水源地农业面源污染防治
摘要：农业面源污染是目前导致水源地污染的主要原因，通过对农业面源污染影响因素的分析，回顾了模型研究进展，总结了通过调整景观格局控制农业面源污染的理论和实践方法。
关键词：农业面源污染；水源地保护；景观生态学
面源污染是相对于点源污染的一种水环境污染类型。随着点源污染控制水平的不断提高，面源污染现已逐渐成为导致水体污染的主要原因。其中造成水源地污染的主要是农业面源污染。近年，饮用水水源地污染事件屡屡发生，严重影响了正常的社会生活、生产活动。控制农业面源污染，保护水源地，是提高水资源利用效率保障供水安全的首要环节。本文对面源污染物的来源、迁移过程与形式、影响因素、模型模拟，防治理论和实践研究等方面的进展情况进行了介绍，提出了下一步研究方向。
一、关于农业面源污染 1.面源污染物来源
农业面源污染的主要来源可以归纳为化肥、农药、畜禽养殖和其他化肥营养元素的流失是农业面源污染最重要的部分，化肥使用存在量大、配比不合理和利用率低的特点。化肥使用量从1978年的884万t增至2006年的4800万t，目前远远超过国际上为防止水体污染而设置的225kg／hm2化肥使用安全上限。在肥料配比上，全国N：P：K比例为1：0.45：0.17。氮肥用量偏高，磷、钾肥偏低，重化肥、轻有机肥，造成了土壤酸化，地力下降。其中使用最多的氮肥平均利用率仅约35％，相当于发达国家的1/2。农药是后果最为严重的污染源之一。与化肥施用情况一样，我国农药使用也存在着量大、利用率不高和搭配不合理的特点。2006年，全国化学农药原药累计产量129.6万t，同比增长20.2％。但只有30％一40％可以被作物吸收，大部分都流失了，其中不乏高毒农药。
农业生产活动产生的有害废弃物。
畜禽养殖产生的污染也不容忽视。由于缺乏相关的处理和配套设施，目前我国每年牲畜排出的粪便多达25亿t，是工业固体废物的2倍多。畜禽养殖废弃物除造成同化肥农药一样的环境污染外，还极易传染和引发疾病。
其他农业生产活动产生的有害废弃物主要包括农膜、秸秆以及生活垃圾等固体污染物。目前我国塑料大棚及地膜覆盖面积已超过1333万hm2。
截至2002年，农膜和地膜年消费量达到153.9万t，居世界之首。这些废弃物具有种类多、降解难和危害严重等特点。
2.我国农业面源污染的特点
由于农业集约化程度、产业结构组成以及基础设施的差异，与欧美国家相比，我国的农业面源污染有如下特点。
①水体富营养化严重。以太湖和巢湖为例，二者水质按COD指标评价已是三类水体，而且总氮、总磷浓度严重超标（见表1和表2）。国家环保局在太湖、巢湖、滇池、三峡库区等流域的调查显示，工业废水对总氮、总磷的贡献率仅占10%～16%，农田的氮、磷流失是水体富营养化的主要原因[1，2]。
②农村地下水硝酸盐污染严重。在水体富营养化严重的同时，国内许多地区，特别是农业集约化程度高、氮肥用量大的地区，已面临着严重的地下水硝酸盐污染问题。研究显示，农业面源污染是地下水的硝酸盐污染的首要原因[3]。
③城乡结合部地区是产生面源污染的主要区域[4]。我国城乡结合部是经济发展最为迅速，农村城镇化发展速度最快的地区。城乡结合部大多处于近水域地带，人口及小型乡镇企业十分密集。由于农村地区原有基础设施较差，缺乏排水管网，且距离农区较远，难以通过农田施肥消解城镇生活、生产产生的固液废弃物。因此，各大流域城乡结合部地区人均生活、生产排污量均超过基础设施好的城市地区。
④农村畜禽养殖业污染是面源污染的主要来源[4]。自60年代以来，我国畜禽养殖业始终保持高速发展的势头，畜、禽存栏量每10年增加１～２倍。而在畜禽存栏量成倍增长的同时，一方面，农村城镇化的发展和城镇建设占地使得可有效消纳畜禽粪便的农田面积不断减少。另一方面，产业带的发展模式造成养殖专业户集中于某些地区，使得农村一些村、镇本地的人畜禽粪便产生量大大超出当地农田的承载负荷，成为水体的重要污染源。3.迁移过程与形式
