農業生態造成的非點源污染

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1流失途徑

1.1徑流

地表徑流攜帶的營養物質量,取決于地表徑流流經區域的土壤類型、降水量、地質、地形、地表植被、肥料施用量和人為管理措施等多種因素。作物所需三大要素都可以通過土壤侵蝕進入江河,這在我國是氮、磷、鉀污染水的主要途徑。我國全年流失土壤達50億t,帶走的氮、磷、鉀及微量元素等養分約相當于全國一年的化肥使用總量[15]。據上海市環保所研究,1991年僅西部松江、金山、青浦地區,光農田徑流中的溶解性養分(全氮、全磷、全鉀)流失就有9800t,占全年化肥純施用量的15%[4]。前捷克斯洛伐克東部來自農場的肥料和動物糞便徑流可能是地表水和地下水硝酸鹽污染的主要原因。瑞士雨水徑流中氮、磷含量相當于工業廢水和城市污水中這類污物量的總和[5]。

1.2淋溶

施氮肥時,各種形態的氮在土壤微生物的作用下先形成NO-3_N。因其不被土壤微粒所吸附,固易隨水進入地下水。當施入農田中的氮素大于或等于作物所需吸收量時,易出現氮素淋溶現象。一般認為氮素被淋濾水攜至根系活動層之下的數量為淋失量。某些底土粘重而表層輕松的土壤,側向滲濾作用將氮素攜至生態系統水平邊界之外的數量亦屬于淋失損失[12]。在以下幾種情況下,淋溶氮量尤其大:當大量硝態氮肥或銨態氮肥施于作物生長早期或當作物根系處于非活躍期時;當降雨量大或作物被過量澆灌時。由于硝化作用與溫度高低成正相關,所以冬季施用銨態氮肥比夏季不容易被淋溶[18]。NO-3_N進入地下水的量受氣候、土壤性質(主要是土壤孔隙度)、地下水位、氮肥用量及農事活動(如耕作、灌溉)等影響,其中以質地影響較大[1,12]。在某一個地區淋溶掉的硝酸鹽有可能被再利用。如氮素溶于水后隨淺層地下水流到下游,或被某些多年深根植物利用。另一方面,地下水可能被水泵抽提到地面用于灌溉[18]。呂殿青研究陜西土中硝態氮運移特點發現,土中硝態氮含量與土壤剖面深度呈指數關系,淋失量與地面接水量呈正相關。分次施肥的淋失量小于一次施肥[2]。據孫昭榮1986—1992年觀察施氮量與土壤下滲水中氮量的關系,得出二者呈直線正相關的結論[7]。另一項研究也證明了這一點:每年每公頃輸入氮量分別為100kg、200kg、300kg時,淋溶氮量分別為17kg/(hm2•a)、30kg/(hm2•a)、60kg/(hm2•a)[17]。R.F.Spald-ing等人(1978)研究結果表明,地下水中硝態氮濃度與灌井密度×土壤排水量呈正相關。據全國試驗結果,氮肥施入土壤后,淋溶和地面徑流損失約占25%。龐金華等計算上海郊區1950—1990年施用的氮肥中,有438×104t(實物量),即每年有11×104t進入了地面水和地下水[3]。資料表明,一般氮素流失比淋失速率小[12]。

1.3農田排水

美國對連續5年的小麥田排水中氮的流失觀察表明:每公傾施用48.8kg、96kg和144kg氮,在生長旺季排水中的氮量分別是不施肥的4.8、9.6、12.7倍。甚至在冬季休閑時,也是不施肥的1.07—1.62倍[17]。1988年我國僅江蘇的蘇州、無錫、常州三市從農田中排出的氮素即有3.6萬t進入水源,寶貴的肥料變為污染源。

