農(nóng)業(yè)面源污染中農(nóng)田氮污染對(duì)水體的危害及防治措施

陶小龍，徐 磊，夏 磊，金細(xì)蓮，涂良瑛

南昌市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 ，江西南昌 330038

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中，化學(xué)肥料的使用已經(jīng)成為極為重要的一個(gè)特征。通過使用各種類型的化學(xué)肥料，土地的基本產(chǎn)量能夠得到有效的保障，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的總量同樣取得了大幅度的提升。在這樣的保障下，世界范圍內(nèi)居民的基本生活才得到了真正有效的保證。然而在化學(xué)類型的肥料使用過程當(dāng)中，部分無法避免的問題已經(jīng)逐步展露出來?；瘜W(xué)肥料并不屬于正常自然環(huán)境當(dāng)中應(yīng)有的化學(xué)結(jié)構(gòu)，大量使用會(huì)對(duì)所處的環(huán)境造成極為明顯的損傷。如何通過有效的手段降低化學(xué)肥料對(duì)環(huán)境尤其是水體環(huán)境造成的污染為目前的研究重點(diǎn)。

1 當(dāng)前我國(guó)以及世界整體氮元素肥料污染的現(xiàn)狀

當(dāng)前氮元素化學(xué)肥料造成的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境污染，已經(jīng)成為嚴(yán)重影響到自然環(huán)境的污染類型，而這種污染主要的原因?yàn)樵谀壳暗募夹g(shù)條件下，氮元素的肥料無法完全被作物吸收，存在大量流失的情況。我國(guó)普遍使用的肥料吸收利用率為30%~40%，在世界范圍內(nèi)屬于較低的水準(zhǔn)（同時(shí)期世界較高的肥料吸收利用率能夠達(dá)到68%以上）。

調(diào)查研究顯示[1-2]，長(zhǎng)期進(jìn)行蔬菜種植尤其是大棚蔬菜種植的區(qū)域，若氮元素肥料使用量較大、灌溉量較大，污染則更為嚴(yán)重。氮元素污染中的硝酸污染對(duì)人體能夠造成極大的損害，而氮元素對(duì)水體的污染則會(huì)使相應(yīng)污染范圍擴(kuò)大。

2 氮元素肥料污染水體的主要形式以及影響程度

2.1 氮元素肥料對(duì)地下水體造成影響的形式以及基本影響程度

2.2 氮元素肥料對(duì)地表水體造成影響的形式以及基本影響程度

地表的水體不僅受到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，同樣受到工業(yè)生產(chǎn)以及居民生活在一定程度上的影響，因此在調(diào)查當(dāng)中需要對(duì)影響地表水體的相關(guān)因素進(jìn)行必要的區(qū)分。本研究以贛北作為基本的采樣對(duì)象，采樣范圍內(nèi)聚居點(diǎn)附近包含一條可供灌溉的河流及其支流。其中前者是該區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉用水的主要來源，徑流受到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響較為顯著，后者根據(jù)受到影響的情況可以劃分為東段、北段2個(gè)部分。其中北段是該范圍內(nèi)林區(qū)區(qū)域主要的水來源，其受到農(nóng)耕的影響較小，東段與干流一樣，同樣承擔(dān)著為農(nóng)業(yè)灌溉提供水源的功能，因此同樣屬于受到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)較大影響的區(qū)域。

在對(duì)以上3個(gè)區(qū)域的地表徑流進(jìn)行取樣調(diào)查后，得到如下樣本數(shù)值：在T-N的污染方面，支流北段每升地表水當(dāng)中T-N的含量約為0.77 mL，其富營(yíng)養(yǎng)化的比例為2.85%；相對(duì)而言，東段的T-N含量約為3.21 mL，富營(yíng)養(yǎng)化的比例為15.05%；干流的含量約5.76 mL，比例約27.78%。由此可見，氮元素肥料的使用對(duì)地表徑流確實(shí)存在較為嚴(yán)重的污染。

