利用生態農業產業鏈技術控制農業面源污染

通信作者:朱昌雄,研究員。E-mail:zhucx120@163.com

利用生態農業產業鏈技術控制農業面源污染

李紅娜,葉婧,劉雪,耿兵,田云龍,朱昌雄

(中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所,北京100081)

摘要：分析了中國農業面源污染現狀及成因,認為農業面源污染是造成水體污染的最大問題。為了改善水體環境,從生態農業產業鏈技術的含義和內容出發,提出以“種—養—加—生”循環一體化的產業鏈技術體系來控制農業面源污染,保護水環境質量,即以源頭無害化、過程資源化、末端生態化和控制規模化為原則,進行控制農田養分流失的生態種植、低污染零排放的生態養殖、無公害的生態飼料生產、以發酵墊料為主要原料的生物腐殖酸肥料加工和生態農業產業園區規劃與建設等。這些技術的聯控應用,能強化養分、食物鏈的循環延伸,是控制農業面源污染的有效方法,可以實現農業面源污染的零排放控制，改善水環境質量。

關鍵詞：水污染控制;農業面源污染;生態農業產業鏈

作者簡介:李紅娜(1986—),女,博士研究生,研究方向為水治理理論與技術,農業面源污染控制。E-mail:lihongna828@163.com

中圖分類號：X52;S19

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2015)05-0024-06

Abstract：The author of this paper thought that agricultural non-point pollution was the most important source of water pollution based on the analysis of the present situation of the agricultural non-point pollution in China and its reasons. In order to improve the water environment,the meaning and content of the eco-agricultural industrial chain was introduced. Based on this conception,the eco-agricultural industrial chain,integrating a whole circular system with different sessions of crop farming,breeding,agricultural products processing and living,was innovatively put forward to control the agricultural non-point pollution and protect the water environment systematically for the first time in this paper. Concretely,in the principle of source harmlessness,process resource utilization,end ecological treatment and controlling in large-scale,several important techniques were included as manufacturing of ecotypic feeds,ecological breeding with zero discharge of pollution,production of biological humic acid fertilizer with fermentation bed padding,eco-planting with controlling of nutrients release and programming and construction of eco-agricultural park. In combined application of these techniques,the eco-agricultural industrial chain technology was proved to be an efficient method to achieve both the well control of agricultural non-point pollution and effective improvement of the water quality.

收稿日期：(2014-11-19編輯：彭桃英)

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2015.05.006

Control agricultural non-point pollution with technology of

eco-agricultural industrial chain

LI Hongna,YE Jing,LIU Xue,GENG Bing,TIAN Yunlong,ZHU Changxiong

(InstituteofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgriculture,ChineseAcademyof

AgriculturalSciences,Beijing100081,China)

Key words： water pollution control; agricultural non-point pollution; eco-agricultural industrial chain

農業面源污染又稱農業非點源污染,是指在農業生產活動中,氮磷等營養物質、農藥、重金屬及其他污染物,從非特定的地點,以不同的形式對大氣、土壤和水體環境形成污染。數據表明,進入水體的TN、TP中,來自工業廢水的僅占10.0%～16.0%,而農業面源污染和生活污水的貢獻占絕大多數。當前中國受農業面源污染影響的農田有2 000萬hm2,將近50.0%的地下水被農業面源污染。農業面源污染已成為當前水體污染中最大的問題,嚴重影響農業和環境的可持續發展[1]。

1農業面源污染的現狀及成因分析

1.1現狀

據第一次全國污染源普查的結果,2007年巢湖流域TN、TP排放量分別為2.74 萬t和0.33萬t,其中來自農業面源的TN、TP分別占48%和32%;滇池每年氮磷入湖總量為1.72萬t,其中來自農業面源污染的有4 719.1 t,占滇池流域氮磷污染總量的27.4%[2];根據《太湖流域水環境綜合治理方案》中的估算,來自農業面源污染的TN和TP分別占太湖流域TN和TP總污染量的77.0%和33.4%[3]。農業面源污染的貢獻率遠遠超過來自工業和城市生活的點源污染,已成為中國各重要流域的主要污染源[1,4]。因此,要從根本上解決中國的水環境污染問題,必須把農業面源污染防治納入環境保護的重要議程[5-6]。

