洱海流域農業面源汙染研究進展

2021-09-23 09:45:36 DianjiangHK 1

摘要:

      農業面源汙染控製是洱海水質保護必須直面的不可逃避的問題。在系統調研洱海流域農業面源汙染領域研究成果的基礎上,歸納了洱海流域不同農業產業、行政區域、農用地、入湖河流和入湖河口濕地農業面源汙染分布及特征,介紹了洱海流域農業面源汙染研究采用的技術,總結了入湖河口濕地、農田灌排溝渠和湖濱緩沖帶對洱海流域農業面源汙染治理產生的積極作用,闡明大蒜不合理的施肥和輪作模式,奶牛、豬和肉牛等大牲畜的養殖以及土地利用的頻繁改變等是導致洱海流域農業面源汙染負荷產生的主要原因。通過合理的化肥減量施用、有機肥替代化肥、水稻-蠶豆輪作以及蠶豆間作大蒜模式,既能削減農業面源汙染負荷,又能保證作物優質適產。針對洱海流域農業面源汙染綜合防治存在的問題,提出今後應加大農村生產生活、入湖河流生態系統以及養殖業等對洱海流域農業面源汙染影響的研究。

關鍵詞:

洱海流域;農業面源汙染;水質;治理技術

       洱海是雲南省大理白族自治州的生命源泉,供給大理80萬人的飲用水,具有供水、農灌、發電、調節氣候、漁業、航運和旅遊7大主要功能。近20年來,隨著流域經濟的快速發展,汙染負荷入湖量不斷增加,使洱海水質下降,富營養化持續加重[1]。大量研究表明,農業面源汙染是洱海氮磷汙染負荷的來源之一,其中洱海流域內來自農村生產生活、畜禽(水產)養殖和農田的面源汙染是農業面源汙染的主要來源[2-3]。農村生產生活面源汙染主要來自於排泄物(人糞尿)、固體廢物垃圾和分散式生活汙水的排放,通過地表徑流滲濾進入水體,加劇洱海富營養化[4-5];大量畜禽廢棄物未加以利用,集中排放以及水產養殖過程中投肥投餵和不合理的飼養方式是導致畜禽養殖面源汙染和水產養殖面源汙染發生的主要原因[5];農田面源汙染則主要來源於農田盈余氮磷養分、農藥等有機或無機汙染物從田塊或區域等非特定地域,通過雨水沖刷和地表徑流土壤滲濾進入洱海造成的汙染[4,6]。

      近年來,洱海流域農業產業中大蒜種植以及奶牛、豬和肉牛等大牲畜養殖是流域主要的農業汙染源[7]。在不同行政區域間,洱海流域北部7個鄉鎮(洱源縣牛街鄉、三營鎮、茈碧湖鎮、鳳羽鎮、右所鎮、鄧川鎮和大理市上關鎮)總氮(TN)和總磷(TP)排放量最高[7]。同時建設用地面積的持續增長和耕地面積的不斷減少等原因[8-9],導致洱海流域氮磷負荷不斷增加,農業面源汙染持續加重。根據存在的問題,政府通過禁種高肥水農作物、禁養區養殖場關停搬遷、推廣綠色生態種植等相關措施削減農業面源汙染負荷,改善洱海水質。但因洱海流域農業面源汙染涉及範圍廣,生產形勢以單個農戶家庭小規模經營為主,分散性、隨機性、隱蔽性和不易溯源性較強,監管和防治難度很大,嚴重製約了大理州現代農業的發展[5,10]。因此,在洱海流域開展農業面源汙染防治工作對水汙染治理、水生態保護以及水資源管理具有重要意義。為此,筆者將近年來洱海流域農業面源汙染的研究成果進行概括總結,梳理了洱海流域農業面源汙染的影響因素,並針對當前洱海流域農業面源汙染研究存在的問題,提出了今後的研究方向,以期為推進洱海流域農業面源汙染治理、改善水生態環境提供理論依據。