3 氮元素肥料影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域水源的直接原因

3.1 富集性農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況下氮元素影響的加深

氮元素為主的肥料在使用過程當(dāng)中一定能夠?qū)λw造成一定的影響，在生產(chǎn)以小規(guī)模進(jìn)行的情況下，單次污染的影響范圍較小。因此對(duì)環(huán)境的污染能夠控制在可接受的范圍以內(nèi)，然而隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模化的不斷提升，肥料使用對(duì)環(huán)境的污染同樣不斷變大。自然環(huán)境對(duì)氮元素污染的自凈能力存在一定的極限，因此當(dāng)污染總量過大時(shí)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境已經(jīng)無法實(shí)現(xiàn)有效的污染自凈，污染對(duì)環(huán)境的影響將出現(xiàn)一定程度的固化[4]。

雖然在農(nóng)業(yè)規(guī)?；粩嗵嵘龝r(shí)，為降低氮元素對(duì)環(huán)境的污染，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)有意采用-N為主的肥料類型。如上文所述，銨根的肥料受到吸附作用影響較為明顯，因此不會(huì)直接造成對(duì)環(huán)境的污染。然而在使用總量過大的情況下，當(dāng)沖淋作用足夠顯著，則污染無法完全避免。如蔡萬濤團(tuán)隊(duì)在研究黃瓜種植時(shí)，已經(jīng)明確-N的肥料在沖淋作用影響下同樣對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了顯著的影響。而王少平團(tuán)隊(duì)對(duì)上海青種植的研究同樣證實(shí)了這一現(xiàn)象。

3.2 水流動(dòng)對(duì)氮元素污染擴(kuò)大的相關(guān)影響

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域存在的氮元素污染，基本均屬于能夠溶于水的類型，因此在灌溉以及降水的影響下，污染元素受到?jīng)_淋作用的顯著影響，污染的范圍將出現(xiàn)極為顯著的擴(kuò)展，其中硝態(tài)的氮元素污染受到影響更為顯著。

高產(chǎn)類型的農(nóng)業(yè)用地在大量降水或大規(guī)模灌溉的情況下，附近水體的氮元素污染情況將顯著提升。該種水的流動(dòng)確實(shí)對(duì)氮元素污染擴(kuò)展能夠造成極大的影響；蔬菜的需水量相對(duì)糧食等作物更高，在灌溉方面用水量更高，蔬菜種植區(qū)域的氮污染變化更為顯著；水稻種植中存在漫灌的，能夠造成種植區(qū)域土壤0~100 cm部分銨根污染快速向下蔓延。

3.3 普遍使用的翻耕種植方法對(duì)氮元素污染擴(kuò)散的影響

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)的技術(shù)對(duì)氮元素污染的擴(kuò)散同樣能夠發(fā)揮較為顯著的影響。如我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中普遍采用的翻耕土壤處理技術(shù)，對(duì)氮元素污染擴(kuò)大即能夠造成一定的推動(dòng)作用。使用翻耕技術(shù)的土地，受到?jīng)_淋作用的影響顯著升高，然而由于翻耕是提高土壤微生物活性的有效方法，因此在農(nóng)耕當(dāng)中屬于必須使用的技術(shù)。

華北區(qū)域種植耕種過程中普遍采用了地膜的區(qū)域，在200 cm以內(nèi)的土壤當(dāng)中，硝態(tài)的氮元素富集總量明顯小于直接暴露的區(qū)域。在地膜技術(shù)使用的情況下，土壤受到?jīng)_淋作用的影響出現(xiàn)了極為顯著的下降，正常情況下氮肥當(dāng)中的銨根能夠保持在地表的區(qū)域。長(zhǎng)期連續(xù)的種植對(duì)土壤污染的影響相當(dāng)嚴(yán)重，在連耕的情況下，區(qū)域內(nèi)水體的污染并非等比例增長(zhǎng)，而是存在較大幅度的提升。休耕是降低該種不良影響的有效方式[5]。