1.2成因分析

造成農業面源污染的途徑主要包括農藥污染、化肥污染、養殖業污染、農業廢棄物污染及農村生活污染等。中國的農藥使用量居世界第一位,1990年為73.3萬t,到2009年已增長至226.2萬t;而且所使用的農藥一般毒性大且具有化學和生物穩定性[7],利用率不到30.0%,未利用的部分則流失在土壤、水體和空氣中[8]。中國化肥的平均施用量高達400 kg/hm2,超過世界平均水平的2倍,其中主要糧食作物的氮、磷、鉀肥利用率雖已經進入國際上公認的適宜范圍,但仍處于較低的水平[9],未被利用的養分通過徑流、淋溶等方式進入環境,污染了土壤、大氣和水體。畜禽糞便的淋溶性強,能通過地表徑流污染水體。2001年畜禽養殖的糞便量為21億t,為同期工業廢棄物量的2.7倍;2010年畜禽養殖的糞便量達到了45億t[10]。水產養殖業中,魚類糞便、餌料沉淀以及化學藥品肥料也會對湖泊、水庫的生態環境造成很大的污染[11]。隨著人口的迅速增長,中國農村每年產生的生活污水90多億t、生活垃圾約2.8億t,這些污水和垃圾幾乎全部直排或露天堆放,而人糞尿年產生量為2.6億t,造成大量氮磷污染。這些生活污水、生活垃圾的產生和積累加劇了農村生態環境的惡化,是農村面源污染的主要來源之一。現階段中國農業面源污染的狀況日益惡化,嚴重影響著水環境的保護工作[12-13],因此,研發面源污染控制的高效技術是必要的。

2生態農業產業鏈技術

生態農業產業鏈技術以減量化、再利用、資源化的循環經濟理念指導農業生產,使農業生產方式由“資源—產品—廢棄物”的傳統模式向“資源—產品—再生資源—產品”的循環模式轉變,實現物質能量的相互轉換和多層次利用[14]。農業產業鏈適合建設在集種植、養殖、農副產品為一體的農業區域,通過產業鏈的延伸將各相關農業產業串聯起來,在有效降低生產成本、增加利潤的同時,還可以達到控制農業面源污染、保護水質的目的[15]。

國內外的案例都已充分證明了產業鏈整合對農業生產和水環境質量改善的重要作用[16-17]，如,周小萍等[18]提出了適宜于不同區域的生態農業產業化模式實施途徑,在結合典型案例的基礎上,重點探討了各自的適宜范圍和實施方案;楊苑苗[15]提出了基于種植業之間、養殖業與種植業之間以及種養殖與觀光業之間的能量循環的農業生態園模式。然而,更多的生態農業產業鏈的相關研究是基于其運行規律[19]、穩定性評價[20]和動力學機制[21]等的探討,系統的技術體系研究還有待進一步完善和綜合,加之目前中國以生態農業產業鏈技術控制農業面源污染的相關研究和提法還比較少,相關的理論研究和創新工程實踐更是缺乏。考慮到中國當前水環境污染形勢的嚴峻性及農業面源污染控制的重要性,基于生態農業產業鏈控制農業面源污染的相關技術創新和內容完善的工作亟待開展。

3“種—養—加—生”循環一體化產業鏈技術體系

“種—養—加—生”循環一體化的生態工業園,是通過集合種植、養殖、農產品加工、農村生活等各獨立鏈條而構建的循環產業鏈,以實現物質能量的逐層利用和循環再生。筆者首次提出利用“種—養—加—生”循環一體化利用的產業鏈技術體系來控制農業面源污染、保護水環境的思路。該技術體系以源頭無害化、過程資源化、末端生態化和控制規模化為原則,通過各項技術的聯控應用,實現養分、食物鏈的循環延伸與農業面源污染物的零排放控制,有效改善當前的水質狀況。本體系涉及的關鍵技術主要包括以下幾個方面。

