农田尾水污染治理策略研究进展

黄晓龙，于艳新，丁爱中，郑 蕾，豆俊峰，潘成忠(北京师范大学水科学研究院，北京 100875)

目前对于河流治理的思路趋向于多元化，在寻求应对突发水体污染事件快速解决办法与水体环境恶化有效治理的同时，关注点逐渐转向污染源的分析与控制。农业面源污染造成的河流生态环境问题很大程度上源于携带有大量营养物质与农药残留的农田尾水未经任何处理，通过多种途径进入河道，严重破坏河流生态系统[1]。联合国粮食与农业组织(FAO)的调查研究结果显示有近一半的灌溉水会最终进入地下含水层与河流[2]。由灌溉水转化而来的农田尾水一般水质较差，既不利于水资源的潜在二次利用，其污染输出也会严重影响受纳水体质量。

相比于国内只考虑农田开放性地表径流的传统渠道排水，国外普遍采用农田地下排水方式管理农田尾水，水量排放与水质输出更为集中，尾水排放管理与治理具有很强的可操作性，有利于研究成果的实现以及政府根据环境需求制定政策，并提出农田管理的指导性建议。国外对于农田尾水的控制与治理研究开展较早，成果主要集中在治理措施实验性研究及其改进建议、治理措施效果模型模拟、农业区管理与环境政策制定等方面；国内研究停留在对于农田尾水危害的探讨[3,4]以及一些参照国外案例进行的场地实验，缺乏对农田尾水最新研究进展系统而全面的总结。

1 农田尾水产生过程与各阶段管理措施

农田尾水是指农田中流出的地表径流水，属于农田中的过剩水分，其来源主要有灌溉过剩水、降雨、地下水的补给等多种[5]。农田尾水不仅带走了农田中颗粒态和水溶态的养分，降低了土壤肥力和化肥的利用效率，并且通过受纳水体的运移作用直接或间接地导致水体的富营养化[6]、水体缺氧[7]等水质恶化问题，与此同时，水稻种植区的农田尾水会对其排泄河流的流动变化规律产生较大影响[8]。

农田尾水污染物的在进入河流之前需要经历3个阶段[9]：农业输入阶段，污染源管理阶段与污染物运移管理阶段，如图1所示。在农业输入阶段主要为饲料、牲畜粪便和肥料进入农业单元；污染源管理阶段包括：上一阶段的物质输入转化为作物成分并被收割，进入土壤的部分被土壤吸附、固定与矿化，少部分进入地下水或随地表径流进入下一阶段；运移管理阶段包括地表径流携带物质进入河流，淋滤物质通过大孔隙优先流、瓦流和地下水进入受纳河流水体。各个阶段可采取的农田管理措施及N、P流失对该措施响应(增加流失/中立/减少流失)见表1。

图1 农田尾水产生过程与阶段划分Fig.1 Process of the agricultural tailwater generation and stage division

表1 各阶段农田管理措施及N、P流失对该措施响应Tab.1 Agricultural management measures in each stage and their effect on nitrogen and phosphorus loss

2 农田尾水污染治理策略

2.1 建设农田地下排水系统

地下排水系统是有效防止灌溉土地盐碱化、提升农作物产量和降低地下水位的一项被普遍应用的农业技术措施。相比于明沟排水，具有排水效果好，有效控制地下水位，节省土地，减少维护费用等特点。农田地下排水系统加强了土地可操作性、提升了土壤通气性、为微生物活动提供了便利条件，同时可以有效减少作物疾病、土壤侵蚀与地表径流[10]。然而，地下排水系统会加速硝态氮向河流水体的运移，因此地下排水水质水量的监测与模拟对于评估农业管理措施对地表水与地下水的影响是十分必要的。

文献中的大量监测研究集中于排水间隔与深度、化肥施用量、作物轮作与气候变化对于地下排水水量与水质的影响。研究者普遍认为地下排水之所以可以加速硝态氮流失主要是由于地下排水对土壤剖面硝态氮的拦截作用。但事实上，农田硝态氮的流失很大程度上由土壤类型、地形、气候、排水系统设计与耕作实践等当地耕作条件决定。地下排水系统的终端水量控制依靠农田控制排水系统，水质控制依靠终端人工湿地系统等或农场灌溉储罐等尾水回用系统[11]。农田控制排水，又称农田地下排水管理，是利用在地下排水管道终端设置水位控制结构来减少地下排水与氮素流失的一种排水设计。赵国学在地下排水管理影响研究中设置了控制排水、浅排水、传统排水和不排水4种处理的对比，结果显示控制排水与浅排水管理措施可以有效减少排水量与硝态氮流失[12]。

