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1農(nóng)業(yè)面源污染在水體富營(yíng)養(yǎng)化中扮演的角色

農(nóng)業(yè)面源污染是由大范圍分散污染造成的,主要包括農(nóng)業(yè)面源污染,林地和草地的養(yǎng)分流失,農(nóng)田徑流和固體廢棄物的淋溶污染等[4]。近年來(lái),盡管人們對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染識(shí)別和治理能力越來(lái)越強(qiáng),但農(nóng)田養(yǎng)分的投入和農(nóng)田土壤養(yǎng)分的積累及流失量卻在不斷增加,農(nóng)業(yè)面源污染所占的負(fù)荷越來(lái)越大,農(nóng)業(yè)逐漸成為水體富營(yíng)養(yǎng)化最主要的污染源,其主要原因:①作物種植面積在流域總面積中占有最大的比例;②土壤、氣候和水文都促使養(yǎng)分從土地向水體轉(zhuǎn)移;③化學(xué)肥料投入越來(lái)越大,致使大量養(yǎng)分流失[5]。在美國(guó)環(huán)保署呈送國(guó)會(huì)的報(bào)告中提到:農(nóng)業(yè)面源污染是河流和湖泊污染物的主要來(lái)源之一,從而阻礙了水清潔行動(dòng)中水質(zhì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[6]。同時(shí),富營(yíng)養(yǎng)化也是地表水最主要的環(huán)境問(wèn)題。據(jù)報(bào)道,農(nóng)業(yè)面源污染源占河流和湖泊營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)負(fù)荷總量的60%～80%。另?yè)?jù)估計(jì)[7],在歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家的地表水中,農(nóng)業(yè)排磷所占的污染負(fù)荷比為24%～71%。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分流失是水體中硝酸鹽的主要來(lái)源,同時(shí)還是磷的第二大來(lái)源。據(jù)美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家報(bào)道[4],即使點(diǎn)源污染全面控制之后,但如果面源污染控制不好,水體仍無(wú)法達(dá)標(biāo)。另?yè)?jù)報(bào)道,美國(guó)的面源污染占污染總量的2/3,其中農(nóng)業(yè)貢獻(xiàn)率為75%左右。現(xiàn)在人們認(rèn)為農(nóng)業(yè)面源污染為地表水污染物質(zhì)的主要來(lái)源。

在美國(guó)Virgin島調(diào)查發(fā)現(xiàn)[8],由于過(guò)去40a間農(nóng)村經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展,大量鄉(xiāng)村未鋪石土路的出現(xiàn)造成了嚴(yán)重的水土流失,過(guò)量放牧造成的土壤踐踏和地表植被的減少也會(huì)加劇地表徑流、土壤流失加重和地下滲漏的減少,致使大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入受納水體。在我國(guó),近年來(lái),由于農(nóng)村勞動(dòng)力的減少,致使化肥施用量增加,有機(jī)肥投入減少,從而導(dǎo)致土壤物理性狀的惡化、土塊板結(jié)和土壤通透性降低、地表徑流加大、大量養(yǎng)分流失,造成水體富營(yíng)養(yǎng)化。據(jù)1990年美國(guó)調(diào)查[6],57%的湖泊受到農(nóng)田養(yǎng)分流失的嚴(yán)重影響。在荷蘭、比利時(shí)、德國(guó)和丹麥等歐洲國(guó)家畜牧業(yè)產(chǎn)值占農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值的一半以上。在奶牛、豬和蛋雞消耗的飼料中,約70%的N通過(guò)糞便排泄。肉雞飼料約50%的N以糞便排出。據(jù)調(diào)查,有30%左右的糞便流失,尿液有60%左右流失,沖洗水有80%以上流失[9]。在芬蘭[5],大多數(shù)作物種植區(qū)域內(nèi)的水體都表現(xiàn)出嚴(yán)重的富營(yíng)養(yǎng)化,地表徑流中的總氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮含量與作物種植面積百分比呈明顯的正相關(guān)。在滇池的入湖總磷中[10],農(nóng)業(yè)面源磷占28%,而在南四湖則高達(dá)68%。我國(guó)每年土壤流失量達(dá)50億t,帶走的N、P、K及微量元素等養(yǎng)分相當(dāng)于全國(guó)一年的化肥使用總量,其中相當(dāng)一部分進(jìn)入了水體中[11]。

