农业非点源污染研究进展
第38卷 第8期2010年8月西北农林科技大学学报(自然科学版)
()JournalofNorthwestA&FUniversitNat.Sci.Ed. y
Vol.38No.8
Au.2010g
农业非点源污染研究进展
222
,,陈 勇1,冯永忠1,杨改河1,
()陕西杨凌7陕西杨凌71西北农林科技大学农学院,12100;2陕西省循环农业工程技术研究中心,12100
[摘 要]但农业非点源污染已成为全球突出的环境问题的现状,在分析国 针对点源污染虽已得到有效治理,着重从当前农业非点源污染研究中的农业非点源污染定量模型研究、农内外农业非点源污染的严峻形势的基础上,
业非点源污染的农户经营行为研究、农业非点源污染的环境经济学研究和农业非点源污染的控制与管理战略研究4个方面进行了阐述,并指出当前我国控制农业非点源污染所面临的困境,最后对未来我国农业非点源污染的研究发展前景进行了展望。
[关键词]研究动态;非点源污染定量模型;污染控制 农业非点源污染;[];中图分类号]S19X592 [
[文献标识码] A
[()文章编号]6719387201008017309 1---
Studadvancesonariculturenonointsourcepollution -p yg
121212
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发展、繁衍的基本条件 环境既是人类赖以生存、
和空间依托,也是社会经济发展的资源基础。然而,人们在经济活动中对自然资源的长期利用,往往忽略了对地球生态系统的影响和对后代的潜在损害。当人类活动对环境的不利影响超过环境净化能力或被破坏资源的更新能力,就形成了经济学上的负外从而导致环境的严重污染和破坏。在农业生部性,
主要表现为农业生态环境的破坏、环境质态系统中,
量的下降与农业非点源污染的发生。然而,在20世农业工作者否认农业会带来环境退纪70年代以前,
1]
,化以及环境污染[导致后来的农业非点源污染形
非点源污势愈加严峻。随着点源污染的有效控制,染尤其是农业非点源污染不但逐步成为污染治理的重点,而且也逐步成为制约现代农业和社会可持续
*
[收稿日期]0100122 2--
[基金项目]黄河上游灌区农田退水污染控制与湿地生态修复关键技术研究与示范课题” 国家水体污染控制与治理科技重大专项“
()2008ZX0721200401--
[(),,作者简介]陈勇男四川成都人,在读博士,主要从事资源与环境生态研究。979- 1[,通信作者]男,陕西耀县人,教授,博士生导师,主要从事资源与环境生态研究。1957-) 杨改河(
174
西北农林科技大学学报(自然科学版)第38卷
发展的瓶颈[2]
。目前,国内外众多专家和学者已从
不同角度对农业非点源污染进行了大量研究,各国政府也都积极参与农业非点源污染的管理和控制。因此,准确把握农业非点源污染研究的动态,对当前或者今后农业非点源污染的研究具有重要的理论和现实意义。
1 农业非点源污染的概念
非点源污染(Non-Point Source
Pollution,NPS)是相对于点源污染(Point Source Pollution)而言的一个概念,又称为面源污染(Diffused Pollu-tion)。美国环境保护局(USEPA)
将非点源污染定义为来源于降水、
地表径流、土壤渗透、排水、土壤渗漏、水文变化或大气沉降,并在降水或融雪的冲刷下,携带自然的或人类活动的污染物,最终沉积在河
流、
湖泊、湿地、近海水体和地下水而形成的污染[3]
。从技术角度定义,非点源污染是指任何不能满足1987年美国清洁水法案(CWA1987)的第502(14)
部分对“点源污染”的法定定义的水体污染[3]
。非点源污染按其来源可分为城市非点源污染和农业非点源污染。农业非点源污染(Agriculture Non-PointSource
Pollution,AGNPS)是指在农业生产活动中,氮、磷等营养物质和农药、重金属等有机、无机污染物及土壤颗粒等沉积物,通过地表径流和地下渗漏,
对环境尤其是水域环境造成的污染[
4]
。农业非点源污染主要来源于化肥、农药的不合理应用,以及畜禽粪便、水产养殖、农作物废弃秸秆、农业废弃塑料薄
膜、
农村生活垃圾和污水等的不合理排放[5-
8]。与点源污染不同,
