（水生生物学专业论文）上海市农业面源污染控制的滨岸缓冲带体系初步研究.pdf

于茼妻 农业面源污染因其对水体污染的普遍性而同益受到重视。许多研究已经表明滨岸 缓冲带能够有效地硪少农田中营养物质的运输。本研究选取了上海松江泗泾镇古褛村 为示范区，从2 0 0 2 年4 月到2 0 0 3 年1 2 月，在上海首次进行了农业面源污染控制的滨岸 缓冲体系的初步研究。 通过探索性示范研究，在大田农业与受纳水体之间许建立滨岸缓冲带，利用土壤一 植被处理系统的方式，削减农田面源污染物质进入水体的污染负荷。研究内容包括：滨 岸环境条件分析、滨岸工程改造和滨岸缓冲带体系设计、滨岸缓冲带的效果试验分析、 滨岸缓冲带养护和管理模式、滨岸缓冲带体系的环境经济效益分析。 缓冲带建立在河流东西两侧，4 种不同坡度，总计8 个样点，每个样点长约1 2 m ， 宽为5 m 。每个样点的农田与缓冲带之间及缓冲带与河流之间都设置了0 7 m 和1 m 两 个不同深度的p v c 管，用以收集水样。以水样中铵氮、硝氮、总氮、总磷为监测指 标，比较了不同深度、不同植被类型、不同季节、不同坡度、不同浓度营养盐冲击下， 缓冲带对氮磷等营养盐的消除效果，试验结果如下： 1 ) 与o 7 m 相比，样点1 m 深处，缓冲带对总氮的去除效率要高些，二者相差1 1 4 3 ， 而缓冲带对铵氮、总磷、硝氮的去除效果，不同深度，消除率比较接近。 2 ) 不同植被缓冲带对铵氮、总磷、硝氮、总氮的去除效果不同，牧杰对氮盐的去除效 果最强，特别是对硝氮的吸收达到9 0 ，对总磷吸收能力在总体上弱于氮元素的吸 收能力，在自然植被处达到最高，为6 1 0 l 。 3 ) 缓冲带对氮盐的消解率是受坡度影响的。坡度为8 时，缓冲带对铵氮、总氮、硝 氮的消解率均高于坡度为4 时的消解率，两种不同立地模式，缓冲带对氮营养盐的 消解率存在差异；而缓冲带对磷的消解效率受坡度影响不大，没有显著差异，说明 不同的立地模式对氮磷营养盐的影响是不同的。 4 ) 不同季节，滨岸缓冲带对n 、p 营养盐的吸收效果不同，春季，缓冲带对营养盐的 吸收明显高于冬季和秋季，这可能与植被的生长状况有很大的关系。与铵氮、硝氮 相比，缓冲带对总氮、总磷的消解受季节影响较为明显：季节对缓冲带的吸收效果的 影响，也说明了在不同季节种植不同的植被，对缓冲带对营养盐的吸收效果是很重要 的。 5 ) 缓冲带对不同浓度的无机营养盐和有机营养盐的吸收效果不同。浓度越高，消解率 越大。 根据试验研究，以及结合国内外的先进经验，提出了适合上海市情的缓冲带设i t 一 和管理模式，并对缓冲带进行了环境效益评估。缓冲带对消除面源污染具有明显的效 果，5 米草被缓冲带的平均消除率在3 0 7 0 以上，具有重要的应用潜力： 本试验初步研究了滨岸缓冲带对营养盐的吸收效果，今后还将进一步研究缓冲带 对毒害性农药的吸收能力，以便对缓冲带的效益做出全面的评估，能为上海市当地或 其他平原水网地区缓冲带的研究和应用提供全面的有价值的参考。 关键词：农业面源污染，滨岸缓冲带，污染控制 p r i m a r ys t u d y o np o l l u t i o nc o n t r o | o fa g r i c u l t u r a ln o n p o i n t s o u r c eb ym e a n so fr i p a r i a nb u f f e r i ns h a n g h a i d o n gf e n g l i ( m a j o r e di nh y d r o b i o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o ry u a n j u n - f e n g ( i n s t i t u t eo fa p p l i e de c o l o g y , s h a n g h a i n o r m a l u n i v e r s i t y , s h a n g h a i2 0 0 2 3 4 ) a b s t r a c t a g r i c u l t u r a ln o n - p o i n t s o u r c ep o l l u t i o nh a sb e c o m eam a j o r i t yo fw a t e rc o n t a m i n a t i o n m a n y s t u d i e sh a v es h o w nt h a tr i p a r i a nb u f f e rc a ne f f e c t i v e l yr e d u c en u t r i e n tt r a n s p o r tf r o m a g r i c u l t u r a lf i e l d su n d e r c e r t a i ni a n d s c a p ec o n d i t i o n s b a s e do ni n v e s t i g a t i n gn u m e r o u sr e f e r e n c e si nl i t e r