（环境工程专业论文）重庆渝北区御临河流域农业面源污染研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 中文摘要 农业面源污染又称农业非点源污染， 响因子众多、分布范围广、潜伏周期长、 要污染源，是水质恶化的一大威胁。 具有形成过程机理模糊、随机性大、影 危害大等特点，目前成为影响水体的重 本论文以三峡库区重庆段的渝北区御临河流域为研究对象，从流域农业面源 污染的现状调查出发，采用灰色聚类方法评价御临河水质现状，认为农业面源污 染是影响御临河的水质重要污染源。采用美国农业局等单位开发的农业面源污染 模型a n a a g n p s 模拟了流域2 0 0 0 年因面源污染产生的泥沙沉积物，氮，磷等污染 物的污染负荷。验证了该模型在三峡库区山地区丘陵型流域应用的可行性，并得 到了2 0 0 0 年御临河流域农业面源氮、磷污染的负荷总量，和氮、磷污染物负荷 的时间分布和空间分布状况等。 最后，针对御临河流域农业面源污染的特点，本论文提出了污染防治的宏观 管理和工程实际两方面的措施。 关键字：御临河，农业面源污染， a n n a g n p s 模型，污染负荷 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t a g r i c u l t u r en o n p o i n t p o l l u t i o nh a st h ec h a r a c t e r so fp r o c e s sm e c h a n i s m i l l e g i b i l i t y , s t r o n gr a n d o mc i t y , v a r i o u si n f l u e n c i n gc a u s a t i o n , l a r g ed i s t r i b u t i o ne x t e n t i o n , l o n gd e l i t e s c e n c e h a r dh a r ma n ds o0 1 1 a n dn o w a d a y sb e c o m e sa ni m p o r t a n t p o l l u t i o ns o u r c et oi n f l u e n c ew a t e rq u a l i t y , a n dat h r e a tt ol e a dt od e t e r i o r a t ew a t e r q u a l i t y t h i sp a p e rc h o o s e sy u l i nd r m n a g ea r e ai ny u b dd i s h - a c to fc h o n g q i n gs u b s e c t i o n o ft h r e e g o r g er e s e r v o i l a sa l lo b j e c t ，s t u d i e st h ea c t u a l i t yo fa g r i c u l t u r en o n - p o i n t p o l l u t i o ni nt h i sa r e a , e v a l u a t e st h ew a t e rq u a l i t yo fy u l i nr i v e rb yi n t r o d u c i n gg r a y c l u s t e r i n gt e c h n i q u e ，a n dd r a w sac o n c l u s i o nt h a ta g r i c u l t u r en o n - p o i n tp o l l u t i o ni sa n i m p o r t a n tp o l l u t i o ns o u r c et oi n f l u e n c et h ew a t e rq u a l i t yo fy u l i nr i v e r f u r t h e r m o r e ， t h i sp a p e ri n t r o d u c ea g r i c u l t u r en o n - p o i n tp o l l u t i o nm o d e l ：a n n a g n p st os i m u l a t et h e l o a do fs e d i m e n t , n i t r o g e n , p h o s p h o r u se t ci n2 0 0 0 t h ef e a s i b i l i t yt ou s et h i sm o d e li n t h r e e g o r g er e s e r v o i r , t y p i c a lf o o t h i l l ，i sp r o v e d m o r e o v e r , t h et o t a ll o a d ，t i m e d i s t r i b u t i o na n ds p a c ed i s t r