农业非点源污染特征十分复杂,主要表现为:污染的分散性和隐蔽性、污染的随机性和不易
确定性、
污染的广泛性和不易监测性等[9]
。2 国内外农业非点源污染的态势
在20世纪50年代以前,世界上许多国家的农业生产多采用小型家庭农场的生产方式,施肥都以有机肥料为主,农业生产所产生的废弃物很容易被土壤和水体吸收或降解。但是自20世纪50年代以来,
农业生产逐渐转变为规模化和专业化的生产经营模式[10]
,从而带动了农业的飞速发展。目前,全
球谷物和肉类的总产量已分别达到23.4亿t和2.9
亿t[11]
。在农业和畜牧业的快速发展过程中,农业
非点源污染给全球环境带来了严峻的挑战。目前全球有30%~50%的地表水体受到非点源污染的影
响,全世界不同程度退化的12亿hm
2
的耕地中,有12%是由农业非点源污染引起的[12]。据Smil[1
3]
估计,在过去的50年里,
氮肥的使用对单位面积粮食产量的增长贡献率高达40%。据预测,2015年全球化肥施用量将达到1.88亿t,2030年将增加至2.23
亿t[14]
。但农田施用的任何种类和形态的化肥,都
不可能全部被植物吸收和利用,
均会有相当大一部分损失掉,作物对化肥的利用率,其中氮为30%~60%,磷为2%~25%,钾为30%~60%。同时,
农药在使用过程中也会产生大量的流失。在中欧、比利时、荷兰、英国以及北美的部分地区,农药的施用
已经造成了水质的严重污染[1]
。禽畜粪尿的N、P
排放,有相当一部分进入水体,对不同禽畜生产方式
而言,混合养殖模式对N、P排放的贡献率高达
70.5%;
从地理上分,亚洲是氮磷污染的最大贡献者,占全球总排放量的33.5%[1
5]
。德国农业比较发达的巴伐利亚州,
由于污染和水质标准的提高,仅有24%的自来水符合饮用水的标准[1
6]
。中国的农业非点源污染形势也不容乐观,全国化肥投入量从1990年的2 590.3万t增加到2008年的5
239.0万t,单位耕地面积化肥投入量也从1990年的270.75kg
/hm2
增加到2008年的430.43kg
/hm2
,远远超过了发达国家为阻止化肥对水体造成污染所设定的安全上限(225kg
/hm2[17]
)。再加上我国化肥的平均利用率仅为35%左右,
较美国等发达国家低5%~10%[1
8-
19],大量的过剩营养物质随地表径流进入水体,造成水体的富营养化。2002
年全国遭受不同程度污染的农田达1
280万hm2
,而1989-2001年全国每年发生的3 000多种急性污染事故中,有60%~80%是农牧渔业污染事故,
每年直接经济损失高达10亿元以上[2
0]
。我国也是世界上的农药生产和使用大国,
农药的生产量和施用量均居世界首位。长期大量不合理地使用农药,必然会导致土壤、地表水、地下水和农产品的污
染[
21]
。我国农业生产中施用的杀虫剂量占施用农药总量的70%以上,其中高毒农药有机磷杀虫剂又占70%以上。仅粮食而言,我国因农药污染而损失的产量在828亿kg以上,
年经济损失达230~260亿元[22]
。此外,我国的养殖业自1991年以来一直
保持世界第一,然而随着养殖规模的扩大,也带来了禽畜粪尿污染及营养物质流失的问题。全国禽畜粪便产生量高达41亿t,预计2015年将达60亿t,然而全国90%以上的畜禽养殖场并没有配备完善的污水处理系统和设备,导致污染物对农田的无限制
排放[21]
。因此,化肥、农药的大量施用以及禽畜粪
第8期陈 勇,等:农业非点源污染研究进展
175
便的过量排放带来的农业非点源污染已经成为水环境的主要影响因素,而化肥利用率低、农药施用结构不合理、
禽畜养殖规划与管理不善则加剧了农业的非点源污染,这直接导致我国的河流、淡水湖泊或水库严重富营养化。据统计,目前我国的大型淡水湖泊或水库中,
水质呈现劣Ⅴ类水质的有巢湖西半湖、大明湖、门楼水库、滇池(草海)和洞庭湖五大湖
区[
23]
。 农业非点源污染的研究动态
目前,农业非点源污染的研究主要集中在农业非点源污染定量模型研究、农业非点源污染中农户经营行为的影响研究、
农业非点源污染的环境经济学研究和农业非点源污染的控制与管理战略研究4个方面。
.1 农业非点源定量模型的研究
模型研究一直是农业非点源污染研究领域中的活跃分支并被广泛应用于实际。农业非点源污染模型研究的发展大致经历了3个阶段。第1阶段为0世纪70年代初以前,