3.4 其他影響氮元素污染擴(kuò)散情況的重要因素

土壤的類型及種植作物的種類也屬于能夠直接影響到區(qū)域氮元素對(duì)水體影響的重要因素。大部分類型的土壤均能夠用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而不同類型的土壤在污染固化方面能力相差較多。如膠質(zhì)類型的土壤，其本身的電荷吸附影響較為顯著，因此能夠?qū)︿@根的污染物起到較為有效的吸附作用，另外該種類型的土壤大都顆粒之間的空隙較小，對(duì)硝態(tài)的污染也能夠發(fā)揮一定的抑制作用。砂質(zhì)類型的土壤不僅本身的電荷吸附作用較差，同樣保水能力較差，受到?jīng)_淋的影響極為顯著，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)銨根的有效控制，而該種土壤較大的空隙也影響了對(duì)硝態(tài)污染物的控制。

在種植作物類型方面，不同類型的作物對(duì)氮肥的需求存在較大的差別，另外作物對(duì)灌溉需求的差別同樣能夠影響污染的擴(kuò)散。蔬菜及煙草等作物不僅對(duì)氮肥存在較高的需求，同樣存在較高的水需要，因此屬于氮污染量較大的作物類型。

4 降低氮肥對(duì)農(nóng)業(yè)區(qū)域水體影響的可行性方法

4.1 改善氮肥使用的方法，更換肥料類型的直接作用

通過對(duì)耕種區(qū)域土壤中氮元素的研究能夠明確，土壤中施加的大量氮元素沒能被作物吸收，僅影響到土壤本身，成為污染的主要來源。冬小麥及早耕春小麥在使用氮肥后均能夠表現(xiàn)出不同程度富集的作用，且根據(jù)當(dāng)前農(nóng)業(yè)發(fā)展技術(shù)情況，氮肥在土壤中富集的問題尚無法得到有效的解決，僅能夠通過處理降低土壤中氮肥對(duì)水體的負(fù)面影響，而影響的降低必須以氮肥使用總量減少為基礎(chǔ)。

一方面，改變肥料的類型能夠發(fā)揮一定的作用。如當(dāng)下開始投入普遍使用的有機(jī)類型肥料，很多有機(jī)類型的肥料并非人工合成的類型，其既能夠?yàn)橥寥捞峁┳銐虻牡?，本身包含的元素同樣為自然環(huán)境中自然存在的類型，該種類型的肥料對(duì)水體的污染能夠得到一定控制。

另一方面，滴灌及噴灌等肥料使用方式改變同樣能夠發(fā)揮一定的作用。通過直接針對(duì)作物本身精準(zhǔn)的肥料供給，能夠降低肥料對(duì)土壤本身的影響。

4.2 耦合作用在降低氮元素影響方面的作用體現(xiàn)

耦合作用尤其是水域與肥料的耦合作用，是提高肥料使用效率、降低肥料使用對(duì)環(huán)境污染的重要作用類型。在氮污染防控方面，水與氮元素的耦合同樣能夠達(dá)成較為有效的作用。

目前，能夠提升水和氮元素耦合作用的方法包括：根據(jù)種植區(qū)域的實(shí)際降水情況，以多次給予的形式取代原有的雨季前一次性施肥方法，以此降低沖淋作用下肥料中氮元素對(duì)水體的影響；由于灌溉過程中大量用水能夠造成氮元素污染的擴(kuò)散，加劇了對(duì)水體造成更大的影響，因此從根本上降低灌溉中單次用水量能夠發(fā)揮極為顯著地減少污染的作用，將傳統(tǒng)的灌溉更改為節(jié)水型灌溉，能夠在很大程度上減少土壤的沖淋程度，降低氮元素的污染；節(jié)水灌溉技術(shù)的研究當(dāng)中，滴灌是一種能夠?qū)ξ廴拘纬捎行拗频募夹g(shù)，滴灌作為技術(shù)含量較高的灌溉類型之一，在灌溉過程中對(duì)作物外土壤的影響較小，因此使用該種灌溉的方式也能夠避免灌溉用水影響土壤中的氮元素，該種灌溉方法對(duì)降低氮元素對(duì)水體的污染能夠發(fā)揮較為顯著的作用。

