农业面源污染（非点源污染）现状及对策分析
农业非点源污染过程及其模拟模型 非点源污染 农业面源污染及对策分析 一 农业非点源污染的定义及其贡献 1 相关概念及定义 点源污染 PointSourcePollution 是指集中由排污口排入水体的污染源 又分为固定的点污染源 如工厂 矿山 医院 居民点 废渣堆等 和移动的点污染源 如轮船 汽车 飞机 火车等 面源污染 DiffuseSourcePollution 是指溶解和固体的污染物从非特定地点 在降水或融雪的冲刷作用下 通过径流过程而汇入受纳水体 包括河流 湖泊 水库和海湾等 从而引起水体有机污染或富营养化或有毒有害等其他形式的污染 又称为非点源污染 Non pointSourcePollution 应该更准确 因为与点源相对的 进入受纳水体的过程是三维 也可以称为体源污染 TridimensionPollution 线源污染 LinearSourcePollution 是呈线状分布的污染源 如输油管道 污水沟道以及公路 铁路的交通工具所排放的污染物 农业非点源污染 ANPSP 是指从事农业生产活动中的农地或场地的泥沙 营养盐 农药及其它污染物 在降水或灌溉过程中 通过地表径流 壤中流 排水和地下渗漏 进入水体而形成的污染 非点源污染可以分为城镇和农业非点源污染两大类 城镇非点源污染是指在降水的条件下 雨水和径流冲刷城镇地面 污染通过汇流过程或排水系统的传输 使受纳水体水质污染 特别是在暴雨初期 由于降雨径流将城镇地表的 沉积在下水管网的污染物 在短时间内 突发性冲刷汇入受纳水体 而引起水体污染 2 农业非点源污染的主要污染物 氮 磷 农药 有机氯 有机磷 沉积物 抗生素等 污染物具有溶解性 氮 氨氮 铵氮 硝态氮 有机氮 磷 无机磷和有机磷 农药等可溶于水 其主要以水为载体 通过径流 淋溶 下渗和侧渗等途径进入地表水和地下水 从而对水体造成污染 污染物能被土壤颗粒吸附 氮 氨氮 铵氮 硝态氮 有机氮 磷 无机磷和有机磷 农药等被土壤颗粒物吸附 通过土壤流失随径流迁移至水体 污染水体 通常 土壤对无机磷酸盐吸附能力较强 部分污染物具有挥发性 氨氮 农药等具有挥发性 可通过挥发进入大气 随后通过干湿沉降进入水体 从而对水体造成污染 3 农业非点源污染的特征 随机性 非点源污染受降雨以及降雨形成径流或者排水的过程支配 而降雨径流具有随机性 所以由此产生的非点源污染从时空上都具有随机性 广泛性 非点源污染的产生可能是多源区的 只要在含有污染物的地表和地下存在径流产流和汇流过程 就会发生污染 潜伏性 污染物输入后 在降水或灌溉有限时或者土壤固持能力未达到饱和的时 所致非点源污染低 而在发生暴雨径流或随着污染物的增加 非点源污染的贡献就会显著提高 滞后性 污染物的输入与流失或迁移过程之间存在明显的时间 非线性 非点源污染负荷随着污染物的输入量增加而增加 但在很多情况下两者之间不是线性关系 非点源污染的研究和控制难度大 3 农业非点源污染的特征 区域气候特点 降水造成农业非点源污染发生环境条件迥异 气候类型南北差异显著 干湿变化东西差别明显 3 农业非点源污染的特征 经济发达地区及传统种植区化肥使用量偏大 畜禽养殖多集中在中东部地区 种养强度区域分布不均 杨胜天等 2006 Sunetal 2012 EuropeanUnion USA 2013 http www epa gov waters ir http www eea europa eu data and maps data wise wfd 4 农业非点源污染的贡献 4 农业非点源污染的贡献 2007年第一次全国污染源普查结果显示 我国农业非点源污染对水体COD TN TP的贡献率分别为43 7 57 2 67 4 Muelleretal 2012 Nature490 254 257 全球单位面积氮肥施用量分布 我国的非点源污染治理压力大 化肥施用量 Mt yr 粮食总产量 Mt 化肥施用强度 