a t u r eb o t ha th o m ea n da b r o a d c o l l e c t i o no fs t a t i s t i c a ld a t aa n df i e l ds u r v e y , t h i sp a p e rc o n d u c t sap r i m a r ys t u d yo n p o l l u t i o n c o n t r o lo fa g r i c u l t u r a ln o n p o i n t $ o u r g eb yi n e a n $ o f r i p a r i a nb u f f e ri ns h a n g h a if o rt h ef i r s t t i m e t h er e s e a r c hs i t ei sl o c a t e d 砒t h es l i n gt o w n s u n g k i a n gi ns h a n g h a i w a t e rq u a l i t y s a m p l i n go f t h ew e l l sb e g a ni na p r i l2 0 0 2a n dp r o c e e d e da p p r o x i m a t e l ym o n t h l yt h r o u g h d e c e m b e r2 0 0 3 b y t h em e a n so fs o i la n dv e g e t a t i o nt r e a t m e n ts y s t e m r i p a r i a nb u f f e r sa r ee s t a b l i s h e d b e t w e e nf i e l da g r i c u l t u r ea n ds t r e a mi no r d e rt or e d u c ec o n t a m i n a t i o nf l o w i n gs t r e a m t h e s t u d yc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ：1 ) a n a l y s i so nc o n d i t i o no fr i p a r i a nb u f f e r s ；2 ) r e b u i l d i n g e n g i n e e ro fr i p a r i a nb u f f e r sa n dd e s i g no fr i p a r i a nb u f f e r ss y s t e m ；3 ) a n a l y s i so n e f f e c to f r i p a r i a nb u f 话r s ；4 ) m a i n t e n a n c ea n dm a n a g e m e n tm o d e ；5 ) a n a l y s i s o ne c o n o m yb e n e f i to f r i p a r i a nb u f f e r r i p a r i a nb u f f e r sa r ee s t a b l i s h e da t5 m b u f f e rw i d e p e r p e n d i c u l a rt os t r e a mf o rat o t a l o f4p l o t so nt h ee a c hs i d eo fs t r e a m e a c hp l o ti s1 2 ml o n g ，5 mw i d e ag r o u n d w a t e r m o n i t o r i n gw e l ln e s ti si n s t a l l e da tt h ef i e l db u f f e re d g e a n dt h es t r e a me d g ei nt h em i d d l e o fe a c hr i p a r i a nb u f f e rp l o t w e l l sa r ei n s t a l l e da tt w ow e l l d e p t h sp e r w e l ln e s t r e s p e c t i v e l yl m a n d o 7 m s a m p l e sa r ea n a l y z e df o rn i t r a t en i t r o g e n ，a m m o m u mn i t r o g e n ， t o t a ln i t r o g e n ，a n dt o t a lp h o s p h o rt oc o m p a r et h ee f f e c to fv e g e t a t i o nt y p e ，d i f f e r e n tf i e l d s l o p ea n dd i f f e r e n ts e a s o n 。