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1 洱海流域農業面源汙染分布狀況及特征

   洱海流域是大理州糧食和經濟作物以及畜牧養殖的重要產區。主要種植的農作物包括水稻、烤煙、蠶豆、玉米、土豆、大蒜、蔬菜、油料和茶果等,主要養殖的牲畜包括肉牛、奶牛、生豬、羊、肉禽和蛋禽等[7,11]。若僅將農業面源汙染分為種植業和養殖業汙染,則種植業和畜牧業汙染分別占洱海流域水環境汙染負荷總量的52.74%和 47.26%[10]。TN 和TP 是 衡 量 洱 海 流 域 農 業 面 源 汙 染 負 荷的關 鍵因素[10,12]。流域農業各產業中經濟作物種植( 大蒜)和大牲畜養殖( 奶牛、豬和肉牛)對農業TN 和 TP 的貢獻率最高,排放量分別占全流域農業產業的74%和 87%[7]。大 蒜 的 種 植 以 及 奶 牛、 豬 和 肉 牛 的 養殖,在產生可觀經濟效益的同時,也產生了大量農業面源汙染[10,13]。例如,以大蒜為主的經濟作物的不合理施肥是導致農田氮素流失的主要原因[13]。

   從行政區域來看,洱海流域農業面源汙染TN和TP排 放 量 在 不 同 鄉 鎮 之 間 均 有 明 顯 差 異 ( 表1[7] )。洱海北部7個鄉鎮( 主要包括洱源縣6個鄉鎮和上關鎮) 農業 TN 和 TP 排放量最高,占全流域農業排放量的48%和44%,對洱海流域汙染影響最大;其次是西部( 喜洲鎮、灣橋鎮、銀橋鎮和大理鎮)和南部( 鳳儀鎮、下關鎮和開發區);東部區域( 雙廊鎮、挖色鎮和海東鎮)TN、TP排放量最低[7]。


2 農業生產方式對洱海流域農業面源汙染的影響

 2.1土地利用方式對洱海流域農業面源汙染的影響研究技術

 土地利用方式對洱海流域農業面源汙染的影響是科學研究的熱點和難點。如表2[8-9,14-17] 所示,有關這方面的研究所使用的技術主要有遙感監測技術( Landsat) 、智能體地理信息系統( geographic information system GIS) 和數字高程模型( digital elevation model,DEM),評 估 模 型 為 水 土 流 失 評 估 模 型(soil and water assessment tool,SWAT) 。


2.2 土地 利 用 方 式 對 洱 海 流 域 農 業 面 源 汙 染 的影響

 近20年,土地利用方式頻繁改變導致洱海流域生態風險指數和高風險區域面積( 建設用地) 持續增多( 增加 35.27%),低風險區域面積持續減少( 耕地面積減少 19.28%),土壤保水保肥能力減弱,生態風險空間分布由主要沿流域外沿分布轉變為以環洱海地帶為重心的多極分布,造成洱海水質不透水面覆蓋度(指在地表單位面積中所存在的不透水水面面積占地表面積的比例[18]) 從 11.6% 上升到19.8%,洱海流域氮磷負荷不斷增加,農業面源汙染持續加重[8-9,14-16]。 若將土地利用類型劃分為林草地、水田和旱地,則3 種農用地對洱海流域農業面源汙染影響由強到弱為旱地>水田>林草地[17]。若將土地利用類型劃分為菜地、稻田和苗木地,則3種農用地對農業面源汙染影響貢獻率從大到小依次為菜地>稻田>苗木地[19] 。

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2.3施肥對洱海流域農業面源汙染的影響

不合理的施肥方式是加劇洱海富營養化的重要原因之一[13]。而合理的化肥減量施用、有機肥替代化肥以及施用相應作物專用緩釋摻混肥(BB肥)等措施,既能保證作物穩產和高產,又能有效削減農田氮磷排放,降低洱海水體富營養化風險[20-25]。研究表明,洱海北部地區水稻施氮量以228.26~304.34kg·hm-2為宜[20],能保證水稻穩定高產,且環境可承受。減量施肥30%(N施用量為135kg·hm-2)且3次施肥模式(基肥、蘗肥和穗肥質量比為5∶3∶2)能有效降低面源汙染產生的風險[21]。研究證實,水稻基肥施用尿素後5~9d是控製氨揮發損失的關鍵時期[22]。此時期應嚴格控製水稻田氨揮發,以減少水土富營養化和土壤酸化。蔬菜有機肥施用量減少72%(施用量為20800kg·hm-2),能滿足蔬菜的正常生長[23]。因此,在保障作物優質適產的前提下,適當減少有機肥施用量,可以削減農業面源汙染產生的風險。洱海流域土壤肥力水平較高的露地蔬菜青筍,施肥量建議在合理減施有機肥和氮肥(有機肥施用量為20833kg·hm-2,N施用量為375kg·hm-2)基礎上,適量增施磷鉀肥(P2O5,167kg·hm-2;K2O,375kg·hm-2)[24],以增加產投比。洱海北部中等和高等肥力農田大蒜的合理施氮量為345~545kg·hm-2[25],既增加了農田經濟效益,又提高了氮肥利用率。


