化肥污染控制

1、国内外化肥污染现状及发展趋势化肥是农业持续发展的物质保证，是粮食增产的基础。世界农业发展的历史 实践证明，不论是发达国家还是发展中国家，施肥（尤其是化肥）都是最快、最有 效、最重要的增产措施。据联合国粮农组织统计，19611999年世界氮肥用量（以 纯氮计）从11.6X106吨增加到85.5X106吨，提高了 7.4倍。而我国在同期内氮肥 用量增加了 43.8倍。我国稻田单季氮肥用量平均为180kg/hm2,比世界平均用量 高75%左右，同期粮食总产从8.77亿吨增加到21.06亿吨，单位面积产量从1.35 吨/公顷增加到3.11吨/公顷（金继运等，2006）。美国科学家Hoeft认为，如果立

2、 即停止使用氮肥，全世界农作物将会减产40%50% （林葆，2003）化肥作为一种重要的现代化学投入要素，对我国的农业生产起了很大的作 用。我国农业要不断发展才能满足人口逐年增加和国民经济持续发展的需要，农 业的发展离不开化肥的供给，农业要增产就要增施化肥。伍宏业等认为：施肥使 我国粮食作物单产增加了 50%左右。改革开放以来，随着农业生产的发展，我国的化肥工业也不断发展。目前， 中国不仅已经成为世界上最大的化肥生产国，也是世界上最大的化肥消费国。从 化肥施用强度来看，中国处于世界第四位，远高于世界平均水平，我国的化肥施 用强度已达到世界平均水平的1.6倍以上（江苏省农科院科技情报所等，200

3、5）。 化肥的过量施用或不合理施用会增加土壤重金属与有毒元素，导致作物价养失调 与NO3-积累和土壤结构破坏，促使土壤酸化以及降低微生物活性等，从而造成 日趋严重的面源污染，在全球范围内都带来严重的环境问题。据报道，农业的面 源污染已经成为中国水污染的主要根源和空气污染的重要来源。由于农业面源污 染涉及范围大，分布区域广，污染分量小但总量极大，污染源极度分散，其治理 难度远远大于工业污染，因此农业面源污染已经逐渐成为制约世界经济持续、健 康和协调发展的障碍因子之一。（一）国外发展现状面源污染，国际上最早在20世纪30年代被提出，但对于农业面源污染的全 面认识和研究始十20世纪60年代（胡雪涛等

4、，2002）。最先是农药，特别是DDT 对河流水质的影响引起关注，人们才逐渐意识到农业污染的潜在危害。到上个世 纪末，全球范围约有30%-50%的地表水体受到面源污染的影响。根据美国1992 年的调查评估报告显示，美国的面源污染约占污染总量的2/3,其中农业面源污 染占面源污染总量的68%83 %，影响到50%70%受污染或威胁的地面水体； 农业面源污染已经成为全美河流污染的第一污染源。丹麦根据270条河流的监测 统计，94%的氮负荷和52%的磷负荷是由农业非点源引起的；根据OECE报告， 成员国中，硝酸盐和农药是最大的面源污染物。西方国家在点源污染得以控制的背景下开始关注面源污染，研究工作从

5、概 念、理论、研究方法、管理手段乃至新经济技术应用等方面逐步展开。上个世纪 60年代，日、英等一些发达国家开始关注农业面源污染研究，主要研究内容是 非点源污染的分类特征，多局限于定性分析。进入70年代，面源污染受到西方 国家的普遍关注和重视，对面源污染过程的研究和监测，从简单经验模型发展到 复杂的机理模型，开发了大量数学模型估算流域面源污染物负荷量，应用相关数 学模型研究降雨一径流及污染物迁移转化过程，以及对面源污染的发生、迁移转 化和影响的具体过程进行描述。开发的模型主要有用于预测预报的RUSLE,WEPP和EPIC；用于流域水文过程模拟的CREAM和ANSWERS,以及用于流域 管理措施评

6、价的AGNPS等。80年代以后，随着非点源污染因素分析和污染物迁 移转化机理研究更加深入，开发了如CREAM,CLEAMS,HSPF,SWMM等研究流 域尺度污染迁移转化的模型，用于研究农药、化肥的迁移运动规律。90年代以 后，随着算机技术和3S技术的结合应用，进一步开发摆脱单纯的数学运算，集 合空间信息处理，数据库，数学计算，可视化模拟，多维评价等功能于一身的更 加强大的超大型模型。国外的研究资料表明，农业施肥是主要的面源污染来源之一。并且在全世界 不同程度退化的12亿hm2耕地中，约12%由农业面源污染引起(Dennis L, Corwin, et al. 1998)。美国环保局2003年

