毕业设计（论文）-浅析生态工程在农业面源污染控制中的应用.doc

浅析生态工程在农业面源污染控制中的应用学生姓名： 指导老师： 学 号： 专 业: 自然地理学 学 院： 人口资源与环境学院 时 间： 2014年6月27日 浅析生态工程在农业面源污染控制中的应用自然地理学专业 (山东师范大学，济南)摘要 本文分析了我国农业环境污染问题的严重性、污染特点、污染源、影响因素、环境影响及防治中存在的问题。并依据生态学理论提出了生态平衡、结构与功能、物质循环与再生利用、负载定额、相生相克等原理应作为农业面污染防治的重要理论基础。重点探讨了各类可行的农业面源污染生态工程的种类和应用现状。关键词 生态工程；农业面源污染；污染控制Analyses the Application of Ecological Engineering in the Agricultural Non-point Source Pollution ControlAbstract：This paper analyzes the agricultural environment of the seriousness of the problem of pollution, pollution characteristics, pollution sources, influence factors, environmental impact, and the problems existing in the prevention and control. And puts forward the ecological balance based on the theory of ecology, the structure and function, the material circulation and reuse, load rate, based on principles such as should be as an important theoretical basis for agricultural area pollution prevention. This paper mainly discussed the types and the application status about on a variety of viable agricultural non-point source ecological engineering.Key words：ecological engineering；non-point source pollution of agricultural；pollution control引言中国是农业大国，为在有限的农田上实现农民增收、农业增效、农村致富，面源污染风险高的菜果花生产、畜禽养殖业在各大流域迅速发展，中国在不到世界1/10的耕地上供养着世界1/4人口生存的同时，也面临着耕地面积日益减少、退化和保持环境质量的问题1。如何减少其目前和未来昂贵的环境代价？当看到许多地区乡村昔日清澈的小溪、美丽的湖泊已经面目全非、散发着恶臭，但由于我国人多地少，土地资源的开发已接近极限2，目前只能通过增加化肥、农药的施用来提高粮食的产量，加之化肥、农药使用量较大的蔬菜业、花卉业、果树业发展迅速，使我国迅速成为世界上最大的化肥消费国，也是生产和使用农药的大国。而许多很贫穷的农民，精心伺育着自家的两亩大棚，编织着希望，却料想不到俭省的钱买回的农药、化肥，换回的可能是家园的污水横流，疾病肆虐，当看到，刚刚步入小康水平的人们还来不及享受经济发展带来的实惠，就已经开始背上日益沉重的环境代价。现今，农业面源污染问题已受到人们极大的关注，这也为我国建设现代农业、生态农业、可持续发展农业及保障国家粮食安全和粮食营养安全提出严峻的现实挑战，对中国农业面源污染的对症治理已迫在眉睫。