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【南京純水設(shè)備】面源污染, 亦即非點源污染(non-point source pollution), 是相對于排污點集中、排污途徑明確的點源污染而言的。農(nóng)業(yè)面源污染主要包括農(nóng)用化學(xué)品污染(化肥、農(nóng)藥等)、集約化養(yǎng)殖場污染、農(nóng)村生活污水污染等方面。

對于中國絕大多數(shù)流域, 如太湖、滇池流域等, 農(nóng)田徑流、畜禽場徑流以及城鄉(xiāng)結(jié)合部污水排放和垃圾堆放是造成面源污染的主要原因。據(jù)第一次全國污染源普查資料顯示, 在我國主要污染物排放量中, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)(含禽畜養(yǎng)殖業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)與種植業(yè))排放的COD、N、P 等主要污染物量, 已遠(yuǎn)超過工業(yè)與生活源, 成為污染源之首,其中COD 排放量占總量的46%以上, N、P 占50%以上。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中, 種植業(yè)的農(nóng)藥、化肥、地膜等農(nóng)用物資的不合理和過量使用, 在降水或灌溉過程中, 污染物通過農(nóng)田地表徑流、農(nóng)田排水和地下滲透進(jìn)入附近水體, 引起水體的污染已形成共識,由此導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)面源污染問題日益突出。南京純水設(shè)備

農(nóng)業(yè)面源污染正在成為水體污染、湖泊富營養(yǎng)化的主要原因, 已嚴(yán)重影響到我國的水環(huán)境質(zhì)量、生態(tài)環(huán)境健康, 制約了我國經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展。對農(nóng)業(yè)面源污染的控制不僅成為水污染治理的重中之重, 也逐步成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和社會可持續(xù)發(fā)展的重大課題。

1 農(nóng)業(yè)面源污染的成因及特點

農(nóng)業(yè)面源污染根本原因在于糧食安全壓力大,從而導(dǎo)致農(nóng)用化學(xué)品的過量使用。目前, 我國已經(jīng)成為世界上最大的化肥生產(chǎn)和消費國。施肥技術(shù)落后、肥料和灌溉水利用率低是導(dǎo)致氮素?fù)p失的主要原因。在東部發(fā)達(dá)農(nóng)區(qū)氮肥施用量較高, 施肥階段與作物需求脫節(jié), 易于導(dǎo)致較高的N 損失。同時, 過量的灌溉也容易引起營養(yǎng)元素的流失,進(jìn)而加劇對水環(huán)境的威脅。如我國的蘇南地區(qū), 年均施純氮600~675 kg˙hm?2, 而其利用率平均為20%~25%。

肥料養(yǎng)分施用比例失調(diào), 偏施、重施單一化肥,N 的比重過大, N、P、K 養(yǎng)分的比例不協(xié)調(diào), 限制了N 利用率的提高; 另一方面, 化肥施用比例過高, 有機(jī)肥比重較少,導(dǎo)致土壤物理性狀變差、團(tuán)粒結(jié)構(gòu)遭到破壞、土塊板結(jié)、保水保肥能力降低, 從而加大了養(yǎng)分的地表徑流, 養(yǎng)分流失加劇。南京實驗室純水設(shè)備

城鎮(zhèn)化發(fā)展、地面硬化程度的提高, 加速了面源污染物質(zhì)的擴(kuò)散和遷移。鎮(zhèn)、村居民點地表徑流也已成為水環(huán)境污染或水體富營養(yǎng)化的重要來源。此外, 集約化養(yǎng)殖發(fā)展迅速, 廢棄物處理率低下,以及農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣滯后, 公眾缺乏環(huán)境意識, 也是農(nóng)業(yè)面源污染日趨嚴(yán)重的重要因素之一。

