地下水农业面源污染研究现状与展望

李 巧,周金龙,2,贾瑞亮

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院,新疆 乌鲁木齐 830052;2.中国地质大学环境学院,湖北 武汉 430074)

在我国有 7亿多人口饮用地下水,有半数以上的城市、乡村的经济发展和居民生活用水以地下水为主要供水水源。但地下水也与其它环境资源一样其污染问题越来越严重。目前全国 25%的地下水体遭到污染,平原区约有 54%的地下水不符合生活用水水质标准。因此地下水的污染问题必须引起高度关注[1]。而造成地下水污染最普遍、也最难治理的就是农业面源污染。它具有形成过程随机性大、影响因子复杂;分布范围广、影响深远;过程复杂、机理模糊;潜伏周期长、危害大等特点,因此研究和控制面源污染难度较大。地下水农业面源污染的研究主要用于对地下水污染的预防与控制,减少由地下水农业面源污染对人类健康和生态和谐造成的影响。下面主要就地下水农业面源污染近十多年的研究做一较为全面的综述。

1 地下水农业面源污染的危害

1.1 威胁人类健康

农业面源污染对地下水水环境安全构成了严重威胁,有毒有害物质及一些营养盐经过淋溶作用进入地下水体造成饮用水源的污染,尤其是一些有毒有害物质具有致癌、致突变、致畸形的性质对人体健康构成严重威胁。国内外大量研究已表明地下水硝酸盐含量上升最主要的原因是农区大量施用 N素化肥和牧区畜禽粪便的分解淋失,而饮水中的硝酸盐会导致“兰婴”综合症和胃癌、结直肠癌、淋巴瘤等癌症发病率升高[2]。

1.2 破坏农田生态平衡

地下水农业面源污染不但使农产品品质下降而且使害虫抗药性增强,害虫天敌减少、土壤有机质消耗加快、团粒结构减少保水保肥能力下降、土壤耕作层板结耕性变劣肥力下降、再生产能力降低。这些都会使得农田的生态平衡遭到破坏[3]。

1.3 污染地表水体

农业面源污染物不仅随地表径流直接进入河流、湖泊或近海污染地表水体而且渗入土壤或岩石污染地下水。而被污染的地下水最终亦流入河流、湖泊或近海污染地表水体。地下水和地表水相互作用紧密相联。在通常情况下地下水接受降雨或融雪入渗补给向位于地形低处的河流、湖泊或海洋排泄。除地表径流和直接降水外,地下水是河流与湖泊水的主要来源。特别是在枯水季和枯水年河流与湖泊的水往往全部来自地下水。当地下水被污染后接受地下水补给的河流、湖泊和近海亦会遭受同样甚至更加严重的污染[4-5]。

2 地下水农业面源污染的主要影响因素

2.1 化肥施用量大,利用率低

过去十多年中全国化肥的施用量从 1990年的 2 590万吨增加到 2005年的 4 897万吨,占全世界平均消费量的 1/4,达 400 kg/hm2,远远超过国际上为防止水体污染而设置的225 kg/hm2的化肥使用安全上限。中国每年农田养分被植物利用的部分很少,氮肥的利用率仅为 30%～35%,磷肥为10%～25%,中国化肥的平均施用量是发达国家化肥安全施用上限的 2倍,平均利用率仅为 40%左右[6]。剩余的养分中的氮、磷、钾元素随水流进入沟渠,再汇集江、河、湖、水库及近海域,使水体中的氮、磷等营养元素富集,导致水质的恶化;进入土壤,改变原有土壤的结构和特性,造成板结;还有很大一部分会通过淋溶等途径进入地下水环境污染地下水[7-9]。

2.2 农药使用不科学,形成流失

中国是世界生产和使用农药的第一大国,2000年全国农药使用量约为 128万 kg,平均值为 14 kg/hm2,比发达国家高出 1倍,高毒、高残留的有机磷、有机氯农药仍占很大比例。全国农药喷施约有 60%～70%进入环境中,仅有约 30%被农作物吸收。据调查,若喷洒液体农药,仅有 20%左右附着在植物体上,1%～4%接触到目标害虫,5%～30%的药剂飘游于空中,其余 40%～60%降落到地面,这些剩余的有害物通过大气、地下水和地表径流迁移,污染大气、地下水以及地表水[10]。

