农业生态造成的非点源污染

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1流失途径

1.1径流

地表径流携带的营养物质量,取决于地表径流流经区域的土壤类型、降水量、地质、地形、地表植被、肥料施用量和人为管理措施等多种因素。作物所需三大要素都可以通过土壤侵蚀进入江河,这在我国是氮、磷、钾污染水的主要途径。我国全年流失土壤达50亿t,带走的氮、磷、钾及微量元素等养分约相当于全国一年的化肥使用总量[15]。据上海市环保所研究,1991年仅西部松江、金山、青浦地区,光农田径流中的溶解性养分(全氮、全磷、全钾)流失就有9800t,占全年化肥纯施用量的15%[4]。前捷克斯洛伐克东部来自农场的肥料和动物粪便径流可能是地表水和地下水硝酸盐污染的主要原因。瑞士雨水径流中氮、磷含量相当于工业废水和城市污水中这类污物量的总和[5]。

1.2淋溶

施氮肥时,各种形态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,固易随水进入地下水。当施入农田中的氮素大于或等于作物所需吸收量时,易出现氮素淋溶现象。一般认为氮素被淋滤水携至根系活动层之下的数量为淋失量。某些底土粘重而表层轻松的土壤,侧向渗滤作用将氮素携至生态系统水平边界之外的数量亦属于淋失损失[12]。在以下几种情况下,淋溶氮量尤其大:当大量硝态氮肥或铵态氮肥施于作物生长早期或当作物根系处于非活跃期时;当降雨量大或作物被过量浇灌时。由于硝化作用与温度高低成正相关,所以冬季施用铵态氮肥比夏季不容易被淋溶[18]。NO-3_N进入地下水的量受气候、土壤性质(主要是土壤孔隙度)、地下水位、氮肥用量及农事活动(如耕作、灌溉)等影响,其中以质地影响较大[1,12]。在某一个地区淋溶掉的硝酸盐有可能被再利用。如氮素溶于水后随浅层地下水流到下游,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]。吕殿青研究陕西土中硝态氮运移特点发现,土中硝态氮含量与土壤剖面深度呈指数关系,淋失量与地面接水量呈正相关。分次施肥的淋失量小于一次施肥[2]。据孙昭荣1986—1992年观察施氮量与土壤下渗水中氮量的关系,得出二者呈直线正相关的结论[7]。另一项研究也证明了这一点:每年每公顷输入氮量分别为100kg、200kg、300kg时,淋溶氮量分别为17kg/(hm2•a)、30kg/(hm2•a)、60kg/(hm2•a)[17]。R.F.Spald-ing等人(1978)研究结果表明,地下水中硝态氮浓度与灌井密度×土壤排水量呈正相关。据全国试验结果,氮肥施入土壤后,淋溶和地面径流损失约占25%。庞金华等计算上海郊区1950—1990年施用的氮肥中,有438×104t(实物量),即每年有11×104t进入了地面水和地下水[3]。资料表明,一般氮素流失比淋失速率小[12]。

1.3农田排水

美国对连续5年的小麦田排水中氮的流失观察表明:每公倾施用48.8kg、96kg和144kg氮,在生长旺季排水中的氮量分别是不施肥的4.8、9.6、12.7倍。甚至在冬季休闲时,也是不施肥的1.07—1.62倍[17]。1988年我国仅江苏的苏州、无锡、常州三市从农田中排出的氮素即有3.6万t进入水源,宝贵的肥料变为污染源。

1.4畜牧养殖场排水

荷兰、比利时、联邦德国、丹麦等欧洲国家畜牧业占农业生产总值的一半以上。这些国家的畜牧业经营规模大且相对集中,增加了动物排泄物,特别是氮污染的风险。因为奶牛、猪和蛋鸡消耗的饲料中,约70%的氮通过粪便排泄。肉鸡饲料约50%的氮变成粪便。据调查,有30%左右的粪便流失,尿液有60%左右流失,冲洗水有80%以上流失。澳大利亚昆士兰沿海排水区平均每年排放7.7万t氮和1.1万t磷,其中大多数是从牧场排放的,这是大量施用化肥构成该区内大堡礁咸水湖富营养化的主要原因[21]。研究表明,畜禽粪便在农业污染源中,已经成为上海郊区水体质量的第二位因素[3]。西欧一些地区畜牧高度密集造成了严重的粪肥处理问题。这些地区的公共供水达不到欧共体规定的饮用水标准(NO-3〈50mg/L)。粪便堆积区硝酸盐极容易渗到地下水中[19]。文化等人对京郊窦店村的研究表明,养殖业的污染速率与蓄粪坑距饮用井的距离、畜牧养殖规模成正相关[10]。

