目前利用農業生產自身消納農業污染物仍是一種有效措施
作者根據中國統計年鑒及中國農村統計年鑒的數據分析了我國由化肥、農藥、養殖廢棄物等產生的農業污染現狀。結果表明,從改革開放至今,我國化肥施用量呈逐年遞增趨勢 ,其中,2014年化肥施用量同比增加了578.27%,2013 年單位耕地施肥量同 比增加了391.78% ;2012年農藥施用量同比增加了1.5倍;同時隨著養殖業的迅猛發展,廢棄物排放量也逐年遞增。
隨著中國經濟的飛速發展,農業生產方式發生了深刻的變革,自給自足的傳統農業逐漸向集約化、專業化和規模化的現代農業轉變,以高投入、高產出、高排放為特征的現代農業在帶來巨大經濟效益的同時,也帶來了一系列的環境問題。環境污染分點源污染與面源污染,面源污染 (dif fused pol lution,DP)是指溶解和固體的污染物從非特定地點,在降水或融雪的沖刷作用下,通過徑流過程而匯入受納水體 (包括河流、湖泊、水庫和海灣等 )并引起有機污染水體富營養化或有毒有害等其它形式的污染。農業面源污染是分布最廣泛且最主要的農業環境污染之一,其主要來源于農田施肥、農藥、畜禽及水產養殖等。
我國農業生產中化肥利用率并不高,大量無法被植物吸收利用的氮、磷、鉀等養分直接隨著灌溉水、地表徑流等進入附近水體。集約化畜禽養殖業的發展更是加劇了這一過程,其未處理或處理后未達標排放的糞污任意排放后造成水體污染和富營養化,使區域水生生態系統平衡遭到破壞。
由于農業面源污染物大多屬于有機污染物,氮(N )、磷 (P )含量高,如果將其合理利用可變為有用的資源,產生良好的經濟效益。目前利用農業生產自身消納農業污染物仍是一種有效措施。
草本植物作為生態系統的初級生產者之一 ,具有適應性強、生長迅速、繁殖系數高、抗性強等特點,是退化生態系統植被恢復的先鋒物種, 其在消納養殖場污水、富集土壤重金屬、消除土壤污染方面有巨大的潛力。為此,分析我國農業面源污染現狀,探討草本植物在治理農業面源污染的應用效果及治理模式,以期為農業面源污染治理提供科學依據。
農業面源污染的現狀
化肥施用及污染現狀
現代農業的發展離不開化肥和農藥的高投入,據統計, 我國化肥施用量逐年呈遞增趨勢。1980-2014年期間,化肥施用量平均以每年10%的速度增加 ,2014年的化肥施用量比1978年增加了578 .27 %(圖 1);單位耕地面積的施肥量也呈遞增趨勢,從1978年的88.94kg·hm-2 遞增至2013年的437.39kg · hm - 2, 增加了391.78% ( 圖 2 ) , 遠遠超 過發達國家設置的安全施肥標準 (225kg · hm - 2 ) 。長期施用化肥導致土壤酸化、板結,土壤微生物的數量和活性降低,土壤結構破壞 ,加上化肥的利用率并不高 (N、P 、K利用率僅為30 % ~ 35 % 、10 % ~ 20 % 和 35 % ~50% ),進入附近水體易造成水體富營養化和水生生態系統失衡。
農藥施用及環境污染現狀
1990-2012年期間,除 2010 年農藥施用量降低外,其它年份農藥施用 量均呈增長趨勢。1990 年全國范圍內農藥施用量僅為73 .3萬t, 到2 012 年增長至180 .6萬t , 增長了1 .5 倍 ( 圖 3 ) 。
在這些施用的農藥中, 高毒農藥占農藥施用總量的70 %。據報道, 目前我國農藥利用率也僅為30%左右,未被農作物吸收的部分使我國1300~1600萬hm2 耕地受到嚴重污染。雖然自1983 年起我國全面禁用有機氯農藥,但一些地區六六六 (六氯化苯 ,C6 H 6 Cl6 )和 DDT [雙對氯苯基三氯乙烷 ,(ClC6 H4 )2CH (CCl3 )],土壤最高殘留量仍在1mg·kg-1 以上。
同時,農藥的過量使用也導致各種農牧產品農殘檢測超標,產生食品安全問題;還會對非靶心生物產生毒害作用,使有害生物的天敵減少,生物多樣性喪失,破壞生態平衡。
畜禽養殖業污染現狀
1980 - 2014年, 畜禽糞便排放量從11.2 億 t 增加至 15.4 億t,增加37.66% ,畜禽糞污的化學需氧量(chemical oxygen demand,COD)、生物需氧量 (bio-chemical oxygen demand BOD , )和銨氨氮（NH4+-N)排 放量同比增加36.3% 、37.4%和30.3% (表 1)。
