农业面源污染控制的机理与对策

农业面源污染控制的机理与对策

农业面源污染的产生、迁移和转化过程主要是污染物从土壤路径向其他路径的过程，尤其是水路径的过程。农业面源污染的本质上是一种分散污染。近年来,全世界对水环境的关注要求农户去熟悉同环境友好的农业生产技术和农业生产方式,农业面源污染的危害及防治得到重视。农业面源污染物从不同层次和不同角度理解种类繁多,但主要的污染物有化肥、杀虫剂、硝酸盐、沉积物、畜禽粪便、病原菌。农业面源污染物通过径流的传递严重影响水体质量。降雨径流过程(水文过程)、侵蚀过程和污染物的迁移转化过程是农业面源污染形成、影响和作用的主要特征。目前,国内外农业面源污染研究主要有化学投入品的合理施用、废弃物再利用、灌溉水设计、水土流失防治、农业面源污染物的污染机理、新技术应用、土地利用方式剖析、径流监测、模型模拟、管理实践、经济成本分析等。本文通过分析国内外在农业面源污染方面的研究成果,从农业面源形成的条件和主要污染物的污染机理两方面进行归纳总结,为农业面源污染的防治和进一步研究提供参考。1土壤表土养分流失源农业面源污染发生条件有营养物质过量、杀虫剂大量使用、农村生活污水和废弃物的任意排放、水动力作用、土壤侵蚀、水和沉积物运输。表土养分的流失主要包括部分可溶性养分随径流向坡下流失,坡面径流携带部分土壤细粒物质向坡下运动,部分径流携带养分渗入土壤为植物根系截获或在下层土壤中随壤中流运动、再分布,部分土壤细粒物质的淋洗、淀积。集水处的地貌特征影响水质量,包括气候、沉淀、水文、地质、土壤、植被、地形、土地利用现状。1.1化肥、化肥与畜禽粪粪农业生产过程中化肥、杀虫剂的大量使用,存在严重的农业面源污染问题,突出表现在杀虫剂、化肥的流失对地表水、土壤、大气的污染以及在食物中的残留。1978年以来,我国肥料消费快速增长,最近变成了世界上最大的生产和消费N肥的国家。平均每年N的应用率从1975年的38kghm2增加到1985年的130kghm2,从1995年的236kghm2增加到2001年的262kghm2,用N的效率低于40%,地下水中硝酸盐浓度经常超过饮用水标准。我国平均每年有1100多万吨的化肥流失,其中以N肥损失率最高。施入土壤的N只有30%~40%被作物吸收利用,约20%被作物的根、茎及土壤微生物固定在土壤中。据联合国粮农组织计算,世界每公顷耕地年平均化肥施用量为104kg,中国为261kg,美国108kg。另外,我国禽畜养殖业的粪便流失严重。1980年全国畜禽粪便产生约6.9亿吨,2002年增至约41亿吨,是工业有机污染物的4.1倍,预计2015年将达到60亿吨。全国90%以上的畜禽养殖场没有污水处理系统,畜禽粪便大多直接排入地表水,而很少作为肥料资源通过农田再利用。2002年我国利用肉牛、猪、家禽和奶牛的粪便生产有机肥的比率分别为44%、43%、10%和3%,这不仅浪费了养分资源,而且还污染了环境。1.2农业面源污染的成因农业面源污染发生伴随流域暴雨过程产生,丰水年污染负荷较大,枯水年相对较小,污染负荷主要集中在年内的暴雨期;农田的施肥量和施肥时间对面源污染负荷也有重要影响,合理施肥对减少农业面源污染负荷有重要意义。农业面源污染主要由暴雨径流冲刷作用产生,由于农业面源污染在时间和空间上的广泛性、随机性及不确定性,目前主要采用模型估算的方法进行研究。国内外已经开发出各种数学模型,并且针对各种不同的地貌特征和土地利用类型,获取了一定数量的水文参数和污染物参数,以这些模型为基础的决策支持系统也被应用于流域环境规划与管理过程中。