农业非点源污染研究现状与发展趋势

生态学杂志　1998,17(6)∶51-55

ChineseJournalofEcology　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

农业非点源污染研究现状与发展趋势

张水龙　庄季屏

(中国科学院沈阳应用生态研究所,110015)

CurrentSituationandDevelopmentTendencyofResearchesofNon-PointSourcePollutioninA2

griculture.ZhangShuilong,ZhuangJiping(InstituteofAppliedEcology,AcademiaSinica,Shenyang110015).ChineseJournalofEcology,1998,17(6):51-55.

Fourresearchaspectsofagriculturalnon-pointsourcepollutionathomeandabroad,i.,mecha2nismofoccurence,expansionandtransformation;impactonenvironment;;andcontrolandmanagementarereviewed.Theirdevelopmentalsoanaly2sisofthecurrentsituationthewaysofresearchKeywords:agricultural,non-point,development

tendency.

　　题之一。,还是发展中国家,都已经或即将面临着这一危机。而在干旱与半干旱地区尤为紧迫。引起水危机的主要原因有二:一是从长远来讲,水资源是有限的,而目前由于世界人口持续增加引起对水资源需求的膨胀使得这一危机加重;二是随着人类活动的增加,可用水资源正日益受到污染,未经处理或处理不完全的污水、农用化学品和工业废水等污染物严重地影响着水质。可用水资源的减少加速了世界性危机的到来。因此,对各种水环境污染,进行深入和广泛的研究,对解决人类面临的水危机有着非常重要的意义。1　非点源污染

对此,不少文献[1,2]都有所描述。它的主

要特征可概括为:发生上具有随机性,排放途径及排放污染物具有不确定性,污染负荷的时空差异性大。这些特点给非点源污染的研究和治理工作带来许多困难。

在非点源污染引起的各种水环境问题中,不同的地区起主导作用的污染源类型不同。根据产生污染物的非点源污染体的不同,可分为农业非点源污染,采矿引起的非点源污染,城市非点源污染,施工引起的非点源污染,林业活动引起的非点源污染及其它类型的非点源污染。从给水质带来污染的普遍性来看,农业非点源污染是最普遍的非点源污染,因而受到了普遍关注,各国纷纷开展了对农业非点源污染的研究和控制工作。2　农业非点源污染研究现状

从污染源发生的类型来讲,水环境的

污染可分为点源和非点源污染两大类。点源污染是指工业生产过程中产生的废水和城市生活污水,一般都是集中从排污口排入水体。非点源污染,是相对点源而言,一般被理解为它是由一种分散的污染源造成的,其污染物来自大范围或大面积。与点源污染相比,它具有许多显著不同的特点,

农业非点源污染主要是指农业生产活

作者简介:张水龙,男,28岁,博士研究生。1996年毕业于河北师范大学地理系环境地学专业,获理学硕士学位,同年考入中科院沈阳应用生态研究所博士。现主要从事水/土资源综合管理,区域环境规划与评价,可持续发展等与环境问题有关的交叉学科的研究。已发表论文数篇。

庄季屏,见本刊1995,14(1):1.

52生态学杂志　第17卷　第6期

动中,农田中的土粒、氮素、磷、农药及其它

有机或无机污染物质,在降水或灌溉过程中,通过农田地表径流、农田排水和地下渗漏,使大量污染物质进入水体,造成了污染。由于农业活动的广泛性和普遍性,农业非点源污染成为构成目前水质环境恶化的一大威胁,并因此受到了重视。对非点源污染的研究,始于60年代,在美、日、英等一些发达国家率先兴起。70年代以后,在世界各地逐渐受到重视。近年来取得了不少进展。2.1　农业非点源污染的产生、迁移与转化机理

层尤其是水圈扩散的过程,农业非点源污染本质上是一种扩散污染。对其机理的研究包括两个方面,一是污染物在土壤圈中的行为;二是污染物在外界条件下(降水、灌溉等)从土壤向水体扩散的过程。前者是研究的基础,后者是研究的重点和关键。对农业化学品在土壤中的行为及作用机理,土壤学家似乎更为重视,并取得了不少成果[3～5]。随着农业的进一步工业化,农业化学物质大量投入使用,化肥农药的不合理施用使土壤中物质的平衡体系被破坏,污染物从土壤圈向其它介质圈层扩散。环境学家或从环境角度研究这一问题的土壤学家,对这一过程进行了大量的调查研究实验,他们的工作大大推动了农业非点源污染的研究[6～8]。

农业非点源污染的产污(迁移转化)机制是我们进行治理模拟监测的基础。近年来,许多学者从动态过程的角度对农业非点源污染进行了深入研究,作为一个连续的动态过程,农业非点源污染的形成,主要由以下几个过程组成,即降雨径流过程,土

