2018年我国农业面源污染现状及对策分析(非点源污染)

农业非点源污染过程及其模拟模型百度文库2018年11月30日农业面源污染（2018年最新）一、农业非点源污染的定义及其贡献1.相关概念及定义点源污染（PointSourcePollution）是指集中由排污口排入水体的污染源。又分为固定的点污染源(如工厂、矿山、医院、居民点、废渣堆等)和移动的点污染源(如轮船、汽车、飞机、火车等)。面源污染（DiffuseSourcePollution），是指溶解和固体的污染物从非特定地点，在降水或融雪的冲刷作用下，通过径流过程而汇入受纳水体（包括河流、湖泊、水库和海湾等），从而引起水体有机污染或富营养化或有毒有害等其他形式的污染。又称为非点源污染(Non-pointSourcePollution)，应该更准确，因为与点源相对的，进入受纳水体的过程是三维，也可以称为体源污染（TridimensionPollution）。线源污染（LinearSourcePollution）,是呈线状分布的污染源。如输油管道、污水沟道以及公路、铁路的交通工具所排放的污染物。农业非点源污染（ANPSP）是指从事农业生产活动中的农地或场地的泥沙、营养盐、农药及其它污染物，在降水或灌溉过程中，通过地表径流、壤中流、排水和地下渗漏，进入水体而形成的污染。非点源污染可以分为城镇和农业非点源污染两大类城镇非点源污染是指在降水的条件下，雨水和径流冲刷城镇地面，污染通过汇流过程或排水系统的传输，使受纳水体水质污染。特别是在暴雨初期，由于降雨径流将城镇地表的、沉积在下水管网的污染物，在短时间内，突发性冲刷汇入受纳水体，而引起水体污染。2.农业非点源污染的主要污染物氮、磷、农药（有机氯、有机磷）、沉积物、抗生素等…..污染物具有溶解性：氮（氨氮、铵氮、硝态氮、有机氮）、磷（无机磷和有机磷）、农药等可溶于水，其主要以水为载体，通过径流、淋溶、下渗和侧渗等途径进入地表水和地下水，从而对水体造成污染。污染物能被土壤颗粒吸附：氮（氨氮、铵氮、硝态氮、有机氮）、磷（无机磷和有机磷）、农药等被土壤颗粒物吸附，通过土壤流失随径流迁移至水体，污染水体。通常，土壤对无机磷酸盐吸附能力较强。部分污染物具有挥发性：氨氮、农药等具有挥发性，可通过挥发进入大气，随后通过干湿沉降进入水体，从而对水体造成污染。3.农业非点源污染的特征随机性：非点源污染受降雨以及降雨形成径流或者排水的过程支配，而降雨径流具有随机性，所以由此产生的非点源污染从时空上都具有随机性。广泛性：非点源污染的产生可能是多源区的，只要在含有污染物的地表和地下存在径流产流和汇流过程，就会发生污染。潜伏性：污染物输入后，在降水或灌溉有限时或者土壤固持能力未达到饱和的时，所致非点源污染低，而在发生暴雨径流或随着污染物的增加，非点源污染的贡献就会显著提高。滞后性：污染物的输入与流失或迁移过程之间存在明显的时间。非线性：非点源污染负荷随着污染物的输入量增加而增加，但在很多情况下两者之间不是线性关系。非点源污染的研究和控制难度大3.农业非点源污染的特征区域气候特点、降水造成农业非点源污染发生环境条件迥异气候类型南北差异显著，干湿变化东西差别明显3.农业非点源污染的特征经济发达地区及传统种植区化肥使用量偏大，畜禽养殖多集中在中东部地区种养强度区域分布不均杨胜天等，2006Sunetal.,2012EuropeanUnionUSA，2013://农业非点源污染的贡献4.农业非点源污染的贡献2007年第一次全国污染源普查结果显示，我国农业非点源污染对水体COD、TN、TP的贡献率分别为43.7%、57.2%、67.4%????????Muelleretal.(2012)Nature490:254-257.