地下排水系统对其流出物的水质水量的影响可以通过多种计算机模型进行模拟。针对地下排水系统的研究中，DRAINMOD-NII、ADAPT、RZWQM、SWAT、DSSAT是5种根据不同的土壤类型、气候条件、排水系统设计和耕作实践预测农田排水营养物质流失与污染物排放的模型[11,13-15]。作为农田地下排水的发起人之一，R.W. Skaggs早在1998年应用DRAINMOD-N模型研究排水系统设计与管理对于作物产量，收益，与硝态氮流失的影响，他指出作物产量目标应该与水质目标兼顾，在地下排水系统设计过程中，充分考虑排水深度，铺设间隔，地面条件这3项要素[16]。Ale等人分别利用DRAINMOD-NII和ADAPT模型对地下排水系统结构设计与管理策略对于农田排水氮素流失作用进行评估，并用于缓解墨西哥湾水体缺氧状况的补救措施开发[11]。

地下排水现阶段主要在欧美国家应用，由于其基础建设投资较大且需要一定运行与维护成本，在国内的与其他地区虽然开展过试验研究，但未能得到广泛应用。用于解决农田尾水问题的排水系统的配套建设既需要地下排水设施的改造，也需要开展生态处理工程集中处理尾水污染物。

2.2 开展生态处理工程

应用于处理农田尾水的工程性措施主要有人工湿地、生态滤池、土地渗滤系统、生态沟渠与缓冲带等，其中研究开展最多也最常用的是人工湿地。大多数研究案例中，农田尾水工程性处理措施的效果的研究一般追求较高的污染物削减百分比，然而，以治理后水质目标为措施效果衡量基准的研究也正在被采纳，说明基于污染物去除所需要达到的水质标准来制定最合适的处理方案将成为未来发展趋势。

2.2.1人工湿地

人工湿地作为综合的生态系统，在促进废水中污染物质良性循环的前提下，充分发挥资源的生产潜力，防止环境的再污染，以获得污水处理与资源化的最佳效益，一直以来都是污水处理与污染治理领域的研究热点。人工湿地的应用前景逐渐由工业废水、污水治理转向农业面源污染治理，其处理效果与工艺改良方面的研究也逐步加入景观要素，并针对具体治污实践目标采取多样化的组合结构[17]。目前人工湿地治理农田尾水处理污染物类型主要集中在以N、P为主要控制元素的营养物质、农药、杀虫剂与消毒副产物前体、细菌性污染物等。

为了在工业与农业废水中取得较高的TN去除率，自由水面人工湿地和多级人工湿地也会被纳入混合湿地系统使用。美国加利福尼亚州结合水资源管理措施开展了7组对比设计表流湿地系统，研究表明连续式进流湿地比脉冲式进流湿地去除效果更好，水分蒸腾、下渗过程、植被特征与水力停留时间是影响污染物浓度与负荷的关键因素[18]；Krone等人在湿地处理农田地表径流中的高水溶性杀虫剂的研究中应用具有贝叶斯结构的多釜串联模型评估湿地杀虫剂削减效果[19]；人工湿地亦可对农田退水中的三卤甲烷等消毒副产物前体进行处理[20]；由细菌性病原体引发的水质劣变是加利福尼亚农田灌区流域地表水恶化的主要原因之一。灌溉作物产生的地表径流严重影响了河流的细菌负荷指标与病原体微生物指标，然而利用湿地处理系统可以滞留并去除80%以上的细菌性污染物[21]。曹笑笑对人工湿地净化农田退水的工艺设计进行研究，所设计的好氧潜流人工湿地具有垂直流和水平潜流的优点，在解决了水平潜流占地面积过大问题的同时，充分发挥了垂直流出众的处理效果，其污染处理效率优于单一人工湿地模式[22]。