農(nóng)業(yè)面源污染具有分散、隨機(jī)、難監(jiān)測等特點。面源污染主要以擴(kuò)散的方式發(fā)生,一般與氣象事件的發(fā)生有關(guān), 加之流域內(nèi)土地利用狀況、地形地貌、水文特征、氣候、土壤類型等的不同, 導(dǎo)致面源污染時空分布的不均一性。此外, 由于降雨、水文條件變化的隨機(jī)性, 直接影響了面源污染發(fā)生的時間、區(qū)域及強(qiáng)度, 致使面源污染的發(fā)生也具有隨機(jī)的特點。而面源污染的分散、隨機(jī)發(fā)生, 致使人們無法在發(fā)生之處進(jìn)行及時監(jiān)測, 真正的污染源頭難以跟蹤, 即面源污染具有發(fā)生時間、發(fā)生源、污染物濃度3個不確定性因素, 這給面源污染的治理帶來了較大難度。

2 農(nóng)業(yè)面源污染治理研究現(xiàn)狀

2.1 農(nóng)村生活污水治理技術(shù)

近 20 年來, 國外在農(nóng)業(yè)面源污染控制實踐中,農(nóng)村生活污水治理研究得到了較大發(fā)展。國內(nèi)在消化、吸收國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上, 對生活污水處理技術(shù)進(jìn)行了集成及創(chuàng)新, 尤其針對我國農(nóng)村分散式生活污水處理, 開展了技術(shù)研究與工程實踐, 取得了較好進(jìn)展。南京純水設(shè)備

人工濕地污水處理系統(tǒng)是一種研究較為廣泛的污水處理系統(tǒng)。它是在自然濕地基礎(chǔ)上發(fā)展起來的污水處理生態(tài)工程技術(shù), 利用自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)同作用來實現(xiàn)對污水的凈化。澳大利亞科學(xué)和工業(yè)研究組織(CSIRO)研制的“FILTER”污水處理系統(tǒng)則是一種“過濾、土地處理與暗管排水相結(jié)合的污水再利用系統(tǒng)”。其特點是過濾后的污水都匯集到地下暗管排水系統(tǒng)中, 并設(shè)有水泵, 可以控制排水暗管以上的地下水位以及處理后污水的排出量?！?span>FILTER”系統(tǒng)對生活污水的處理效果好, 其運行費用低, 特別適用于土地資源豐富、可以輪作休耕的地區(qū), 或是以種植牧草為主的地區(qū)。毛細(xì)管滲濾溝污水處理, 是一種基于土地的地下污水滲濾處理系統(tǒng), 它利用了自然凈化能力,是一種簡單、高效的小規(guī)模污水處理工藝, 特別適用于污水管網(wǎng)不完備的地區(qū), 是一項處理分散排放的污水的實用技術(shù)。

蚯蚓生態(tài)濾池處理系統(tǒng)是近年在法國和智利發(fā)展起來的一項針對農(nóng)村生活污水的處理技術(shù), 該工藝僅通過向土壤處理系統(tǒng)中接種蚯蚓, 改善生態(tài)濾池的處理環(huán)境, 提高污水處理效率, 適宜用于農(nóng)村生活污水處理。李軍狀等采用塔式蚯蚓生態(tài)濾池處理系統(tǒng)對集中型農(nóng)村生活污水進(jìn)行處理, 該系統(tǒng)對COD、NH4 -N、TN 和TP 的平均去除率分別為86.7%、91.3%、72.4%和96.2%。不過, 如何長期保持蚯蚓良好的活性, 是該技術(shù)面臨的一個重要問題。另外, 對蚯蚓生態(tài)濾池處理系統(tǒng)的長期運行效果, 尚需檢驗。南京實驗室純水設(shè)備

