太湖流域农业面源污染及控制研究进展

摘要: 太湖及其流域的水环境质量呈现严重恶化趋势,农业面源污染是太湖流域水体环境恶化的主要原因之一。论文通过文献分析,总结了太湖流域农业面源污染的影响因素、相应的治理措施以及农业面源污染控制的特点。结果表明:①虽然太湖流域典型区域的面源污染影响及排污系数的研究较多,但是着眼于太湖流域整体的农业面源污染负荷总量的研究并没有明确答案;②农业面源污染的治理技术研究较多,但将这些自然科学成果应用到实际的管理实践中的政策研究较少;③对农田面源污染的研究较多,对畜禽渔业养殖废弃物处理的研究比较薄弱,并且两者没有很好地结合起来进行研究;④虽然已经有了一些关于农业面源污染控制管理的讨论,但缺乏管理实施标准的研究;⑤围绕农业面源污染治理的主要手段都与农户行为有关,例如土地利用方式、耕作方式等,但现在很少有从环境污染主体即农户行为的角度去研究如何减少环境污染。

关键词 :农业面源污染;农业面源污染控制;农业面源污染研究综述;农业面源污染控制政策

太湖蓝藻爆发表明太湖流域经济发展和资源环境之间的矛盾已逐渐凸显并且愈发尖锐[1-2]。从20世纪80年代后期太湖北部梅梁湾就开始频繁暴发蓝藻水华,到2006年水华暴发面积占太湖总面积的一半以上[3-5];太湖水体水质超标率也从2001年的65%上升到2006年的95%[6]。太湖水体水质低下只是太湖流域水环境恶化的一个方面,流域河网水质也呈现严重恶化趋势。太湖流域所覆盖的各行政区内受污染的河流占水系总长的比例均在80%左右,如上海为87%～92%,江苏省为82%～87%,浙江省为72%～79%[7]。太湖流域的水环境恶化对该流域工农业生产和城乡居民生活造成了严重影响。近年来,太湖流域工业点源污染整治力度加强之后,农业面源污染对流域水环境的贡献及其治理受到越来越多的关注[8]。农业在极大地满足城乡生活的同时,过量的化肥农药投入、畜禽粪便排放给水环境带来极大的影响。然而,不同学者计算的农业面源污染贡献率存在很大的不同,总氮的贡献在34%～52%,总磷的贡献在17%～54%[8-9]。虽然可以看出农业污染的影响正在成为继工业污染和城市污染之后的最大污染源之一,但流域农业面源污染流失量有多少,达到什么样的水平仍然没有明确的计算结果,这与计算过程和方法不清晰、种植业和养殖业的排污系数或流失系数的选择范围较大有关。

本文围绕农田种植和畜禽养殖这两个主要的农业污染源,总结了影响太湖流域农业面源污染的影响因素、排污系数及相应的治理措施,分析了流域农业面源污染控制的现状,并对未来的研究方向进行了展望。

1 太湖流域农业面源污染的影响因素

1.1 太湖流域种植业污染的影响因素及排污系数

1.1.1 化肥过量使用

不少学者通过典型区的实地调查、采样分析试验以及文献分析等方法研究了太湖流域农田化肥的利用及污染,证实了化肥过量使用是种植业面源污染的主要因素之一,农田径流中N、P流失量与肥料投入水平显著相关。自20世纪80年代初以来太湖地区农田生态系统中的氮、磷一直处于盈余状态,养分高度集中,大田作物施肥量甚至达到纯氮600 kg/hm2,远远高于作物实际需要量[10]。90年代中后期以来,农田的氮剩余量虽然有所下降,但是下降的幅度并不是很多,这是为何太湖上游地区在工业点源得到控制,而湖泊水质仍然没有得到根本好转的一个主要原因[11]。

