河流廊道对农田面源污染的生态效应如何?本文讨论了植物(树冠表面草本植被等)的吸收和屏障作用。

农村生活污水处理技术

近20年来,在国外农业面源污染控制的实践中,农村生活污水处理的研究得到了很大的发展。在消化吸收国外先进技术的基础上,对生活污水处理技术进行了集成创新,特别是针对我国农村分散式生活污水处理,开展了技术研究和工程实践,取得了良好的进展。

人工湿地污水处理系统是一种被广泛研究的污水处理系统。是在自然湿地基础上发展起来的污水处理生态工程技术,利用自然生态系统中物理、化学、生物的三重协同作用净化污水[5?6]。CSIRO研发的“过滤”污水处理系统是一种“集过滤、土地处理和管道排水于一体的污水回用系统”。其特征在于过滤后的污水收集在地下管道排水系统中,并设置水泵控制排水涵洞上方的地下水位和处理后的污水排放量[7]。“过滤”系统对生活污水处理效果好,运行费用低。特别适合土地资源丰富,可以轮作休耕的地区,或者以种草为主的地区。毛细渗沟污水处理是一种基于陆地的地下污水渗滤处理系统,利用自然净化能力,是一种简单高效的小型污水处理工艺,特别适用于污水管网不完善的地区,是处理分散污水的实用技术。

蚯蚓生态滤池处理系统是近年来在法国和智利发展起来的一项农村生活污水处理技术。该技术只需在土壤处理系统中接种蚯蚓即可改善生态滤池的处理环境,提高污水处理效率,适用于农村生活污水处理[8]。李俊壮等[9]采用塔式蚯蚓生态滤池系统处理集中的农村生活污水,COD、NH4+-N、TN、TP的平均去除率分别为86.7%、965、438+0.3%、72.4%、96.2%。然而,如何长时间保持蚯蚓良好的活性是这项技术面临的重要问题。此外,蚯蚓生态滤池处理系统的长期运行效果有待检验。

稳定塘处理系统是由美国加州大学伯克利分校的Oswald提出的。是一种利用自然净化能力,主要利用细菌和藻类的共同作用来处理废水中有机污染物的生物处理构筑物的总称[10]。巴布等人[11]的研究证明,巴布构建的藻类稳定塘的主要脱氮机理是硝化作用?反硝化作用、藻类对氮的利用和矿化作用。赵学敏等【12】分析了滇池流域大清河生物稳定塘系统的净水效果。结果表明,生物稳定塘系统对TN、TP、NH4+-N、BOD5和COD的去除率分别达到29.29%、48.68%、33.68%、68.14%和76544。

生物膜处理技术是近几十年来发展迅速的一种污水处理方法。生物膜法是利用微生物的分解功能,采取人工措施,创造更有利于微生物生长繁殖的环境,使微生物大量繁殖,提高氧化降解污水中有机物的效率。吴迪等[13]应用改进的一体化生物膜技术处理农村生活污水。监测结果表明,COD、BOD、NH4+-N、TN、TP和SS的平均去除率分别为75.6%、85.9%、86.7%、63.9%、69.3%和89.3%。吴咏红等【14】系统研究了自然生物膜对N、P等营养元素的去除效果和机理,N、P的去除机理是生物膜利用沉积在膜上的有机物作为营养物质,将部分物质转化为细胞物质进行生长繁殖,从而成为生物膜中新的活性物质;其次,由于生物膜蓬松絮状结构,微孔多,表面积大,吸附能力强。

2.2 ?生活垃圾和农业废弃物处理技术

生活垃圾、农作物秸秆、畜禽养殖废弃物是我国农村的主要固体废弃物,实现农村固体废弃物的资源化是当前农村生态环境建设的重要内容。由于生活垃圾来源和成分复杂,目前主要的处理方式是“村收集”镇转运?以县(市)集中处理为主,大部分集中填埋或焚烧,少部分用农作物秸秆和畜禽粪便堆肥。如何减少高温堆肥过程中氮的损失是需要解决的关键技术。

农作物秸秆是农村的主要固体废弃物,目前其回收利用率还比较低。一些地区焚烧农作物秸秆造成了严重的生态和环境问题,尤其是在中国东部地区。目前农作物秸秆的处理主要是还田,包括部分或全部还田。随着农作物收获机械的改进,秸秆全量还田已成为主要的还田方式。此外,能源、建材、花盆等新型资源利用方式也已形成一定规模。

畜禽粪便是农业面源污染的主要来源,已成为经济发达地区或水环境敏感地区的优先污染源。在我国传统农业中,畜禽粪便是一种优质的农家肥,不仅能为作物生长提供养分,还能改善土壤的物理性状,是我国几千年来农业可持续发展的重要物质基础。畜禽粪便回收利用的主要途径是农业施肥,固体部分发酵生产优质有机肥,然后还田,实现资源化。目前,液体部分的主要处理方法有厌氧发酵生产沼气,或在污水处理工程中直接净化,或与秸秆、生活垃圾等农村固体废弃物联合发酵。其中,沼液的安全处置是目前急需解决的关键问题。