穩(wěn)定塘處理系統(tǒng)是由美國加州大學(xué)伯克利分校的Oswald 提出的, 是一種利用天然凈化能力的生物處理構(gòu)筑物的總稱, 主要利用菌藻的共同作用處理廢水中的有機(jī)污染物。Babu 等的研究證明, 其建造的藻類穩(wěn)定塘的主要除N 機(jī)理是硝化?反硝化、藻類對N 的利用以及礦化作用。趙學(xué)敏等對滇池流域大清河生物穩(wěn)定塘系統(tǒng)中的水質(zhì)凈化效果進(jìn)行了分析, 結(jié)果表明, 生物穩(wěn)定塘系統(tǒng)對TN、TP、NH4 -N、BOD5 和COD 的去除率分別達(dá)29.29%、48.68%、33.68%、68.14%和71.25%。

生物膜處理技術(shù)是近幾十年來得到迅速發(fā)展的污水處理方法。生物膜法就是利用微生物分解功能,采取人工措施來創(chuàng)造更有利于微生物生長和繁殖的環(huán)境, 使微生物大量繁殖, 以提高對污水中有機(jī)物的氧化降解效率。吳迪等對改進(jìn)后的“一體化生物膜技術(shù)”處理農(nóng)村生活污水進(jìn)行了實際應(yīng)用, 監(jiān)測結(jié)果表明, 其對COD、BOD、NH4 -N、TN、TP 和SS平均去除率分別為75.6%、85.9%、86.7%、63.9%、69.3%和85.5%。吳永紅等系統(tǒng)研究了自然生物膜對于N、P 等營養(yǎng)元素的去除效果和機(jī)理。其N、P去除機(jī)理首先是生物膜利用沉積于膜上的有機(jī)物為營養(yǎng)物質(zhì), 將一部分物質(zhì)轉(zhuǎn)化為細(xì)胞物質(zhì),進(jìn)行生長繁殖, 成為生物膜中新的活性物質(zhì); 其次由于生物膜的蓬松的絮狀結(jié)構(gòu), 微孔多, 表面積大, 具有很強(qiáng)的吸附能力。

2.2 生活垃圾和農(nóng)業(yè)廢棄物處理技術(shù)

生活垃圾、農(nóng)作物秸稈、畜禽養(yǎng)殖廢棄物等是我國農(nóng)村主要的固體廢棄物, 實現(xiàn)農(nóng)村固體廢棄物的資源化是當(dāng)前農(nóng)村生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重要內(nèi)容。由于生活垃圾來源和成分復(fù)雜, 目前的主要處理方式以“村收集?鎮(zhèn)轉(zhuǎn)運?縣(市)集中處理”為主, 大部分被集中填埋或焚燒, 少部分與農(nóng)作物秸稈、畜禽養(yǎng)殖廢棄物等進(jìn)行堆肥化處理。高溫堆肥過程中如何減少N的損失是高溫堆肥要解決的關(guān)鍵技術(shù)。南京純水設(shè)備

農(nóng)作物秸稈是農(nóng)村主要的固體廢棄物, 目前其資源化率還比較低, 部分地區(qū)農(nóng)作物秸稈的焚燒已導(dǎo)致嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題, 尤其在我國的東部地區(qū)。目前, 農(nóng)作物秸稈的處理以還田為主, 包括部分還田或全量還田。隨著作物收獲機(jī)械的改進(jìn), 秸稈全量還田已成為主要還田方式。此外, 秸稈打捆收獲后用作能源、建筑材料、花卉盆缽等新型資源化方式也已形成一定的規(guī)模。

畜禽糞便是農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源, 已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)或水環(huán)境敏感地區(qū)優(yōu)先控制的污染源。在中國的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中, 畜禽糞便是優(yōu)質(zhì)的農(nóng)家肥, 不僅能提供農(nóng)作物生長所需的養(yǎng)分, 也能改善土壤物理化性質(zhì), 是中國農(nóng)業(yè)數(shù)千年持續(xù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。畜禽糞便資源化的主要途徑是農(nóng)肥化,固體部分經(jīng)發(fā)酵后生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥,再進(jìn)行還田以實現(xiàn)循環(huán)利用。液體部分目前主要處理方式包括厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣, 或直接進(jìn)入污水處理工程進(jìn)行凈化, 或與農(nóng)村的固體廢棄物如秸稈、生活垃圾等進(jìn)行聯(lián)合發(fā)酵。其中沼液的安全處置是當(dāng)前急需要解決的關(guān)鍵問題。

