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农业面源污染防控与水环境保护“lol下注”
时间:2021-04-06 11:47 点击次数:
地表水体(如河流、湖泊和海洋)的污染来源分成两种:点源和面源污染。点源污染由于其废气时间、地点和成分基本未知,不易被监测到。随着公众意识和监管力度的提升,点源污染于是以逐步获得全面掌控,面源污染于是以沦为地表水体污染的最重要污染源,是当前全球面对的主要环境问题之一。过量氮(N)、磷(P)等面源污染物转入地表水体,正是导致我国诸多湖泊、水库和海湾富营养化和危害藻类“水华”愈演愈烈的最重要原因之一,严重威胁我国水环境安全性。面源污染按照来源的有所不同,可细化为农业面源污染和城市面源污染。随着城市污水搜集管道和雨污分流工程的建设,城市面源污染于是以逐步获得解决问题。比较城市地区,农业面源污染不但多年来仍然是我国“三河三湖”污染的主要污染源,也渐沦为农村地表水体污染的主要贡献者,严重威胁全国人民的饮水安全性。据2010 年《第一次全国污染源普查公报》结果显示,农业污染源是导致我国水环境污染的“大户”,其化学需氧量(COD)、总氮(TN)和总磷(TP)废气分别占到地表水体污染总负荷的43.7%、57.2% 和67.4%(图1)。图1 农业源废气的污染物(COD、TN和TP)负荷与地表水体污染总负荷的对比可见,农业面源污染早已沦为当前地表水体污染的主要来源。全球每年用作粮食生产的1.2 亿吨氮中,只有 10%被人类必要消费,大部分并未用于的氮则被集中到普遍的环境中,最后南流地表水体,沦为主要的面源污染源。农业则是造成过量养分废气到水体中的最主要驱动因素。研究指出,太湖大约 58%和40% 比例的总氮和总磷来自于农业产生的面源污染。

农业面源污染防控与水环境保护

为了避免农业污染问题,我国政府明确提出,2020 年中国将构成“环境友好型、资源节约型”的两型农业。因此,迫切需要积极开展农业面源污染源防控工作。本文分析了我国农业面源污染产生的原因和特征,概括了当前主流的农业面源污染控制措施和策略,并针对当前农业面源污染掌控还不存在的问题明确提出了研究未来发展。1 农业面源污染特征及其构成原因1.1 农业面源污染的特征农业面源污染一般来说产生在辽阔的领域,无法跟踪其明确的来源,产生时间和污染物的浓度。废气时间、频率和构成的不确认,被称作农业面源污染的“三大不确定性”特征,这很大地减少了面源污染防控的可玩性。(1)来源的广泛性和复杂性。农业面源污染的来源普遍,还包括化肥、农药萎缩和渗水、农村地表径流、处理方式的生活污水的废气以及暴雨造成的初期生活污水的漫流、畜禽养殖以及渔场养殖废水的废气和水土流失等都是农业面源污染的来源。(2)废气过程中的不确定性和不能计量。农业面源污染的废气过程具备显著的不确定性,并且无法分析。化肥和农药的使用量具备显著的个体差异性,污水的排放量的多少也是随机再次发生。此外,由于降水的不确定性,造成农业面源污染在时间和空间上的不确定性和随机性。(3)污染水体规模大且管理可玩性大。由于农业面源污染来源和废气过程中的不确定性,大量的污染源通过地表径流或者地下径流转入江河湖泊,进而构成规模大且浓度较低(TN 浓度10 mgL-1,TP浓度2 mgL-1)的江河湖泊污染,这种规模大而且浓度较低的特征造成了农业面源污染管理的可玩性更大。综上所述,农业面源污染物的构成与发展牵涉到污染物的运输与转化成。在集约化农田,土壤和水中的养分浓度比地表水低很多,这种浓度梯度加快了养分从土壤向地表水蔓延、运送,造成农业面源污染负荷向以备地表水体迁入。