i b u t i o no fn i t r o g e n ，p h o s p h o r t l so fy u l i nr i v e ri n2 0 0 0h a v e b e e no b t a i n e d a tl a s t ，a i m i n ga tt h ef e a t u r eo fa g r i c u l t u r en o n - p o i n tp o l l u t i o n , s o m ep r o p o s a l si n m a c r o s c o p i c a l l ym a n a g e m e n to fp o l l u t i o np r e v e n t i n ga n di np r o j e c tp r a c t i c eh a v eb e e n p u tf o r w a r d k e yw o r d s ：y u l i nr i v e r , a 鲥c u l t u r en o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ，a n n a g n p sm o d e l ， p o l l u t i o nl o a d i n g i i 重庆大学硕士学位论文1 引言 1 引言 1 1 课题的研究意义 在综合整治水体污染的实践中，城市生活污水和工业废水逐步得到控制，农 业面源污染问题开始突出，人们逐渐认识和重视农业面源污染，意识到它是水质 恶化的重要因子，并逐渐的更正了“工业造成环境污染，而农业是环境污染的受 害者”的传统观点。由于农业活动的广泛性和普遍性，农业面源污染极易构成水 体环境的安全隐患，已成为目前水质恶化的一大威胁。 三峡库区2 0 0 9 年全部建成蓄水后，库区内干支流的水文特性将发生重大的改 变，河流变深，流速变缓，平流输送，横向扩散污染物的能力和水体复氧能力明 显下降，使水体自净能力减弱，水环境容量减少。水质在多种污染源尤其在农业 面源污染的作用下可能急剧恶化。近年河流监测表明，重庆市境内的部分次级河 流已出现较为严重的富营养化。三峡库区有流域面积大于1 0 0 平方公里的一级支 流4 0 多条，带进了农田流失的大量n 、p 营养物质。当水库蓄水后；河流输送n 、 p 物质的能力受阻。造成n 、p 的局部富集，给藻类的生长繁殖提供了营养条件。 此外，三峡水库地处我国亚热带季风区，常年水温较高。换水周期较长( 平均约 7 7 天，库叉死水区更长) ，如果出现日照增长，雾日减少，气温升高的气候环境， 将大大增加富营养化发生的可能性。因此对三峡库区的农业面源污染及其营养盐 负荷的研究十分必要。 重庆市渝北区御临河是三峡库区长江干流的一级支流，已被列为国家重点规 划的库区河流。它贯穿渝北区全境，幅员面积3 6 8 0 平方公里，占全区面积的4 2 4 ， 其流域范围涉及全区的1 4 个乡镇，是渝北区重要的农业经济带。目前，农业面源 污染已成为御临河流域重要的污染源，这不仅影响了渝北区的水质安全，也影响 了三峡库区的水环境质量。基于当前三峡库区农业面源污染的研究较少的事实， 以库区的御临河流域为典型研究对象进行农业面源污染研究，对三峡库区的农业 面源污染防治至关重要。 本研究以渝北区御临河流域为研究区域，辐射三峡库区，从流域农业面源污 染的现状调查出发，采用农业面源污染模型量化流域农业面源污染产生的n 、p 污 染负荷，进行农业面源污染的空间分布识别，并提出农业面源污染的控制措施。 通过此项研究，能基本了解御临河流域农业面源污染现状及其基本规律，为 政府的农业面源污染防治规划及宏观决策提供参考。这对渝北区的水质改善，御 临河流域污染物的削减有重要的作用。也对进一步研究三峡库区的农业面源污染， 水体富营养化问题及类似水体的污染控制有重要的参考和指导作用，对研究区域 重庆大学硕士学位论文 1 引言 和三峡库区都有重要的现实和理论意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外的研究现状 在国外发达国家，特别是美国，农业面源污染研究历史较长且受到广泛重视。 国外农业面源污染的研究以t 9 7 2 年美国制定的水污染控制法修正案为标志划 分为两个阶段。 1 9 7 2 年以前，人们已经意识到农业面源污染，并着手进行研究，其中尤其是 农药对水生生态环境的影响引起了人们的极大重视。但在此之间的农业面源污染 研究多局限于现象的因果分析，定量分析寥寥无几。除h y d r o c o m p 公司提出了农 药输移和径流模型( p t r ) 【l 】外，其余大都只是对污染的特征、影响因素、单场暴 雨和长期平均污染负荷输出等方面作了初步的认识研究。 2 】土壤侵蚀是非常重要的 一种农业面源污染，虽然在此期间对土壤流失的研究已经非常深入，定量化计算 已相当成熟，但当时的研究角度不是农业面源污染，当然这方面的研究成果为今 后的研究打下了坚实的基础。 1 9 7 2 年以后，随着美国水污染控制法修正案的制定，农业面源污染的研 究有了重大的转折和深入发展。7 0 年代中后期，美国在全国范围内大规模面源污 染调查的基础上，对农业面源污染的主控因子和危险区域识别进行了研究。