2.2.2生态滤池

作为农田尾水处理终端，生态滤池的渗滤介质可以对尾水进流产生滞流作用，为随后的水分蒸腾提供时间，平均可减少33%的径流量，其截流作用对于水量控制的贡献最为突出。在生态滤池中，植被对于保持水流容量起到重要作用，因为作物根系的生长和衰老可用于对抗渗滤系统介质的压缩与堵塞，绝大部分悬浮固体和重金属污染物可以被有效去除。相对而言，N和P的去除随着生生态滤池设计结构的变化差异较大，现阶段研究也着重对有利于去除N、P污染的系统重构进行。在Bratieres等人的研究中，上覆植被种类、渗透深度、渗透介质、渗透面积、进流污染浓度作为测试因素，被整合成125种测试组合分别接受最优化测试，结果表明植被选择对于N的去除至关重要，添加有机质对P的去除效率有很大提升[23]。

2.2.3土地渗滤系统与生态沟渠

土地渗透系统通过土壤-植物系统的天然净化能力使农田尾水得到净化和再生，污水中的高有机物含量在初始阶段会导致一部分土壤堵塞问题并阻碍渗滤场地的正常排水，但通过在污水浇灌过程中适当减少水力负荷来加速土壤疏干解决这一问题。研究者采用以河砂、粉煤灰、钢渣和煤渣为渗滤介质的人工快速地下渗滤系统处理农村生活污水中的氮磷污染物，在水力负荷为1.6 m/d条件下，处理效果显著[24]。

在包含作物灌区的流域内，农业区构建生态沟渠系统的主要控制作用包括加速田间水分和溶解性营养物质的运移、沟渠内水分滞留与营养物质循环作用和植被对于N、P的吸附与释放作用、减少植被与沉积物中除草剂、改善土壤侵蚀与土壤中营养物质的流失状况等，沟渠中与沟渠边缘的植被可作为潜在的饲料源和生物量源[25]。在室内构建生态沟渠和自然沟渠两种沟渠对农田排水中氮磷的拦截效果的研究中，植物生态沟渠对农田排水中氮磷的拦截效果明显好于自然沟渠，其高效去除机理主要表现在植物的吸收，基质和底泥的吸附等方面[26]。

2.3 制定农田管理措施

从现实角度考虑，在降低农田污染扩散风险的同时，应努力提升农业经济效益才能够带动其可持续发展。欧盟水框架指令(WFD)提出，对于农田过度营养物质输入到受纳水体的控制与管理是一项重要的环境政策挑战[27]。因此，对于农田尾水污染问题的解决，一方面需要在其产生后寻求有效的硬性处理措施，另一方面更应该加强农田管理，以科学研究成果作为农田灌溉、施肥、作物选择、耕作方式等活动的指导准则，要求政府部门提出更为合理的农田管理建议，并采取一些政策性管理措施促进农田尾水污染的隐性削减。

在农田尾水水质水量对灌溉管理改良措施实施的响应机制研究中，灌溉补贴拨款、以需求为导向的灌溉、用水量账单式管理这三项灌溉改良措施使巴德纳斯运河第五灌区获得26%的用水效率提升，最终使得农田尾水对于受纳河流的排放输出在水量、盐度、氨氮三项上分别减少13%、20%、24%，改善了当地农田尾水受纳水体的水质[2]。Lang等人在研究中利用逐步回归分析法验证了渠道水位管理、甘蔗面积比例、休耕与浸没区域面积比例与灌溉水P浓度是影响农田P负荷的主要原因，并提出采用低抽水灌溉自然降雨灌溉比，增加甘蔗种植面积，含磷量低的灌溉水等措施会降低农田P负荷[28]。化肥与种子投放存在巨大的潜在节约成本，低效生产者可以对比高效生产者的措施，减少化肥与种子投放并得到相同的作物产量，畜牧农场平均潜在成本节约可达44.8～48.5欧元/hm2，耕田可达38.9欧元/hm2，可谓是经济效益与环境效益的双重红利[27]。