7、的调查结果显示，农业面源污染是美国河流和湖 泊污染的第一大污染源，导致约40%的河流和湖泊水体水质不合格，是造成地下 水污染和湿地退化的主要原因(US Enviromnental Protection Agency. 2003)。在欧 洲国家，农业面源污染同样是造成水体、特别是地下水硝酸盐污染的首要来源， 也是造成地表水中磷富集的最主要原因，由农业面源排放的磷为地表水污染总负 荷的24%71%(Vighi M, et al.)，例如在瑞典，来自农业的氮占流域总输入量的 60%87%(Lena B V)。爱尔兰大多数富价养化的湖泊流域内并没有明显的点源 污染(Foy R H, et al.199

8、5 )。芬兰20%的湖泊水质恶化，而农业面源排放的磷素 和氮素在各种污染源中所占比重最大，占总排放量的50%以上，各流域内高投入 农业比例大的湖区更容易导致氮、磷等价养物质的富集(Uunk E J B.)。荷兰农 业面源污染提供的总氮、总磷分别占环境污染的60%, 40%50%(Boers P C M.1996)。德国一些流域也因过量施用化肥导致河流中磷的浓度超过0. 2mg/L。 农业区域的面源污染在挪威地表水污染方面是主要的人为污染源，导致地表水富 价养化和水质降低(Borgvang S A,2001； Tjomslang T,2001)。这种结果是由于现 代农业强度不断增长，结合小溪流、

9、湿地和植被过渡带这些能够降低价养在农业 景观区域聚集的元素的消失造成的。同样的发展趋势在美国和欧洲其他地区也存 在(Mander Ue , et al.1997 ； Lowrance R et al.2000)。在农业面源污染控制方面，欧洲一些国家先后采取税收手段试图控制化肥的 使用量，如挪威的化肥税、丹麦的氮税等，但对环境质量的改善作用不明显，且 对农民收入和农业发展产生了较大的负面影响。美国主要使用基于自愿和奖励的最佳管理措施(BMPs)控制农业面源(US EPA. 1999)，BMPs可以分为工程措施和非工程(管理)措施。工程措施主要为增 加湿地或植被缓冲区，降低污水地表径流速度，以拦截

10、、降解、沉降污染物：非 工程(管理)措施包括规划、农户教育、奖励等形式，促使农民自觉使用廉价的环 境友好技术。BMPs具体分成4类：一是减少粪便中的磷含景，例如对牲畜的精 细喂养；二是改变水文状态，例如排水管、排水渠的改变；二是土地使用功能的 改变，例如将临近水域的土地变为河岸缓冲带；四是农村土地上磷的重新分配， 如分散牲畜粪便。BMPs具有较大的灵活性，也不会对本国的农业发展造成负面 影响。日本主要通过立法和技术措施控制农业面源污染。先后出台了可持续农业 法、家畜排泄物法及肥料管理法(修订)等法律法规，对农业生产方式、 畜禽养殖业基础设施、肥料使用等都做了明确规定。对危害农业环境的行为处以

11、严厉的处罚，甚至提升到刑罚的高度，并规定了具体的执行标准，执行起来有法 可循，也有利十监管措施的落实。技术措施主要包括降低农场外部如化肥、农药 等投放来保护环境，防止土地盐碱化，保持和逐步提高土地肥力。同时利用现代 生物技术培育适十水地、盐碱地、荒漠和生态敏感区耕作的作物品种，扩大耕地 面积，弥补耕地不足。据报道，在欧盟各国家的地表水体中，农业排磷所占的污染负荷比约为 24%71%硝态氮超标现象十分严重，农业生态系统的养分流失是水体硝酸盐的 主要来源。农业集约化程度高的西欧国家欧盟成员国)自80年代末以来，各国流 域逐步实施农业投入氮、磷总量控制，氮、磷化肥用量分别下降了大约30%和 50%