这个阶段主要用经验型模型来研究农业非点源污染问题,即通过建立污染负荷与流域土地利用或径流量之间的经验关系,并通过该经验系数来识别土地利用或流域非点源污染负
荷[24]
。但经验型模型的功能较为单一,并不能对非
点源污染的过程进行动态模拟和估算。这一时期具有代表性的经验型模型包括USEPA最初推出的
WMM模型[25]
、1965年在美国农业部农业手册第
82号颁布的通用土壤流失方程模型(USLE)[26]
、美国农业部水土保持局开发的SCS-
CN模型[27]
等。第2个阶段始于20世纪70年代中后期,随着农业非点源污染的物理和化学过程的深入研究,以及监测手段的更新和计算机模拟技术的广泛应用,确定型模型逐渐取代经验型模型成为农业非点源污染研究的主要手段。通过对参数的设定和校准,确定型模型能够对流域不同节点及出口处的流量和水质进行较为准确的模拟和预测。这个时期是农业非点源污染模型研究的蓬勃发展时期,
大量的非点源污染研究模型得以开发,
并取得了大量的研究成果,如LEAMS[28]、CREAMS[29]、LEACHM[30]
、EP-
C[31]、RZWQM[32]、MANNER[3
3]
模型等。第3阶段是从20世纪90年代开始持续至今,随着“3S”(即S、GIS和GPS)
技术与农业非点源污染模型的融合,研究过程充分考虑了空间的变异性,农业非点源污染模型的功能和精度更加完善,处理效率进一步
提高。在“3S”技术的支持下,一些功能强大的超大型流域模型被开发出来。这些模型已经不再是单纯的数学运算程序,
而是集空间信息处理、数据库技术、数学计算、可视化表达等功能于一身的大型专业
软件[24]
,这个时期具有代表性的模型主要有An-nAGNPS[34]、SWAT[35]、BASINS[36]、WEPP[37]
和USLE的改良模型USLE-M[3
8]
等。我国对农业非点源污染模型的研究及应用起步较晚。在研究方法上,主要是将国外的模型引入国内进行模拟验证,并已取得了大量的研究成果。如
刘铭环[39]
采用SWAT模型对竹竿河流域农业非点源污染问题进行了研究;余炜敏[40]利用GEOWEPP
模型研究了三峡库区的农业非点源污染。An-nAGNPS、SWMM、WARMF等大部分国外现有农
业非点源污染模型也都在国内得到广泛应用[
41-
43]。目前,国内对农业非点源的研究正偏向于融合“3S”技术的农业非点源污染模型的应用,并在陕西黑河流域、北京密云水库、大沽河流域、西丽水库流域等
的研究中取得了重要的成果[
44-
46]。但是,目前我国在完全自主开发的适应国情条件并且模拟效果较好的模型尚比较少。随着我国农业非点源污染问题的日益突出,研发适合我国不同区域特色的农业非点源污染模型将成为今后研究的重点。3.2 农业非点源污染的农户经营行为研究
农业非点源污染的形成既有自然生态方面的原因,也有社会经济方面的原因。农户是农业生态经济系统中的基本要素及农业生产经营活动的主体。农户经营行为通过不同方式或形式对农业非点源污染的排放产生影响。然而早期的研究主要侧重于从技术和工程层面进行定量分析,而从社会经济管理
角度的研究较少[
47]
。但是近年来随着农村环境的持续恶化,基于环境视角的农户经营行为成为广泛关注的研究内容。从现有研究的具体情况看,研究内容主要从农户的环保意识、投资行为、兼业行为、经营规模、农业技术培训经历和一些家庭禀赋特征(如人口规模与受教育程度)等着手进行分析,研究的方法主要是通过农户调查,
运用统计或计量经济模型进行研究。大多数研究得出的结论是农户经营
行为必然会影响农业非点源污染。Griffin等[4
8]
认为,农业面源污染具有负外部性,农场主不会关注生
产中的环境污染问题。周立华等[49]对甘肃省庆阳市农户的调查结果支持了Griffin和Bromley[48]的
结论。梁爽等[50]
对密云地区农户经营行为的研究
证实,农户的环保意识、是否有非农收入以及受教育
332S2GIR
176
西北农林科技大学学报(自然科学版)第38卷
水平等影响了农户的环保支付意愿。冯孝杰等[51]认为,农户的投资方向与力度、经营规模、经营结构等都会对农业面源污染产生影响。
目前,研究较多而且深入的农户经营行为是农户投资行为对农业非点源污染的影响,其中农户的肥料、
农药、农膜等生产资料投入是如何影响农业非点源污染的研究成果最为显著。何浩然等[52]