土壤侵蚀包括土壤颗粒在土体中的分散过程和在陆地表面的传输和沉积过程。污染物在地表的迁移转化受其自身组成的影响,污染物可分为颗粒态和溶解态,颗粒态污染物只能随地表径流迁移,而溶解态的污染物则可随地表径流、土壤流和地下水流迁移。污染物在传输过程中,一部分颗粒态物质由于重力作用发生沉积,从而减少了污染物输出量。1.3面源污染的径流和土壤湿度农业面源污染最终主要以雨水径流的形式产生。由于汇水面的性质不同,导致不同的水文特征。通常农业面源的汇水面径流系数小,形成径流的时间长,地下的入渗量较大。径流形式主要表现为地表漫流、沟渠和河道径流。河流中营养物质浓度同土壤、水文条件有强的相关性。一般来讲,径流量越大,污染物负荷量越高;在径流量相同的情况下,潜在的污染物含量越高,造成的污染负荷越大。径流量大小取决于降雨量、降雨强度、降雨历时、流域下渗和蓄水特征等因素。由降雨所产生的径流是造成面源污染的主要驱动力。降雨径流过程的研究,大多以水文学为基础,重点研究农业面源污染的产流、汇流特性。在同一降雨数量下,一个短暂高密度的降雨通常比一个长时间低密度的降雨造成更多的径流。沉积物传输到河流中能导致河流动植物的生活环境和河流水文学条件改变。在潮湿的气候和半干旱气候区湿的季节,表面径流是在有限的时间和有限的地区产生。这些地区土壤能在一个暴雨期间快速地膨胀,导致土壤湿度、地形、地表水量的改变。例如,每年在俄亥俄州地区发生一次或二次特大的暴雨形成超过全年径流的75%,每年总P输出超过全年的90%。在春天和冬天,山上来的水头中硝酸盐和总P的浓度较高。在干的季节如夏季,硝酸盐和总P的浓度受河流生物过程和人工供水的影响较强。在冷的季节如冬天和春天,尽管硝酸盐和总P有同样的空间动力,但进入水体为硝酸盐。在雨季如春天,P的迁移变化也同位于斜坡上游的森林相关。1.4农业面源污染农业面源污染的产生与地表形态密切相关,土地利用类型是影响农业面源污染物传输最重要的因素。污染物冲刷的强弱取决地形、地貌、植被的覆盖程度和污染物分布状况。土壤的特性如土壤质地、pH、阳离子交换量(CEC)、有机质含量、透水性及土壤剖面等均可改变土壤中污染物的含量及累积量,从而影响农业面源污染负荷。污染物沉积的主要影响因素包括流域的地形、坡度、污染源与流域出口的距离等。土地利用方式也是重要的影响因素,土地利用方式表示一个区域内人类的主要活动,农业面源污染负荷在相当程度上与土地利用状况及土地利用强度有关。土壤湿度和土体运动是农业面源污染发生的两个重要概念。土壤湿度决定沉积物渗透到土壤中和形成径流的量。在土层中存在蓄水层和防水层,顶部不确定的蓄水层叫浅水层,最容易受农业面源污染物的影响。对于陡峭的斜坡,通过耕作措施能大量地减少流失量,如等高线和梯田及其它联合作用。地表径流中的N传输到河滨带时,能被植物吸收、发生脱硝作用、沉积物的诱捕。植物吸收不可能是一个长期移动N的过程,除非植物被收获,每年的植物将枯死,分解作用又重新释放N。农作物和森林植被能拦截降雨量,一个覆盖度好的森林每年能拦截10%~20%的降雨量。Herlihy等(1998)用GIS空间数据多元回归分析美国大西洋中部368条河流,发现营养物质浓度、氯化物浓度、酸的中和能力、基本的阳离子量同流域土地盖度有强的相关性。2农业面源污染机2.1n的生物生态学特性是一个复杂的、反复的过程,其重点在于土N是生命物质必需的元素。