1.1.2 不同土地利用方式

不同土地利用方式对氮磷施肥量的需求不同、植被覆盖度不同,必然对氮磷养分流失产生不同影响。有研究表明,相同降雨条件下,菜地的产流时间最长,其余依次为稻田、竹林、草地和桑园;草地的氮流失量最大[12]。还有研究表明,菜地的多场降雨径流平均浓度高于板栗林、竹林和旱地,悬浮态颗粒磷的浓度从高到低依次为板栗林、竹林、菜地和旱地,并且悬浮态颗粒磷占到水相总磷的76%～89%,总无机磷占水相总磷的 57%～85%,浓度高低顺序依次为竹林、菜地、板栗林、旱地,总有机磷浓度高低排序为菜地、旱地、竹林、板栗磷[13]。旱地土壤磷较水田更易流失的机理在于尽管旱地土壤对磷的固定能力略高与水稻土,但旱地土壤的有效磷水平普遍高于水稻土,因而前者磷的吸持饱和度(DPS)要大大高于后者,因此旱地土壤中的磷被淋溶,或者或以溶解态随径流流失的风险和数量也显著高于水稻土。

1.1.3 农田管理方式

地表管理与施肥方式对太湖旱地氮磷流失的影响也很重要,如通过采用地表覆膜、秸秆覆盖、肥料条施及穴施等耕作管理方式则分别可降低60.3%、59.8%、50.1%、52.4%的氮流失和90.5%、86.5%、80.2%和80.5%[14],或者将田埂高度由6 cm增加到8 cm则将使稻季径流量和氮素径流排放分别降低73.4%和约90%[15]。

1.1.4 气候及自然地理因素

面源污染具有季节特征。王鹏等[13]等的研究则表明环太湖丘陵地区农田氮素随地表径流的时间输出特征为秋冬季地表径流中总氮的平均浓度高于春夏季,这与各个季节的降水量和平均气温有关。地统计学方法的研究也发现,有机质、全氮和速效磷具有很强的空间相关性,说明太湖地区的一些土壤养分受母质、地形、土壤类型等自然的结构性因素影响较大[16]。

1.1.5 种植业的氮磷污染物排放系数

目前,农业面源污染负荷的计算多采用输出系数方法(也称排污系数法)。由于不同研究者关注排污系数影响因素的侧重点不同,通过太湖流域典型地区的监测或试验研究,得到一系列不同条件下的污染物排放系数(表1)[14,17-18,19-32,33]。

这些排污系数主要是水田的水旱轮作或旱地种植不同作物在一年内向水环境所排出的氮、磷污染物。根据排污系数研究所侧重的内容、应用的方法不同可以分为四组:不同土地利用的自然降雨条件下的小区试验、不同土利用的自然降雨条件下的流域监测、不同化肥施用量影响的自然降雨条件下的小区试验、不同土地利用的小区人工降雨试验。对比不同分组可以发现,氮的排污系数约在10～20 kg/hm2,磷的排污系数约在1～5 kg/hm2,但小区人工降雨试验的氮磷排污系数异常巨大,这与人工降雨试验的研究尺度、试验方法是有直接关系的,这种方法忽略了坡度和地表覆盖度,适用的空间尺度小,比较适用于坡面流物质输移的机理研究。自然降雨条件下不同土地利用类型的流域监测实验试图模拟流域干流的污染物实际监测值,它对农业污染的计算易受到流域内其他自然经济因素的影响,比较适用于土地利用类型较为简单的流域面源污染负荷的计算;自然降雨条件下不同土地利用或不同化肥施用量的小区试验比较适宜于研究污染负荷因素的影响,但大部分的排污系数只区分了水田和旱地两种类型,具体到不同作物的排污系数的研究结果比较少。不同排污系数的适用性可在考虑研究地点所处位置、研究结果要求、土地利用类型和作物种植类型的基础上进行筛选使用。

1.2 太湖流域养殖业污染的影响因素及排污系数

1.2.1 养殖业的快速发展带来的影响

养殖业的快速发展、畜禽粪便处理不力、畜禽的规模化发展、土地利用的变化趋势是太湖流域粪便废弃物污染的主要原因。60年代以来我国畜禽养殖业快速发展的同时,在地表径流、运输和利用等各个环节都对环境产生了污染[34]。首先,饲养过程中畜禽粪便排放形成的废弃物、食物残渣以及清洁饲养圈所产生的污泥水,经受雨水冲刷形成地表径流后造成环境污染;其次,粪便在堆放和储运过程中,因为降雨和其它原因进入水体形成污染;最后,粪肥归田后因为得不到有效利用,营养物质随径流进入水体而形成污染。

