现代农业的发展离不开化肥和农药的高投入, 据统计^{[3, 4]}, 我国化肥施用量逐年呈递增趋势。1980-2014年期间, 化肥施用量平均以每年 10%的速度增加, 2014年的化肥施用量比1978年增加了578.27%(图1); 单位耕地面积的施肥量也呈递增趋势, 从1978年的88.94 kg· hm^-2递增至2013年的437.39 kg· hm^-2, 增加了391.78%(图2), 远远超过发达国家设置的安全施肥标准(225 kg· hm^-2)^[2]。长期施用化肥导致土壤酸化、板结, 土壤微生物的数量和活性降低, 土壤结构破坏, 加上化肥的利用率并不高(N、P、K利用率仅为30%~35%、10%~20%和35%~50%^[1]), 进入附近水体易造成水体富营养化和水生生态系统失衡。

图1

Fig. 1

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	图1 1978-2014年中国化肥施用量Fig. 1 Fertilizer use in China in 1978-2014

图2

Fig. 2

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	图2 1978-2013中国单位耕地面积化肥施用量Fig. 2 Fertilizer use per unit area in China in 1978-2013

1990-2012年期间, 除2010年农药施用量降低外, 其它年份农药施用量均呈增长趋势^[3]。1990年全国范围内农药施用量仅为73.3万t, 到2012年增长至180.6万t, 增长了1.5倍(图3)。在这些施用的农药中, 高毒农药占农药施用总量的70%^[1]。据报道, 目前我国农药利用率也仅为30%左右, 未被农作物吸收的部分使我国1 300~1 600万hm²耕地受到严重污染^[2]。虽然自1983 年起我国全面禁用有机氯农药, 但一些地区六六六(六氯化苯, C₆H₆Cl₆)和DDT[双对氯苯基三氯乙烷, (ClC₆H₄)₂CH(CCl₃)], 土壤最高残留量仍在1 mg· kg^-1以上。同时, 农药的过量使用也导致各种农牧产品农残检测超标, 产生食品安全问题; 还会对非靶心生物产生毒害作用, 使有害生物的天敌减少, 生物多样性丧失, 破坏生态平衡。

图3

Fig. 3

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	图3 1990-2012年中国农区农药施用量Fig. 3 Pesticide use in China in 1990-2012

1980-2014年, 畜禽粪便排放量从11.2亿t增加至15.4亿t, 增加37.66%, 畜禽粪污的化学需氧量 (chemical oxygen demand, COD)、生物需氧量(biochemical oxygen demand, BOD)和铵氨氮(N H4+-N)排放量同比增加36.3%、37.4%和30.3%(表1)。畜禽养殖业废弃物中的N、P是造成污染流域水体N、P富营养化的最主要原因^[6]。据2014年中国环境状况公报^[7]统计, 2014年太湖和巢湖流域Ⅳ 水质(适用于一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区)占主要比例, 分别为90%和50%, 滇池10个国控点水质均为劣Ⅴ 类(污染程度已超过Ⅴ 类的水)。太湖流域源于农田面源、农村畜禽养殖业、城乡结合部城区的全磷、全氮分别为20%、32%、23%和30%、23%、19%, 其贡献率超过来自工业和城市生活的点源污染^[8]。在农村水源污染中, 城市污水和农业污染各占50%, 其中农业废弃物污染占35%~40%, 化肥污染占10%~15%^[9]。2014年我国来自农业源的废水化学需氧量和氨氮排放量分别为1 102.4万t和75.5万t, 是工业源的3.54倍和3.25倍^[6]。而在农业源的污染物排放中, 畜禽养殖业的贡献率占了相当大的比重。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 1980-2014年中国畜禽排污量(万t) Table 1 Livestock emissions in China in 1990-2014 (× 104t) 年份 Year 粪便排放量 Stool emissions 尿排放量 Urine emissions 化学需氧量 Chemical oxygen demand 生物需氧量 Biochemical oxygen demand 铵氮 N H4+-N 1980 111 831.4 446 511.7 6 405.52 5 040.96 1 454.69 1985 124 492.0 507 055.2 7 301.84 5 729.01 1 706.22 1990 144 088.0 584 918.5 8 314.97 6 505.01 1 948.19 1995 177 531.8 718 347.7 10 174.13 7 956.61 2 377.19 2000 167 141.3 688 167.7 9 754.76 7 637.42 2 262.50 2005 157 190.6 673 094.0 9 513.46 7 443.00 2 209.19 2010 153 303.9 621 292.9 8 888.22 7 004.22 1 989.10 2011 151 779.8 60 1601.1 8 767.15 6 953.13 1 918.53 2012 152 077.0 59 3687.7 8 678.33 6 892.76 1 885.62 2013 152 155.1 59 3323.1 8 680.93 6 900.71 1 875.55 2014 153 941.9 600 682.1 8 728.72 6 925.46 1 895.26 Note:Livestock pollutants calculated using formulas from the book “ Livestock Pollution Control Technology and Policy[5], ” and animal husbandry data amount are from China Rural Statistical Yearbook 2013[3]. 注:畜禽污染物产生量的数据根据《中国农村统计年鉴2013》畜牧业主要畜禽饲养量[3]和《畜禽养殖污染防治技术与政策》[5]中有关公式计算而得。