1.2 农业面源污染构成的原因与特征随着社会和经济的大大发展,农村的产业结构和生活方式也大大发生变化。因此,还包括农业生产和农村居民来源在内的面源污染源排放量大大减少,地表水受到相当严重污染。农业面源污染的构成和产生高度依赖气象条件,例如降雨,并且一般来说是间歇性的而不是连续性的降雨。一般来说,在发展中国家,还包括农田、畜禽、水产养殖、农村径流和分散式生活污水在内的农业源是导致面源污染的主要原因。此外,在山区,不必要的土地利用和随之而来的水土流失也不会导致农业面源污染。(1)农药化肥的萎缩。在20 世纪50 年代绿色革命愈演愈烈之后,无机肥料、有机肥料和农药的投放很快减少,沦为全球和中国取得作物的高产量和间接提升畜牧生产的主要手段。随之而来的结果是,农业面源污染物废气强度和频率也适当的大幅度减少。中国是世界上仅次于的制备氮肥用户,然而,这种以农业化学为基础的集约化农业是农业面源污染的主要贡献者,也是最重要的温室气体甲烷(CH4)和一氧化二氮(N2O)贡献者。N2O通过大气下陷或随降雨,以气体的面源污染形式转入地表水体。中国农业部的一项调查表明,稻田的氮素利用率为30%―35%,而磷利用率则仅有为10%―20%。全球范围内,养分利用效率广泛低落,造成农田径流中TN、TP 排放量广泛减少。农田中这些养分的获释已沦为农业面源污染的主要来源。(2)畜禽和水产养殖。畜禽和水产养殖过程中的残饵以及产生的排泄物等,也是农业面源污染物的主要类型。畜禽粪便萎缩早已沦为污染大户,我国的规模养殖中有2/3 仍缺少防污设施,每年产生的大约38 亿吨畜禽粪便,其处lol下注理率将近50%,其中总量的1/4 转入水体。有关报导指出,在湖泊中的残饵污染占到投饵量的10%―40%,COD 废气超过了大约500 万吨,相似生活污水COD 排放量。集约化畜禽养殖场产生的废弃物实质与农户散养的畜禽生产的粪便一样是一种资源,但目前我国还没很好地加以利用,以致“资源”变为了农业污染的“罪魁祸首”。(3)土地利用失当。在山区,不合理的土地利用造成的土壤侵蚀是导致农业面源污染的另一个主要原因,因为营养物质可随萎缩的土壤迁入转入下游水体。传统的顺坡耕种、陡坡耕作、复种等栽种效率高,更加不易激化土壤侵蚀。而土壤侵蚀是规模仅次于、危害程度最相当严重的一种农业面源污染,它在损失土壤表层有机质层的同时,许多营养及其他污染物转入水体构成相当严重的农业面源污染。吴永红等认为,滇池流域内7.7%的氮污染负荷源于于山地水土流失,29.7%的磷污染负荷也由水土流失导致,水土流失是滇池农业面源污染的主要形式之一。三峡库区是典型的山地土地类型,也是我国典型的水土流失重灾区,降雨量集中于期(每年4―10 月),三峡片区各子流域的农业面源污染负荷强度展现出出有很强的空间差异性,且农业面源污染负荷的时空产于与年降水量和人类活动呈现出显著的于是以涉及。(4)农村径流和分散式生活污水的废气。不受传统生活习惯影响,我国农村生活以一家一户一院的形式居多。农村污水还包括农村生活污水(如粪尿水、洗衣水、厨房水等)和农村生产废水(由散户畜禽养殖、小作坊等废气)。农村生活污水和生产废水予以处置的必要废气也是引起农业面源污染的主要原因。我国农村居住于人口众多,其中农村人口占到全国人口的50.32%。由于缺少管理和规划,大部分农村地区没污水搜集和处置系统,也没垃圾搜集和处置系统,这种分散式的生活污水或垃圾渗滤液必要转入河流和农田生态系统中,不致构成大规模和低浓度的面源污染负荷。