畜禽养殖的规模化发展逐渐成为畜禽粪污污染环境的主要问题之一。在农户散养方式下,畜禽粪污可与农户耕地较好地配套结合,粪污收集利用较高。大型规模养殖方式下,由于受到国家政策的制约,绝大部分都会建造粪污处理设施,使排放达到畜禽养殖业污染物排放标准。相比之下,中小型规模养殖场既没有受政策的严格制约,也没有足够的配套耕地可供消纳粪污,造成粪污收集利用率较低,对环境产生的影响较大。

土地利用变化趋势加剧了畜禽粪污对环境的污染。畜禽存栏量在成倍增长的同时,可有效吸纳畜禽粪便的农田面积却因农村城镇化发展和城镇建设用地而不断减少。一方面畜禽的规模化集约化发展模式造成养殖业专业户继续在某些地区集中,这种空间上的集中使得局部地区负荷量容易超过环境容量;另一方面,可消纳粪污的耕地面积仍在持续减少,加剧了粪污对环境的污染。张绪美等[35]的研究表明江苏省畜禽粪便污染日益严重;钱秀红等[36]在太湖流域的杭嘉湖水网平原的研究表明,除了杭州市以生活污染居第一位外,其余9个市县均以畜禽粪尿污染居第一位。

我国一直比较重视推动旨在减少粪污污染增加生物质能的沼气工程,沼气工程一定程度上可以减少粪便在堆放、储运和归田过程中的流失,但在太湖这样的经济发达、人多地少的地区其推广存在难度。

还有一些相关问题,例如畜禽粪便利用率低、大部分的畜禽养殖场布局不合理、缺少相应的污染防治措施和治理投资、没有足够的配套耕地用以消纳粪便、在全国范围内还没有统一的畜禽饲养场污水排放标准等。

1.2.2 养殖业粪污排放系数

目前不同学者对养殖业排污系数的计算方法基本上采用两种公式:即

养殖业排污量=a畜禽年养殖数量×b年排泄系数×d畜禽养分含量×e流失率,或:

养殖业排污量=a畜禽养殖数量×b养殖时间×c日排泄系数×d畜禽养分含量×e流失率

以上两式在理论上是相同的,但因方程式右边的每一个变量都有不同的计量方法使得最终的计算结果可能有所不同。

(1)畜禽养殖数量和养殖时间。存栏量、出栏量和养殖量三种指标都分别被用以表示畜禽养殖数量。张绪美[35]认为畜禽的存栏量可被视为一年中一个相对稳定的饲养量,相对应地,养殖时间就是365天。黄沈发[36]、刘培芳[37]等人将不同生长期、不同种类的禽畜,转换为已知排泄系数动物的相应量,然后根据全年畜禽饲养量计算出本区畜禽粪便污染物的年产生量。无论用存栏量还是饲养量代表畜禽养殖数量都可能存在偏差:如果每年的出栏次数大于1,那么存栏量就不足以代表当年的稳定饲养量;同样,如果每年的出栏次数小于1,用饲养量(存栏量+出栏量)来代表畜禽养殖数量,将会重复计算当年处于存栏而次年将出栏的畜禽数量。

更多的学者则是则根据生长周期确定饲养量所用指标[38-40]。对于出栏时间大于1年的畜禽如奶牛、马、驴、骡、蛋禽等采用年末存栏量作为饲养量,其养殖时间为365 d;但对于其它畜禽如肉牛、猪、牛、肉鸡等出栏次数小于1年的畜禽,则应利用年末出栏量表示畜禽养殖数量,相对而言养殖时间则是一个饲养周期。到目前为止,这种方法被较多地应用。

(2)排泄系数。排泄系数是指单个动物在一定时间内所排出的粪便数量。现有的排泄系数有两类:一是以年为单位所估测的排污系数;二是以日为单位所估测的排污系数。前者通过对各类畜禽饲养的调查辅以其它专家资料的调整获得[41]。后者也是目前为止大多数学者所采用的日排泄数据,利用这一数据乘以饲养期就可得到较为精确的粪便排泄量。通过对比每头(只)畜禽的粪污排泄量可以看出,文献[40]的年排泄量数据较其它几组较为异常(表2)。