m a i n r e s e a r c hr e s u l t sa n dc o n c l u s i o no ft h e s t u d y a r ea s f o l l o w s ： 11p e r c e n tt o t a ln i t r o g e ni sh i g h e ri nt h ed e e pw e l l sl mt h a nt h ew e l l so 7 m ，b yl1 4 3 p e r c e n tn i t r a t en i t r o g e n ，a m m o n i u mn i t r o g e na n dt o t a lp h o s p h o rw a sn o tas i g n i f i c a n t l y v a r i a b l ea tt h ed i f f e r e n td e p t h s ， 2 ) v e g e t a t i o nt y p er e s u l t si ns i g n i f i c a n td i f f e r e n c e i nn i t r a t er e m o v a l l o l i u m p e r e n n el i s m o s te f f e c t i v eo nr e d u c i n gn i t r a t en i t r o g e nc o n c e n t r a t i o n ，a c c o u n t i n gt o9 0 f o r t o t a lp h o s p h o r , n a t u r a lv e g e t a t i o ni sm o s te f f e c t i v e ，r e a c h i n g6 1 0 1 3 、t h e r i p a r i a nb u t i e r e f f e c t i v e n e s si sr e l a t et of i e l ds l o p e 8 s l o p eb u f f e ri sm o r ee r i e c t i v e t h a nt h e5 s l o p eb u f f e r sa td e c r e a s i n gn i t r o g e n t h es l o p ed o e sn o ts e e mt op l a ya i m p o r t a n tk e y o n p h o s p h o r c o n c e n t r a t i o nd e c r e a s e 4 、ah i g h e rp e r c e n tn i t r o g e na n dp h o s p h o rd e c r e a s ei so b s e r v e di ns p r i n gc o m p a r e dt o a u t u m na n dw i n t e r r e a s o n sm a yb ea t t r i b u t e dt og r o w t ho fv e g e t a t i o n ，p e r c e n tt o t a l n i t r o g e na n dt o t a lp h o s p h o rd e c r e a s e i s i m p a c t e dm o r eb ys e a s o n i t i s i m p o r t a n tt o i m p r o v e b u f f e re f f e c t i v e n e s sb yc h a n g i n gv e g e t a t i o nt y p ei nd i f f e r e n ts e a s o n 5 ) s p r e a d i n gd i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o no r g a n i ca n di n o r g a n i cf e r t i l i z e ro ns a m p l e s ，r e s u l t s h o w st h a tt h eh i g h e rf e r t i l i z e rc o n c e n t r a t i o n ，t h em o r eb u f f e re f f e c t i v e n e s s b a s e do ne x p e r i m e n t a t i o ns t u d ya n da d v a n c e de x p e r i e n c eb o t ha th o m ea n da b r o a d ， t h es t u d ya d v a n c e ss o m es u g g e s t i o no nb u f f e rd e s i g np a t t e ma n dm a n a g e m e n