黃曉龍，于艷新，丁愛中，鄭 蕾，豆俊峰，潘成忠(北京師范大學水科學研究院，北京 100875)

目前對于河流治理的思路趨向于多元化，在尋求應對突發(fā)水體污染事件快速解決辦法與水體環(huán)境惡化有效治理的同時，關(guān)注點逐漸轉(zhuǎn)向污染源的分析與控制。農(nóng)業(yè)面源污染造成的河流生態(tài)環(huán)境問題很大程度上源于攜帶有大量營養(yǎng)物質(zhì)與農(nóng)藥殘留的農(nóng)田尾水未經(jīng)任何處理，通過多種途徑進入河道，嚴重破壞河流生態(tài)系統(tǒng)[1]。聯(lián)合國糧食與農(nóng)業(yè)組織(FAO)的調(diào)查研究結(jié)果顯示有近一半的灌溉水會最終進入地下含水層與河流[2]。由灌溉水轉(zhuǎn)化而來的農(nóng)田尾水一般水質(zhì)較差，既不利于水資源的潛在二次利用，其污染輸出也會嚴重影響受納水體質(zhì)量。

相比于國內(nèi)只考慮農(nóng)田開放性地表徑流的傳統(tǒng)渠道排水，國外普遍采用農(nóng)田地下排水方式管理農(nóng)田尾水，水量排放與水質(zhì)輸出更為集中，尾水排放管理與治理具有很強的可操作性，有利于研究成果的實現(xiàn)以及政府根據(jù)環(huán)境需求制定政策，并提出農(nóng)田管理的指導性建議。國外對于農(nóng)田尾水的控制與治理研究開展較早，成果主要集中在治理措施實驗性研究及其改進建議、治理措施效果模型模擬、農(nóng)業(yè)區(qū)管理與環(huán)境政策制定等方面；國內(nèi)研究停留在對于農(nóng)田尾水危害的探討[3,4]以及一些參照國外案例進行的場地實驗，缺乏對農(nóng)田尾水最新研究進展系統(tǒng)而全面的總結(jié)。

1 農(nóng)田尾水產(chǎn)生過程與各階段管理措施

農(nóng)田尾水是指農(nóng)田中流出的地表徑流水，屬于農(nóng)田中的過剩水分，其來源主要有灌溉過剩水、降雨、地下水的補給等多種[5]。農(nóng)田尾水不僅帶走了農(nóng)田中顆粒態(tài)和水溶態(tài)的養(yǎng)分，降低了土壤肥力和化肥的利用效率，并且通過受納水體的運移作用直接或間接地導致水體的富營養(yǎng)化[6]、水體缺氧[7]等水質(zhì)惡化問題，與此同時，水稻種植區(qū)的農(nóng)田尾水會對其排泄河流的流動變化規(guī)律產(chǎn)生較大影響[8]。

農(nóng)田尾水污染物的在進入河流之前需要經(jīng)歷3個階段[9]：農(nóng)業(yè)輸入階段，污染源管理階段與污染物運移管理階段，如圖1所示。在農(nóng)業(yè)輸入階段主要為飼料、牲畜糞便和肥料進入農(nóng)業(yè)單元；污染源管理階段包括：上一階段的物質(zhì)輸入轉(zhuǎn)化為作物成分并被收割，進入土壤的部分被土壤吸附、固定與礦化，少部分進入地下水或隨地表徑流進入下一階段；運移管理階段包括地表徑流攜帶物質(zhì)進入河流，淋濾物質(zhì)通過大孔隙優(yōu)先流、瓦流和地下水進入受納河流水體。各個階段可采取的農(nóng)田管理措施及N、P流失對該措施響應(增加流失/中立/減少流失)見表1。

圖1 農(nóng)田尾水產(chǎn)生過程與階段劃分Fig.1 Process of the agricultural tailwater generation and stage division

表1 各階段農(nóng)田管理措施及N、P流失對該措施響應Tab.1 Agricultural management measures in each stage and their effect on nitrogen and phosphorus loss

2 農(nóng)田尾水污染治理策略

2.1 建設(shè)農(nóng)田地下排水系統(tǒng)