2農(nóng)業(yè)面源污染的綜合治理

農(nóng)業(yè)面源污染無(wú)法采取集中治理的方法加以解決,但可以根據(jù)其污染特點(diǎn)采取針對(duì)性的措施減輕其危害。水體富營(yíng)養(yǎng)化中的農(nóng)業(yè)面源污染可以采用“控源節(jié)流”方法進(jìn)行治理,“控源”即科學(xué)合理施肥,也就是平衡農(nóng)田中的養(yǎng)分,使其輸入(化肥、糞肥、種子、降水等)與輸出(作物、水土流失等)基本一致,減少營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的積累量與流失量?！肮?jié)流”即對(duì)水土流失進(jìn)行控制,減少營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流失量。除了以上兩個(gè)方面以外,還必須對(duì)流域進(jìn)行全面規(guī)劃,科學(xué)管理,從而達(dá)到綜合治理農(nóng)業(yè)面源污染的目的。

2.1農(nóng)業(yè)面源污染源的管理

這里的農(nóng)業(yè)指的是大農(nóng)業(yè),即農(nóng)、林、牧、副、漁。農(nóng)業(yè)面源污染源的管理是指控制肥料施用數(shù)量,減少土壤養(yǎng)分積累量,調(diào)節(jié)飼料中的養(yǎng)分比例,提高養(yǎng)分利用的效率。作物種植和動(dòng)物飼養(yǎng)是大農(nóng)業(yè)最重要的兩大產(chǎn)業(yè),在發(fā)展中國(guó)家,種植業(yè)在農(nóng)業(yè)中比重很大,其治理核心是搞好土壤養(yǎng)分的管理,平衡養(yǎng)分的投入和產(chǎn)出,減少其流失量。而在發(fā)達(dá)國(guó)家,畜牧業(yè)在農(nóng)業(yè)中占據(jù)較大的比例,因此飼料和有機(jī)肥中的養(yǎng)分管理才是防治農(nóng)業(yè)面源污染的關(guān)鍵。

2.1.1動(dòng)物飼養(yǎng)中的養(yǎng)分管理

在許多地區(qū)由于人們對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)注,P通常被作為優(yōu)先管理因子,一旦飼料和化肥中的磷超出產(chǎn)品所帶走的磷,就會(huì)產(chǎn)生磷素的流失[12]。在許多地區(qū)都存在這種狀況,尤其是那些家畜飼養(yǎng)業(yè)在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)中扮演重要角色的地區(qū)。如在美國(guó)東北部[6],許多農(nóng)場(chǎng)在奶牛飼養(yǎng)中通過(guò)集中放牧減少了P輸入的數(shù)量。集中草場(chǎng)管理的應(yīng)用還會(huì)增加奶牛場(chǎng)的利潤(rùn),節(jié)省勞動(dòng)力。同時(shí),隨著環(huán)保意識(shí)的逐步增強(qiáng),由于很少輸入飼料,所以減少了外界P素的輸入量。家禽飼料P素吸收的調(diào)節(jié)也逐步成為關(guān)注的焦點(diǎn)。在荷蘭二次世界大戰(zhàn)期間,由于精飼料和化肥供應(yīng)緊張,導(dǎo)致糞肥中磷素含量下降,土壤中磷的積累量也相應(yīng)減少,從而減輕了環(huán)境中P的負(fù)荷量?？梢?jiàn)減少飼料中的磷含量和減少施P量可以降低輸入土地中磷的總量。同時(shí),向動(dòng)物飼料中添加酶制劑也可以提高磷消化吸收的效率。如植酸酶,它能夠提高作物飼料中植酸鈣鎂磷恢復(fù)的效率。同時(shí)植酸酶還會(huì)降低動(dòng)物對(duì)礦質(zhì)元素的需要量,但它在經(jīng)濟(jì)上是否可行仍有待進(jìn)一步研究。另外,通過(guò)篩選化學(xué)誘變玉米突變體,可減少玉米籽粒中植酸磷的含量。在一次雞飼養(yǎng)的試驗(yàn)中,低植酸玉米可提高磷的利用效率,降低糞肥中磷的含量。因此,通過(guò)基因工程來(lái)改變玉米植酸磷的含量,可以提高飼料利用率和降低排泄糞便中磷的含量[13]。

