滇池沿湖地區(qū)農(nóng)田污染生態(tài)控制關(guān)鍵技術(shù)研究

楊育華，和蘭娣，支國強(qiáng)，劉 滔，畢 金

(1.昆明市環(huán)境科學(xué)研究院，云南昆明650032;2.云南垚淼環(huán)?？萍加邢薰?，云南昆明650032)

農(nóng)田面源污染具有隨機(jī)性、復(fù)雜性等特點(diǎn)，也是造成湖泊富營養(yǎng)化的主要原因，更是威脅飲用水源安全的關(guān)鍵因素。農(nóng)田面源污染是由于不科學(xué)的種植生產(chǎn)而引發(fā)，污染物在水動力作用下以徑流方式最終進(jìn)入湖庫等水體。按照源－流－匯體系劃分共可分三個過程:一是源頭化學(xué)肥料、農(nóng)藥大量施用，污染源強(qiáng)劇增超過土壤消納能力;二是高復(fù)種指數(shù)下產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)固廢難于實(shí)現(xiàn)合理還田利用流失污染嚴(yán)重，以及土壤人為擾動過于頻繁，農(nóng)田土壤肥力下降和生態(tài)功能退化，保肥保水能力降低，氮、磷流失加重;三是破壞農(nóng)田溝渠、地埂等生態(tài)緩沖帶造成農(nóng)田生物多樣性銳減，田頭或田間緩沖、攔截功能喪失，氮、磷污染物極易入河湖，造成水體污染。鑒于此，本文按照生態(tài)學(xué)理論，結(jié)合近年來在湖庫地區(qū)實(shí)施的技術(shù)研究成果，在已有農(nóng)田面源污染產(chǎn)生、輸移和流失主要過程的研究成果的基礎(chǔ)上，通過控源技術(shù)、過程調(diào)控技術(shù)、末端強(qiáng)化技術(shù)的研究試驗(yàn)，旨在解決農(nóng)業(yè)種植增收、發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)和保護(hù)水環(huán)境之間的矛盾。

1 研究背景

1.1 農(nóng)田面源污染防治現(xiàn)狀

對面源污染，國際范圍內(nèi)仍然缺少有效的控制和監(jiān)測技術(shù)，在控制上采用源頭控制策略;在監(jiān)測上則強(qiáng)調(diào)因地制宜，而沒有標(biāo)準(zhǔn)方法。在進(jìn)行農(nóng)田面源污染控制上，主要是在全流域范圍內(nèi)廣泛推行農(nóng)田最佳養(yǎng)分管理 (best nutrient management practice，BNMP)［1］，目前發(fā)達(dá)國家對農(nóng)田面源污染主要控制技術(shù)有:①農(nóng)田最佳養(yǎng)分管理;②有機(jī)農(nóng)業(yè)或綜合農(nóng)業(yè)管理模式;③等高線條帶種植;④農(nóng)業(yè)水土保持技術(shù)措施。同時制定和執(zhí)行限定性農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，包括:①對水源保護(hù)區(qū)、水源涵養(yǎng)地的輪作類型的限定;②對水源保護(hù)區(qū)、水源涵養(yǎng)地肥料類型、施肥量施肥方法的限定。為保證限定性農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)性和合理性，歐洲自20世紀(jì)80年代末以來啟動了一系列的科研行動計(jì)劃，在各地進(jìn)行了大量相關(guān)試驗(yàn)研究［1］，在扎實(shí)的研究基礎(chǔ)上，發(fā)展環(huán)境友好的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，通過技術(shù)層與政策層的結(jié)合，實(shí)行全流域TN、TP控制，削減農(nóng)業(yè)面源污染排放量。與此同時，為定量研究非點(diǎn)源污染負(fù)荷量及其比重、以及預(yù)測不同控制措施的效果，20世紀(jì)70年代提出了一些較為復(fù)雜的模型，如著名的 SWMM、STORM、ARM、SWAT模型等［2］。

20a來，發(fā)達(dá)國家在農(nóng)業(yè)面源污染治理上主要通過源頭控制，對農(nóng)田面源、畜禽面源進(jìn)行分類控制。自20世紀(jì)80年代末以來，各國流域逐步實(shí)施農(nóng)業(yè)投入TN、TP總量控制，TN、TP化肥用量分別下降了大約30%和50%，氮、磷化肥用量的大幅度下降使得農(nóng)業(yè)面源污染得到了有效控制［1］。

