巢湖流域農(nóng)田尾水中氮磷的富集與污染

巢湖流域農(nóng)田尾水中氮磷的富集與污染

在中國，農(nóng)業(yè)尾水屬于相對(duì)創(chuàng)新的概念范疇。對(duì)尾水的研究在工業(yè)中進(jìn)行得多，技術(shù)相對(duì)成熟。在工業(yè)上,尾水主要是指經(jīng)過一定的污水處理后,各個(gè)工廠的出水,最為常見的是將工業(yè)尾水用作循環(huán)冷卻水。尾水用于冷卻水,頂替優(yōu)質(zhì)水資源,產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益最為明顯。許多電業(yè)企業(yè)或工業(yè)企業(yè)建設(shè)的污水回用冷卻水系統(tǒng),一般投資回收期都在1~5年。工業(yè)尾水的發(fā)展現(xiàn)狀為農(nóng)田尾水的前景提供了很好保障,農(nóng)田尾水具有可行性研究?jī)r(jià)值,同時(shí),它的處理將會(huì)為水體富營養(yǎng)化的研究開拓更深層次的研究領(lǐng)域,對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染提供可靠的參考價(jià)值。農(nóng)田尾水是指經(jīng)過灌溉或降雨后,從田間流出的地表徑流水。根據(jù)國家頒布的地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),適于農(nóng)業(yè)用水區(qū)的Ⅴ類水要求總氮≤2.0mg·L-1,總磷≤0.4mg·L-1,而適于集中式生活飲用水的Ⅲ類水要求總氮≤1.0mg·L-1,總磷≤0.2mg·L-1(GB3838—2002)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究表明,巢湖流域大部分農(nóng)田尾水中氮含量比較高,磷含量相對(duì)較低,有相當(dāng)一部分尾水中氮含量均值高達(dá)11.12mg·L-1,小部分尾水磷含量達(dá)到0.20mg·L-1以上。由于巢湖流域農(nóng)田尾水的長(zhǎng)期無管理排放而引起的環(huán)境問題日趨嚴(yán)重,不容忽視。主要問題為農(nóng)田徑流水帶走農(nóng)田所施肥料中的氮、磷,隨著大量雨水的沖刷產(chǎn)生地表徑流,流入巢湖,引起水體富營養(yǎng)化,造成水體污染,破壞水生生物生物鏈。1農(nóng)田尾水生態(tài)處理技術(shù)研究就目前的研究發(fā)現(xiàn),尾水處理技術(shù)主要通過深度處理、尾水資源化可利用、尾水專道排放等方面進(jìn)行。經(jīng)過多年來對(duì)尾水處理工程投資估算和環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益的分析,建立尾水通道以及引入生態(tài)攔截和人工濕地等土地處理系統(tǒng)進(jìn)行農(nóng)田尾水生態(tài)處理,不僅可以提高國民經(jīng)濟(jì),促進(jìn)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)和量的提高,更能形成環(huán)保意識(shí),達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的。就我國目前農(nóng)田尾水研究領(lǐng)域而言,涉及不多,主要局限在工業(yè)方面。本省在這一方面的技術(shù)也尚未成熟。陳荷生曾提到太湖流域非點(diǎn)源污染主要來源于農(nóng)田尾水、畜禽與水產(chǎn)養(yǎng)殖、城鎮(zhèn)生活污水、水域底泥釋放、水生生物腐敗釋放、農(nóng)村固體垃圾和農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品污染等。國內(nèi)外的研究及實(shí)踐表明,以土壤或水生植物為基礎(chǔ)的污水土地處理系統(tǒng)是較理想的尾水處理技術(shù)。土地處理系統(tǒng)具有工藝簡(jiǎn)便、操作管理方便、建設(shè)投資少、運(yùn)轉(zhuǎn)成本低且凈化效果良好等特點(diǎn)。2水質(zhì)、水污染巢湖是我國的五大淡水湖之一,占安徽省國土面積的9.7%。它是合肥市、巢湖市乃至整個(gè)安徽省的居民主要飲用水源,它的水質(zhì)好壞與人民的生活息息相關(guān)。