1.4畜牧養殖場排水

荷蘭、比利時、聯邦德國、丹麥等歐洲國家畜牧業占農業生產總值的一半以上。這些國家的畜牧業經營規模大且相對集中,增加了動物排泄物,特別是氮污染的風險。因為奶牛、豬和蛋雞消耗的飼料中,約70%的氮通過糞便排泄。肉雞飼料約50%的氮變成糞便。據調查,有30%左右的糞便流失,尿液有60%左右流失,沖洗水有80%以上流失。澳大利亞昆士蘭沿海排水區平均每年排放7.7萬t氮和1.1萬t磷,其中大多數是從牧場排放的,這是大量施用化肥構成該區內大堡礁咸水湖富營養化的主要原因[21]。研究表明,畜禽糞便在農業污染源中,已經成為上海郊區水體質量的第二位因素[3]。西歐一些地區畜牧高度密集造成了嚴重的糞肥處理問題。這些地區的公共供水達不到歐共體規定的飲用水標準(NO-3〈50mg/L)。糞便堆積區硝酸鹽極容易滲到地下水中[19]。文化等人對京郊竇店村的研究表明,養殖業的污染速率與蓄糞坑距飲用井的距離、畜牧養殖規模成正相關[10]。

2氮素流失造成的后果

由于過量施肥或施用不當引起的環境污染是一種非點源污染。非點源污染又稱面源污染,是相對于點源污染而言的。按照美國聯邦水污染控制法(1972)對非點源污染的解釋:非點源污染通常是在不確定的時間內,通過不確定的排放途徑,向水系排放不確定量的污染物質。隨著點源污染不斷得到控制,非點源污染及其控制將逐漸成為環境保護的主要課題[9]。在美國非點源污染的污染量已經占總污染量的三分之二,而農業活動對非點源污染的貢獻為75%左右。農業非點源污染由化肥、農藥、農田土粒以及其他有機或無機污染物質引起[9]。其中主要是由化肥和農藥引起的。以下著重介紹由化肥氮肥引起的水域非點源污染。瑞典西海岸的拉霍爾姆灣,由河流輸運的氮中60%來自農業。瑞典最南端的謝夫靈厄流域,來自農業的氮占此流域總輸入氮量的84%—87%[20]。當然要精確估計化肥對地面水污染所起的作用是比較困難的。FAO的研究報告指出:地下水和地面水中硝酸鹽和磷酸鹽的富集,至少是部分與施肥有關。目前水體污染的研究領域包括:地表水(河流、湖泊、海洋等)和地下水(淺層地下水如井水和深層地下水)的污染等。涉及氮素非點源污染的有:地表水的富營養化、地下水硝酸鹽含量過高等。

2.1施肥與地表水污染

富營養化是指過量的營養物質進入水體后的富集過程及其引起的后果。它是一種自然演替現象,一般要幾百年甚至幾千年才能完成,而工農業生產和生活污水的影響可以將富營養化過程縮短至幾十年甚至更短。地面水體富營養化可以在湖泊、水塘及流速緩慢的河流中發生,以湖泊中發生為多,隨著水體中營養物質的增加,水生生物和某些藻類急劇過量增長,耗去水中溶解氧,引起魚貝等動物和水生植物大量死亡,其腐爛分解使水中礦物養分含量增加,引起惡性循環,使水體著色并散發臭氣。引起水體富營養化起關鍵作用的元素是氮和磷[11]。我國五大淡水湖之一———巢湖,從60年代始至80年代,由于湖水的富營養化,導致湖內100多種水藻大量繁殖。巢湖目前主要受到氮、磷營養鹽與有機物的污染,總氮、總磷嚴重超標。造成巢湖嚴重污染的原因,主要是沿湖城市大量工業廢水和生活污水排入巢湖。另外,沿湖農田化肥和農藥的使用量逐年增加,農業非點源污染對巢湖的污染量越來越大。巢湖沿湖四周均是農田,是安徽省的重要產糧區。近年來,農民施用化肥量平均每公頃1200kg,比10年前增加8倍,因肥料結構和施肥方法不當造成化肥大量流失,成為巢湖水質總氮、總磷超標的重要原因[13]。