全球单位面积氮肥施用量分布我国的非点源污染治理压力大化肥施用量（Mt/yr）粮食总产量（Mt）化肥施用强度（kg/ha）粮食单产（kg/ha）我国与发达国家的化肥使用与粮食生产对比农业过分依赖化肥投入国家/地区玉米小麦水稻输入输出利用率输入输出利用率输入输出利用率非洲493178814589583967亚洲（中国除外）115524814850401576241中国2728330290933233610531欧洲172110681871045716110364拉丁美洲191573121064351457053北美洲20914670119594929512141大洋洲2631014738338977147191全球1717954159655018770412010年全球各地玉米、小面、水稻种植的氮肥输入、输出和利用率农业养分利用率低(Wuetal.,2018,PNAS)分散性种植模式降低化肥利用率（Juetal.,2016,GlobalEnvironmentalChange）化肥氮磷6000万吨/年氮磷排放2300万吨地下水环境迁移大型水体污染饲料3.0亿吨/年农业结构性问题（种-养-加分离，循环利用措施缺位）我国主要畜禽养殖粪便的还田率目前只有50%左右，剩余的可能直接或间接的进入环境。我国主要畜禽粪便资源量和养分含量畜禽养殖粪便循环利用率低5.农业非点源污染研究的总体发展趋势截止2016年，WebofScience核心集关于农业非点源污染的文献共计2478篇上世纪90年代初开始文献数量快速增加截止2016年WebofScience核心集关于农业非点源污染文献数量1991检索数据库：WebofScience核心集检索主题：Agriculturalnon-pointsourcePollution；Agriculturalnon-pointpollution；Agriculturalnon-pointsource;AgriculturalnonpointsourcePollution；Agriculturalnonpointpollution；Agriculturalnonpointsource部分国家和地区农业非点源污染文献数量在64个国家/地区中，发表论文：-美国最多，超过总量的50%-中国，约占总量的20%-加拿大、德国约占总量的10%5.农业非点源污染研究的总体发展趋势1976年首次发表关于农业非点源污染的文章（2篇）-Nonpointsourcepollutionfromagriculturalrunoff发表于JournaloftheEnvironmentalEngineeringDivision-ASCE-Economictrade-offstolimitnonpointsourcesofagriculturalpollution发表于WaterAirandSoilPollution发表的主要期刊发表论文的主要关键词最高引的5篇论文5.农业非点源污染研究的总体发展趋势涉及的学科门类二、农业非点源污染过程及其影响因素1.农地/农场氮磷的收支平衡三种农地/农场的氮磷收支平衡估算方法农场界面（a）、土壤界面（b）、土壤系统（c）氮磷平衡示意图农场界面的氮磷收支平衡估算方法土壤界面的氮磷收支平衡估算方法土壤系统的氮磷收支平衡估算方法SurplusN=（化肥+饲料+有机肥+幼崽+草垫+生物固氮+大气沉降）-（牛奶/蛋+动物产品+畜禽粪便+饲料用作物）≈∑(△)+∑(losses：反硝化+氨挥发+流失)SurplusP=（化肥+饲料+有机肥+幼崽+草垫+大气沉降）-（牛奶/蛋+动物产品+畜禽粪便+饲料用作物）≈∑(△)+∑(losses：流失)SurplusN=（化肥+有机肥+生物固氮+作物残留+大气沉降+作物种子+灌溉水）-（作物吸收）≈∑(△)+∑(losses：反硝化+氨挥发+流失)SurplusP=（化肥+有机肥+作物残留+大气沉降+作物种子+灌溉水）-（作物吸收）≈∑(△)+∑(losses：流失)BudgetN=[化肥+有机肥+生物固氮+作物残留+大气沉降+作物种子+灌溉水+