20世紀(jì)50年代前,巢湖是水質(zhì)良好、生物多樣性豐富的大型天然湖泊,之后由于人類人口的激增、人類活動(dòng)的逐漸頻繁以及跳躍式的經(jīng)濟(jì)發(fā)展,使得巢湖整個(gè)水體生態(tài)環(huán)境改變;到20世紀(jì)80年代,湖水水質(zhì)已超出Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn);至20世紀(jì)90年代,湖泊富營養(yǎng)化進(jìn)一步加劇,甚至出現(xiàn)全湖水質(zhì)劣V類的嚴(yán)重狀況,氮、磷濃度均已超標(biāo)。巢湖的水污染主要來自工業(yè)廢水、生活污水以及農(nóng)田尾水。其中傳統(tǒng)式的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式是造成巢湖流域農(nóng)田土肥流失的根本原因。該流域平均年降水量為1031.6mm,形成地表徑流250~280mm,產(chǎn)水22.9億m3,這是土壤侵蝕、沿湖岸線崩坍的主要原因,由此產(chǎn)生的含有高濃度的氮磷大量徑流水成為農(nóng)田尾水,流入巢湖,造成水體富營養(yǎng)化。3巢湖盆地農(nóng)業(yè)區(qū)尾氮磷資源主要來源農(nóng)田尾水其本質(zhì)上是可循環(huán)利用的水,對(duì)水體造成危害主要是其本身含有的高濃度的氮磷元素。3.1農(nóng)田尾水中各養(yǎng)分含量高現(xiàn)今市場(chǎng)上銷售的化肥中富含氮磷,而作物生長(zhǎng)又大量需要這2種元素,由于缺乏環(huán)境保護(hù)意識(shí),盲目追求高產(chǎn),絕大多數(shù)農(nóng)民遵循寧濫勿缺的原則,過量使用化肥,而植物體本身對(duì)于氮磷的吸收具有一定的限度,從而造成大部分的氮磷未被有效利用,在土壤中形成氮磷元素的富集。據(jù)調(diào)查一些地方施氮量高達(dá)3300kg·hm-2,超過作物需求量的數(shù)倍,在蔬菜生產(chǎn)上,全年2~3季共施氮600~1300kg·hm-2是常見的。這樣大量的投入,而氮支出僅為21%~36%,磷的當(dāng)季利用率一般為10%~25%。同時(shí)農(nóng)藥的過度使用也是造成農(nóng)田尾水中氮磷濃度升高的重要原因之一。據(jù)調(diào)查研究表明,大多數(shù)農(nóng)戶采用手動(dòng)機(jī)械施藥,跑、冒、滴、漏現(xiàn)象嚴(yán)重,導(dǎo)致大部分藥液灑落于土壤表面,殘留在土壤中;農(nóng)藥瓶(袋)棄置于溝渠邊、池塘旁被雨水沖洗,進(jìn)入農(nóng)田或水域,造成水體污染。然而農(nóng)藥中有機(jī)磷濃度比重過大,未被作物吸收利用的磷元素都會(huì)隨著雨水的沖刷成為農(nóng)田尾水的一部分,加重了水體中氮磷的比重。3.2減少了對(duì)于固氮的來源由于巢湖流域人多地少,湖泊附近的大部分堤岸已被開墾為農(nóng)田,且植物覆蓋密度不高,導(dǎo)致徑流水直接流入巢湖而沒有緩沖帶,使大量的氮磷直接流入巢湖中。農(nóng)業(yè)種植基本屬于稻油輪作,其他輪作方式基本沒有。與豆科植物互利共生的固氮菌可以固氮,這是一種采用生物技術(shù)的固氮方式,然而在巢湖流域與豆科植物間作的方式幾乎沒有,因此這也是造成肥料流失的原因之一。豆科作物所固定的氮不僅可以被自身所吸收利用,同時(shí)通過根系分泌物或是氮循環(huán)系統(tǒng)被與其間作的作物吸收。在正常情況,可以維持一個(gè)小生物圈的氮平衡,保持氮的平衡,這樣不僅能夠充分利用豆科作物的固氮優(yōu)勢(shì),更能有效提高肥料的利用率。同時(shí)若沿途設(shè)置生態(tài)攔截帶,采取相應(yīng)的治理措施,避免農(nóng)田尾水未經(jīng)任何處理流入巢湖,則流入巢湖的徑流水中所含的氮磷濃度將會(huì)大幅下降。3.3流入湖的流域,總磷排放量高巢湖流域平均年降水量為1031.6mm,屬于濕潤地區(qū),農(nóng)田已有充足的地下水儲(chǔ)備,然而農(nóng)民沿用的灌溉方式仍是傳統(tǒng)的大水漫灌方法。當(dāng)農(nóng)民灌溉量過大時(shí)將直接形成徑流水流出農(nóng)田,帶走大量的農(nóng)田肥料。實(shí)驗(yàn)表明,在非點(diǎn)源入湖的總量上流域內(nèi)河道流入的總磷占68.5%,總氮占76.9%,其他是直接流入巢湖的。對(duì)點(diǎn)源和面源入湖的營養(yǎng)鹽比重進(jìn)行了深入的分析對(duì)比得出,氮磷的面源入湖總量分別占全湖輸入量的74%和68%。