2.3 禽畜粪便和农村居民生活垃圾污染

中国的畜禽养殖业近年来发展迅速,畜禽粪便主要污染物化学耗氧量(COD)和生物耗氧量(BOD)的流失量逐年增加,畜禽粪便如随意堆放且不及时妥善处理,在降雨季节,污染物随地表径流和农田渗漏进入地表和地下水体会形成大面积污染。农村普遍缺乏基本排水和生活垃圾处理系统,生活污水大多随意泼洒,大量蔬菜、秸秆等生产垃圾与生活垃圾四处堆放,在雨水的冲刷下使大量的渗滤液排入地下水体,形成地下水农业面源污染。

2.4 农田灌溉排水和污水灌溉

长期灌溉使土壤中的盐类淋溶和肥料的淋滤,而导致土壤的盐碱化,地下水含盐量上升[11-12]。一些地区用污水灌溉,也使大量污染物积累。虽然污水中的营养元素可以为农作物吸收,但如果施用量过大或时间不恰当,许多污水未经过农作物和土壤的自然净化而直接进入水体,同样会导致土壤和地表水及地下水体污染[13]。

2.5 土地利用方式和水环境恶化

国内外许多研究表明土地利用方式和土壤耕作措施不当会引起严重的水土流失并加重地下水农业面源污染的程度。近年来我国虽然加大了生态保护力度,但由于资金有限和人们思想上还没有引起足够重视,水土流失治理力度不够,山区水土流失仍较严重。发生水土流失后在较大范围内泥沙携带水中的化学物质逐步汇集并通过河流等通道注入各种水体,其结果是一方面形成水体中悬浮物,增加了水的浊度构成物理污染;另一方面来自于土壤的泥沙作为人类施用肥料(化肥和有机肥)的载体也将大量污染物带入水体增加了地表水的富营养化程度及地下水的硝态氮含量构成地表水和地下水的化学污染。可见由于土地利用结构不合理导致的水土流失是引起地下水面源污染的重要方面[14]。

3 地下水农业面源污染物的测定方法

地下水农业面源污染的主要污染物为氮和磷。

3.1 氮的测定

可采用国标法(GB 11894-89)来测定地下水样中的氮含量。总氮：碱性过硫酸钾消解——紫外分光光度法;硝态氮：紫外分光光度法;亚硝态氮：重氮偶合比色法;铵态氮：水杨酸——次氯酸盐光度法。我国研究者对如何对地下水中硝酸盐氮、亚硝酸盐氮的含量进行符合精度要求的测定也进行了大量的研究,提出的测定地下水中硝酸盐氮的方法主要有：离子色谱法、一阶导数紫外分光光度法、还原 -紫外分光光度法和 2、6-二甲酚分光光度法等。提出的测定地下水中亚硝酸盐氮的方法有：催化光度法测定痕量亚硝酸根——嗅酸钾 -结晶紫体系、催化光度法测定痕量亚硝酸根——嗅酸钾 -维多利亚蓝体 B系、非平衡流动注射光度法、硝酸根电极法、新紫外光度法和碱性品红紫外光度法等[15]。

3.2 磷的测定

水样关于磷的分析所需指标(总磷、颗粒态磷、水溶性总磷、磷酸盐)的测定方法均可采用国标。地下水样不需过滤,可直接用钼锑抗比色法测定磷酸盐(PO3-4)含量,总磷(TP)含量采用钼酸铵分光光度法测定(GB 11893-89)[16]。

4 地下水农业面源污染的数值模拟

数值模拟是研究地下水环境最有效的方法之一,现已开发出 Visua lMODFLOW、GMS等专用于地下水模拟的系统,在国内外得到广泛认可和应用。但是,如何降低模型的不确定性成为数值模拟面临的主要挑战[17]。

随着计算机技术的快速发展,利用数学方法来解决面源污染问题成为越来越值得研究的重点。以氮负荷为例：地表的面源氮负荷污染地下水需要经过 2个过程——首先经降雨淋洗进入包气带,在这一过程中会发生氮的矿化、固定化、硝化、反硝化、被植物吸收等作用,引起实际进入到地下水中的氮负荷的变化;穿过包气带,氮素垂向迁移进入饱和带,经过对流、扩散并发生一系列反应后,此时的氮负荷才是污染地下水的真实值。因此,对地表氮负荷污染地下水的数值模拟可以分为两个部分来考虑,非饱和带中垂向迁移模型和地下水污染迁移模型。