2.1.2土壤養(yǎng)分管理

土壤養(yǎng)分管理涉及兩個(gè)過(guò)程,即施肥前測(cè)試土壤中養(yǎng)分的背景值和農(nóng)學(xué)上考慮作物所需的養(yǎng)分量,以此決定化肥的施用量和施用方法。N流失的機(jī)制有兩個(gè)方面:一是通過(guò)淋溶移出植物根區(qū);二是通過(guò)地表徑流和土壤侵蝕流失。被施用到土壤中的各種形態(tài)的N在化學(xué)和微生物活動(dòng)作用下,首先轉(zhuǎn)變?yōu)镹H4+,然后轉(zhuǎn)變?yōu)镹O3-,在熱帶和亞熱帶耕作土壤礦質(zhì)化的轉(zhuǎn)化速度十分迅速,NO3-若不能被植物完全吸收的話,就會(huì)產(chǎn)生淋溶,淋溶速率主要由水滲漏的速率決定,而滲漏速率則取決于土壤特性和降水程度。當(dāng)表施化學(xué)N肥時(shí),由地表徑流產(chǎn)生的N素流失更多。若N肥施于某一定深度,則N素流失主要是通過(guò)土壤侵蝕來(lái)完成的。據(jù)統(tǒng)計(jì),在缺乏管理、休閑耕作的土壤上土壤和養(yǎng)分流失更多。施于熱帶和亞熱帶的磷經(jīng)歷著一系列動(dòng)態(tài)變化,這主要取決于每種類型土壤的生物化學(xué)特性。通常來(lái)說(shuō),水溶性磷慢慢地轉(zhuǎn)化為非溶性磷,這個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程主要由土壤中Fe、Al、Ca的活力決定。不同形態(tài)的磷通常與土壤中的可溶性磷會(huì)達(dá)到一定平衡狀態(tài),另一個(gè)重要的參數(shù)是土壤固定磷的能力,它決定植物吸收利用磷的效率,植物對(duì)各種形態(tài)磷的利用能力和程度是不一樣的,磷在土壤溶液中的溶解度很低,并且很難向下運(yùn)動(dòng),因此磷不會(huì)對(duì)地下水造成污染[15]。最重要的是地表徑流或土壤侵蝕攜帶大量磷進(jìn)入受納水體,從而導(dǎo)致地表水體的富營(yíng)養(yǎng)化。在農(nóng)業(yè)面源污染防治中,農(nóng)田養(yǎng)分平衡是目前急需解決的重點(diǎn)問(wèn)題。其中最為嚴(yán)重的是化肥的過(guò)量施用,許多研究表明當(dāng)化肥施用量超過(guò)一定水平以后[12],其養(yǎng)分流失量顯著增大,但減少化肥施用量或不施,其養(yǎng)分流失量差別不大,而作物產(chǎn)量卻急劇下降,這主要是由于土壤養(yǎng)分大量積累,而土地保肥能力較差造成的。據(jù)魯如坤等人[16]對(duì)我國(guó)南方6省農(nóng)田養(yǎng)分平衡現(xiàn)狀評(píng)價(jià)時(shí)發(fā)現(xiàn)(如表2),6省農(nóng)田氮、磷、鉀素平衡均處于盈余狀態(tài),一般當(dāng)農(nóng)田氮素平衡盈余超過(guò)20%、磷素超過(guò)150%、鉀素超過(guò)50%時(shí),即分別可能引起氮素、磷素和鉀素對(duì)環(huán)境的潛在威脅。其中最嚴(yán)重是在福建和廣東兩省,氮素盈余達(dá)到了185%,磷素盈余均超過(guò)300%,鉀素盈余為80%。