提出 了一些农业面源污染的迁移和转换模型，如农业化学品运输模型( a c t m o ) 等。这 期间，土壤侵蚀研究的成果通用土壤流失方程( u s l e ) 被引入面源污染研究 领域，广泛应用于污染负荷的定量化计算。 8 0 年代，农业面源污染研究更加深入，研究方向向实用方向发展，重点放在 如何把已有的模型广泛应用于污染的控制和管理上。这一时期提出了很多模型， 如农业管理系统中的化学污染物径流负荷和流失模型( c h e m i c a lr u n o f fa n d e r o s i o nf r o ma g r i c u l t u r a l d a n a g e m e n ts y s t e m s ：c r e a m s ) 3 1 ，农田系统地下水 污染负荷效应模拟模型( g r o u n d w a t e rl o a d i n g s e f f e c t so fa g r i c u l t u r a l m a n a g e m e n ts y s t e m s ) f 4 ，流域非点源污染模拟模型( a n s w e r s ) 5 1 ，农业非点源污 染模型( h g r i c u l t u r a ln o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nm o d e l ：a g n p s ) 1 6 7 1 ，农田 尺度的水侵蚀预测预报模型( w e p p ) s 】等。这些模型广泛应用于农业面源污染负荷 的定量计算，污染控制措施效果评价及制定污染的管理政策措施上。此外，随着 计算机的发展，地理信息技术( g i s ) 、遥感技术( r s ) 、全球定位技术( g p s ) 在农业 面源污染研究中得到了初步的应用1 3 。 9 0 年代，3 s 技术在农业面源污染研究中的应用得到进一步的加强，航空摄影 和g i s 技术与农业面源污染的模型进行了集成，在农业面源污染演化的动态追踪， 2 重庆大学硕士学位论文 1 引言 突发事件的监控，污染危险区域的识别及地表水监测网的设计上得到广泛的应用。 【1 4 】通过地理信息软件，进行农业面源污染的空间分析，能更精确的描述农业面源 污染的空间变化。3 s 技术可以为农业面源污染的研究提供准确、可靠和丰富的背 景资料，提高了研究工作的效率和精度，并能动态的更新数据。因此3 s 技术在农 业面源污染研究中的深入应用，与农业面源污染模型的高效无缝系统的集成，不 仅是9 0 年代农业面源污染研究的特色，也是今后研究的一个发展方向。 1 2 2 国内的研究现状 我国的农业面源污染研究始于8 0 年代的湖泊、水库富营养化调查和河流水质 规划研究。先后在天津于桥、滇池、太湖、鄱阳湖、巢湖、镜泊湖、西湖、三峡 库区等湖泊，以及沱江内江段、晋江流域、北江浈水流域、淮河淮南段、黄河兰 州段、渭河宝鸡段、辽河铁岭段进行了探索性的研究，积累了有益的经验。【1 0 在农业面源污染模型方面，我国也有了一定的发展。但在8 0 年代，主要是 些经验统计模型的研究和应用，如陈西平等人根据径流小区试验发现降雨量与污 染物输出量有较好的相关性，并研究了涪陵地区五种污染物的各次降雨冲刷预测 方程1 4 j 。之后，我国的农业面源污染模型研究也有一定的深入发展，如徐向阳等定 量分析了农田降水、产流、下渗、排水、蒸散发、灌溉之间的关系，建立了一个 模拟农业排水和产沙的氨氮流失数学模型。 1 u 李怀恩研究了面源污染的“宏观” 模型，以面源污染物的迁移转化机理为基础，从宏观角度和较大尺寸上来直接研 究野外实际流域的非点源污染的发生过程与特点，建立次暴雨非点源污染负荷的 数学模型，该模型包括了降雨径流模型和污染物的产生与迁移模型。【l2 】此外，还 有王听皓等人提出了非点源污染负荷计算的单元坡面模型法。【1 3 】 虽然我国的农业面源污染模型有了一定的发展，但与国外发达国家相比，却 有较大的差距。当前，我国对农业面源污染的模拟研究以引进国外成熟且广泛应 用的模型为主。早在8 0 年代，我国就引入了通用土壤流失方程( u s l e ) ，此外， 对一些农业面源污染的综合模型，如d r a s t i c 、c r e a i l s 、a g n p s 、a n s w e r s 等也有 一些应用。如，董亮将d r a s t i c 模型与b l a c k l a n dg r a s sg i s 结合，对西湖流域 浅层地下水硝酸盐污染风险做了评价。【lo j 张健采用c r e a m s 应用于黄土坡面径流量 及侵蚀量计算。【l4 】陈一兵等利用a n s w e r s 模型对四川紫色丘陵区的小流域实施了 模拟，并结合a r c i n f og i s 模拟了小雨、中雨和大雨情况下的土壤流失过程。【1 5 】 1 3 研究方法 当前，农业面源污染的研究方法主要有两类：实验方法和模型模拟法。前者 由于劳动强度大、效率低、周期长、费用高，在多数情况下只是作为一种辅助手 段，用于各类模型的验证和参数的校准。