3.1無公害的生態飼料生產技術

隨著養殖業的集約化發展,高效與防病成為生產中的重要指標,導致含激素與抗生素等的飼料添加劑大量使用,造成了重大的污染和危害[22]。生態飼料具有維持動物體內微生物菌群平衡、增強機體免疫能力、營養促消化和防病治病的能力[23],具有顯著加快畜禽的生長速度、防病抗病、減少飼料用量和提高瘦肉率等作用[24]。雖然目前生態飼料存在相對成本較高、配方研究和加工工藝缺乏等不足[25],但是生態飼料對推動農業可持續發展的重要意義毋庸置疑,無公害的生態飼料生產將有利于養殖源頭污染的高效控制。

3.2低污染零排放的生態養殖技術

生態養殖是一種以低消耗、低排放、高效率為基本特征的可持續畜牧業發展模式。發酵床養豬技術是結合現代微生物發酵技術提出的一種環保、安全、有效的生態養豬方法[26],其基本模式是將鋸末、谷殼、玉米秸稈等農副產品作為墊料,利用固體發酵劑對墊料建堆發酵,然后鋪進豬舍形成墊床。豬糞尿直接排放在墊料上,迅速被墊料中的有益微生物分解轉化,整個飼養過程達到零排放、無臭味、無污染。

唐建陽等[27]研究了不同養殖方式下的仔豬行為特征,結果表明，發酵床養殖的仔豬,探究行為明顯增加,爭斗行為減少,同時營養指數和健康指數都高于傳統方式飼養的仔豬。此外,相關的研究表明,利用發酵床養豬有利于仔豬食用和感官品質的提升[28-29]以及豬舍內NH3和H2S氣體濃度的降低[30]。因此發酵床養豬模式是一種經濟效益、環保效益俱佳的新型養豬模式,值得在農業面源污染控制的實踐中推廣應用。

3.3以發酵墊料為主要原料的生物腐殖酸肥料加工技術

廢棄墊料富含腐殖酸、有益微生物和作物所需的豐富營養成分(N、 P2O5和K2O養分之和大于等于7%),是一種具有潛在價值的資源。廢棄墊料資源化利用的原則是“因地制宜、因量選型”,可以將廢棄墊料作為食用菌培養基的主料,或經簡單粉碎加工后作有機肥。黃義彬等[31]將發酵床墊料堆肥30 d腐熟后,pH值和有機質、全氮、全磷、總養分的質量分數分別達到7.2、37.8%、2.5%、3.7%和7.6%,達到了中國農業行業標準中關于有機肥料的相關規定。廢棄的發酵床墊料被評定為可生產綜合有機肥的安全肥源[32]。本課題組測試了模擬降水條件下不同肥料對養分流失的影響,結果表明,配施生物腐殖酸后,化肥、普通有機肥、生物有機肥所產生的徑流量污染分別降低了9.2%、9.7%和17.5%;TN流失分別降低了27.8%、42.2%和50.1%;COD流失分別降低了36.6%、20.7%和16.4%。可見,以發酵墊料為原料的生物腐殖酸肥料不僅具有豐富的營養價值,而且還能有效減少農田徑流中的污染物,具有可觀的環境效益。

3.4控制農田養分流失的生態種植技術

3.4.1采取農藝措施

秸稈覆蓋能顯著減少地表徑流73.9%～86.2%,其減少養分流失和增加產量的效果均優于地膜覆蓋[33]。黃豆和玉米壟間作更能降低養分流失,對坡耕地均能不同程度地截留土壤和氮磷[34]。此外,平衡施肥能促進植物對土壤中各種養分的均衡吸收,減少氮磷流失和徑流量,可很好地從源頭控制農田的養分流失[35]。