表1 1980-2014年中国畜禽排污量(万t) Table 1 Livestock emissions in China in 1990-2014 (× 104t)

农业有机废弃物含有大量的营养物质, 可用作为肥料满足植物的生长, 因此几乎所有的草本植物均可应用于该类污染的治理。但是, 农业环境污染具有典型面源污染的特征, 所以在农业面源污染治理过程中宜选用生物量大、能大面积栽种和推广的草本植物。目前用于治理农业废弃物污染的常见植物有狼尾草(Pennisetum alopecuroides)、多花黑麦草(Lolium perenne)、香根草(Vetiveria zizanioides)、红萍(Azolla imbircata)、水葫芦(Eichhornia crassipes)等(表2)。此外, 一些具有观赏价值的水生植物对富营养化水体也有明显的净化作用^[10], 因此也可应用于小面积面源污染的治理。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 几种应用于农业面源治理的常见植物 Table 2 Common plants for controlling agricultural non-point pollution 植物名Plant name 治理效果Controlling effect 水葫芦 Eichhomia crassipes 为浮水植物, 适宜于在农业面源污染水体的治理。其对水体中的N H4+-N去除率在75%以上[10], 还能吸收和吸附水体中的重金属铅、铬等, 且根中含量高于茎叶[11]。 E. crassipes is suitable for controlling sewage from agricultural non-point pollution as a floating plant. It removes more than 75% N H4+-N in sewage and absorbs heavy metals such as Pb and Cr in sewage with content in roots being higher than that in stem and leaves. 红萍 Azolla imbircata 为浮水植物, 适宜用在农业面源污染水体的治理。对N H4+-N去除率在9.9%~38.9%, 对全磷的去除率在5.8%~38.4%[12], 能去除水体中的镉、铬、铜、锌等重金属[13]。 A. imbircata is suitable for controlling sewage from agricultural non-point pollution as a floating plant. It removes N H4+-N (9.9% to 38.9%), total phosphorus (5.8% to 38.4%), and heavy metal including Cd, Cr, Cu, and Zn from sewage. 香根草 Vetiveria zizanioids 为多年生禾本科植物, 可通过建植栽培草地或种植于人工湿地浅水区治理农业面源污染。对养殖废水中的全氮、硝态氮(N O3--N)、全磷的净化效果均在70%以上[14], N H4+-N去除率为100%[15]。对重金属镉具有较强的耐性和富集能力[16]。 V. zizanioids is suitable for controlling sewage from agricultural non-point pollution when planted in grassland or artificial wetland as a perennial grass. It removes more than 70% total nitrogen, nitrate nitrogen (N O3--N), and total phosphorus. It also has strong tolerance and enrichment ability against Cd. 多花黑麦草 Lolium multiflorum 为一年生冬季禾本科植物, 可通过建植栽培草地或种植于浮床治理农业面源污染。对全氮的去除率为70%, N H4+-N去除率72.1%, N O3--N为75%, 全磷为 71.6%[17]。 L. multiflorum is suitable for controlling sewage from agricultural non-point pollution when planted in grassland or floating bed as the annual winter grass. It removes more than 70% of total nitrogen, 72.1% of N H4+-N, 75% of nitrate nitrogen (N O3--N), and 71.6% total phosphorus. 狼尾草 Pennisetum alopecuroides 为多年生禾本科植物, 可通过建植栽培草地或种植于人工湿地浅水区治理农业面源污染。对废水中全氮、全磷和化学需氧量去除率分别为28%~38%、60%和50%~60%[18]; 每年能消纳养殖场废水中的TN 0.310~0.467 g· m-2, TP 0.273 ~0.315 g· m-2[19]。 P. alopecuroides is suitable for controlling sewage from agricultural non-point pollution when planted in grassland or artificial wetland as a perennial grass. It removes 28%~38% of total nitrogen, 60% of total phosphorus, and 50%~60% of chemical oxygen demand. Further, it absorbs 0.310~0.467 g· m-2 total nitrogen and 0.273~0.315 g· m-2 total phosphorus in farm sewage yearly.