而據(jù)全國(guó)來(lái)說(shuō),我國(guó)農(nóng)田氮素投入過(guò)大,大部分盈余的氮并未在生產(chǎn)上起作用卻進(jìn)入了環(huán)境。我國(guó)農(nóng)田磷素也處于盈余狀態(tài),而更嚴(yán)重的是土壤磷的積累現(xiàn)象,這對(duì)地表水構(gòu)成了潛在威脅。在我國(guó)農(nóng)田鉀素平衡達(dá)到盈余狀態(tài)的并不多見(jiàn),大多處于虧缺狀態(tài)。因此,推廣平衡施肥技術(shù)勢(shì)在必行,目前主要采用的施肥措施有:①葉面施肥、分次施肥、濕潤(rùn)施肥、測(cè)土配方施肥、化肥深施、秋季施肥、飛機(jī)施肥、施液態(tài)肥和定點(diǎn)施肥,可以有效地提高化肥利用率,減少化肥施用量,降低養(yǎng)分流失的風(fēng)險(xiǎn)性;據(jù)有關(guān)學(xué)者在蘇南太湖流域研究發(fā)現(xiàn)[17],分次施肥能促進(jìn)水稻對(duì)土壤氮素的吸收,當(dāng)施氮量相同時(shí),水稻對(duì)氮的利用率隨施用次數(shù)增加而提高。②平衡施肥技術(shù),其內(nèi)涵就是實(shí)行3個(gè)“平衡”,即有機(jī)肥與無(wú)機(jī)肥平衡施用;氮、磷、鉀素平衡施用;大量元素與中微量元素平衡施用。針對(duì)現(xiàn)在的施用狀況,一是要增加有機(jī)肥的投入,培肥土壤肥力;二是要控制和減少氮肥總量,協(xié)調(diào)氮、磷、鉀施用比例1∶0.3∶0.5,增加施用硅肥、硼肥和鋅肥等;③生物固氮,如豆科作物和非豆科作物及含固氮菌的菌肥,可以減少化學(xué)氮肥的施用量;還有使用比較廣泛的解磷菌肥和酵素菌肥,解磷菌肥能把土壤中的硅酸鹽態(tài)磷轉(zhuǎn)化為速效磷,供植物充分利用,既能降低土壤磷素流失的潛在危脅,又能減少磷肥的投入量[18];酵素菌肥是目前在生產(chǎn)上使用比較廣泛的一種微生物菌肥[19],該菌肥具有多種功效:增強(qiáng)植物抗逆性、減少土傳病害、提高土壤溫度、促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成、提高土壤肥力和減輕農(nóng)藥、化肥殘留等,是生產(chǎn)綠色食品和提倡清潔生產(chǎn)的首選肥料,特別是在蔬菜種植業(yè)應(yīng)積極推廣;④開(kāi)發(fā)新型肥料,主要有3種類型:控制釋放型、高氮型和高磷型[9],逐步淘汰易揮發(fā)性流失品種如碳銨,推廣高濃度的復(fù)合肥及作物專用配方肥,提高化肥利用率;提倡施用有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合肥,復(fù)合肥具有長(zhǎng)效、緩釋、養(yǎng)分均衡等特點(diǎn),適合于植物吸收,既能克服單純施用化肥利用率不高、易流失的缺點(diǎn),又能克服單純施用有機(jī)肥養(yǎng)分含量低,施用量大、花勞力的缺點(diǎn),可以起到長(zhǎng)效與速效相結(jié)合,養(yǎng)地與用地相結(jié)合,提高肥料利用率和作物品質(zhì)。環(huán)境問(wèn)題的關(guān)注已經(jīng)迫使美國(guó)許多州開(kāi)始根據(jù)農(nóng)田徑流中磷素?fù)p失的潛力來(lái)考慮磷素施用和流域管理[6]。然而,僅僅根據(jù)土壤中磷素的水平來(lái)評(píng)估農(nóng)田土壤磷素流失的潛力是不科學(xué)的。土壤磷素的有效管理涉及到許多因子,如化肥和有機(jī)肥的施用量、施用時(shí)間、施用方法及其磷素在植物根區(qū)的積累。