2 农业面源污染的控制策略目前,国内外积极开展了大量的有关农业面源污染防控的研究,研发了不少行之有效的技术,其中部分技术还创建了样板工程,如节水灌溉、保护性耕作和生态沟渠。但是,这些更好是注目技术层面的防控,缺少系统和全面的掌控体系;更好的只是注目对农业生态系统局部或某个要素的修复或完备,而缺少对整个农业生态系统功能的完全恢复与优化。事实上,农业生态系统的各种物质循环,如水分和养分,以及各个生态要素之间是相互作用的。因此,要保持和提升农业生态系统内在消纳农业面源污染的能力,必须从生态系统的全局抵达,建构一个生态系统要素与物质互相交换、能流与物流同步、信息流交换的综合防控策略。基于此,笔者根据面源污染的构成和发展过程于2011年明确提出了农业面源污染控制工程的“减源(Reduce)―截击(Retain)―修缮(Restoration)”(3R)策略与实践中方案,即在农业面源污染控制工程建设过程中,以构建农业环境保护、农业经济可持续发展与农村人居环境人与自然发展为目标,从污染物产生的源头积极开展污染物的减量化工程(减源),在污染物迁入过程中积极开展污染物的截击与切断工程(截击),并对面源污染物展开深度的处置与再行净化,在此基础上对农业生态系统展开环保修缮(修缮),构建农业生态系统自我修缮功能的提升和系统的稳态切换。基于循环经济理论与全球资源战略的拒绝,笔者对3R 策略。展开了发展和升华,构成了另外一种更加高级的农业面源污染控制工程指导模式――“源头保护环境(Reduce)―过程切断(Retain)―养分再行利用(Reuse)―生态修缮(Restore)”(4R)策略,构成了还包括源头保护环境、过程切断、养分再行利用和生态修缮防控面源污染的综合性策略(图 2)。图2 防控农业面源污染的 4R 策略框架基于4R 策略布局的技术产于在各节点上,使节点技术在流程上交会、时空上覆盖面积,构成区域构建技术体系,其特点有全过程、全空间覆盖面积,氮排放量与资源利用融合,农业发展与环境保护双赢。

农业面源污染防控与水环境保护

4R 策略详述如下:(1)源头保护环境。类似于点源污染掌控,增加来源是农业面源污染掌控的关键和最有效地的策略。由于养分利用效率较低且肥料投放过量,必要造成了农田中氮和磷的过度废气。因此,减少源头的策略主要还包括优化养分和水分管理过程,增加肥料的投放,提升养分利用效率,以及实行节水灌溉和径流掌控。(2)过程切断。过程控制技术还包括生态沟渠、缓冲带、生态池塘和人工湿地。一般来说,生态沟渠是农业领域最有效地的营养保有技术之一。在生态沟渠中,灌溉中的氮、磷等营养物质可以通过沟渠中的生物展开有效地的截击、导电、同化和鼓吹硝化等多种方式除去,并已在我国太湖地区获得广泛应用。此外,使用保护性耕作、免耕和生态隔离带等措施也是截击农业面源污染的最重要措施。(3)养分再行利用。养分再行利用将面源污水中的氮、磷等营养物再次转入农作物生产系统,为农作物获取营养,超过循环再行利用的目的。对于畜禽粪便和农作物秸秆中的氮、磷养分,可通过必要还田,或养殖废水和沼液在经过预处理后展开还田。对于农村生活污水、农田灌溉及富营养化河水中的氮、磷养分,可通过稻田湿地系统对其消纳净化和回用。研究结果表明,在水稻拔节期和灌浆期,稻田人工湿地对低污染水中氮、磷的净化效率分别超过了75%―81%、82%―96%。(4)水生生态系统修缮。这里的水生生态系统所指的是农业区内的污水路径,如运河、沟渠、池塘和溪流,而不是最后的目的地水域,如湖泊和水库。尽管在运输过程中采行了有效地措施增加化肥投放和掌控污染物输入,但仍有大量的有机质和氮、磷等污染物将不可避免地被释放出。