畜禽養殖業廢棄物中的 N、P是造成污染流域水體 N、P富營養化的最主要原因。據 2014年中國環境狀況公報統計,2014年太湖和巢湖流域IV水質 ( 適 用于一般工業用水區及人體非直接接觸的娛樂用水區)占主要比例 ,分別為90%和50%,滇池10個國控點水質均為劣V類(污染程度已超過V類的水)。太湖流域源于農田面源、農村畜禽養殖業、城鄉結合部城區的全磷、全氮分別為20% 、32% 、23%和30% 、23%、19% ,其貢獻率超過來自工業和城市生活的點源污染。
在農村水源污染中,城市污水和農業污染各占50%,其中農業廢棄物污染占35% ~ 40% ，化肥污染占10 % ~15 %。2014年我國來自農業源的廢水化學需氧量和氨氮排放量分別為1102.4 萬t 和75.5 萬t,是工業源的3.54 倍和3.25 倍。而在農業源的污染物排放中,畜禽養殖業的貢獻率占了相當大的比重。
草本植物在農業面源污染治理中的應用
植物種類
農業有機廢棄物含有大量的營養物質,可用作為肥料滿足植物的生長,因此幾乎所有的草本植物均可應用于該類污染的治理。但是,農業環境污染具有典型面源污染的特征,所以在農業面源污染治理過程中宜選用生物量大、能大面積栽種和推廣的草本植物。目前用于治理農業廢棄物污染的常見植物有狼尾草(Pennisetum alopecuroides)、多花黑麥草 (Lolium pe-renne )、香根草 (Vetiveria zizanioides )、紅萍 (Azol laimbircata)、水葫蘆 (Eichhornia crasipes)等 (表2)。此外,一些具有觀賞價值的水生植物對富營養化水體也有明顯的凈化作用,因此也可應用于小面積面源污染的治理。
治理技術與模式
農業環境污染治理常用的生態技術措施包括溝渠系統、緩沖草皮帶、生化塘及人工濕地系統等,其中草本植物是這些污染治理系統的重要組成部分,它能吸收農田徑流中過剩的氮、磷營養元素及重金屬和有機氯、磷等有害元素,使水體得到凈化。
生態溝渠
生態溝渠是一種具有河流和濕地雙重特征,用于治理農業面源污染的小型半自然化的水文生態系統,常設于農田周邊,用于攔截農田排水中的氮、磷。人工種植綠色植物的生態溝渠對農田排水中氮、磷的攔截效果明顯高于未種植植物的溝渠。如,種植多花黑麥草的生態溝渠對水稻田排水中的銨態氮、硝態氮、全氮和全磷都有較強的降解能力。水生植物茭白 ( Zizania latifolia ) 和菖蒲 ( Acorus cala-mus)不僅能吸收一部分N、P,還可增強溝渠對 N、P的截留效果。生態溝渠中植物種類對水體中的 N、P 去除效果也存在差異。
余紅兵等研究了5種植物水生美人蕉 (Canna glauca)、銅錢草 (Hydrocotyle vulgaris)、黑三棱 (Sparganium stoloniferum )、狐尾藻 (Myriophyl lum verticil latum )和燈心草 (Juncus effusus ) 對農田排水溝渠中氮、磷吸收效果的影響, 結果表明,單次收割5種水生植物可帶 走水體中7 .40 ~28 .23和1 .13 ~ 4 .49g · m - 2 的氮和磷, 其中水生美 人蕉效果最好, 全年可帶走的總氮和總磷量分別為20.34 ~ 109.12和 3 .41 ~ 17 .95g · m - 2 。 茭白和菖蒲能明顯促進系統對氮、磷的截留和轉化作用,其中菖蒲對磷的吸收能力要強于茭白。
水生植物對 N、P去除效果與植物根系深度存在相關性,一般來說水生植物根系越深 ,氮去除率也越大。蕉草 (Nymphoides a-quatic)、蘆葦 (Phragmites communis)和香蒲 (Typhaorientalis )的根深度分別為 76、60 和30cm ,這3種草對氮的去除率分別為 94%、78 %和28 %。
草皮緩沖帶
草皮緩沖帶是建在河濱岸邊用以截留陸域面源污染、改善河道水質的一種由植物組成的草地生態系統,其通過植物生長吸收、輸送溶解氧、提供生物棲息地、疏松土壤、滯緩徑流、調節微氣候等功能來實現對面源污染防治和生態恢復作用,因此草種的選擇及草皮緩沖帶的構建將直接影響濱岸緩沖帶面源污染的防治效果。暖季型草坪草百慕大(Cyn-odon dactylon)、白三葉 (Trifolium repens)和冷季型草坪草高羊茅 ( F e s t u c a a r u n d i n a c e a ) 3 種草皮緩沖帶能截留73% 以上農田徑流中的懸浮物,對全氮、NH + N、全磷凈化效果均顯著。冰草(A ro4 - g py-ron cristatum )、酢醬草 (Oxalis corniculata )、披堿草(Elymus dahuricus)、白三葉4種草皮緩沖帶對農田徑流中總氮的平均去除率在 30%以上,對懸浮物的平均去除率達73.6% 。
