巢湖流域农田尾水中氮磷的富集与污染

巢湖流域农田尾水中氮磷的富集与污染

在中国，农业尾水属于相对创新的概念范畴。对尾水的研究在工业中进行得多，技术相对成熟。在工业上,尾水主要是指经过一定的污水处理后,各个工厂的出水,最为常见的是将工业尾水用作循环冷却水。尾水用于冷却水,顶替优质水资源,产生的经济效益最为明显。许多电业企业或工业企业建设的污水回用冷却水系统,一般投资回收期都在1~5年。工业尾水的发展现状为农田尾水的前景提供了很好保障,农田尾水具有可行性研究价值,同时,它的处理将会为水体富营养化的研究开拓更深层次的研究领域,对农业面源污染提供可靠的参考价值。农田尾水是指经过灌溉或降雨后,从田间流出的地表径流水。根据国家颁布的地表水环境质量标准,适于农业用水区的Ⅴ类水要求总氮≤2.0mg·L-1,总磷≤0.4mg·L-1,而适于集中式生活饮用水的Ⅲ类水要求总氮≤1.0mg·L-1,总磷≤0.2mg·L-1(GB3838—2002)。经实验研究表明,巢湖流域大部分农田尾水中氮含量比较高,磷含量相对较低,有相当一部分尾水中氮含量均值高达11.12mg·L-1,小部分尾水磷含量达到0.20mg·L-1以上。由于巢湖流域农田尾水的长期无管理排放而引起的环境问题日趋严重,不容忽视。主要问题为农田径流水带走农田所施肥料中的氮、磷,随着大量雨水的冲刷产生地表径流,流入巢湖,引起水体富营养化,造成水体污染,破坏水生生物生物链。1农田尾水生态处理技术研究就目前的研究发现,尾水处理技术主要通过深度处理、尾水资源化可利用、尾水专道排放等方面进行。经过多年来对尾水处理工程投资估算和环境经济效益的分析,建立尾水通道以及引入生态拦截和人工湿地等土地处理系统进行农田尾水生态处理,不仅可以提高国民经济,促进农产品质和量的提高,更能形成环保意识,达到保护环境的目的。就我国目前农田尾水研究领域而言,涉及不多,主要局限在工业方面。本省在这一方面的技术也尚未成熟。陈荷生曾提到太湖流域非点源污染主要来源于农田尾水、畜禽与水产养殖、城镇生活污水、水域底泥释放、水生生物腐败释放、农村固体垃圾和农业副产品污染等。国内外的研究及实践表明,以土壤或水生植物为基础的污水土地处理系统是较理想的尾水处理技术。土地处理系统具有工艺简便、操作管理方便、建设投资少、运转成本低且净化效果良好等特点。2水质、水污染巢湖是我国的五大淡水湖之一,占安徽省国土面积的9.7%。它是合肥市、巢湖市乃至整个安徽省的居民主要饮用水源,它的水质好坏与人民的生活息息相关。20世纪50年代前,巢湖是水质良好、生物多样性丰富的大型天然湖泊,之后由于人类人口的激增、人类活动的逐渐频繁以及跳跃式的经济发展,使得巢湖整个水体生态环境改变;到20世纪80年代,湖水水质已超出Ⅲ类水标准;至20世纪90年代,湖泊富营养化进一步加剧,甚至出现全湖水质劣V类的严重状况,氮、磷浓度均已超标。巢湖的水污染主要来自工业废水、生活污水以及农田尾水。其中传统式的农业生产方式是造成巢湖流域农田土肥流失的根本原因。该流域平均年降水量为1031.6mm,形成地表径流250~280mm,产水22.9亿m3,这是土壤侵蚀、沿湖岸线崩坍的主要原因,由此产生的含有高浓度的氮磷大量径流水成为农田尾水,流入巢湖,造成水体富营养化。3巢湖盆地农业区尾氮磷资源主要来源农田尾水其本质上是可循环利用的水,对水体造成危害主要是其本身含有的高浓度的氮磷元素。