因此,必须对这些面源污水的输移路径展开水生生态修缮,以提升其自净能力。迄今为止,早已研发并广泛应用了生态浮床、生态潜水坝、河岸湿地和沉水植物等多种修缮技术。3 不存在问题与未来发展自20 世纪80 年代对农业面源污染问题开始注目至今的30 多年间,我国通过多年的自律研发和糅合国外的成功经验,目前早已构成了面向农业面源污染掌控,农村生活污水管理,农业废弃物、畜禽粪便和生活垃圾处理,以及塘、浜和小河等小水体修缮等一系列甚有效益的技术。这些技术及适当的工程建设在缩减农业面源污染负荷和提高生态环境皆起着了较好的效果。但是,这些技术多针对lol电竞下注污染物再次发生和迁入的某一个环节或者某一个子系统,所创建的污染控制工程比较孤立无援,尽管对污染物浓度的掌控已获得了一定的效益,但由于污染总量大,处置后尾水中的污染负荷仍然相当可观,不仅导致污染物中氮、磷等养分资源的浪费,而且下游水体水质的提高效果不大。与西方国家和日本以保护性耕作居多,复种指数较低,面源污染防治多以壮烈牺牲农业生产产量或中小企业发展为代价来超过维护小区域环境的目的有所不同,我国人多地少,粮食安全问题引人注目,耕地集约化程度低,待提高水环境面积大且水系繁杂,这要求了我国农业面源污染防控不有可能像西方和日本一样,使用某一或几项高效技术,利用大量闲置土地来展开湿地或隔离带工程建设来构建污染物缩减,也不有可能在短期内构建高密度、高频次污染物自动检测;某种程度,由于农业发展还没有超过一定的规模化,农业生产也没有严苛的技术规程或标准,也很难在短时间内已完成涉及环境法律。因此,我国农业面源污染掌控需回头大区域联控之路,即不仅要集成度低,而且从点到面、从线性到空间的全过程、仅有区域的覆盖面积。“十五”至“十二五”期间,基于区域污染物联控思路,我国已构成了“源头保护环境(Reduce)―过程切断(Retain)―养分再行利用(Reuse)―生态修缮(Restore)”的4R 策略。迄今为止,针对上述各农业面源污染防控四个过程的技术研究颇多,技术储备也非常可观,适当的工程运营也获得一定效益。但针对有所不同区域农业面源污染特征,如何更进一步了解考古技术优势,合理布局基于4R 策略的技术体系,最大化提升各个过程的技术集成度,构建防控工程的时空交会、区域污染物负荷的明显缩减和区域水质的整体提高仍是农业面源污染掌控亟待解决的难题之一。此外,如何减缓构建农业面源防控技术设备化、产品化以及农业面源防控管理与长效运营确保机制建设,使农业面源防控工程确实地推广应用到普遍农业生产实践也是亟待解决的最重要问题。融合笔者多年从业经验,指出以下3 个方面的研究亟需强化。3.1 深化基础研究,密码污染构成机制农业面源污染产生的实质,只不过就是养分或污染物从“土相”向“水相”的运移,本质就是养分或污染物在土-水界面的迁入转化成不道德。因此,必须增强土-水界面间的污染物生物地球化学循环研究。然而,传统土-水界面的生物地球化学循环研究,忽略了土壤表层(特别是在是稻田土壤表层)上的微生物聚集体的不存在,这种微生物聚集体水生生物学上被定义为周丛生物或大自然生物膜,可通过同化、吸取、导电、硝化、反硝化、水解和水解等过程影响氮、磷、有机物等的转化成和运移过程,进而影响农业面源污染构成、再次发生和发展。可见,为精准理解养分或污染物在土-水界面的不道德及其对农业面源污染产生和废气的影响,必须增强周丛生物参予下的土-水界面间的污染物生物地球化学循环研究。