云南山區農業面源污染控制微區域集水系統技術體系

王克勤

(西南林業大學,云南 昆明 650224)

云南山區農業面源污染控制微區域集水系統技術體系

王克勤

(西南林業大學,云南 昆明 650224)

水土保持;農業面源污染;微區域集水系統;云南山區

面源污染已成為造成河流、湖泊、水庫污染的主要原因,有效控制面源污染對于改善水環境質量具有十分重要的意義。針對云南山區面源污染的現狀,通過分析面源污染形成的原因和治理中存在的問題,認為微區域集水系統具有攔截和控制山區坡耕地地表徑流、增強山坡水源涵養功能和控制農田徑流等多項功能,能夠實現生態治污、有效控制面源污染的目的。

隨著工業點源污染控制水平的提高,面源污染成了水環境污染的主要來源,其中以農業面源污染最為普遍、威脅最為嚴重[1]。農業面源污染物主要包括 N、P及農藥殘留物等,其中:農藥殘留物會對人、畜造成直接傷害,有的損害中樞神經系統,有的累積在脂肪、肝臟、腎臟等組織中造成蓄積中毒甚至誘發腫瘤;N、P會加速水體的富營養化進程,對水生生態系統造成嚴重威脅,如果進入食物鏈,NO3-N會增加“藍嬰兒”病的發病率,在胃中被還原為NO2-N后又有誘發胃癌的可能性;P是水體富營養化的關鍵因素,含P的廢水匯入江河湖海后會造成藍藻、綠藻異常繁殖,使水流減速、水體渾濁、溶解氧減少,導致水生生物死亡、飲用水水源惡化[2-3]。在美國,面源污染已經成為環境污染的首要因素,60%的水資源污染源于面源污染[4];根據OECE報告,成員國中硝酸鹽和農藥是最大的分散污染源,歐洲其他國家也得出了相似的結論[5];荷蘭農業面源污染提供的 TN、TP分別占水環境污染總量的 60%和 40%～50%[6]。本研究以我國云南山區農業面源污染狀況為例,結合作者的相關研究成果,介紹了微區域集水系統在云南山區農業面源污染控制中的應用。

1 云南山區農業面源污染概況

受第四紀地殼運動影響,我國西南地區構造湖泊較多,形成了許多具有特殊生態意義的高原濕地,加之該地區又位于許多重要江河的中上游,是我國重要的生態安全屏障區,因此其水體質量和水文狀況不僅影響到本地區的環境質量和經濟發展,而且直接關系到中下游平原地區的水環境安全。以云南省為例,全省有湖泊 28個,匯水面積約 9 000 km2,湖面面積1 164 km2,蓄水量近 300億 m3,其中面積最大的 9個湖泊依次為滇池、洱海、撫仙湖、程海、滬沽湖、杞麓湖、星云湖、異龍湖、陽宗海。通過調查上述 9個湖泊的面源污染狀況發現,P污染是水質惡化的主要原因[7],如杞麓湖點源、面源、內源輸送的 P污染負荷比為 22∶72∶6[8],面源污染導致昆明市重要水源——松花壩水庫的水質下降至Ⅳ～Ⅴ類,高原湖泊和水源區污染中農業面源污染占污染總量的 50%以上。

地表徑流是輸送面源污染物的主要途徑,在徑流系數較高的山區農業面源污染狀況尤為突出。云南省山區面積占土地總面積的 94%以上,據云南省國土資源廳 2005年的調查數據,全省有耕地面積約 634萬 hm2,其中坡耕地約307萬 hm2。受云南山區耕地資源貧乏和少數民族生活習慣的影響,河流和高原湖泊匯水區的山區坡耕地在很長時期內不會消失。受山區地形的影響,坡耕地耕作會不可避免地造成地表徑流的嚴重流失,徑流中攜帶的大量泥沙和P素等面源污染物進入水體后,造成泥沙淤積、水體富營養化、飲用水源污染,降低了水體的生態功能,破壞了水生生物的生存環境,進而影響人類使用。山區農業面源污染在所有面源污染源中占據絕對的份額,是面源污染控制的關鍵區域,并且這一狀況將持續相當長的時期。

2 云南山區農業面源污染成因

在云南山區,從流域分水嶺到河流、湖泊、水庫等受徑流影響的各個匯水區域都不同程度地存在著較為嚴重的面源污染問題,從不同區域、不同層面輸入水體的大量面源污染物造成了水體富營養化,究其原因主要有以下幾個方面。

