云南山区农业面源污染控制微区域集水系统技术体系

王克勤

(西南林业大学,云南 昆明 650224)

云南山区农业面源污染控制微区域集水系统技术体系

王克勤

(西南林业大学,云南 昆明 650224)

水土保持;农业面源污染;微区域集水系统;云南山区

面源污染已成为造成河流、湖泊、水库污染的主要原因,有效控制面源污染对于改善水环境质量具有十分重要的意义。针对云南山区面源污染的现状,通过分析面源污染形成的原因和治理中存在的问题,认为微区域集水系统具有拦截和控制山区坡耕地地表径流、增强山坡水源涵养功能和控制农田径流等多项功能,能够实现生态治污、有效控制面源污染的目的。

随着工业点源污染控制水平的提高,面源污染成了水环境污染的主要来源,其中以农业面源污染最为普遍、威胁最为严重[1]。农业面源污染物主要包括 N、P及农药残留物等,其中:农药残留物会对人、畜造成直接伤害,有的损害中枢神经系统,有的累积在脂肪、肝脏、肾脏等组织中造成蓄积中毒甚至诱发肿瘤;N、P会加速水体的富营养化进程,对水生生态系统造成严重威胁,如果进入食物链,NO3-N会增加“蓝婴儿”病的发病率,在胃中被还原为NO2-N后又有诱发胃癌的可能性;P是水体富营养化的关键因素,含P的废水汇入江河湖海后会造成蓝藻、绿藻异常繁殖,使水流减速、水体浑浊、溶解氧减少,导致水生生物死亡、饮用水水源恶化[2-3]。在美国,面源污染已经成为环境污染的首要因素,60%的水资源污染源于面源污染[4];根据OECE报告,成员国中硝酸盐和农药是最大的分散污染源,欧洲其他国家也得出了相似的结论[5];荷兰农业面源污染提供的 TN、TP分别占水环境污染总量的 60%和 40%～50%[6]。本研究以我国云南山区农业面源污染状况为例,结合作者的相关研究成果,介绍了微区域集水系统在云南山区农业面源污染控制中的应用。

1 云南山区农业面源污染概况

受第四纪地壳运动影响,我国西南地区构造湖泊较多,形成了许多具有特殊生态意义的高原湿地,加之该地区又位于许多重要江河的中上游,是我国重要的生态安全屏障区,因此其水体质量和水文状况不仅影响到本地区的环境质量和经济发展,而且直接关系到中下游平原地区的水环境安全。以云南省为例,全省有湖泊 28个,汇水面积约 9 000 km2,湖面面积1 164 km2,蓄水量近 300亿 m3,其中面积最大的 9个湖泊依次为滇池、洱海、抚仙湖、程海、沪沽湖、杞麓湖、星云湖、异龙湖、阳宗海。通过调查上述 9个湖泊的面源污染状况发现,P污染是水质恶化的主要原因[7],如杞麓湖点源、面源、内源输送的 P污染负荷比为 22∶72∶6[8],面源污染导致昆明市重要水源——松花坝水库的水质下降至Ⅳ～Ⅴ类,高原湖泊和水源区污染中农业面源污染占污染总量的 50%以上。

地表径流是输送面源污染物的主要途径,在径流系数较高的山区农业面源污染状况尤为突出。云南省山区面积占土地总面积的 94%以上,据云南省国土资源厅 2005年的调查数据,全省有耕地面积约 634万 hm2,其中坡耕地约307万 hm2。受云南山区耕地资源贫乏和少数民族生活习惯的影响,河流和高原湖泊汇水区的山区坡耕地在很长时期内不会消失。受山区地形的影响,坡耕地耕作会不可避免地造成地表径流的严重流失,径流中携带的大量泥沙和P素等面源污染物进入水体后,造成泥沙淤积、水体富营养化、饮用水源污染,降低了水体的生态功能,破坏了水生生物的生存环境,进而影响人类使用。山区农业面源污染在所有面源污染源中占据绝对的份额,是面源污染控制的关键区域,并且这一状况将持续相当长的时期。

2 云南山区农业面源污染成因

在云南山区,从流域分水岭到河流、湖泊、水库等受径流影响的各个汇水区域都不同程度地存在着较为严重的面源污染问题,从不同区域、不同层面输入水体的大量面源污染物造成了水体富营养化,究其原因主要有以下几个方面。