而当前用于农业面源污染研究的模型有： 3 重庆大学硕士学位论文 1 引言 a g n p s ( a g n c u l t u r en o n p o i n t s o u r c ep o l l u f i o i lm o d e l ，其最新版本称为 a n n a g n p s ) 模型，c r e a m s ( c h e m i c a l s ，r u n o 正a n df r o m a g r i c u l t u r em a n a g e m e n t s y s t e m s ) 模型，a r m ( a g r i c u l t u r er u n o f rm a n a g e m e n tm o d e l ) 等。其中，a g n p $ 模型使用尤为广泛，相比较而言，其模拟值与实测值有较好的拟和f 5 7 oa g n p s 最新 升级版本a n n a g n p s 是一个连续模拟模型，而且可按汇水区域进行不规则网格划分。 本论文采用现场调查、现场采样和实验室分析方法进行流域农业面源污染的 现状研究；采用g i s 技术对御临河流域地理要素进行分析，并提取地形参数。采 用美国农业研究局( a r s ) 与明尼苏达污染控制局和自然资源保护局( n r c s ) 共 同开发的农业面源污染模型( a n n a g n p s ) 研究流域的农业面源污染负荷，并标识 农业面源污染负荷的空问分布和时间分布。 本研究的技术路线如图1 1 所示： 前期资料收集及相关准备 i i流域面源污染现状调查 l 面源污染现状评价分析 i 农业面源污染负荷量化 l i 农业面源污染控制措施及对策 i f 面源污染防治及预警信息系统 图1 i ：论文研究技术路线 f i 9 1 1 ：t e c h n i c a lp r o c e s so f t h ep a p e r 4 重庆大学硕士学位论文 2 农业面源污染概述 2 农业匾源污染概述 2 1 面源污染问题的提出 在水域污染治理的过程中，人们曾经普遍的认为工业等点源污染是造成水环 境污染的主要原因，以为只要做好点源污染的治理，就能够消除水环境污染。但 自1 9 世纪6 0 年代以来，美国为使工业等点源污染的废水排放达到零排放的标准， 不惜投资6 千亿美元，大规模兴建污水处理厂，结果却仍然不能使水污染得以消 除，从而使人们意识到了面源污染是水质恶化的重要因子，并逐渐的更正了“工 业造成环境污染，而农业是环境污染的受害者”的传统观点。面源污染问题由此 被提出，并越来越受到重视。 面源污染根据污染物的来源不同可分为农业面源污染、农村牲畜粪便污染、 林区径流污染、城市径流污染等多种形式。在这些农业面源污染形式中，农业面 源污染是最受瞩目的面源污染，它作为面源污染最主要的形式已成为一种不可否 认的事实。这是因为农业活动具有广泛性和普遍性，它造成的生态冲击是全方位 的，涉及了以人为中心的整个食物链。 2 2 农业面源污染的定义及特征 农业面源污染又称农业菲点源污染，是指在农业生产活动中，氮、磷等营养 质，农药、重金属等有机和无机污染物，土壤颗粒等沉积物，通过地表径流和地 下渗漏，造成环境尤其是水域环境的污染。【l6 l 农业面源污染根据其来源可分为农 业农药化肥污染，农田农膜污染，农作物秸秆污染，农村散养牲畜粪便污染等。 农业面源污染起源于分散，多样性的地区，受自然条件的突发性，偶然性和 随机性的影响，并受到人们主观因素的制约，其成因及影响因素复杂，地理边界 和发生位置难以识别和确定。为此，农业面源污染主要具有以下三个特点： 排放污染物不确定； 污染物排放的途径不确定： 污染物负荷产生的时空差异性大。 从对流域的污染上看，农业面源污染具有以下几个特点： 暴雨初期冲刷作用明显：表现在两方面，一是汛前第一场暴雨的冲刷量大。 由于汛前降雨量小，冲刷能力低，流域地表积累了大量可供淋溶的非点源污染物， 特别是非溶解性污染物。因此，每年汛前或汛期第一场暴雨的污染负荷量将明显 大于后期暴雨的冲刷量。二是次暴雨径流过程中，非溶解性污染物( 如泥沙及其 携带的n 、p 和重金属等) 的初期负荷量占次暴雨中负荷量的很大比例。这主要是 5 重庆大学硕士学位论文 2 农业面源污染概述 由于这些污染物的浓度峰超前于流量峰，然后又迅速衰减所引起的。 所产生的污染时间变化幅度大，由于农业面源污染与农药化肥的施用及暴 雨径流过程密切相关，而农药化肥的使用季节性明显，暴雨径流的年际变化剧烈， 因此农业面源污染具有很大的时间变化性。 农业面源污染的空间分布于土地利用类型密切相关。 2 3 农业发展历程及现代农业产生的环境问题 2 3 。1 农业发展的历史进程 农业是人类的衣食之源，生存之本，是文明孕育和发展的基础。它的出现使 人类能得以稳定繁衍和发展。纵观农业一万多年的发展历史，它经历了原始农业、 传统农业和现代农业三个阶段，目前又出现了生态农业，它们是依次演进的。其 中，生态农业代表了今后农业的发展方向。 原始农业是直接从采集业演化发展而来的。起先，人们把采集来的赖以为生 的野生植物果实用掘杖或石锄播种在先用火烧掉树木荆棘的土地上，到成熟后再 来收获，之后，逐步发展形成了原始农业。原始农业中主要使用木石农具、砍伐 农具，刀耕火种，撂荒耕作制，是其生产工具和生产技术的主要特点。它基本上 与考古学上的新石器时代相始终。