tp a t t e mi n s h a n g h a i ，a n d a c c e s st h ee n v i r o n m e n tb e n e f i to fr i p a r i a nb u f f e r 5 mb u f f e r sw e r e d o c u m e n t e da sr e d u c i n gt h ea m o u n to fn i t r o g e na n d p h o s p h o rl o s tf r o mf i e l d sa sm u c h a s 3 0t o7 0 a b o v e r i p a r i a nb u f f e r sa r eo f i m p o r t a n ta p p l i c a t i o np a t e n t i a l t h e p r e s e n tt h i si so n l yp r i m a r ys t u d yo nr i p a r i a nb u f f e re f f e c t i v e n e s s t h es t u d yo n a b s o r p t i o no fp e s t i c i d e sw i l lb et e s t e di nf u t u r e t h e s em a yo f f e rg u i d ea n dr e f e r e n c et o e s t a b l i s hr i p a r i a nb u f f e rc o n t r o l l i n ga g r i c u l t u r a ln o n p o i n ts o l l r c ei n s h a n g h a ia n do t h e r p l a i nd i s t r i c t s k e yw o r d s ：a g r i c u l t u r a ln o n p o i n ts o u r c e ；r i p a r i a nb u f f e r ；p o l l u t i o nc o n t r o l 1 1 农业的面源污染 1 1 1 成因及危害 第一章绪论 1 1 1 1 成因 人类活动导致的水体富营养化现象是当今世界水污染治理的难题，并已成为全球 最重要的环境问题之一。从引起水体富营养化等水体污染现象的污染源发生类型看， 主要可分为点源污染( p o i n ts o t l r c ep o l l u t i o n ) 与面源污染( n o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ) 两大类。点源污染主要指工业生产过程中与部分城市生活中产生的污染物，这种污染 形式具有排污点位集中、排污途径明确等特征；农业面源污染是指在农业生产活动中， n 、p 等植物营养、农药、重金属等有机和无机污染物、土壤颗粒等沉积物，通过地表 径流和地下渗漏，造成环境尤其是水域环境污染1 2 s i 。 面源污染一般理解为是由分散污染源造成的水体污染，起因于土壤的扰动而引起 农田中的土粒、氮磷、农药及其它无机污染物质，在降雨或灌溉过程中，借助农田地 表径流、农田排水、和地下渗漏等途径而大量排放入水体，或因畜禽养殖业的任意排 污直接造成水质污染的一种污染类型。 从本质上讲，农业面源污染物来自于土壤中的农业化学物质。因此，它的产生、 迁移与转化过程实质上是污染物从土壤圈向其它圈层特别是向水圈扩散的过程。农业 面源污染的主要特征可以概括为：发生区域的随机性、排放途径及排放污染物的不确 定性及污染负荷空间分布的差异性。 1 1 1 2 危害程度 农业面源是水体的主要污染源之，近一二十年来的研究表明，我国湖泊达到富 营养化水体的已占6 3 6 ，一些农业高产地区的湖泊如太湖、巢湖、滇池等总磷、总 氮浓度分别是8 0 年代初的十几倍，其中5 0 以上的磷氮污染负荷来自农业非点源污 染负荷。因此，阻止农业面源污染成了水体富营养化防治的关键。 农业面源污染造成生态的冲击效应是全方位的，涉及到以人为中心的整个食物链。 但面源污染最为直接晟为显著的危害对象是水环境，对水体环境的污染主要为以下两 个方面：以营养型污染物污染水体环境：以毒害型污染物污染水体环境。 1 1 2 农业面源污染的研究现状 1 1 2 1 国外面源污染研究概况 苎= ! 竺篓 一 - _ j 一 一 国外农业非点源污染研究起步于6 0 年代，首先美、英、h 等一些发达国家率先丌 展，7 0 年代以后在世界各地逐渐受到重视。国外农业面源污染的研究可以分为几个阶 段。7 0 年代初主要是对面源污染特征、影响因素、单场暴雨和长期平均污染负荷输出 方面的研究；8 0 年代面源污染基础研究地域范围广，类型多样、因素分析和污染物迁 移机理研究更加深八；进入9 0 年代，微生物对面源污染物迁移、转化影响的研究成为 新的增长点。 随着点源污染逐步穆到控制，面源污染越来越被人们所关注，非点源污染研究成 为国际上环境问题研究的活跃领域。美国各州政府认为，面源污染可能是水质下降的 主要原因。