2.1 自然坡面水源涵养功能降低,水库可调蓄的有效水量减少

自然坡面的林地和草地是涵养水源的主体。尽管云南省的森林覆盖率在全国处于较高水平,但是除了极少数的森林林分结构较好外,起涵养水源作用的最重要的流域汇水区在长期砍伐和过度放牧下退化极为严重,一部分已退化为荒山荒坡,地表覆盖层极少甚至缺失。植被覆盖减少不可避免地造成了径流系数增大,为坡面水土流失提供了动力条件,汛期增加了河道防洪压力,旱季则水源枯竭,补给河流的水量极少,影响附近城乡居民的生产生活。

2.2 坡耕地水土流失严重,泥沙淤积减少了水库有效库容

坡耕地是土壤侵蚀伴生面源污染的主要源地[9],对河流输沙的贡献率高达 80%以上。云南山区坡耕地面积约 307万hm2,占耕地总面积的 48.4%。以松花坝水库为例,流域汇水区有坡耕地约 3 333 hm2,平均土壤侵蚀模数 1 286 t/(km2◦a),每年因土壤侵蚀进入水系的泥沙约有 76万 t,其中直接进入水库的泥沙约有 25万 t;泥沙淤积每年减少水库有效库容约 20万m3,而水库管理部门每年清淤量约 3.68万t,不到泥沙淤积量的 1/5。泥沙淤积使湖泊、水库等的有效容积大大减少,影响了水体的自净能力,伴随着泥沙,大量的 N和 P输入水体,使水体富营养化速度加快,尤其在旱季有可能暴发大面积水华。

2.3 农田径流直接排入水体,为水体富营养化提供了污染物质

水体面源污染物主要来源于径流携带的泥沙和农田径流的直接输入。以松花坝水库为例,流域汇水区每年输入水库的N和 P分别为 622 t和 38 t,其中直接来源于农田径流排放的分别为 467 t和 29 t。出现上述情况的原因与农药化肥过量施用有关,更重要的原因是农田径流在没有经过沉淀、吸收、固定、过滤等过程,没有将N、P含量降低到最低程度的情况下就直接排入水体。

2.4 地表径流进入河流、沟道时缺少缓冲带净化

缓冲带是地表径流汇入水体的最后一道防线,地表径流在进入河流、沟道前经过缓冲带的吸收、过滤、沉淀,可大大减少其中的污染物质,使之不超出水体的自然净化能力。云南山区耕地资源缺乏,与河流、湖泊等水体相邻的平坦地带都已开垦成农田或建成村庄,在河道两岸修建了混凝土或浆砌石防洪堤,大部分自然沟道的入河段也被修成了“三面光”沟渠,沟道水流通过“三面光”沟渠直接汇入河道,水系的汇集过程被人为地简单化成地表径流(或农田径流)→“三面光”沟渠→河堤封闭的河流。这种简单的汇水过程将携带泥沙和农业污染物的径流直接输送到河流、水库、湖泊中,这样水体污染就在所难免。

2.5 农田化学物质的超标使用

逐渐退化的流域农业生态系统在大量施用农药化肥后,面源污染状况更加严重。在严重的水土流失和农田径流的直接污染下,云南省每年的面源污染物输入量已经远远超过了水体的污染负荷,农药化肥滥施滥用不仅造成利用效率低下、流失严重,而且加剧了水体的富营养化程度。据统计,松花坝水库水源区农业用地年施用化肥 6 535.34 t、农药 138.96 t。化肥、农药除改变土壤肥力和结构外,还会残留于土壤中,并随雨水渗透进入水体,造成水库 N、P含量逐年增加,这是水体水质逐年下降的又一主要原因。

2.6 非生态的防洪治理降低了河道、沟渠的自净能力

河流、沟渠有其完整的生态系统,包括水流、河道以及河岸、河滩,尤其是河岸、河滩是河流、沟渠不可缺少的组成部分,具有缓冲水流、落淤、保护生物、物质交换等重要作用。这些作用对河流水质的保护非常重要,可以使河流在进入水体前得到应有的天然净化,这种过程是任何人工工程无法替代的。因此,河道、沟渠的治理一定不能阻断水流与两岸的联系,断绝水—岸关系意味着人为制造“死水一泓”。但是,目前云南山区河道治理普遍采用的模式是在两岸河堤全部采用混凝土或浆砌石结构,入河沟渠采用“三面光”,加剧了水体的污染程度。

