亞熱帶區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染流域源頭防控機(jī)理與技術(shù)示范

吳金水，李勇，李裕元，肖潤林，王毅，沈健林，周腳根，李希，劉新亮，羅沛，王娟，孟岑，王美慧，劉濟(jì)

（中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所長沙農(nóng)業(yè)環(huán)境觀測研究站，亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410125）

大量研究表明，農(nóng)業(yè)面源污染是造成水體氮磷含量增高的主要原因，我國農(nóng)業(yè)面源污染源占主要水污染物排放量的40%以上，其中總氮、總磷排放量分別占全國排放總量的57.2%和67.3%[1]，我國主要流域，如滇池、太湖、洞庭湖和巢湖，分別有60%～70%的總氮與50%～60%的總磷來自于農(nóng)業(yè)面源污染[2]。美國密西西比河流域總氮、總磷分別有50%～70%和40%～50%來自于農(nóng)業(yè)面源污染[3]。因此對流域尺度氮磷的收支評價與估算、氮磷流失過程規(guī)律及其模擬、氮磷面源污染防控與治理的研究不僅是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分管理的重要內(nèi)容[3-4]，對于河流和湖泊水體富營養(yǎng)化治理也有重要現(xiàn)實(shí)意義[5-6]。

亞熱帶紅壤丘陵區(qū)地屬亞熱帶溫暖濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，是我國主要的糧食產(chǎn)區(qū)和畜禽養(yǎng)殖區(qū)。由于區(qū)內(nèi)農(nóng)用化肥的大量使用和畜牧業(yè)的高速發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域過剩的氮磷向周邊環(huán)境無序排放[7-8]，大部分氮磷污染物由降雨徑流通過溝渠輸移進(jìn)入水體，致使該地區(qū)農(nóng)業(yè)小流域水體出現(xiàn)明顯的富營養(yǎng)化趨勢[8-9]。針對亞熱帶地區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展及農(nóng)區(qū)環(huán)境治理等方面的重大需求，中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所、湖南省長沙縣人民政府、湖南湘豐茶業(yè)有限公司等機(jī)構(gòu)于2011年聯(lián)合共建“長沙農(nóng)業(yè)環(huán)境觀測研究站”（簡稱 “長沙站”）。該站以亞熱帶丘陵區(qū)典型小流域?yàn)閷ο螅芯拷⒘饔蛟搭^環(huán)境監(jiān)測方法、氮磷環(huán)境安全控制標(biāo)準(zhǔn)，精確解析流域氮磷遷移規(guī)律與輸出通量；建立流域以水文和氮磷過程為主要對象的流域環(huán)境模型、流域環(huán)境安全評價和污染源頭防控決策支持系統(tǒng)；探索農(nóng)業(yè)氮、磷減控關(guān)鍵途徑，構(gòu)建流域面源污染源頭防控技術(shù)體系；為我院和研究所建設(shè)流域環(huán)境研究、人才培養(yǎng)、科技推廣和應(yīng)用示范區(qū)域平臺。重點(diǎn)開展四個方面的研究內(nèi)容：1）流域環(huán)境與重要生態(tài)過程監(jiān)測；2）流域農(nóng)業(yè)面源污染防控決策支持系統(tǒng)；3）流域源頭污染防控關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和示范；4）現(xiàn)代農(nóng)業(yè)模式研發(fā)和示范。