地下排水系統(tǒng)是有效防止灌溉土地鹽堿化、提升農(nóng)作物產(chǎn)量和降低地下水位的一項被普遍應用的農(nóng)業(yè)技術(shù)措施。相比于明溝排水，具有排水效果好，有效控制地下水位，節(jié)省土地，減少維護費用等特點。農(nóng)田地下排水系統(tǒng)加強了土地可操作性、提升了土壤通氣性、為微生物活動提供了便利條件，同時可以有效減少作物疾病、土壤侵蝕與地表徑流[10]。然而，地下排水系統(tǒng)會加速硝態(tài)氮向河流水體的運移，因此地下排水水質(zhì)水量的監(jiān)測與模擬對于評估農(nóng)業(yè)管理措施對地表水與地下水的影響是十分必要的。

文獻中的大量監(jiān)測研究集中于排水間隔與深度、化肥施用量、作物輪作與氣候變化對于地下排水水量與水質(zhì)的影響。研究者普遍認為地下排水之所以可以加速硝態(tài)氮流失主要是由于地下排水對土壤剖面硝態(tài)氮的攔截作用。但事實上，農(nóng)田硝態(tài)氮的流失很大程度上由土壤類型、地形、氣候、排水系統(tǒng)設(shè)計與耕作實踐等當?shù)馗鳁l件決定。地下排水系統(tǒng)的終端水量控制依靠農(nóng)田控制排水系統(tǒng)，水質(zhì)控制依靠終端人工濕地系統(tǒng)等或農(nóng)場灌溉儲罐等尾水回用系統(tǒng)[11]。農(nóng)田控制排水，又稱農(nóng)田地下排水管理，是利用在地下排水管道終端設(shè)置水位控制結(jié)構(gòu)來減少地下排水與氮素流失的一種排水設(shè)計。趙國學在地下排水管理影響研究中設(shè)置了控制排水、淺排水、傳統(tǒng)排水和不排水4種處理的對比，結(jié)果顯示控制排水與淺排水管理措施可以有效減少排水量與硝態(tài)氮流失[12]。

地下排水系統(tǒng)對其流出物的水質(zhì)水量的影響可以通過多種計算機模型進行模擬。針對地下排水系統(tǒng)的研究中，DRAINMOD-NII、ADAPT、RZWQM、SWAT、DSSAT是5種根據(jù)不同的土壤類型、氣候條件、排水系統(tǒng)設(shè)計和耕作實踐預測農(nóng)田排水營養(yǎng)物質(zhì)流失與污染物排放的模型[11,13-15]。作為農(nóng)田地下排水的發(fā)起人之一，R.W. Skaggs早在1998年應用DRAINMOD-N模型研究排水系統(tǒng)設(shè)計與管理對于作物產(chǎn)量，收益，與硝態(tài)氮流失的影響，他指出作物產(chǎn)量目標應該與水質(zhì)目標兼顧，在地下排水系統(tǒng)設(shè)計過程中，充分考慮排水深度，鋪設(shè)間隔，地面條件這3項要素[16]。Ale等人分別利用DRAINMOD-NII和ADAPT模型對地下排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與管理策略對于農(nóng)田排水氮素流失作用進行評估，并用于緩解墨西哥灣水體缺氧狀況的補救措施開發(fā)[11]。

地下排水現(xiàn)階段主要在歐美國家應用，由于其基礎(chǔ)建設(shè)投資較大且需要一定運行與維護成本，在國內(nèi)的與其他地區(qū)雖然開展過試驗研究，但未能得到廣泛應用。用于解決農(nóng)田尾水問題的排水系統(tǒng)的配套建設(shè)既需要地下排水設(shè)施的改造，也需要開展生態(tài)處理工程集中處理尾水污染物。

2.2 開展生態(tài)處理工程

應用于處理農(nóng)田尾水的工程性措施主要有人工濕地、生態(tài)濾池、土地滲濾系統(tǒng)、生態(tài)溝渠與緩沖帶等，其中研究開展最多也最常用的是人工濕地。大多數(shù)研究案例中，農(nóng)田尾水工程性處理措施的效果的研究一般追求較高的污染物削減百分比，然而，以治理后水質(zhì)目標為措施效果衡量基準的研究也正在被采納，說明基于污染物去除所需要達到的水質(zhì)標準來制定最合適的處理方案將成為未來發(fā)展趨勢。

2.2.1人工濕地

人工濕地作為綜合的生態(tài)系統(tǒng)，在促進廢水中污染物質(zhì)良性循環(huán)的前提下，充分發(fā)揮資源的生產(chǎn)潛力，防止環(huán)境的再污染，以獲得污水處理與資源化的最佳效益，一直以來都是污水處理與污染治理領(lǐng)域的研究熱點。人工濕地的應用前景逐漸由工業(yè)廢水、污水治理轉(zhuǎn)向農(nóng)業(yè)面源污染治理，其處理效果與工藝改良方面的研究也逐步加入景觀要素，并針對具體治污實踐目標采取多樣化的組合結(jié)構(gòu)[17]。目前人工濕地治理農(nóng)田尾水處理污染物類型主要集中在以N、P為主要控制元素的營養(yǎng)物質(zhì)、農(nóng)藥、殺蟲劑與消毒副產(chǎn)物前體、細菌性污染物等。