美国在1 9 8 7 年的国会上首次把非点源污染控制问题纳入议事日程，但是这 个计划尚未被很好执行。自七十年代以来，各国学者对面源污染做了大量的调查研究 工作，研究对象有各类地表径流，农药化肥的污染和流失，畜禽粪尿污染和其他农业 废弃物等。主要研究内容有污染物的排放系数，流失程度和迁移规律，对水环境的影 响程度和综合防污措施。在研究过程中也提出了众多的识别污染的数学模型，从早期 的简单统计模型到当前与3 s 技术相结合的复杂模型，具体有城市暴雨模型、流域模型、 农业和农田模型等。在每个模型中一般都包括水文、土壤侵蚀、污染物迁移等子模型， 在农田模型中着重研究了氮和磷的流失。 近年来，对面源污染物的迁移转化及其机理的研究更趋深入，集成化面源污染模 型软件成为未来面源污染模型和计算机开发的主流；利用生物技术，培育高产、抗病 作物，以及具有特殊降解、可净化污水的植物，将在流域面源污染控制和治理中发挥 重要作用。 1 1 ，2 2 国内面源污染研究概况 我国的面源污染研究始于2 0 世纪8 0 年代初对湖泊、水库富营养化调查和流域水 质规划研究，先后在于桥水库、滇池、太湖、鄱阳湖、巢湖、镜泊湖、三峡库区等湖 泊，水库流域及沱江内江段、渭河宝鸡段、辽河铁岭段进行探索性的研究，较好地把 握了面源污染负荷发生状况，为湖泊、河流的水质规划与流域规划提供了可靠的依据， 也为面源污染研究积累了宝贵的经验“1 。 从1 9 8 0 1 9 9 0 年，我国农村的非点源污染研究仅是农业面源的宏观特征与污染负 荷定量计算模型的初步研究。基于受纳水体水质分析，计算汇水区农业面源污染输出 量的经验统计模型，这一时期发展较快并广泛应用。进入2 0 世纪9 0 年代，我国的农 业面源污染研究更加活跃。农药、化肥污染的宏观特征、影响因素研究和黑箱经验统 计模式继续在农业面源污染研究中占重要席位。从2 0 世纪8 0 年代开始，我国科技人 员对面源污染也开展了大量研究工作，并取得了不少成果。研究内容可归纳为以下几 个方面。 2 第一，结合防治湖泊等水体的富营养化开展了农业面源污染负荷调查评价，为综 合防治提供科学依据。t 串科院南京： 二壤所于1 9 9 0 年完成了国家环保局下达的课题，对 太湖流域的农h 1 氮磷径流污染和渗漏污染作了深入研究，以后有关部门为治理太湖和 滇池等湖泊污染进行了更为详细的面源污染调查评价，内容扩大至畜禽粪尿和生活污 染源。 第二，进行流域或区域的面源污染负荷调查评价，以明确防治面源污染在调查区 水环境综合防治中地位，并采取相应的防治对策。此类工作有的是单项调查，例如城 市和流域的降雨径流污染，也有的是综合性的，调查内容包括地表径流，化肥，农药， 畜禽粪尿，农田渗漏和精养鱼塘等。 第三，进行农田氮磷流失的专项研究。农化学家往往多从提高化肥利用率的角度 出发开展研究，而目前农化学家与环保工作者联合，研究目的扩展至减少化肥对水环 境的污染t 通过田间和实验室模拟试验研究氮磷在不同农业条件下的径流流失和淋渗 流失，尤以氮的流失研究为多。上述研究表明；农田n 流失大于磷的流失；旱地氮的 流失以硝酸盐为主，水田氮素的渗漏流失和径流流失比较复杂；氮的流失与氮肥用量 和种类、土壤质地、降雨和排灌等因素有关；农田氮素流失是水质氮污染的重要污染 源。 第四，进行农药污染的专题研究。此类研究偏重于农药对农作物、土壤的污染， 以及农药对环境生物和人体健康的危害，而有关农药对水环境污染的研究报导国内较 少。此外，在引用国外现有技术的基础上，对面源污染的研究方法和数学建模也开展 了不少工作，并开始采用遥感、地理信息系统和地球定位系统等新技术。 我国的面源污染研究内容涉及面源污染负荷评价、模型介绍及模型与g i s 技术结 合等。对于面源污染控制，我国基本上停留在对污染源的调查研究上，且参与人员较 少，研究存在阶段性和孤立性的缺点还没有形成体系，更未延展深入到对相关管理 和政策保障体系的研究，尚未制定出操作性和实用性强的技术与政策。 就研究方法而言，我国对面源污染的研究方法基本采用以剖析土地利用方式与污 染负荷之间的内在联系为出发点，主要采用径流实验法，监测降雨径流的水质、水量， 确定污染物单位负荷量，从而估计面源污染发生负荷量。 对于面源污染的控制管理，目前我国已经在开展生态示范区建设的指标体系中， 确定了1 1 项有关面源污染的指标；采用的经济手段包括开始或正在考虑对农用化肥和 杀虫剂征税，但较少运用环境经济方法；制定了部分面源污染防治的限制性法规，如 农药、化肥施用的技术规范等。 总的来讲，我国农村非点源污染研究还主要侧重于对河流、湖泊、水库等地表水的 污染研究，而对地下水的污染研究相对较少。 1 1 3 农业面源污染的控制 对r 铀晒源污染的控制，出台了+ 系列防治农业面源污染的政策、法规和措施。 在国外，如美国政府颁布有面源污染控制的联邦法律，清洁水法规及联邦政府安全引用 水标准，并设置相关机构从事面源污染有关的项目研究。