(3)畜禽粪便的养分含量。不同来源的养份含量也因观测者的不同、观测手段的不同存在较大差异。养份含量资料的主要来源有《农业技术经济手册》[43]、《中国有机肥料养分志》[39]、和《家畜粪便学》[44]等(表3)。相比之下,中国有机肥料养分志的总氮和总磷含量尤其偏高。

(4)流失率。流失率是指畜禽粪便在堆放、冲洗过程中流失到水体中的比率。中科院南京环科所所估计的粪便流失率保持在2%～8%,而液体排泄物可能达到50%[49]。国家环保总局认为这一估计比较保守,而上海市环境保护局的报告认为市郊畜禽粪便的流失率为30%～40%[37]。

在实际计算时,粪污流失率还需要区分是否规模养殖和有无沼气的情形。如无法明确区分,则可以采取在公式中加入规模养殖比例和沼气比例。例如许俊香则通过区分养殖规模,根据专家建议,农户饲养的流失率为30%左右,中小型规模养殖的流失率为65%左右,而大型规模养殖的流失率为50%左右[39]。

从以上可以看出,计算畜禽粪便对水环境产生的污染还存在很多不确定的问题,主要是因为畜禽粪便流失量直接受制于以上几个因子的选取,而以上几个因子尤其是排泄系数和流失率仍存在很大变数。目前我国很多研究都引用了《全国规模化畜禽养殖业污染情况调查及防治对策》[42]一书中的相关方法和系数。

2 太湖流域农业面源污染治理技术

学术界在如何治理太湖水体环境污染方面做了大量的工作。控制农业面源污染最有效和最经济的方法是从源头上减少农业面源污染[17],主要方法包括科学施用化肥、调整土地利用方式和耕作方式、加强畜禽养殖废弃物管理等;关键区治理和最佳农田管理对于提高农业面源的管理效率也是较好的选择。

2.1 科学施用化肥

化肥集约利用是农业面源污染的主要原因之一,改进氮肥施用技术、平衡施肥等是减少农田环境污染的重要途径[33]。不少学者研究了化肥用量和养分流失的关系,为合理施用化肥提供了科学依据,但不同学者所得到的“最佳经济施肥量”、“生态经济施肥量”有很大的差异,太湖流域氮肥的生态经济施肥量在235～350 kg/hm2左右[45-46];而经济施氮量可能为405～495 kg/hm2[47]。

由于土壤钾素匮乏是农作物产量进一步提高的主要障碍,因此适当增施有机肥和钾肥,推广应用测土配方施肥,加强微生物肥和控效肥等新型肥料的研制和推广有助于农作物产量进一步提高而化肥用量有所减少[48],从而减轻水环境的氮磷污染。

虽然测土配方是我国科学施用化肥的重要方式,但这一惠民工程仍然存在很多困难,其中一个也是最主要的就是“小配方和大生产线”、“集中供应和个性需求”的矛盾。配方肥不同于基础肥料,它连接着肥料生产、销售和使用,同时由于配方肥针对性强,一个配方不可能大规模生产。要解决这一矛盾,有必要在税收、补贴等方面给予配肥企业一定的优惠政策。同时,资金、技术也成为制约测土配方是非的难点,如能够完成全养分检测的只有个别县。

2.2 调整土地利用方式和耕作方式

土地利用方式和耕作方式的调整对减少面源污染也有重要影响[18]。因此,首先要调整土地利用方式,减少污染较多的种植业发展,这就会涉及到农业结构调整。其次,应提倡实施保护性耕作,例如秸秆还田、秸秆覆盖是维持和提高土壤有机质从而提高作物产量的重要措施。再次,还需要合理安排农事活动时间。有研究表明降雨事件下的养分流失是农田面源污染的主要贡献期,因而这一时期应作为控制的关键因素,而降雨一般发生在夏秋季节,段亮等[14]的研究表明氮磷在6-11月向水体的迁移量占全年氮磷输出总量的83.4%和79.8%。最后,控水灌溉、筑高田埂等也有助于防止土地溶出和侵蚀[33-48]。