為了在工業(yè)與農(nóng)業(yè)廢水中取得較高的TN去除率，自由水面人工濕地和多級人工濕地也會被納入混合濕地系統(tǒng)使用。美國加利福尼亞州結(jié)合水資源管理措施開展了7組對比設(shè)計表流濕地系統(tǒng)，研究表明連續(xù)式進流濕地比脈沖式進流濕地去除效果更好，水分蒸騰、下滲過程、植被特征與水力停留時間是影響污染物濃度與負荷的關(guān)鍵因素[18]；Krone等人在濕地處理農(nóng)田地表徑流中的高水溶性殺蟲劑的研究中應用具有貝葉斯結(jié)構(gòu)的多釜串聯(lián)模型評估濕地殺蟲劑削減效果[19]；人工濕地亦可對農(nóng)田退水中的三鹵甲烷等消毒副產(chǎn)物前體進行處理[20]；由細菌性病原體引發(fā)的水質(zhì)劣變是加利福尼亞農(nóng)田灌區(qū)流域地表水惡化的主要原因之一。灌溉作物產(chǎn)生的地表徑流嚴重影響了河流的細菌負荷指標與病原體微生物指標，然而利用濕地處理系統(tǒng)可以滯留并去除80%以上的細菌性污染物[21]。曹笑笑對人工濕地凈化農(nóng)田退水的工藝設(shè)計進行研究，所設(shè)計的好氧潛流人工濕地具有垂直流和水平潛流的優(yōu)點，在解決了水平潛流占地面積過大問題的同時，充分發(fā)揮了垂直流出眾的處理效果，其污染處理效率優(yōu)于單一人工濕地模式[22]。

2.2.2生態(tài)濾池

作為農(nóng)田尾水處理終端，生態(tài)濾池的滲濾介質(zhì)可以對尾水進流產(chǎn)生滯流作用，為隨后的水分蒸騰提供時間，平均可減少33%的徑流量，其截流作用對于水量控制的貢獻最為突出。在生態(tài)濾池中，植被對于保持水流容量起到重要作用，因為作物根系的生長和衰老可用于對抗?jié)B濾系統(tǒng)介質(zhì)的壓縮與堵塞，絕大部分懸浮固體和重金屬污染物可以被有效去除。相對而言，N和P的去除隨著生生態(tài)濾池設(shè)計結(jié)構(gòu)的變化差異較大，現(xiàn)階段研究也著重對有利于去除N、P污染的系統(tǒng)重構(gòu)進行。在Bratieres等人的研究中，上覆植被種類、滲透深度、滲透介質(zhì)、滲透面積、進流污染濃度作為測試因素，被整合成125種測試組合分別接受最優(yōu)化測試，結(jié)果表明植被選擇對于N的去除至關(guān)重要，添加有機質(zhì)對P的去除效率有很大提升[23]。

2.2.3土地滲濾系統(tǒng)與生態(tài)溝渠

土地滲透系統(tǒng)通過土壤-植物系統(tǒng)的天然凈化能力使農(nóng)田尾水得到凈化和再生，污水中的高有機物含量在初始階段會導致一部分土壤堵塞問題并阻礙滲濾場地的正常排水，但通過在污水澆灌過程中適當減少水力負荷來加速土壤疏干解決這一問題。研究者采用以河砂、粉煤灰、鋼渣和煤渣為滲濾介質(zhì)的人工快速地下滲濾系統(tǒng)處理農(nóng)村生活污水中的氮磷污染物，在水力負荷為1.6 m/d條件下，處理效果顯著[24]。

在包含作物灌區(qū)的流域內(nèi)，農(nóng)業(yè)區(qū)構(gòu)建生態(tài)溝渠系統(tǒng)的主要控制作用包括加速田間水分和溶解性營養(yǎng)物質(zhì)的運移、溝渠內(nèi)水分滯留與營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)作用和植被對于N、P的吸附與釋放作用、減少植被與沉積物中除草劑、改善土壤侵蝕與土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的流失狀況等，溝渠中與溝渠邊緣的植被可作為潛在的飼料源和生物量源[25]。在室內(nèi)構(gòu)建生態(tài)溝渠和自然溝渠兩種溝渠對農(nóng)田排水中氮磷的攔截效果的研究中，植物生態(tài)溝渠對農(nóng)田排水中氮磷的攔截效果明顯好于自然溝渠，其高效去除機理主要表現(xiàn)在植物的吸收，基質(zhì)和底泥的吸附等方面[26]。

