农业面源污染及其研究新进展

1、西安科技大学研究生考试试卷题号分 数阅卷人12345678910总分学 号 20080524 研究生姓名 张舜尧 班 级 研0811 考 试 科 目 面源污染控制 考 试 日 期 课 程 学 时 注 意 事 项M.1、考生必须遵守考场纪律2、答题必须写清楚题号3、字迹要清楚，保持卷面整洁4、试题随试卷一起交回（试题写在黑板上时，答题时应抄写题目）开（闭）卷 论文 农业面源污染及其研究新进展摘 要：面源污染是全世界普遍存在的环境问题，而农业面源污染又是其中最为突出的一部分。本文着重介绍农业面源污染形成的机理、控制技术及其新进展。关键词：面源污染 机理 污染模型 引言水体环境污染源按照排放方式可分

2、为点污染源和非点污染源即面污染源两种。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目前，水环境面源污染的严重性已受到国内外普遍的关注。面污染源一般来自农业、森林砍伐、矿业、建筑与城市等几个方面，其中对水体危害最大、程度最重的首推农业面污染源，它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 农业面源污染的来源农田面源污染途径，主要包括以下几个方面2：（1）化肥污染：我国化肥的施用量远远超过国际上为防止水体污染而设置的化肥使用安全上限。全国N:P:K配比为1

3、:0.45:0.17，氮肥用量偏高，重化肥，轻有机肥，造成土壤酸化、地力下降等。化肥营养元素的流失构成了农业面源污染的最重要部分。另外，我国的氮肥平均利用率只有35%，大部分除以氨和氮氧化物的形态进入大气外，其余大都随降水和灌溉进人水体，导致地下水中氮、磷物质含量增高，江河湖泊富营养化，成为重要农业面源污染物。（2）农药污染：我国农药的产量和使用量都居世界前列，但有效利用率不足30%。据调查，喷施的农药若是粉剂，仅有10%左右的药剂附着在植物体上；若是液体时，也仅有20%左右附着在植物体上；农田中施用的农药，除少部分被作物吸收外，大部分进入了水体、土壤及农产品中。（3）畜禽粪便污染：我国的畜禽

4、养殖业近20年来发展迅速，畜禽养殖业由农民个体家庭饲养逐步走向集约化、工厂化养殖，而且越来越集中在城市周围。畜禽养殖业的环境污染总量、污染程度和分布区域也随之变化，从养殖场产生大量的有机污染物和氮、磷等随每天冲洗的污水流入河道、湖泊，造成水体污染。（4）农膜污染：因为大棚农业的普及，农膜污染也在加剧。近20年来，我国的农膜用量和覆盖面积已居世界首位。目前普遍使用的农膜不易分解，留在土壤中100年也不会烂掉。因此，农膜残片积留在农田中对环境造成了危害。主要影响农作物根系的伸展、影响土壤结构、影响正常灌溉。2 农业面源污染物迁移转化机制 N、P和泥沙作为农业面源污染的主要污染物，其迁移转化规律和形

5、成机理是进行模拟、评价、监测和治理的理论基础。面源污染实质上是一个扩散过程，农业面源污染最终对水体的影响就是导致水体富营养化加剧。氮施入土体中，NH4+-N呈球形扩散，而NO3-N主要以质流方式迁移。磷的流失以吸附态为主，大多数土壤可溶态磷随土壤侵蚀、径流、排水、渗漏等过程进行迁移，农业流域磷污染迁移传输方式包括表面径流传输过程和土壤中流传输过程。泥沙作为农业面源污染物之一，其迁移过程主要是随地表径流而流失。由于农业面源污染物中的氮磷元素在很多情况下都是伴随着泥沙的流失而进入水体的，因此研究泥沙运移规律，对进行泥沙沉降和控制面源污染物的产生具有重要意义。3 农业面源污染防治技术对于面源污染的控

6、制，目前普遍认为由美国环保署(USEPA)提出的“最佳管理措施”是值得采用的。最佳管理措施是指任何能够减少或预防水资源污染的方法、措施或操作程序，现已提出并应用的有人工湿地、植被过滤带、草地缓冲带、岸边缓冲区、免耕少耕法、综合病虫害防治、灌溉水的生态化、生物废弃物的再利用、防护林、地下水位控制等方法和措施3。3.1 农业面源污染控制的前置库技术3.1.1前置库技术原理前置库组成结构图见图1：（1）沉降带：利用现有的沟渠，加以适当改造，并种植芦苇等大型水生植物，对引入处理系统的地表径流中的颗粒物、泥沙等进行拦截、沉淀处理。（2）强化净化系统：浅水生态净化区类似于砾石床的人工湿地生态处理系统。首先