在我国施肥过量问题及不合理的水肥管理方式导致的水肥利用率低下是造成农田氮磷大量流失的主要原因。因此，作为农田管理措施的主要改进对象的灌溉与施肥过程很大程度上决定了农田尾水的氮磷输出。为了从源头上有效控制农田尾水污染，研究者分别针对施肥、灌溉以及水肥耦合3个方面提出不同的农田管理措施。测土平衡配方施肥可以精确把握作物营养需求从而降低化肥损失，其配合平衡施肥管理措施可以避免在作物生长早期大量施用氮肥，提高肥料利用效率。现阶段不断得到推广应用的各类节水灌溉模式，其作用不仅体现在水资源的高效利用与作物增产，亦可作为减少农田氮磷流失的重要手段[29]。武继承等人提出的以合理养分配比和补充灌溉为代表的“灌溉-施肥”耦合措施在充分发挥水肥的增产作用的同时，可以显著提高水肥利用率[30]。叶玉适采用干湿交替节灌与树脂包膜尿素施用相结合的水肥管理方式可以大幅提升水肥利用效率，节水增产效果明显，并且在农田污染的减排方面发挥重要作用[31]。

3 农田尾水水量预测与水质实时监测

提高灌溉效率的关键是灌溉系统中农田尾水的控制与二次利用农田尾水，而农田尾水调控管理与治理措施的基础是尾水水量的估算与预测，现阶段主要采用建立模型的方法来解决这一问题。根据不同的灌溉条件以及对土壤特性，有层次结构模型，水力数学模型等办法。H.K.Kim等人在考虑土壤含水量的情况下以模型方式估算农田尾水水量，该预估模型有利于农业用水控制，并且在不同水力条件与农水管理运作条件下相对准确地预估农田尾水[32]。

农田尾水水质监测对于农田尾水的治理与管理虽无直接作用，但却意义重大。治理措施的选择与管理政策的制定表面上看到的是水体质量的改观，但离开水质监测，这种效果将很难实现或难以维持。对于农田尾水等非点源污染的准确评估与治污策略的评价也要依靠有效的水质监测项目作为支撑。在水质监测策略评价中，统计分析方法起到很重要的作用，也为水质监测方案的发展框架加入了成本效益分析的内容。管理者和农业从业者在开展监测项目时，需要考虑文献的背景条件、识别水质超标成分、削减策略的有效性、是否在经济上可行这4方面内容。Brauer等根据营养物浓度、盐度、浊度在短时间尺度上的时空变异性以及在月平均浓度与年平均浓度上的显著变化等水质监测数据的时空变化规律研究最优化水质监测方案, 在不影响监测的准确性前提下减少采样数量，其提出的采样优化方法值得借鉴[33]。

4 结论与展望

随着国内外对于河流污染治理认识的加深，所采取的治理方式将多样化，并开始重视污染源的拦截与控制。河流生态环境的健康不能依靠“头痛医头脚痛医脚”，而应该采取“标本兼治”的手段，避免河流陷入“污染-治理”反复循环的怪圈。农田尾水具有的污染发生随机性、污染机理复杂性、排放方式不确定性、污染负荷时空差异性及污染影响广泛性等诸多特点决定其控制与治理绝非一日之功。笔者针对农田尾水治理策略及其应用提出以下几点展望：

(1)水质处理与水量控制相结合。只关注水质提升而忽略农田尾水水量的控制依然无法实现污染物输出总量控制的最初设想，水量控制的关键在于发挥农田管理措施的积极作用来提高灌溉效率。在未来研究中，作为治理策略的研究基础，农田尾水水量预测和水质监测必须得到重视。

(2)工程手段与管理手段相结合。虽然工程手段治理农田尾水可以得到立竿见影的效果，但从经济角度与可持续发展角度来看，在政府政策引导下以优化作物结构、改进灌溉制度、改变耕作方式等为代表的农田管理措施正在日益得到重视。虽然单项管理手段对于污染的削减相比工程措施有很大差距，但其积累效应不容忽视，多管理手段与一定的生态工程手段相结合形成的控制体系将会发挥巨大作用。

(3)多角色由角力向合力转变。农业从业者，政府决策者和科学研究者看待农田尾水治理的角度和出发点各不相同，经济利益与环境效益的冲突是治理农田尾水的最大壁垒，今后的研究中要尽量将纳入现实因素而不应一味追求环境效益的最大化，尊重各方利益的前提下寻找经济利益与环境效益的契合点才有助于问题的解决。笔者认为，在农田管理措施得到农业从业者认同并充分实施的前提下，由政府出资建立农田尾水处理终端，开展尾水水量预测与水量监测，形成这种多方合作的农田尾水管理与控制体系才能走出困境，真正解决农田尾水的污染问题。

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