基于養(yǎng)分回用-化肥替代的農業(yè)面源污染氮負荷削減策略及技術

薛利紅,何世穎,段婧婧,張志勇,楊林章*

(1.江蘇省農業(yè)科學院農業(yè)資源與環(huán)境研究所,南京 210014；2.農業(yè)部長江下游平原農業(yè)環(huán)境重點實驗室,南京 210014）

基于養(yǎng)分回用-化肥替代的農業(yè)面源污染氮負荷削減策略及技術

薛利紅1,2,何世穎1,2,段婧婧1,2,張志勇1,2,楊林章1,2*

(1.江蘇省農業(yè)科學院農業(yè)資源與環(huán)境研究所,南京 210014；2.農業(yè)部長江下游平原農業(yè)環(huán)境重點實驗室,南京 210014）

有效削減農業(yè)面源氮污染負荷是提升水環(huán)境質量的關鍵,也是當前關注的熱點之一。氮排到水體是污染源,但其本身是農作物生長必需的營養(yǎng)元素。為此,提出了基于養(yǎng)分回用-替代化肥的農業(yè)面源污染氮負荷削減策略,利用農業(yè)生產系統(tǒng)對農業(yè)面源污染排放的氮進行消納和回用,減少農田化肥氮投入并有效削減排入到水環(huán)境中的氮,達到農業(yè)生產與環(huán)境保護的雙贏。重點介紹了面源污水中氮的農田直接回用、水生植物回收-有機肥還田替代、環(huán)境材料吸附凈化-回收還田等幾種技術途徑及其應用,并指出了目前存在的不足及以后發(fā)展的方向。

農業(yè)面源污染;氮負荷;養(yǎng)分回用;化肥替代

農業(yè)面源污染是指在農業(yè)生產和生活活動中,溶解的或固體的污染物,如氮、磷、農藥及其他有機或無機污染物質,從非特定的地域,通過地表徑流、農田排水和地下滲漏進入水體引起水質污染的過程。由于農業(yè)生產活動的廣泛性和普遍性,加上農業(yè)面源污染涉及范圍廣、隨機性大、隱蔽性強、不易溯源、難以監(jiān)管、治理難度大［1］,農業(yè)面源污染已成為影響農村生態(tài)環(huán)境質量的重要污染源,成為現(xiàn)代農業(yè)和社會可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。2015年中央1號文件特別強調,要加強農業(yè)面源污染治理。農業(yè)面源排放的污染物中,氮是最主要且最難以防治的污染物,是目前水污染控制的重點和難點。研究表明,太湖流域農業(yè)面源污染排放的氮所占比重約為58%**余暉等,“十一五”國家水專項太湖項目“太湖流域環(huán)境綜合調查與湖泊富營養(yǎng)化綜合控制方案研究(2008ZX07101-001）”技術報告,是農村河道富營養(yǎng)化和水環(huán)境質量惡化的罪魁禍首之一。據(jù)監(jiān)測,太湖農村河道總氮濃度普遍在4～6 mg·L-1之間,離2020年全面消除劣Ⅴ類的目標還相差甚遠。國家及各個地方政府均出臺了水十條,明確提出了水體水質達標要求和氮減排目標?！督K省十三五太湖流域水環(huán)境綜合治理行動方案》明確指明,太湖流域污染物控制指標包括COD、氨氮、總磷和總氮,水體水質控制指標為高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷和總氮,并提出了水體總氮和氨氮的具體指標(穩(wěn)定達到Ⅴ類）以及流域總氮污染物排放量比2015年削減16%以上的總量指標?？梢娍刂妻r業(yè)面源氮污染負荷是提升流域水環(huán)境質量的關鍵,是當前亟需解決的難題之一。