表2 几种应用于农业面源治理的常见植物 Table 2 Common plants for controlling agricultural non-point pollution

农业环境污染治理常用的生态技术措施包括沟渠系统、缓冲草皮带、生化塘及人工湿地系统等, 其中草本植物是这些污染治理系统的重要组成部分, 它能吸收农田径流中过剩的氮、磷营养元素及重金属和有机氯、磷等有害元素, 使水体得到净化。

2.2.1 生态沟渠 生态沟渠是一种具有河流和湿地双重特征, 用于治理农业面源污染的小型半自然化的水文生态系统, 常设于农田周边, 用于拦截农田排水中的氮、磷。人工种植绿色植物的生态沟渠对农田排水中氮、磷的拦截效果明显高于未种植植物的沟渠。如, 种植多花黑麦草的生态沟渠对水稻田排水中的铵态氮、硝态氮、全氮和全磷都有较强的降解能力^[21]。水生植物茭白(Zizania latifolia)和菖蒲(Acorus calamus)不仅能吸收一部分N、P, 还可增强沟渠对N、P的截留效果^[22]。生态沟渠中植物种类对水体中的N、P去除效果也存在差异。余红兵等^[23]研究了5种植物水生美人蕉(Canna glauca)、铜钱草(Hydrocotyle vulgaris)、黑三棱(Sparganium stoloniferum)、狐尾藻(Myriophyllum verticillatum)和灯心草(Juncus effusus)对农田排水沟渠中氮、磷吸收效果的影响, 结果表明, 单次收割5种水生植物可带走水体中7.40~28.23和1.13~4.49 g· m^-2的氮和磷, 其中水生美人蕉效果最好, 全年可带走的总氮和总磷量分别为20.34~109.12和3.41~17.95 g· m^-2。茭白和菖蒲能明显促进系统对氮、磷的截留和转化作用, 其中菖蒲对磷的吸收能力要强于茭白^[24]。水生植物对N、P去除效果与植物根系深度存在相关性, 一般来说水生植物根系越深, 氮去除率也越大。蕉草(Nymphoides aquatic)、芦苇(Phragmites communis)和香蒲(Typha orientalis)的根深度分别为76、60和30 cm, 这3种草对氮的去除率分别为94%、78%和28%^[25]。

2.2.2 草皮缓冲带 草皮缓冲带是建在河滨岸边用以截留陆域面源污染、改善河道水质的一种由植物组成的草地生态系统, 其通过植物生长吸收、输送溶解氧、提供生物栖息地、疏松土壤、滞缓径流、调节微气候等功能来实现对面源污染防治和生态恢复作用, 因此草种的选择及草皮缓冲带的构建将直接影响滨岸缓冲带面源污染的防治效果。暖季型草坪草百慕大(Cynodon dactylon)、白三叶 (Trifolium repens)和冷季型草坪草高羊茅(Festuca arundinacea)3种草皮缓冲带能截留73%以上农田径流中的悬浮物, 对全氮、N H4+-N、全磷净化效果均显著^{[26, 27]}。冰草(Agropyron cristatum)、酢酱草(Oxalis corniculata)、披碱草(Elymus dahuricus)、白三叶4种草皮缓冲带对农田径流中总氮的平均去除率在30%以上, 对悬浮物的平均去除率达73.6%^[28]。苏天杨等^[29]研究了冰草、高羊茅(Festuca elata)、披碱草、紫花苜蓿(Medicago sativa)4种草皮缓冲带对渗流水中全氮、全磷的净化效果, 结果表明, 4种缓冲带对全氮的平均去除率在60%以上, 对全磷的平均去除率达79.3%。草皮缓冲带去面源污染的拦截作用与植物类型、草皮宽度有关, 由于农业土地资源有限, 为了达到治理面源污染最佳效益, 应构建最适宽度和植物配置的草皮缓冲带^{[29, 30]}。