我國從20世紀(jì)80年代以來，逐漸認(rèn)識到面源污染的危害，在城市徑流和農(nóng)田面源污染等方面開展了一些研究工作。重點(diǎn)實(shí)施了面源污染負(fù)荷的定量化研究、治理技術(shù)及污染控制管理等。農(nóng)田面源污染控制研究涵蓋了以湖泊 (三河三湖，飲用水源地)富營養(yǎng)化防治為中心的精準(zhǔn)化平衡施肥、農(nóng)業(yè)固廢資源化利用、濕地、保護(hù)性耕作等內(nèi)容，但研究深度和實(shí)踐與國外都存在巨大差距，面源污染的問題依然突出。

近年來，隨著對農(nóng)村面源污染防治工作力度的不斷加大，國內(nèi)科研院校、企事業(yè)等單位開展大量技術(shù)研究，部分技術(shù)在農(nóng)業(yè)、科技等部門的牽頭下已有引進(jìn)推廣和示范，但對我國西南高原地區(qū)農(nóng)村以家庭式小規(guī)模經(jīng)營的現(xiàn)狀來說，在面上獲得推廣應(yīng)用并不理想，這正是本研究的關(guān)鍵所在。

2.2 滇池沿湖地區(qū)概況

滇池位于云貴高原中部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)102°29'～ 103°01'，北緯 24°29'～ 25°28'，地處金沙江、珠江和紅河三大水系分水嶺地帶。隨著區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)種植模式發(fā)生了巨大的變革，沿湖地區(qū)農(nóng)田面積從1980年的6多萬hm2，減少到目前的約4萬hm2;作物由水稻、玉米替換成蔬菜、花卉;種植方式從傳統(tǒng)變?yōu)榱爽F(xiàn)代設(shè)施大棚種植。雖然農(nóng)田總面積在下降，但農(nóng)田面源污染負(fù)荷仍在增加。農(nóng)田水肥流失對于昆明這樣的高原地區(qū)來說一直存在著，歷史上主要是以農(nóng)田地表土壤流失為水土流失的代表，導(dǎo)致土壤保肥、保水及生產(chǎn)能力下降。近年來由于對化學(xué)肥料的依賴性增強(qiáng)，加劇了農(nóng)田水肥流失的強(qiáng)度，造成農(nóng)田周邊或下游水體環(huán)境富營養(yǎng)化。自“九五”以來，滇池流域城市面源和工業(yè)點(diǎn)源得到有效的控制，而面源污染仍然沒有找到實(shí)用有效的控制方式，日益嚴(yán)重，給滇池保護(hù)帶來了很大困難。據(jù)相關(guān)研究資料估算:滇池農(nóng)田面源污染TN、TP分別占滇池農(nóng)村面源污染總負(fù)荷的63.56%、38.84%;沿湖地區(qū)農(nóng)田面源污染負(fù)荷中TN、TP則占區(qū)域農(nóng)村面源污染負(fù)荷的63%、89%，是造成水環(huán)境污染的主要原因。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

從技術(shù)角度分析，農(nóng)田面源污染防治的環(huán)節(jié)可歸納為兩個方面，一是肥料方面，包括肥料種類、特性，施用方式，耕作等;二是經(jīng)濟(jì)實(shí)用型防控措施，與末端聯(lián)合的田頭固廢處理利用、水肥耦合和徑流生物攔截等。防控技術(shù)只有充分考慮沿湖地區(qū)農(nóng)業(yè)種植、農(nóng)作習(xí)慣，才具有面上推廣的可行性，也才能保證防治效果的真正發(fā)揮。