至2018年，長沙站承擔(dān)了國家自然科學(xué)基金委重大、重點(diǎn)、優(yōu)秀青年等基金項(xiàng)目；國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、科技支撐計劃、“973”等項(xiàng)目與課題；及院知識創(chuàng)新工程重大項(xiàng)目課題及重要方向項(xiàng)目等任務(wù)。“十一五”期間，針對城郊農(nóng)業(yè)區(qū)的氮磷富營養(yǎng)化問題，提出了“防、控、阻、治”相結(jié)合的綜合技術(shù)體系；“十二五”期間，在“973”項(xiàng)目和國家科技支撐計劃、中科院重點(diǎn)項(xiàng)目的支持下，研發(fā)了包括農(nóng)田排水、養(yǎng)殖/生活污水、富營養(yǎng)化水體等農(nóng)業(yè)面源污染流域源頭防控技術(shù)體系，并在湖南、浙江等十省（市）推廣應(yīng)用，研發(fā)了具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的流域生源要素管理模型（CNMM）；“十三五”期間，在多項(xiàng)國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目及課題的支持下，突破氮磷在土壤—作物—地表水系統(tǒng)中運(yùn)移—平衡定量化關(guān)系理論、氮磷徑流流失防控機(jī)制與削減技術(shù)途徑等瓶頸，制定徑流易發(fā)區(qū)農(nóng)田氮磷徑流流失防控技術(shù)規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)草案，開展以綠狐尾藻生態(tài)濕地為主體的農(nóng)業(yè)面源污染流域源頭防控技術(shù)體系的大流域區(qū)域示范。在研究所成立40年之際，本文匯總整理了本研究團(tuán)隊(duì)近幾年的研究成果，以期在充實(shí)農(nóng)業(yè)面源污染防治的重要理論基礎(chǔ)上，為亞熱帶農(nóng)業(yè)區(qū)面源污染的治理和防控提供關(guān)鍵的實(shí)踐技術(shù)。

1 亞熱帶典型小流域氮磷平衡特征

農(nóng)業(yè)流域氮磷面源污染引發(fā)的水體富營養(yǎng)化問題已嚴(yán)重影響到世界各地水體環(huán)境、飲用水安全和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[10-11]。依據(jù)流域氮磷收支平衡特征尋求解決氮磷環(huán)境問題的新途徑已成為近年來關(guān)注的新熱點(diǎn)[12-13]。物質(zhì)流分析法是研究流域或區(qū)域氮磷平衡的常用方法[14]。歐美等發(fā)達(dá)國家的一些研究表明，流域或區(qū)域磷收支中輸入項(xiàng)主要為肥料和飼料，一般分別占80.0%和20.0%；輸出項(xiàng)中主要以動、植物產(chǎn)品為主，大約為80.0%～90.0%[15-16]。我國一些學(xué)者對中國典型農(nóng)業(yè)流域的氮收支特征做了初步研究和估算，結(jié)果表明化肥是流域氮的主要來源，一般占44%～64%，而作物收獲是氮素輸出的主要方式，占49%～70%[17]。由于社會經(jīng)濟(jì)狀況、發(fā)展水平及模式的差異，不同國家或地區(qū)之間氮磷的收支特征也不同，然而氮磷在環(huán)境中滯留均導(dǎo)致了一個共同的問題，即水體富營養(yǎng)化和水環(huán)境惡化。因而流域尺度上的氮磷收支特征已成為土壤學(xué)與環(huán)境學(xué)共同關(guān)注的焦點(diǎn)。

湖南省地處亞熱帶丘陵區(qū)，水熱豐沛，是我國主要的雙季稻種植區(qū)，長期以來高投入—高產(chǎn)出的農(nóng)業(yè)種植模式是導(dǎo)致該地區(qū)水環(huán)境污染的重要因素[18]，尤其是近年來規(guī)模化養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展，加劇了該地區(qū)水環(huán)境的惡化[19-20]。中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所長沙農(nóng)業(yè)環(huán)境觀測研究站，基于社會經(jīng)濟(jì)調(diào)查，結(jié)合流域出口水質(zhì)定位觀測數(shù)據(jù)，利用物質(zhì)流分析法，研究亞熱帶區(qū)域典型金井農(nóng)業(yè)小流域氮磷的收支特征。結(jié)果表明，受傳統(tǒng)生豬養(yǎng)殖和水稻種植的影響，流域氮磷輸入以飼料和肥料為主（占總氮輸入46%～75%，占總磷輸入91%～97%），有別于其他以種植為主要單一農(nóng)產(chǎn)業(yè)的流域（氮磷輸入均以肥料為主）[15-17,21-22]；金井小流域內(nèi)動植物產(chǎn)品輸出也是相應(yīng)的最大輸出項(xiàng)（占總氮輸出30%～54%，占總磷輸出84%～95%）（圖1）[23-24]。整個金井小流域內(nèi)氮磷持留強(qiáng)度分別為162.35 kgN/(hm2·a)和 31.14 kgP/(hm2·a)，與其他研究區(qū)域相比，金井小流域氮磷環(huán)境滯留強(qiáng)度并不很高，但其環(huán)境污染狀況卻比其嚴(yán)重許多，意味著氮磷收支平衡與水環(huán)境的關(guān)系較為復(fù)雜，其它因素（如P的來源與形態(tài)特征、水體中N的轉(zhuǎn)化等其它面源污染物狀況等）也有重要影響，這些尚待進(jìn)一步的深入研究。