1 我国农业面源污染1.1 农业面源污染发生机理水体环境污染源按照排放方式可分为点污染源和面污染源(或称非点污染源)两种。20世纪90年代以前，人们一直认为点源是造成水污染的主要原因，对环境污染的控制主要集中在工业点源上，而没有认识到面源污染的严重性。但是，在点源污染治理取得显著成效后，水体环境并未得到很好的改善，这是因为除了点源污染外，还有很大一部分水体受到面源的污染(何萍等, 1999；Knapp, 2005)。目前，水环境面源污染的严重性已受到国内外普遍的关注(Anderson等, 1995; 尹澄清等, 20023) 3。所谓农业面源污染，主要是指人们从事农业生产活动时，农田中的土粒、氮、磷、农药及其他有机或者无机污染物质，在降水或灌溉过程中，通过地表径流、排水和地下渗漏并伴随着一系列的物理、化学和生物转化进入水体，从而造成的污染4，主要包括化肥污染、农药污染、集约化养殖场污染、农膜污染、固体废弃物污染等。农业面源污染不仅直接危害农业生态系统，而且对区域水环境和人类健康将产生严重危害，污染饮用水源，造成地表水的富营养化和地下水的污染。1.2 农业面源污染的特点农业面源污染具有三个主要特点5：一是随机性，面源污染受降雨时间的影响较大，因而其污染发生具有较大的随机性；二是污染物及排放途径的不确定性，由于面源污染影响因素多，排放途径较复杂，因而排出的污染物是难以确定的；三是污染负荷的时空差异性大，由于径流的时空变化，面源污染过程与径流过程呈现大致相同的变化趋势。1.3 农业面源污染源(1)化肥污染。长期以来，我国化肥的生产和使用一直在增长，从建国初期的 0.6万吨增加到现在的4124万吨。目前化肥施用量约420kgh，已成为世界上化肥施用量最多的国家6。氮、磷、钾利用率非常低，大量未被利用的化肥通过径流、淋溶等方式污染了地表水环境。(2)农药。农药指包括除草剂、杀虫剂和防治牲畜体内外寄生虫的化学药品，农药的生产使用，促进了农业的发展，但同时农药对环境造成的污染也成了中国影响范围最大的一种有机污染和面源污染源。我国各类水体在不同程度上受到农药的污染，我国农药的产量和使用量都居世界前列，2007年农药总产量为173.1万吨，使用量162.3万吨，平均用量为27kgh，农药使用量在全世界水平最高、用量最大、大量使用农药，虽然控制了病虫害，但大部分农药残留于环境中，造成潜在的环境威胁7。(3)水土流失。水土流失是我国严重的非点源污染源，水土流失挟带着泥沙、有机物、金属等污染物进入地表水体污染水环境。我国的水土流失极为严重，据统计每年流失水土至少50亿吨，数百万吨的氮、磷、钾通过各种途径进入地表水体，造成严重的水体污染以及大量农作物盐分的流失。我国水土流失加快的主要原因是人口增长过快，增加了对土地的压力，导致人们乱垦荒地、滥伐森林、超载放牧，以及不适当的建设项目的开发与管理。(4)农业废弃物。农业废弃物包括农田中秸杆残茬、农村居民生活垃圾、生活废水、人畜禽粪便以及田间农膜残片。如集约化畜禽养殖对环境的污染主要表现在两个方面： 一是少量畜禽粪便直接排泄到环境中； 二是大量的畜禽粪便作为有机肥料施用到农田之中。畜禽粪便相对于化肥来说，其盐分含量低而运输成本高，致使大量的畜禽粪尿都集中施在数量有限的农田中，这样往往造成大量的盐分得不到充分利用而从农田流失到水体中。另外，长期使用农膜覆盖技术可造成农膜残片大幅增加，严重影响植物根系的生长发育#水肥的运移，造成土壤退化。1.4 农业面源污染的影响因子农业面源污染影响因素是非常复杂的，涉及到人类活动、自然地理和社会经济等诸多方面8-9，主要包括以下几个影响因子。 (1)土地利用方式。