kg ha 粮食单产 kg ha 我国与发达国家的化肥使用与粮食生产对比 农业过分依赖化肥投入 2010年全球各地玉米 小面 水稻种植的氮肥输入 输出和利用率 农业养分利用率低 Wuetal 2018 PNAS 分散性种植模式降低化肥利用率 Juetal 2016 GlobalEnvironmentalChange 化肥氮磷6000万吨 年 氮磷排放 2300万吨 地下水 环境迁移 大型水体污染 饲料 3 0亿吨 年 农业结构性问题 种 养 加分离 循环利用措施缺位 我国主要畜禽养殖粪便的还田率目前只有50 左右 剩余的可能直接或间接的进入环境 我国主要畜禽粪便资源量和养分含量 畜禽养殖粪便循环利用率低 5 农业非点源污染研究的总体发展趋势 截止2016年 WebofScience核心集关于农业非点源污染的文献共计2478篇上世纪90年代初开始文献数量快速增加 截止2016年WebofScience核心集关于农业非点源污染文献数量 1991 检索数据库 WebofScience核心集检索主题 Agriculturalnon pointsourcePollution Agriculturalnon pointpollution Agriculturalnon pointsource AgriculturalnonpointsourcePollution Agriculturalnonpointpollution Agriculturalnonpointsource 部分国家和地区农业非点源污染文献数量 在64个国家 地区中 发表论文 美国最多 超过总量的50 中国 约占总量的20 加拿大 德国约占总量的10 5 农业非点源污染研究的总体发展趋势 1976年首次发表关于农业非点源污染的文章 2篇 Nonpointsourcepollutionfromagriculturalrunoff发表于JournaloftheEnvironmentalEngineeringDivision ASCE Economictrade offstolimitnonpointsourcesofagriculturalpollution发表于WaterAirandSoilPollution 发表的主要期刊 发表论文的主要关键词 最高引的5篇论文 5 农业非点源污染研究的总体发展趋势 涉及的学科门类 二 农业非点源污染过程及其影响因素 1 农地 农场氮磷的收支平衡 三种农地 农场的氮磷收支平衡估算方法 农场界面 a 土壤界面 b 土壤系统 c 氮磷平衡示意图 农场界面的氮磷收支平衡估算方法 土壤界面的氮磷收支平衡估算方法 土壤系统的氮磷收支平衡估算方法 SurplusN 化肥 饲料 有机肥 幼崽 草垫 生物固氮 大气沉降 牛奶 蛋 动物产品 畜禽粪便 饲料用作物 losses 反硝化 氨挥发 流失 SurplusP 化肥 饲料 有机肥 幼崽 草垫 大气沉降 牛奶 蛋 动物产品 畜禽粪便 饲料用作物 losses 流失 SurplusN 化肥 有机肥 生物固氮 作物残留 大气沉降 作物种子 灌溉水 作物吸收 losses 反硝化 氨挥发 流失 SurplusP 化肥 有机肥 作物残留 大气沉降 作物种子 灌溉水 作物吸收 losses 流失 BudgetN 化肥 有机肥 生物固氮 作物残留 大气沉降 作物种子 灌溉水 作物吸收 反硝化 氨挥发 流失 0 BudgetP 化肥 有机肥 作物残留 大气沉降 作物种子 灌溉水 作物吸收 流失 0 氮磷收支平衡估算的时空尺度效应 MarkA Sutton AlbertBleeker Nature 2016 全球化肥施用及氮损失 全球年均化肥 N P K 施用情况 全球年均氮损失情况 王敬国等 2016 中国农地系统氮收支平衡 中国农地系统磷平衡 曹宁等 2009 全球农田磷的收支平衡 Sattarietal 2012 化肥磷 有机肥磷 输入磷 作物收获磷 Bouwmanetal