2.1 自然坡面水源涵養功能降低,水庫可調蓄的有效水量減少

自然坡面的林地和草地是涵養水源的主體。盡管云南省的森林覆蓋率在全國處于較高水平,但是除了極少數的森林林分結構較好外,起涵養水源作用的最重要的流域匯水區在長期砍伐和過度放牧下退化極為嚴重,一部分已退化為荒山荒坡,地表覆蓋層極少甚至缺失。植被覆蓋減少不可避免地造成了徑流系數增大,為坡面水土流失提供了動力條件,汛期增加了河道防洪壓力,旱季則水源枯竭,補給河流的水量極少,影響附近城鄉居民的生產生活。

2.2 坡耕地水土流失嚴重,泥沙淤積減少了水庫有效庫容

坡耕地是土壤侵蝕伴生面源污染的主要源地[9],對河流輸沙的貢獻率高達 80%以上。云南山區坡耕地面積約 307萬hm2,占耕地總面積的 48.4%。以松花壩水庫為例,流域匯水區有坡耕地約 3 333 hm2,平均土壤侵蝕模數 1 286 t/(km2?a),每年因土壤侵蝕進入水系的泥沙約有 76萬 t,其中直接進入水庫的泥沙約有 25萬 t;泥沙淤積每年減少水庫有效庫容約 20萬m3,而水庫管理部門每年清淤量約 3.68萬t,不到泥沙淤積量的 1/5。泥沙淤積使湖泊、水庫等的有效容積大大減少,影響了水體的自凈能力,伴隨著泥沙,大量的 N和 P輸入水體,使水體富營養化速度加快,尤其在旱季有可能暴發大面積水華。

2.3 農田徑流直接排入水體,為水體富營養化提供了污染物質

水體面源污染物主要來源于徑流攜帶的泥沙和農田徑流的直接輸入。以松花壩水庫為例,流域匯水區每年輸入水庫的N和 P分別為 622 t和 38 t,其中直接來源于農田徑流排放的分別為 467 t和 29 t。出現上述情況的原因與農藥化肥過量施用有關,更重要的原因是農田徑流在沒有經過沉淀、吸收、固定、過濾等過程,沒有將N、P含量降低到最低程度的情況下就直接排入水體。

2.4 地表徑流進入河流、溝道時缺少緩沖帶凈化

緩沖帶是地表徑流匯入水體的最后一道防線,地表徑流在進入河流、溝道前經過緩沖帶的吸收、過濾、沉淀,可大大減少其中的污染物質,使之不超出水體的自然凈化能力。云南山區耕地資源缺乏,與河流、湖泊等水體相鄰的平坦地帶都已開墾成農田或建成村莊,在河道兩岸修建了混凝土或漿砌石防洪堤,大部分自然溝道的入河段也被修成了“三面光”溝渠,溝道水流通過“三面光”溝渠直接匯入河道,水系的匯集過程被人為地簡單化成地表徑流(或農田徑流)→“三面光”溝渠→河堤封閉的河流。這種簡單的匯水過程將攜帶泥沙和農業污染物的徑流直接輸送到河流、水庫、湖泊中,這樣水體污染就在所難免。

2.5 農田化學物質的超標使用

逐漸退化的流域農業生態系統在大量施用農藥化肥后,面源污染狀況更加嚴重。在嚴重的水土流失和農田徑流的直接污染下,云南省每年的面源污染物輸入量已經遠遠超過了水體的污染負荷,農藥化肥濫施濫用不僅造成利用效率低下、流失嚴重,而且加劇了水體的富營養化程度。據統計,松花壩水庫水源區農業用地年施用化肥 6 535.34 t、農藥 138.96 t。化肥、農藥除改變土壤肥力和結構外,還會殘留于土壤中,并隨雨水滲透進入水體,造成水庫 N、P含量逐年增加,這是水體水質逐年下降的又一主要原因。

