非点源污染防治技术研究进展

甄丽莎， 宋凤敏， 张亚素

(1.陕西省微生物研究所， 陕西 西安 710043； 2.陕西理工学院 化学与环境科学学院， 陕西 汉中 723000； 3.咸阳市植物检疫站， 陕西 咸阳 712000)

0 引 言

非点源污染[1](Non-point source pollution，NPSP)或者面源污染，是指时空上无法定点监测随机发生的污染物质(如农药、化肥等)以分散源的形式通过各种途径汇入水体，导致的水体污染。我国水体非点源污染的主要物质是氮和磷，分别占到总污染的81%和93%[2]。非点源污染的成因主要包括[3]：①水土流失与土壤侵蚀；②农用化学品滥用；③生活污水；④农业(种植业、畜牧业)固体废弃物。其中以农用化学品最为严重。在农业生产活动中，土壤表面及耕作层内的大量未被作物吸收利用的氮、磷等营养元素会通过农田排水、地表径流等方式进入水体，引起水体富营养化，导致藻类大量繁殖，水环境恶化，水生动物死亡[4]。由于非点源污染具有污染面积广、污染过程复杂、污染爆发不确定和污染控制难度大等特点，已经成为我国环境问题研究的活跃领域[5-6]。

经过30多年的研究，非点源污染技术经历了由初期的定性化研究向定量化研究，由统计、调查与机理研究向实用治理研究的发展阶段。就目前国内外众多的防治技术来看，大体可以分为两大类，即源防治和汇防治。

1 源防治

源防治是从污染源头控制和减少氮、磷流失，也就是所谓的管道前端治理方法。主要通过耕种措施和田间管理、施肥措施管理及产业结构调整等技术控制氮、磷的排放量和流失量，以减少非点源污染。

1.1 耕种措施和田间管理

不同的农田耕种措施和田间管理对养分吸收、利用、淋溶和流失起着重要的作用。科学的耕作技术和合理的田间管理可以减少土壤侵蚀，提高养分利用率，减少了非点源污染。

1.1.1 种植措施

采取合理密植、套作、间作和轮作等种植体系，科学布局，提高复种指数，减少土地全年和单位裸露面积，可以有效控制土壤侵蚀强度，减少非点源污染。苏伟等[7]研究表明，高密度(60万株/hm2)种植油菜可促进作物干物质的积累，提高养分利用效率，氮、磷、钾的养分吸收量分别增加了46.7%、53.6%和50.2%。陈雨海等[8]在麦田中间作菠菜，发现间作有利于提高基肥氮素利用率。

1.1.2 保护性耕作

与保护性耕作农田相比，传统耕作农田的泥沙和养分流失明显增多。传统耕作农田由于翻耕，土壤矿化作用强烈，硝酸盐的淋失明显高于保护性耕作农田。保护性耕作(少耕、免耕)可以改善土壤物理结构、土壤入渗性能和生产潜力，减少农田土壤及养分流失。WANG Xiao-bo等[9]研究表明，免耕使土壤保水能力提高8%～12%，可以减少地表径流以及可溶性氮、磷流失的可能。刘建昌等[10]综合使用模拟模型AGNPS 5.0和不确定性区间系统优化模型，在五川流域进行了控制农业非点源污染的最佳管理措施的优化设计，研究发现，保护性耕作(作物留茬30%以上)可以有效控制农田非点源污染。刘培财等[11]对洱海流域进行了研究，结果表明，较习惯施肥，免耕秸秆覆盖和秸秆翻耕使氮素利用率提高11%～20%，0～30 cm土壤硝酸盐残留减少53.0%～60.9%，显著降低氮素流失风险。

1.1.3 节水灌溉

地表径流强度和径流量在很大程度上决定了土壤养分和农药的流失。有研究[12-13]表明，水田灌溉用水量减少31%～36%时，地表排水量减少78%～90%，氮素负荷量减少76%～80%，渗漏水氮素负荷量减少34%～40%，即灌溉用水量与化肥流失量之间呈现出一定的正相关关系。因此，开展节水灌溉、控制农田灌溉水量，以水定肥，以肥调水，水肥结合，可减少农田养分和农药的流失，降低非点源污染的可能性。靳孟贵等[14]针对我国北方地方潜水位动态、农业用水的特点和农田排水特征，提出了有效防治土壤盐渍化和氮磷流失的节水灌溉措施。

1.2 施肥措施

化肥施用量大、利用率低一直是困扰我国农业生产的一个突出问题[15]。大量流失的化肥直接或间接地导致了一系列不良的环境反应。氮、磷肥的表面流失和渗漏流失直接导致地下水污染和江河湖泊的富营养化。因此，完善施肥措施是防治非点源污染的重要途径。

1.2.1 平衡施肥

平衡施肥针对我国现状，全国耕地59%缺磷，23%缺钾，14%磷钾俱缺[16]，根据不同作物品种，通过测土配肥，合理肥料中氮、磷、钾的比例以及有机-无机肥配合施用，以提高肥料的肥效，减少化肥用量，降低氮、磷流失。潘根兴等[17]提出了经济极点施肥模式，总施肥量(N+P)240 kg/hm2，氮、磷、钾的比例为3∶2∶0或1∶1∶0，可以减少30%的氮、磷肥施用量。同延安等[18]对陕西省3个不同生态区，17个市(县)的1 500多位农户进行了现状调查，同时在5个示范村示范和推广了小麦、玉米和水稻平衡施肥技术，结果表明，陕北和关中地区平衡施肥措施主要为减氮增磷补钾，同时与灌溉技术相结合，达到少量多次施肥与灌溉；陕南地区要大力补充钾肥。贾小红等[19]针对我国菜田养分状况，结合蔬菜的养分吸收规律、土壤养分的迁移和转化及环境养分供应的特点得出结论：有机肥施用于新菜田以“以氮定量”为原则，而施用于土壤有效磷过量累积的老菜田，应以“以磷定量”为原则，控制有机肥中的磷素投入，满足蔬菜各生育期的养分需求，减少非点源污染的风险。Malhi[20]和Carefoot等[21]的研究表明，长期秸秆还田与氮肥配合施用可以提高作物对氮的利用率。合理增加有机肥源还可以改善土壤性状，培肥地力，提高土壤保水保肥能力，减少养分流失。