2.3 制定農(nóng)田管理措施

從現(xiàn)實角度考慮，在降低農(nóng)田污染擴散風險的同時，應努力提升農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益才能夠帶動其可持續(xù)發(fā)展。歐盟水框架指令(WFD)提出，對于農(nóng)田過度營養(yǎng)物質(zhì)輸入到受納水體的控制與管理是一項重要的環(huán)境政策挑戰(zhàn)[27]。因此，對于農(nóng)田尾水污染問題的解決，一方面需要在其產(chǎn)生后尋求有效的硬性處理措施，另一方面更應該加強農(nóng)田管理，以科學研究成果作為農(nóng)田灌溉、施肥、作物選擇、耕作方式等活動的指導準則，要求政府部門提出更為合理的農(nóng)田管理建議，并采取一些政策性管理措施促進農(nóng)田尾水污染的隱性削減。

在農(nóng)田尾水水質(zhì)水量對灌溉管理改良措施實施的響應機制研究中，灌溉補貼撥款、以需求為導向的灌溉、用水量賬單式管理這三項灌溉改良措施使巴德納斯運河第五灌區(qū)獲得26%的用水效率提升，最終使得農(nóng)田尾水對于受納河流的排放輸出在水量、鹽度、氨氮三項上分別減少13%、20%、24%，改善了當?shù)剞r(nóng)田尾水受納水體的水質(zhì)[2]。Lang等人在研究中利用逐步回歸分析法驗證了渠道水位管理、甘蔗面積比例、休耕與浸沒區(qū)域面積比例與灌溉水P濃度是影響農(nóng)田P負荷的主要原因，并提出采用低抽水灌溉自然降雨灌溉比，增加甘蔗種植面積，含磷量低的灌溉水等措施會降低農(nóng)田P負荷[28]?；逝c種子投放存在巨大的潛在節(jié)約成本，低效生產(chǎn)者可以對比高效生產(chǎn)者的措施，減少化肥與種子投放并得到相同的作物產(chǎn)量，畜牧農(nóng)場平均潛在成本節(jié)約可達44.8～48.5歐元/hm2，耕田可達38.9歐元/hm2，可謂是經(jīng)濟效益與環(huán)境效益的雙重紅利[27]。

在我國施肥過量問題及不合理的水肥管理方式導致的水肥利用率低下是造成農(nóng)田氮磷大量流失的主要原因。因此，作為農(nóng)田管理措施的主要改進對象的灌溉與施肥過程很大程度上決定了農(nóng)田尾水的氮磷輸出。為了從源頭上有效控制農(nóng)田尾水污染，研究者分別針對施肥、灌溉以及水肥耦合3個方面提出不同的農(nóng)田管理措施。測土平衡配方施肥可以精確把握作物營養(yǎng)需求從而降低化肥損失，其配合平衡施肥管理措施可以避免在作物生長早期大量施用氮肥，提高肥料利用效率?，F(xiàn)階段不斷得到推廣應用的各類節(jié)水灌溉模式，其作用不僅體現(xiàn)在水資源的高效利用與作物增產(chǎn)，亦可作為減少農(nóng)田氮磷流失的重要手段[29]。武繼承等人提出的以合理養(yǎng)分配比和補充灌溉為代表的“灌溉-施肥”耦合措施在充分發(fā)揮水肥的增產(chǎn)作用的同時，可以顯著提高水肥利用率[30]。葉玉適采用干濕交替節(jié)灌與樹脂包膜尿素施用相結(jié)合的水肥管理方式可以大幅提升水肥利用效率，節(jié)水增產(chǎn)效果明顯，并且在農(nóng)田污染的減排方面發(fā)揮重要作用[31]。

3 農(nóng)田尾水水量預測與水質(zhì)實時監(jiān)測

提高灌溉效率的關(guān)鍵是灌溉系統(tǒng)中農(nóng)田尾水的控制與二次利用農(nóng)田尾水，而農(nóng)田尾水調(diào)控管理與治理措施的基礎(chǔ)是尾水水量的估算與預測，現(xiàn)階段主要采用建立模型的方法來解決這一問題。根據(jù)不同的灌溉條件以及對土壤特性，有層次結(jié)構(gòu)模型，水力數(shù)學模型等辦法。H.K.Kim等人在考慮土壤含水量的情況下以模型方式估算農(nóng)田尾水水量，該預估模型有利于農(nóng)業(yè)用水控制，并且在不同水力條件與農(nóng)水管理運作條件下相對準確地預估農(nóng)田尾水[32]。