河流水質(zhì)監(jiān)測期間，金井流域83%的水樣TP≤0.2 mg/L，但僅有4.3%的水樣TN≤1.0 mg/L（Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，GB 3838—2002），表明高強(qiáng)度的氮輸入已造成明顯的水體氮污染。因此，準(zhǔn)確定量分析流域氮磷的收支特征與結(jié)構(gòu)，可以在宏觀上科學(xué)指導(dǎo)流域種養(yǎng)格局、施肥等，解決或緩解種養(yǎng)脫節(jié)所造成的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染[23]。

圖1 金井典型農(nóng)業(yè)小流域氮磷收支結(jié)構(gòu)Fig. 1 Nitrogen and phosphorus budget components in the Jinjing catchment

2 亞熱帶典型小流域稻田氮磷流失規(guī)律

水稻種植業(yè)作為我國重要農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)量占全球總量的31%，使得我國成為世界上水稻總產(chǎn)量最高的國家。過去30年，我國稻田一直處于高度集約化的養(yǎng)分管理模式下，化肥和秸稈施用量不斷攀升，致使稻田氮磷流失嚴(yán)重。我國南方亞熱帶雙季稻主產(chǎn)區(qū)，總氮和總磷年均徑流流失量分別為1.16～5.35 kgN/(hm2·a)和 0.10～0.52 kgP/(hm2·a)。且總氮徑流流失主要以可溶性氮為主，約占總氮的76.4%，其中無機(jī)態(tài)的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮流失量，分別占總氮的36.1% 和5.7%；總磷徑流流失主要以顆粒態(tài)磷為主，占總磷流失的95.3%～98.6%。已有研究結(jié)果一致認(rèn)為田塊尺度稻田氮磷徑流流失過程主要受施肥、灌溉等農(nóng)藝措施調(diào)控。最新研究發(fā)現(xiàn)，高強(qiáng)度施肥和秸稈還田會改變土壤碳氮磷元素計量比率特征（C∶N∶P）[25-27]，引發(fā)稻田土壤關(guān)鍵生物地球化學(xué)過程（礦化腐殖化、硝化反硝化、植物養(yǎng)分吸收利用、吸附解析等過程）的變化，間接調(diào)控稻田土壤氮磷釋放及其徑流流失過程。如田塊尺度稻田總氮徑流流失強(qiáng)度與土壤微生物量C∶N成負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖2）；稻田總氮徑流權(quán)重濃度與土壤中總氮（TSN∶土壤總氮）及其元素化學(xué)計量比（S_NP∶土壤氮磷比）的總體效應(yīng)成負(fù)線性相關(guān)，而與土壤微生物量（MBN和MNP）的總體效應(yīng)卻成正相關(guān)關(guān)系（圖3）。因此，進(jìn)一步明確土壤生態(tài)化學(xué)計量學(xué)特征對氮磷徑流流失過程和行為規(guī)律的作用機(jī)理，對亞熱帶農(nóng)業(yè)流域稻田氮磷流失風(fēng)險防控具有重要意義。