12、(张宏艳，2006)。连续20年氮、磷化肥用量的大幅度下降使得农业面源污 染得到了有效的控制，使农业农药、化肥及畜禽废水等排污量大大减少，农业环 境及生态环境得到了较大的改善。同时，由于欧盟成员国在大幅度减少氮、磷化 肥用量的同时，通过农业政策的落实，提升农业科技水平，提高氮、磷化肥和农 业系统中有机氮、磷资源的利用率，促进高产水平下物质投入在生产系统内部的 良吐循环，因此，虽然耕地面积和化肥投入量不断下降，但其耕地产出率和作物 产量逐年上升，粮食总产和单产分别比90年代初期增加了 57%和80%。欧盟形成以来，不断在政策中增加支持农村发展的内容，致力于改善农业环 境，促进农业持续发展，并将农

13、业政策与欧盟的总政策结合在一起发展农村地区， 确保其社会和经济的生命力。1992年6月，欧盟部长会议，式采纳了共同农业 政策。共同农业政策中支持的农业和土地利用的有关措施，包括环境保护措施的 引进、农业用地中的造林项日和农民早期退体计划等。1993年欧盟出台了结构 政策的环境标准。在化肥和农药的竹理上，一些欧盟国家根据农药和化肥的毒性、 用量和使用方法对生态环境和公众健康可能造成的危害，加强竹理并建立严格的 矜记制度。2000年以来，欧盟水体系指令、减少农业面源污染的硝酸盐指令 (91/676),控制杀虫剂最大使用量的杀虫剂法(91/414/EEC)、限制水中杀虫剂残留 的措施及为保护鱼种、贝

14、类安全而制定的水清洁的共同体措施等，己成为了治理 农业面源污染的重要措施。同时，欧盟各成员国还制定了合理的经济政策，鼓励 生态农业的开展，惩罚违反农业环境法规的情况。一是技术措施。欧洲国家政府每年对每公顷农业实施的环境政策补贴可达 50l 000欧元(Heinz I , et al.2002)，如在20世纪60年代推出的农业养分收支平 衡记录单模型法，自80年代末以来经过科研部门的不断摸索、改进，日前在欧 盟国家己经成为农户进行农业养分处理的一项实用技术被广泛采用。在欧洲通常 规定生态农业不允许使用氮素化肥和农药，对磷素化肥的种类和用量也有严格的 限制，因而生态农业是水源保护地允许采用的主要农

15、业利用类型之一。二是采用其他措施来治理。在则政支持方面，欧盟不断加大用于减少农业氮、 磷养分总用量、提高农业养分利用率的费用，进行农业面源污染控制的则政预算 和投入。近年来相关投资每年己达1700亿欧元，为欧盟则政预算总支出的80% 以上，各欧盟国家联邦政府、地方政府还有各自的相应投入。在加强机构处理方面，许多国家和地方政府在原来的农业部的基础上，设立 了农业与环境保护部，将减少污染、维护生态环境作为农业部门的职能之一，农 业环境法规的监督和执行主要由各级政府部门委托地方农科院、地方农协等相应 机构进行，赋予现代农业以新的内涵，从研究和政府推动两个层面双管齐下，加 大对农业面源污染的治理力度。

16、（二）国内发展状况就中国而言，1986年1990年间，中国染湖泊中，农村面源污染氮磷负荷占 受纳水体负荷的50%以上。中国面临巨大的人口压力，致使农业土地开发利用强 度大，化肥农药的过量使用，1999年中国化肥用量为4 124万吨，平均何公顷（当 年农作物播种面积）化肥施用262. 4 kg，是世界平均用量的2. 5信。同时一畜禽 养殖业快速发展，2002年中国畜禽粪便产生量达2715亿吨，其中总氮和总磷的 产生量分别为1530万吨和640万吨。由与中国地域辽阔，农业生产经营多样， 化肥农药的过量施用以及大量畜禽粪便的随意排放或利用，最终导致了环境水体 的污染；加之中国对农业面源污染的监测研究

17、的不足，使得中国农业面源污染的 程度和广度都已超过欧美国家，并日愈演愈烈。相对国外而言，中国农业面源污染的研究始于20世纪80年代初，中国先后 在于桥水库、滇池、太湖、巢湖、三峡库区等湖泊、水库展开了农业面源污染探 索性的研究，主要研究方法就是分析土地利用方式与非点源污染的关系，立足十 受纳水体的水质，建立计算汇水区域污染物输出量的经验统计模型。这一阶段只 是农业面源污染的特征与污染负荷定量计算的初步研究。进入90年代之后，中国对农业面源污染的产污机理及影响因素进行更为深 入的探讨；农药、化肥污染的特征、影响因素研究和黑箱经验统计模型模式在农 业面源污染研究中占据了主要地位（史志华等，2002