原始农业的出现是一场产业革命，使人类有了 比较稳定的食物来源，从而有了相对固定的居住地点原始村落。原始农业后 期被称为“掠夺式”的农业，这是从环境的角度来看的，在原始农业的初期，聚 落的人口少，刀耕火种所清除的林地，经过一定年份的休息，植被可以恢复正常， 并不构成对森林资源的破坏。但在原始农业后期，当人口的增长超越了森林资源 所能恢复的临界点，森林破坏无法恢复，就导致了水土流失、生态破坏等等环境 问题，使人类赖以生存的自然环境不断恶化，不可逆转。因此后期的原始农业被 称为“掠夺式”的农业，掠夺的是自然资源。 传统农业是从原始农业发展而来的，它以使用畜力牵引或人力操作的金属工 具为标志，生产技术建立在直观经验的基础上，以铁犁牛耕为其典型形态。传统 农业依靠的全是太阳能，没有外源能量的投入。人们充分利用了丢弃的有机质废 物，返回农田。因此，从此意义上讲，传统农业可称为“循环式”农业，它能循 环利用资源。传统农业的发展要求劳力的大量投入，与人力的投入呈正比。因此， 人口的增长得到鼓励，人口增长在促进生产的同时，促进了经济文化的繁荣；但 人口压力则加强了粮食等物资的消耗，产生负面的后果。于是陷入了“粮紧一增 人一粮丰一人增一粮紧一增人”的怪圈。人口压力的不断加重，人均用地下 降，传统农业难免被追走上围湖造田，开发山区，从而超越了环境负载力，重陷 原始农业后期森林破坏、生态破坏、水土流失的覆辙。 6 重庆大学硕士学位论文 2 农业面源污染概述 现代农业被称为“投入式”农业，又称“石油农业”，是指农业对能源的利用 和消耗来讲的，它依靠外源能量( 石油等) 的投入，取代人力和畜力，其实质是 用高能量来换取高产量。现代农业应用近代自然科学的成果取得重大的成就，高 能量的投入，尤其是农药、化肥、农用机械的大量投入，刺激了农业的迅猛发展， 取得了一定的积极效果，使农业的劳动生产率、土地生产率和农产品的商品率大 大提高。但是，这种以工业化的模式改造的农业，偏重于以石油这个非再生能源 为标志的外源能的投入，在一定程度上违反了作为自然再生产和经济再生产相结 合的农业的本性，因而不可避免地造成环境污染、水土流失、病虫害持抗性增加、 品种资源单一化等一系列问题。尤其严重的是能量的“投入一产出比”随着投入 的增加反而下降，预示着依赖外源能将接近发展的临界点。 生态农业是在人类社会经历了原始农业、传统农业和现代农业之后一个新起 的农业发展盼段，是在人类社会发展连续产生能源危机、物价上涨、环境污染、 生态平衡破坏和失业人口增加的宏观背景情况下，总结农业发展各阶段的正反两 方面的经验而提出的。所谓生态农业，就是根据生态学和生态经济学的原理，应 用现代科学技术方法建立和发展起来的一种多层次、多结构、多功能的集约经营 管理的综合农业生产体系。它以开发利用和保护农业自然资源，减少对生态环境 的污染为目标，建立和管理一个生态上自我维持的低输入、经济上可行的农业生 产系统，该系统能在长时间内不对周围环境造成明显的改变的情况下具有最大的 生产力。生态农业不仅可以避免石油农业所带来的一切弊病，而且可以有效的发 展农业生产，充分、合理的利用自然资源，提高农业生产力，使农、林、牧、副、 渔得到全面的发展。走生态农业之路是当今世界农业发展的总趋势，人们普遍认 为，世界农业的发展己进入了一个新的历史阶段，即生态农业阶段。 2 3 2 现代农业产生的环境问题 虽然现代农业给人类带来了丰富的粮食等农产品，改善了人类的物质生活， 为人类的发展做出了重大的贡献。但由于现代农业需要高能量的投人，它的发展 也带来了一系列的严重后果，其中尤其是环境破坏的后果尤为严重。 ( 1 ) 加剧了能源危机。化肥、农药是以石油为原料生产的，他们的大量使用， 必然加大对石油能源的需求，加之农业耕作、灌溉、加工及运输过程都需要石油， 因而严重地加剧了能源危机。例如目前在美国，玉米的生产每公顷需要消耗石油 7 6 0 l ；每生产4 2 k j 能量的水果和蔬菜需投入8 4 k j 的石油能源；每生产4 ，2 的 动物蛋白质需投入8 4 3 3 6 j 的石油能源。因此，绝大多数国家都不可能按照石油 农业的方式去生产。 ( 2 ) 加剧了对自然生态的破坏。大量采用机械操作，加大了土地地表的扰动， 加上忽视了有机肥料及覆盖物的作用，从而加剧了水土流失，植被破坏等，造成 7 重庆大学硕士学位论文 2 农业面源污染概述 了严重的风蚀和水蚀。美国从3 0 年代开始使用机械化取代畜力耕种，中西部地区 的农民无计划地将大量草原垦为农田，造成土地裸露，风蚀加剧，地貌、土壤严 重恶化，大自然的惩罚也接踵而至。1 9 3 4 年5 月1 1 日，在伊利诺斯、马里兰、北 卡罗来纳等州刮起了巨大的黑风暴。据测定，大气的含尘量每平公里达4 0 t 。事后 调查表明，这场风暴从土地破坏的西部干旱地区刮起，狂风连刮3 天，越过美国 3 5 的国土，毁掉耕地3 0 0 万h m 2 ( 公顷) 。 ( 3 ) 造成了严重的环境污染，农业耕作中化学物质的大量投入及化学物质的 不合理施用，不科学的农业耕作措旌，不合理的网箱养殖，乱砍滥伐林草植被， 过度垦殖放牧以及农业耕作产生的残留物，牲畜粪便等对农田水质、耕地造成极 大的污染，农业面源污染负荷日趋加大，已成为目前水质恶化的一大威胁。 现代常规农业所出现的许多弊病是与大量使用化肥和化学农药相联系的。