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农业面源污染防控与水环境保护

时间:2018-03-06 10:51

来源:中国网

作者:杨林章、吴永红

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(4)农村径流和分散式生活污水的排放。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为主。农村污水包括农村生活污水(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、小作坊等排放)。农村生活污水和生产废水未经处理的直接排放也是引发农业面源污染的主要原因。我国农村居住人口众多,其中农村人口占全国人口的 50.32%[31]。由于缺乏管理和规划,大部分农村地区没有污水收集和处理系统,也没有垃圾收集和处理系统,这种分散式的生活污水或垃圾渗滤液直接进入河流和农田生态系统中,势必形成大规模和低浓度的面源污染负荷。

农业面源污染的控制策略

目前,国内外开展了大量的有关农业面源污染防控的研究,开发了不少行之有效的技术,其中部分技术还建立了示范工程,如节水灌溉、保护性耕作和生态沟渠。但是,这些更多是关注技术层面的防控,缺乏系统和全面的控制体系;更多的只是关注对农业生态系统局部或某个要素的修补或完善,而缺乏对整个农业生态系统功能的恢复与优化。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,要维持和提高农业生态系统内在消纳农业面源污染的能力,需要从生态系统的全局出发,构建一个生态系统要素与物质交换、能流与物流联动、信息流互换的综合防控策略。

基于此,笔者根据面源污染的形成和发展过程于2011年提出了农业面源污染控制工程的“减源(Reduce)—拦截(Retain)—修复(Restoration)”(3R)策略与实践方案,即在农业面源污染控制工程建设过程中,以实现农业环境保护、农业经济可持续发展与农村人居环境和谐发展为目标,从污染物产生的源头开展污染物的减量化工程(减源),在污染物迁移过程中开展污染物的拦截与阻断工程(拦截),并对面源污染物进行深度的处理与再净化,在此基础上对农业生态系统进行环保修复(修复),实现农业生态系统自我修复功能的提高和系统的稳态转换。

基于循环经济理论与全球资源战略的要求,笔者对 3R 策略。进行了发展和升华,形成了另外一种更高级的农业面源污染控制工程指导模式——“源头减量(Reduce)—过程阻断(Retain)—养分再利用(Reuse)—生态修复(Restore)”(4R)策略,形成了包括源头减量、过程阻断、养分再利用和生态修复防控面源污染的综合性策略(图 2)。



基于 4R 策略布局的技术分布在各节点上,使节点技术在流程上衔接、时空上覆盖,形成区域集成技术体系,其特点有全过程、全空间覆盖,氮减排与资源利用结合,农业发展与环境保护双赢。4R 策略详述如下:

(1)源头减量。类似于点源污染控制,减少来源是农业面源污染控制的关键和最有效的策略[33]。由于养分利用效率低且肥料投入过量,直接导致了农田中氮和磷的过度排放。因此,降低源头的策略主要包括优化养分和水分管理过程,减少肥料的投入,提高养分利用效率,以及实施节水灌溉和径流控制。

(2)过程阻断。过程控制技术包括生态沟渠、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的营养保留技术之一。在生态沟渠中,排水中的氮、磷等营养物质可以通过沟渠中的生物进行有效的拦截、吸附、同化和反硝化等多种方式去除,并已在我国太湖地区得到广泛应用。此外,采用保护性耕作、免耕和生态隔离带等措施也是拦截农业面源污染的重要措施。

(3)养分再利用。养分再利用将面源污水中的氮、磷等营养物再度进入农作物生产系统,为农作物提供营养,达到循环再利用的目的。对于畜禽粪便和农作物秸秆中的氮、磷养分,可通过直接还田,或养殖废水和沼液在经过预处理后进行还田。对于农村生活污水、农田排水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、磷的净化效率分别达到了 75%—81%、82%—96%。

(4)水生生态系统修复。这里的水生生态系统指的是农业区内的污水路径,如运河、沟渠、池塘和溪流,而不是最终的目的地水域,如湖泊和水库。尽管在运输过程中采取了有效措施减少化肥投入和控制污染物输出,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来。因此,需要对这些面源污水的输移路径进行水生生态修复,以提高其自净能力。迄今为止,已经开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复技术。

存在问题与展望

自 20 世纪 80 年代对农业面源污染问题开始关注至今的 30 多年间,我国通过多年的自主研发和借鉴国外的成功经验,目前已经形成了面向农业面源污染控制,农村生活污水治理,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复等一系列颇有成效的技术。这些技术及相应的工程建设在削减农业面源污染负荷和改善生态环境均起到了较好的效果。

但是,这些技术多针对污染物发生和迁移的某一个环节或者某一个子系统,所建立的污染控制工程相对孤立,尽管对污染物浓度的控制已取得了一定的成效,但由于污染总量大,处理后尾水中的污染负荷依然可观,不仅造成污染物中氮、磷等养分资源的浪费,而且下游水体水质的改善效果甚微。与西方国家和日本以保护性耕作为主,复种指数低,面源污染防治多以牺牲农业生产产量或中小企业发展为代价来达到保护小区域环境的目的不同,我国人多地少,粮食安全问题突出,耕地集约化程度高,待改善水环境面积大且水系庞杂,这决定了我国农业面源污染防控不可能像西方和日本一样,采用某一或几项高效技术,利用大量闲置土地来进行湿地或隔离带工程建设来实现污染物削减,也不可能在短期内实现高密度、高频次污染物自动检测;同样,由于农业发展还没达到一定的规模化,农业生产也没严格的技术规程或标准,也很难在短时间内完成相关环境立法。

因此,我国农业面源污染控制须走大区域联控之路,即不仅要集成度高,而且从点到面、从线性到空间的全过程、全区域的覆盖。“十五”至“十二五”期间,基于区域污染物联控思路,我国已形成了“源头减量(Reduce)—过程阻断(Retain)—养分再利用(Reuse)—生态修复(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,技术储备也相当丰厚,相应的工程运行也取得一定成效。

编辑:徐冰冰

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