1 農業(yè)面源污染氮的主要來源及其負荷

農業(yè)面源污染氮主要來源于農田種植業(yè)(包括未被利用的秸稈、通過地表徑流或主動排水排放到水體的農田尾水）、農村生活污水(未處理的分散農村生活污水以及生活污水處理廠排放的尾水）、畜禽養(yǎng)殖(小型分散畜禽養(yǎng)殖產生的畜禽糞便及廢水、沼氣工程產生的沼液等）以及池塘水產養(yǎng)殖(清塘排放的尾水）。根據(jù)國家環(huán)境保護部2010年發(fā)布的“全國第一次污染源普查公報”數(shù)據(jù)［2］,全國畜禽養(yǎng)殖業(yè)糞便年產量為2.43億t,每年向水體排放總氮102.5萬t；水產養(yǎng)殖業(yè)每年向水體排放總氮8.21萬t；農田尾水即種植業(yè)通過徑流向水體排放的總氮為32.01萬t。據(jù)住建部門調查,2010年,全國村鎮(zhèn)污水總產生量達136.2億t,占全國生活污水排放總量的22.9%,排放總氮約80萬t；而我國生活污水進行處理的行政村只占6%,農村生活污水的處理率不足10%,太湖流域上海、浙江、江蘇等省市行政村污水處理率較高的地區(qū)也僅達到48.6%、31.9%和19.6%(2015年第五屆中國農村和小城鎮(zhèn)水環(huán)境治理論壇）,大部分生活污水未經處理直接排放。這些農業(yè)面源污染氮排放直接加劇了水環(huán)境的惡化,以太湖流域為例,農村生活污水直接排放的氮對太湖污染的貢獻率可達35%～40%,畜禽養(yǎng)殖廢水可達12%［3-4］。江蘇省太湖流域國考斷面污染來源分析表明,除了上游來水污染外,生活污水處理廠尾水排放和由支流匯入的農業(yè)面源污染是影響考核斷面水質達標的主要因素［5］。

2 基于養(yǎng)分回用-替代化肥的農業(yè)面源污染氮負荷削減策略

氮排放到周圍水體中是污染源,但其對于農業(yè)生產系統(tǒng)來說是一種必需的大量營養(yǎng)元素。因此,若能利用農業(yè)生產對農業(yè)面源污染排放的氮進行消納和回用,不僅能減少農田化肥氮的投入,提高農田生產力,又能有效削減排入到水環(huán)境中的氮,減少環(huán)境治理成本,達到農業(yè)生產與環(huán)境保護的雙贏。根據(jù)國家環(huán)保部最新的《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標準(二次征求意見稿）》以及現(xiàn)行的《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002）,產生的養(yǎng)殖廢水和農村生活污水即使全部經過處理達標排放,生活污水尾水中總氮依然高達15～20 mg·L-1,養(yǎng)殖尾水總氮濃度也高達40～70 mg·L-1、氨氮濃度高達25～40 mg·L-1,遠高于我國《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002）對總氮的要求。如果直接排入水體,相當于每年至少排入水體總氮71.6萬t,是巨大的污染源。如果這些氮資源全部農田回用,相當于155萬t尿素,可節(jié)約氮肥投入約31億元,并減少巨額的環(huán)境治理費用,經濟、環(huán)境和社會效益顯著。為此,本文提出了基于養(yǎng)分回用-替代化肥的農業(yè)面源污染氮負荷削減策略,即通過尾水的直接回用,或經過“植物吸收-有機肥生產-農田回用”途徑,把排放的氮磷回用到農田生態(tài)系統(tǒng),減少排入到水環(huán)境中的面源氮,從而有效提升水環(huán)境質量。該策略也可理解為環(huán)境中氮磷資源的交換利用或交易行為(氮交易）,把要處理的各種污水中的氮磷資源回收利用,既減少污水處理(提標改造）的成本,也可減少農田化肥的投入,有效削減整個區(qū)域的氮磷排放負荷,實現(xiàn)區(qū)域水體水質達標以及氮減排的目標。

3 基于養(yǎng)分回用-替代化肥的農業(yè)面源污染氮負荷削減技術

農業(yè)面源氮污染物從形態(tài)上可以分為固態(tài)和液態(tài),其中固態(tài)主要包括秸稈、畜禽糞便等,液態(tài)主要包括生活污水及其尾水、畜禽和水產養(yǎng)殖廢水、沼氣工程產生的沼液以及農田尾水等。秸稈和畜禽糞便等固態(tài)污染物可以直接回田,或者通過堆肥等技術手段轉換成有機肥后回用到農田,相關技術比較成熟而且研究較多［6］。面源污水由于量大面廣而相對比較難以治理,為此,下文重點介紹面源污水中氮的農田回用-化肥替代的技術途徑及其研究進展。