壤侵蚀过程,地表溶质溶出过程和土壤溶质渗漏过程,这四个过程相互联系相互作用。对降雨径流过程的研究,大多是以水文学为基础,重点研究作为非点源污染动力的径流的产流汇流特性。在非点源污染研究中,重点考虑产流条件的空间差异,有助于深刻揭示农业非点源污染的形成。代表性的有美国水土保持局50年代提出的SCS法,由于考虑了下垫面(土壤、植被、人类活动等)性质对产流的影响[9～11],,因而也被用于区[12～14]。土壤侵蚀过程是农业非点源研究的重要内容。人们已认识到水土流失不仅使土壤环境和质量得到损害,而且给受纳水体带来危害,因为流失的水土是污染物的重要载体。水土流失的研究历史很久,取得的成果也多。美国在60年代通过大量实验提出USLE方程及后来的RUSLE,对年内土壤流失有了较充足的预报。近年来随着形势的发展,又提出以WEPP替代过去的USLE,同过去的研究相比,WEPP更注重过程,更重视机理[15]。我国在这方面作了大量工作,代表性的有黄土高原的水土保持研究工作[16,17]。对地表土壤溶质随径流流失过程的研究,国内外学者均作了有益的探讨,提出了相应的概念和理论,如EDI并通过实验验证,使得这一过程的机理在某种程度上得到了解释[18,19]。土壤中溶质的下层渗漏过程研究,是目前农业非点源污染研究中的又一热点。土壤中的溶质运移过程是一个复杂的过程,受土壤特性,作物微生物等多种因素的影响[20,21]。对溶质运移过程的深入研究,有助于我们了解地下水污染的机理。2.2　农业非点源污染对水环境的影响

张水龙等:农业非点源污染研究现状与发展趋势53

组成农业非点源的污染物是多种多样的,有各种有机无机类的化肥、农药、盐分、重金属、病菌、泥沙等,这些污染物随地表径流进入地表水体,如河流、湖泊和浅海海湾,或者经渗漏进入地下水环境,形成污染。从目前研究来看,农业非点源污染对受纳水体的影响是多方面的,主要集中在以下几个方面:①地表水体的富营养化,主要是N、P等营养物质;②水体中有毒有害物质增多,如重金属、有毒有机农药等;③盐分增加引起的水质使用价值降低。

关于农业非点源污染对水环境的影响机理,探讨。()都,减少污染物的排放量和充分利用水体的环境容量同样能使水体免受污染。因此正确地判定和评价水体的环境容量非常重要[22,23];②重点研究农业非点源污染对水体产生的危害。其中国内外研究较多的是地表水体的富营养化[24,25]和地下水的水质恶化[26,27]。2.3　农业非点源污染的模型化研究

在非点源污染研究中,对定量控制和过程的要求较为严格,从客观上促进了非点源污染模型的发展。随着人们对非点源污染研究的深入,理论的成熟,监测的完善,农业非点源污染模型的发展经历了以下几个阶段:早期的农业非点源污染模型以简单的经验统计分析和长期平均负荷的粗略估计为特征,如70年代美国和加拿大联合开展的土地利用与五大湖水质污染关系的项目,研究了多种单一土地利用类型的单位面积污染负荷,探讨了多种因子(地形、土地利用程度、肥料、农药、气候条件等)对污染负荷的影响。水土流失作为农业非点源污染发生的主要形式,在同期建立的USLE,被广泛地应用于农业非点源

污染模型中[1]。70年代中期,非点源污染研究取得了重要进展,非点源污染模型开始以复杂的机理为基础,出现了一系列的模型如NSP,SWMM[28]等。这一发展主要是因为农业非点源污染是一个复杂的过程,是多个子过程的综合,水文学、土壤学等学科理论的引入,使农业非点源污染模型理论大大丰富。70年代后期及80年代以来,非点源污染模型向实用方向发展,其特点是与非点源污染的控制管理措施密切,性[29],[30][31]等。到90年,新技术的引入和监测手段的进一步健全,有力地推动了农业非点源污染模型研究工作,如GIS方法的引进,遥感技术的应用,使模型化工作更便利,结果更精确[32,33]。2.4　农业非点源污染的控制与管理

随着人们对农业非点源污染形成机制及其危害认识的深入,人们提出了各种控制管理措施,涉及到经济、法律、国家政策等等。其中最具代表性的是美国70年代中期提出的最佳管理措施(BMPS),目的是控制来自农业的水土流失和养分损失,减少农业非点源污染的影响。内容包括①选配最适BMPS;②估计BMPS的效果;③低成本改变BMPS;④对整个流域的水土流失和养分损失进行评估;⑤确定全流域水土流失养分最小的管理方案。