我國第三大淡水湖———太湖,97%面積的水體已經呈中富營養狀態,其類型屬于氮超標而磷和有機質相對不足。富營養化使近幾年大面積藍藻爆發。1995年7月,無錫梅園水廠藍藻泛起,堵塞取水管道,水廠被迫關停數日,1/5的居民為此斷水。據研究,進入太湖的污染物中,總氮排放量最多的是來自農業非點源污染,總磷排放量最多的是來自城鎮居民。因為湖區農田水幾乎直接進入太湖。《中國環境》報道:太湖水中來自工業污染源的廢水排放量占廢水總排放量的33.44%;來自生活污染源的廢水占8.12%。農田排水占32%。江蘇省太湖水質監測中心站顧崗認為控制農田非點源污染,關鍵是減少化肥和農藥使用量。沿太湖地區農業集約化程度高,以浙江省為例,全省平均施氮肥1125kg/hm2以上,嘉興高達1800kg/hm2[14]。浙江省農科院主持完成的“稻田中氮素淋失規律及其數量模擬研究”課題,提出每公頃每季施氮素以150kg左右為宜[3]。1994年召開的江蘇省環境科學學會也建議蘇南太湖地區單季晚稻施氮不超過195kg/hm2為宜[2]。過量施肥、施肥結構不合理(蘇南太湖地區缺鉀)、農田排水直接進入湖中等一系列因素,加劇了太湖富營養化。太湖富營養化問題嚴重影響了沿湖的工農業生產,故國務院環委會于1996年4月在江蘇省無錫市召開太湖流域環保執法檢查現場會。宋健同志強調指出要控制農業的污染排放。與會專家建議在湖岸建立生態農業區和無公害農作物生產基地,降低化肥使用量[3]。

2.2施肥與地下水污染

肥料施入土壤后,不能被作物吸收和不能被土壤微粒吸附的部分隨水往下淋溶,通過土層進入地下水,造成地下水污染。而地下水在不少地方供人畜飲用,因此地下水狀況如何,對人畜健康有一定關系。據張玉良估計,全世界施入土壤中的肥料大約30%—50%經土壤淋溶而進入地下水[16]。在國外,影響地下水中硝態氮含量的因素主要來自農場牲畜糞便及大量施用氮肥。據世界資源報告,聯邦德國每年耕地上多余的氮素增長了10倍,從50年代的每公頃10kg增至80年代的100kg。前捷克斯洛伐克東部,來自農場的肥料和動物糞便徑流可能是地表水和地下水硝酸鹽污染的主要原因。據估計,前捷克斯洛伐克東部河流中80%的地表水受動物糞便的污染。賓西法尼亞州在7.4平方公里的積水區內對14口井調查發現農田區地下水中硝酸鹽、磷酸鹽和氯化物濃度比林區地下水同類物質濃度高5—7倍[5]。Hallerg報道地下水中硝酸鹽含量與當地施肥量平行,具有線性關系。其它研究者也有相同的結論[14]。氮肥一般以銨態氮、硝態氮和酰胺態氮形式輸入土壤,銨態氮和酰胺態氮都必須首先轉化為硝態氮才能被作物所吸收。而硝酸鹽離子與土壤離子同帶負電荷,不容易被土壤微粒吸附,所以氮肥淋溶以硝酸鹽為主。

NO-3一般不具有毒性,但是如果進入人體內還原成亞硝酸鹽,可以引起高鐵血紅蛋白癥,特別是四個月以內的嬰兒反應非常敏感,國外稱此病為“藍嬰癥”。因為嬰兒體內血紅蛋白代謝功能還未充分形成,血紅蛋白氧化所生成的正鐵血紅蛋白不能被還原成血紅蛋白,使血紅蛋白輸氧功能受阻。美國學者對18個集體單位進行了調查,發現飲水中高量硝酸鹽與高血壓發病率之間有聯系。硝酸鹽形成的亞硝基化合物具有明顯的致癌、致突變、致畸的性質,尤其當缺乏維生素C之類抑制劑時[8]。因此,地下水中硝酸鹽含量一直倍受關注。世界衛生組織制定的飲用水中硝酸鹽含量標準為NO-345mg/L,NO-3-N10mg/L。植物大量積累NO-3通常發生在氮肥用量過高的范圍內,而過高施氮量往往不能使作物產量進一步提高。如果控制氮肥施用量使計劃產量比最高產量降低5%—10%,植物NO-3含量就能減少1/2—7/12[22]。蔬菜極易于吸收和富積硝酸鹽,人類由于食用蔬菜而殘留在體內,這嚴重危害著人體健康[6]。

3結語

農業生態系統中氮肥利用率的高低是決定流失氮量多少的一個因素。提高化肥利用率,不僅可以提高經濟效益,而且可以減輕對環境的污染。另外,應根據當地實際情況確定合理施肥量和平衡施肥,在兼顧產量的前提下保護好環境。正確處理畜禽糞便以增加有機肥源,不應該把未經處理的廢水直接排到水體中。