18、）。其中，李怀恩等建立的 流域汇流与非点源污染物迁移逆高斯分布瞬时单位线模型及流域产污过程模型， 考虑了水动力学和污染物迁移机理，较好地模拟了于桥水库及宝象河流域洪水、 泥沙和多种污染物的产生和迁移，但该集总式模型不易解释面源污染在流域内的空间分布。李怀恩还结合中国面源污染资料少的实际，以非点源污 染的形成过程为基础，提出了一种流域面源污染负荷估算方法一平均浓度法（20 李怀恩.2000）。近年来，计算机、空间信息技术飞速发展为农业面源污染研究提供了新的技 术手段，中国许多学者开始探索新的面源污染模型，彭盛华等人以汉水流域为例， 以1： 100万数字化地图数据Arc China为基础，开发了基

19、于GIS技术的汉水流 域水文水环境信息系统（彭盛华等，2001）；然而这些模型研究多处在试验小区 或小流域的研究，缺少大尺度流域污染估算研究（钱秀红等.2002）。北京、上海 的中科院等研究单位以剖析土地利用方式与污染负荷之间的内在联系为出发点 进行了研究；2005年，中国科学院地理科学与资源研究所梁涛在模拟人工降雨 的条件下，研究了 N,P在随暴雨径流及径流沉积物的迁移过程，同时一估算了在 不同土地利用方式下N，P的流失速率（梁涛等.2002）。路炳军在2006年的研究 得到结论，土壤流失量与植被覆盖度之间呈负指数相关关系，当植被覆盖度达到 50%时，径流与污染物减少效益均达到65%以上。（

20、宋涛等，2010）中国农业科学院的研究成果显示：在中国水体污染严重的流域，农田面源污 染等是造成流域水体氮、磷富价养化的主要原因，其贡献大大超过来自城市地区 的生活点源污染和工业点源污染（张维理等，2004）。研究同时指出在中国流域 面积大的水域，如滇池、五大湖泊、三峡库区等，水体富价养化的主要驱动因子 为，高氮、磷肥料用量的菜果花农田面积大幅度增长；流域农村地区畜禽养殖业 密集发展等等（汪洪等，2007）。在农业生产上，化肥的利用率只有30%40%，其余的60%70%白白流失掉 （叶恩发等，2004）。有资料表明，中国氮肥利用率为30%35%,磷肥和钾肥分 别为10%20%和35%50%，低

21、于发达国家1520个百分点（赵同科等，2004）。 综合各地试验结果，中国每年农田氮肥的损失率是33. 3%73. 6%，平均总损失 率约60%。大量流失的化肥，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、磷等价养元素富集，导致水质的恶化。近三十年来，我国化肥施用量逐年攀升，平均每公顷化肥施用量从1980年 的86.72 kg上升到2007年的332.84 kg,施肥水平是世界平均水平的3倍左右， 远远超过国际上为防止水体污染而设置225 kg/hm2的化肥使用安全上限。化肥 的高强度投入一方面保证了我国农业生产的持续稳定发展和我国的粮食安全，另 一方面也导致了农村生态环境

22、的恶化，日趋严重的农业面源污染问题已引起政府 和有识之士的高度关注。（冯志文，2010）化肥在作物增产中的重要作用已被世人所承认，农业的发展离不开化肥的供 给，农业要增产就要增施化肥。伍宏业（1999）等认为：施肥使我国粮食作物单 产增加了 50%左右。然而随着化肥施用量的逐年增加，也加剧了对环境的污染。 氮肥占了化肥用量的大部分，是化肥污染中的主要来源（路明.2003）。氮素可通过降水、灌溉等作用淋溶损失，进入河流湖泊，使水质恶化，引发 水体富营养化。当水体中总氮浓度达0.12-0.15 mg/L以上时，即被视为富营养化 水体。由农田氮素流失引起的水体富营养化、地表水环境恶化、地下水硝酸盐含