土地利用方式是影响面源污染的关键因素，综合反映人类活动对自然环境的作用，土地利用方式对土壤、植被、径流及化学物质输入、输出等因素具有影响，因而不同土地利用类型所产生的面源污染差异巨大。(2)农田耕作、农事活动和田间水肥管理。耕作方式对面源污染也有很大的影响。翻土耕作容易造成土壤结构破坏，表层土质疏松，地表径流过程中水土流失现象严重；保土耕作(如免耕、少耕)，通过改善土壤的入渗性能、土壤物理结构，减少地表径流及雨点和径流对土壤的冲击与侵蚀来影响水土和农用化学物质的流失，能有效地控制水土流失。水肥管理的科学程度同样影响农业面源污染，如污水灌溉、农田漫灌都可能在农田径流过程中把污染物质转移汇入水体10，11-12。 (3)地形地貌、土壤植被。地形地貌和土壤植被主要是通过改变降雨和地表径流下垫面影响农业面源污染。地形有坡长和坡度两方面因素。土壤流失量随坡度的增大而增大。当地面有一定坡度，坡长越长，汇流的流量越大，流速也将增加，从而水土流失也越严重，携带的污染物质就越多。植被特点决定影响农业面源污染的径流下垫面条件。植被对降水有一定截持作用，但只作用于降水初期，主要是改变降水性质和土壤表层结构，减小雨水对土壤的冲击力，能有效地减少径流中的悬浮物质。植被覆盖具有强大的水土保持功能，并呈现出林-灌-草递减的规律；植被外在的水土保持功能是其内部各个垂直层次截留降雨、拦蓄径流从而削减降雨侵蚀动能和径流冲刷作用的综合体现。 (4)气候、水文特征。水土流失和地表径流是农业面源污染产生的主要条件。所有的气候因素对水土流失都有相应的影响，其中降水与农业面源污染关系最为密切。一般是年降水量越大，水土流失越严重，污染程度越高，是因为面源污染主要是靠地表径流运输和转移，而降雨的大小、强度、时空分布对地表径流的影响很大。降雨强度和降雨过程对水土流失起到决定性作用。 (5)社会经济因素。社会经济因素主要通过社会经济活动影响土地利用方式、农业生产方式及管理水平、产业结构、农村庭院养殖集中程度和规模、居民环境保护意识等影响面源污染物的排放量13-14。随着社会经济的快速发展，人口不断增长，耕地不断缩减，工业化和城市化进程的加快，以及不合理的农业生产方式，水环境面临巨大的压力，环境意识落后、治理能力不足、管理体制不合理是水环境恶化的根本原因。农村人口现状及增长速度直接影响耕地利用方式及利用程度、农业面源污染的产生总量15。1.5 农业面源污染的环境影响(1)加重水体富营养化。我国湖泊富营养化现象十分严重，研究表明，对于湖泊、水库等封闭水域，当水体内无机氮总量大于0.2mgL时，磷酸盐磷浓度大于0.01mgL 时，就可能引起藻华现象的发生。农业非点源污染是湖泊等水体富营养化的主要原因。(2)导致土壤退化。大量化肥和农药的施用使许多有害物质进入土壤，必然使土壤质量下降，致使土壤变碱或变酸，削弱土壤或肥料中其他营养元素效应。大量氮肥的使用还加快土壤中有机碳的消耗，降低有机质的活性和土壤的供氮能力。(3)对生物的有害影响。农田中施用的化肥#农药及人畜粪便等，其中的有机物、无机养分及其它污染物经淋溶作用进入地下水体或经地表径流进入饮用水源区，可造成饮用水源的污染，影响人体健康。(4)污染地下水。调查表明，农业生产活动是地下水污染的主要原因之一，污染指标以硬度、硝酸盐、亚硝酸盐#氨最为严重。在农业生产中来自肥料和农药的氮#磷#钾及各种重金属元素，由于溶解度较低，活动性差，因此在土壤和非饱和带中逐渐积累，成为地下水的潜在危胁，而土壤中大量氮的淋失和下渗，使地下水中硝态氮含量严重超标。2 农业污染防治中存在的问题 长期以来，国家在农业污染治理上投入了大量资金和项目，开展了重点地区污染治理研究、示范和推广工作，取得很大成绩，但仍存在以下主要问题：2.1 存在“先污染，后治理”误区在我国以经济发展为中心的方针指导下，一些地区在农业发展上过分强调经济效益，而不惜牺牲环境代价。