生態空間格局優化與景觀要素耦合視角下環水有機農業面源污染控制技術

王磊，席運官，潘陽，陳秋會，和麗萍，李麗娜，吳見珣，楊育文，劉明慶，楊濤明，楊趙，田偉，高吉喜*

（1.生態環境部南京環境科學研究所，南京 210042；2.云南省生態環境科學研究院，昆明 650034）

農業面源污染是造成地表水體污染的重要污染源，是當前全球面臨的主要環境問題之一[1-3]。在農業生產活動中，過量氮、磷、農藥以及其他污染物在降水或灌溉過程中通過農田地表徑流、淋溶、農田排水和地下滲漏途徑進入水體，對河流、湖泊和海灣等生態環境造成破壞，嚴重威脅飲水安全[4-5]。由于種植業、畜禽水產養殖業和居民生活等氮磷污染物的排放具有隨機性，來源和傳輸過程具有間歇性和不確定性，面源污染的輸出受到自然地理、農業管理方式差異的影響較為顯著，區域差異性大，空間變異性強，因此對其進行治理相對比較困難[6-8]。

為降低農業面源污染所造成的水體污染，相關防治技術措施已得到廣泛研究，目前已經形成了包括農村生活污水和生活垃圾治理，農業廢棄物、畜禽糞便資源化利用，以及塘、浜和小河水體修復等一系列頗有成效的技術[9-10]。特別是形成了包括源頭控制、遷移過程攔截、養分循環利用、末端治理等系列技術工程措施[11-13]。上述技術及相應的工程措施對于削減農業面源污染負荷具有較好的效果。但是上述技術措施多針對已經發生污染物流失的體系或者只注重某一環節或某一子系統，即“末端治理”的基本邏輯和“重技術輕成本”“重局部輕整體”的技術手段，忽視了農業生態系統的調控功能[14-15]，使農村面源污染在傳遞過程中的眾多關鍵問題仍未得到根本解決。

環水有機農業是指在重要的湖庫周邊、江河源頭區、飲用水源集水區等水環境敏感區域采用有機農業生產方式，實現農業生產與水質保護相結合的一種環境友好型農業模式。有機農業不僅是控制農藥和化肥的投入，更注重充分發揮有機農業的整體生態功能[16]。本研究以環水有機農業為技術手段，基于農業生態系統空間格局優化的新視角，探討通過空間格局及其景觀要素耦合作用，充分發揮農業生態系統的生態功能，從而有效實現農業面源污染控制與區域生態環境修復。

1 農田空間格局優化

農田是農業生產、養分循環、害蟲及天敵滋生繁衍的主要區域，是農業生態系統的主要組成部分，而高產導向的農業集約化生產，導致農業生產中過量使用化肥、農藥，使得農業生態功能持續退化[17-18]。Cha?bert等[19]研究發現非作物生境面積的連接度決定了天敵進入周圍作物生境的遷移擴散能力和病蟲害防控能力。另一方面農田連接情況也容易控制水分的運移，可以實現養分的多級利用，同時過濾、滲透、吸收、滯留、沉積等作用也可減少徑流攜帶的污染物質[20]。例如，河岸植被緩沖帶必須沿河流連續狀分布，否則間斷的緩沖帶會使緩沖效果降低[21]。因此，農田空間布局過程中，應有效保證生態空間結構的連接度。當農田景觀要素污染負荷過大時，應充分考慮增加景觀要素組成部分，從而延長養分的空間循環路徑，降低環境污染風險。例如在南方丘陵地帶，畜禽廢水由于污染負荷量過高不能直接施用于果園，可通過養豬-沼氣-養魚-果樹四位一體的物質循環和能量梯級利用的綜合生態農業模式，利用沼氣和魚池（水藻-魚）延長營養物質遷移的空間路徑，降低果園的污染負荷，在控制農業面源污染的同時，提高經濟效益[22]。Landis[23]研究發現在農田廊道中開辟林地，可以有效增加益鳥數量，減少害蟲數量，也能夠大幅提升面源污染阻控能力。在旱地條件下，通過挖塘貯水養魚創造水生環境，利用水田構建生態濕地，不僅可使捕食害蟲的蛙類成倍增加[24]，大幅減少農用化學品投入，而且濕地存水可以回灌，實現養分多次循環利用，有效減少農業面源污染對水環境造成的污染[25]。因此，農田生產布局上應注意提高景觀要素類型的結構異質性，構建農田生態景觀生境多樣性可采取水陸微生態系統、林地農田、草地農田等交織共存的策略，增加永久性植被的比例，從而進一步提升生態系統的穩定性。