3.1农田尾水中各养分含量高现今市场上销售的化肥中富含氮磷,而作物生长又大量需要这2种元素,由于缺乏环境保护意识,盲目追求高产,绝大多数农民遵循宁滥勿缺的原则,过量使用化肥,而植物体本身对于氮磷的吸收具有一定的限度,从而造成大部分的氮磷未被有效利用,在土壤中形成氮磷元素的富集。据调查一些地方施氮量高达3300kg·hm-2,超过作物需求量的数倍,在蔬菜生产上,全年2~3季共施氮600~1300kg·hm-2是常见的。这样大量的投入,而氮支出仅为21%~36%,磷的当季利用率一般为10%~25%。同时农药的过度使用也是造成农田尾水中氮磷浓度升高的重要原因之一。据调查研究表明,大多数农户采用手动机械施药,跑、冒、滴、漏现象严重,导致大部分药液洒落于土壤表面,残留在土壤中;农药瓶(袋)弃置于沟渠边、池塘旁被雨水冲洗,进入农田或水域,造成水体污染。然而农药中有机磷浓度比重过大,未被作物吸收利用的磷元素都会随着雨水的冲刷成为农田尾水的一部分,加重了水体中氮磷的比重。3.2减少了对于固氮的来源由于巢湖流域人多地少,湖泊附近的大部分堤岸已被开垦为农田,且植物覆盖密度不高,导致径流水直接流入巢湖而没有缓冲带,使大量的氮磷直接流入巢湖中。农业种植基本属于稻油轮作,其他轮作方式基本没有。与豆科植物互利共生的固氮菌可以固氮,这是一种采用生物技术的固氮方式,然而在巢湖流域与豆科植物间作的方式几乎没有,因此这也是造成肥料流失的原因之一。豆科作物所固定的氮不仅可以被自身所吸收利用,同时通过根系分泌物或是氮循环系统被与其间作的作物吸收。在正常情况,可以维持一个小生物圈的氮平衡,保持氮的平衡,这样不仅能够充分利用豆科作物的固氮优势,更能有效提高肥料的利用率。同时若沿途设置生态拦截带,采取相应的治理措施,避免农田尾水未经任何处理流入巢湖,则流入巢湖的径流水中所含的氮磷浓度将会大幅下降。3.3流入湖的流域,总磷排放量高巢湖流域平均年降水量为1031.6mm,属于湿润地区,农田已有充足的地下水储备,然而农民沿用的灌溉方式仍是传统的大水漫灌方法。当农民灌溉量过大时将直接形成径流水流出农田,带走大量的农田肥料。实验表明,在非点源入湖的总量上流域内河道流入的总磷占68.5%,总氮占76.9%,其他是直接流入巢湖的。对点源和面源入湖的营养盐比重进行了深入的分析对比得出,氮磷的面源入湖总量分别占全湖输入量的74%和68%。由此可见,从全湖来看面源是巢湖氮磷负荷的主要来源。因此,灌溉对氮磷流失的影响至关重要,要防止过多的氮磷流失,必须掌握相应的灌溉技术,因地制宜,熟悉不同作物在不同生长发育阶段对水肥不同的需求量,在一定程度上达到作物最大利用水肥的目的。4农田尾水治理研究。农田尾水采用生态拦截和人工湿地的治理方法,国内农田尾水治理方案。国内城市农田根据巢湖流域当地的实际情况以及农田尾水的治理要求,兼顾实际种植水平,充分利用当地的林草等植物资源,引入生态拦截和人工湿地的治理措施对巢湖流域的农田尾水进行研究与治理。经过多年来对尾水处理工程投资估算和环境经济效益的分析,建立尾水通道以及引入生态拦截和人工湿地等土地处理系统进行农田尾水生态处理,不仅可以提高国民经济,促进农产品质和量的提高,更能形成环保意识,达到保护环境的目的。4.1养老保险,科学施肥过量施肥、使用农药是导致巢湖流域农田尾水氮磷含量增多的直接原因。抓好量的使用度,能使控制农田尾水中氮磷含量的效果立竿见影。巢湖流域是一个以农业生产为主要生产方式的地域,由于相关农业知识产权投入有限,导致农田肥料的发展速度受限。农民使用的肥料基本属于传统型肥料,对于新型肥料的了解微乎其微。因此,在实际操作过程中应经济有效合理使用化肥,适当引入新一代的高科技技术,加大环保型肥料的使用,例如使用测土配方施肥、缓释肥、控释肥等。