3.1 面源污水農田灌溉回用技術

農業(yè)面源污水如農田尾水、生活污水、工程尾水等,其除了氮磷養(yǎng)分略高于農田灌溉水水質標準外,其余指標均滿足農田灌溉水質標準。因此,可以通過農田灌溉直接對這部分污水中的氮進行回用,不僅能避免直接排放對水體的污染,還能減少農田化肥氮投入,而且污水中富含的其他養(yǎng)分如磷、有機物等也能促進養(yǎng)分的吸收轉化,從而提高土壤肥力,保證作物產量［7-13］。對于干旱地區(qū),還能有效節(jié)約水資源。污水農田灌溉歷史悠久,且被廣泛應用于世界各地,所涉及的農作物有水稻、玉米、棉花、甜菜、溫室作物及蔬菜等［8-14］。稻田作為一種特殊的人工濕地,生育期內蓄水層的存在使其不僅能夠大量消納凈化周圍的河道水體,還能消納利用生活污水尾水、養(yǎng)殖廢水、沼液中的氮、磷達到減少化肥投入的作用［10-13,15-19］。研究表明,正常灌溉下,太湖流域每公頃稻田一季可消納面源污水5000 t左右,可利用污水中的氮100～130 kg,減少化肥投入40%～50%左右,并保證水稻高產和環(huán)境安全［17］。通過在稻田內部設計溝渠將其改造成溝灌滲濾型稻田濕地,連續(xù)進水并保證水力停留時間在5～7 d,就能保證出水總氮濃度穩(wěn)定在2 mg·L-1以下,達到地表水(湖庫）Ⅴ類水標準,而且對外源污水的消納處理能力大幅加強,水稻旺盛生長期的日處理水量可達160～200 m3·hm-2［18］。而稻田在我國廣泛分布,太湖流域耕地中近80%均為稻田,因此利用稻田來消納凈化面源污水的潛力巨大。由于面源污水量大,而農田灌溉水需求有限而且具有階段性,并且對水質有一定的要求,因此要削減面源污水中的氮,仍需尋求其他的技術途徑。

3.2 面源污水的水生植物回收-有機肥還田替代技術

對于那些不能直接農田回用的面源污水,可因地制宜建設一些水生植物凈化塘,利用水生植物的養(yǎng)分高效吸收功能,對面源污水中的氮磷等養(yǎng)分進行吸收富集,這些水生植物收割處理后可加工成有機肥回用到農田,從而使得面源污水中的氮磷養(yǎng)分得到資源化再利用。目前利用水生植物凈化污水的技術已比較成熟并逐步走向工程化應用。研究表明去除氮效果較好且在實踐中應用較多的水生植物包括鳳眼蓮、狐尾藻、銅錢草、蘆葦、再力花、美人蕉、燈芯草、睡蓮、菖蒲、金魚藻、馬來眼子菜、范草、菱、蕹菜、慈姑、菱白等［20-27］。污水中氮的去除除了水生植物的直接吸收外,微生物的硝化反硝化起主要作用［20,23］。為了保證對面源污水的凈化效果,確保出水水質,可以合理搭配沉水植物、挺水植物以及漂浮植物,形成不同的水生植物系統(tǒng)［21］；水生植物凈化塘可采用多級串聯(lián)形式,采用不同的水生植物塘組合［26］；且必須保證一定的面積規(guī)模,面積規(guī)模大小與采用的水生植物種類和污水中氮磷濃度有關。如利用鳳眼蓮凈化生活污水工程尾水,尾水生產能力(t或m3）與凈化塘水面面積(m2）為1∶3至1∶5之間為宜,且鳳眼蓮種苗最佳初始投放量為0.5～1.0 kg·m-2［25］；用綠狐尾藻凈化養(yǎng)豬場廢水,每頭豬需配置2～3 m2生態(tài)塘；用水生植物凈化塘或濕地來凈化農田尾水時,塘的配置比例以1%～3%為宜［26-28］。江蘇省農業(yè)科學院采用鳳眼蓮對南京市高淳東壩污水處理廠的尾水進行凈化,尾水經過三級串聯(lián)凈化塘凈化后,平均總氮和氨氮濃度分別由進水的(9.86±3.51）mg·L-1和(0.49±0.09）mg·L-1降低至出水的(2.51±1.52）mg·L-1和(0.20±0.08）mg·L-1,其中7月和8月出水總氮濃度平均為(1.47±0.27）mg·L-1,可以達到《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002）Ⅳ類水標準［29］。中國科學院亞熱帶農業(yè)生態(tài)研究所利用綠狐尾藻構建生態(tài)濕地消納養(yǎng)殖廢水中的氮磷,對養(yǎng)殖廢水中氨氮的去除率可達90%以上［30］。

水生植物的后端資源化利用方面,江蘇省農業(yè)科學院研發(fā)了一套專門用于水生植物采收、脫水和粉碎的小型化移動式裝備,可實現(xiàn)水生植物的快速采收并堆制有機肥,制定了水葫蘆高溫堆肥技術操作規(guī)程(DB 32/T 1872—2011）,生產的有機肥能達到國家相關標準。水生植物還可作為綠肥直接還田,有些水生植物如綠狐尾藻因含有較高的蛋白質、粗纖維含量等,還可加工成優(yōu)質飼料用于養(yǎng)殖業(yè),從而實現(xiàn)資源化利用［26,31］。