7、沉降带出水以潜流方式进入砾石和植物根系组成的具有渗水能力的基质层，污染物质在过滤、沉淀、吸附等物理作用、微生物的生物降解作用、硝化反硝化作用以及植物吸收等多种形式的净化作用下被高效降解，再进入挺水植物区域，进一步吸收氮磷等营养物质，对入库径流进行深度处理。深水强化净化区利用具有高效净化作用的易沉藻类、具有固定化脱氮除磷微生物的漂浮床、以及其他高效人工强化净化技术进一步去除N、P、有机污染物等，库区可结合污染物净化进行适度水产养殖。（3）导流与回用系统：在降暴雨时，为防止前置库系统暴溢，把初期雨水引入前置库后，后期雨水通过导流系统流出，处理出水根据需要，经回用系统进行综合利用4。3.1.2前置库

8、技术的应用20世纪50年代后期，前置库就开始被作为流域面源污染控制的有效技术进行开发研究。德国、丹麦和前捷克学者等先后开展了利用前置库治理水体的富营养化的研究，他们的研究表明，这种因地制宜的水污染治理措施，对控制面源污染，减少湖泊外源有机污染负荷，特别是去除入湖地表径流中的N、P安全有效，具有广泛的应用前景。目前我国对于前置库技术的研究和利用还不多，张永春较早介绍过前置库技术，在于桥水库富营养化的研究中，曾在该水库的入库河流入口段设置前置库，采取一定工程措施，调节来水在前置库区的滞留时间，使泥沙和吸附在泥沙上的污染物质在前置库沉降。在滇池面源控制中前置库技术也得到应用。根据国内外已经运行的前置

9、库，经强化净化前置库系统处理后，预计TN、TP、泥沙的去除率可分别达到70%、80%、90%以上。3.2 农业面源污染控制的缓冲带和水陆交错带技术目前，有关农业面源污染的缓冲带或缓冲区技术主要有美国的植被过滤带、新西兰的水边休闲地、英国的缓冲区、中国的多水塘等。所谓缓冲区，就是指永久性植被区，通常包括树、草和湿地植物，宽度一般为5100m，大多数位于水体附近，这种缓冲区降低了潜在污染物与接纳水体之间的联系，并且提供了一个阻止污染物输入的生化和物理障碍带。研究结果表明：一个健康的水陆交错带可以对流经此带的水流及其所携带的营养物质有截留和过滤作用，其功能相当于一个对物质具有选择性的半透膜。尹澄清等

10、还发现，我国的人工多水塘系统具有很强的截留来自农田的径流和非点源污染物的生态功能。另外，他们在白洋淀进行的野外实验结果还表明，水陆交错带中的芦苇群落和群落间的小沟都能有效截留来自上游流域的污染物，其中4m芦苇根区土壤对地下径流总氮和总磷的截留率分别为64%和92%，被截留最大的是无机态的正磷酸根态磷和铵态氮。因此，充分利用这一资源对于防治我国的水体污染问题具有十分重要的意义。3.3 农业面源污染控制的水土保持技术农业面源污染主要是由地表径流而引起，因而治理水土流失是解决水体污染的根本之策。水土保持措施可从两个方面来探讨：一方面是使表土稳定化或以植被覆盖来减少雨点对表土的冲击，另一方面是降低坡度

11、，以渠道化手段分散径流或降低流速，以减弱径流的侵蚀力，并减少雨水在地面溢流的数量。如我国发展起来的坡面生态工程对减少流域上游土壤侵蚀有明显效果。复合系统中空间上有林木、农作物等不同类型的组合，它对雨滴的打击、坡面地貌的发育、侵蚀泥沙和径流的运动有明显的有益作用；在适当区域构筑必要的拦水截沙引水槽、拦沙坝、山塘等工程设施，以减少泥沙冲刷，可取得防治水体污染的良好效果。另外还有农田免耕法、保护性耕作法、草地轮作制、梯田建设、等高线耕作，以及我国目前在西部大开发中的退耕还林还草等水土保持措施等，也对水体污染的控制起到了重要作用。3.4 农业面源污染控制的农业生态工程技术农业生态工程是通过生态学原理，

12、同时应用系统工程方法，将生态工程建设与治污工程并举，从根本上减少化肥、农药的投入和降低能源、水资源的消耗，从而减少污染物的排放，达到治理与控制面源污染的目的。开展生态农业建设，也可极大程度地降低农业水体的污染。如我国江西省和四川省最近几年逐渐完善的“种植-养猪-沼气”生态模式，以种植业带动养猪业，以养猪业带动沼气工程，又以沼气工程促进种植业和养猪业的发展，从而显著降低了化肥的使用量，提高了养分的利用效率，达到综合治理水体污染的目的。同时，将膜控制释放技术用于农业，开发膜控制释放化肥、膜控制释放农药，也是控制农业面源污染的一条重要途径，这种化肥和农药的施用，能明显地提高化肥和农药的利用率，减少农

