非點(diǎn)源污染防治技術(shù)研究進(jìn)展

甄麗莎， 宋鳳敏， 張亞素

(1.陜西省微生物研究所， 陜西 西安 710043； 2.陜西理工學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 陜西 漢中 723000； 3.咸陽(yáng)市植物檢疫站， 陜西 咸陽(yáng) 712000)

0 引 言

非點(diǎn)源污染[1](Non-point source pollution，NPSP)或者面源污染，是指時(shí)空上無(wú)法定點(diǎn)監(jiān)測(cè)隨機(jī)發(fā)生的污染物質(zhì)(如農(nóng)藥、化肥等)以分散源的形式通過各種途徑匯入水體，導(dǎo)致的水體污染。我國(guó)水體非點(diǎn)源污染的主要物質(zhì)是氮和磷，分別占到總污染的81%和93%[2]。非點(diǎn)源污染的成因主要包括[3]：①水土流失與土壤侵蝕；②農(nóng)用化學(xué)品濫用；③生活污水；④農(nóng)業(yè)(種植業(yè)、畜牧業(yè))固體廢棄物。其中以農(nóng)用化學(xué)品最為嚴(yán)重。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，土壤表面及耕作層內(nèi)的大量未被作物吸收利用的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素會(huì)通過農(nóng)田排水、地表徑流等方式進(jìn)入水體，引起水體富營(yíng)養(yǎng)化，導(dǎo)致藻類大量繁殖，水環(huán)境惡化，水生動(dòng)物死亡[4]。由于非點(diǎn)源污染具有污染面積廣、污染過程復(fù)雜、污染爆發(fā)不確定和污染控制難度大等特點(diǎn)，已經(jīng)成為我國(guó)環(huán)境問題研究的活躍領(lǐng)域[5-6]。

經(jīng)過30多年的研究，非點(diǎn)源污染技術(shù)經(jīng)歷了由初期的定性化研究向定量化研究，由統(tǒng)計(jì)、調(diào)查與機(jī)理研究向?qū)嵱弥卫硌芯康陌l(fā)展階段。就目前國(guó)內(nèi)外眾多的防治技術(shù)來(lái)看，大體可以分為兩大類，即源防治和匯防治。

1 源防治

源防治是從污染源頭控制和減少氮、磷流失，也就是所謂的管道前端治理方法。主要通過耕種措施和田間管理、施肥措施管理及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等技術(shù)控制氮、磷的排放量和流失量，以減少非點(diǎn)源污染。

1.1 耕種措施和田間管理

不同的農(nóng)田耕種措施和田間管理對(duì)養(yǎng)分吸收、利用、淋溶和流失起著重要的作用?？茖W(xué)的耕作技術(shù)和合理的田間管理可以減少土壤侵蝕，提高養(yǎng)分利用率，減少了非點(diǎn)源污染。

1.1.1 種植措施

采取合理密植、套作、間作和輪作等種植體系，科學(xué)布局，提高復(fù)種指數(shù)，減少土地全年和單位裸露面積，可以有效控制土壤侵蝕強(qiáng)度，減少非點(diǎn)源污染。蘇偉等[7]研究表明，高密度(60萬(wàn)株/hm2)種植油菜可促進(jìn)作物干物質(zhì)的積累，提高養(yǎng)分利用效率，氮、磷、鉀的養(yǎng)分吸收量分別增加了46.7%、53.6%和50.2%。陳雨海等[8]在麥田中間作菠菜，發(fā)現(xiàn)間作有利于提高基肥氮素利用率。