2.3 ?农药减量技术2.3.1?肥料减量技术

中国是世界上化肥施用量最大的国家,化肥的平均利用率只有30%左右。大部分养分随径流、渗漏、挥发而流失,不仅浪费资源,而且

加剧了水体的富营养化。因此,根据不同地区的实际情况研究减量施肥技术具有重要意义。目前,主要的化肥减量技术如下:

氮肥施用优化技术:在等量施氮的情况下,合理调整基肥追肥的分配比例,如太湖流域水稻土,在目前常规施肥量的基础上减少20%的基肥施用量,可有效协调当地的经济效益和环境效益[15]。乔等[16]的研究证实,在太湖地区水稻产区连续两年试验后,减少50%的施氮量(相对于常规施氮量)对水稻产量没有显著影响。何传龙等[17]巢湖地区根据菜地养分供应能力和白菜的营养特性,减少化肥施用量30%,氮、磷、钾肥利用率分别提高27.3%、23.4%和23.5%,氮、磷淋失量分别减少90.0%和78.4%。但这类研究一般仅限于短时间内,长期减量施肥对作物产量的影响有待进一步调查。

种植制度优化技术:如在稻麦轮作制中引入豆科绿肥,既可以减少旱季施氮量,又可以补充稻季氮素。太湖地区的大米?紫云英轮作试验结果表明,如果冬季小麦改为紫云英,稻季不施化学氮肥,水稻产量可达农民常规产量的95%左右。如果补充30%的农户氮肥,可以获得农户正常产量,或者可以小幅增产[16]。王静等[18]对滇池流域蔬菜产区的调查表明,合理的轮作方式可以减少菜地氮磷盈余。

缓控释肥等新型肥料技术:缓控释肥中养分的释放与作物的需求相对一致,养分的供应前期不太多,后期不缺乏,具有“削峰填谷”的效果,可以大大降低向环境排放的风险。田等[19]在太湖流域蔬菜地的试验结果表明,“低控释肥+低化肥”是蔬菜生产中经济效益和环境效益兼顾的施肥模式。但目前缓释肥的成本高于普通化肥,限制了它的广泛使用。

应用土壤改良剂控制氮磷流失:生物炭因其良好的吸附性能、低廉的成本和良好的生物亲和性而受到研究者的关注。丁等[21]农田表层20 cm土壤施用0.5%生物质炭,可减少NH4+-N流失15.2%。纪等[22]以滇池保护地农业土壤和坡耕地土壤为研究对象,采用外源土壤改良剂(硫酸亚铁、硫酸铝和聚丙烯酰胺)和土壤消毒剂(五氯硝基苯)研究土壤改良剂对土壤解吸滤液中TP和TDP浓度变化的影响。田间试验表明,施用改良剂后径流和雨水中的TP和TDP值明显降低,上述土壤改良剂的施用对减少P流失有明显效果。但其经济性和环境风险有待进一步研究。2.3.2 ?农药减量和残留控制技术

在减少化学农药的使用方面,目前主要的发展趋势是逐步从化学农药防治转向非化学防治技术或低污染化学防治技术。近年来,江苏省多个单位联合开展了水稻化学农药污染控制技术研究。针对水稻二化螟、灰飞虱、条纹叶枯病、纹枯病等主要病虫害,开发了一批无公害关键技术,水稻核心示范区农药用量降低30%。陆忠良等[23]筛选出高效低毒的三唑磷、丙溴磷、井冈霉素、噻嗪酮、毒死蜱,增产6.97%。在农药残留的生物降解方面,国内外做了大量的研究工作,包括细菌、真菌、放线菌等降解农药的微生物菌株相继被分离和鉴定,以降解有机磷、有机氯和三嗪类除草剂、氨基甲酸酯类、拟除虫菊酯类等农药。近年来,随着基因工程和分子生物学的发展,构建高效工程菌是当前研究的热点。将高效降解农药酶的基因构建在载体上,转化获得工程菌,以提高具有降解作用的特定蛋白质或酶的表达水平,从而提高降解活性。但目前的研究还存在一些不足,大多以实验室研究为主,降解机理不够深入,中间产物难以检测,技术分散,集成性低,匹配性差,展示性低,仍是我国集约化农田农药减量和残留控制需求中的突出问题。

2.4 ?污染物生态拦截技术

大多数农业非点源污染物随降雨径流进入水体。在农业非点源污染物进入水体之前,通过建立生物(生态)拦截系统,有效阻断N、P等污染物进入水环境,是控制农业非点源污染物的重要技术手段。国外主要是设置宽阔的生物隔离带,控制N、P的径流迁移,如加拿大的一块“草地”。树木过滤带系统可以显著降低径流中的污染物含量[25]。杨林章等人[26]根据太湖地区的实际情况提出了以工程部分和植物为主的生态截污沟系统。可以减缓流速,促进流水携带的颗粒物沉淀,有助于构建植物对沟壁、水体、沟底逃逸养分的立体吸收和拦截,从而实现对农田排放养分的控制。沟渠系统对农田径流中TN和TP的去除率分别达到48.1%和40.2%。但生态沟渠农田规划设计标准、两岸植物物种筛选及空间配置技术、水生经济植物物种筛选及空间配置技术、浮床植物肥料管理技术、浮床植物残体再利用技术、植物氮磷高效利用机制等方面的研究有待进一步拓展和深化。