目前利用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自身消納農(nóng)業(yè)污染物仍是一種有效措施
作者根據(jù)中國統(tǒng)計年鑒及中國農(nóng)村統(tǒng)計年鑒的數(shù)據(jù)分析了我國由化肥、農(nóng)藥、養(yǎng)殖廢棄物等產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)污染現(xiàn)狀。結(jié)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(nóng)藥施用量同比增加了1.5倍;同時隨著養(yǎng)殖業(yè)的迅猛發(fā)展,廢棄物排放量也逐年遞增。
隨著中國經(jīng)濟的飛速發(fā)展,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式發(fā)生了深刻的變革,自給自足的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)逐漸向集約化、專業(yè)化和規(guī)模化的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變,以高投入、高產(chǎn)出、高排放為特征的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)在帶來巨大經(jīng)濟效益的同時,也帶來了一系列的環(huán)境問題。環(huán)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(yǎng)化或有毒有害等其它形式的污染。農(nóng)業(yè)面源污染是分布最廣泛且最主要的農(nóng)業(yè)環(huán)境污染之一,其主要來源于農(nóng)田施肥、農(nóng)藥、畜禽及水產(chǎn)養(yǎng)殖等。
我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(yǎng)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(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展更是加劇了這一過程,其未處理或處理后未達(dá)標(biāo)排放的糞污任意排放后造成水體污染和富營養(yǎng)化,使區(qū)域水生生態(tài)系統(tǒng)平衡遭到破壞。
由于農(nóng)業(yè)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?yōu)橛杏玫馁Y源,產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益。目前利用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自身消納農(nóng)業(yè)污染物仍是一種有效措施。
草本植物作為生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)者之一 ,具有適應(yīng)性強、生長迅速、繁殖系數(shù)高、抗性強等特點,是退化生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)的先鋒物種, 其在消納養(yǎng)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(nóng)業(yè)面源污染現(xiàn)狀,探討草本植物在治理農(nóng)業(yè)面源污染的應(yīng)用效果及治理模式,以期為農(nóng)業(yè)面源污染治理提供科學(xué)依據(jù)。
農(nóng)業(yè)面源污染的現(xiàn)狀
化肥施用及污染現(xiàn)狀
現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展離不開化肥和農(nóng)藥的高投入,據(jù)統(tǒng)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(yuǎn)遠(yuǎn)超 過發(fā)達(dá)國家設(shè)置的安全施肥標(biāo)準(zhǔn) (225kg · hm - 2 ) 。長期施用化肥導(dǎo)致土壤酸化、板結(jié),土壤微生物的數(shù)量和活性降低,土壤結(jié)構(gòu)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(yǎng)化和水生生態(tài)系統(tǒng)失衡。
農(nóng)藥施用及環(huán)境污染現(xiàn)狀
1990-2012年期間,除 2010 年農(nóng)藥施用量降低外,其它年份農(nóng)藥施用 量均呈增長趨勢。1990 年全國范圍內(nèi)農(nóng)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(nóng)藥中, 高毒農(nóng)藥占農(nóng)藥施用總量的70 %。據(jù)報道, 目前我國農(nóng)藥利用率也僅為30%左右,未被農(nóng)作物吸收的部分使我國1300~1600萬hm2 耕地受到嚴(yán)重污染。雖然自1983 年起我國全面禁用有機氯農(nóng)藥,但一些地區(qū)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(nóng)藥的過量使用也導(dǎo)致各種農(nóng)牧產(chǎn)品農(nóng)殘檢測超標(biāo),產(chǎn)生食品安全問題;還會對非靶心生物產(chǎn)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(tài)平衡。
畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染現(xiàn)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(xué)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(yǎng)殖業(yè)廢棄物中的 N、P是造成污染流域水體 N、P富營養(yǎng)化的最主要原因。據(jù) 2014年中國環(huán)境狀況公報統(tǒng)計,2014年太湖和巢湖流域IV水質(zhì) ( 適 用于一般工業(yè)用水區(qū)及人體非直接接觸的娛樂用水區(qū))占主要比例 ,分別為90%和50%,滇池10個國控點水質(zhì)均為劣V類(污染程度已超過V類的水)。太湖流域源于農(nóng)田面源、農(nóng)村畜禽養(yǎng)殖業(yè)、城鄉(xiāng)結(jié)合部城區(qū)的全磷、全氮分別為20% 、32% 、23%和30% 、23%、19% ,其貢獻(xiàn)率超過來自工業(yè)和城市生活的點源污染。
在農(nóng)村水源污染中,城市污水和農(nóng)業(yè)污染各占50%,其中農(nóng)業(yè)廢棄物污染占35% ~ 40% ，化肥污染占10 % ~15 %。2014年我國來自農(nóng)業(yè)源的廢水化學(xué)需氧量和氨氮排放量分別為1102.4 萬t 和75.5 萬t,是工業(yè)源的3.54 倍和3.25 倍。而在農(nóng)業(yè)源的污染物排放中,畜禽養(yǎng)殖業(yè)的貢獻(xiàn)率占了相當(dāng)大的比重。
草本植物在農(nóng)業(yè)面源污染治理中的應(yīng)用
植物種類
農(nóng)業(yè)有機廢棄物含有大量的營養(yǎng)物質(zhì),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(yīng)用于該類污染的治理。但是,農(nóng)業(yè)環(huán)境污染具有典型面源污染的特征,所以在農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)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(yǎng)化水體也有明顯的凈化作用,因此也可應(yīng)用于小面積面源污染的治理。
治理技術(shù)與模式
農(nóng)業(yè)環(huán)境污染治理常用的生態(tài)技術(shù)措施包括溝渠系統(tǒng)、緩沖草皮帶、生化塘及人工濕地系統(tǒng)等,其中草本植物是這些污染治理系統(tǒng)的重要組成部分,它能吸收農(nóng)田徑流中過剩的氮、磷營養(yǎng)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(tài)溝渠