1.1.2 保護(hù)性耕作

與保護(hù)性耕作農(nóng)田相比，傳統(tǒng)耕作農(nóng)田的泥沙和養(yǎng)分流失明顯增多。傳統(tǒng)耕作農(nóng)田由于翻耕，土壤礦化作用強(qiáng)烈，硝酸鹽的淋失明顯高于保護(hù)性耕作農(nóng)田。保護(hù)性耕作(少耕、免耕)可以改善土壤物理結(jié)構(gòu)、土壤入滲性能和生產(chǎn)潛力，減少農(nóng)田土壤及養(yǎng)分流失。WANG Xiao-bo等[9]研究表明，免耕使土壤保水能力提高8%～12%，可以減少地表徑流以及可溶性氮、磷流失的可能。劉建昌等[10]綜合使用模擬模型AGNPS 5.0和不確定性區(qū)間系統(tǒng)優(yōu)化模型，在五川流域進(jìn)行了控制農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的最佳管理措施的優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究發(fā)現(xiàn)，保護(hù)性耕作(作物留茬30%以上)可以有效控制農(nóng)田非點(diǎn)源污染。劉培財(cái)?shù)萚11]對(duì)洱海流域進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，較習(xí)慣施肥，免耕秸稈覆蓋和秸稈翻耕使氮素利用率提高11%～20%，0～30 cm土壤硝酸鹽殘留減少53.0%～60.9%，顯著降低氮素流失風(fēng)險(xiǎn)。

1.1.3 節(jié)水灌溉

地表徑流強(qiáng)度和徑流量在很大程度上決定了土壤養(yǎng)分和農(nóng)藥的流失。有研究[12-13]表明，水田灌溉用水量減少31%～36%時(shí)，地表排水量減少78%～90%，氮素負(fù)荷量減少76%～80%，滲漏水氮素負(fù)荷量減少34%～40%，即灌溉用水量與化肥流失量之間呈現(xiàn)出一定的正相關(guān)關(guān)系。因此，開展節(jié)水灌溉、控制農(nóng)田灌溉水量，以水定肥，以肥調(diào)水，水肥結(jié)合，可減少農(nóng)田養(yǎng)分和農(nóng)藥的流失，降低非點(diǎn)源污染的可能性。靳孟貴等[14]針對(duì)我國(guó)北方地方潛水位動(dòng)態(tài)、農(nóng)業(yè)用水的特點(diǎn)和農(nóng)田排水特征，提出了有效防治土壤鹽漬化和氮磷流失的節(jié)水灌溉措施。

1.2 施肥措施

化肥施用量大、利用率低一直是困擾我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一個(gè)突出問題[15]。大量流失的化肥直接或間接地導(dǎo)致了一系列不良的環(huán)境反應(yīng)。氮、磷肥的表面流失和滲漏流失直接導(dǎo)致地下水污染和江河湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化。因此，完善施肥措施是防治非點(diǎn)源污染的重要途徑。

1.2.1 平衡施肥

平衡施肥針對(duì)我國(guó)現(xiàn)狀，全國(guó)耕地59%缺磷，23%缺鉀，14%磷鉀俱缺[16]，根據(jù)不同作物品種，通過測(cè)土配肥，合理肥料中氮、磷、鉀的比例以及有機(jī)-無(wú)機(jī)肥配合施用，以提高肥料的肥效，減少化肥用量，降低氮、磷流失。潘根興等[17]提出了經(jīng)濟(jì)極點(diǎn)施肥模式，總施肥量(N+P)240 kg/hm2，氮、磷、鉀的比例為3∶2∶0或1∶1∶0，可以減少30%的氮、磷肥施用量。同延安等[18]對(duì)陜西省3個(gè)不同生態(tài)區(qū)，17個(gè)市(縣)的1 500多位農(nóng)戶進(jìn)行了現(xiàn)狀調(diào)查，同時(shí)在5個(gè)示范村示范和推廣了小麥、玉米和水稻平衡施肥技術(shù)，結(jié)果表明，陜北和關(guān)中地區(qū)平衡施肥措施主要為減氮增磷補(bǔ)鉀，同時(shí)與灌溉技術(shù)相結(jié)合，達(dá)到少量多次施肥與灌溉；陜南地區(qū)要大力補(bǔ)充鉀肥。賈小紅等[19]針對(duì)我國(guó)菜田養(yǎng)分狀況，結(jié)合蔬菜的養(yǎng)分吸收規(guī)律、土壤養(yǎng)分的遷移和轉(zhuǎn)化及環(huán)境養(yǎng)分供應(yīng)的特點(diǎn)得出結(jié)論：有機(jī)肥施用于新菜田以“以氮定量”為原則，而施用于土壤有效磷過量累積的老菜田，應(yīng)以“以磷定量”為原則，控制有機(jī)肥中的磷素投入，滿足蔬菜各生育期的養(yǎng)分需求，減少非點(diǎn)源污染的風(fēng)險(xiǎn)。Malhi[20]和Carefoot等[21]的研究表明，長(zhǎng)期秸稈還田與氮肥配合施用可以提高作物對(duì)氮的利用率。合理增加有機(jī)肥源還可以改善土壤性狀，培肥地力，提高土壤保水保肥能力，減少養(yǎng)分流失。