3.3 面源污水中氮的環(huán)境材料吸附凈化-回收還田技術

利用對銨離子具有強選擇性吸附的環(huán)境材料去除面源污水中的氨氮,是一種快速、高效、操作簡便、沒有二次污染、可回收且低成本的方法。目前應用較多的吸附劑有黏土類(沸石、硅藻土、高嶺土、凹凸棒土、膨潤土等）、廢渣類(粉煤灰、煤矸石、花生殼、甘蔗渣）、炭類(活性炭、生物炭）等類型［32］。其中利用農業(yè)廢棄物如稻麥秸稈、花生殼、甘蔗渣等制成的吸附劑用于污水中氨氮的凈化已取得了良好進展,且成本低、環(huán)境友好；吸附氨氮后還可作為土壤添加劑施入農田,從而改善土壤結構,增加土壤肥力,提高養(yǎng)分利用效率,實現(xiàn)面源污水中氮從水體向農田的安全有效轉移。

利用農業(yè)廢棄物燒制而成的生物炭具有較大的比表面積,其表面含有較多的羧基、羰基、酚羥基、內酯基等含氧官能團,對氨氮等陽離子的吸附能力較強,已成為當前低污染水凈化的研究熱點。研究發(fā)現(xiàn),桉樹廢木屑制備的生物炭對氨氮的最大吸附量為1.24 mg·g-1［33］,稻殼生物炭對氨氮的平均吸附量為1.78 mg·g-1［34］。為進一步提高生物炭的吸附能力,需要對其進行改性。研究表明改性后的生物炭對氨氮的吸附去除能力大幅加強,如硝酸改性后的竹炭對氨氮的去除率由20.1%提高到了82.2%［35］；KMnO4改性后的玉米芯生物炭是改性前的5.64倍［36］,用鐵、鎂金屬離子改性的生物炭分別是改性前的1.6倍和3.2倍,鐵鎂聯(lián)合改性對氨氮的吸附提高了3.5倍［37］。此外,利用微生物改性生物炭也能提高其對廢水的處理效果,固定了硝化與反硝化微生物的生物炭對氨氮的去除率達到了70%以上,固定了光合細菌的生物炭對水中的COD、氨氮和磷酸根都有明顯的去除效果［38］。

生物炭施入土壤后,能夠提高土壤對氨氮和硝氮的固持作用,從而提高氮肥利用率［39］。此外,研究發(fā)現(xiàn)生物炭吸附的氮可以再次釋放,而且是植物可吸收利用的有效態(tài)［40］。但目前將吸附氨氮的生物炭材料用于還田的研究還鮮有報道。江蘇省農業(yè)科學院以生物炭及鎂改性生物炭為材料,吸附氮素后施用于稻田,小區(qū)試驗結果表明,施加吸附氮后的生物炭處理的氮素損失比對照處理降低了10%左右(數(shù)據(jù)尚未發(fā)表）,說明利用生物炭作為載體吸附凈化面源污水中的氮素并歸還于土壤是可行的,但對作物增產及土壤培肥的效果等還有待于進一步驗證。

4 存在的不足及未來展望

4.1 技術工藝與參數(shù)完善

目前針對農業(yè)面源氮污染負荷的削減技術很多,“十一五”和“十二五”水專項研發(fā)的農業(yè)面源污染控制技術就有88項,但技術成熟度總體不夠,技術就緒度整體在4～7之間,大多處于工藝裝備研究和試驗工程研究階段即技術示范階段,離規(guī)?；\行還有一段距離［41］。尤其是面源污水中氮削減的相關技術,技術工藝體系不完善,技術應用參數(shù)不明確,缺乏相應的技術規(guī)范或標準,這就使得技術在實際應用時難以應對農業(yè)面源污水的復雜多變性,不僅限制了推廣應用范圍及規(guī)模,還影響了污染控制的效果。因此未來應著重加強相關技術參數(shù)的研究,建立技術參數(shù)數(shù)據(jù)庫,并注重技術規(guī)范和標準的制定,從而使技術在應用時有據(jù)可依、有章可循。