農(nóng)田面源污染物來源于肥料、農(nóng)藥、除草劑等的施用;大氣降水、塵降;灌溉用水以及其間徑流(包括地表徑流、表層壤中流和過境水)，其中某一種或幾種污染來源是受區(qū)域大環(huán)境影響，實(shí)現(xiàn)局部地區(qū)控制較為困難。農(nóng)田土壤既是氮、磷等污染物輸出的源，又是吸納、滯留、轉(zhuǎn)移的庫 (匯)，維系良好的農(nóng)田土壤生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和肥力水平，是保證農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和控制農(nóng)田面源污染的關(guān)鍵所在。針對當(dāng)前滇池沿湖地區(qū)農(nóng)田種植生產(chǎn)的情況，在全面分析滇池流域農(nóng)田區(qū)域已有技術(shù)研究和示范存在問題的基礎(chǔ)上，根據(jù)農(nóng)田污染物輸移的源－流－匯規(guī)律，以技術(shù)的經(jīng)濟(jì)實(shí)用、操作簡單和控制有效為核心，在滇池沿湖的晉寧縣上蒜鄉(xiāng)上蒜村，采用源頭控制、過程調(diào)控和末端攔截三種方式進(jìn)行了20 hm2大田綜合應(yīng)用試驗(yàn) (研究周期2009年1月～10月)。

3.1 大顆粒肥控源技術(shù)

受經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使，沿湖地區(qū)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)大幅度調(diào)整，蔬菜、花卉大棚種植面積已占耕地面積的近90%，同時由于化肥、農(nóng)藥具有使用的便捷性、速效性等客觀因素影響，化肥農(nóng)藥不科學(xué)施用現(xiàn)象普遍。農(nóng)田土壤連作障礙問題突顯，局部地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)客土事件，嚴(yán)重制約了農(nóng)業(yè)發(fā)展和農(nóng)民增收致富。近年來，雖然局部地區(qū)村民已經(jīng)認(rèn)識到單一施用化肥帶來的問題，轉(zhuǎn)變了施肥方式，采用新鮮畜禽糞便與化學(xué)肥料混合施用，但仍然未能達(dá)到預(yù)期改良土壤質(zhì)量的效果。

對此，本研究提出大顆?？厥Х柿霞庸ぜ笆┯眉夹g(shù)，其原理是根據(jù)不同植物需肥特性和土壤肥力水平，以完全腐熟的農(nóng)家肥、有機(jī)肥料、高濃度復(fù)合肥、強(qiáng)吸附性天然礦物粉及硼、鋅微量元素等，按照一定的配比混合均勻后，經(jīng)靜壓成型法，壓制成粒徑＞25mm的顆粒組合肥料。此種肥料，改變了現(xiàn)有有機(jī)肥生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品規(guī)格形狀，增加了肥料的單位密度，降低了肥料水分含量，解決了農(nóng)家肥施用不衛(wèi)生、不方便、搬運(yùn)體積大、難于定量等問題，便于種植生產(chǎn)中的定量施用。產(chǎn)品具有良好的吸水膨脹特性和吸附性，肥料浸入水溶液中完全崩塌時間可以達(dá)到15min以上，從而大幅度提高有機(jī)肥施用的緩釋和防止流失的效果。

源頭控制實(shí)驗(yàn)采用同田對比法，設(shè)傳統(tǒng)簡易施肥和大顆粒肥施用2個處理。大顆粒肥料化肥量為傳統(tǒng)施肥量的80%，等重量有機(jī)肥料，每個處理設(shè)6個重復(fù)，單個重復(fù)試驗(yàn)小區(qū)面積為200m2(小區(qū)規(guī)格為10m×20m)，重復(fù)之間留1.2m的保護(hù)帶，總用地面積為3000m2;以青花菜 (品種:優(yōu)秀)作為供試作物，種植株行距為0.40m×0.60m，青花移栽后90d收獲，并采集根區(qū)土壤進(jìn)行檢測。

大顆粒組合肥料與傳統(tǒng)簡易混合肥料施用區(qū)相比，6個傳統(tǒng)施肥小區(qū)青花平均產(chǎn)量為347.85kg，商品率為86.4%;大顆粒肥施用田產(chǎn)量為364.17kg，商品率為92.3%，說明大顆粒肥料的施用可減少化肥施用強(qiáng)度，提高養(yǎng)分利用率10～20個百分點(diǎn)，達(dá)到節(jié)本增效目的。對比施用前后2組12份土壤8h浸提液總氮、總磷檢測值，結(jié)果顯示大顆粒組合肥料可減少農(nóng)田土壤水溶性氮、磷污染物負(fù)荷達(dá)10%～30%。表明采用大顆粒對改善肥料特性，改善植物根區(qū)土壤結(jié)構(gòu)，保水、保肥具有良好效果;另外大顆粒肥料的應(yīng)用對于推動秸稈、糞便的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，促進(jìn)生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展，控制農(nóng)業(yè)固廢環(huán)境污染都具有重要的作用。