1.2.2 養(yǎng)分控/緩釋技術(shù)

養(yǎng)分控/緩釋技術(shù)使養(yǎng)分釋放速率和作物吸收特征較好地達(dá)到“供求”平衡。平衡施肥一般指不同元素間的比例平衡，是一種靜態(tài)平衡；而控/緩釋技術(shù)則是一種動(dòng)態(tài)平衡，使養(yǎng)分的供給和作物的需求保持一致，提高養(yǎng)分利用效率，減少非點(diǎn)源污染。汪強(qiáng)等[22]研究表明，包膜緩/控釋肥可以使作物對(duì)氮肥的利用率提高6.18%～11.57%。董燕等[23]對(duì)非包膜緩釋復(fù)合肥進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，非包膜緩釋復(fù)合肥在土壤中氮、磷、鉀養(yǎng)分的緩釋能力優(yōu)于普通復(fù)合肥，與小麥的需肥特性相一致，可以滿足小麥各生育期對(duì)養(yǎng)分的需求；氮、磷、鉀養(yǎng)分利用率分別提高了23.6%、15.4%和63.7%。串麗敏等[24]研究了脲酶抑制劑N-丁基硫代磷酰三胺和硝化抑制劑雙氰胺對(duì)氮素淋溶損失的影響，結(jié)果表明，添加抑制劑可以使硝態(tài)氮累積淋失量降低11.6%～17.2%，效果顯著。

1.2.3 施肥方式

土壤中養(yǎng)分的利用率與施用深度和方式密切相關(guān)。旱地土壤提倡深施至10～12 cm土層，減少淋失，提高養(yǎng)分利用效率。段亮等[25-26]研究表明，肥料深施能有效地減少低養(yǎng)分流失量，其中氮流失減少51%，磷流失減少80%。

1.3 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整

農(nóng)田控制的流域中氮、磷流失量明顯高于草地或者林地控制的流域。退耕還林還草一方面可以減少化肥施用量，另一方面可以明顯減少土壤流失量，特別是水溶態(tài)磷的流失。因此，退耕還林還草工程是減少土壤磷流失和防治非點(diǎn)源污染的有效途徑。有研究表明，退耕還林還草后黃壤旱坡地地表徑流中顆粒態(tài)磷含量比相應(yīng)的旱地減少了22.17%～63.48%，而水溶態(tài)磷含量減少了30.3%～44.29%；退耕還林區(qū)土壤水溶態(tài)磷和顆粒態(tài)磷的流失量分別比玉米種植區(qū)減少了38.65%和35.08%，退耕還草區(qū)土壤水溶態(tài)磷和顆粒態(tài)磷的流失量分別比玉米種植區(qū)減少了53.42%和41.94%[27]。

另外，開展生物防治研究，減少農(nóng)藥使用量，加強(qiáng)畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)管理，并劃定養(yǎng)殖業(yè)禁建區(qū)、禁養(yǎng)區(qū)，根據(jù)環(huán)境容量合理確定畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的區(qū)域和規(guī)模，可減輕農(nóng)藥對(duì)水環(huán)境的污染，降低非點(diǎn)源污染風(fēng)險(xiǎn)。