从而走出了一条“先发展经济牺牲环境，后治理”的发展模式，这是一种极端不合理的发展模式，治理的费用会更大，得不偿失。2.2 农药、化肥的难以代替性由于我国大部分农业仍采取传统的耕作和种植措施，导致农药化肥的大量及长久使用，对于坡耕地及贫瘠土地化肥农药的使用量更是普通农地的几倍甚至更高，虽然人们已意识到农药的残毒、致癌、人畜急性中毒及污染环境等问题，但是现有的一些替代方法仍存在着许多问题，不能完全彻底地取代。2.3 缺乏污染防治的系统观念和技术体系农业污染是复杂的复合污染，其防治是一项复杂的系统工程。以往的单项治理技术虽然在解决特定污染方面具有一定作用，但面临当今农业复杂污染的局面已经远远不能有效解决问题。必须充分理解农业污染是基于水体土壤生物大气系统的农业面污染的现实，树立农业生态系统整理性和系统性观念，以生态学理论为指导，以生态系统管理与调控为基础，树立农业生态系统“整体协调循环再生”的生态农业理念，建立农业立体污染防治的生态技术体系，从源头和全过程进行污染控制并结合污染生态系统修复技术，使农业生态系统重新走上健康发展道路。2.4 缺乏对点源和面源污染进行分类控制我国在对水环境污染治理中，存在这一些问题，最主要的是没有把点源污染的治理和面源污染的治理进行分类区分，然后分别治理。目前为止，对面源污染的治理仍是运用点源污染的治理措施，没有太好的办法。针对面源污染具有污染发生时间的随机性、发生方式的间歇性、机理过程复杂性、排放途径及排放量的不确定性、污染负荷时空变异性和监测、模拟与控制空难性等特点16，所以应采用总体治理的方法，例如：生态工程等。2.5 农民环保意识薄弱，农产品质量价格不匹配我国的农民文化水平普遍较低，环保意识薄弱。加上农民普遍贫穷，经济利益是他们追求的第一性利益。目前，我国农产品市场还没有真正使优质环保农产品的价格得到保护，不利于调动农民参与环保的积极性。农民是防治农业污染的“主力军”，保护农民利益，提高优质环保型农产品价格，是提高农民环保意识、推进农业污染防治的重要举措。只有这样，才能最终实现农业生产发展、农民增收和环境保护的多赢效果。2.6 各流域进行农业面源污染控制的科技基础性工作严重不足许多国家的实践已经证明，面源污染控制的关键措施之一是制定和执行限定性农业生产技术标准。中国目前虽然也颁布了一些农业环境方面的法规，但多数是参照国外修订的框架来规定的。由于缺少必要的试验工作，实际上目前各省、各流域也不能就一些最重要的生产过程制定适合本地农民执行的技术标准。2.7 末端控制仍为目前流域治理建设工程的主体自“九五”以来，中国中央与地方政府在治污上投入了大量财力，“十五”期间国家用于环境整治的财政预算为7000亿元，占GDP的1%。其中2700亿元用于水污染的治理17。这些投资主要用于污水处理厂及其配套工程建设。但对农业面源污染源头的控制行动计划投资甚少。3 农业污染生态工程措施3.1 生态工程技术3.1.1生态工程的特点 生态工程是应用生态系统中物种共生与物质循环再生原理、结构与功能协调原则，结合系统耦合的优化方法，促进系统分层多级利用物质的生产潜力。其目的是在促进自然界良性循环的前提下，发挥资源潜力，防治环境污染，达到经济效益与生态效益同步发展。它可以是纵向结构，也可以发展为几个纵向工艺链索之间的横向联系组成的网状工程系统。生态工程与传统工程、环境工程和生物工程的技术比较(见表1)。生态技术是利用自然界现有的物种、生态位、系统结构和功能等，遵循生态工程原理和方法，经过系统结构合理的设计，以满足人类生态保护和发展经济需求的技术18，19。