从 20世纪 70年代人们开始对面源模型进行研究以来,已经开发了很多模型可以用来模拟农业面源污染。具有代表性的模型有：由美国普度大学农业工程系 Beasley和 Huggins于 1981年提出的基于降水事件的分布式参数模型 ANSWERS;由Hanson等于 1981年提出的一个允许用水动力学和沉积化学共同作用来模拟路面和土壤污染物径流过程的物理分布型综合模型 HSPF;由美国农业部农业研究署(USDA-ARS)和土壤保护署于 1986年联合开发的基于降水事件的分布式参数模型AGNPS;由丹麦水工试验所(Danish Hydraulic Institute)1982年开发的 MIKE SHE;由W illiams等和 Arnold等开发提供的物理分布模型 SWRRB/SWAT等等[18]。但是,这些模型大部分是模拟研究面源污染在水平方向上的横向迁移,很少或没有考虑农业面源污染的垂向迁移及其对地下水的影响。在现有的面源模型中,涉及到污染物在包气带中迁移转化的模拟建模的理论基础都是由达西定律和连续方程导出的土壤水分子运动基本方程以及污染物运动的水动力弥散方程[19],从而建立数学模型进行模拟和预测。常用的模型有 GLEAMS、HYDRUS-1D等,均可以在包气带中得到较好的模拟效果[20-21]。饱和带中氮的模拟是通过建立地下水动力学方程,并在实验室测定模型需要的参数,对地下水的水质水量等进行模拟。

数值模拟法以其有效性、灵活性和相对廉价性逐渐成为地下水研究领域的一种不可或缺的重要方法,并受到越来越多的重视和广泛的应用[22]。目前较常使用的是 Visua lMODFLOW、GMS、FEFLOW等模型,在一些地区已经有了较成功的模拟范例[23-24]。其中,GMS不仅可以模拟地下水中污染物质的迁移转化过程,还可以将包气带中污染物的垂向迁移考虑进来,共同模拟[25-26]。

5 RS和 GIS技术在地下水农业面源污染研究中的应用

农业面源污染是一种间歇发生的,随机性、不确定性很强的复杂过程,估算其发生负荷的难度大。RS可适时获取对地观测的空间信息,GIS具有强大的空间数据管理、分析和制图能力。因此,它们可以广泛应用于具有空间特征的农业面源污染研究。RS和 GIS在面源污染研究中的应用本质上是 RS及 GIS与面源模型的结合问题。而具体的应用主要有以下几个方面。

5.1 农业面源污染中地下水质的评价与预测

非点源污染具有广泛性、随机性、潜在威胁性及空间相关性的特点,对其进行分析和控制较点源污染更为复杂。将GIS与专业模型有机结合,通过空间分析和统计为环境模型提供基础数据与参数,进行水质评价与预测,以辅助水污染控制规划决策。杨悦锁等[27]将 G IS与 DRASTIC方法结合开发了一个动态风险评价方法,并将其运用于英国北爱尔兰Upper Bann流域中的一个小流域。此方法也有能效地帮助决策者在流域范围内开展农业面源地下水污染预防措施。

5.2 农业面源污染的时空变化的研究和预测

GIS能存贮、处理、显示大量与非点源污染有关的数据资料,RS技术是一种测定溶质传输模型所需要的物理、化学、生物特性及其它数据资料最经济有效的方法。非点源污染模型将这些方法有机地结合来模拟非点源污染物的时间与空间变化。蒋勇军等[28]以云南省泸西县小江典型岩溶农业流域为研究单元,利用 1982年和 2004年的地下水质数据及1982年的航片和 2004年的 TM影像,在 GIS支持下,研究其20年来的地下水质的时空变化及原因。

5.3 地下水体污染物的空间分布、含量及其变化的模拟

将地下水模型和 GIS技术结合可以有效的模拟水流和水体中面源污染物的变化。王明新等[29]针对于面源污染机理模型在实际运用中的限制,将人工神经网络引入地下水非点源污染格局的模拟和预报中,建立了基于 GIS的 BP神经网络模型用以模拟分析农区浅层地下水 NO-3-N含量及其空间分布特征。