化 肥和农药的使用是造成现代农业面源污染的主要原因。 目前，农业面源污染作为面源污染的最主要形式已成为一种不可否认的事实。 1 9 9 0 年，u s e p a 在所有调查的河流和湖泊中，证实农业面源污染对其中5 5 的河流 和5 8 的湖泊造成了水质损害。m ) 1 9 9 7 年，u s e p a 在提交国会的报告中指出，大量 的农田养分流失是造成内陆湖泊富营养化的主要原因，全国6 4 的河流和5 7 的湖 泊受到农田径流的污染。 1 8 1 1 9 9 8 年，美国受污染的河流中，有5 9 是主要由农业 面源污染所引起的。u 圳在欧洲的许多流域内，农业氮磷所占的污染负荷比约为 2 4 - 7 1 。 我国的农业面源污染也已十分严重，我国东部湖泊的污染负荷输入量中，农 业面源污染负荷入湖量已超过5 0 。 2 0 l 太湖流域的污染中，农田排放的废水达1 2 8 1 0 9 t a ，占总废水量的3 2 。】巢湖流域因肥料和施肥方法不当造成化肥大量流 失，已成为巢湖水质富营养化的重要原因。 2 2 1 大理洱海流域的面源污染氮磷分别 占流域污染负荷的9 7 1 和9 2 5 ，其中，农田过量施用化肥是造成农业面源污染 的主要原因。1 2 w 2 4 农业面源污染的污染物及其危害 现代农业最明显的标识是物质和能量的大量投入，这种人为活动破坏了自然 的平衡，不可避免的引发环境污染问题。农业生产活动中产生的主要污染物有植 物养分、泥沙沉积物、动物排泄物、农药、盐类、重金属、病原菌等。此外，农 业生产活动还通过豢养的牲畜和所使用的机械设备对周围环境产生侵扰，直接的 影响生物栖息地。 2 4 1 植物养分污染物 植物养分是农业生产的基础，所有植物生长都需要养分，养分平衡与否直接 8 重庆大学硕士学位论文2 农业面源污染概述 关系到农业的可持续发展和粮食作物产量的稳定提高。植物养分的来源主要有商 品化肥、农家肥、作物残积物、土壤贮留等。其中，商品化肥的使用大大改变了 植物养分的供求关系。现代化肥工业的发展满足了农业对养分的需求，为了提高 农业生产的产量，人们普遍重视肥料养分的投入，但同时往往忽视土壤养分资源 的变化，或对其缺乏系统和充分的认识，导致化肥的大量投入及不合理的施用。 这不仅浪费了资源，而且引起严重的环境污染。氮和磷是两种主要的植物养分， 也是人们主要投入的营养元素，它们的施用与水环境质量的改变密切相关。 ( 1 ) 氮元素 农业生态系统中的氮素是以氨态氮( n h 4 + 和n i t 。) 、亚硝酸态氮( n 0 2 ) 、硝酸态 氮( n 吁) 、气态氮( n 。、n ：o ) 以及有机态氮等形式存在。各种形态的氮索通过一 系列复杂的生物化学反应在植物、大气、土壤、水环境中循环，其示意图如图2 1 所示。 降水降水 平每甲e 匝习f 哩舻嘲 凶琴藤夕、j 一 在还原带中进行的反硝化 图2 1 ：氨素在农业生态环境中的循环转化 f i 9 2 1 ：n i t r o n g c n c i r c u l a t i o n i n a g r i c u l t u r ee n v i m n r n e n t 氨素可通过降水、灌溉水、施用化肥、以及农作物残渣分解等进入农业生态 系统。目前，由于农业生产中氮肥施用量剧增，导致氮素污染急剧增加。据报道， 在土壤一作物系统中，氮素的作物利用率仅为2 0 札3 5 ，有5 r - 1 0 挥发到大气中， 9 重庆大学硕士学位论文 2 农业面源污染概述 随降水径流和渗漏排除农田的氮素中有2 0 - 2 5 是当季施用的氮素化肥。j 进入农业生态系统的各种氮素对湖泊、水库、河口、海岸的富营养化有很大 的作用。一般情况下，氮素在水环境中的背景值低于0 3 m g l ，但氮素以较高的速 率流失到水环境中时，水生生物尤其是藻类将异常增值，使水的透明度下降，下 层水溶解氧降低并导致缺氧，使水质恶化，以至湖泊水库的水资源无法利用。 除了引发水体富营养化外，随着氮素化肥旄用的增加，各种形态的氮素在水 体中的浓度逐渐累积，从而导致了其他许多的水环境问题。溶解的氨在水中的浓 度超过0 2 m g l 就会对鱼( 尤其是鳟鱼) 产生毒害作用。硝酸态氮一般不具有毒 性，但它被人体吸收，易在消化道中被还原成亚硝酸态氮，亚硝酸态氮会减弱血 液的输氧能力，引起人体的高铁血红蛋白症，特别是四个月以内的婴儿反映最敏 感，国外称为“蓝婴症”。此外，亚硝酸态氮还具有明显的致癌、致突变、致畸的 性质。国外对硝酸盐的污染地污染制定了严格的标准，世界卫生组织及美国环保 局制定的饮用水中硝酸盐含量标准为n 0 3 4 5 m g l ，n 0 3 _ _ n 为t o m g l 。1 2 2 1 1 2 3 1 ( 2 ) 磷元素 磷也是植物生长必需的营养元素，它在土壤中的形态有溶解态、胶状态及颗 粒态。相对于氮素的循环而言，磷素的循环较为简单，不用考虑大气环境，其示 意图如图2 2 所示： 图2 2 ：磷素循环示意图 f i 醇2 ：s k e t c hm a po f n i t r o g e nc i r c u l a t i o n 在自然条件下，磷素含量是相当低的，重量比约为0 0 1 0 2 ，在水环境中的 背景值一般低于0 o l m g l 。