表 1 生态工程与传统工程、环境工程、生物工程的技术比较工程类型传统工程环境工程生物工程生态工程基本单元自然与社会自然系统细胞自然与社会基本理论工程学环境科学遗传学细胞学生态学基本能源化石能化石能化石能太阳能基本费用大量大量大量合理产能特点人为人为人为人类辅助的自组织控制结构任意改善污染源遗传结构整体和谐人地关系损失破坏在污染干扰协调循环利用生物多样性减少改变改变保持或增加3.1.2生态工程设计思想生态工程设计遵循“道法自然”的理念，按照物质在自然界迁移、转化、流动与循环的规律，积极调控其食物链，提供匹配机会与结合点，联结在物流中已断了联系或本不联系的亚系统，疏通物流、能流、价值流及信息流的通路，调节及维护亚系统的输入和输出收支平衡。根据工程实施区域自然、社会和经济条件，优化组合各种技术，使之相互联系成一个有机系统，达到多层次多目标分级利用物质、促进良性循环、同步增加与兼收经济、生态和社会效益的目的20。生态工程技术创新不在于组成的各单项技术，而在于因地制宜、因类制宜地继承精华以及引进、消化、吸收和优化组合，在于生态系统元素的同位、同阈、同序、同区的纵向整合、横向耦合，提高改进系统功能和系统革新21。3.1.3生态工程理论防治农业面源污染的理论基础农业是一个复杂的生态大系统，服从生态学规律和遵循生态学原理。按照生态学的观点，农业内部各组分间只有互相协调，系统才能形成良性循环，否则将失去平衡。生态学的许多原理，都是农业立体污染防治的重要理论基础，如生态平衡原理、结构决定功能原理、物质循环与能量流动原理、相生相克原理、生态位原理和限制因子原理等。生态学以其丰富的思想内涵为我们认识农业复杂大系统、顺应自然、寻求农业健康、和谐、可持续发展提供了理论指导与方法论基础。 3.2生态工程在面源污染控制中的应用现状农田面源氮磷流失生态工程防治技术或措施应涵盖源头控制技术、氮磷污染物迁移过程控制技术及末端控制技术等3方面。具体地讲，针对特定作物采取配方施肥的原理，开发环保型的新型肥料，以取代易流失的传统肥料，从肥料投入源头实现农田氮磷流失最小化；以适地养分管理为突破口，同时革新田间水浆管理，提倡生态施肥技术及其配套管理措施，在农田范围内实现氮磷迁移最小化；遵循氮磷及水土流失的发生机理与规律，改变下垫面的理化性质，如种植草本、采用截留技术、河边林草缓冲带、过滤条带、人工湿地等生态工程措施，减少N、P、有机质的流失，对迁移出农田的氮磷在进入水体前进行最大程度地末端截留。3.2.1生态施肥技术由于我国传统施肥技术和经验施肥量，从而导致大量氮素、磷素流失进入水体环境，对生态环境构成潜在的威胁。浙江大学与国际水稻研究所合作，创立了适地养分管理新体系。该体系的提出与改进综合考虑了土壤固有养分供应能力，当地特定的气候条件，季节变化，水稻品种差异，合理的目标产量及其养分需求量、养分平衡及养分利用效率，以及社会经济等诸多重要因素。此系统也为其他作物的施肥提供一定的参考依据，使施肥量变得更科学、更合理。3.2.2缓冲带截留技术缓冲带，全称保护缓冲带，最早是由美国农业部国家自然资源保护局向美国公众推荐并于1997年4月发出倡议的土地利用公开保护方式，旨在控制土壤侵蚀伴随的养分流失和面源污染。它是利用不同植被对土壤养分吸收能力的互补性和对农业面源污染的截留、过滤能力，在农田与水体之间建立合理的林带或草地过滤带将农田与水体隔开，可以有效地减少农田地表和地下径流带来的面源污染物。它的功效主要表现在2个方面：一是由于植物覆盖增加了地表粗糙度，对径流起到滞缓作用，调节如河洪峰流量；二是有效地减少径流中固体颗粒和养分含量，从而成为养分过滤器，改善整个流域的水质。根据所处位置与功能分：水体岸边缓冲林带和防风或遮护缓冲林地带2类，前者主要指建立在河湖、溪流和沟谷沿岸的各类林带或灌木林带，也包括建立在田边坡脚径流交汇地带的过滤带、缓冲带等，在控制农业面源污染上主要是指防止水体富营养化和水质恶化的土壤养分、肥、流失泥沙、牧畜粪便、大气降尘等进入河道水体。后者是指在大风或干燥地区，为控制风蚀和扬沙而种植的林带或灌木林带，目的是防风固沙，减少风沙对农业和环境的危害，保护作物幼苗等。