2.6 非生態的防洪治理降低了河道、溝渠的自凈能力

河流、溝渠有其完整的生態系統,包括水流、河道以及河岸、河灘,尤其是河岸、河灘是河流、溝渠不可缺少的組成部分,具有緩沖水流、落淤、保護生物、物質交換等重要作用。這些作用對河流水質的保護非常重要,可以使河流在進入水體前得到應有的天然凈化,這種過程是任何人工工程無法替代的。因此,河道、溝渠的治理一定不能阻斷水流與兩岸的聯系,斷絕水—岸關系意味著人為制造“死水一泓”。但是,目前云南山區河道治理普遍采用的模式是在兩岸河堤全部采用混凝土或漿砌石結構,入河溝渠采用“三面光”,加劇了水體的污染程度。

2.7 村莊污水、垃圾直接排入水系

山區農村的生活污水和生活垃圾基本上都是直接排放,不僅成為直接的污染源,而且增加了治理和保護的難度。在新農村建設中,各級政府通過加強宣傳教育增強群眾的環境意識,現已取得了一定成效。

3 集水系統類型

農林業集水系統有小、中、大 3種尺度,小尺度的集水系統為微型集水系統(Micro Water-harvesting,MCWH),中尺度的為微區域集水系統(Micro-area Water-harvesting,MAWH),大尺度的為小流域集水系統(Watershed Water-harvesting,WSWH)[10]。

3.1 微型集水系統(MCWH)

微型集水系統(MCWH)即采用就地攔蓄、就地入滲的初級集水技術,微型集水區和入滲池(坑)是系統最基本的組成部分。根據這一特點,MCWH系統有等高蓄水溝集水[11]、隔坡帶狀種植、等高帶狀種植[12]等幾種類型。MCWH系統的主要優點是徑流率較高,將每年雨季收集的大量雨水入滲到土壤層內,進行一年生淺根性植物與多年生深根性木本植物混植,既可大幅度增加生物產量,又可有效利用貯存的土壤水分[13]。但貯存在土層中的水分不具備長時間的調節功能,加之土壤斷面蓄水容量有限,在靠雨水補給的地區不能起到“豐水旱補”的作用,單獨使用效果不理想,尤其是在間歇性干旱明顯、雨季水分過多導致土壤積水嚴重的地區不能單獨使用。

3.2 小流域集水系統(WSWH)

WSWH系統是包括范圍較大的集水系統,一般以一個坡面或一個小流域為單元進行集水、蓄水和利用,將集水區收集的地表徑流貯存在地面水庫,常用于家畜飲用或農地灌溉[14]。WSWH系統在流域坡面集水和地面水庫蓄積的水量比土壤斷面多,能使有限的水資源在時間和空間上更合理地分配。但是,包括小水庫的 WSWH系統涉及范圍較大,水庫及蓄水系統一次性投入大,尤其是對于水土流失較為嚴重的小流域,如不能有效防止水土流失,就會導致水庫淤積甚至失去蓄水能力。

3.3 微區域集水系統(MAWH)

MAWH系統是利用具有一定面積(100～1 000m2)的微區域坡面建立集水區收集地表徑流,用水渠等輸水系統將徑流引至地面貯水設備中蓄積起來,在植物生長需水時再用管道將水引至種植區作物的根系分布層[15-17]。對于地表徑流系數較高的地區,利用天然徑流場集水可收到良好的效果[18]。西南地區的土壤特點適合于采用自然坡面作為集水區。MAWH系統使雨季相對充足的降雨得到更合理的利用,對降雨資源具有較強的時空調控能力,適合于西南地區的氣候、地形和土壤特點。

集水系統的集水區面積、蓄水容積和投資規模都比較小[10]。根據以上特征,大尺度的集水系統(WSWH)實際上不屬于集水系統,應該屬于小型水利工程設施;小尺度的集水系統(MCWH)僅僅應用了微區域集水系統的部分技術,沒有在流域水平上對生態系統進行分類,因此不能代表集水系統;微區域集水系統(MAWH)則是典型的集水系統。

4 微區域集水系統的特點

MAWH系統是典型的集水系統,能根據小流域中的生態系統類型進行合理配置,不僅從小流域的角度體現了系統性,而且對各種集水單項技術進行了有機集成,體現了綜合性,并且系統包括范圍較小,具有靈活性和可操作性。