    2.3 農(nóng)業(yè)化學(xué)品減量化技術(shù)

2.3.1 化肥減量化技術(shù)

我國是世界上化肥施用量最多的國家, 肥料的平均利用率只有30%左右, 大多數(shù)養(yǎng)分隨徑流、滲漏和揮發(fā)等途徑損失掉了, 不僅浪費了資源, 而且加劇了水體富營養(yǎng)化。因此, 根據(jù)不同地區(qū)的實際情況研究減量施肥技術(shù)具有重大的意義。目前主要的化肥減量技術(shù)有以下幾種:

氮肥運籌優(yōu)化技術(shù): 在施氮量相等的情況下,合理調(diào)整基追肥的分配比例, 如太湖流域的稻田土壤, 基于目前常規(guī)施肥量, 將基肥施用量削減20%,可有效地協(xié)調(diào)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。Qiao等的研究證實, 在太湖地區(qū)水稻產(chǎn)區(qū)通過兩年連續(xù)試驗,消減50%的施氮量(相對于常規(guī)施氮量)并未顯著影響水稻產(chǎn)量。何傳龍等在巢湖地區(qū)根據(jù)蔬菜地養(yǎng)分供應(yīng)能力和甘藍(lán)的營養(yǎng)特性, 運用減量平衡施肥技術(shù), 使肥料施用量減少30%, N、P、K 肥利用率分別提高27.3%、23.4%和23.5%, N、P 淋失量分別減少90.0%、78.4%。但是此類研究一般局限于較短時間, 對于長期減量施肥對作物產(chǎn)量有何影響, 尚需進(jìn)一步探明。南京實驗室純水設(shè)備

種植制度優(yōu)化技術(shù): 比如稻麥輪作制中引入豆科綠肥, 既可降低旱季的施氮量, 又可補(bǔ)充稻季的氮素。在太湖地區(qū)進(jìn)行的水稻?紫云英輪作試驗結(jié)果表明, 冬季將小麥改為紫云英, 稻季不施用化學(xué)氮肥, 水稻產(chǎn)量可達(dá)到農(nóng)戶常規(guī)產(chǎn)量的95%左右, 如果補(bǔ)充農(nóng)戶施氮量的30%, 則可獲得與農(nóng)戶正常產(chǎn)量相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)量, 或略有增產(chǎn)。王靜等在滇池流域蔬菜產(chǎn)地的調(diào)查表明, 合理的輪作模式可減少蔬菜地N、P 的盈余量。

緩控釋等新型肥料技術(shù): 緩控釋肥料中養(yǎng)分的釋放與作物養(yǎng)分需求比較吻合, 養(yǎng)分的釋放供應(yīng)量前期不過多, 后期不缺乏, 具有“削峰填谷”的效果,可以大大降低向環(huán)境排放的風(fēng)險。田琳琳等在太湖流域大田蔬菜地的試驗結(jié)果表明, 在蔬菜生產(chǎn)中,“低量控釋肥 低量化肥”是兼具經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的施肥模式。但是目前緩控釋肥費用相對普通化肥較高, 限制了其廣泛使用。

施加土壤改良劑控制N、P 流失: 生物質(zhì)炭(bio)由于其良好的吸附性能、低廉的成本以及良好的生物親和性, 將其運用于農(nóng)田營養(yǎng)鹽釋放控制,受到研究人員的關(guān)注。Ding等在農(nóng)田表層20cm的土壤施加0.5%的生物質(zhì)炭, 可以減少15.2%的NH4 -N 損失量。姬紅利等以滇池設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤和坡耕地土壤為研究對象, 采用外源施用土壤改良劑(硫酸亞鐵、硫酸鋁和聚丙烯酰胺)和土壤消毒劑(五氯硝基苯)的辦法, 研究了土壤改良劑對土壤解吸過濾液中TP 和TDP濃度變化的影響。野外田間試驗表明: 施加改良劑后, 徑流雨水中TP 和TDP 值明顯降低, 上述土壤改良劑的施用對降低P流失具有明顯效果。但是其經(jīng)濟(jì)性與環(huán)境風(fēng)險如何尚待進(jìn)一步研究。南京純水設(shè)備