2氮素流失造成的后果

由于过量施肥或施用不当引起的环境污染是一种非点源污染。非点源污染又称面源污染,是相对于点源污染而言的。按照美国联邦水污染控制法(1972)对非点源污染的解释:非点源污染通常是在不确定的时间内,通过不确定的排放途径,向水系排放不确定量的污染物质。随着点源污染不断得到控制,非点源污染及其控制将逐渐成为环境保护的主要课题[9]。在美国非点源污染的污染量已经占总污染量的三分之二,而农业活动对非点源污染的贡献为75%左右。农业非点源污染由化肥、农药、农田土粒以及其他有机或无机污染物质引起[9]。其中主要是由化肥和农药引起的。以下着重介绍由化肥氮肥引起的水域非点源污染。瑞典西海岸的拉霍尔姆湾,由河流输运的氮中60%来自农业。瑞典最南端的谢夫灵厄流域,来自农业的氮占此流域总输入氮量的84%—87%[20]。当然要精确估计化肥对地面水污染所起的作用是比较困难的。FAO的研究报告指出:地下水和地面水中硝酸盐和磷酸盐的富集,至少是部分与施肥有关。目前水体污染的研究领域包括:地表水(河流、湖泊、海洋等)和地下水(浅层地下水如井水和深层地下水)的污染等。涉及氮素非点源污染的有:地表水的富营养化、地下水硝酸盐含量过高等。

2.1施肥与地表水污染

富营养化是指过量的营养物质进入水体后的富集过程及其引起的后果。它是一种自然演替现象,一般要几百年甚至几千年才能完成,而工农业生产和生活污水的影响可以将富营养化过程缩短至几十年甚至更短。地面水体富营养化可以在湖泊、水塘及流速缓慢的河流中发生,以湖泊中发生为多,随着水体中营养物质的增加,水生生物和某些藻类急剧过量增长,耗去水中溶解氧,引起鱼贝等动物和水生植物大量死亡,其腐烂分解使水中矿物养分含量增加,引起恶性循环,使水体着色并散发臭气。引起水体富营养化起关键作用的元素是氮和磷[11]。我国五大淡水湖之一———巢湖,从60年代始至80年代,由于湖水的富营养化,导致湖内100多种水藻大量繁殖。巢湖目前主要受到氮、磷营养盐与有机物的污染,总氮、总磷严重超标。造成巢湖严重污染的原因,主要是沿湖城市大量工业废水和生活污水排入巢湖。另外,沿湖农田化肥和农药的使用量逐年增加,农业非点源污染对巢湖的污染量越来越大。巢湖沿湖四周均是农田,是安徽省的重要产粮区。近年来,农民施用化肥量平均每公顷1200kg,比10年前增加8倍,因肥料结构和施肥方法不当造成化肥大量流失,成为巢湖水质总氮、总磷超标的重要原因[13]。