3.4.2控制灌排模式

3.4.3改善施肥體系

應用測土配方施肥體系,建立氮、磷、鉀等養分平衡的優化施肥模式;結合當地土壤肥力情況,調整施肥結構和施肥方式,實現農田養分科學管理,以達到控制養分流失的目的。應用緩控釋肥后,肥料利用率可提高30%以上,大大減少化肥使用量[38]。控失肥是利用固定化技術制成的養分控失劑，多項應用試驗表明,控失肥可提高作物產量和生產效益,同時可提高肥料利用率[39]。

總之,控制農田養分流失,應綜合考慮當地的降雨徑流情況、耕地類型、種植模式及耕作方式等因素,采用多種生態種植技術。

3.5農村生活污水原位消納與循環利用技術

量大而面廣的農村生活污水已成為影響水質的主因,研究和開發高效除污的處理方案,采用因地制宜的技術措施,是控制農村生活污水污染的有效途徑。對于居住較分散、難以布設管網的地區,可以采取厭氧/好氧—仿生態塘高效處理技術。該技術在巢湖市大湯村的示范效果較好,日處理污水180m3(3000余人生活污水),TN、TP去除率均達到60.0%;對居住集中的地區,采取“戶用污水—分散收集—分散厭氧—集中輸送—布水池—集中多級土地處理—出水”處理技術,在巢湖市電廠新村的示范區中,日處理污水200m3,COD、TN、TP去除率分別為62.5%、47.9%、70.0%;此外,還可根據污水的排放特征和氣候條件等,采取生物與生態相結合的“厭氧—缺氧調節—跌水接觸氧化—植物濾床”等其他技術措施[40-41]。

圖1　生態農業產業園技術體系

3.6生態農業產業園區規劃與建設技術

在前面各項關鍵技術的基礎上,筆者提出生態農業產業園的技術體系,見圖1。具體來說,在現有養殖、耕種產業的基礎上,圍繞發酵床生態養殖基地,建設面積達333～667hm2的生態農業產業園,構建農業循環產業鏈。在產業鏈上游,大力發展微生態產業,研制無公害生態環保飼料,提高飼料的利用率,減少有機質和重金屬的危害;同時,利用多種來源的廢棄物,如秸稈、鋸末、稻草等,生產加工發酵床墊料,開展墊料替代化研究,采取優化配置方案,以解決有機廢棄物難處置的問題。在養殖過程中,為生豬添加口服益生菌劑,改善豬腸道的微生態環境,營造無臭無味的養殖空間。在產業鏈下游,構建肉聯廠、毛皮加工廠等生豬屠宰及深加工產業,建立市場銷售網絡,提高產品附加值;同時,將養殖產生的廢棄墊料資源化利用,生產高品質生物有機肥,變廢為寶,并利用產業園體系內的種植基地來生產無公害綠色食品,包括果蔬、茶葉、大田作物和食用菌等。此外,隨著循環產業鏈體系的完善,可以將其作為對外示范樣板,帶動農業觀光旅游業的發展。

綜合來說,利用生態農業產業鏈技術構建生態環保產業園區,在“種—養—加—生”循環一體化的產業鏈技術體系中實現養分、食物鏈的循環延伸,將污染控制與資源利用一體化,是一種有效的農業面源污染控制的途徑,可以實現水資源保護與經濟效益的雙贏。

4結論與展望

農業面源污染已成為中國現代農業發展的瓶頸,是造成當前水環境污染的最主要原因。利用生態農業產業鏈技術構建“種—養—加—生”循環一體化的生態園區,是改善農業面源污染狀況的有效方法。在生態農業產業鏈條中,在不同的環節因地制宜地選擇適合的技術類型,從源頭、過程和末端等不同階段齊力控制。在種植方面,推廣科學合理的農藥化肥使用技術,提倡生物腐殖酸有機肥的推廣和應用;在養殖方面,從生態飼料無害化的源頭把控,實施種養區域平衡,力爭物質循環利用;在農產品加工方面,充分利用各個環節中的廢棄物,開展生態飼料、生物有機肥等的加工,實現資源再生和鏈條循環;在農村生活污染方面,結合實際情況選擇適合的技術實現污水的原位消納與循環利用,最終實現水資源的保護和水環境的改善。

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