由此可見,從全湖來看面源是巢湖氮磷負(fù)荷的主要來源。因此,灌溉對(duì)氮磷流失的影響至關(guān)重要,要防止過多的氮磷流失,必須掌握相應(yīng)的灌溉技術(shù),因地制宜,熟悉不同作物在不同生長(zhǎng)發(fā)育階段對(duì)水肥不同的需求量,在一定程度上達(dá)到作物最大利用水肥的目的。4農(nóng)田尾水治理研究。農(nóng)田尾水采用生態(tài)攔截和人工濕地的治理方法,國內(nèi)農(nóng)田尾水治理方案。國內(nèi)城市農(nóng)田根據(jù)巢湖流域當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況以及農(nóng)田尾水的治理要求,兼顧實(shí)際種植水平,充分利用當(dāng)?shù)氐牧植莸戎参镔Y源,引入生態(tài)攔截和人工濕地的治理措施對(duì)巢湖流域的農(nóng)田尾水進(jìn)行研究與治理。經(jīng)過多年來對(duì)尾水處理工程投資估算和環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益的分析,建立尾水通道以及引入生態(tài)攔截和人工濕地等土地處理系統(tǒng)進(jìn)行農(nóng)田尾水生態(tài)處理,不僅可以提高國民經(jīng)濟(jì),促進(jìn)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)和量的提高,更能形成環(huán)保意識(shí),達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的。4.1養(yǎng)老保險(xiǎn),科學(xué)施肥過量施肥、使用農(nóng)藥是導(dǎo)致巢湖流域農(nóng)田尾水氮磷含量增多的直接原因。抓好量的使用度,能使控制農(nóng)田尾水中氮磷含量的效果立竿見影。巢湖流域是一個(gè)以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主要生產(chǎn)方式的地域,由于相關(guān)農(nóng)業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)投入有限,導(dǎo)致農(nóng)田肥料的發(fā)展速度受限。農(nóng)民使用的肥料基本屬于傳統(tǒng)型肥料,對(duì)于新型肥料的了解微乎其微。因此,在實(shí)際操作過程中應(yīng)經(jīng)濟(jì)有效合理使用化肥,適當(dāng)引入新一代的高科技技術(shù),加大環(huán)保型肥料的使用,例如使用測(cè)土配方施肥、緩釋肥、控釋肥等。嚴(yán)格控制農(nóng)藥的使用量,把關(guān)農(nóng)藥質(zhì)量,防止偽劣產(chǎn)品的使用,并積極宣傳做好施肥藥后田間的清理工作。同時(shí)實(shí)行行之有效的化肥、農(nóng)藥的減控計(jì)劃,發(fā)揮當(dāng)?shù)刭Y源優(yōu)勢(shì),優(yōu)化資源利用。大力推廣標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)技術(shù),廣泛推廣應(yīng)用間作套種、農(nóng)牧結(jié)合、庭院立體開發(fā)等模式及其技術(shù),促進(jìn)各個(gè)環(huán)節(jié)的和諧發(fā)展。一旦化肥、農(nóng)藥的使用量得到控制,那么氮磷的流失量也將會(huì)隨之減少,使得農(nóng)田尾水中的氮磷在源頭得到量上的控制,達(dá)到減排的效果。4.2污水土地處理系統(tǒng)楊林章等針對(duì)太湖流域農(nóng)業(yè)面源污染進(jìn)行的生態(tài)攔截型溝渠系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)表明,溝渠系統(tǒng)對(duì)農(nóng)田徑流中總氮、總磷的去除效果分別達(dá)到48.36%和40.53%。國內(nèi)外的研究及實(shí)踐表明,以土壤或水生植物為基礎(chǔ)的污水土地處理系統(tǒng)是較理想的尾水處理技術(shù)。土地處理系統(tǒng)具有工藝簡(jiǎn)便、操作管理方便、建設(shè)投資少、運(yùn)轉(zhuǎn)成本低且凈化效果良好等特點(diǎn),結(jié)合巢湖流域當(dāng)?shù)氐姆N植水平,選擇水生植物凈化農(nóng)田尾水是最為經(jīng)濟(jì)實(shí)際的有效途徑。