在天然水中N的化学性质复杂,因为N存在不同的氧化状态如NO3-(+5)、NO2-(+3)、(NH4+)(-3)。在这些物质中,NO3-和NO2-最受关注,因为它们对人类健康构成潜在的毒害。大约20%~70%的N应用到作物上,剩下的N进入大气中,或结合到土壤有机物质中或渗漏到地下水中以硝酸盐形式存在。流域中水的化学反应是非线型的,控制N的作用有滞后性,这个趋向在农业面源污染过程方面减轻非常困难。非线型特性引起对降雨和营养物质负荷的延时响应,这个特征在酸沉降流域研究中得到证明。次要的原因可能归因于流域土地利用类型。在一个确定的土地利用内和一个地形边界内,营养物质负荷减少的响应依靠它的位置和相对起作用的地表面。据大量的应用表明N的利用效率低、作物的吸收量少,因为N的吸收只是在作物没收获的时候,作物收获后土壤中N在反硝化和氨化作用下以不同形态挥发或渗透到土壤的深层部位。一些人认为植物微生物在保持N方面起重要作用。农家肥中大部分N为有机的和NH3的形式存在。如果农家肥使用后不是在短的时间内被作物吸收,大部分的N将以NH3的形式挥发损失。农家肥中N的损失高达30%。N的损失也发生在处理或贮藏过程中。新鲜的农家肥在有氧的条件下N的损失可高达70%~80%,但在厌氧的坑中损失仅为15%~30%。一些研究认为在池塘和湿地长时间地滞留或在有侵蚀的流域,有机N的沉淀是一个次要的过程。如果增加有机N的矿化是减少N保持力的主要原因,阻止反硝化作用可能有利于高N的保持。例如,低的滞留时间、低的温度、少量可用的N或C、水中高的氧含量能有效地保持N不被流失。河水中N污染源以NH4+-N为主,而井水中以NO3--N为主,湖、河及井水不同深度的水样中NO3--N和NH4+-N浓度差异不显著,但随时间变化差异明显。N流失在不同季节表现出一定的形态差异性,稻季以NH4+-N为主(53%),麦季以NO3--N为主(46%);P在稻季和麦季的流失均以颗粒P为主(56%~69%)。稳定肥料中N是通过抑制硝化作用,增加作物在以后季节的利用和吸收,减少它在土壤中的流动性。控制N的方法包括输入的减少、灌溉管理改进、冬季覆盖作物。2.2暴雨事件中的磷矿物和岩溶p在淡水中,P是藻类生长的关键营养物质。控制P吸附的主要变量有土壤粘粒、Fe、Al、CaCO3和有机颗粒物。在酸性土壤中,粘粒、Al、有机颗粒物主要控制P的吸附;在石灰性土壤中,Fe、CaCO3控制P的吸附。风化土壤中P的吸附比例比较高,因为这些土壤类型含有相对高的粘粒、Al和Fe含量;沙土中,相对低的反应要素提高了溶液相中P的含量。有机物质能提高P的吸附,但仅在有限的范围内,非常高的有机物质如泥炭块和有机肥料多的土壤更容易使P溶解,也许因为有机物质影响了P的吸附点。在石灰性土壤中,P能同CaCO3结合形成磷酸盐。土壤pH也影响P的吸附/解吸,P最大的溶解发生在pH为6.0~6.5的时候。在酸性条件下拦截从农田来的P,低磷酸盐浓度时发生P被Fe和Al的氧化物和粘土矿物吸附,高浓度时发生Fe和Al的磷酸盐沉淀。酸性土壤中无机磷酸盐主要为Fe和Al的磷酸盐,碱性土壤中主要为Ca磷酸盐。以N为基础的肥料管理下,土壤中P的水平将持续增加。高P水平的土壤容易受到侵蚀的影响,水体富营养化危险大。土壤中无机P形式极度地不溶解,因为P被粘土吸附,Fe和Al氧化物滤取P到地下水很少。P的渗漏常发生在排水好的、深的、沙质土壤中。暴雨期间沉积物传输P导致质地好的土壤侵蚀。