蘇天楊等研究了冰草、高羊茅 ( Festucaelata ) 、披堿 草、 紫花苜蓿 ( Medicago sa -tiva )4種草皮緩沖帶對滲流水中全氮 、全磷的凈化效果, 結果表明,4種緩沖帶對全氮的平均去除率在60 %以上 , 對全磷的平均去除率達79.3 % 。
草皮緩沖帶去面源污染的攔截作用與植物類型、草皮寬度有關,由于農業土地資源有限,為了達到治理面源污染最佳效益,應構建最適 寬度和植物配置的草皮緩沖帶。
人工濕地
人工濕地是一種利用“基質 + 水生植物+微生物”的物理學、化學、生物學三重協同作用,人工形成的沼澤地、濕原、泥炭地或水域地 帶等水文生態系統,其中挺水植物是人工濕地最重要的組成元素之一。
有研究表明,植被在人工濕地系統中去除COD 和全氮過程中有 著重要的作用,石菖蒲 (Acorus gramineus)植被人工濕地對COD和全 氮平均去除率為 80.46% 和 77.77%,燈心草 (Juncus effusus)植被人工濕地為75.53%和71.17%,蝴蝶花 (Iris japoni-ca )植被人工濕地為70%、53%和66 .38%,顯著高于無植被的人工濕地。與人工濕地（河沙）相比，種植植物的人工濕地（河沙植物）對水體中的COD、全氮、NH4-N和全磷的去除率分別增加20%、14%、17%、5%。人工濕地中植物直接去除污染物的量較低，其主要通過穩定床 體表面、改變水力傳導能力、防止系統堵塞、促進微生物的生長 繁殖、創造生物共生條件、向基質中釋放氧氣及景觀美學作用等發揮作用。
有研究表明,人工濕地中依靠植物生長同化吸收污水中的氮磷貢獻較小,只占全部去除量的2%~5%, 但植物在維持系統內微生物生長、系統穩定性、運行效果等方面作用顯著。當然,濕地 植物對污染物的去除能力與植物種類、植物凈生長量、單位生物量的污染物蓄積強度也有關系。
對策和建議
植物的選擇
植物在農業面源污染治理過程中發揮著重要的作用,其通過自身生長吸收一部分污染物,還可通過與微生物、環境介質的共同作用固定、截留一部分污染物,或加速水體中氮、磷界面交換和傳遞,從而使氮、磷含量快速減少。
由于不同植物在面源污染治理過程中發揮作用不盡相同,因此在農業面源污染治理的植物選擇上應兼顧以下原則:
1)宜選擇具生命力強、對環境適應性好、根系發達、生物量大、生長迅速等特點的植物;
2)為了避免產生外來物種入侵引發的生物安全問題,在植物選擇上盡量選擇鄉土物種;
3)應結合農業生產實際或周邊環境特性選擇植物,如在大型養殖場周圍可選擇種植狼尾草、黑麥草、麥類植物等消納廢水,實現養殖場廢水達標排放,同時這些植物還可循環反饋利用于畜禽養殖。
而以觀賞為目的的人工濕地宜選擇觀賞性水生植物,通過挺水植物、浮水植物和沉水植物的垂直搭配,實現凈化水體的目的,同時通過觀賞植物的花、葉形態增加人工濕地的觀賞性。
治理模式的構建
無論是生態溝渠還是草皮緩沖帶和人工濕地,都不能算完整意義上的農業治理模式,它們僅是農業治理模式中的一個環節或一項綜合技術,其考慮的是農業面源污染的治理,而治理后如何運作則缺乏相應的對策,因此在大農業體系下構建以種草為紐帶的循環農業模式用于治理面源污染具有重要的意義。
當前,以種草為紐帶的循環農業模式已成功應用于養殖場污染治理,如 “豬 (牛)- 沼 - 草 ”、“豬 (牛 )- 沼 - 果 - 草 ”等,其通過循環產業鏈的構建變養殖廢棄物為寶,在完成污染治理的同時降低生產成本，提高經濟效益。此外，在構建循環農業模式可將生態溝渠、草皮緩沖帶、人工濕地等環節合理納入，如在生態溝渠中種植產量大的飼草喂魚，在人工濕地中配置水雍菜（I pomoea aquatica)、茭白等增加經濟效益或種植牧草循環應用于養殖業，在消納廢水的同時實現經濟效益、生態效益和社會效益的有效統一。
總之，從一定層面上講，農業面源污染物是放錯地方的資源，通過將其合理利用，必定能達到增效減排的作用，而草本植物具有生長迅速、生物量大、繁殖系數高、抗性強等優點，將其應用到農業面源污染的治理中，構建以草本植物為紐帶的循環農業模式，變養殖廢棄物為寶，實現經濟效益、生態效益和社會效益的有效統一。
作者單位：1.福建省農業科學院農業生態研究所;2.福建省丘陵地區循環農業工程技術研究中心。
中國鄉村發現網轉自：《草業科學》2017年第2期
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