圖2 稻田總氮流失強(qiáng)度與土壤微生物量C:N的相關(guān)分析Fig. 2 Correlation analysis between soil microbial biomass C:N ratio and total nitrogen loss through runoff from paddy rice fields

圖3 稻田總氮徑流流失權(quán)重濃度與因子間結(jié)構(gòu)方程模型Fig. 3 Structural equation models (SEM) for correlation factor effects on loss through runoff from paddy rice fields

連片稻田是亞熱帶農(nóng)業(yè)流域生態(tài)系統(tǒng)廣泛存在的景觀類型。稻田的連片性被定義為在空間上的相對相連接度（即相鄰程度），兩塊稻田在空間上相隔距離越小，連片性就越高，當(dāng)相隔距離小于一定閾值時，可認(rèn)為是連片的[28]。稻田氮磷徑流流失過程具有尺度效應(yīng)。由于外界環(huán)境因素的差異和空間尺度效應(yīng)，不同空間尺度上稻田氮磷徑流流失特征呈現(xiàn)差異性變化。通常隨著空間尺度上升，稻田氮磷徑流流失強(qiáng)度逐漸減弱[29-30]。楊寶林等[30]報道，南方低山丘陵區(qū)農(nóng)田氮磷流失存在尺度效應(yīng)，隨著尺度的增大，單位面積氮總流失負(fù)荷呈現(xiàn)顯著下降趨勢，從田間到支溝尺度，總氮、總磷、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮排放負(fù)荷分別下降了70.8%、69.5%、46.7%和79.1%。本團(tuán)隊(duì)研究結(jié)果表明（圖4），田塊尺度稻田田面水氮磷濃度要顯著高于連片農(nóng)田尺度（8.12±2.59 v.s. 4.47±0.6 mgN/L, 0.59±0.24 v.s. 0.23±0.03 mgP/L），這也證明了稻田氮磷徑流流失過程具有尺度效應(yīng)。從田塊到連片稻田尺度的氮磷流失強(qiáng)度下降，主要原因可能是灌區(qū)塘堰、排水溝渠等對農(nóng)田排水的重復(fù)利用和農(nóng)田流失氮磷的持留[29]。連片稻田是檢驗(yàn)流域農(nóng)業(yè)面源污染防控措施效果的重要實(shí)驗(yàn)尺度[31-32]。但是當(dāng)前對稻田氮磷徑流流失的研究與定量通常在田塊尺度上，因此對連片稻田氮磷流失及其尺度機(jī)理尚不清楚，需要進(jìn)一步深入研究。

圖4 田塊和連片稻田田面水氮磷濃度Fig. 4 Nitrogen and phosphorous in surface ponding water of paddy field and continuous fields

流域是水文水質(zhì)研究和自然資源規(guī)劃的基本單元。理解和定量復(fù)雜時空尺度下流域氮磷遷移流失過程是制定和優(yōu)化流域水環(huán)境規(guī)劃和管理策略的基礎(chǔ)。亞熱帶紅壤丘陵區(qū)獨(dú)特地形地貌和多樣性土地利用方式導(dǎo)致流域徑流過程和氮磷遷移流失規(guī)律的復(fù)雜多變[33-34]。水文過程是流域氮磷遷移流失的主要驅(qū)動力。地表徑流可以沖刷搬運(yùn)富含氮磷養(yǎng)分的泥沙直接進(jìn)入水體[35]，地下徑流能通過匯流將氮磷帶入地表或地下水體[36-38]。在亞熱帶紅壤丘陵區(qū)典型農(nóng)業(yè)流域中，大面積種植水稻會導(dǎo)致淺層地下水氨氮污染，同時提高地下水硝態(tài)氮和總氮濃度[39-40]。由于硝態(tài)氮和總氮易隨地下水遷移，基流對流域硝態(tài)氮和總氮流失貢獻(xiàn)分別高達(dá)27.3%～36.5%和21.3%～33.5%，尤其在水稻種植面積比例高的流域和水稻休耕期，基流對硝態(tài)氮和總氮流失貢獻(xiàn)更大[36-38]。流域景觀格局通過影響流域氮磷輸入—交換過程調(diào)控氮磷遷移流失過程。流域景觀格局與河流水體氮磷濃度顯著相關(guān)，流域內(nèi)水稻種植面積比例、景觀斑塊的破碎程度、景觀多樣性指數(shù)越高，河流水體氮磷濃度越高[33,41]。應(yīng)用Boltzmann函數(shù)定量分析流域水稻種植面積比例與氮磷濃度和通量的結(jié)果表明（圖5），水稻種植對河流水體氮磷濃度和通量的影響存在一定閾值，當(dāng)水稻種植面積比例小于29%，水稻種植對流域河流水體氮磷污染的負(fù)面影響幾乎可以忽略[42]。