3.2 保護(hù)性栽培技術(shù)

農(nóng)田面源污染防治是一項(xiàng)煩瑣的系統(tǒng)性工作，涉及耕作、施肥、除草、灌溉等環(huán)節(jié);同時受氣候、土壤等干擾，因此在不能或難于開展源頭控制的情況下，進(jìn)行過程調(diào)控可以起到良好的作用。保護(hù)性栽培技術(shù)的核心是定點(diǎn)、定位開挖;定位除草、生物覆蓋 (中耕除草不施用除草劑，對作物間雜草只割除地上部分，避免整地翻挖除草，所除雜草就地覆蓋于地表)。

根據(jù)保護(hù)性栽培的要點(diǎn)，在晉寧縣上蒜鄉(xiāng)上蒜村實(shí)施，總面積2400m2，前茬為小麥。實(shí)驗(yàn)選擇鮮食甜玉米 (品種:甜單6號)為供試作物，施肥量和方法相同，設(shè)常規(guī)種植 (CK)和保護(hù)性栽培2個處理，每個處理設(shè)4個重復(fù)，每個重復(fù)小區(qū)面積200m2。采用穴播方式，每穴播籽2粒，種植密度300穴/hm2，種植塘規(guī)格0.20m×0.25m。玉米播后30d，小苗高度平均約25cm，雜草高10cm，此時只對種植穴內(nèi)雜草進(jìn)行手工清除。待玉米苗株高達(dá)45cm時，選擇晴天對苗間雜草全面刈割，留茬高度3～7cm，并及時將刈割下的雜草就近鋪撒于地表，從而大幅度降低對地表擾動，雜草秸稈的生物覆蓋物起到了良好的保墑、遮光、抑草效果;同時控制農(nóng)田氮、磷和水土流失。

整個實(shí)驗(yàn)期內(nèi)共采集到農(nóng)田地表徑流水樣4批次，共檢測TN、TP、CODCr和SS 4個指標(biāo)，檢測結(jié)果見表1。

從表1可知，采用科學(xué)的栽培方式對調(diào)控農(nóng)田水肥和水土流失效果可起到顯著的作用，農(nóng)田徑流污染物TN、TP、CODCr和SS的平均去除率分別為59.78%、69.45%、62.74和48.83%。

表1 兩種栽培方式農(nóng)田地表徑流水質(zhì)檢測結(jié)果 (mg/L)

3.3 農(nóng)田末端溝－基－塘生態(tài)技術(shù)

國內(nèi)外大量研究成果顯示，緩沖帶 (植物籬、植物帶等)對農(nóng)田水土和水肥流失具有良好的控制效果，并能在一定程度上改善區(qū)域景觀和生物多樣性。此類技術(shù)的試驗(yàn)和研究主要集中在我國長江中上游干旱河谷區(qū)和三峽庫區(qū)、北方黃土高原水土流失地區(qū)，目前，等高固氮植物籬技術(shù)在四川漢源縣、夾江縣、健為縣，云南元謀縣都建立了推廣試驗(yàn)示范點(diǎn) (工作站)［3］。在水土保護(hù)的長期實(shí)踐中，“緩沖帶”可以說是成熟技術(shù)的典型，在控制坡地水土流失、溝道侵蝕、面源污染防治以及保護(hù)和恢復(fù)生態(tài)等方面大顯身手［4］。

近年來，滇池沿湖地區(qū)農(nóng)田侵占河道、地埂現(xiàn)象較為突出，特別是農(nóng)田周邊原有的大量田埂已經(jīng)不復(fù)存在，農(nóng)田埂應(yīng)有的攔截、凈化等功能嚴(yán)重退化或喪失，是造成農(nóng)田水肥和水土流失的關(guān)鍵因素之一。在昆明地區(qū)以流域?yàn)樽罨締卧獙?shí)施大規(guī)模緩沖帶建設(shè)，存在兩個問題，一是緩沖帶的建設(shè)勢必占用農(nóng)田，為保護(hù)外部公共利益而減少個體利益，農(nóng)戶一般情況不會接受 (除非行政干預(yù));二是末端建設(shè)緩沖帶，在特殊水文條件下由于水文等主導(dǎo)因素影響，形成的區(qū)域末端控制格局，控制能力有限，效果不明顯。因此，采用以農(nóng)戶零散地塊為單元的源頭控制是解決上述問題的唯一有效途徑。