4.2 經濟環(huán)境綜合效益及風險評估

目前對技術應用的效果、污染物的去除機制等研究相對較多,也涉及到了成本效益分析,但往往局限于狹隘的經濟效益分析,很少考慮污染減排帶來的環(huán)境效益。由于污染減排將導致環(huán)境污染損失的減少,因此,可將降低的“環(huán)境污染損失”等同“污染減排效益”,或者直接采用污染治理成本法來估算［42］。此外,農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是一個復雜的系統(tǒng),面源污水中的氮通過不同途徑以不同載體形式回用到農田后帶來的影響是多方面的,加上其可能同時帶入其他物質,因此,需要綜合全面評估其對農作物產量及品質、土壤肥力變化、氮磷養(yǎng)分損失的各個途徑包括徑流、滲漏、氨揮發(fā)及溫室氣體排放等的影響,并加強風險評估,從而確定適宜的農田回用方式和用量,避免可能帶來的負面影響如尾水和沼液等農田直接回用可能帶來的土壤重金屬積累風險、抗生素等帶來的食品安全風險等［43-44］,確保農業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。

4.3 相關政策扶持

隨著工業(yè)點源治理力度的加大以及畜禽養(yǎng)殖業(yè)的關停并轉,當前水體中總氮居高不下的重要原因是生活污水排放的氮［3-5］。利用農業(yè)系統(tǒng)建設植物凈化濕地塘以及農田回用等措施對生活污水中氮磷進行資源化利用,可實現(xiàn)污水處理和農業(yè)生產的雙贏。如果能將排污權交易引入農業(yè)面源污染控制,就可以通過污水處理廠(工業(yè)）與農業(yè)之間的交易來減少污水的治理成本,實現(xiàn)社會收益最大化［45］。根據(jù)“誰受益、誰補償”的原則,可將污水處理的提標改造資金補償給農業(yè)建設植物凈化回收濕地塘,并通過試點工程逐漸提出相應的補償機制及補償標準,制定相應的建設規(guī)范,加快氮磷養(yǎng)分回用技術的應用與相關工程的推廣實施。

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Agricultural non-point source pollution nitrogen load reduction strategy and technology of nutrient reusing in agricultural fields to replace fertilizer

XUE Li-hong1,2,HE Shi-ying1,2,DUAN Jing-jing1,2,ZHANG Zhi-yong1,2,YANG Lin-zhang1,2*
(1.Institute of Agricultural Resources and Environment,Jiangsu Academy of Agricultural Sciences,Nanjing 210014,China;2.Key laboratory of Agro-Environment in downstream of Yangtze River Plain,Ministry of Agriculture,Nanjing 210014,China）

The effective reduction of agricultural non-point source nitrogen pollution load is the key to improve water environmental quality, and it is also one of the hot issues in the world.Nitrogen is a pollutant when discharged into the water,but it is an essential macro-nutrient for crops.Therefore,a strategy of reusing the nitrogen from agricultural non-point source pollution as a nutrient in the agricultural system to replace chemical fertilizer was put forward in this paper.Then the technical approaches to reduce the N load from agricultural non-point source pollution based on this strategy were introduced,including the direct irrigation with the polluted water into farmland,using the aquatic plants to absorb the nitrogen then produce organic fertilizer and apply to the farmland,using the environmental material to adsorb the nitrogen and recycled into farmland.The shortcomings of the current research and future development direction were also discussed.

agricultural non-point source pollution;nitrogen load;nutrient reusing;replacement of chemical fertilizer

X592

A

1672-2043(2017）07-1226-06

10.11654/jaes.2017-0949

薛利紅,何世穎,段婧婧,等.基于養(yǎng)分回用-化肥替代的農業(yè)面源污染氮負荷削減策略及技術［J］.農業(yè)環(huán)境科學學報,2017,36(7）.1226-1231.

XUE Li-hong,HE Shi-ying,DUAN Jing-jing,et al.Agricultural non-point source pollution source nitrogen load reduction strategy and technology of nutrient reusing in agricultural fields to replace fertilizer［J］.Journal of Agro-Environment Science,2017,36(7）.1226-1231.

2017-07-05

薛利紅(1977—）,女,河南修武人,研究員,主要研究方向為農田養(yǎng)分管理與農業(yè)面源污染控制。E-mail:njxuelihong@gmail.com

*通信作者：楊林章E-mail:Lzyang@issas.ac.cn

公益性行業(yè)(農業(yè)）科研專項(201503106）；國家重點研發(fā)計劃課題(2016YFD0801101）；江蘇省自主創(chuàng)新項目(CX(15）1004）

Project supported：The Special Fund for Agro-scientific Research on Public Interests(201503106）;The National Key Research and Development Program of China(2016YFD0801101）;The Jiangsu Agriculture Science and Technology Innovation Fund(CX(15）1004）