圖5 稻田面積比例與流域河流水體氮磷濃度與輸出負(fù)荷的關(guān)系（引自：Wang等[42]）Fig. 5 Correlation between areal proportion of paddy field and nitrogen and phosphorus concentrations and monthly loading in catchment stream water

3 流域生源要素管理模型（CNMM）

流域生源要素管理模型可以用于驗(yàn)證生態(tài)與環(huán)境過程科學(xué)假定、評估事件的可預(yù)測性和提供評價基準(zhǔn)。傳統(tǒng)的生源要素過程模擬研究一直聚焦于建立單一模型，孤立地處理生態(tài)過程與水文過程，因此很難在時空尺度上準(zhǔn)確把握流域生源要素循環(huán)過程的復(fù)雜非線性變化[43-44]。本研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的CNMM模型是以我國南方亞熱帶小流域?yàn)檠芯繀^(qū)域的一種分布式數(shù)學(xué)物理過程模型[45]，該模型基于物理空間網(wǎng)格進(jìn)行架構(gòu)和運(yùn)行，以數(shù)字高程模型（DEM）網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為中心，計算時將流域劃分為若干柵格單元，在各網(wǎng)格上根據(jù)質(zhì)—能平衡方程求解。CNMM模型的模擬空間大小為1～500 km2（小流域），垂直深度為1～10 m（一般為4 m），時間尺度為1～1 000 年 (一般為 30、60、90年)，時間步長為1 h～1 d（一般為3 h），網(wǎng)格大小為1～100 m（一般為10 m）。CNMM模型具有三維的溶質(zhì)遷移模塊和水文模塊。溶質(zhì)遷移模塊涉及植物生長、植物—土壤—水體系統(tǒng)中的水—碳—氮—磷循環(huán)（包括新鮮有機(jī)物質(zhì)分解、土壤有機(jī)質(zhì)分解與積累、干濕沉降、硝化和反硝化、碳氮?dú)怏w（CO2、N2O、NO、N2、NH3）排放等）、水土及碳氮磷遷移與流失、農(nóng)業(yè)管理措施（包括播種、收獲、耕作、施肥、灌溉、水渠植草、廢棄物管理等）等子過程；水文模型涉及降雨與蒸發(fā)、地表徑流匯流、不飽和區(qū)和地下水飽和流匯流、渠道水流匯流、融雪等子過程。CNMM模型的新穎之處在于它是基于柵格和水系網(wǎng)絡(luò)的，可作用于任意時空尺度，對時間做一維剖分，對空間做三維立體剖分。選取金井流域觀測數(shù)據(jù)對模型驗(yàn)證的結(jié)果表明，即使在沒有參數(shù)校正情況下，CNMM模型仍能準(zhǔn)確模擬流域出水口流量（圖6）和氮磷濃度變化（圖7）。