但随着化肥的大量使用，土壤中磷的含量水平已大大 的提高。长期的土壤定位实验表明，相对于作物生长的要求，在世界的很多地方， 1 0 重庆大学硕士学位论文 2 农业面源污染概述 土壤中的磷素已大大的过量了。 2 4 1 过量的磷素通过各种途径( 见图2 3 ) 流失进入 水环境中，造成水质的恶化。 图2 3 ：土壤磷素流失途径的概念不意图 f i 醇3 ：n a t i o n a lm a po f p h o s p h o r u sd e c r e a s i n gp r o c e s s 磷素的主要污染作用是造成水体的富营养化。研究表明，水环境中含量最少， 最缺乏的那种营养元素的浓度，是浮游植物过渡繁殖的限制性参数。在水体中水 生植物生长需要的营养元素氮和磷的比例是一定的，一般认为磷酸盐硝酸盐= l ： 8 。在淡水湖泊、水库中，磷酸盐是限定因素；在河口水环境中，氮磷两者都是限 制性因素；在海水中因磷酸盐含量较多，氮往往成为限制性营养物。【2 5 - - 般认为， 当湖泊水库中总磷浓度高于0 0 2 r o g l ，总氮浓度达0 2 0 5 m g l ，即被视为“寓 营养化”水体。“富营养化”使水体出现“水华”现象，即生物群落中一种或某几 种藻类转变为优势种的结果。形成“水华”的藻类能分泌对水生物及人类有害的 毒物，并使水体碱化。因此，水华的出现，必然造成许多水生生物的死亡，并影 响水体的使用功能。 2 4 2 农药污染 农药是一类特殊的化学品，它既能防治农林病虫害，也会对人畜产生危害。 因此。农药的使用，方面造福于人类，另一方面也给人类赖以生存的环境带来 危害，据报道，农药利用率一般为1 0 ，约9 0 的残留在环境中，造成对环境的污 染。大量散失的农药，挥发到空气中，流入水体中，沉降聚集在土壤中，污染农 畜渔果产品，并通过食物链的富集作用转移到人体，对人体产生危害。使用农药 产生的环境问题有： ( 1 ) 污染水体：喷施农药时，部分农药直接进入农田水体，附在农作物上的农 药也因风吹雨淋落入土中，散发到大气中的农药又随着雨雪降进入水体中，污染 了农田周围的水体。田地中的农药被灌溉水、雨水冲刷到江河湖海中，从而造成 大范围的水体农药污染。此外，农业活动中经常有在河边、池塘洗刷盛放农药的 重庆大学硕士学位论文2 农业面源污染概述 容器和旌药工具等行为都会造成水体污染。 ( 2 ) 污染土壤：田间施药时，大部分农药落入土中，土壤杀菌剂和地下害虫防 治剂直接施入土壤，进入水体的农药也由于土壤的吸附作用进入土壤，残留在农 作物上的农药，除了残留于收获物中的农药外，也随着农作物的腐烂而进入土壤 中，这样农药就经过各种途径污染土壤。被农药长期污染的土壤将会出现明显的 酸化，土壤养分( p 2 0 j 、全n 、全k ) 随污染程度的加重而减少，土壤孔隙度变小等， 从而造成土壤结构板结。 ( 3 ) 污染作物：连续大量施用化学农药造成粮、油产品的直接污染，增加了农 副产品中农药的残留量。残存于土壤中的农药对生长的作物有不利的影响，尤其 是除草剂，由于使用不合理或用除草剂含量过离的废水进行农田灌溉造成的土壤 污染往往对作物造成严重的危害。此外，对某种或某一类农药具有较强抗性的作 物，对于污染土壤中的农药不表现出受害症状，但在农产品中却积累了大量的农 药，对农产品造成更大的污染。 ( 4 ) 毒害生物：残存于土壤中的农药对土壤中的微生物，原生动物以及其他的 节肢动物如步甲、虎甲、蚂蚁、蜘蛛，环节动物如蚯蚓，软体动物如蛞蝓以及线 形动物如线虫等产生不同程度的危害。据研究表明，乐果施用l o 天后能显著降低 土壤微生物的呼吸作用，有机磷农药污染的土壤中，土壤动物的种类及数量都显 著的减少。 进入水体的农药被水中的藻类、小草、浮游生物吸收，浓集在体内，通过食 物链的富集和放大作用，给高等动物造成严重的危害，如农药进入水体将影响鱼 卵胚胎发育，使孵化后的鱼苗生长缓慢或死亡，在成鱼体内积累，使之不能食用 和导致繁殖衰退，使渔业生产受到严重威胁。 长期使用杀虫剂或除草剂的农田，各类昆虫及土壤表层的微生物，特别是栖 息在特殊落叶、落枝上的昆虫及微生物几乎完全被消灭，要恢复到从前的状态也 需要较长的时间。由于很多植物繁殖时需要昆虫传花授粉，因此，昆虫减少又危 及到植物的繁殖。 ( 5 ) 破坏生态：在农作物发生病虫害期间，因施用农药不当，不仅杀死了害 虫，也杀死了害虫的天敌，甚至对益鸟禽兽也不同程度的杀伤。因而破坏了农田 的生态平衡。为消灭害虫喷洒杀虫剂时，一些有益的昆虫害虫的天敌，会因 遭受农药毒害而大量死亡。由于天敌数量减少，害虫反而更加猖獗，从而破坏了 自然界天敌和害虫之间的生态平衡。大量使用农药，在杀死害虫的同时，也会杀 死其它食害虫的益鸟、益兽，使食害虫的益鸟、益兽大大减少，从而破坏了生态 平衡。加之经常使用农药，侵害虫产生了抗药性，导致用药次数和用药量的增加， 加大了对环境的污染和对生态的破坏，由此形成滥用农药一破坏生态的恶性循环。 重庆大学硕士学位论文 2 农业面源污染概述 ( 6 ) 危害人体健康；农药喷施时散发到空气中的农药会通过呼吸道及皮肤进入 人体，残留于土壤、水体、农作物中的农药，都会通过食物链污染畜禽及其产品， 人类吃了这些被污染的畜禽及其产品后，残留的农药又转移到人体内。农药进入 人体的示意图见图2 4 。