4.3 改善耕種方式在降低污染影響方面的正向作用

當(dāng)下普遍采用的耕種方式同樣對(duì)氮元素污染的擴(kuò)散造成了一定的影響，因此改善農(nóng)業(yè)耕種的方式同樣是降低氮元素對(duì)水體污染的有效方法之一。

采用新的耕種技術(shù)提高土壤的質(zhì)量能夠降低氮肥的使用總量，其中將對(duì)秸稈的利用效果顯著。在粉碎秸稈并且利用翻耕的技術(shù)后，秸稈能夠在休耕周期內(nèi)融入土壤當(dāng)中，為土壤提供包含氮磷在內(nèi)的多種作物必需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，在使用秸稈的情況下，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)化學(xué)肥料的需求量將顯著下降，通過對(duì)比研究能夠明確，采用秸稈還田的情況下，土壤20 cm以內(nèi)的氮富集情況得到了有效的改善。另外，傳統(tǒng)的翻耕技術(shù)在施肥過程中能夠形成更為嚴(yán)重的沖淋現(xiàn)象，而通過改善耕種方法，將翻耕的形式改為條耕形式，沖淋的影響能夠下降20%以上。而休耕不僅能夠促進(jìn)土壤的休整，同樣能夠通過休耕降低耕種過程中使用氮肥對(duì)土壤以及水源造成影響，采用科學(xué)規(guī)劃的情況下，休耕對(duì)污染擴(kuò)散的降低率能夠達(dá)到20%以上，對(duì)土壤水土流失降低的控制能夠達(dá)到30%以上。

4.4 硝態(tài)肥料控制對(duì)污染降低的影響作用

如上文所述，雖然銨根類型的氮肥在沖淋作用的影響下，同樣對(duì)農(nóng)耕區(qū)域的水體能夠造成一定的影響，然而在技術(shù)改善的情況下，該種類型肥料的影響能夠得到較為有效的控制，相對(duì)而言硝態(tài)類型的肥料由于受到吸附作用影響較小，因此其使用本身即能夠?qū)Νh(huán)境造成顯著的污染。

根據(jù)美國(guó)相關(guān)的研究，在氮肥使用過程中，匹配硫銨類型的肥料能夠在化合作用的影響下，將硝態(tài)肥料的影響降低50%以上。另外使用氮肥總量較大的蔬菜等作物本身也存在較為顯著的硝富集現(xiàn)象，使用硫銨不僅能夠降低肥料對(duì)水體的影響，同樣能夠降低肥料使用對(duì)蔬菜等作物品質(zhì)的影響[6]。

5 結(jié)語

對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)而言，氮元素是不可或缺的、最為重要的元素，是作物正常生長(zhǎng)必備的元素類型。然而化合的氮肥對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的環(huán)境卻存在著較為嚴(yán)重的污染，在水體污染方面，氮肥的影響更為顯著。氮元素大量富集能夠使水體處于富營(yíng)養(yǎng)的狀態(tài)，處于富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的水體難以快速凈化。在耕種過程中，需要通過使用肥料技術(shù)的提升、通過對(duì)灌溉以及肥料使用方式的調(diào)整等可行的方法，降低耕種過程中使用的氮肥造成的水體污染。按照當(dāng)前的農(nóng)業(yè)技術(shù)水平，在維持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)量的情況下降低氮元素對(duì)水體的污染依然可行。