毫无疑问,RS与 GIS正推动溶质资料搜集、传输模拟、空间数据库三者有机结合,以评价地下水面污染问题。然而值得注意的是,利用 GIS模拟的结果也不能完全取代田间试验和调查。

6 地下水农业面源污染的防治对策

6.1 加强管理,依法治污

加强对农药、化肥生产管理,切实减少对环境有长期影响的有害物质的使用量,严格按照国家环境保护部制订的有关法规控制规模化畜禽养殖场粪污排放并实行严格监管制度。对确实超标排放的单位可加大处罚力度。加大舆论宣传力度,提高人们特别是广大决策者和农民对面源污染的认识,引导农民科学施肥、合理使用农药等,尽量减少由于农事活动的不科学而造成资源浪费和环境中残余污染物的增加。健全的农产品监测和市场准入制度及农产品认证制度有助于有效防治农业面源污染。

6.2 合理施肥,科学用药

我国农田化肥、农药施用量普遍偏高特别是氮素化肥施用量;磷肥施用也处于过量水平而钾肥严重不足。研究表明：农田投入养分过大,盈余部分并未起作用而是最终进入土壤和水环境造成地表水和地下水环境的污染。因而防治重点应放在减量、提质、增效上,将“末端治理”改为“源头治理”,研制高效、多功能复合肥,并从技术上指导农民严格控制氮肥的使用量,平衡氮肥、磷肥、钾肥的施用比例,减少流失量。同时通过增加秸秆还田、增施有机肥来增加钾肥。鉴于目前农药的不可替代性,提倡农业综合防治策略。包括利用耕作、栽培、育种等农事措施来防治农作物病虫害;利用生物技术和基因技术防治农业有害生物;应用光、电、微波、超声波、辐射等物理措施来控制病虫害;减量使用;推广广谱、高效环保型的生物农药[30]。

6.3 科学布局,合理规划,发展复合农业

农业面源污染主要来自于农村的农业生产活动,是由不合理的耕作制度、粗放的施肥措施、农业模式的不合理组合、畜禽养殖的不规范化和农村宣传力度不够等因素造成的。复合农业生态系统则强化农业模式的合理优化组合,在加强农民生产生活知识的同时,大力宣传和认识复合农业,合理利用有限的土地资源,创造更大的经济效益;鼓励人们发展生态农业,减少养分流失,保证下游地区的农业生产和生活安全;从源头减少污染物的排放量,使其达到国家排放标准。这些措施为最终治理地下水农业面源污染打下良好的基础。

7 展望

(1)我国地下水农业面源污染的问题很突出,但目前的管理方式还集中在肥料管理上,特别是还没有污染源等级划分标准,这将导致管理上的盲目性。我国幅员辽阔,产生面源污染的时空变化情况比较复杂,影响因素较多,因此,在等级标准的确定、数学模型的建立等方面还需进行大量细致而深入的工作[31]。

(2)现今,科学研究工作者仍在努力尝试并找出解决地下水农业面源污染的经济、合理且易于推广实施的生态防治措施,但其效果并不明显。因此,在未来很长一段时间内,地下水农业面源污染的治理仍将是科研工作者的重中之重。通过对复合农业生态系统原理、方法及机理的进一步研究,总结合理的农业管理模式,加快其推广应用,以复合农业生态系统治理地下水农业面源污染将是主要趋势之一[29]。

(3)利用 “3S”集成技术 (GIS、GPS、RS),针对地下水农业面源污染的空间特性,可有效地监控和治理地下水农业面源污染,为开展全国范围的面源污染调查提供有效的工具,为制定控制策略提供全面可靠的信息,为各级政府在发展规划中农业面源污染评价指标体系的建立提供有效的依据。3S集成技术也将更多应用于地下水农业面源污染防治的研究中[32]。

如果说,农业面源污染控制的成败直接关系到我国流域污染治理的成败,那么,地下水污染防治的成败则关系到我国农业面源污染控制的成败。与地表水相比,地下水流速慢、循环周期长,一旦被污染,则很难净化,这大大增加了地下水污染防治的难度。故从策略上来讲,更应防患于未然,极早防治地下水农业面源污染,否则会事倍功半。地下水农业面源污染是危害全球生态环境的一个最重要因素。应借鉴其他发达国家的经验,根据控制区域自然、经济、技术条件及地下水面源污染特征的不同,因地制宜地制定多种控制与管理措施,最终实现环境、经济和社会的协调发展。

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