清洁水法规( c w a ) 是美国有关 水体保护的国家法规，其中有很多条例是针对面源污染的；最佳管理措施( b m p s ，b e s t m a n a g e m e n tp r a c t i c e s ) 提出少耕法、免耕法、综合病虫防治、防护林、草地过滤带、 家畜粪肥大田合理施用等方法和措施，鼓励农民自觉采纳b m p s ( 最佳管理措施) ，向农 民提供决策信息及执行实施的技术和经济资助；缓冲区( b s ) 提出，将面源污染与受体 联系起来是目前值得推广的防治措施。1 9 9 9 年和2 0 0 0 年美国e p a 和美国农业部( u s d a l 颁布政府重点防治集约化动物饲养过程( c a f o s ) 水体污染的防治公告，提出强制和自愿 控制的方法：实施c g a p s ( c o d eo f g o o d a g r i c u l t u r ep r a c t i c e s ) 计划，对设施农业采取 排出营养液颈处理后回收利用，设施大棚内实施生物防治为主，高效低毒低残留农药为 辅的病虫害综合防治方法。研究人员认为，这些规则具有降低本国生产者经济变化的潜 力( m i n e r , 1 9 9 9 ；r e j e s u ea n dh o m b a k e r , 1 9 9 9 ) ，同时提出农业面源污染中最严重的来源 之一是动物饲养过程( a s o s ) ，9 的河流发生污染( g o v e r n m e n ta c c o u n t i n go f f i c e 1 9 9 5 ) 是由此造成的；与动物生产有关的主要环境问题是由于大量的动物粪便中含有营养盐 氮磷污染。 1 1 3 1 农业面源污染控制对策 ( 1 ) 农业面源污染的监测体系：面源污染项目的监测包括水化学、生物、沉积物等 分析指标，政府管理部门定期检查项目进展，评价项目质量和效益，以确保项目按 计划实施； ( 2 ) 农业面源污染的教育保障：为了项目的正常管理，国家和地方政府的项目管理人 员需要接受系统培训，以正确理解政府的法规和政策。公众也需要接受教育，以改 变同常不合理的行为，减少污染，保护环境； ( 3 ) 面源污染的科技保障：美国联邦政府需要向州和地方政府提供法律和技术指导 以确保面源污染控制项目的成功，如定期举办培训班和讲座，介绍面原污染控制 的新政策和新技术。面源污染控制需要以科学研究为依托，美国联邦政府和州政 府每年都拨出大量资金用于支持面源污染研究，包括规划、设计、实施、最佳管 理措施的效益评价等，美国农业部和环保局在农业面源污染防止和治理方面有 一支度学科、高技能的技术队伍和服务体系；英国政府也有类似的做法； ( 4 ) 农业面源污染的经济保障：因为面源污染控制涉及面广、难度大、时间跨度长、 所需经费多，i n c a ，美国各级政府一般通过专项税收和收费，设立了各种专项基金， 此外，通过社会特别是大公司、大财团募捐也是解决项目资金短缺的重要手段。 1 1 3 2 面源污染控制的法律法规 x e p a p a d e a s ( 1 9 9 4 ) 提出面源控制的直接管理途径，即采用经济手段收取“面源税”。其 研究认为依赖于环境污染浓度的观察值与理想值之间的差值，假定能通过投资监测设 备，改善对个体排放的评估那么最好的方法还是个人排放税与面源污染处罚相结 合；g o v i n d s a m y ( 1 9 9 4 ) 等提出面源“锦标赛”排序法，开发了一个基于比赛排序的方法， 其原理是，获得排序信息要比基数信息容易的多，管理者需要监测整个地区的地下水污 染，根据减污努力和投入情况对农场排序，如果环境浓度超过理想值，就处罚一个或多个 排名最后的农场；c e s a r ed o s i 和m i c h e l em o r e t t o ( 1 9 9 4 ) 提出间接的面源管理途径，主要 是根据个人对环境污染物浓度的“贡献”按照确定的生物一物理模型来评估；j e n s e n 等 ( 2 0 0 0 ) 利用成本效应分析模型对丹麦某一流域氮面源污染进行了分析，并提出了相应 的防治政策；b e n n e t ta n dv i t a l ( 2 0 0 1 ) 提出利用决策支持系统( s d s s ) 来评价面源污染的 管理政策。 1 1 3 3 农业面源污染控制的生态技术 农业面源污染治理的生态技术主要通过控制农村生态系统的物质平衡和物质流动 途径控制污染物的流失。治理措施可分为控制源头污染和径流污染两大类。源头污染 控制指减少潜在运移的污染物数量；迁移途径控制指在污染物的运移途径中通过滞留 径流、增加流动时间减少进入水体的污染物量 3 s l 。 ( 1 ) 控制农业区径流污染的生态技术 主要原理是在严重污染的地段下方建造截留污染物和使污染物循环利用的设施。它 针对面源污染突发性、大流量、低浓度的特点，控制暴雨径流。对污染径流进行控制 的生态技术主要有： 人工水塘技术 植被缓冲带技术 湿地系统等 ( 2 ) 控制农业区源头污染的生态技术 农业面源污染的来源是：可以被冲入径流的村庄固体废弃物、滞留在地上的污水 污泥、大量施肥的农田土壤等。控制农业区源头污染的生态技术有： 生态农业和生态施肥技术 水土保持技术 污水处理和固体废物处理技术 1 1 4 上海市农业面源污染过去的研究成果与不足 就全国而言，上海市农业面源污染问题不仅较早出现和突出，本市的环保和农业 等政府部门，早在上世纪八十年代末和九十年代初开始重视，并相继下达了多项有关 兰= !