4 生態(tài)溝渠氮磷流失削減

農(nóng)田排水溝渠作為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)著農(nóng)業(yè)小流域面源污染物向地表水體運(yùn)移的重要作用，約60%～90%的流域降雨徑流和養(yǎng)分通過溝渠系統(tǒng)輸出[46-47]。合理利用溝渠進(jìn)行農(nóng)田污染物的生態(tài)攔截，可有效減少農(nóng)田氮磷流失對下游水體造成的污染，提高養(yǎng)分資源的循環(huán)利用。生態(tài)溝渠是在農(nóng)田排水溝渠中利用種植植物對水體氮磷養(yǎng)分的直接吸收及其水生植物提供的生態(tài)功能服務(wù)而構(gòu)建的具有環(huán)境保育功能的小型人工溝渠，能攔截、消納上游徑流水體帶來的泥沙、農(nóng)業(yè)面源污染物（氮磷）等，凈化水質(zhì)、保護(hù)水環(huán)境[48-49]。生態(tài)溝渠通常采用梯形斷面、復(fù)式斷面和植生型防滲砌塊技術(shù)，它的兩側(cè)溝壁由蜂窩狀水泥板或混凝土構(gòu)成且具有一定坡度，溝體較深，溝體內(nèi)每隔一定距離構(gòu)建小壩以減緩水速、延長水力停留時間，使流水?dāng)y帶的顆粒物質(zhì)和養(yǎng)分等得以沉淀和去除。作為最有效的農(nóng)業(yè)面源污染攔截技術(shù)之一，生態(tài)溝渠技術(shù)已經(jīng)在我國南方地區(qū)得到廣泛應(yīng)用[50-56]。

研究表明，生態(tài)溝渠對農(nóng)田排水總氮、總磷的去除率范圍分別為48%～64%和40%～70%[50,52]。楊林章等[50]研究了主要由工程部分和植物部分組成的生態(tài)攔截型溝渠系統(tǒng)，能減緩水速，促進(jìn)流水?dāng)y帶顆粒物質(zhì)的沉淀，有利于構(gòu)建植物對養(yǎng)分的立體式吸收和攔截，從而實(shí)現(xiàn)對農(nóng)田排出養(yǎng)分的控制，對總氮和總磷的去除效果分別達(dá)到48%和41%[50]。針對丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染特點(diǎn)，長沙站提出美人蕉、銅錢草、黑三棱、綠狐尾藻、燈芯草等多種水生植物聯(lián)合種植的生態(tài)溝渠濕地技術(shù)（圖8），該技術(shù)能有效凈化劣Ⅴ類以上的農(nóng)田排水，出水達(dá)到地表水III類以上水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[52-53,56]。200 m長的生態(tài)溝渠每年可攔截泥沙氮52.4 kg，泥沙磷21.4 kg；每年植物累積吸收氮磷量分別為7.9 kg和1.4 kg[52,56]。生態(tài)溝渠去除氮磷的主要方式包括植物吸收、基質(zhì)吸附以及微生物作用等，去除效率受進(jìn)水水質(zhì)、氣溫等條件的影響[50,52-53,56]。溝渠植物的生長及其定期刈割管理可提高底泥氮磷的去除率[51-52,55]。比如，水生植物種植能夠提高溝渠底泥表層有機(jī)質(zhì)和草酸提取態(tài)鐵的含量，促進(jìn)底泥對磷的吸附[51,55]。生態(tài)溝渠內(nèi)選用具有一定經(jīng)濟(jì)價值的植物，可帶來一定的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償和良好的生態(tài)景觀，同時刈割可降低因植物凋落等原因引起的水體二次污染問題。刈割的水生植物用于綠肥直接還田或覆蓋到旱地、茶園等，實(shí)現(xiàn)氮磷養(yǎng)分的循環(huán)利用[57]。根據(jù)上述研究，長沙站提出了基于區(qū)域污染程度的生態(tài)溝渠設(shè)計和控制范圍，例如污染較小區(qū)域（種植業(yè)和生活污水為主），每100 m2生態(tài)溝渠可控制1.0 km2的匯水區(qū)；污染較大區(qū)域（養(yǎng)殖業(yè)為主），每100 m2生態(tài)溝渠可控制0.5～0.6 km2的匯水區(qū)。與其他控制措施相比，生態(tài)溝渠建設(shè)成本低、污染去除效率高，更適合在農(nóng)村地區(qū)推廣應(yīng)用。