2.4輪作對洱海流域農業面源汙染的影響

輪作是指在同一田塊上有順序地在季節和年度間輪換種植不同作物或復種組合的種植方式[26]。洱海流域主要包括大蒜-水稻、大蒜-玉米、蔬菜-蔬菜、蠶豆-玉米、蠶豆-水稻、大(小)麥-玉米、馬鈴薯-水稻、苕子-水稻、洋蔥-水稻和豌豆-水稻10種輪作模式[27-29]。除水稻-蠶豆輪作方式下氮磷養分基本保持平衡外,其余9種種植模式均出現氮磷養分盈余的情況。其中,大蒜-水稻輪作模式有機肥和氮肥投入量和蔬菜-水稻輪作模式磷肥投入量顯著高於其他模式,養分盈余量也最大,N和P2O5盈余量分別為1258.8和1472.7kg·hm-2[29-30]。因此,大蒜-水稻和蔬菜-水稻輪作模式對洱海流域農田環境汙染風險較高,需要重點防控[13,28-31]。另外,若洱海流域輪作模式均為水旱輪作,則總氮汙染負荷可削減42%,洱海水質可提高5.61%[32]。


2.5間作對洱海流域農業面源汙染的影響

間作指在同一田地上同一生長期內,分行或分帶種植2種或2種以上作物的種植方式[26]。由於洱海流域大蒜經濟效益較高,為合理協調作物生產的環境效益與經濟效益的矛盾,湯秋香等[28-29]研究發現,與大蒜、蠶豆單作相比,蠶豆間作大蒜模式(蠶豆帶寬與大蒜帶寬之比為1∶3)可兼顧經濟和環境效益,是環境友好型種植模式。


2.6農田灌排溝渠對洱海流域農業面源汙染的影響

農田灌排溝渠能有效地去除氮磷汙染物,是受人類活動影響的半自然化的濕地生態系統[33],對TN、TP、NH4+⁃N和COD削減率分別為41.50%、50.00%、44.50%和46.90%[34]。洱海流域現有大量灌排溝渠,用來滿足農業生產區農田地表水灌排和村莊排水的需要,是入湖河流的重要組成部分。謝坤等[35]選定豐水期典型農灌溝渠,從削弱汙染負荷角度建議增加生態溝渠並加強汙水管網管理,發現溝渠中TN和COD是水體主要汙染因子,而NO3--N是水體總氮的最主要形態。


3入湖河流對洱海流域農業面源汙染的影響

3.1洱海流域入湖河流農業面源汙染分布特征

入湖河流是洱海汙染負荷的主要輸入途徑,也是洱海保護與治理的重點與難點[36]。其中,北部入湖的彌苴河、羅時江和永安江是洱海汙染物的主要來源之一[14,37-38],這與洱海流域農業面源汙染分布特征中北部TN、TP排放量高的結論一致。2015年納入考核的7個省控監測斷面水質均較差,彌苴河江尾橋、白石溪白石溪橋和萬花溪喜洲橋3個斷面水質為IV類;羅時江沙坪橋、白鶴溪豐呈莊和波羅江入海口3個斷面水質為V類;永安江江尾東橋斷面水質為劣V類。洱海枯水期水質狀況優於豐水期,枯水期北部湖區水質狀況優於南部,豐水期南部湖區水質狀況優於北部[3]。項頌等[39]研究表明,對入湖河流水質影響最大的空間尺度為小流域尺度,河岸帶30m緩沖區次之,60和90m緩沖區則相對較弱。以洱海流域3大主要入湖水系北三江水系(彌苴河、羅時江和永安江)、蒼山十八溪和波羅江為研究對象,結果表明,入湖河流水質存在時空差異,整體水質雨季較差,氮磷重汙染區域為波羅江水系,蒼山十八溪水系次之,北三江水系氮磷濃度相對低,但季節性差異顯著[40]。