這些措施都可以減少磷素在地表徑流中的暴露程度和增加作物磷素的吸收量以及作物產(chǎn)量,從而間接地減少農(nóng)田中磷素的流失量。然而,這種措施是暫時(shí)的,并非長(zhǎng)久之計(jì),根本的解決方法是控制土壤侵蝕。另外[20],據(jù)報(bào)道儲(chǔ)存于我國(guó)農(nóng)業(yè)土壤中固定態(tài)(難溶態(tài))磷(P2O5)的總量目前可達(dá)6000萬(wàn)t,相當(dāng)于全國(guó)目前磷肥10a消費(fèi)量的總和。因此,通過(guò)作物磷高效利用基因型的改良與定向培育,施用含解磷菌的菌肥,如果能充分挖掘及利用這部分磷,不僅可以節(jié)省大量資金與能源,而且更重要的是加快了磷的生物循環(huán),并有效地阻止了磷素的流失及對(duì)環(huán)境的污染,對(duì)維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展也具有重要的作用[11]。我國(guó)地少人多,為保障糧食供給,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的磷素投入在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)還要呈上升趨勢(shì),農(nóng)田土壤中的磷素還將進(jìn)一步積累。通過(guò)優(yōu)化景觀格局,合理配置土地資源來(lái)提高土壤保持養(yǎng)分的能力,減輕農(nóng)田土壤磷素流失,具有實(shí)用、高效和投資少的特點(diǎn)。發(fā)達(dá)國(guó)家目前采取的各種行政、法律和經(jīng)濟(jì)的手段,鼓勵(lì)和刺激農(nóng)民運(yùn)用更加有利于環(huán)境的耕作方法、施肥制度和土地利用方式,取得了顯著成效,值得人們認(rèn)真借鑒。

2.2養(yǎng)分轉(zhuǎn)移途徑的管理

非點(diǎn)源污染的發(fā)生、轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化與景觀格局之間也有著十分密切的關(guān)系,通過(guò)對(duì)景觀要素的優(yōu)化組合或引入新的成份,調(diào)整或構(gòu)建新的景觀格局,增加景觀的異質(zhì)性和穩(wěn)定性,可以顯著地降低非點(diǎn)源污染的發(fā)生和由此產(chǎn)生的危害,同時(shí)還可以創(chuàng)造出優(yōu)于原有景觀生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益,形成新的高效、和諧的人工-自然景觀。許多學(xué)者研究結(jié)果表明,不同的土地利用結(jié)構(gòu)對(duì)農(nóng)田土壤養(yǎng)分的分布和平衡有著顯著的影響,對(duì)土地資源進(jìn)行優(yōu)化配置,可以起到提高水土保持能力和減少養(yǎng)分流失的效果。

2.2.1

濕地在控制農(nóng)業(yè)面源污染中的應(yīng)用濕地是陸地和水體的過(guò)渡帶,它能夠容納高負(fù)荷的有機(jī)化學(xué)物質(zhì)和高生物化學(xué)需氧量(BOD)或化學(xué)需氧量(COD)的廢棄物[10]。已有實(shí)驗(yàn)證明,地表水和河流水的水質(zhì)與淡水濕地的現(xiàn)存量呈正相關(guān)。一旦濕地縮小或消失后,則水體會(huì)接受來(lái)自外部輸入營(yíng)養(yǎng)物和其它的物質(zhì),造成水體的富營(yíng)養(yǎng)化[23]。濕地作為生物過(guò)濾器功能的利用,主要利用濕地研制和發(fā)展污水處理系統(tǒng)。近年來(lái),由于人工濕地在建造過(guò)程中投資低廉,在處理污水的過(guò)程中管理簡(jiǎn)單,且基本上不需要運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用,還可增加綠色面積,可以起到美化環(huán)境和凈化大氣污染的作用,并能為某些特定的生物物種提供固定的棲息地,這種技術(shù)在美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)等國(guó)發(fā)展很快,并且得到政府的大力支持。目前,自然濕地和人工濕地主要用來(lái)處理來(lái)自小城鎮(zhèn)的二級(jí)處理水[24]。在瑞典[14],通過(guò)恢復(fù)池塘和濕地系統(tǒng)的功能后發(fā)現(xiàn),其治理養(yǎng)分流失的效率顯著提高,他們認(rèn)為:為了達(dá)到減少農(nóng)業(yè)養(yǎng)分流失的目的,必須在采取農(nóng)業(yè)措施的基礎(chǔ)上逐漸恢復(fù)池塘和濕地系統(tǒng),才能較好地治理水體富營(yíng)養(yǎng)化。濕地去除氮磷的效率變化很大,主要取決于濕地的特性、負(fù)荷速率和所涉及的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。通常來(lái)說(shuō),濕地的去氮效率比去磷效率高,這主要是由于N、P循環(huán)過(guò)程存在較大的差異,但是許多實(shí)驗(yàn)還是證實(shí)濕地能夠有效地截留水體中的磷。在濕地系統(tǒng)中,所有的生物化學(xué)過(guò)程可以把可溶性磷轉(zhuǎn)化為顆粒磷,再通過(guò)沉積作用進(jìn)入地球圈。在濕地中通過(guò)濕地植物直接吸收的磷素養(yǎng)分一般很少,而大約95%的磷被滯留在沉積物中。新建造的濕地通常具有較高滯留磷的能力,而隨著“年齡”的增大,其滯留磷的能力也逐漸下降[25]。成功地去除營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)主要取決于人工濕地的植被類型和好氧或厭氧條件之間的關(guān)系。另外,濕地植物還對(duì)金屬離子具有較強(qiáng)的生物富集作用,可以起到消除重金屬污染的目的[12,26]。