我国第三大淡水湖———太湖,97%面积的水体已经呈中富营养状态,其类型属于氮超标而磷和有机质相对不足。富营养化使近几年大面积蓝藻爆发。1995年7月,无锡梅园水厂蓝藻泛起,堵塞取水管道,水厂被迫关停数日,1/5的居民为此断水。据研究,进入太湖的污染物中,总氮排放量最多的是来自农业非点源污染,总磷排放量最多的是来自城镇居民。因为湖区农田水几乎直接进入太湖。《中国环境》报道:太湖水中来自工业污染源的废水排放量占废水总排放量的33.44%;来自生活污染源的废水占8.12%。农田排水占32%。江苏省太湖水质监测中心站顾岗认为控制农田非点源污染,关键是减少化肥和农药使用量。沿太湖地区农业集约化程度高,以浙江省为例,全省平均施氮肥1125kg/hm2以上,嘉兴高达1800kg/hm2[14]。浙江省农科院主持完成的“稻田中氮素淋失规律及其数量模拟研究”课题,提出每公顷每季施氮素以150kg左右为宜[3]。1994年召开的江苏省环境科学学会也建议苏南太湖地区单季晚稻施氮不超过195kg/hm2为宜[2]。过量施肥、施肥结构不合理(苏南太湖地区缺钾)、农田排水直接进入湖中等一系列因素,加剧了太湖富营养化。太湖富营养化问题严重影响了沿湖的工农业生产,故国务院环委会于1996年4月在江苏省无锡市召开太湖流域环保执法检查现场会。宋健同志强调指出要控制农业的污染排放。与会专家建议在湖岸建立生态农业区和无公害农作物生产基地,降低化肥使用量[3]。

2.2施肥与地下水污染

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随水往下淋溶,通过土层进入地下水,造成地下水污染。而地下水在不少地方供人畜饮用,因此地下水状况如何,对人畜健康有一定关系。据张玉良估计,全世界施入土壤中的肥料大约30%—50%经土壤淋溶而进入地下水[16]。在国外,影响地下水中硝态氮含量的因素主要来自农场牲畜粪便及大量施用氮肥。据世界资源报告,联邦德国每年耕地上多余的氮素增长了10倍,从50年代的每公顷10kg增至80年代的100kg。前捷克斯洛伐克东部,来自农场的肥料和动物粪便径流可能是地表水和地下水硝酸盐污染的主要原因。据估计,前捷克斯洛伐克东部河流中80%的地表水受动物粪便的污染。宾西法尼亚州在7.4平方公里的积水区内对14口井调查发现农田区地下水中硝酸盐、磷酸盐和氯化物浓度比林区地下水同类物质浓度高5—7倍[5]。Hallerg报道地下水中硝酸盐含量与当地施肥量平行,具有线性关系。其它研究者也有相同的结论[14]。氮肥一般以铵态氮、硝态氮和酰胺态氮形式输入土壤,铵态氮和酰胺态氮都必须首先转化为硝态氮才能被作物所吸收。而硝酸盐离子与土壤离子同带负电荷,不容易被土壤微粒吸附,所以氮肥淋溶以硝酸盐为主。

NO-3一般不具有毒性,但是如果进入人体内还原成亚硝酸盐,可以引起高铁血红蛋白症,特别是四个月以内的婴儿反应非常敏感,国外称此病为“蓝婴症”。因为婴儿体内血红蛋白代谢功能还未充分形成,血红蛋白氧化所生成的正铁血红蛋白不能被还原成血红蛋白,使血红蛋白输氧功能受阻。美国学者对18个集体单位进行了调查,发现饮水中高量硝酸盐与高血压发病率之间有联系。硝酸盐形成的亚硝基化合物具有明显的致癌、致突变、致畸的性质,尤其当缺乏维生素C之类抑制剂时[8]。因此,地下水中硝酸盐含量一直倍受关注。世界卫生组织制定的饮用水中硝酸盐含量标准为NO-345mg/L,NO-3-N10mg/L。植物大量积累NO-3通常发生在氮肥用量过高的范围内,而过高施氮量往往不能使作物产量进一步提高。如果控制氮肥施用量使计划产量比最高产量降低5%—10%,植物NO-3含量就能减少1/2—7/12[22]。蔬菜极易于吸收和富积硝酸盐,人类由于食用蔬菜而残留在体内,这严重危害着人体健康[6]。

3结语

农业生态系统中氮肥利用率的高低是决定流失氮量多少的一个因素。提高化肥利用率,不仅可以提高经济效益,而且可以减轻对环境的污染。另外,应根据当地实际情况确定合理施肥量和平衡施肥,在兼顾产量的前提下保护好环境。正确处理畜禽粪便以增加有机肥源,不应该把未经处理的废水直接排到水体中。