農(nóng)田尾水水質(zhì)監(jiān)測對于農(nóng)田尾水的治理與管理雖無直接作用，但卻意義重大。治理措施的選擇與管理政策的制定表面上看到的是水體質(zhì)量的改觀，但離開水質(zhì)監(jiān)測，這種效果將很難實現(xiàn)或難以維持。對于農(nóng)田尾水等非點源污染的準確評估與治污策略的評價也要依靠有效的水質(zhì)監(jiān)測項目作為支撐。在水質(zhì)監(jiān)測策略評價中，統(tǒng)計分析方法起到很重要的作用，也為水質(zhì)監(jiān)測方案的發(fā)展框架加入了成本效益分析的內(nèi)容。管理者和農(nóng)業(yè)從業(yè)者在開展監(jiān)測項目時，需要考慮文獻的背景條件、識別水質(zhì)超標成分、削減策略的有效性、是否在經(jīng)濟上可行這4方面內(nèi)容。Brauer等根據(jù)營養(yǎng)物濃度、鹽度、濁度在短時間尺度上的時空變異性以及在月平均濃度與年平均濃度上的顯著變化等水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的時空變化規(guī)律研究最優(yōu)化水質(zhì)監(jiān)測方案, 在不影響監(jiān)測的準確性前提下減少采樣數(shù)量，其提出的采樣優(yōu)化方法值得借鑒[33]。

4 結(jié)論與展望

隨著國內(nèi)外對于河流污染治理認識的加深，所采取的治理方式將多樣化，并開始重視污染源的攔截與控制。河流生態(tài)環(huán)境的健康不能依靠“頭痛醫(yī)頭腳痛醫(yī)腳”，而應該采取“標本兼治”的手段，避免河流陷入“污染-治理”反復循環(huán)的怪圈。農(nóng)田尾水具有的污染發(fā)生隨機性、污染機理復雜性、排放方式不確定性、污染負荷時空差異性及污染影響廣泛性等諸多特點決定其控制與治理絕非一日之功。筆者針對農(nóng)田尾水治理策略及其應用提出以下幾點展望：

(1)水質(zhì)處理與水量控制相結(jié)合。只關(guān)注水質(zhì)提升而忽略農(nóng)田尾水水量的控制依然無法實現(xiàn)污染物輸出總量控制的最初設(shè)想，水量控制的關(guān)鍵在于發(fā)揮農(nóng)田管理措施的積極作用來提高灌溉效率。在未來研究中，作為治理策略的研究基礎(chǔ)，農(nóng)田尾水水量預測和水質(zhì)監(jiān)測必須得到重視。

(2)工程手段與管理手段相結(jié)合。雖然工程手段治理農(nóng)田尾水可以得到立竿見影的效果，但從經(jīng)濟角度與可持續(xù)發(fā)展角度來看，在政府政策引導下以優(yōu)化作物結(jié)構(gòu)、改進灌溉制度、改變耕作方式等為代表的農(nóng)田管理措施正在日益得到重視。雖然單項管理手段對于污染的削減相比工程措施有很大差距，但其積累效應不容忽視，多管理手段與一定的生態(tài)工程手段相結(jié)合形成的控制體系將會發(fā)揮巨大作用。

(3)多角色由角力向合力轉(zhuǎn)變。農(nóng)業(yè)從業(yè)者，政府決策者和科學研究者看待農(nóng)田尾水治理的角度和出發(fā)點各不相同，經(jīng)濟利益與環(huán)境效益的沖突是治理農(nóng)田尾水的最大壁壘，今后的研究中要盡量將納入現(xiàn)實因素而不應一味追求環(huán)境效益的最大化，尊重各方利益的前提下尋找經(jīng)濟利益與環(huán)境效益的契合點才有助于問題的解決。筆者認為，在農(nóng)田管理措施得到農(nóng)業(yè)從業(yè)者認同并充分實施的前提下，由政府出資建立農(nóng)田尾水處理終端，開展尾水水量預測與水量監(jiān)測，形成這種多方合作的農(nóng)田尾水管理與控制體系才能走出困境，真正解決農(nóng)田尾水的污染問題。

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