圖6 CNMM模型對流域出水口徑流流量的模擬Fig. 6 Observed and simulated stream flow at the catchment outlet

圖7 CNMM模型對流域出水口水體總氮與總磷濃度的模擬（引自：李勇等[45]）Fig. 7 Observed and simulated total nitrogen and phosphorus concentrations in stream water at the catchment outlet

圖8 200米生態(tài)溝渠及其沿程水質(zhì)變化Fig. 8 Photos of the 200-meter ecological ditch and the water quality along water flow direction

5 農(nóng)業(yè)面源污染生態(tài)技術(shù)研發(fā)與示范

針對我國以農(nóng)田養(yǎng)分流失、分散型農(nóng)村生活污水以及養(yǎng)殖業(yè)廢水無序排放為主要特征的農(nóng)業(yè)面源污染問題，本研究團(tuán)隊(duì)在生態(tài)治理方面研發(fā)了相關(guān)技術(shù)并加以推廣。

5.1 規(guī)模化養(yǎng)殖場廢水生態(tài)治理技術(shù)

針對養(yǎng)殖廢水治理的問題研發(fā)了稻草—綠狐尾藻（Myriophyllum elatinoidesL.）生態(tài)治理技術(shù)[58-59]，具有工程投資少和運(yùn)行成本低的特點(diǎn)（圖 9）。通過對養(yǎng)豬場實(shí)際處理效果的動態(tài)監(jiān)測結(jié)果分析表明，該技術(shù)對養(yǎng)殖廢水主要污染物（COD、總氮、氨氮、總磷）的去除效果較好（96.4%、97.9%、99.3%和90.6%），出水水質(zhì)均顯著優(yōu)于國家養(yǎng)殖廢水排放標(biāo)準(zhǔn)（GB 18596—2001）。同時能夠通過水產(chǎn)養(yǎng)殖、青飼料利用等途徑產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益2.8萬元/(萬頭 ·年 )[60]。

5.2 分散式生活污水、養(yǎng)殖和農(nóng)田面源污染生態(tài)治理技術(shù)

針對分散型生活污水、養(yǎng)殖污染和農(nóng)田面源污染的問題研發(fā)了生態(tài)溝渠+綠狐尾藻穩(wěn)定濕地塘系統(tǒng)生態(tài)治理技術(shù)[61-67]，具有工程投資少、運(yùn)行成本低和治理效果好的特點(diǎn)（圖10）。通過示范點(diǎn)（四川鹽亭縣石牛廟鄉(xiāng)、長沙縣白沙鎮(zhèn)錫福村）監(jiān)測分析結(jié)果表明，該技術(shù)對去分散型生活污水、養(yǎng)殖廢水TN、TP去除率為80%和86.7%。通過小區(qū)試驗(yàn)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，引入挺水植物（水芋頭、銅錢草、梭魚草），構(gòu)建綠狐尾藻與挺水植物組合能夠顯著提升濕地塘對污水中COD、TN、TP的處理效果[68]。

5.3 面源污染資源化利用技術(shù)