1.2.2 养分控/缓释技术

养分控/缓释技术使养分释放速率和作物吸收特征较好地达到“供求”平衡。平衡施肥一般指不同元素间的比例平衡，是一种静态平衡；而控/缓释技术则是一种动态平衡，使养分的供给和作物的需求保持一致，提高养分利用效率，减少非点源污染。汪强等[22]研究表明，包膜缓/控释肥可以使作物对氮肥的利用率提高6.18%～11.57%。董燕等[23]对非包膜缓释复合肥进行了研究，结果表明，非包膜缓释复合肥在土壤中氮、磷、钾养分的缓释能力优于普通复合肥，与小麦的需肥特性相一致，可以满足小麦各生育期对养分的需求；氮、磷、钾养分利用率分别提高了23.6%、15.4%和63.7%。串丽敏等[24]研究了脲酶抑制剂N-丁基硫代磷酰三胺和硝化抑制剂双氰胺对氮素淋溶损失的影响，结果表明，添加抑制剂可以使硝态氮累积淋失量降低11.6%～17.2%，效果显著。

1.2.3 施肥方式

土壤中养分的利用率与施用深度和方式密切相关。旱地土壤提倡深施至10～12 cm土层，减少淋失，提高养分利用效率。段亮等[25-26]研究表明，肥料深施能有效地减少低养分流失量，其中氮流失减少51%，磷流失减少80%。

1.3 产业结构调整

农田控制的流域中氮、磷流失量明显高于草地或者林地控制的流域。退耕还林还草一方面可以减少化肥施用量，另一方面可以明显减少土壤流失量，特别是水溶态磷的流失。因此，退耕还林还草工程是减少土壤磷流失和防治非点源污染的有效途径。有研究表明，退耕还林还草后黄壤旱坡地地表径流中颗粒态磷含量比相应的旱地减少了22.17%～63.48%，而水溶态磷含量减少了30.3%～44.29%；退耕还林区土壤水溶态磷和颗粒态磷的流失量分别比玉米种植区减少了38.65%和35.08%，退耕还草区土壤水溶态磷和颗粒态磷的流失量分别比玉米种植区减少了53.42%和41.94%[27]。

另外，开展生物防治研究，减少农药使用量，加强畜禽养殖场管理，并划定养殖业禁建区、禁养区，根据环境容量合理确定畜禽养殖业发展的区域和规模，可减轻农药对水环境的污染，降低非点源污染风险。

2 汇防治

汇防治是相对于“源”防治的一类防治技术，也就是所谓的“管道末端”治理方法，着重于对污染物的去除和削减。主要方式有建立植物缓冲带和水塘-湿地系统。

2.1 植被缓冲带

土壤侵蚀过程的养分损失是土壤退化和非点源污染的直接原因。控制粒径小于0.02 mm土壤细粒的流失是控制养分流失的关键[28]。植物缓冲带是人工建立或恢复的植被走廊，通过滞缓径流、沉降泥沙、强化过滤和增强吸附等功能来减少土壤颗粒流失，以降低氮、磷、稀有金属、有机质和病原体等的浓度。在这一过程中，包括了沉积作用、过滤作用、吸附作用、物理化学作用和生物间的相互作用。植被缓冲带不仅能有效地截留污染物，而且还可以提高植被覆盖率，增加生物多样性，改善区域环境，提高抗灾能力[29]。

2.2 水塘-湿地系统

水塘-湿地系统具有很高的生产率和氧化还原能力，尤其是在固氮和脱氮方面。湿地生态系统有助于减缓水流的速度。当含有毒物和杂质(农药、生活污水和工业排放物)的流水经过湿地生态系统时，流速减慢，有利于有害物质的沉淀和分解，从而达到改善水质、提高生物多样性的目的。有研究表明，多水塘系统能截留来自村庄、农田的氮、磷污染负荷达94%[30]。徐华山等[31]对滨河湿地不同植被对农业非点源氮污染的控制效果进行了研究，结果表明，滨河湿地土壤对农业非点源氮的滞留作用主要发生在土壤0～10 cm深度，相当于过滤器的功能。湿地特殊的氧化还原条件导致强烈的土壤微生物反硝化作用以及湿地植被对氮素的吸收作用，3个月后，芦苇、藨草、水烛样方中的氮下降了93.3%、72.2%和37.5%。晏维金等[32]研究表明，水稻田-水塘湿地系统对总磷和总氮的截留率分别在90%和50%以上。

3 结 语

非点源污染研究本身是一项涉及经济、社会、环境的系统工程。然而，就我国现状而言，不论是农药化肥施用、田间管理、耕作措施、产业结构调整，还是非点源污染的影响因素分析、水质监测等方面的研究，其对象和范围多集中在小范围农田和部分河段，而以大流域和全河段为监测和研究对象的较少；在较大范围的研究与技术实施过程中，又多以行政区为单位，而以流域为单位的较少。这些因素都制约了我国非点源污染防治技术研究与实施的发展。最佳管理措施(BMPs) 是一种控制农业非点源污染的有效措施。在我国，BMPs研究起步较晚，需要借鉴发达国家在BMPs应用上的经验，并结合区域实际情况，合理发展和使用BMPs控制农业非点源污染。

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