构建
的计量经济模型的研究结果表明,
农民施肥行为对农业非点源污染有重要影响,进一步研究发现,非农就业对农户化肥施用水平具有促进作用,农业技术
培训也会增加农户化肥施用量。而李海鹏[53]则证
实,农户的受教育程度和土地面积大小与农户化肥投入有显著的负相关关系。
.3 农业非点源污染的环境经济学研究
目前,对农业非点源污染的经济学研究主要集中在经济发展与农业非点源污染的关系和农业非点源污染的经济影响评价两个方面。
关于经济发展与农业非点源污染的关系,自20世纪90年代以来已进行了大量研究,并伴随着计量经济学理论的引入,
使经济发展与农业非点源污染的关系研究得到进一步的深入,计量经济模型的建立和验证,不仅使二者之间的关系得到量化分析,而且有效地预测了农业非点源污染的趋势。如利用方向性产出距离函数模型分析农业污染排放的影子价格和污染成本、利用环境库兹涅茨模型(EKC)
分析经济增长和农业非点源污染排放的关系等[
54]
。近年来,值得关注的是环境库兹涅茨模型(EKC)在农业非点源污染研究中的应用。美国经济学家库兹涅
茨(Kuznets
)[55]
研究发现,贫富差距与经济增长关系呈倒“U”型的库兹涅茨曲线。20世纪90年代,
rossman等[5
6]
将库兹涅茨曲线模型用于环境与经济的分析,并被称为EKC模型。近年来,EKC模型
在农业非点源污染研究中得到广泛应用,选择不同变量的研究表明,经济发展与农业非点源污染之间呈倒“U”形、正“U”型、“N”型和倒“N”
型等多种关系[
57-
59]。农业非点源污染的经济影响评价研究,主要针对其对农业环境的损害进行经济学评价,
并探究非点源污染发生的经济学原因。Parker[6
0]
开展了马里兰州的水质改善法案(WQIA)
对农户使用化肥和养殖户的经济影响分析。张美华[61]
分析了畜禽养
殖污染的外部性,并以密云县吉顺畜牧场为例,对简单厌氧处理加生态工程模式进行了成本效益分析。
而张宏艳[62]
认为,农村在经济上的被边缘化直接导
致了农业非点源污染的加剧。但是,
目前对农业非点源污染损害的经济影响评价还仅局限于定性的评价研究,定量研究或模型评估仍然还面临着巨大的困难。
3.4 农业非点源污染的控制措施研究
农业非点源污染的控制措施主要有工程措施和经济政策措施,目前相关研究也主要围绕着这两个方面进行。源头控制和末端控制是工程技术措施体系研究的主要方面,目前源头治理的工程措施主要包括退耕还林还草、平衡施肥、禽畜粪便处理等技术。在国家实施退耕还林还草工程以后,退耕还林还草控制农业非点源污染的技术得到了系统的研究,目前的研究主要集中在退耕还林还草对营养物质流失的影响、退耕还林还草对营养物质的减少程度,以及不同退耕还林还草模式对营养物质流失的
控制程度等方面,
如崔力拓等[63]、赵串串等[64]
的研究已经取得了重要进展。
农业非点源污染的末端治理技术研究主要包括植被过滤带、
河岸滨湖带、湿地控制技术等措施。其中植被过滤带技术和湿地控制技术的研究较为深入。植被缓冲带是指用来拦截地表径流中的泥沙和
其他污染物质的植被种植区域[65]。苍靖[66]
提出提
高植被缓冲带补贴可以有效增加植被缓冲带建设面积,实现环境效益和农民利益双赢的目标。李怀恩
等[
67]
的最新研究结果显示,植被过滤带能有效削减地表径流中的悬浮固体,植被条件、入流流量和入流悬浮固体浓度对净化效果影响显著,植被过滤带对悬浮固体的削减主要发生在前10m。而湿地生态系统削减农业非点源污染的原理,
则主要是利用湿地生态系统中物理、化学和生物的作用机制,降低或减轻水体中污染物质的浓度。Woltemade在美国马里兰、伊利诺斯、衣阿华的试验结果表明,湿地可以
吸收68%的氮和43%的磷[6
8]。胡梅等[69]
研究表明,4m水陆交错带的芦苇群落根区土壤对总氮和总磷的截留率分别高达64%和90%。
农业非点源污染的经济政策措施主要有税费政策、
环境补贴政策及排污权的交易政策。经济学家提倡通过市场工具有效缓解农业非点源污染[
70]
。近年来的研究强调利用经济刺激措施实现污染的控
制目标[
71]
。目前经济刺激措施的研究主要包括投入税、环境税或环境补贴、政府经济资助、可交易许
可及责任规则和履约保证等[72]。曹利平[73]
构建了
我国农业非点源污染控制的经济政策框架体系,提出了基于限制和约束功能的税费政策、基于引导和