23、 量超标等环境问题已口益严重。国外对硝酸盐的污染地污染制定了严格的标准， 世界卫生组织制定的饮用水中硝酸盐含量标准为 NO3-45mg/L, NO3-N为10 mg/L。我国稻田氮肥利用率相对偏低，稻田平均氮肥吸收利用率约为30%35%（李 庆述，1997），比世界平均氮肥利用率低约10%25%（孙传范，2001）。有25%35% 的氮素残留十土壤中，有2060%的氮素由于多种因素从土壤一一作物系统中通 过径流、淋溶和气态逸出（包括氨挥发和硝化作用）而损失。过量的氮素通过地表 径流进入湖泊、河流，对水体造成污染，还有一部分直接残留在土壤中，造成农 田土壤养分失衡。由于有毒物质积累，其后果首先是

24、破坏水资源，降低水的使用 价值或提高水处理的成本，有时根本不能作为饮用水；其次是导致鱼类及其他水 生动物的大量死亡，破坏水产资源。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50% （土晓峰.2001）.太湖流域的污染中，农田排放的废水每年达1.28 *109吨，占总 废水量的32%。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。大理洱海流域的面源污染氮磷分别占流域污染负荷的97.1%和92.5%，其中，农田过量施用化肥是造成农业面源污染的主要原因。过多的施用氮肥，还破坏土壤结构，导致土壤板结，亚硝酸盐及硝酸盐的大 量生成而染土壤。我国长期施

25、用氮肥对土壤环境的影响主要体现在两个方面：一 是造成土壤污染；二是造成营养元素施用不平衡，影响地力。袁新民（2001）在陕西渭河的二级阶地娄土上的施肥定位试验结果表明：土 壤硝态氮含量随施肥量增加而增加，当超过正常施肥量，土壤硝态氮的水平随施 氮量增加线性增加，既降低了氮肥利用率又会成为地下水的潜在污染源。黄绍敏（2000）等采用3年田间小区肥料定位试验，研究表明随着施氮量 的增加，1m 土壤中硝态氮在增加，施氮量低于225 kg/hm2时，土壤中硝态氮含 量变化不大；施氮量超过225kg/hm2时，土壤中硝态氮急剧增加；当施氮量增加 到300kg/hm2和375kg/hm2时土壤硝态氮增加4

26、.2倍和7.4倍。20cm及80100 cm 土壤中硝态氮的含量随施氮量的变化规律也是如此，基本上是以225kg/hm2 为分界线。施氮越高，土壤中硝态氮增加幅度越大，同时对地下水产生污染。黄 元仿等和曾长立（2002）也都得出同样的结论。（三）主要发展趋势化肥施用过程中防治环境污染的根本原则是提高化肥利用率，减少化肥的 环境损失。在加强全民环保意识、科学施肥、开发肥料新品种等方面有必要采取 切实可行的措施，开发出有利于提高肥料利用率的农艺和工艺方面的新技术，具 体如下：一、大力推行配方施肥，提高肥料的利用率。配方施肥是以养分归还学说、 最小养分律、同等重要率、不可替代律、肥料报酬递减律等理论

27、为依据，遵循土 壤、作物、肥料三者之间的依存关系，以肥料与综合农业技术相配合为指导原则， 产前确定施肥的品种、数量、比例以及相应的的科学施肥技术，实现高产、优质、 高效、土壤培肥、提高化肥利用率、保护生态环境的综合目标。在农业生产实践 中可根据作物、土壤等条件采用“测土施肥”、“诊断施肥”、“计量施肥”等科学 施肥技术，真正实现使作物，“吃饱不浪费”的理念。二、开发和应用新型肥料如：高效控释肥、微生物肥料、有机-无机复合肥 等。如何在大量施肥获得高产的同时，又能减少及消除污染，已成为我国肥料科 技创新的重大课题。控释肥可以根据作物对养分的需求特性供给肥料中的营养成 份，控释肥养分释放速度可以通

28、过物理、化学以及生物技术手段来调控，实现促 释或缓释的双向调节，缓急相济，是可以实现纵向平衡的一种新型肥料。因而可 大幅提高肥料利用率，同时减少养分流失导致的面源污染，是一种实现农业清洁 生产的绿色肥料。通过包膜非包膜等技术途径开发中国特色的高效 低成本控释 肥，广泛使用控释肥能有效地减少氮、磷等养分的淋失，对农业面源污染进行源 头治理，有明显的经济效益和生态效益。发展生物复合肥料，将无机化肥的速效、 有机肥的长效和生物肥料的增效作用完美地结合起来，构成的生物复肥可提高化 肥利用率，达到充分利用土壤潜力、保持生态平衡和增加产量的目的，产品兼有 无机肥和有机肥的优点，可实现有机-无机平衡、中微量元素