以上几个方面都会不同程度地影响农民的切身利益,如增加劳动时间和难度,减少农户经济收益等。如何最大程度地既调整了土地利用方式和耕作方式,又增加农民的利益减少农民的各种支出就成为当前环境和农业问题的焦点。

2.3 加强畜禽养殖废弃物的管理

减少畜禽粪便污染的手段包括以下内容:重视太湖流域农业经济结构调整,从源头上控制畜禽污染的发展;提高有机肥的施用比例;发展生态农业,通过加强对净初级生物产量的食物链衍生和内循环机制的建立,以提高物质和能量的利用率,降低污染的形成;增强基础设施建设,例如在集中的村庄建立污水排水系统,而对分散的农户采用净化槽处理;建立人工湿地或水生植物塘等;进行功能区域划分保护和加快太湖生态恢复;执行相关管理政策;加强农牧结合,使畜牧养殖与农田管理有机地结合起来[49]。

2.4 关键区域治理

对关键区或保护区的重点治理是控制面源污染的重要手段,这样可以减轻面源污染治理难度,降低治理成本。还可以通过定位设置太湖各类生物资源恢复与保护的功能区域[50],在不同等级的保护区内对各类排污单位的总氮、总磷排放实施不同的标准[51]。

2.5 最佳农田管理

近年来最佳农田管理措施受到较多的关注,尤其其中的非工程措施因为成本投入低、农民参与等特点被认为是防止或减少面源污染最有效和最实际的措施。这一方法没有向处于弱势地位的农民收取任何形式的费用,防治污染同时不增加农民经济负担也是政府愿意看到的结果。它的核心是在污染物进入水体对水环境产生污染前,通过各种经济高效、满足生态环境要求的措施使其得到有效控制,包括各种工程措施如人工湿地、植被过滤带和草地、河岸缓冲带、暴雨蓄积池河沉淀塘,以及非工程措施如免耕-少耕法、合理施用化肥、农药和生物废弃物的再利用等。其中有些措施尤其是非工程性措施其实和我国一直提倡的生态农业有很多相近的地方。通过改变农田管理而不是农业结构调整更能够有效减少养分盈余[52-53],Andrés J[54]的研究结果也支持这一点。目前最佳管理措施被它的价值和应用效果仍有待进一步研究。

2.6 太湖流域面源污染控制的相关研究

与国外的农业面源污染政策不同的是,太湖流域的政策主要集中在命令和控制性政策,经济刺激性政策和参与性政策比较少。太湖流域环境污染引起关注后,各级政府也加大了太湖流域水环境污染治理力度,如工业污染达标排放管理、洗衣粉“禁磷”政策、1998年底完成的截污“零点行动”、1999年底完成的河道清淤工作、2008年开始的《太湖地区重点工业行业主要水污染物排放限值》等。这些措施主要是针对工业污染源制定的,期望通过命令控制型的行政手段出发减少从源头到末端的污染物排放。针对农业面源污染,我国也制定了一些政策、开展了一些项目,例如2003年7月国家科技部开展了863重大科技项目之一的“河网区面源污染控制成套技术”。这些政策措施也是采用命令控制型的管理方法,将工程和技术措施作为解决面源污染的主要方法。

命令控制型的农业面源污染管理政策存在效率低下的问题。从千家万户获得足够的信息而导致管理措施的实施成本太高,导致政府管制效率低下;相关污染控制标准不健全则是另一个重要原因。例如我国在2003年1月1日之后才开始执行国家环保总局制定的“畜禽饲养业污染物排放标准”,主要是面对大型规模养殖户制定的,太湖流域中小型规模养殖户的数量则占到大多数,标准施用范围不能覆盖大部分的污染来源。

近年我国学术界也开始对经济型政策措施予以关注,从农户行为的角度强调环境经济手段在农业面源污染控制中的必要性和可行性。向平安等的研究表明施肥量的改变会使农户增加0.54～1.28%的支出[55];冯孝杰等[56]强调农户经营行为对农业面源污染产生影响,何浩然等[57]认为非农就业和农业技术培训对农户化肥的施用水平产生较大影响。