∑(△)]-(作物吸收+反硝化+氨挥发+流失)≈0BudgetP=[化肥+有机肥+作物残留+大气沉降+作物种子+灌溉水+∑(△)]-(作物吸收+流失)≈0氮磷收支平衡估算的时空尺度效应MarkA.Sutton&AlbertBleeker,Nature,2016全球化肥施用及氮损失全球年均化肥（N、P、K）施用情况全球年均氮损失情况王敬国等，2016中国农地系统氮收支平衡中国农地系统磷平衡曹宁等，2009全球农田磷的收支平衡(Sattarietal.,2012)化肥磷有机肥磷输入磷作物收获磷Bouwmanetal.,PNAS,2013全球农田氮平衡SarahE.Hobbieetal.PNAS2017;114:4177-4182Nitrogenandphosphorusbudgetsinurbanwatersheds流域氮磷收支平衡估算方法—NANI和NAPI大气沉降磷化肥磷施用洗涤剂磷净食物和饲料输入人类消费磷畜禽消费磷作物产品磷畜禽产品磷++++--+++氮氧化物沉降化肥氮施用农田系统固氮净食物和饲料输入人类消费氮畜禽消费氮作物产品氮畜禽产品氮++++--++净人为氮输入(NetAnthropogenicNitrogenInput，NANI)+净人为磷输入(NetAnthropogenicPhosphorusInputs，NAPI)种子种子全球流域尺度NANI（Billenetal.,2017）NANI高的流域集中了全球84%的NANI，但面积仅占了43%Groundwater化肥48%农业生物固氮5%大气沉降39%地下水净食物饲料输入8%反硝化作物人类畜禽种子1%林地木材输出非收获性植物吸收14%反硝化47%(36.4-48.2%agriculturalland+10-35%riversystem)持留25%河流输出13%永安溪流域31年累计NANI(475,750tN)土壤湿地非收获性植物吸收和反硝化61%点源+非点源点源+非点源非点源(Chenetal.,2014;EnvrionSciTechnol;WaterResourRes;Chenetal.,2016,AgrEcosystEnviron)Groundwater化肥72%非食物性磷输入5%大气沉降4%地下水净食物饲料输入18%作物人类畜禽种子1%林地木材输出非收获性植物吸收1%NAPI农业土壤持留40%NAPI河流输出5%NAPI永安溪流域31年累计NAPI(59871tP)土壤湿地点源+非点源点源+非点源非点源垃圾和污水处理24%NAPI湿地/底泥/其他景观土壤30%NAPI(Chenetal.,2015;Biogeochemistry;Chenetal.,2016,JHydrol)全球氮循环过程（Fowleretal.,2013）全球氮的循环农田生态系统氮循环2.农田氮的循环•氮循环主要过程-硝化过程-反硝化过程-固氮作用-矿化过程2.农田氮的循环氮循环主要过程的影响因素-碳源-土壤质地-养分含量-耕作措施-植物、微生物-环境条件-……2.1硝化过程及其影响因素硝化过程对土壤氮循环过程的影响：降低土壤对N的持留能力，促进农田氮以硝态氮淋失和反硝化损失硝化过程的影响因素1）植物的影响：植物根系可以产生或者释放生物硝化抑制剂从而抑制土壤硝化细菌的活性，进而抑制土壤的硝化作用无植物大豆土壤铵态氮氧化速率N2O累积释放通量杂交臂形草腐殖生臂形草Gunturetal.,20152.1硝化过程及其影响因素2）耕作措施-免耕、少耕降低土壤的硝化过程-未扰动生态系统中TN的硝化率不到10%，而在现代农业生产系统中超过95%的TN通过硝化-反硝化途径损失-现代农业生产中，将近70%的氮肥通过硝态氮淋失或气态损失（N2O,NO,N2）3）土壤pH-土壤反硝化的最佳pH为6.5-8.8-酸性土壤会降低硝化速率，高pH条件（8）会降低硝化菌的活性2.1硝化过程及其影响因素4）土壤温度：土壤温