3.2.3人工湿地控制技术人工湿地原本是用于城市污水的处理，它和传统的二级生化处理相比，具有氮磷去除能力强、投资低、处理效果好、操作简单、维护和运行费用低等优点。如果在湿地内选择种植去除氮磷能力高，又具有一定经济性的植物，一方面可净化废水，又可为植物生长提供必须的营养元素，经济植物的收获又可创造一定的经济效益。在暴雨期间，人工湿地可输运和存贮大量的雨水，减小雨水对土地的冲刷，并可去除雨水中绝大部分污染物，大大地减轻了对后续水体的污染和压力。干旱季节湿地还可为多种生物提供了良好的栖息地。人工湿地技术不仅在对农村生活污水处理方面有很好的发展前景，而且由于工程具有投资少，效益好，运行管理方便以及抗面源负荷冲击能力强等优点，适合我国国情，是我国控制农业面源污染，尤其是重污染农业区污染的有效技术手段，具有较好推广应用前景。3.2.4氧化塘技术氧化塘是最简单易行的氮磷污染处理措施，易于推广，可利用天然池塘，也可以用人工修造的浅水池塘，塘深约0.51.5。农田排水或径流水进入氧化塘后，固体物沉于池底，有机物进行兼氧分解，产生沼气、二氧化碳和氨，前者散入空气，后者溶于水中。溶于水中或悬浮水中的有机物进行好气和兼性分解，放出二氧化碳和氨，供藻类营养。藻类进行光合作用放氧，为微生物利用以分解污水中的有机物质。通过上述一系列作用，达到自然净化的目的，在我国氧化塘技术应用于农田氮磷污染的防治具有较好的推广价值。3.2.5多水塘系统在自然环境中，流域的天然水塘也是一种可以加以利用的条件。水塘与河流不断进行物质交换，滞留污染径流、沉降悬浮物，是面源污染控制的一种十分有效的方法。多路串连水塘系统(即多水塘系统)的概念首先由尹澄清(1989年)提出，主要包括滞留池和水塘。多水塘系统是一类特殊的人工水塘湿地生态系统，是以水塘为点、沟渠为线的流域系统。3.2.6土壤改良剂技术高分子聚合物聚丙烯酰胺作为土壤结构改良剂很早就被人发现，目前应用于农田氮磷污染水土保持领域也渐成为一个热点，发现采用高分子作为土壤改良剂能改善土壤的结构和增加土壤中团聚体的(水)稳定性，它不但能有效地维护土壤团聚体的结构，而且能形成新的团聚体，与水相互作用形成的黏絮作用有效地缓解了雨滴对土壤表面的打击并抑制了土壤团聚体的物理化学分解，抑制了结皮的形成，从而可以增加土壤的入渗能力，降低地表径流。3.2.7水土保持工程措施由于山地水土流失区和侵蚀区水土流失严重，因此径流、泥沙及被侵蚀的土壤就成为氮、磷营养物质的携带者，进入水体环境对环境造成污染。通过截沙工程、截洪沟、土石工程、沟头防护工程、谷坊工程、拦沙坝等技术措施结合生物工程措施，控制水土流失和土壤侵蚀，这样可以有效地抑制泥沙、径流的产生，更加有效的切断污染物的迁移。4 结论及展望中国作为一个农业大国，正面临着严峻的农业面源污染问题。农业生产正由数量向质量为主要目标转变，多方压力使我国农业发展面临严峻挑战。目前存在的农业立体污染问题已成为我国农业可持续发展的重要制约因素，并逐渐成为危及人类健康和社会发展的大问题，到了非治不可的地步由于面源污染危害广泛、防治难度大，因此需要更多有效的防控治理措施。根据国内农业非点源污染特征和实际情况，结合国内外非点源治理的先进技术、成熟经验以及工程实例，加强各种防控技术更深层次地研究并将其更好地运用到实践中去，生态学以其博大精深的思想内涵为我们提供了解决这一问题的理论和方法。可以预见，随着我国农业立体污染问题的日益突出，生态学理论和技术必将成为我国未来优质农业生产和农业可持续发展的重要理论依托和技术支撑。参考文献：1朱兆良,孙波.中国农业面源污染控制对策M.北京:中国环境科学出版社,2006.2周早弘,张敏新.农业面源污染系统控制研究J.科技与经济,2007,12(6):48-49.3 柴世伟,裴晓梅,张亚雷等,农业面源污染及其控制技术研究J.水土保持学报.2