农业面源污染的产生、迁移与转化过程实质上是污染物从土壤圈向其他圈层尤其是水圈扩散的过程。迁移过程主要包括两类：一是在降水、农田灌溉及排水过程中，污染物随水分向深层地下水下渗；二是当产生地表径流时，污染物向地表径流传递，并随径流和泥沙迁移进入受纳水体。研究表明，大多数的污染物是通过径流导致的土壤流失，随泥沙迁移进入水体的。因此，控制农业面源污染保护水源地，主要是防止地表土壤流失。
二、模型研究
面源污染具有面广和过程复杂等特点，很难用有限的田间测试和实验手段来评估。20世纪80年代以来，美国农业部首先开发了一系列面源污染模型。模型主要通过对整个流域系统及其内部发生的复杂过程进行定量描述，帮助分析面源污染产生的时间和空间特征，识别其主要来源和迁移路径，预报污染产生的负荷及其对水体的影响，也可以评估土地利用变化以及不同管理与技术措施对面源污染负荷和水质的影响，为流域水环境规划与管理提供决策依据。
完整的面源污染模型系统一般由4个子模型构成，即降雨径流模型、侵蚀和泥沙输移模型、污染物转化模型、受纳水体水质模型，整个模型化过程从简单到复杂大致经历了3个阶段。即经验模型、机理模型和功能模型。美国农业部农业研究所开发的CREAMS模型就是一种功能模型，该模型的研发成为非点源模型发展的里程碑，它首次对非点源污染的水文、侵蚀和污染物迁移过程进行了系统的综合。目前关于国际上较成熟的农业非点源污染模型主要有CREAMS、AGNPS、ANSWERS和SWAT等模型。
G1S是集空间信息处理、数据库技术擞学计算、可视化等功能于一身的先进手段。随着GIS和遥感技术的广泛应用，有效地提高了面源污染模型的模型质量和模拟精度。先后与AGNPsAVNIX3M和ANSWERS等模型耦合，较好地提高了模型的可视化水平和可操作性。
三、防治理论与技术
应用景观生态学\"源—汇\"理论[5]，景观格局对生态过程的影响一直是景观生态学的一项重要内容。通过合理配置空间要素，尤其是障碍、通道和高异质性区域等，可以提高系统的稳定性和改善其整体功能。根据源和汇的理论，在面源污染形成的过程中，农田等景观起到“源”的作用，人工湿地和缓冲带等景观可以滞蓄污染物而起到“汇”的作用，同时地表径流等景观起到了传输的作用。如果流域中“源”“汇”景观在空间分布上达到了平衡状态。形成合理的分布格局，流域会产生较少的污染物输出；反之，如果流域景观格局分布不合理，并有较多的“源”集中分布，而缺乏“汇”的滞蓄作用，流域将会有较多的污染物输出产生。通过优化景观格局，在源头减少非点源污染物的产生，在污染物运移过程中进行拦截并促进其向无害形态的转化，是面源污染管理和控制的重要手段。
常用的景观格局优化方法主要有两种：一是利用植被缓冲带对污染物进行阻截、吸收和转化。二是利用自然和人工湿地使污染物在其中沉淀、降解或被水生生物吸收。应该遵循的原则：一是去污力强，尽可能合理设计位置和规模，以达到最佳的去污效果；二是节约费用，主要指的是占用土地面积要少；三是兼顾效益。在治理污染的同时，适当种植生产性作物，提高土地生产力。 1.植物缓冲带
植物缓冲带指在河道与陆地交界的一定区域内建设乔、灌、草相结合的立体植物带，在陆地与河道之间起到一定的缓冲作用。植被缓冲带主要通过以下过程截留和去除地表及地下径流中的污染物：①降低地表径流速度并对其中的颗粒态污染物起过滤和拦截作用；②缓冲区的植物吸收溶解态的污染物；(3)缓冲区的土壤吸附溶解态的污染物；④促进氮的反硝化。缓冲带建设主要考虑因素是宽度和植物配置。国外研究成果发现，植被缓冲区的去污效果随着带宽的增加而提高，但3—5m的带宽也能取得理想的效果。有专家根据前人研究成果总结了不同水质保护目的和目标所要求的缓冲区宽度，可以作为建立植被缓冲区的参考依据。至于植被选择，应该尽可能采用本土植物。同时需要注意，草本植物能够形成浓密的地表覆盖，有利于降低地表径流速度和过滤其中的颗粒态污染物。选用高大乔木可以增加缓冲区的产出效益，且林木采伐可以同时将区内的养分等污染物带走，防止缓冲区因污染物饱和而失去净化能力。但应选择树冠较稀疏的树种，以利于林下植被的生长。 2.人工湿地
人工湿地是指模拟自然湿地，由人工建造的可控制和工程化的湿地系统，通过对湿地生态系统中的物理、化学和微生物作用的优化组合来进行污水的处理。湿地中水体、基质、植物、微生物等4个基本要素共同作用，可以有效去除氮、磷等营养元素，和有机污染物等。