3.2洱海流域入湖河口濕地農業面源汙染分布特征

河流入湖河口濕地是入湖河流汙染物進入湖泊前最後一道屏障,對入湖汙染物TN、TP、NH4+⁃N和NO3-⁃N等均具有良好的去除效果[41]。永安江鄧北橋濕地對TN、TP負荷的削減量分別為7.3和0.42t·a-1[42]。2015年以來,羅時江大多屬於V類或劣V類水質,是洱海流域汙染最嚴重的河流[10]。孟文娜[43]研究表明,羅時江河口濕地對TN、TP、NH4+⁃N和NO3-⁃N的平均去除率分別為66.4%、60.3%、60.4%和73.2%。同時,羅時江河口濕地不同水生植物表現出不同的水質凈化能力,其中,水芹(Oenanthejavanica)對TN和TP凈化能力最強[43]。羅時江河口濕地春季水質最差,達到重汙染級別,秋季和冬季次之,水質級別為較好,夏季水質屬於良好水平[44]。羅時江河口濕地沈積物營養鹽幹季汙染水平較濕季高,且幹、濕季均以表層汙染風險為最高,底層最低,幹季以外源為主,濕季以內源為主[45]。


4湖濱緩沖帶對洱海流域農業面源汙染的影響

湖濱緩沖帶是指利用永久性植被攔截汙染物或有害物質的條狀受保護的土地,是一類水土保持和面源汙染控製的生物治理措施的總稱[46-47]。研究顯示,TN和TP是影響洱海緩沖帶內水質的主要汙染因子[48]。為攔截汙染物,2015—2018年在洱海流域周邊新建了200多個生態庫塘系統作為湖濱緩沖帶。研究表明,相較於進水水體汙染物濃度,多級生態庫塘-濕地對水體中氮磷營養鹽有較好的凈化效果,尤其是多級串並聯生態庫塘對水體凈化效果較好。庫塘對低汙染水氮磷凈化也有效果,其與凈化塘和季節有關,這些凈化塘(沈澱塘、凈化塘和穩定塘)中,凈化塘除汙效果較好,穩定塘對水體凈化效果最不理想;旱季庫塘系統對汙染物的去除效果優於雨季,旱季間歇性斷流有利於庫塘系統中氮磷汙染物的去除[49]。在洱海流域多級生態庫塘中,對氮磷去除效果最好的浮水植物為荇菜,挺水植物為蘆葦。其中,荇菜對氮磷去除能力可達78.4%和92.3%,蘆葦對氮磷去除能力可達74.0%和96.6%,蘆葦對氮的去除貢獻率表現出較大的季節性差異,而荇菜差異較小[48,50]。另外,張聞濤[48]研究還表明,洱海流域三葉草(Oxalis)和草本植物緩沖帶對生活型農業徑流中氮磷的去除效果優於高羊茅(Festucaarund)草坪緩沖帶和百慕大(Cynodondactylon)草坪緩沖帶。


5其他因素對洱海流域農業面源汙染的影響

除了土地利用方式、入湖河流和湖濱緩沖帶外,洱海流域農業面源汙染的影響因素還包括氮磷沈降、氮磷沈積物釋放通量、氮形態和含量、農戶行為和生態補償機製等。研究表明,洱海流域稻季單次降水TN、TP濃度和濕沈降通量與降水量均呈極顯著線性正相關關系,TN、TP濃度和濕沈降濃度總體上隨降水量的增大而減小,同時與是否發生連續降水及是否大規模施肥有關。對氮素濕沈降而言,洱海流域稻季氮素濕沈降以NH4+-N為主,NH4+-N和NO3--N濕沈降分別占總氮沈降量的53.1%和20.6%[51]。劉思儒等[52]研究表明,在藻類水華高風險期,洱海沈積物氮磷釋放通量空間差異較大,其中,TN釋放通量呈南部>北部>中部的趨勢,TP釋放通量呈北部>中部>南部的趨勢。因此,建議洱海保護應關註水體因子變化導致的沈積物氮磷釋放增加的問題。另外,羅時江河口濕地運行10a後,濕地沈積物NH4+⁃N釋放通量(270.60mg·m-2·d-1)在培養3d時最小,建議洱海流域秋季和冬季濕地水力停留時間為3d[53]。洱海近岸淺層地下水中氮形態和含量對洱海水質的影響也較為關鍵[54]。研究證實,洱海近岸淺層地下水TN、NO3-⁃N和NO2-⁃N濃度隨海岸線的靠近不斷增加,但NH4+⁃N濃度則相反。雨季淺層地下水中氮的種類比旱季多,NO3-⁃N(濃度≥79%)是淺層地下水的主要汙染物;淺層地下水中氮濃度(≥70%)較高,僅有約10%的NO3-⁃N和NH4+⁃N的吸附與土壤質地和孔隙度有關[54]。農民是否有支付農業面源汙染防控的意願,對農業面源汙染防治效果產生很大影響[55]。為激勵奶牛散養戶向適度規模養殖轉變,有效防控與治理畜禽養殖汙染,王娜娜[56]估算了洱海流域上遊環保支付意願,結果表明,上遊奶牛養殖農戶收入普遍偏低,對環境汙染問題的認知程度不高,但是環境保護意願比較高,支付意願偏差較大,介於106.69~131.72元·a-1·戶-1之間,年齡較大的農戶更願意將奶牛散養轉變為規模化飼養。生態補償是經濟發展過程中的一種經濟手段,目的是為了改善汙染地區的生態環境質量[57]。趙潤等[58]對洱海流域農業生態補償機製進行研究,結果表明,試行資金補貼、技術補償和智力補償等補償方式,實施種植業產業結構調整和畜禽糞汙的資源化利用,可有效削減氮、磷等汙染物排放量,降低畜禽廢棄物對洱海水體的汙染。同時通過宣傳、培訓等方式,加強農民群眾和農技人員在思想上的認識,能產生良好且積極的效果。