2 景觀要素生態功能的強化與有效配置

通過景觀要素生態功能強化，可以充分發揮農田生態格局與景觀要素的耦合作用。研究發現非作物生境面積侵占會加劇病蟲害暴發，非作物生境面積與異質化越高，農業生態系統中天敵的多樣性越高，病蟲害暴發的可能性越低[26]。國際生物防治組織建議非作物生境面積的比例至少要占到5%，當其生境面積達15%時，才能充分實現農業生態系統中天敵的控制功能[27]。因此，在不影響糧食生產的前提下，應盡量提高非作物生境面積的比例與異質化。非作物生境是天敵的主要寄宿區域，貯存著豐富的天敵資源，可以有效減少化學農藥投入量。另外，非作物生境，特別是緩沖帶位置和布局的確定是非作物生境發揮生態功能的先決條件。從地形角度來看，緩沖帶一般布置在下坡位置，與地表徑流的方向垂直。對于長坡可以沿等高線增設緩沖帶數量，以削減水流的能量。特別對于水環境敏感區域，應提高緩沖帶寬度。國內外學者普遍認為河岸緩沖帶寬度對污染物質的去除和水質的提高起到關鍵作用，提出了河岸植被緩沖帶的最小寬度值。例如，在太湖流域利用狗牙根作為緩沖帶植物，減少菜地施肥過程中徑流造成的農業面源污染。當緩沖帶寬度為1.5 m，菜地與緩沖帶面積比為100∶11 時，對總氮（TN）、總磷（TP）的攔截效果可分別達到56.1%和85.9%[28]。景觀要素的合理改造可以顯著提高系統生態功能。非作物生境應因地制宜、合理改造以提升其吸收、阻控效率，包括生態溝渠、前置庫等措施的應用。例如，在太湖流域稻田種植系統中，通過溝壁種植狗牙根、黑麥草和溝底種植空心菜來構建生態攔截性溝渠，對徑流中總氮、總磷的攔截率達到48.4%和40.5%[29]。在平原河網地區通過前置庫技術對降雨初期總氮、總磷的去除率可分別高達70.5%和84.6%[30]。

3 農藝措施優化

空間格局優化與景觀要素耦合作用的同時，通過優化農藝措施，可以進一步減少肥料，特別是化肥的投入。秸稈還田、廢棄物的堆肥等農業廢棄物的資源化利用措施，一方面提高養分的循環利用，延長營養物質的空間遷移路徑，例如，通過秸稈還田，可以使營養物質再次進入作物生長循環，而非直接進入環境中，可減少稻麥周年的氮磷徑流損失量7%～8%[31]；另一方面，秸稈或堆肥等農業廢棄物還田可以減少化肥的投入，改良土壤，提升土壤質量[32]。過量施用化肥容易造成土壤酸化，破壞土壤結構，加劇水土流失風險。通過合理施用肥料，增加綠肥、豆科作物等氮素替代品，適時輪作套作，可提高氮、磷等養分的空間多層利用，減少養分流失。例如，喬俊等[33]在太湖流域連續8 年的定位試驗結果表明，與稻麥輪作農戶常規施肥模式相比，稻-紫云英、稻-黑麥草和稻-休閑輪作下，綠肥替代可以使徑流總氮損失減少18%～45%。通過物理防治與生物防治相結合的方式，特別是植物源農藥替代化學合成農藥的方式，可以從源頭上減少化學投入品的施用。例如，植物次生代謝產物或蘇云金桿菌、類產堿假單胞菌等生物防治制劑具備環境友好、生態安全和對靶標不易產生抗性等優點，可以代替化學農藥實現對蝗蟲的防治，從源頭上有效控制化學農藥施用量[34]。

4 案例研究

優化空間格局與景觀要素聯合措施的應用應根據區域地形、地貌、降雨等自然條件，因地制宜，提升農田生態系統整體功能。研究區域松華壩流域位于昆明市以北，橫跨嵩明縣和盤龍區，海拔1 920～2 800 m，流域面積629.8 km2。流域下游的松華壩水庫距昆明市區16 km。年平均降雨量987.1 mm，年平均溫度14.2 ℃，年內降雨分布極不均勻，80%以上的降雨集中在雨季5 月至10 月。案例以該流域科莊村有機農場與常規農場為研究對象，探討環水有機農業通過空間格局優化與景觀要素耦合作用對農業面源污染控制的實現途徑。從農田空間布局上，有機農場主要通過構建生態島和保護田埂等非作物生境兩個措施來提高農田生態系統的穩定性。通過對閑置山丘等非作物區域植被的保護與恢復，構建生態島嶼，為害蟲天敵以及食物鏈構建提供生境條件。同時對田埂雜草進行保留，使整個農場能夠貫聯，打通生態廊道。生態島與田埂植物等非作物生境面積約占耕作面積的5%～10%，植物種類主要為當地物種，包括雀麥（Bromus japonicusThunb.exMurr.）、白茅（Imperata cylindrica（L.）Beauv.）、藎草（Arthraxon hispidus（Thunb.）Makino）、黑麥草（Lolium perenneL.）等，共21科，34屬。