这些残留农药在人体内不易分解，会长期累积，对人的神 经系统和肝、肺、肾等脏器造成危害，使免疫力下降，有的农药甚至有致癌和致 畸作用。农药造成的环境污染还影响人的生殖能力，人类很大一部分生殖问题是 由化学污染物引起的。 图2 4 农药进入人体的示意图 f i 9 2 4 ：t h ep r o c e s so f p e s t i c i d ee n t e r i n gh u m a nf l e s h 2 4 3 泥沙沉积污染物 泥沙沉积污染物指固态的，以悬浮状态存在或通过风力、水流、重力及冰等 传输的矿物及有机物。它是侵蚀的结果，与农业产生沉积物有关的侵蚀类型有雨 水面蚀( s h e e te r o s i o n ) 、细沟侵蚀( r i 儿e r o s i o n ) 、冲沟侵蚀( g u l l ye r o s i o n ) 、 风蚀、溪流岸堤侵蚀等。土壤侵蚀实质是土壤颗粒在暴雨冲刷、降雨径流及风力 等作用下被分离及传输。土壤流失携带走了大量的植物养分，使土壤肥力下降、 生产能力减弱。土壤风蚀会产生沙尘暴，污染空气，严重时还会毁坏农田，埋葬 建筑物等。 土壤流失产生的沉积污染物能在很多方面影响水体的使用。首先，沉积污染 物悬浮在水体中，严重影响了鱼类的呼吸器官鳃的功能，加上悬浮物阻碍了 阳光透过率，影响了水生植物的光合作用，继而影响了浮游动物的食物来源，造 成水产养殖减产。其次，沉积污染物中含有大量的化学物质，如氮、磷、农药等， 这些物质在水化学环境发生变化时，易于从沉积物当中释放出来，增加水环境的 氮、磷等化学物质的含量，诱发水环境的富营养化。此外，沉积污染物阻塞河道， 减少了湖泊、水库的容量，容易诱发洪涝灾害，并增加人们疏浚河道、水库、湖 泊的劳动强度。 1 3 重庆大学硕士学位论文2 农业面源污染概述 2 4 4 动物废弃物 动物废弃物主要是指牲畜粪便，牲畜粪便中含有大量的氮、磷、有机物等营 养物质。它既是一种宝贵的资源，又是一个严重的污染源，如不妥善处理即排入 环境，将会对地表水、地下水、土壤和空气造成严重的污染，并危及牲畜本身和 人体健康。一些畜牧场的粪便没有出路，长期堆放，任其日晒雨淋，致使空气恶 臭，蚊蝇滋生，污染周围水环境。在畜牧业生产中，清洗、消毒等所产生的污水 数量大大超过牲畜粪便的排放量，这些污水中含有大量的有机质和消毒剂的化学 成分，且可能含有病原微生物和寄生虫卵等。牲畜粪尿随冲洗水排出场外，若未 经处理直接流入河流、湖泊、水塘，由于细菌的作用，大量消耗水中的氧气，使 水体由好氧分解变为厌氧分解，水质变臭，并导致水体富营养化，不仅影响场区 的周边地表水环境，而且更威胁到地下水，严重危害了人体健康。 1 4 重庆大学硕士学位论文 3 渝北区御临河流域概况 3 渝北区御临河流域概况 3 1 渝北区概况 重庆市渝北区是1 9 9 4 年1 2 月1 7 日经国务院批准，在撤销原江北县建制基础 上设立的新区。位于重庆市主城区东北部( 见图3 1 ) ，长江北岸与嘉陵江东岸的三 角地带，地处东经1 0 6 。2 7 3 0 1 0 6 0 5 7 5 8 ”，北纬2 9 。3 4 4 5 - 3 0 0 0 7 2 2 ，之间，除北部 与四川省邻水县、华蓥市接壤外，其东、南、西三面均与重庆市辖区县毗邻，属 重庆近郊区，部分区域在重庆主城区范围。幅员面积1 4 5 2 平方公里，耕地面积6 0 图3 1 ：御临河流域地理位置圈 f i 9 3 1 ：t h el o c a t i o no f y u l i nr i v e r 1 5 重庆大学硕士学位论文3 渝北区御临河流域概况 万亩，林地面积2 5 万亩。辖有2 7 个镇、4 个乡、5 个街道办事处，6 2 2 个行政村， 7 1 个居民委员会，4 9 3 8 个村民小组，3 7 2 个居民小组，总人口8 0 2 6 万人，其中 农业人口6 1 9 3 万人，非农业人口1 8 3 3 万人。 渝北区地形复杂，地貌类型多样。形成北斜条状山与向斜丘陵相间组成的典型 隔挡形地貌。区境主要有3 条背斜，西部以龙王洞背斜为主，属华蓥山帚状褶皱 束；东部为铜锣峡背斜和明月峡背斜，属宣汉重庆平行褶皱束。受地形的决定， 区内西部有后河流入嘉陵江，嘉陵江沿西南边境经过。中、东部有寸滩河、朝阳 河、长堰溪、温塘河、西河、东河、御临河和长江，长江沿区境东南向东流去。 区内土壤类型多样，有水稻土、紫色土、黄壤、潮土，计有四个土类，十二二 个亚类，三十二个土类，六十七个土种，二百余个变种。其中，肥沃的水稻土和 紫色土比重大。土壤理化性状良好，肥力水平高。土壤质地以壤土为主，中性居 多，强酸性土壤少。土壤保肥、供肥能力高，养分有效性较高，养分三要素中成 明显的富钾、中氮、低磷状态。 本区气候属亚热带温润气候区，大陆性季风气候显著。气候条件优越，四季 分明，东无严寒，夏多炎热，雨量充沛，霜雪稀少，无霜期长，水利资源丰富。 具有冬暖、春旱、初夏多雨、盛夏多伏早、秋短多阴雨，雨热同季，无霜期长， 湿度大、风力小、云雾多、日照少的特点。 渝北区良好的气候条件，多种肥沃的土壤类型，使之具备了丰富的生物资源， 物产丰富。现有野生动物8 7 种，其中哺乳动物1 9 种，鳞介类2 1 种，野禽类4 0 种，爬虫类7 种。野生植