6研究存在的問題與改進建議

6.1研究存在的問題

已有的研究成果,包括洱海流域農業面源汙染分布特征以及土地利用方式、入湖河流和湖濱緩沖帶等對農業面源汙染影響的研究,對削減洱海流域氮磷負荷,改善流域農業面源汙染狀況具有非常重要的意義。但由於洱海流域農業面源汙染治理起步晚,治理技術相對落後,因此,以往研究多為單一的治理模式和治理措施,主要不足包括:

(1)有關洱海流域農村生產生活究竟對農業面源汙染的影響有多大的報道較少;

(2)綜合研究洱海流域面源汙染產生的機製,治理過程和效果,及治理技術和政策等的成果較少;

(3)在研究入湖河流水質健康現狀方面,以往學者主要將關註的焦點放在不同斷面對流域農業面源汙染的影響上,但對河道內水生植物、動物以及微生物多樣性和生態系統功能多樣性則鮮有關註;

(4)在研究農田管理方式對農業面源汙染的影響方面,以往學者大多將化肥投入引發的汙染和不同輪作模式作為農業生產過程的結果變量,幾乎未采取計量方法定量研究化肥面源汙染對農作物產生的懲罰效應,與此同時,幾乎未考慮灌溉和排水條件下化學物質的遷移和轉化對農業面源汙染的影響;

(5)僅關註庫塘和羅時江入湖河口濕地系統的削減作用,很少關註其他緩沖帶(植被、林地、流域內其他入湖河口濕地)對農業面源汙染的削減作用;

(6)較多地關註種植業對洱海流域農業面源汙染的影響,幾乎未關註養殖業對洱海流域農業面源汙染的影響。


6.2改進建議

為降低農業面源汙染的風險,改善農業生態環境,構建完整的洱海流域農業面源汙染治理體系。未來需要在6個方面加強相關研究和探索:

(1)積極采用田間試驗和調查研究分析的方法,研究農村生產生活所產生的汙染對洱海流域農業面源汙染的影響;

(2)將研究重點聚焦在洱海流域面源汙染產生的機製,治理過程和效果,及治理技術和對策等方面;

(3)探索入湖河流生物多樣性(水生動物、植物和微生物)和生態系統功能性對水質的影響;

(4)探索洱海流域農業面源汙染物流失的途徑、類型、遷移和轉化的機製等;

(5)在綜合考慮灌溉、排水以及化學物質的遷移和轉化前提下,定量研究農田水肥遷移轉化過程,探索提出農田面源汙染生態處理技術與標準; 

(6)積極研究養殖業對洱海流域農業面源汙染的影響。


來源:

DOI:10.19741/j.issn.1673-4831.2020.0506段四喜,楊澤,李艷蘭,等.洱海流域農業面源汙染研究進展[J].生態與農村環境學報,2021,37(3):279-286.DUANSi⁃xi,YANGZe,LIYan⁃lan,etal.ProgressofAgriculturalNon⁃pointSourcePollutioninErhaiLakeBasin:AReview[J].JournalofEcologyandRuralEnvironment,2021,37(3):279-286