2.7 村庄污水、垃圾直接排入水系

山区农村的生活污水和生活垃圾基本上都是直接排放,不仅成为直接的污染源,而且增加了治理和保护的难度。在新农村建设中,各级政府通过加强宣传教育增强群众的环境意识,现已取得了一定成效。

3 集水系统类型

农林业集水系统有小、中、大 3种尺度,小尺度的集水系统为微型集水系统(Micro Water-harvesting,MCWH),中尺度的为微区域集水系统(Micro-area Water-harvesting,MAWH),大尺度的为小流域集水系统(Watershed Water-harvesting,WSWH)[10]。

3.1 微型集水系统(MCWH)

微型集水系统(MCWH)即采用就地拦蓄、就地入渗的初级集水技术,微型集水区和入渗池(坑)是系统最基本的组成部分。根据这一特点,MCWH系统有等高蓄水沟集水[11]、隔坡带状种植、等高带状种植[12]等几种类型。MCWH系统的主要优点是径流率较高,将每年雨季收集的大量雨水入渗到土壤层内,进行一年生浅根性植物与多年生深根性木本植物混植,既可大幅度增加生物产量,又可有效利用贮存的土壤水分[13]。但贮存在土层中的水分不具备长时间的调节功能,加之土壤断面蓄水容量有限,在靠雨水补给的地区不能起到“丰水旱补”的作用,单独使用效果不理想,尤其是在间歇性干旱明显、雨季水分过多导致土壤积水严重的地区不能单独使用。

3.2 小流域集水系统(WSWH)

WSWH系统是包括范围较大的集水系统,一般以一个坡面或一个小流域为单元进行集水、蓄水和利用,将集水区收集的地表径流贮存在地面水库,常用于家畜饮用或农地灌溉[14]。WSWH系统在流域坡面集水和地面水库蓄积的水量比土壤断面多,能使有限的水资源在时间和空间上更合理地分配。但是,包括小水库的 WSWH系统涉及范围较大,水库及蓄水系统一次性投入大,尤其是对于水土流失较为严重的小流域,如不能有效防止水土流失,就会导致水库淤积甚至失去蓄水能力。

3.3 微区域集水系统(MAWH)

MAWH系统是利用具有一定面积(100～1 000m2)的微区域坡面建立集水区收集地表径流,用水渠等输水系统将径流引至地面贮水设备中蓄积起来,在植物生长需水时再用管道将水引至种植区作物的根系分布层[15-17]。对于地表径流系数较高的地区,利用天然径流场集水可收到良好的效果[18]。西南地区的土壤特点适合于采用自然坡面作为集水区。MAWH系统使雨季相对充足的降雨得到更合理的利用,对降雨资源具有较强的时空调控能力,适合于西南地区的气候、地形和土壤特点。

集水系统的集水区面积、蓄水容积和投资规模都比较小[10]。根据以上特征,大尺度的集水系统(WSWH)实际上不属于集水系统,应该属于小型水利工程设施;小尺度的集水系统(MCWH)仅仅应用了微区域集水系统的部分技术,没有在流域水平上对生态系统进行分类,因此不能代表集水系统;微区域集水系统(MAWH)则是典型的集水系统。

4 微区域集水系统的特点

MAWH系统是典型的集水系统,能根据小流域中的生态系统类型进行合理配置,不仅从小流域的角度体现了系统性,而且对各种集水单项技术进行了有机集成,体现了综合性,并且系统包括范围较小,具有灵活性和可操作性。