严格控制农药的使用量,把关农药质量,防止伪劣产品的使用,并积极宣传做好施肥药后田间的清理工作。同时实行行之有效的化肥、农药的减控计划,发挥当地资源优势,优化资源利用。大力推广标准化生产技术,广泛推广应用间作套种、农牧结合、庭院立体开发等模式及其技术,促进各个环节的和谐发展。一旦化肥、农药的使用量得到控制,那么氮磷的流失量也将会随之减少,使得农田尾水中的氮磷在源头得到量上的控制,达到减排的效果。4.2污水土地处理系统杨林章等针对太湖流域农业面源污染进行的生态拦截型沟渠系统的实验表明,沟渠系统对农田径流中总氮、总磷的去除效果分别达到48.36%和40.53%。国内外的研究及实践表明,以土壤或水生植物为基础的污水土地处理系统是较理想的尾水处理技术。土地处理系统具有工艺简便、操作管理方便、建设投资少、运转成本低且净化效果良好等特点,结合巢湖流域当地的种植水平,选择水生植物净化农田尾水是最为经济实际的有效途径。研究结果表明,空心菜、酸模、莎草3种植物都能很好地吸收尾水中的营养物质,且生长状况良好。因此,可适当在沟渠旁边留部分田地进行以上几种作物的栽种,可以带来诸多经济效益。同时沟渠生态拦截带的建立可兼顾畜禽养殖业的发展。农田尾水中氮磷含量丰富,沿途沟渠杂草比较茂盛,在农田之间可适当圈养一些家禽,如鸡、鸭、鹅等,同时畜禽粪便也为农田带来养分,二者相辅相成,形成一个简单的循环体系。4.3人工湿地生态工程系统人工湿地是20世纪70年代发展起来的一种污水处理技术。具有投资少、操作简单、环境经济效益好等特点。1953年,德国的Seidel博士在研究中发现芦苇能去除大量有机和无机物。进入20世纪60年代,这些实验是从观察开始推广至许多大规模实验,掀起人工湿地研究热潮。Seidel与Kickuth合作于1972年提出根区理论,20世纪80年代人工湿地系统由试验阶段进入应用阶段,相继德国、丹麦、奥地利、比利时、荷兰等国家建立了大量的芦苇床系统,主要用于小城镇的污水处理。目前表面流湿地是北美主要处理湿地,如美国有600多处人工湿地工程用于处理市政、工业和农业废水;欧洲、澳大利亚较多采用的是潜流人工湿地工艺,丹麦、德国、英国每个国家都至少有200个系统在运行。湿地生态系统对于流域的水源调蓄、气候调节、水质净化、物种保存、野生动植物栖息地等以及对社会经济发展具有重要作用。各国对人工湿地生态工程系统治理农田带来的面源污染开展了诸多研究,人工湿地作为农田和水体之间的过渡带,通过土壤吸附、植物吸收、生物降解等作用,降低进入地表水的氮磷化合物含量。根据Peterjohn和Correll的研究结果,50m宽的沿岸植被缓冲带能减少进入地表水89%的氮和80%的磷。巴西的Engenho湿地对磷酸盐、硝酸盐和氨的去除率分别达到93%、78%和50%。由此可知,人工生态系统在治理面源污染上有较好的效果,适宜在巢湖地区发展。湿地生态系统中的植物对水体的净化起着重要的作用,因此人工湿地中应选择去污力强、生命力强、有一定的经济价值的植物,目前我国较有应用价值的水生植物主要有香根草、芦苇、茭白等。水体中选择培育去氮磷能力强的浮游生物,同时还可考虑水产养殖业,在湿地中可适当投入体积较小的鱼、虾、泥鳅等进行养殖。结合畜禽养殖业形成一个完整的食物链,为巢湖流域的尾水治理提供一个完整的经济系统。因此,开展对农田减量化施肥和优化施肥、农田生态拦截以及人工湿地的研究,不仅可以充分利用林草资源,确保巢湖流域周边的环境质量和持续性发展,保护及恢复