近年来,随着点源治理的成功,非点源污染的治理与控制愈来愈受人们的重视。一些新的理论和概念被大量引入农业非点源污染的控制中,如流域管理[34],河流生态系统[35],景观格局[36]等,从而使得农业非点源污染的控制理论得到进一步充实。

我国的农业非点源污染研究起步较晚,始于80年代初的湖泊水库富营养化调

54生态学杂志　第17卷　第6期

查和河流水质规划。研究方法上,较多地

借鉴了国外经验,在不断地探索中逐渐形成了一些有特色的理论和方法[37～39],为在我国进一步深入地开展农业非点源污染研究奠定了良好的基础。3　发展趋势

3.4　制定各种控制管理措施,完善各项法

规政策,最终降低非点源污染的影响

农业非点源污染是一种存在非常广泛的污染类型,同时具有鲜明的区域特征。因此,降低农业非点源污染的工作是全面综合的,不但要考虑具体措施对当地的适应性,还要通过建立合适的法规政策来保证。目前我国在这方面的工作不多,今后应多多加强。

参考文献

[1]V.,G.ofNonpoint

PollutionNostrandd]　.,1996,(2):14-18.]朱兆良,文启孝主编.中国土壤氮素.江苏科学

技术出版社,1990,10.[4]　李韵珠等著.土壤水和养分的有效利用.北京农

业大学出版社,1994,8.

[5]　李庆逵.现代磷肥研究的进展.土壤学进展,

1986,(2):1—7.[6]　马立珊.太湖流域水环境硝态氮和亚硝态氮污

染的研究.环境科学,1987,8(2):60-65.[7]　张水铭等.农田排水中磷素对苏南太湖水系的

污染.环境科学,1993,14(6):24-29.[8]　周祖澄.固体氮肥施入旱田土壤中去向的研究.

环境科学,1985,6(6):2-7.

[9]　McCuen,R.H.AGuidetoHydrologicAnalysis

UsingSCSMethods.Prentice-Hall,Inc.Engle2wood.Cliffs,1982.

[10]　Rudra,R.P.etal.TheImportanceofPreciseRain2

fallInputsinNonpointSourcePollutionModelling.Trans.Am.Soc.Agric.Eng.1993,36,44.

[11]　阮仁良.苏州河截流区外非点源污染调查.上海

环境科学,1997,16(1):20-22.

[12]　李怀恩.水文模型在非点源污染研究中的应用.

陕西水利,1987,(3):18-23.

[13]　陈西平.计算降雨及农田径流污染负荷的三峡

库区模型.中国环境科学,1992,(1):48-52.

[14]　夏青等.计算非点源污染负荷的流域模型.中国

环境科学,1985,(4):23—30.

[15]　USDA.WaterErosionPredictionProject.Erosion

PredictionModelVersion94,3UserSummary,NSERLReport.No.8,d.c.Flanagan(ed.)NationalSoilErosionResearchLaboratory,USDA—ARS.WestLafavette.indiana.1994.

[16]　汪忠善等.应用地理信息系统评价黄土丘陵区

小流域土壤侵蚀的研究.水土保持研究,1996,3(2):84—97.

[17]　李玉山等.中美小流域治理和农业的对比研究.

水土保持通报,1993,13(1):11-15.

[18]　RongWanachetal.Aphysicallybasedmodelfor

predictionsolutetransferfromsoilsolutiontorain2fallinducedrunoffwater.WaterResourcesRe2

数十年来,世界各国对非点源污染的产生和输出机理取得了一定的收获,在探讨其各种危害的同时,提出了不少切实可行的控制方法。但从总体看,由于非点源污染本身的复杂特性,使非点源污染的研究和控制充满了各种困难,的努力。,方面:3.1　多学科联合,完善农业非点源污染的研究理论

如前所述,农业非点源污染是一个复杂的综合过程,涉及水文、土壤、环境、气象、地学等多学科和专业。所以对其研究必须多学科联合攻关,才能富有成效。3.2　加强模型化研究,促进农业非点源污染的定量化

随着非点源污染研究理论的发展,今后的非点源污染模型,应建立以污染物的产生迁移转化机理为基础,兼顾不同的时空尺度,便于推广应用的非点源污染模型,促进非点源污染的定量化工作。3.3　各种新技术新方法的运用,加强对农业非点源污染的监测

非点源污染的发生具有间歇性,随机性,不确定性等特征,且空间差异性大,所以对其监测非常困难。GIS,GPS和RS具有对空间地理数据进行采集处理和分析的高强度综合能力,它们与非点源污染的常规监测的结合,将会大大提高对非点源污染的监测和控制能力。

张水龙等:农业非点源污染研究现状与发展趋势

search.,1990,26(9):2119—2126.

andSimulation,1982,1555—1559.

55

[19]　王全九.降雨条件下黄土坡面溶质随地表径流迁移实验研究.水土保持学保,1993,(1):11—17,52.