总的来讲,太湖流域乃至我国的面源污染控制政策措施不健全,并且主要采用命令控制型手段,政策效率低下;从环境污染主体即农户经济行为的角度去管理面源污染的政策措施开始得到关注。

3 文献述评及现有问题探讨

3.1 文献述评

通过文献可以看出,当前已经有很多学者对太湖流域面源污染及其控制进行了研究。结果表明:①虽然太湖流域典型区域的面源污染影响及排污系数的研究较多,但是着眼于太湖流域整体的农业面源污染负荷总量的研究并没有明确答案;②农业面源污染的治理技术研究较多,但将这些自然科学成果应用到管理实践中的政策研究较少;③对农田面源污染的研究较多,对畜禽渔业养殖废弃物处理的研究比较薄弱,并且两者没有很好地结合起来进行研究;④虽然已经有了一些关于农业面源污染控制的讨论,但缺乏管理实施标准;⑤围绕农业面源污染治理的主要手段都与农户行为有关,例如土地利用方式、耕作方式等,但现在很少有从环境污染主体即农户行为的角度去研究如何减少环境污染。

3.2 科学问题

未来的研究方向至少可以从以下三个方面进行考虑:

(1)太湖流域农业面源污染防治研究有助于太湖流域水环境治理的高效、公平,着眼于太湖流域农业面源污染的负荷及控制政策研究已经迫在眉睫。从局部治理走向流域全局治理,是今后太湖流域水污染防治的必然趋势。通过利用科学合理的排污系数,对太湖流域的农业面源污染负荷及其结构进行核算,有助于政府判断农业面源污染的影响程度,把握面源污染管理的力度,确定面源污染治理的技术方法和管理方法。

(2)从环境管理行为的主体即农户的角度对农业面源污染进行控制和管理。我国应对面源污染的主要措施大部分是从农户行为例如农业结构、农业生产方式的角度进行研究,但其管理则主要是以命令和控制为主的行政干预手段进行,防治和管理存在错位。因此,有必要从环境行为主体即农户的角度通过调整农户经济行为减少农业面源污染。

(3)农业面源污染相关标准研究非常重要。我国主要以命令控制型手段作为主要管理措施,但管理效果很不明显。这可能与设计标准和实施标准不规范有一定关系。例如农牧/牧渔结合是处理畜禽粪便的最佳方式之一,即使社会发展到今天,这一传统的方法仍然是国内外都提倡的效率高成本较低的面源污染管理方式,但实际操作中并没有合适的标准可以依据。再例如每公顷施用225 kg纯养分作为施肥的安全上限,中国幅员辽阔,耕作制度差异很大,这一“剪刀切”的标准是值得怀疑的。

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Review of Agricultural Nonpoint Pollution in Taihu Lake and Taihu Basin

YAN Lizhen1 SHI Minjun1,2

WANG Lei1

(1.Graduate University of the Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China;

2.Research Center of Fictitious Economy and Data Science,CAS, Beijing 100190,China)

Abstract The water quality is in a deteriorating trend in the Taihu Lake and Taihu Basin, and the agricultural nonpoint pollution contributes a lot to it. According to the literature reviewed, the article analyzes the cause of nonpoint pollution and the corresponding measures. It shows that: ①Although there has been a lot of literature about impact and reason of the nonpoint pollution in typical regions, there is still not a definite answer to how much the agricultural nonpoint pollution load in Taihu Basinis. ②A lot of researches have been made on the appropriate technology to abate the nonpoint pollution, but there is still lack of researches on control and economic policy based on those natural scientific outcomes. ③A lot of researches have been made about farmland pollution,but there is still lack of study on treatment and resource utilization of excrement in breeding industry, and lack of the combination of the both sides to treat the pollution. ④A lot of discussions were focused on the management and control about the nonpoint pollution, but there is still lack of researches about the implementing standard.⑤ The major measures to treat nonpoint pollution having a close relation to household activity, however, there is few household activityoriented researches on the pollution abatement.

Key words agricultural nonpoint pollution(ANPS); management of ANPS;review of ANPS; policy of ANPS