針對綠狐尾藻營養(yǎng)價值高的特性，開展了綠狐尾藻飼料化和綠狐尾藻濕地資源利用技術(shù)研究，其中綠狐尾藻飼料化關(guān)鍵技術(shù)包括機(jī)械收割技術(shù)與收割機(jī)械研發(fā)、綠狐尾藻粉碎與脫水技術(shù)研究、綠狐尾藻青貯飼料制備技術(shù)[69-72]。通過研究在飼糧中添加綠狐尾藻對肥育豬生長性能、血清生化指標(biāo)和胴體品質(zhì)的試驗(yàn)結(jié)果表明，飼糧中添加10% 綠狐尾藻，可改善育肥豬血清生化指標(biāo)，降低平均背膘厚，減緩肌肉pH下降速度，降低滴水損失，改善豬肉品質(zhì)[73]。生態(tài)濕地資源化利用中，以綠狐尾藻為養(yǎng)殖介質(zhì)開展生態(tài)濕地水產(chǎn)養(yǎng)殖試驗(yàn)（黃鱔、大閘蟹）。試驗(yàn)結(jié)果表明末端綠狐尾藻濕地養(yǎng)殖黃鱔和大閘蟹收入客觀，折合利潤：黃鱔27.76～29.55萬元/hm2，大閘蟹 21.64～22.99 萬元 /hm2[74]。

依托11個中科院野外試驗(yàn)站的通力協(xié)作以及示范推廣，以上生態(tài)治理技術(shù)已經(jīng)在10個省（市）以政府、企業(yè)合作形式開展。共建成（興建）不同規(guī)模的養(yǎng)豬場（24個豬場，年生豬存欄總量16.5萬頭）廢水、農(nóng)田排水和生活污水（22個片區(qū)，涉及農(nóng)田面積1 943 hm2、人口2.2萬人）和富營養(yǎng)化河道水體（4條，治理總長度約4.5 km）等治理點(diǎn)52個（表1），治理效果顯著，社會反響良好。

圖9 養(yǎng)殖廢水生態(tài)治理技術(shù)工藝流程圖（引自：李遠(yuǎn)航等[60]）Fig. 9 Process flow chart of swine wastewater ecological treatment technology

圖10 分散式生活污水生態(tài)治理技術(shù)工藝流程圖Fig. 10 Process flow chart of distributed sewage ecological treatment technology

表1 示范及輻射推廣點(diǎn)統(tǒng)計Table 1 Demonstration and radiation promotion point statistics

6 研究展望

長期大量施用化肥使土壤中氮磷富集超過環(huán)境安全容量之后，便通過水土流失向水體環(huán)境釋放大量氮磷，造成亞熱帶紅壤丘陵區(qū)水體富營養(yǎng)化。流域氮磷流失既受氮磷本身形態(tài)及其在土體中復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物過程的控制，也受水文、地形、氣候和人為活動等外界因素的制約或驅(qū)動。流域氮磷流失及其環(huán)境效應(yīng)評估的難度相對較大，在不同地理尺度上考慮的因子也不盡相同，采用單一評價指標(biāo)會帶來較大的誤差。大量研究充分肯定，過量化肥輸入、不合理農(nóng)業(yè)管理等是導(dǎo)致流域氮磷流失量增加的主因；氣候、地形等環(huán)境因素對氮磷流失有重要影響。

國內(nèi)外針對流域氮磷面源污染研究出了“源頭控制”、“中途攔截”和“末端治理”三大防控對策的最佳管理措施（BMP）：如4R技術(shù)和“控減阻治”等。然而，這些研究成果對流域流失氮磷在土壤—作物—水體系統(tǒng)的定量關(guān)系把握不夠，生物地球化學(xué)過程機(jī)制不夠清晰，在我國亞熱帶區(qū)域適應(yīng)性不強(qiáng)。為控制農(nóng)田氮磷流失對水體的污染，“十一五”以來，中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所部署一系列重大科技項(xiàng)目開展治理技術(shù)研發(fā)和示范，盡管在一定程度取得了較好的治理效果，但對農(nóng)田和流域氮磷流失機(jī)理中一些基礎(chǔ)性科學(xué)問題尚需切實(shí)和深入研究。因此，在下一步工作中，需加強(qiáng)農(nóng)田和流域氮磷流失規(guī)律和面源污染防控的基礎(chǔ)性科學(xué)研究，以期為亞熱帶區(qū)域氮磷面源污染的科學(xué)防控提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支撐。