2.3.2 農(nóng)藥減量化與殘留控制技術(shù)

化學(xué)農(nóng)藥減量施用方面, 當(dāng)前主要發(fā)展趨勢是由化學(xué)農(nóng)藥防治逐漸轉(zhuǎn)向非化學(xué)防治技術(shù)或低污染的化學(xué)防治技術(shù)。近年來, 江蘇省多家單位聯(lián)合開展水稻化學(xué)農(nóng)藥污染控制技術(shù)研究, 針對水稻螟蟲、灰飛虱、條紋葉枯病與紋枯病等重大病蟲害, 研究開發(fā)了多項無公害關(guān)鍵技術(shù), 在水稻核心示范區(qū)減少了30%農(nóng)藥用量。盧仲良等選用高效低毒的三唑磷、丙溴磷、井岡霉素、噻嗪酮、毒死蜱等藥劑進(jìn)行施藥, 增產(chǎn)6.97%。在農(nóng)藥殘留生物降解方面,國內(nèi)外做了很多研究工作, 包括細(xì)菌、真菌、放線菌等各種降解農(nóng)藥的微生物菌株相繼被分離和鑒定,用以降解有機(jī)磷、有機(jī)氯和三嗪類除草劑、氨基甲酸酯類、擬除蟲菊酯類等多種農(nóng)藥。近年來伴隨著基因工程和分子生物學(xué)的發(fā)展, 構(gòu)建高效工程菌是當(dāng)前研究的熱點, 將高效降解農(nóng)藥酶的基因構(gòu)建到載體上, 經(jīng)轉(zhuǎn)化獲得工程菌, 以期提高具降解作用的特定蛋白或酶的表達(dá)水平, 從而提高降解活性。但是目前的研究仍然存在不足, 大多數(shù)研究以實驗室研究為主, 降解機(jī)理研究不夠深入, 中間產(chǎn)物難以檢測, 技術(shù)零散、集成度低、配套性差和展示度低等仍然是目前我國集約化農(nóng)田農(nóng)藥減量化與殘留控制需求中的突出問題。

2.4 污染物質(zhì)的生態(tài)攔截技術(shù)

農(nóng)業(yè)面源污染物質(zhì)大部分隨降雨徑流進(jìn)入水體,在其進(jìn)入水體前, 通過建立生物(生態(tài))攔截系統(tǒng), 有效阻斷徑流水中的N、P 等污染物進(jìn)入水環(huán)境, 是控制農(nóng)業(yè)面源污染物的重要技術(shù)手段。國外主要是設(shè)置寬廣的生物隔離帶來控制N、P 的徑流遷移, 如加拿大一種“草地?樹木過濾帶系統(tǒng)”, 可以顯著降低徑流的污染物含量。楊林章等結(jié)合太湖地區(qū)實際情況提出了生態(tài)攔截型溝渠系統(tǒng), 它主要由工程部分和植物部分組成,能減緩流速, 促進(jìn)流水?dāng)y帶顆粒物質(zhì)的沉淀, 有利于構(gòu)建植物對溝壁、水體和溝底中逸出養(yǎng)分的立體式吸收和攔截, 從而實現(xiàn)對農(nóng)田排出養(yǎng)分的控制。溝渠系統(tǒng)對農(nóng)田徑流中TN、TP的去除效果分別達(dá)到48.1%和40.2%。但是, 在生態(tài)溝渠的農(nóng)田規(guī)劃和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、兩側(cè)及岸邊植物品種篩選及空間配置技術(shù)、水生經(jīng)濟(jì)植物的品種篩選及空間配置技術(shù)、浮床植物的肥藥管理技術(shù)、浮床植物殘體的再利用技術(shù)以及植物的高效N、P利用機(jī)制等的研究還需要進(jìn)一步拓展和深化。南京實驗室純水設(shè)備