PNAS 2013 全球农田氮平衡 SarahE Hobbieetal PNAS2017 114 4177 4182 Nitrogenandphosphorusbudgetsinurbanwatersheds 流域氮磷收支平衡估算方法 NANI和NAPI 大气沉降磷 化肥磷施用 洗涤剂磷 净食物和饲料输入 人类消费磷 畜禽消费磷 作物产品磷 畜禽产品磷 氮氧化物沉降 化肥氮施用 农田系统固氮 净食物和饲料输入 人类消费氮 畜禽消费氮 作物产品氮 畜禽产品氮 净人为氮输入 NetAnthropogenicNitrogenInput NANI 净人为磷输入 NetAnthropogenicPhosphorusInputs NAPI 种子 种子 全球流域尺度NANI Billenetal 2017 NANI高的流域集中了全球84 的NANI 但面积仅占了43 Groundwater 化肥48 农业生物固氮5 大气沉降39 地下水 净食物饲料输入8 河流 反硝化 作物 人类 畜禽 种子 1 林地 木材输出 非收获性植物吸收14 反硝化47 36 4 48 2 agriculturalland 10 35 riversystem 持留25 河流输出13 永安溪流域31年累计NANI 475 750tN 土壤 湿地 非收获性植物吸收和反硝化61 点源 非点源 点源 非点源 非点源 Chenetal 2014 EnvrionSciTechnol WaterResourRes Chenetal 2016 AgrEcosystEnviron Groundwater 化肥72 非食物性磷输入5 大气沉降4 地下水 净食物饲料输入18 河流 作物 人类 畜禽 种子 1 林地 木材输出 非收获性植物吸收1 NAPI 农业土壤持留40 NAPI 河流输出5 NAPI 永安溪流域31年累计NAPI 59871tP 土壤 湿地 点源 非点源 点源 非点源 非点源 垃圾和污水处理24 NAPI 湿地 底泥 其他景观土壤30 NAPI Chenetal 2015 Biogeochemistry Chenetal 2016 JHydrol 全球氮循环过程 Fowleretal 2013 全球氮的循环 农田生态系统氮循环 2 农田氮的循环 氮循环主要过程 硝化过程 反硝化过程 固氮作用 矿化过程 2 农田氮的循环 氮循环主要过程的影响因素 碳源 土壤质地 养分含量 耕作措施 植物 微生物 环境条件 2 1硝化过程及其影响因素 硝化过程对土壤氮循环过程的影响 降低土壤对N的持留能力 促进农田氮以硝态氮淋失和反硝化损失硝化过程的影响因素1 植物的影响 植物根系可以产生或者释放生物硝化抑制剂从而抑制土壤硝化细菌的活性 进而抑制土壤的硝化作用 无植物 大豆 土壤铵态氮氧化速率 N2O累积释放通量 杂交臂形草 腐殖生臂形草 Gunturetal 2015 2020 3 28 42 可编辑 2 1硝化过程及其影响因素 2 耕作措施 免耕 少耕降低土壤的硝化过程 未扰动生态系统中TN的硝化率不到10 而在现代农业生产系统中超过95 的TN通过硝化 反硝化途径损失 现代农业生产中 将近70 的氮肥通过硝态氮淋失或气态损失 N2O NO N2 3 土壤pH 土壤反硝化的最佳pH为6 5 8 8 酸性土壤会降低硝化速率 高pH条件 8 会降低硝化菌的活性 2 1硝化过程及其影响因素 4 土壤温度 土壤温度升高促进硝化速率当土壤温度高于23 C时 硝化作用就不受温度的控制 不同土壤温度下归一化硝化速率 WesternFertilizerHandbook 2012 2 1硝化过程及其影响因素 5 土壤湿度 土壤湿度过高或者过低都会抑制硝化作用超过60 的土壤空隙充水 硝化过程停止 左图 土壤水分降低 导致土壤溶液中盐分浓度增加 降低硝化菌的活性 右图 2 1硝化过程及其影响因素 6 生物炭生物炭的增加能促进土壤潜在硝化速率 但是并不成线性相关