虽然现有的农业面源污染负荷监测、仿真或定量评估方法给科学研究和职能管理部门获取了一定的协助,但是从现有方法或措施“勘测”出有的污染负荷及其产于看,并无法有效地协助农业面源污染防控工程的建设,造成不少工程项目“事倍功半”或意味着逗留在样板工程的阶段。这主要是因为无论现在的原位监测、模型预测,还是在线监测,都是基于“未知”废气点而积极开展的工作。换句话说,这些工作的基础指出农业面源污染的产生和废气与点源污染的完全一致,这才是与农业面源污染的“三个不确定性”互为对立,因此,建议今后在农业面源污染负荷监测与评估方面研究,必须谋求新的研究方法,密码农业面源污染构成的机制。从农业面源污染的实质――养分或污染物在土-水界面间的迁入转化成过程抵达,有可能是一个有一点探寻的方向。3.2 增强生态系统服务功能,增进全过程防控现有面源污染防控技术仅有注目源头保护环境或过程切断,缺乏从“土相”“水相”和“生物互为”等多层面说明了污染物的生物地球化学循环过程,也缺乏从生态系统的层面上展开调控,忽视了生态系统自身的调控功能与机制,制约着农业面源污染防控措施的有效地实行(图 3)。生态系统自身具备调控功能,农业生态系统也不值得注意。在农业生态系统内部,可通过优化土地利用格局来构建面源污水的回用,提升氮、磷等营养盐的利用率,切断污染物的迁入过程,故应当充分利用农业生态系统自身的调控功能来增加面源污染物的输入与废气。图3 农业面源污染防控: 从掌控到生态系统服务构建当然,优化生态系统服务功能,并不是非常简单地在掌控区内机械地展开植被完全恢复,还可从以下3 个方面应从:① 研究基于区域污染物总量缩减的农业用地格局的空间优化配备,各利用方式之间的空间交会技术,有效地切断污染物的空间隔离带上技术;② 研究合理的种植制度或轮作方式,优化“栽种―养殖―加工”链中养分的循环模式与再行利用技术;③探寻集约化农田的灌溉方式,创建能逐层缩减污染物的沟-渠-塘结构与工艺,缩短污染物在沟-渠-塘中的停留时间,提升水解能力,构建农业生态系统的稳态转化成和自净能力提高,增进污染物的区域联控。3.3 强化技术的物化研究,推展技术应用于当前农业面源污染防控主要由政府管理部门分担,还包括项目立项、继续执行以及竣工验收等过程,都是政府部门的主要职责。不利之处在于,经费有确保,便于协商各方面的关系,但是也容许了市场起到的充分发挥,使得农业面源污染防控仍局限在政府登录的区域内。随着2017 年中共中央办公厅、国务院办公厅《关于引领农村土地经营权有序光阴发展农业有助于规模经营的意见》授予,农村将有大片的土地展开集中式管理,农业面源污染防控将是各个总承包业主的责任,政府管理部门将意味着扮演着“考核者”的角色。这也意味著,农业面源污染技术必须转化成为物化产品,通过市场化的运作,推展管理技术的推广应用。此外,新型环境材料的研发,污染物掌控产品与设备研发,废弃物资源化产品与设备研发,以及农业面源污染远程管理终端等也是未来亟须解决问题的问题。4 结语可以意识到,农业面源污染将要沦为我国地表水体污染的最重要来源,严重影响我国水生生态环境安全性,威胁着我国的饮用水安全性,最后威胁我国农业的可持续发展和粮食安全,给我国社会、经济发展带给诸多有利影响。因此,迫切需要改变思路,在现有防控策略的基础上,更进一步深化基础研究,探寻新的防控方向,更进一步增强污染防控的技术构建与区域联控,提高生态服务功能,更进一步强化技术的设备简化和装备化,打下面源污染管理的攻坚战,为我国农业的可持续发展和生态环境的提高获取技术支持。

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