P传输的季节性同土壤饱和水的变化有关。河流河岸侵蚀也是微粒P的来源,也通过结合在家畜身上进入水体。水中的P浓度同最近的河流密切相关,而同整个流域中每个流域段高P土壤的分布无相关性,因此,河流附近的表面径流和土壤中P水平是流域输入P的主要形式。相对于远离河渠的径流地区,加强在河流附近主要表面径流产生地区的P管理有更大的潜在减少P输出的作用。化肥的应用、家畜废水和粪便的产生是农业集水区P的主要来源。地质学物质、土壤、植被沉积也是天然P来源。在土壤接近饱和时,化肥应用和放牧能导致大量有效P和颗粒P的损失。通过颗粒物、主要的无机P负荷能计算每年大部分总P的传输和近似反映流域悬浮沉积物的动力学。集水区形态学和土地利用方式也影响P的流失。有机P的渗透在一些地区显著,因为有机形式的P被土壤吸附弱。暴雨事件中,沉积物带着明显高的有效P浓度。沉积物浓度高时,大部分P传输受沉积物控制。农业土地上的P大多随沉积物传输,控制P主要通过控制沉积物实现;并且P同土壤结合在一起,不明显影响地下水。在湿地沉积物中N比P更容易移动。P经常紧密地吸附在粘土颗粒中,小的湿地保持P较低,草或牧场系统比耕作系统能输出大比例的有效P。在地表径流中减少P的流失包括应用P前的土壤测试、覆盖作物减少表面径流和侵蚀、等高线耕作、保护性耕作、河滨区域管理。2.3地下水中硝酸盐含量随地表土壤质量的变化情况,我国农业大量N肥施用到农田和作物系统中,低N利用率经常导致硝酸盐过剩渗透到地下水中。我国平均N的利用率为30%~41%,大约水稻田损失N肥30%~70%,旱地损失N肥20%~50%,直接通过渗透损失N肥5%~10%。在一些饲养场土壤剖面,反硝化作用可能发生。Schuman和McCalla(1975)测量了硝酸盐浓度在距土壤表面100mm的土壤中为7.5mgkg-1,在200mm以下硝酸盐浓度低于1.0mgkg-1。Elliott等(1972)开挖一个牛饲养场的沙土剖面,在表土下面0.45m、0.70m、1.10m处收集径流水,样品中硝酸盐的浓度通常低于1.0mgL-1,在75mm处的浓度范围为0.3mgL-1~101mgL-1。Sewell(1978)发现在15m井中的硝酸盐和氯化物浓度在6个月的使用期间快速增加,后来慢慢降低到使用前的相近水平。沙质土壤中硝酸盐通过灌溉渗漏最大,粘土中最小。粘土的衬垫层能减少肥料在贮藏池下面的化学运动。Schmidt和Sherman(1987)发现许多地区地下水中高的硝酸盐浓度同地表沙质土壤有相关性。在作物根部区域硝酸盐浓度随粘土含量的增加而降低。Lund和Wachtell等(1979)研究表明质地好的土壤比沙质土壤的反硝化作用强,因为质地好的土壤中有高的土壤湿度和有机碳比例。Mcneal和Pratt(1978)认为很少的反硝化作用发生在2m下的淹没排水沟地方。刘光栋等研究表明农田耕作管理与浅层地下水硝酸盐含量之间缺乏必然相关性。地下水中硝酸盐N的污染过程和空间分异研究表明硝酸盐分布深度达150m~200m,NO3--N污染类型和分布主要受地下水在水平方向上的流动影响。改良灌溉也可能提高硝酸盐渗透到含水土层中。其它影响硝酸盐的因素有土地利用类型、渗流区厚度、土壤质地、肥料应用时间,土地利用类型也显著影响浅层地下水N的负荷。在蔬菜生产地区,地下水硝酸盐浓度非常高,但地表应用率和地下水硝酸盐浓度的相关性在邻近的地区发现,这个矛盾归因于水力地质条件的变化。