4.1 MAWH系统具有斑块镶嵌结构

建立 MAWH系统首先要在小流域水平上进行系统的合理配置。小流域系统的基本单元是生态系统类型斑块,建立MAWH系统的目的是对各斑块在系统中进行优化组合,将斑块确定在合理的空间位置上,实现小流域系统镶嵌结构中各斑块功能的稳定发挥。根据小流域范围内的地形条件确定建立MAWH系统的小流域由作物生产区、经济林果生产区和系统隔离防护区 3类生态系统类型斑块组成,并对组成小流域系统的3类斑块进行空间优化组合,即把坡度较缓、具备农作物和经济作物生长基本条件的地段划分为作物生产区,将坡度较陡、不适合作物生长的地段划分为经济林果生产区,将脆弱地带(沟道、陡坡等)视为系统隔离防护区。通过系统隔离防护区的植被恢复,形成植被带,实现对农业生态系统的隔离防护,在小流域系统中形成生态系统相互交错的斑块镶嵌结构,使各生态系统的功能互补、相生相克,形成结构合理、功能稳定、关系协调的小流域生态经济系统。

4.2 MAWH系统是单项集水技术的集成

微区域集水系统包括集水区、蓄水设备和水分利用区 3个不同的目的区。为了实现 MAWH系统对降水资源的调节利用,根据山区小流域系统的斑块镶嵌结构对集水区、蓄水设备和水分利用区进行合理配置,对从集流、截流到导流各个环节的技术进行有机组合,形成完整的集水系统。微区域集水系统的集水技术是实现水分调节利用的关键技术之一。鉴于我国西南地区自然产流率较高(20%～40%)的特点,经过实践,在小流域系统隔离防护区采取对原地表破坏小、简单易行的小规格集水技术,开挖小规格的截留沟,拦截系统内部的地表径流,既避免了在集水时扰动地表造成水土流失,降低了成本,又在拦截地表径流的同时保持了水土。在生产区则利用人工配置的截排水沟进行集水,也起到了集水和保持水土的作用。导流组合技术是通过在系统隔离防护区和生产区修建截排水沟、人工集流主沟,在MAWH系统中形成了完善的导流系统,其中截排水沟将拦截的地表径流引入人工集流主沟,人工集流主沟将集水区与蓄水设备相连,将径流引至水分利用区进行节水灌溉。土地整理组合技术包括集水区土地整理技术和生产区土地整理技术,主要是通过整地措施并配置土质截水沟,拦截坡面径流汇入人工集流主沟至蓄水设备,尽量减少对系统隔离防护区的扰动,以促进该区域植被的恢复。

4.3 MAWH系统具有灵活性和可操作性

微区域集水系统中集水区、蓄水设备和水分利用区采用的集水、土地整理和水分利用技术均比较简单易行。集水区中不论是系统隔离防护区还是生产区,采取的集水技术均十分简单、便于操作,加之微区域集水系统涉及的山区面积不大,系统规格较小,因此从技术角度,MAWH系统既适合于一家一户使用,又适合于小流域综合治理中的集体应用,具有极强的灵活性和可操作性。

5 微区域集水系统防治面源污染的功能

5.1 生态治污

目前,大部分地区的水体污染综合治理主要依靠行政手段和水体治污,属典型的“末端治理”,而面源污染治理需要从源头、从产生过程杜绝污染物质的流失,从汇集过程对污染物进行削减。面源污染物的产生和汇集过程发生在不同的生态系统中,产生过程主要发生在山区的坡耕地、坡面和坝区的农田、村庄等,汇集过程则主要发生在沟渠和河流。不同生态系统对面源污染的贡献差别很大,但是由于自身缺陷和环境受损,云南山区各流域生态系统在结构和功能方面都存在或多或少的问题。要使面源污染的产生和汇集过程在相应的生态系统得到遏制,必须对受损的生态系统进行修复,如对山区坡耕地的水土流失进行治理、对退化山坡的涵养水源功能进行增补、对农田径流进行控制、对河流沟渠的生态功能进行恢复等。这些措施的主导思想是应用生态学原理,使人为原因导致受损的生态系统结构得到完善、功能得到修复,发挥生态系统的基本功能,在面源污染综合治理中具有可持续性。“生态治污”是采用微区域集水系统进行面源污染综合治理的最大特点。