13、用化学物质对水体的污染。3.5 面源污染模型的研究 目前非点源化学污染物运移的模型主要有：流域面源污染模拟模型（ANSWERS）、农田系统地下水污染负荷效应（GREAMS）和农业面源污染模型（AGNPS）等5。ANSWERS模型用于预报次降雨条件下的表面径流量和土壤侵蚀量和污染物流失量。ANSWERS模型是针对欧洲平原地区的模型。因此，如何合理地确定ANSWERS模型参数，使其在我国水土流失应用尚需要做大量的研究工作。GREAMS模型是由土壤侵蚀子模型、水文子模型、化学物质侵蚀子模型组成，用于评价田间尺度多种耕作措施下土壤侵蚀和水质状况。模型中将表面径流和洪峰流量统一在径流流路的基础，并能实现

14、流域不同地块的侵蚀模拟。该模型适合于地块内面积约5 hm2左右的典型小流域，不适用于复杂的地貌状况。AGNPS模型是一个基于方格框架组成的流域框架的分布模型，由栅格采集模型参数，用以模拟次暴雨径流和侵蚀产沙过程。其中径流子模型采用SCS算法计算径流量，产砂子模型采用通用土壤流失方程(USLE)模拟土壤侵蚀和泥沙迁移。水质子模型又包括两个子模型：作物养分模型和农药模型,其中作物养分模型用于计算田块径流中溶解态及吸附态氮、磷的流失量,农药模型则重点考虑了不同管理措施对农药污染的影响。AGNPS模型结构如图2所示。图 2 AGNPS模型结构径流子模型是基础，因为降雨及形成径流过程是造成非点源污染的直

15、接动力因素，产砂子模型又是水质子模型的基础，因为泥沙能吸附或挟带许多污染物。该模型自开发以来，在水库、流域、湖泊的面源污染防治上已得到广泛的应用。如Grunwald等用AGNPS模型比较了不同水土保持的管理措施的效益。该模型在农业面源污染危险区域的识别、水源防护区范围的绘制、地表水监测网的设计和水资源规划等方面也得到广泛的应用，并取得了重大的成绩。在国内陈欣和郭新波为了评价该模型在中国南方丘陵地区小流域应用的可行性，利用排溪冲小流域地形、植被、土壤等相关资料，对AGNPS模型的磷素流失预测结果与小流域土壤磷素流失的实际周年观测资料进行了对比分析。赵刚等将AGNPS模型与GIS技术相结合，在建立

16、云南省捞鱼河小流域试验区基础信息数据库的基础上，根据现场观测数据，对模型进行了标定，并模拟评价了几种常用的侵蚀控制措施的效果6。3.6 SC27土壤微生物增肥剂防治农业面源污染由澳大利亚珀斯生物遗传实验室研制的SC27土壤微生物增肥剂，含有27种高活性的土壤微生物，包括磷细菌、固氮细菌、硝化细菌和纤维素降解细菌及刺激作物生长的各种微生物。该肥料近年来在美国、加拿大、新西兰等国广泛使用。1998年嘉兴、杭州等地进行了SC27在蔬菜上的试验证明了SC27具有极佳的防治农业面源污染的效果。3.7 菌根真菌在防治农业面源污染中的应用湖泊的面源污染主要是由农田大量使用化肥、农药产生的污染物随地表径流流入

17、湖泊水体造成的。生产出代替化肥的生物肥料在湖泊地区的农田进行应用，可避免由于大量施用化肥及有机肥料造成的土壤中营养元素的过剩，而使氮、磷等生源要素大量随地表径流流入湖泊引起湖泊的富营养化问题，不会造成粮食的减产，同时防止了由于大量使用化肥而引起的土地板结等问题。菌根自1885年Frank提出，近30多年才对菌根进行了广泛研究。菌根真菌可以作为一种良好的生物肥料，既可以解决由于大量施用化肥引起的水体污染，同时也可以分解由于使用农药造成的有机物污染，并且还会有利于作物的增产。4 农业面源污染研究的展望 水环境面源污染的严重性已受到国内外普遍关注，面源污染研究业已成为国际上水环境问题研究的活跃领域。

18、我国先后开展了“太湖典型地区农村面源污染调查及预测方法研究”、国家“863”太湖项目“河网地区面源污染控制成套技术”、中科院知识创新重大项目“长江中下游地区湖泊富营养化的发生机制与控制对策研究”等。结合国内外研究和工程现状，在今后农业面源污染治理研究中，我们应做好以下几点工作：（1）区域污染源的界定及其污染通量的确定。我国自然生态条件复杂，面源污染类型多样，因此界定不同地区农业面污染源及其污染通量的确定非常重要，在吸取和借鉴发达国家的经验和教训的同时，在实践中不断探索适合我国不同区域特点的面源污染理论和控制方法。（2）高新技术的运用。包括“3S技术”在内的各种新兴技术，对于我们建立区域面源污染监测信息系统和决策支持信息系统等有着非常重要的作用。同时，以“精细农业”及农业清洁生产技术等为支撑的生态农业的发展，将从源头上减少农业面源污染。（3）技术措施与非技术措施并举。与点源污染不同，面源污染治理更多地依赖民众的直接参与，要特别重视法规、政策、管理和教育等非技术性措施的建设，同时重视技术措施与非技术措施的协调