2.2.3 人工湿地 人工湿地是一种利用“ 基质+水生植物+微生物” 的物理学、化学、生物学三重协同作用, 人工形成的沼泽地、湿原、泥炭地或水域地带等水文生态系统, 其中挺水植物是人工湿地最重要的组成元素之一。有研究^[31]表明, 植被在人工湿地系统中去除COD和全氮过程中有着重要的作用, 石菖蒲(Acorus gramineus)植被人工湿地对COD和全氮平均去除率为80.46%和77.77%, 灯心草(Juncus effusus)植被人工湿地为75.53%和71.17%, 蝴蝶花(Iris japonica)植被人工湿地为70%、53%和66.38%, 显著高于无植被的人工湿地。与人工湿地(河沙)相比, 种植植物的人工湿地(河沙植物)对水体中的COD、全氮、NH₄-N和全磷的去除率分别增加20%、14%、17%和5%^[32]。人工湿地中植物直接去除污染物的量较低, 其主要通过稳定床体表面、改变水力传导能力、防止系统堵塞、促进微生物的生长繁殖、创造生物共生条件、向基质中释放氧气及景观美学作用等发挥作用^[33]。有研究^[34]表明, 人工湿地中依靠植物生长同化吸收污水中的氮磷贡献较小, 只占全部去除量的2%~5%, 但植物在维持系统内微生物生长、系统稳定性、运行效果等方面作用显著^[35]。当然, 湿地植物对污染物的去除能力与植物种类、植物净生长量、单位生物量的污染物蓄积强度也有关系^{[36, 37, 38]}。

植物在农业面源污染治理过程中发挥着重要的作用, 其通过自身生长吸收一部分污染物, 还可通过与微生物、环境介质的共同作用固定、截留一部分污染物, 或加速水体中氮、磷界面交换和传递, 从而使氮、磷含量快速减少。由于不同植物在面源污染治理过程中发挥作用不尽相同, 因此在农业面源污染治理的植物选择上应兼顾以下原则:1)宜选择具生命力强、对环境适应性好、根系发达、生物量大、生长迅速等特点的植物; 2)为了避免产生外来物种入侵引发的生物安全问题, 在植物选择上尽量选择乡土物种; 3)应结合农业生产实际或周边环境特性选择植物, 如在大型养殖场周围可选择种植狼尾草、黑麦草、麦类植物等消纳废水, 实现养殖场废水达标排放, 同时这些植物还可循环反馈利用于畜禽养殖。而以观赏为目的的人工湿地宜选择观赏性水生植物, 通过挺水植物、浮水植物和沉水植物的垂直搭配, 实现净化水体的目的, 同时通过观赏植物的花、叶形态增加人工湿地的观赏性。

无论是生态沟渠还是草皮缓冲带和人工湿地, 都不能算完整意义上的农业治理模式, 它们仅是农业治理模式中的一个环节或一项综合技术, 其考虑的是农业面源污染的治理, 而治理后如何运作则缺乏相应的对策, 因此在大农业体系下构建以种草为纽带的循环农业模式用于治理面源污染具有重要的意义。当前, 以种草为纽带的循环农业模式已成功应用于养殖场污染治理, 如“ 猪(牛)-沼-草” 、“ 猪(牛)-沼-果-草” 等, 其通过循环产业链的构建变养殖废弃物为宝, 在完成污染治理的同时降低生产成本, 提高经济效益。此外, 在构建循环农业模式可将生态沟渠、草皮缓冲带、人工湿地等环节合理纳入, 如在生态沟渠中种植产量大的饲草喂鱼, 在人工湿地中配置水雍菜(Ipomoea aquatica)、茭白等增加经济效益或种植牧草循环应用于养殖业, 在消纳废水的同时实现经济效益、生态效益和社会效益的有效统一。

总之, 从一定层面上讲, 农业面源污染物是放错的地方的资源, 通过将其合理利用, 必定能达到增效减排的作用, 而草本植物具有生长迅速、生物量大、繁殖系数高、抗性强等优点, 将其应用到农业面源污染的治理中, 构建以草本植物为纽带的循环农业模式, 变养殖废弃物为宝, 实现经济效益、生态效益和社会效益的有效统一。