5.2 对山区坡耕地地表径流的拦截和控制

据调查,云南山区坡耕地水土流失为河流、湖泊、水库提供的泥沙量占泥沙淤积总量的 90%以上。泥沙淤积直接导致水体自净能力下降和纳污量减小,在污染物等量条件下,水体污染程度加重,水质恶化速度加快。因此,山区坡耕地地表径流的控制程度决定着输入水体泥沙量的多少,决定着水体水质是否会持续恶化,坡耕地水土流失已成为面源污染控制的关键。但是在水体污染治理中,人们对坡耕地土壤侵蚀问题往往重视不够,即使采取了一些措施,也因治理间断而效果不佳。微区域集水系统改变了以往的土壤侵蚀控制方法,通过对坡耕地地表径流的形成、汇集等过程进行控制,在不采取大型坡耕地改造措施(坡改梯等)的情况下有效控制地表径流,使产沙减少到最低程度。

5.3 对山坡水源涵养功能的补充和增强

水源涵养功能是水库水源区最重要的功能之一,要保证水库水质优良,水源区必须要有强大的水源涵养功能。但是,目前山坡生态系统退化导致山区流域汇水区水源涵养功能降低,雨季暴雨冲刷地表,造成水体污染;旱季则水源不足、水量骤减,甚至突发富营养化使水质急剧恶化。山区流域汇水区的水源涵养功能对水质改善极为重要。改善山区流域汇水区的水源涵养功能,仅仅依靠营造水源涵养林是“远水解不了近渴”,单纯依靠恢复森林植被来涵养水源,在目前人为干扰强烈并且不能很快消除的情况下希望近乎渺茫,因此必须在修复自然植被的同时采取工程措施。微区域集水系统不仅能够促进自然植被恢复,而且具有调节坡面地表径流、增加地表径流循环转化率的功能,能够补充和增强山坡水源涵养功能。

5.4 控制农田径流

坝区农田是山区流域农业生产的核心地带,是粮食、蔬菜、花卉的主要种植区,也是水体面源污染物的主要输入“源”。由于目前坝区农田径流一般是直接排入水系,加之经过治理的河道净化能力有限,农田径流对面源污染的贡献很大,农田径流控制技术成了面源污染控制的核心。对农田面源污染物的排放一方面要合理控制化肥农药使用量,另一方面要调控农田径流,对其进行循环利用、过滤净化、重复吸收,降低农田径流中的污染物含量。微区域集水系统在坝区农田的延伸应用,能够实现农田径流的控制和净化,防止农业面源污染物质输出。

6 结 语

农业面源污染控制目前仍是一大难题,虽然通过集雨单项技术的合理组合和科学应用,农业面源污染控制措施在高原湖泊面源污染防治实践中收到了一定的效果,但高原湖泊面源污染治理仍是一项长期、艰巨和复杂的系统工程。根据有关资料,一般湖泊治理想要取得明显效果至少需要 10～20年的时间。因此,下一步的工作中还需要坚持不懈地大力开展环境保护的宣传与教育,提高全民的环保意识,同时尽快制定高原湖泊面源污染防治综合规划,选择一些典型流域,组织水利、农业、林业等有关部门实施面源污染控制示范工程,总结成功经验并逐步推广。

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Application of Micro-AreaWater-Harvesting Technical System in Agricultural Area-Source Pollution Control of Mountainous Region in Yunnan

WANG Ke-qin
(Southwest Forestry University,Kunm ing,Yunnan 650224,China)(37)

Area-source pollution has become themain reason of pollution in rivers,lakes and reservoirs.Effectively control area-source pollution that is of very important for improving waterenvironment.The study shows thatmicro-area water-harvesting technical system has the functions of intercepting surface runoff on sloped lands,reinforcing water conservation function of slopes,and controlling agricu ltural runoff,based on present status ofarea-source pollution ofmountainous region in Yunnan,through analysis on the form ing reasons ofarea-source pollution and the existing p rob lems in pollution control.Theapplication ofmicro-area water-harvesting technical system is beneficial to control area-source pollution in a effective and ecological way.

soiland water conservation;agricultural area-source pollution;micro-area water-harvesting technical system;mountainous areas of Yunnan

X 501

A

1000-0941(2011)02-0037-04

国家自然科学基金项目(30660037)、云南省自然科学基金项目(2006D 0041M)和西南林业大学水土保持与荒漠化防治重点学科资助项目

王克勤(1964—),男,甘肃庄浪县人,教授,博士,主要从事山区小流域环境综合治理的理论与技术研究。

2011-01-15

(责任编辑 李杨杨)