我国华北典型高产粮区桓台县农业硝酸盐面源污染具有非均衡的空间分异特征,即硝酸盐定向迁移导致硝酸盐净输出源区和净输入汇集区,源区硝酸盐污染相对稳定,而汇集区硝酸盐污染趋于恶化,不同程度污染面积占56.57%,其中大于10mgL-1的污染面积占20.5%;污染较重的汇集区4年间地下水NO3--N浓度升高到27.2mgL-1,而源区则相对稳定在5.5mgL-1~7.2mgL-1,农业面源污染空间分布与潜水位等值线的一致性表明在空间分异过程中地下水流向占主导作用。2.4不同类型条件下的药剂有很高的蒸发压力和水传导率方面的不同二次世界大战后,卤代苯氧型除草剂和有机氯杀虫剂广泛运用,如2,4二氯苯氧基乙酸和DDT。19世纪60年代中期,它们被氨基化合物和三嗪除草剂、碳酸的和有机磷酸酯的杀虫剂代替。80年代开始,三嗪除草剂、有机磷酸酯和氨基甲酸盐杀虫剂逐渐被限制,被其它半衰期短和用量少的杀虫剂类型代替。杀虫剂的蒸发压力通常极度低,高蒸发压力的杀虫剂容易在蒸发作用下散失到大气中,一些高挥发性的杀虫剂也可能向下传输进入到地下水中。通常,质地粗糙的土壤比质地细密的土壤有高的渗透率和水传导率。土壤pH是重要的因素,在土壤碱性条件下二溴氯丙烷的降解或水解率较快。土壤中大孔隙和裂缝能影响杀虫剂的传输,在特殊的水灌溉条件下,杀虫剂将在一个短的时间内通过大孔隙和裂缝移动到水体中。耕种影响地表下杀虫剂的浓度,但在不同的地区结果不一致。通常,减少耕种引起杀虫剂在地下的分散。杀虫剂的有效利用率很低,喷施中杀虫剂只有10%~20%的杀虫剂附着在植物体上,其余部分约有40%~60%降落于地面,5%~30%飘浮于空中,落于地面上的杀虫剂又会随降雨形成的地表径流而流入附近水域或渗入土壤。杀虫剂影响因素包括使用时的降雨时间、总降雨量和杀虫剂特殊的物理化学性质。在溪流中短暂的杀虫剂浓度高峰增加了污染物监测的难度。2.5城市河流中的大肠菌密度农业面源污染的病原菌主要为细菌、大肠菌等。土地利用特征能影响接纳水体中大肠菌密度。Gannon和Busse(1989)发现在城市地区暴雨径流中有非常高的大肠菌水平。另外,不同非透水面径流中大肠菌密度有高的可变性。Young和Thackston(1999)报道在城区支流中大肠菌密度直接同住房密度、人口密度、密封的化粪池比例相关,可能与地区家庭的宠物行为有关,暴雨径流发生多的地区比不发生的地区有高的大肠菌密度。Mallin等(2000)发现在几个河口系统中,几何平均数的大肠菌密度直接同密封的化粪池多少相关,同时指出大肠菌密度同混浊度和盐度相关。Mallin等(1999)发现季节性变化和潮汐影响大肠菌密度。最近的研究表明化粪池可能是一个严重对人类影响的排泄物污染源。但是,有研究表明化粪池不是主要的进入河口的排泄物污染源。在适当的土壤和水力的条件下,腐烂物系统能有效的移去排泄物细菌。Weiskel等(1996)比较其它来源,估计从化粪池来的排泄物负荷最小,尽管这个地区存在大量的化粪池。目前,病原菌的研究主要集中在城市面源污染,而农业面源污染的研究较少。2.6侵蚀和传输沉积物沉积物是传输土壤附着的化学污染物从农业面源产生地区到水体中的重要工具。沉积物能携带农业生产中的杀虫剂,除去的杂草和其它附着在土壤上的有害物也能随着流失的沉积物从一个农田传输到另一个农田。农业面源污染问题解决必须强调侵蚀和沉积物控制。研究表明大部分沉积物通过集合体侵蚀和传输,特别是沉积物的粘粒部分。因此,粘粒的粒径大小和致密性可能在土壤侵蚀过