通過生態島建設等生境恢復措施，生態島及田埂草叢的動物多樣性顯著提高，如表1 所示。生態島構建等生境修復措施顯著增加了農場鳥類的種類（P＜0.05），有機種植區共觀察到鳥類53 種，隸屬于6 目、23 科；相比之下，常規種植區共觀察到鳥類21 種，隸屬于5目、13科。另外，從網捕動物種類來看，經生境恢復的有機種植基地的田埂動物共4 綱8 目21 種，顯著高于周邊常規蔬菜田的1 綱3 目5 種（P＜0.05）。有機農場菜地大中型土壤動物共有7 綱14 目21 科27種，顯著高于常規蔬菜田內調查到的大中型土壤動物（2 綱3 目3 科3 種，P＜0.05）。表明有機農場生境的調控顯著提高了農田動物物種數，增強了生態系統的生態功能。同以往研究一致，有機農場注重生境的保護與改善，其最突出的生態功能即提高生態系統穩定性，能夠有效地控制病蟲害[35]。另外，Crowder 等[36]研究也發現，有機農業通過提高農田生物多樣性，有效控制病蟲害，從而減少化學農藥的投入。本研究發現有機農場中蜘蛛、瓢蟲等天敵動物種類的提高，能夠有效控制病蟲害，通過結合有效的生物防治，即同時采用生物源農藥替代化學合成農藥可以有效減少化學農藥投入2.2～2.5 kg·hm-2（表2）。

此外，通過以上措施可以有效控制氮、磷排放。有機農場首先將尾菜與羊糞、鴿子糞等資源化利用制成有機肥，替代尿素、復合肥等化肥，循環利用尾菜的氮、磷養分，延長面源污染遷移路徑，顯著降低氮、磷流失風險。本研究監測了2018 年5 月至2019 年5 月有機農場與常規農場中氮、磷淋溶情況，其中，2018年雨季6—9月的氮、磷淋溶特征見圖1、圖2。結果表明：有機肥和化肥施用后，淋溶液總氮濃度（以N 計）分別為2.45～20.72 mg·L-1和12.10～29.43 mg·L-1，氮淋失量分別為每年10.55 kg·hm-2和18.47 kg·hm-2，施用有機肥每年可以顯著減少7.92 kg·hm-2氮淋溶至環境中（P＜0.05）；有機肥和化肥施用后，淋溶液總磷濃度（以P 計）分別為0.038～0.132 mg·L-1和0.028～0.106 mg·L-1，磷淋失量分別為每年0.06 kg·hm-2和0.10 kg·hm-2，施用有機肥每年可顯著減少0.04 kg·hm-2磷淋溶至環境中（P＜0.05）。這與Vincent 等[37]的研究是一致的，主要與有機肥氮素、磷素礦化速度相對較慢有關[8]。另外，農田作為營養元素消納場所，按一年3～4季蔬菜計算，消納有機肥54～72 t·hm-2，可減少氮、磷排放量691～921 kg·hm-2和707～942 kg·hm-2，減少化肥投入4 555～6 073 kg·hm-2（N∶P∶K=18∶6∶24），總體上可減少820～1 093 kg·hm-2氮和273～364 kg·hm-2磷進入環境。

Macfadyen 等[38]通過農田食物網結構穩定性控制病蟲害，以動物物種數表征有機農業生態系統服務功能。本研究也發現有機農業通過景觀格局優化與景觀要素耦合的措施，可以顯著提高農田物種數量，使農田生態系統具備更穩定的食物網結構，能夠更有效控制病蟲害，這不僅從源頭上減少了農藥和營養物質的流失，而且通過延長面源污染的遷移路徑，減少氮、磷排放。另外，Macfadyen 等[38]研究還表明有機農業等保護性農業措施，也可以提高土壤質量，增加土壤持水能力，從而減少水土流失及氮、磷流失風險[38]。

表1 有機農田與常規農田動物物種組成Table 1 Composition of animal species in the organic and conventional farmland of Songhua dam

表2 有機農田與常規農田農藥投入情況Table 2 Pesticide input in the organic and conventional farmland of Songhua dam

圖1 有機肥與化肥施用下氮素淋溶特征Figure 1 Nitrogen leaching character with organic fertilizer（OF）and chemical fertilizer（CF）

5 結論

通過優化農田生態系統空間格局和景觀要素，采用合理的農藝措施，可以充分發揮農田生態系統的生態功能，有效控制病蟲害，不僅能從源頭有效控制農藥和化肥的投入，而且能夠延長面源污染的遷移途徑，阻控氮、磷等營養物質的流失，從而有效控制農業面源污染，改善區域環境質量。

圖2 有機肥與化肥施用下磷素淋溶特征Figure 2 Phosphorus leaching character with organic fertilizer（OF）and chemical fertilizer（CF）