4.1 MAWH系統具有斑塊鑲嵌結構

建立 MAWH系統首先要在小流域水平上進行系統的合理配置。小流域系統的基本單元是生態系統類型斑塊,建立MAWH系統的目的是對各斑塊在系統中進行優化組合,將斑塊確定在合理的空間位置上,實現小流域系統鑲嵌結構中各斑塊功能的穩定發揮。根據小流域范圍內的地形條件確定建立MAWH系統的小流域由作物生產區、經濟林果生產區和系統隔離防護區 3類生態系統類型斑塊組成,并對組成小流域系統的3類斑塊進行空間優化組合,即把坡度較緩、具備農作物和經濟作物生長基本條件的地段劃分為作物生產區,將坡度較陡、不適合作物生長的地段劃分為經濟林果生產區,將脆弱地帶(溝道、陡坡等)視為系統隔離防護區。通過系統隔離防護區的植被恢復,形成植被帶,實現對農業生態系統的隔離防護,在小流域系統中形成生態系統相互交錯的斑塊鑲嵌結構,使各生態系統的功能互補、相生相克,形成結構合理、功能穩定、關系協調的小流域生態經濟系統。

4.2 MAWH系統是單項集水技術的集成

微區域集水系統包括集水區、蓄水設備和水分利用區 3個不同的目的區。為了實現 MAWH系統對降水資源的調節利用,根據山區小流域系統的斑塊鑲嵌結構對集水區、蓄水設備和水分利用區進行合理配置,對從集流、截流到導流各個環節的技術進行有機組合,形成完整的集水系統。微區域集水系統的集水技術是實現水分調節利用的關鍵技術之一。鑒于我國西南地區自然產流率較高(20%～40%)的特點,經過實踐,在小流域系統隔離防護區采取對原地表破壞小、簡單易行的小規格集水技術,開挖小規格的截留溝,攔截系統內部的地表徑流,既避免了在集水時擾動地表造成水土流失,降低了成本,又在攔截地表徑流的同時保持了水土。在生產區則利用人工配置的截排水溝進行集水,也起到了集水和保持水土的作用。導流組合技術是通過在系統隔離防護區和生產區修建截排水溝、人工集流主溝,在MAWH系統中形成了完善的導流系統,其中截排水溝將攔截的地表徑流引入人工集流主溝,人工集流主溝將集水區與蓄水設備相連,將徑流引至水分利用區進行節水灌溉。土地整理組合技術包括集水區土地整理技術和生產區土地整理技術,主要是通過整地措施并配置土質截水溝,攔截坡面徑流匯入人工集流主溝至蓄水設備,盡量減少對系統隔離防護區的擾動,以促進該區域植被的恢復。

4.3 MAWH系統具有靈活性和可操作性

微區域集水系統中集水區、蓄水設備和水分利用區采用的集水、土地整理和水分利用技術均比較簡單易行。集水區中不論是系統隔離防護區還是生產區,采取的集水技術均十分簡單、便于操作,加之微區域集水系統涉及的山區面積不大,系統規格較小,因此從技術角度,MAWH系統既適合于一家一戶使用,又適合于小流域綜合治理中的集體應用,具有極強的靈活性和可操作性。

5 微區域集水系統防治面源污染的功能

5.1 生態治污

目前,大部分地區的水體污染綜合治理主要依靠行政手段和水體治污,屬典型的“末端治理”,而面源污染治理需要從源頭、從產生過程杜絕污染物質的流失,從匯集過程對污染物進行削減。面源污染物的產生和匯集過程發生在不同的生態系統中,產生過程主要發生在山區的坡耕地、坡面和壩區的農田、村莊等,匯集過程則主要發生在溝渠和河流。不同生態系統對面源污染的貢獻差別很大,但是由于自身缺陷和環境受損,云南山區各流域生態系統在結構和功能方面都存在或多或少的問題。要使面源污染的產生和匯集過程在相應的生態系統得到遏制,必須對受損的生態系統進行修復,如對山區坡耕地的水土流失進行治理、對退化山坡的涵養水源功能進行增補、對農田徑流進行控制、對河流溝渠的生態功能進行恢復等。這些措施的主導思想是應用生態學原理,使人為原因導致受損的生態系統結構得到完善、功能得到修復,發揮生態系統的基本功能,在面源污染綜合治理中具有可持續性?！吧鷳B治污”是采用微區域集水系統進行面源污染綜合治理的最大特點。