3 未來農(nóng)業(yè)面源污染治理的發(fā)展趨勢

3.1 系統(tǒng)控制與區(qū)域治理結(jié)合

面源污染已經(jīng)成為我國農(nóng)村的主要污染源, 也是導(dǎo)致河流、湖泊水體富營養(yǎng)化的重要污染源。如何有效地控制農(nóng)村的面源污染是消減河流污染負(fù)荷、減輕湖泊富營養(yǎng)化危害、改善河流湖泊水質(zhì)的重要前提。在過去單項技術(shù)突破的基礎(chǔ)上, 對面源污染實行系統(tǒng)控制, 實施面源污染的“源頭減量(reduce)—前置阻斷(retain)—循環(huán)利用(reuse)—生態(tài)修復(fù)(restore)”的“4R”技術(shù)體系, 從而達(dá)到全類型、全過程、全流域(區(qū)域)的控制, 是我國農(nóng)業(yè)面源污染治理的發(fā)展方向。

3.2 技術(shù)研發(fā)與工程示范結(jié)合

面源污染的治理是一個綜合性工程, 高效實用的面源污染治理技術(shù)是改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境的重要支撐, 尤其是開發(fā)適合我國農(nóng)村居住特色、高度集約化的生產(chǎn)方式的面源污染治理技術(shù)更加迫切。同時我國是一個資源短缺的國家, 而面源污染中主要污染物是N、P 等, 實現(xiàn)N、P 的循環(huán)利用, 不僅可以減少其對水環(huán)境的污染, 也可補(bǔ)充農(nóng)作物生產(chǎn)所需的養(yǎng)分, 實現(xiàn)污染治理與養(yǎng)分利用的雙贏。在技術(shù)突破的基礎(chǔ)上, 把技術(shù)轉(zhuǎn)化為治理工程是面源污染治理的重要保障。南京純水設(shè)備

3.3 面源污染控制與管理結(jié)合

農(nóng)業(yè)面源污染來源復(fù)雜, 涉及部門眾多, 與千家萬戶密切相關(guān)。要確保面源污染治理取得實效,必須建立農(nóng)村面源污染管理體系。包括農(nóng)村污染物的堆放與收集條例、污染物的處理處置規(guī)定、污染物治理技術(shù)規(guī)范、污染治理工程長效運行與維護(hù)條例等。同時, 在農(nóng)村要進(jìn)行生態(tài)文化與環(huán)保意識的教育, 提高農(nóng)戶的環(huán)保意識與參與程度,以實現(xiàn)面源污染治理的長效化。在政策保障方面, 要研究與面源污染控制相關(guān)的生態(tài)補(bǔ)償政策、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型政策、稅收調(diào)控政策等, 并逐步開展試點和示范。

3.4 建立健全國家級農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測評價與預(yù)警體系

鑒于我國土地利用方式和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的多樣性,應(yīng)在不同類型區(qū)建立農(nóng)業(yè)面源污染的監(jiān)測系統(tǒng), 摸清農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源及負(fù)荷量, 主要的排放途徑與時空分布, 識別面源污染的高風(fēng)險區(qū)域, 為有效控制面源污染提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與依據(jù)。在國家級農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上, 通過數(shù)據(jù)分析與系統(tǒng)集成, 建立農(nóng)業(yè)面源污染的預(yù)警體系,及時發(fā)布污染風(fēng)險預(yù)警, 為全面控制農(nóng)業(yè)面源污染奠定基礎(chǔ)。

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