竺兰 _ r 一一 农业m j 源污染调查和控制的科研项目。尤其是上海市环保局，先后f 达了“上海市郊 畜禽粪便处理利用x , t 策n d 、型示范工程”( 1 9 9 1 年) 、“上海市郊非点源污染综合调查 和防治刘策研究”( 1 9 9 2 年) 、“黄浦江上游汇水区农业面源污染调查及其防治”( 1 9 9 5 年) 、“上海市农牧业废弃物调查及其控制对策”( 1 9 9 6 年) 、“黄浦江水环境综合整治 研究”( 1 9 9 7 年) 、和“淀山湖区面源污染调查评价”( 1 9 9 7 年) 等有关上海市农业面 源污染调查与治理的科研项目。 通过多年的研究，获得了较好的研究成果。具体为：( 1 ) 比较系统的研究了畜禽 养殖污染流失及其控制技术与对策；( 2 ) 基本摸清了畜禽养殖、农村生活、农田化肥 农药和水产养殖等郊区农业面源组成及其对水环境的污染负荷比重；( 3 ) 初步确定了 农业面源污染有关的污染物流失系数。 虽然畜禽养殖、农村生活、水产养殖，从广义上讲也属于农业面源污染，但是与 农田化肥农药污染相比，在狭义上可看作是农业点源污染，它们的污染物流失系数、 规律和特征等，与农田化肥农药流失污染相比较容易获 导。因此，尽管过去在农田化 肥农药面源污染调查上也己开展了大量的工作，但因受到不同土壤条件、耕作制度、 农作物种植类型和方式等众多因素的影响，尚未获得比较系统和全面的污染物流失系 数、规律和特征，尤其在控制技术上没有进行比较深入的研究和示范。同时，九十年 代中期上海郊区设施农业的兴起，不仅使上海农业的蔬菜生产方式发生了变化，而且 给种植业面源污染带来了新的研究课题。此外，根据国外发达国家在农业面源污染防 治上的先进经验，建立适合本地区特点的农业面源污染控制最佳操作管理措施，是防 治农业面源污染的最有效手段。 1 2 缓冲带技术及其应用 1 2 1 缓冲带的概念及发展 缓冲带( b u f f e rs t r i p s ：b u f f e rz o n e s ) ，全称保护缓冲带( c o n s e r v a t i o nb u f f e rs t r i p ) ， 它指利用永久性植被拦截污染物或有害物质的条状、受保护的土地t t n ( n r c s 。1 9 9 8 ) ，是 由美国农业部国家自然资源保护局( n r c s ) 向美国公众推荐的土地利用保护方式m ，。 1 9 9 7 年4 月，美国农业部自然资源保护局发出自然资源保护缓冲带倡议，承诺 到2 0 0 2 年帮助全国修建3 2 0 万k m 长的保护缓冲带。该倡议由自然资源保护局领导、 联合农业研究局( a r s ) 、农场服务局( f s a ) 、森林局( f s ) 、合作的州研究机构、教 育及外联局、州保护机构、保护区和许多公众私人伙伴等。为帮助实施缓冲带倡议， 自然资源保护局还指定了2 个协调机构：一是在圣路易斯的国家玉米种植协会作为农 业协调机构，促进在玉米种植和其他作物种植中兴建缓冲带。二是与国家畜牧生产者 委员会联合，促进在畜牧业粪便管理中接受缓冲带。自然资源保护缓冲带倡议鼓励农 牧业粪便管理中接受缓冲带。同时，自然资源保护缓冲带倡议鼓励农牧民了解缓冲带 6 的经济和环境利益。 1 2 2 缓冲带的类型 根据已经建成的缓冲带的分布位置与主要作用，缓冲带可以分为以下几个类型： ( 1 ) 滨岸缓冲带( r i p a r i a n b u f f e r s ) 滨岸缓冲带指建立在河湖、溪流和沟谷沿岸的各类植被带，包括林带、草地或其 他土地利用类型。主要目的是保护水质清洁，拦截过滤可能进入河流、水库的泥沙、 有机质、杀虫剂和其他有害物质。这类缓冲过滤带包括了主要用于拦截污染物的过滤 带，拦截农硐污染的岸边、田边缓冲带等，其布局与农田水体相关，建立在耕地、牧 场土地顺坡向的田边坡脚( 底) 或与径流交汇地带，对控制农田非点源污染，防止引 起水体富营养化和水质恶化的土壤养分肥料、牲畜、田间泥沙、大气降尘等进入河道 水体。此外，还可以为农业机械农业提供调向空间、运行通道，减少对农开；i 作物的伤 害。 ( 2 ) 草地化径流带( g r a s s e dw a t e r w a y ) 草地径流带指在地表汇流区和流经地区种植的条带状草地。其基本目的是减少表 面径流形成后水流对地表的冲蚀，保持水土地，减弱侵蚀，拦截部分水中泥沙、悬移 质等，当然它也可以与过滤带( f i l t e rs t r i p s ) 配合共同减少水体污染。这也是我们尚未足 够重视的研究课题，因为我们总是重视坡面产流或汇流对地表的冲蚀，倡导源头控制 如退耕还林、还草等。实际上，由于某些原因往往又不易实现，而对径流形成后的泥 沙控制主要是筑坝拦淤、拦沙、引水用沙等措施。 ( 3 ) 等高缓冲带( c o n t o u rb u f f e rs t r i p s ) 等高缓冲带指在缓坡耕地中，按照等高线种植植被，替代大面积坡耕或宽带整地 利用。其主要目的是保护水土、防治土壤侵蚀。主要作用有减少片蚀( s h e e te r o s i o n ) ， 减少因坡耕造成的泥沙、养分和杀虫剂流失或对环境的危害等。