[20]　孙玉龙等.用TDR确定沙壤土非饱和淹灌条件

下NH4+的硝化反应及NO3-的入渗迁移.环境科学学报,1997,17(4):417—422.

[21]　Kellogg,R.l.etal.Thepotentialforleachingofa2

grichemicalsusedincropproduction:Anoationalperspective.J.SoilWaterConservation.1994,49(3):294—298.

[22]　周密等.环境容量.长春:东北师范大学出版社,

1987.

[23]　张逢甲.水体容许负荷量计算.水文,1993,

(2):21-26.

[24]　邹锐.洱海富营养化时空分布模糊评价及成因

对策分析.环境科学研究,1995,8(3):36-41.

[25]　Sharpley,A.N.etal.Theenvironmentalimpactof

agriculturalnitrongenandphosphorususe.J.A2gric.FoodChem.,1987,36:812—[26]　沈景文..环境保护,11(3)-[27]　.环

4(5)[28]　modelsfornonpoint

waterpollutioncontrol.J.ofSoilandWaterCon2servation.1985,(5):408—413.[29]　Beasley,D.B.etal.ANSWERS:AModelforWa2

tershedPlanning.Trans.ASAE,1980,23(4):938-944.

[30]　Knisel,W.G.CREAMS:AField-scaleModelfor

chemicals,Runoff;andErosionfromAgriculturalManagementSystems.Proc.13thConf.Modeling

[31]　Young,R.A.etal.AGNPS:ANonpoint-Source

PollutionModelforEvaluatingAgriculturalWater2sheds.J.ofSoilandWaterConservation,1989,(2):168—173.

[32]　Rode,M.andH.G.Frede.ModificationofAG2

NPSforAgriculturalLandandClimateConditionsinCentralGermany.J.EnvironmentQuality,1997,26:165—172.

[33]　Hession,W.C.etal.Ageographicinformation

systemfortargetingnonpoint-sourceagriculturalpollution.J.ofSoilandWaterConservation,1998,(3):264—266.

[34]　陈　慧.澳大利亚的全流域管理.环境导报,

1997,(1):3—6.

[35]　Naiman,R.J.(ed).Watershed:Bal2

ancingChange.],C.etal.systemasthepro2

themanagementofLakesin,1993,251:321—329.

[]　焦荔枝.USLE模型及营养物流失方程在西湖非

点源污染调查中的应用.环境污染与防治,1991,13(STBZ〗6):5—8,17.

[38]　蔡道基等.涕灭威对地下水污染敏感区的预测

与区划试点.环境科学进展,1995,3(1):11—37.[39]　马立珊等.苏南太湖水系农业面源污染及其控

制对策研究.环境科学学报,1997,17(1):39-47.

(收稿:1998年3月9日)

　　(上接第68页)

　　　思考.中国水土保持,1992,(1):31-34.[16]　彭少鳞,方炜.热带人工林生态系统重建过程物

种多样性的发展.生态学报,1995,15(增A):?.

[17]　刘瑞华.华南热带植物水土保持林水文效应.中

国水土保持,1991,(3):?.

[18]　余作岳等.热带亚热带退化生态系统的植被恢复

及其效应.生态学报,1995,15(增A):?.

[19]　王礼先等.森林水文研究及流域治理综述.水土

保持科技情报,1990,(2):10-15.

[20]　周国逸等.广东小良水保站三种生态系统地表侵

蚀的研究.热带亚热带植物学报,1995,3(2):

70-76.

[21]　黄卓烈.桉树体内的生根抑制物质研究综述.林

业科学研究,1994,l7(3):319-324.

[22]　何克军等.桉树薪炭林混交试验Ⅰ.不同密度不

同比例混交试验初报.林业科学研究,1988,1(6):671-676.

[23]　俞新妥等.混交林营造原理及技术.北京:中国林

业出版社,1989.5-10.

[24]　Florence.R.G,CulturalproblemsofEucalyptusas

exotics,commonw.For.Rev.,1988,65(2):141-163.

[25]　武吉华,张绅.植物地理学.北京:高等教育出版

社,1990.

[26]　施天赐,周天福.再论福建省桉树发展对策.福建

林业勘测设计策,1995,2:27-30.

[27]　洪长福,安平.说桉树话引种.桉树科技,1995,2:

40-43.

[28]　黄承标等.桉树文献量的统计分.桉树科技,

1995,1:70-73.

[29]　王国祥,扬民胜.世界人工林改良研究及发展动

态.桉树科技,1995,2:1-10.

[30]　盛承禹.世界气候.北京:气象出版社,1988.[31]　种玉麟等.生态生物化学导论.北京:农业出版

社,1985.137-168.

(收稿:1997年7月21日)