研究結(jié)果表明,空心菜、酸模、莎草3種植物都能很好地吸收尾水中的營養(yǎng)物質(zhì),且生長(zhǎng)狀況良好。因此,可適當(dāng)在溝渠旁邊留部分田地進(jìn)行以上幾種作物的栽種,可以帶來諸多經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)溝渠生態(tài)攔截帶的建立可兼顧畜禽養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。農(nóng)田尾水中氮磷含量豐富,沿途溝渠雜草比較茂盛,在農(nóng)田之間可適當(dāng)圈養(yǎng)一些家禽,如雞、鴨、鵝等,同時(shí)畜禽糞便也為農(nóng)田帶來養(yǎng)分,二者相輔相成,形成一個(gè)簡(jiǎn)單的循環(huán)體系。4.3人工濕地生態(tài)工程系統(tǒng)人工濕地是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種污水處理技術(shù)。具有投資少、操作簡(jiǎn)單、環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益好等特點(diǎn)。1953年,德國的Seidel博士在研究中發(fā)現(xiàn)蘆葦能去除大量有機(jī)和無機(jī)物。進(jìn)入20世紀(jì)60年代,這些實(shí)驗(yàn)是從觀察開始推廣至許多大規(guī)模實(shí)驗(yàn),掀起人工濕地研究熱潮。Seidel與Kickuth合作于1972年提出根區(qū)理論,20世紀(jì)80年代人工濕地系統(tǒng)由試驗(yàn)階段進(jìn)入應(yīng)用階段,相繼德國、丹麥、奧地利、比利時(shí)、荷蘭等國家建立了大量的蘆葦床系統(tǒng),主要用于小城鎮(zhèn)的污水處理。目前表面流濕地是北美主要處理濕地,如美國有600多處人工濕地工程用于處理市政、工業(yè)和農(nóng)業(yè)廢水;歐洲、澳大利亞較多采用的是潛流人工濕地工藝,丹麥、德國、英國每個(gè)國家都至少有200個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行。濕地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)于流域的水源調(diào)蓄、氣候調(diào)節(jié)、水質(zhì)凈化、物種保存、野生動(dòng)植物棲息地等以及對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用。各國對(duì)人工濕地生態(tài)工程系統(tǒng)治理農(nóng)田帶來的面源污染開展了諸多研究,人工濕地作為農(nóng)田和水體之間的過渡帶,通過土壤吸附、植物吸收、生物降解等作用,降低進(jìn)入地表水的氮磷化合物含量。根據(jù)Peterjohn和Correll的研究結(jié)果,50m寬的沿岸植被緩沖帶能減少進(jìn)入地表水89%的氮和80%的磷。巴西的Engenho濕地對(duì)磷酸鹽、硝酸鹽和氨的去除率分別達(dá)到93%、78%和50%。由此可知,人工生態(tài)系統(tǒng)在治理面源污染上有較好的效果,適宜在巢湖地區(qū)發(fā)展。濕地生態(tài)系統(tǒng)中的植物對(duì)水體的凈化起著重要的作用,因此人工濕地中應(yīng)選擇去污力強(qiáng)、生命力強(qiáng)、有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值的植物,目前我國較有應(yīng)用價(jià)值的水生植物主要有香根草、蘆葦、茭白等。水體中選擇培育去氮磷能力強(qiáng)的浮游生物,同時(shí)還可考慮水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè),在濕地中可適當(dāng)投入體積較小的魚、蝦、泥鰍等進(jìn)行養(yǎng)殖。結(jié)合畜禽養(yǎng)殖業(yè)形成一個(gè)完整的食物鏈,為巢湖流域的尾水治理提供一個(gè)完整的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)。因此,開展對(duì)農(nóng)田減量化施肥和優(yōu)化施肥、農(nóng)田生態(tài)攔截以及人工濕地的研究,不僅可以充分利用林草資源,確保巢湖流域周邊的環(huán)境質(zhì)量和持續(xù)性發(fā)展,保護(hù)及恢復(fù)