2 匯防治

匯防治是相對(duì)于“源”防治的一類防治技術(shù)，也就是所謂的“管道末端”治理方法，著重于對(duì)污染物的去除和削減。主要方式有建立植物緩沖帶和水塘-濕地系統(tǒng)。

2.1 植被緩沖帶

土壤侵蝕過程的養(yǎng)分損失是土壤退化和非點(diǎn)源污染的直接原因。控制粒徑小于0.02 mm土壤細(xì)粒的流失是控制養(yǎng)分流失的關(guān)鍵[28]。植物緩沖帶是人工建立或恢復(fù)的植被走廊，通過滯緩徑流、沉降泥沙、強(qiáng)化過濾和增強(qiáng)吸附等功能來(lái)減少土壤顆粒流失，以降低氮、磷、稀有金屬、有機(jī)質(zhì)和病原體等的濃度。在這一過程中，包括了沉積作用、過濾作用、吸附作用、物理化學(xué)作用和生物間的相互作用。植被緩沖帶不僅能有效地截留污染物，而且還可以提高植被覆蓋率，增加生物多樣性，改善區(qū)域環(huán)境，提高抗災(zāi)能力[29]。

2.2 水塘-濕地系統(tǒng)

水塘-濕地系統(tǒng)具有很高的生產(chǎn)率和氧化還原能力，尤其是在固氮和脫氮方面。濕地生態(tài)系統(tǒng)有助于減緩水流的速度。當(dāng)含有毒物和雜質(zhì)(農(nóng)藥、生活污水和工業(yè)排放物)的流水經(jīng)過濕地生態(tài)系統(tǒng)時(shí)，流速減慢，有利于有害物質(zhì)的沉淀和分解，從而達(dá)到改善水質(zhì)、提高生物多樣性的目的。有研究表明，多水塘系統(tǒng)能截留來(lái)自村莊、農(nóng)田的氮、磷污染負(fù)荷達(dá)94%[30]。徐華山等[31]對(duì)濱河濕地不同植被對(duì)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源氮污染的控制效果進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，濱河濕地土壤對(duì)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源氮的滯留作用主要發(fā)生在土壤0～10 cm深度，相當(dāng)于過濾器的功能。濕地特殊的氧化還原條件導(dǎo)致強(qiáng)烈的土壤微生物反硝化作用以及濕地植被對(duì)氮素的吸收作用，3個(gè)月后，蘆葦、藨草、水燭樣方中的氮下降了93.3%、72.2%和37.5%。晏維金等[32]研究表明，水稻田-水塘濕地系統(tǒng)對(duì)總磷和總氮的截留率分別在90%和50%以上。

3 結(jié) 語(yǔ)

非點(diǎn)源污染研究本身是一項(xiàng)涉及經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境的系統(tǒng)工程。然而，就我國(guó)現(xiàn)狀而言，不論是農(nóng)藥化肥施用、田間管理、耕作措施、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，還是非點(diǎn)源污染的影響因素分析、水質(zhì)監(jiān)測(cè)等方面的研究，其對(duì)象和范圍多集中在小范圍農(nóng)田和部分河段，而以大流域和全河段為監(jiān)測(cè)和研究對(duì)象的較少；在較大范圍的研究與技術(shù)實(shí)施過程中，又多以行政區(qū)為單位，而以流域?yàn)閱挝坏妮^少。這些因素都制約了我國(guó)非點(diǎn)源污染防治技術(shù)研究與實(shí)施的發(fā)展。最佳管理措施(BMPs) 是一種控制農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的有效措施。在我國(guó)，BMPs研究起步較晚，需要借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家在BMPs應(yīng)用上的經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況，合理發(fā)展和使用BMPs控制農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染。

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