人工湿地除氮过程：氮在生物作用下转化成氨(可能是好氧的，也可能是厌氧的)，氨在有氧环境中通过硝化细菌生产硝酸盐，硝酸盐去除机理有两个：①植物的摄取。植物吸收的氮素主要是铵态象和硝态氮，也包括一些小分子含氮有机物如尿素和氨基酸等。植物摄取氮的潜在速度受其净生产量和植物组织中氮浓度的限制。国内外学者对植物氮含量和去氮能力进行了大量研究，研究表明湿地植物组织的氮浓度和储存量受植物类型、组织类型、进水浓度和季节的影响。(2)反硝化。反硝化被认为是长期的和主要的机制，影响反硝化的环境因素包括氧浓度、氧化还原电位、土壤湿度、温度、pH值、反硝化细菌、土壤类型、有机物质和有无存水等。不同条件，在异养微生物作用下将硝酸根还原，最终生成温室气体N20或者气态氮分子N，释放到空气中。
人工湿地除磷过程：磷常以磷酸盐(p043-、HP043ˉ、H2P04-)、聚磷酸盐和有机磷存在。磷的去除有很多途径：污水中一部分磷可被植物直接吸收，通过收割得以去除：一部分被基质通过吸附或离子交换作用去除；一部分磷作为微生物正常代谢所需要物质被磷细菌转化成溶解性无机磷，有利于植物吸收，还有一部分磷被聚磷菌过量聚磷作用去除。通常情况下，沉积、吸附、沉淀、微生物的吸收与积累是湿地中最主要的磷去向。
有机污染物则在好氧区被分解为C02和水，在厌氧区被分解为CO2和CH4，污水中的大部分有机物最终被异养生物转化为微生物体、C0
2、CH4和水、无机氮、无机磷。同时，湿地系统还可以通过机械过滤作用去除藻类，基质吸附与植物积累作用消除重金属污染等其他污染物。
湿地建设主要考虑因素是湿地规模和布局。研究者总结了一些地区不同水质保护目的所要求的湿地面积比例。不同地区采取不同标准，但研究发现占流域5％左右的湿地就可以有效截留氮、磷等富营养化物质，湿地的布局对其净化能力有着很大的影响。目前主要靠设置沉淀池、湿地表面覆盖砂和砾石等材料来提高去污能力并减少护理成本。
四、结论与展望
面源污染是影响地表环境的主要污染方式之一，农业面源污染是导致水源地污染的重要污染源。其形成主要由降雨径流、泥沙搬运、地表溶质溶出和土壤溶质渗漏等4个过程组成，它们之间相互联系、相互作用。
目前已经对污染物来源，迁移过程与形式。模型模拟和防治理论研究等方面有了较深入的认识。但相对于农业面源污染的严重性和水源地保护的重要性，仍显不足，需要进一步研究。研究方向是：①深入研究面源污染物运移过程。水土流失是目前人们关注的主要生态过程之一，也是面源污染的一种主要形式，但具体的流失机理和过程并不明确，这是防治面源污染扩散的基础。②加强模型模拟。模型模拟是面源污染防治、流域综合管理的决策支持系统。随着GIS和遥感等空间分析和数据管理手段的进步，需要研制适合各类条件下的面源污染模型，并不断提高模型的精度和适用性。(3)调整景观格局。防止面源污染产生和扩散，优化土地利用方式。合理布局污染物“源”和“汇”的景观，减少污染物扩散。保护水源地。 参考文献：
[1] 金相灿,刘树坤,章宗涉,屠清瑛,徐南妮.我国湖泊环境（第一册）[M].北京:海洋出版社，1995。
[2] 李贵宝,尹澄清,周怀东.我国“三湖”的水环境问题和防治对策与管理[J].水问题论坛,2001,（3）：36-39。
[3] Archer J．R，Marks M．J．Control of Nutrient Loes to Water from Agriculture in Europe．Proceeding of Fertilizer Society,1997,6（5）405-409。
[4] 张维理,武淑霞,冀宏杰，Kolbe H.我国农业面源污染形势估计及控制对策I．21世纪初期我国农业面源污染的形势估计[J].我国农业科学,2004,37（7）：1008-1017。
[5] 韦薇,张银龙.基于“源—汇”景观调控理论的水源地面源污染控制途径——以天津市蓟县于桥水库水源区保护规划为例[J],中国园林,2011年02期