5.2 對山區坡耕地地表徑流的攔截和控制

據調查,云南山區坡耕地水土流失為河流、湖泊、水庫提供的泥沙量占泥沙淤積總量的 90%以上。泥沙淤積直接導致水體自凈能力下降和納污量減小,在污染物等量條件下,水體污染程度加重,水質惡化速度加快。因此,山區坡耕地地表徑流的控制程度決定著輸入水體泥沙量的多少,決定著水體水質是否會持續惡化,坡耕地水土流失已成為面源污染控制的關鍵。但是在水體污染治理中,人們對坡耕地土壤侵蝕問題往往重視不夠,即使采取了一些措施,也因治理間斷而效果不佳。微區域集水系統改變了以往的土壤侵蝕控制方法,通過對坡耕地地表徑流的形成、匯集等過程進行控制,在不采取大型坡耕地改造措施(坡改梯等)的情況下有效控制地表徑流,使產沙減少到最低程度。

5.3 對山坡水源涵養功能的補充和增強

水源涵養功能是水庫水源區最重要的功能之一,要保證水庫水質優良,水源區必須要有強大的水源涵養功能。但是,目前山坡生態系統退化導致山區流域匯水區水源涵養功能降低,雨季暴雨沖刷地表,造成水體污染;旱季則水源不足、水量驟減,甚至突發富營養化使水質急劇惡化。山區流域匯水區的水源涵養功能對水質改善極為重要。改善山區流域匯水區的水源涵養功能,僅僅依靠營造水源涵養林是“遠水解不了近渴”,單純依靠恢復森林植被來涵養水源,在目前人為干擾強烈并且不能很快消除的情況下希望近乎渺茫,因此必須在修復自然植被的同時采取工程措施。微區域集水系統不僅能夠促進自然植被恢復,而且具有調節坡面地表徑流、增加地表徑流循環轉化率的功能,能夠補充和增強山坡水源涵養功能。

5.4 控制農田徑流

壩區農田是山區流域農業生產的核心地帶,是糧食、蔬菜、花卉的主要種植區,也是水體面源污染物的主要輸入“源”。由于目前壩區農田徑流一般是直接排入水系,加之經過治理的河道凈化能力有限,農田徑流對面源污染的貢獻很大,農田徑流控制技術成了面源污染控制的核心。對農田面源污染物的排放一方面要合理控制化肥農藥使用量,另一方面要調控農田徑流,對其進行循環利用、過濾凈化、重復吸收,降低農田徑流中的污染物含量。微區域集水系統在壩區農田的延伸應用,能夠實現農田徑流的控制和凈化,防止農業面源污染物質輸出。

6 結 語

農業面源污染控制目前仍是一大難題,雖然通過集雨單項技術的合理組合和科學應用,農業面源污染控制措施在高原湖泊面源污染防治實踐中收到了一定的效果,但高原湖泊面源污染治理仍是一項長期、艱巨和復雜的系統工程。根據有關資料,一般湖泊治理想要取得明顯效果至少需要 10～20年的時間。因此,下一步的工作中還需要堅持不懈地大力開展環境保護的宣傳與教育,提高全民的環保意識,同時盡快制定高原湖泊面源污染防治綜合規劃,選擇一些典型流域,組織水利、農業、林業等有關部門實施面源污染控制示范工程,總結成功經驗并逐步推廣。

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Application of Micro-AreaWater-Harvesting Technical System in Agricultural Area-Source Pollution Control of Mountainous Region in Yunnan

WANG Ke-qin
(Southwest Forestry University,Kunm ing,Yunnan 650224,China)(37)

Area-source pollution has become themain reason of pollution in rivers,lakes and reservoirs.Effectively control area-source pollution that is of very important for improving waterenvironment.The study shows thatmicro-area water-harvesting technical system has the functions of intercepting surface runoff on sloped lands,reinforcing water conservation function of slopes,and controlling agricu ltural runoff,based on present status ofarea-source pollution ofmountainous region in Yunnan,through analysis on the form ing reasons ofarea-source pollution and the existing p rob lems in pollution control.Theapplication ofmicro-area water-harvesting technical system is beneficial to control area-source pollution in a effective and ecological way.

soiland water conservation;agricultural area-source pollution;micro-area water-harvesting technical system;mountainous areas of Yunnan

X 501

A

1000-0941(2011)02-0037-04

國家自然科學基金項目(30660037)、云南省自然科學基金項目(2006D 0041M)和西南林業大學水土保持與荒漠化防治重點學科資助項目

王克勤(1964—),男,甘肅莊浪縣人,教授,博士,主要從事山區小流域環境綜合治理的理論與技術研究。

2011-01-15

(責任編輯 李楊楊)