為探索出一套經(jīng)濟(jì)實(shí)用的技術(shù)措施，在分析已有相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，緊密結(jié)合滇池沿湖地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，實(shí)施了農(nóng)田污染末端生態(tài)控制技術(shù)。以單塊農(nóng)田為控制單元，在農(nóng)田地表徑流匯水區(qū)下方布設(shè)溝－基－塘生態(tài)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)布局和規(guī)模依農(nóng)田坡度、區(qū)域降水而定。溝體沿地田壟、墑間排水口布設(shè)，溝體規(guī)格深0.4m、寬0.3m，土溝開挖后，對底部實(shí)施夯實(shí)和平整以利引流;利用開挖出的土方堆成基體，基體規(guī)格寬0.6m，長能完全收集農(nóng)田徑流即可，基體建成后在其頂部每隔1.5m種植速生、抗性強(qiáng)、具經(jīng)濟(jì)價值的鄉(xiāng)土植物，同時在基面上種植豆科作物 (不施肥、不除草);根據(jù)溝體長度，每隔10～15m，增設(shè)容積為1.0m3的生態(tài)塘用于收集農(nóng)田地表徑流，使其進(jìn)行自然沉降、過濾。農(nóng)田地表徑流經(jīng)土溝引流匯集到塘內(nèi)，經(jīng)土壤、植物、微生物的協(xié)同作用，徑流污染物可以得到大幅削減 (徑流水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果見表2)。此系統(tǒng)的構(gòu)建，在實(shí)現(xiàn)農(nóng)田生物多樣性的同時，塘內(nèi)集水還可補(bǔ)充農(nóng)灌用水。

表2 溝－基－塘生態(tài)控制農(nóng)田徑流監(jiān)測統(tǒng)計(jì) (mg/L)

從表2可看出，農(nóng)田末端采用的溝－基－塘生態(tài)控制系統(tǒng)對雨季農(nóng)田地表徑流主要污染物TN、TP、CODCr、SS的去除率平均值分別達(dá)54.14%、66.86%、42.20%和76.41%，雖然與已有部分技術(shù)相比去除率偏低，但此技術(shù)較為經(jīng)濟(jì)和實(shí)用，同時監(jiān)測結(jié)果與 (王興祥、于興修等人)研究所提出地表排水中氮的流失以顆粒態(tài)為主［5］，無論是氮素還是磷素的流失形態(tài)主要以泥沙結(jié)合態(tài)為主這一結(jié)論［6］，是相吻合的。

4 結(jié)論

(1)大顆料肥料施用可源頭減少化學(xué)肥料施用量20%;保護(hù)性栽培可削減農(nóng)田徑流TN、TP、CODCr和SS分別為59.78%、69.45%、62.74%和48.83%;末端攔截可削減農(nóng)田徑流 TN、TP、CODCr和SS分別為54.14%、66.86%、42.20%和76.41%，控制農(nóng)田水土流失是農(nóng)田面源防治的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和防治的重點(diǎn)之一。本研究對于滇池沿湖地區(qū)農(nóng)田面源污染生態(tài)控制起到了良好的促進(jìn)作用，由于各地農(nóng)田面源污染存在的氣候、區(qū)域的差異，因此還有待進(jìn)一步完善充實(shí)。

(2)農(nóng)田水肥流失是農(nóng)田種植生產(chǎn)資源的浪費(fèi)，也是造成區(qū)域水體富營養(yǎng)化的重要因素之一，因此，就農(nóng)田面源治理甚至是農(nóng)村面源污染防治未來的研究仍將以生態(tài)治理為目標(biāo)，以源－流－匯系統(tǒng)防治為核心。開發(fā)低成本、有效果、可在面上大量推廣應(yīng)用的技術(shù)，或者將技術(shù)轉(zhuǎn)變成產(chǎn)品、裝置，提高普及利用率，在流域面上推進(jìn)農(nóng)田面源污染防治工作。

(3)農(nóng)田面源污染防治在進(jìn)行技術(shù)推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)上，仍然需要配套相應(yīng)的政策、決策支持，建立完善相應(yīng)的生態(tài)產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向和目標(biāo)，才能突顯農(nóng)田面源污染防治工作成效。

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