3G
第8期陈 勇,等:农业非点源污染研究进展
177
鼓励功能的补贴政策及完善污染最小化的排污权交
易市场的经济刺激政策。Xiang等[74]
对洞庭湖周边
11个地区的研究发现,征收氮肥税后环境损失减少了700万元,而财政收入增加了8 900万元,总体而言,征收氮肥税利大于弊。然而,由于非点源污染的不确定性和信息不对称性,
也有学者认为,经济刺激措施并不适合农业非点源污染的防治[75]
,而命令与
控制政策则更为适合。
4 我国农业非点源污染研究与控制的
困境
4.1 环保政策在农村的缺失
关于中国的农业非点源污染问题,无论从管理战略还是在制度建设上长期被忽视。到目前为止,在中国主流的环境政策中,仍缺乏对农村环境保护的关注。比如我国的环境评价或者环境限期治理政策,主要针对于工业污染源的管理,而缺乏对农业环境的评价标准体系。同时,对农业的非点源污染也无专门的部门进行负责和管理,
农民对农业生产中的排污行为并不承担任何责任。因此,
由于制度和政策的缺失,妨碍了将农业环境质量目标纳入经济发展决策。另外,农民只有土地的使用权,而没有土地的所有权,加上农民在我国的受教育水平最低,收入水平也最低,而且土地收益本来就不高,导致农民不愿意对土地进行投入,以改善农田生态环境,减少农业的非点源污染。4.2 技术性困境
在控制农业非点源污染的过程中,首先遇到的就是污染的不确定性和信息的不完全。不完全和不确定的污染信息导致了污染源的位置、时间变量、污染动态、
自然作用的角色等无法清楚地掌握。同时,进行大范围、不间断的监测在经济上和污染管理上都是不可行的。
4.3 化肥和农药的难以替代性
我国人口基数巨大,为保障粮食安全,必须使有限的耕地面积实现粮食的高产、稳产。因此,在现有耕作技术难以改变和传统育种手段难以大幅提高单产的情况下,
短期内通过化肥和农药大量投入来增产以保证粮食数量安全的趋势仍不可避免。虽然当前各种配方肥料在不断地开发,在病虫害的防治中也在积极研制低毒高效的农药,且生物农药也呈现出蓬勃发展的势头。但是在很长的一个时期内,化肥和传统农药的投入可能会有所减少,但其他化肥替代品不可能完全代替化肥的使用,农药替代品也
根本不可能完全代替常规化学农药的使用。因此,化肥和农药的污染问题还会被持续关注。
5 我国农业非点源污染的研究展望
我国的农业非点源污染是不容忽视的,
但目前所能得到的资料无论在数量上还是在质量上,都还远远不能满足研究的需要。为了经济有效地遏制我国农业的非点源污染问题,应当充分应用相关学科的理论与监测手段,
加强非点源污染的多学科交叉研究。综观我国农业非点源污染研究的现状,未来的研究呈现以下四大发展趋势。
1) 加强基础监测。农业非点源污染的研究离不开大量的野外试验和监测数据的支持。然而,农业非点源污染的特征决定了数据的获得有很大困难。因此,农业非点源污染的野外试验、监测和管理研究还需要进一步加强。
2) 建立适合国情的污染研究模型。目前,我国大部分农业非点源污染机理模型的研究,都是直接应用国外现有的模型研究成果,并在我国进行验证、
模拟和分析,而开发适合我国国情的农业非点源污染模型的研究极少。因此,开发适合我国不同区域特色的农业非点源污染研究模型,以及建立适合无资料或资料获得困难地区的农业非点源污染研究模型,
在未来的研究中必须得到重视。3) 新技术的应用。信息技术尤其是“
3S”技术的出现,
为农业非点源污染的研究提供了有效途径。“3S
”技术的宏观性、短周期性以及人力、物力、财力的节约性,为农业非点源污染数据的获得创造了有利条件。“3S”技术强大的数据收集和处理功能,正在也必将继续推动农业非点源污染模型研究的发展。而农业非点源污染研究模型同时又是环境评价、环境管理和环境政策模拟等的基础,将“3S”技术融入到各模型中进行对接研究,将是今后我国农业非点源污染模型研究的一个趋势。
4) 相关学科的交叉研究。农业非点源污染及
其影响效应涉及农业生态学、
环境学、经济学、管理学等各学科的理论与技术,通过各学科的交叉结合,研究农业非点源污染的农业生态影响、环境经济影响、农户行为影响和环境管理策略等,可以为我国农业非点源污染的综合防治与管控提供有利条件,这将是我国农业非点源污染研究的大趋势。[参考文献]
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