2.2.2建立、恢復(fù)和利用緩沖區(qū)、水陸交錯(cuò)帶來(lái)防治農(nóng)業(yè)面源污染

農(nóng)業(yè)面源污染是水體富營(yíng)養(yǎng)化的一個(gè)重要原因,因此阻止農(nóng)業(yè)面源污染成為了水體富營(yíng)養(yǎng)化防治的關(guān)鍵。國(guó)外許多國(guó)家在這方面開(kāi)展了廣泛研究,目前正在實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)用于此種目的的設(shè)置有美國(guó)的植被過(guò)濾帶(Vegetatedfiltertrips),新西蘭的水邊休閑地(Retirementofriparianzones),英國(guó)的緩沖區(qū)(Bufferzones),中國(guó)的多水塘和匈牙利的Kis-Palaton工程[27]。英國(guó)政府建議在污染源與接納水體之間建立緩沖區(qū)(Bufferzones)來(lái)控制農(nóng)業(yè)面源污染。所謂緩沖區(qū)就是指永久性植被區(qū)。許多研究已經(jīng)表明,緩沖區(qū)能有效地去除水中N、P和有機(jī)污染物,其效率取決于污染物的運(yùn)輸機(jī)制。緩沖區(qū)的寬度一般為5～100m,大多數(shù)位于水體附近,這種緩沖區(qū)降低了潛在污染物與接納水體之間的聯(lián)系,并且提供了一個(gè)阻止污染物輸入的生化和物理障礙帶。緩沖區(qū)的植被通常包括樹(shù)草和濕地植物,緩沖區(qū)成為控制農(nóng)業(yè)面源污染最有效的方式。在美國(guó),植被過(guò)濾帶也被認(rèn)為是最好的治理措施。表4列出了緩沖區(qū)對(duì)磷處理效果的一些研究實(shí)例。一系列試驗(yàn)結(jié)果表明,緩沖帶能夠有效地降低地表水中硝態(tài)氮的含量,其作用機(jī)制在于許多過(guò)程的聯(lián)合作用,它能夠減小地表水流動(dòng)的速率,從而提高大型土壤顆粒的沉積作用。當(dāng)?shù)乇硭l(fā)生滲漏時(shí),緩沖區(qū)的葉層和土壤能夠有效地阻止懸浮顆粒。地表水在緩沖區(qū)上的空間分布決定著它阻止養(yǎng)分的效率,當(dāng)緩沖區(qū)內(nèi)有一條小溝時(shí),其滯留硝態(tài)氮的效率會(huì)大大降低。緩沖區(qū)能夠減小地表水中氮素含量的主要原因是它能加劇下列過(guò)程:植物吸收、微生物代謝、硝化和反硝化等過(guò)程。其中反硝化是去除地表水中養(yǎng)分的最關(guān)鍵過(guò)程[29]。Pinay等人[30]證實(shí)在夏秋兩季,反硝化作用和植物吸收能共同移去地表水中的硝態(tài)氮,而在冬季和春季,地表水中的硝態(tài)氮主要是通過(guò)反硝化作用去除掉。MarietM.Hefting等人[31]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)?shù)乇硭鹘?jīng)水岸緩沖區(qū)后,地表水中硝態(tài)氮含量降低了95%,在森林緩沖區(qū)上層土壤(0～30cm)中測(cè)定的反硝化速率是9～200kgN/(hm2•a),而草地緩沖區(qū)中反硝化速率是1.2～32kgN/(hm2•a),其原因主要是森林緩沖區(qū)的土壤內(nèi)具有更高的硝態(tài)氮含量和水滯留時(shí)間。