生態(tài)溝渠是一種具有河流和濕地雙重特征,用于治理農(nóng)業(yè)面源污染的小型半自然化的水文生態(tài)系統(tǒng),常設(shè)于農(nóng)田周邊,用于攔截農(nóng)田排水中的氮、磷。人工種植綠色植物的生態(tài)溝渠對農(nóng)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(tài)溝渠對水稻田排水中的銨態(tài)氮、硝態(tài)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(tài)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(nóng)田排水溝渠中氮、磷吸收效果的影響, 結(jié)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(tǒng)對氮、磷的截留和轉(zhuǎn)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(guān)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(zhì)的一種由植物組成的草地生態(tài)系統(tǒng),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(diào)節(jié)微氣候等功能來實現(xiàn)對面源污染防治和生態(tài)恢復(fù)作用,因此草種的選擇及草皮緩沖帶的構(gòu)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(nóng)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(nóng)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(dá)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(jié)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(dá)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(guān),由于農(nóng)業(yè)土地資源有限,為了達(dá)到治理面源污染最佳效益,應(yīng)構(gòu)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(zhì) + 水生植物+微生物”的物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)三重協(xié)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(tài)系統(tǒng),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(tǒng)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(wěn)定床 體表面、改變水力傳導(dǎo)能力、防止系統(tǒng)堵塞、促進微生物的生長 繁殖、創(chuàng)造生物共生條件、向基質(zhì)中釋放氧氣及景觀美學(xué)作用等發(fā)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(xiàn)較小,只占全部去除量的2%~5%, 但植物在維持系統(tǒng)內(nèi)微生物生長、系統(tǒng)穩(wěn)定性、運行效果等方面作用顯著。當(dāng)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(guān)系。
對策和建議
植物的選擇
植物在農(nóng)業(yè)面源污染治理過程中發(fā)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(huán)境介質(zhì)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(fā)揮作用不盡相同,因此在農(nóng)業(yè)面源污染治理的植物選擇上應(yīng)兼顧以下原則:
1)宜選擇具生命力強、對環(huán)境適應(yīng)性好、根系發(fā)達(dá)、生物量大、生長迅速等特點的植物;
2)為了避免產(chǎn)生外來物種入侵引發(fā)的生物安全問題,在植物選擇上盡量選擇鄉(xiāng)土物種;
3)應(yīng)結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際或周邊環(huán)境特性選擇植物,如在大型養(yǎng)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(xiàn)養(yǎng)殖場廢水達(dá)標(biāo)排放,同時這些植物還可循環(huán)反饋利用于畜禽養(yǎng)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(xiàn)凈化水體的目的,同時通過觀賞植物的花、葉形態(tài)增加人工濕地的觀賞性。
治理模式的構(gòu)建
無論是生態(tài)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(nóng)業(yè)治理模式,它們僅是農(nóng)業(yè)治理模式中的一個環(huán)節(jié)或一項綜合技術(shù),其考慮的是農(nóng)業(yè)面源污染的治理,而治理后如何運作則缺乏相應(yīng)的對策,因此在大農(nóng)業(yè)體系下構(gòu)建以種草為紐帶的循環(huán)農(nóng)業(yè)模式用于治理面源污染具有重要的意義。
當(dāng)前,以種草為紐帶的循環(huán)農(nóng)業(yè)模式已成功應(yīng)用于養(yǎng)殖場污染治理,如 “豬 (牛)- 沼 - 草 ”、“豬 (牛 )- 沼 - 果 - 草 ”等,其通過循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈的構(gòu)建變養(yǎng)殖廢棄物為寶,在完成污染治理的同時降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益。此外，在構(gòu)建循環(huán)農(nóng)業(yè)模式可將生態(tài)溝渠、草皮緩沖帶、人工濕地等環(huán)節(jié)合理納入，如在生態(tài)溝渠中種植產(chǎn)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(jīng)濟效益或種植牧草循環(huán)應(yīng)用于養(yǎng)殖業(yè)，在消納廢水的同時實現(xiàn)經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益的有效統(tǒng)一。
總之，從一定層面上講，農(nóng)業(yè)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(dá)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(shù)高、抗性強等優(yōu)點，將其應(yīng)用到農(nóng)業(yè)面源污染的治理中，構(gòu)建以草本植物為紐帶的循環(huán)農(nóng)業(yè)模式，變養(yǎng)殖廢棄物為寶，實現(xiàn)經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益的有效統(tǒng)一。
作者單位：1.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所;2.福建省丘陵地區(qū)循環(huán)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心。
中國鄉(xiāng)村發(fā)現(xiàn)網(wǎng)轉(zhuǎn)自：《草業(yè)科學(xué)》2017年第2期
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