提高過濾帶對沉淀物的沉積能力［11］。

3.3.2 生態(tài)溝渠構(gòu)建技術(shù)

作為水工程系統(tǒng)，在正常發(fā)揮輸水配水功能的前提下，增加溝渠形態(tài)的多樣性、創(chuàng)造適宜的生物棲息環(huán)境，可以更多地截留農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染，增強(qiáng)溝渠水體的自凈能力，恢復(fù)溝渠的水生態(tài)系統(tǒng)功能。本課題從發(fā)揮溝渠對非點(diǎn)源污染控制和修復(fù)生態(tài)功能的角度，探討了生態(tài)溝渠構(gòu)建技術(shù)。

(1)生態(tài)溝渠空間形態(tài)構(gòu)建技術(shù)。溝渠形態(tài)的多樣性與生物群落的多樣性有著密切的聯(lián)系。溝渠平面上的蜿蜒性、橫向斷面上的多樣性、縱向上的深潭和淺灘交替以及水流的急緩變化，為各種生物創(chuàng)造了適宜的棲息環(huán)境，從而增加了生物群落的多樣性。

(2)生態(tài)溝渠植被優(yōu)化構(gòu)建技術(shù)。水系具有天然的自凈能力，可以通過植物、動物和微生物的生理過程來吸收降解污染物質(zhì)。通過對水系自凈機(jī)理的研究，可以人為地創(chuàng)造適宜的條件來強(qiáng)化溝渠的自然凈化過程，增強(qiáng)溝渠的自凈能力，從而改善水體水質(zhì)。目前主要采用的是水生植被恢復(fù)技術(shù)和生物填料技術(shù)。

3.3.3 多水塘濕地凈化系統(tǒng)

利用多水塘系統(tǒng)控制非點(diǎn)源污染的主要方法是修建暴雨滯留池。天然或人工水塘不斷地與河流進(jìn)行水分、養(yǎng)分的交換，使流速降低、懸浮物得以沉淀，增加水流與生物膜的接觸時間，從而滯留和凈化非點(diǎn)源污染物。左馬小流域建有許多水塘用來攔截雨水灌溉農(nóng)田，對其輸水系統(tǒng)和其中的水生植被進(jìn)行優(yōu)化，可截留來自農(nóng)田的94%以上的P、N污染物負(fù)荷。因此，多水塘濕地系統(tǒng)不僅能控制污染負(fù)荷，而且能提高水資源的利用率，可以在左馬小流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染防治中普遍采用。同時，自然多水塘濕地系統(tǒng)還能豐富生境與景觀的多樣性，在維持農(nóng)田系統(tǒng)的生物多樣性和穩(wěn)定性方面具有重要作用。

4 結(jié)語

為了減少并防止農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染，利用生態(tài)工程控制農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染是一種常用的有效手段。非點(diǎn)源污染控制是一個涉及經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境各方面的系統(tǒng)工程，需要在資金、管理、技術(shù)和提高環(huán)境意識等方面進(jìn)行全方位的投入，需要多部門協(xié)調(diào)合作，既要加強(qiáng)對環(huán)境影響面大的源頭防治，注重實(shí)施積極的生態(tài)農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略措施，減少污染物的排放和養(yǎng)分的流失，又要在污染治理技術(shù)上充分優(yōu)化配置生態(tài)工程措施，建立流域非點(diǎn)源污染防治的“源—流—匯”的逐級防控技術(shù)體系，從根本上形成治理小流域非點(diǎn)源污染的最佳管理措施體系。

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