但也有研究發(fā)現(xiàn),緩沖區(qū)能夠顯著降低地表徑流中總磷和顆粒態(tài)磷的含量,卻增加了可溶性磷的含量[25],其在治理水體富營(yíng)養(yǎng)化方面是否可行,還必須依據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況而定。內(nèi)陸水/陸地交錯(cuò)帶(簡(jiǎn)稱水陸交錯(cuò)帶)指的是內(nèi)陸水生態(tài)系統(tǒng)和陸地生態(tài)系統(tǒng)之間界面區(qū)。由于它在系統(tǒng)間的特殊地位,近年來(lái)受到國(guó)際生態(tài)和環(huán)境界的格外重視。水陸交錯(cuò)帶按其景觀作用可分為以下4種:湖周(包括水庫(kù)、沼澤)交錯(cuò)帶,河岸交錯(cuò)帶,源頭交錯(cuò)帶,地下水/地表水交錯(cuò)帶。發(fā)育良好的水陸交錯(cuò)帶具有一定的結(jié)構(gòu),在自然條件下,其分布呈現(xiàn)與水邊相平行的帶狀。其微地貌常以“水陸-沼澤帶-洲灘帶-低濕地帶-陸地”結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。其植被依當(dāng)?shù)氐臍夂?、土壤、坡度以及水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度和水文特點(diǎn)各異[32]。水陸交錯(cuò)帶是開(kāi)放的系統(tǒng),物質(zhì)、能量和信息通過(guò)交錯(cuò)帶向鄰近的系統(tǒng)流動(dòng)。研究結(jié)果表明,一個(gè)健康的水陸交錯(cuò)帶可以對(duì)流經(jīng)此帶的水流及其所攜帶的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)有截留和過(guò)濾作用,其功能相當(dāng)于一個(gè)對(duì)物質(zhì)具有選擇性的半透膜[27]。尹澄清等學(xué)者發(fā)現(xiàn)[32],我國(guó)的人工多水塘系統(tǒng)具有很強(qiáng)的截留來(lái)自農(nóng)田的徑流和非點(diǎn)源污染物的生態(tài)功能,另外,他們還在白洋淀進(jìn)行的野外實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明水陸交錯(cuò)帶中的蘆葦群落和群落間的小溝都能有效截留來(lái)自上游流域的污染物。

其中,有植被290m長(zhǎng)的小溝對(duì)地表徑流總氮和總磷的截留率分別為42%和65%;4m蘆葦根區(qū)土壤對(duì)地下徑流總氮和總磷的截留率分別為64%和92%,被截留最大的是無(wú)機(jī)態(tài)的正磷酸根態(tài)磷和銨態(tài)氮,這兩者正是造成水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要因子。Peterjohn等[33]和Mander等[34]均發(fā)現(xiàn)恢復(fù)河岸森林植被帶能有效地截留來(lái)自農(nóng)田的養(yǎng)分和泥沙,地表徑流總氮和總磷顯著減少。初步研究結(jié)果表明,水陸交錯(cuò)帶對(duì)流經(jīng)的污染物和養(yǎng)分具有明顯的截留作用,其截留機(jī)理十分復(fù)雜,主要是水陸交錯(cuò)帶的植被能夠減緩徑流速度,導(dǎo)致較大顆粒物發(fā)生沉積。當(dāng)水發(fā)生地下滲漏時(shí),植物的葉層和土壤都會(huì)截留徑流的懸浮顆粒物,從而起到截留效果。其截留能力受多種因素的影響,包括交錯(cuò)帶的寬度,植被和土壤類型等[34]。據(jù)估計(jì)[32],我國(guó)水陸交錯(cuò)帶面積有10萬(wàn)km2,其中蘆葦植被約133萬(wàn)hm2。因此,充分利用這一資源,對(duì)于防治我國(guó)的水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題具有十分重要的意義。