这与我国陡坡利用中 等高梯田有差别，其成本可能低于我国的修筑梯坎工程。也没有我国梯田类型复杂， 但可能好于我国一般缓坡耕种的环境保护。 ( 4 ) 防风带或遮护缓冲带( w i n d b r e a k s h e l t e rb e l t ) 这种缓冲带是指在大风或干燥地区，为减少风蚀和控制扬雪而种植的林地或灌木 及其他植被类型。其作用是通过增加地表粗糙度，减低气流运行速度，拦截风沙和扬 雪，其目的可以概括为2 类：第一，防风固沙，减少风沙对农田、环境的危害；第二， 减少暴风雪的危害，保护作物幼苗等。 ( 5 ) 混合耕种( a l l e yc r o p p i n g ) 农林混作套种的一种，指在载种成行的果树或灌木行间或空道间种植经济作物或粮 草饲料等，二者都可收获。 另外，还有高速公路、铁路、城市等周围的灌木蓠芭、草本风障、河岸保护和植被 屏障、浅水l 疆域等。 ( 6 ) 缓冲湿地 湿地处理法已被不少的管理机构所推祟，如美国的国家环保局和欧共体委员会。 在欧洲人工湿地处理污水已达到二级处理水平，并在人口1 0 0 0 超过户的居民区得到 应用。在美国，该法的应用达到了三级处理水平，可应用于单户到1 0 0 0 户更大的人口 居住区( 湿地面积可在0 0 0 2 h a - 5 0 0 h a 之问) 8 2 1 。 1 2 3 缓冲带防治农业面源污染的机制 由于缓冲带是一个全新的实用型生物工程措施，首先必需了解其作用原理，才能 使之发挥更全面的作用。缓冲带防治农业面源污染主要是通过滞缓径流、沉降泥沙、 强化过滤和增强吸附等功能来实现的，能明显降低各种污染物( 包括氮、磷、悬浮物、 稀有金属、有机质、病原体等) 的浓度，这一过程包含了沉积作用、过滤作用、化学作 用、吸附作用、微生物间的相互作用等。下面主要通过氮、磷等物质在土壤中发生流 失的机理，从而进一步分析缓冲带减少它们流失量的作用机理。 土壤元素流失的途径主要为：地表径流( 地表排水) 、淋溶排水、土壤层间流等 三神。地表径流。对于地表径流的能量主要依靠降雨，降雨的冲击动能引起地表土 壤扰动，进而产生悬浮土壤颗粒。在迁移过程中，通过冲刷经过地块的地表土壤，或 随径流量的降低，径流中夹带的土壤颗粒发生沉淀h 8 1 。淋溶排水。一般来讲，淋溶 排水主要是由两种类型组成，一是土壤基质流( m a t r i xf l o w ) ，二是土壤优势性渗流 ( p r e f e r e n t i a lf l o w ) 主要来源于地表径流的向下渗漏，另一种来源为土壤水的向下渗漏。 土壤层问流，也可称为亚地表径流、土壤侧向排水等。其水源部分来自于地表径流， 部分来自于土壤水。具有一定坡度的旱地、草地而言，土壤层间流往往在降雨过后也 比较明显。 1 2 3 1 除氮机理 n 流失的机制有两个方面：一是通过淋溶移出植物根区：二是通过地表径流和土 壤侵蚀流失。被施用到土壤中各种形态的氮在化学和微生物活动作用下，首先转变为 n h 。+ ，然后转变为n 0 3 一，在热带和贬热带耕作土壤矿质化的转化速度十分迅速，n 0 3 一若不能被植物完全吸收的话，就会产生淋溶，淋溶速率主要由水渗漏的速率决定，而 渗漏速率则取决于土壤特性和降水程度 a 4 i 。因此，要减少氮流失主要需要控制的是地 表径流氮的含量、减少硝态氮的流失。 n 在缓冲带内的截留机理主要有：随泥沙沉降、反硝化作用( d e n i t r i f i c a t i o n ) 、植 物吸收、微生物代谢等过程( m a n d e r , e ta l ，1 9 9 7 ) 。通过对缓冲带的研究，发现主要包 括3 种生物方法：植物吸收和存储；微生物固定和存储；微生物转化为气态氮， 一 一 苎二!兰竺 _ + - p _ _ h _ _ _ _ _ _ _ 一 t 要是通过反硝化作用8 。研究发现反硝化作用有效减少地下水中硝态氮的含量，这 是去除地卜水中含氮量的主要方法。m a r i e t ( 1 9 9 8 ) 等人通过实验发现，当地表水流经 滨岸缓冲区后，地表水硝态含量降低了9 5 ，在森林缓冲区上层土壤( o 3 0 c m ) 中测 定的反硝化速率是9 - 2 0 0 k gn ( h m 2 - a ) ，而草地缓冲区中反硝化速率是1 2 3 2 埏 n ( h i n 2 1 ) ，其原因主要是森林缓冲区的土壤内具有更高的硝惫氮含量和水滞留时l l h j 。 大量研究表明通过美国沿海平原区域森林缓冲带可以将来自于丘陵的浅层地下水硝酸 盐减少8 0 9 0 t ”。，6 76 9 。并且需要保证水平线上的土壤终年间隙地被浸润，主要是 因为厌氧条件和含碳土壤带是发生生物反硝化作用的重要条件。因此运用缓冲带时要 注意影响反硝化作用的因素：温度、氧化一还原能力、可利用的c 源量和n 源量。 1 2 3 2 除磷机理 土壤磷素流失的主要形态为溶解性磷和固相态磷两种。在土地利用强度大的土 壤，其地表径流磷素浓度与负荷相应较高，磷素的流失形态主要为溶解性磷( d r p ： d i s s o l v e dr e a c t i v ep h o s p h o r u s ) 。如果地表径流发生在不