2.3開(kāi)展小流域綜合治理,控制水土流失

從地表徑流和泥沙攜入湖的的氮、磷在外負(fù)荷中占較大的比例,因此治理水土流失才是解決水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題的長(zhǎng)久之計(jì)。換言之,所有控制水土流失的對(duì)策都可以治理水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題[35]。在大于25°陡坡地要退耕還林,所有河流上游匯水區(qū)的輕、中度水土流失區(qū)均應(yīng)大力營(yíng)造水涵養(yǎng)林和水土保護(hù)林,并加強(qiáng)封山育林和幼林撫育。如果政策落實(shí),措施得當(dāng),可以較大地提高森林覆蓋率,從而減少水土流失面積,降低進(jìn)入受納水體的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的數(shù)量。在人口密度高,水土流失嚴(yán)重地區(qū),應(yīng)改變肥料結(jié)構(gòu),提高施肥技術(shù),增施有機(jī)肥料,科學(xué)使用化肥,推廣優(yōu)良農(nóng)作物品種,增加復(fù)種指數(shù),改兩熟制為三熟制,解決林、糧爭(zhēng)地的矛盾,大力推廣和普及節(jié)柴灶,發(fā)展生物能源沼氣,提高物流和能流轉(zhuǎn)化效率,以減少氮、磷流失。如我國(guó)江西省和四川省最近幾年逐漸完善的“種植-養(yǎng)豬-沼氣”生態(tài)模式[36],以種植業(yè)帶動(dòng)養(yǎng)豬業(yè),以養(yǎng)豬業(yè)帶動(dòng)沼氣工程,又以沼氣工程促進(jìn)種植業(yè)和養(yǎng)豬業(yè)的發(fā)展,最終是豬多肥(有機(jī)沼肥)多,肥多糧多,糧多錢多,如此往復(fù)循環(huán),使生物能得到多層次的重復(fù)利用,從而顯著降低了化肥的使用量,提高了養(yǎng)分的利用效率,達(dá)到綜合治理水體富營(yíng)養(yǎng)化的目的。另外,在適當(dāng)區(qū)域構(gòu)筑必要的攔水截沙引水槽、攔沙壩、山塘等工程設(shè)施,以減少泥沙沖刷,也可取得防治水體富營(yíng)養(yǎng)化的良好效果。

3農(nóng)業(yè)面源污染治理的難點(diǎn)

總的來(lái)說(shuō),農(nóng)業(yè)面源污染具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn):①污染者數(shù)目,指大量污染個(gè)體的存在,管理者獲得污染者個(gè)體的信息以及污染者之間獲得信息者存在困難;②空間差異,是指同樣的行為在不同位置會(huì)有不同的環(huán)境影響;③隨機(jī)影響,即大多數(shù)面源問(wèn)題都涉及隨機(jī)變量或生產(chǎn)中的隨機(jī)影響[9]。在農(nóng)田流失養(yǎng)分的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中[37],不同的流域條件影響著溶解性和顆粒性磷的分配,從而影響著養(yǎng)分可利用程度和對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化產(chǎn)生不同的效應(yīng)。因此,減少農(nóng)田養(yǎng)分流失的所有治理措施都應(yīng)以減少藻類可利用的養(yǎng)分為目的,以此達(dá)到治理水體富營(yíng)養(yǎng)化的目的。由于農(nóng)業(yè)面源污染具有以上幾個(gè)方面的特點(diǎn),因此,它的治理無(wú)法采取象點(diǎn)源污染那樣集中治理的方法加以治理,只有從整個(gè)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)或流域出發(fā),建立穩(wěn)定、和諧和良性循環(huán)的生態(tài)系統(tǒng),才能既減少面源污染的數(shù)量,又使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的面源污染凈化能力,使其營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和有害成分在進(jìn)入受納水體前就顯著降低,從而從根本上達(dá)到治理面源污染的目的[38]。