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2018-07-2008:28  来源:中国环境报
 
原标题:破解滇池流域农业面源污染难题

课题组部分成员

面山径流收集利用系统

课题网站首页

生态潭系统

种养结合零排放示范工程

生态渠道

仿肾型收集处理系统

宽膜种植+滴灌系统

滇池作为昆明人的母亲湖,曾是滇中红土高原上的一颗明珠。但自上世纪90年代以来,伴随着滇池流域社会经济的快速发展,滇池水体污染日趋严重,成为我国三大湖泊污染治理的重点之一。农业面源污染具有污染物输出时空高度随机、发生地域高度离散、防控涉及千家万户等特点,对其治理是世界性的环境难题。对污染贡献高达1/3面源污染进行有效治理,是滇池水污染防治的攻坚克难的关键问题。

2012年,国家水专项“滇池流域农田面源污染综合控制与水源涵养林保护关键技术及工程示范”(2012ZX07102003)课题获得立项,在课题组长云南大学段昌群教授的领导下,经过云南环境科学研究院、云南省农业科学院、云南农业大学、中国科学院大学等多家参与单位、160多名科技人员6年来的持续攻关,实现了融污染控制、清水机制形成两大生态功能提升于一体,在高原湖泊山地环境问题的化解方面形成一揽子技术体系,支撑了流域农田及面山控污减排的能力显著提升,发展了以立体复合种植与水肥循环联合控污技术为基础的污染减负型农业技术,示范区农田污染物排放总量减少30%以上,农村与农业固体废弃污染物排放量削减25%,面山水源涵养能力提高20%以上,圆满完成了国家水专项对课题制定的技术经济任务,为昆明市农业转型发展及其宏观决策提供了技术支撑,为我国高原湖泊在快速城镇化条件下的面源污染治理提供了科学借鉴。

课题研发成果促进了国家重大科技水专项滇池项目的目标实现

课题组系统诊断分析了滇池流域农村面源污染的整体特点,掌握了滇池流域面源污染源强和输移情况的变化特征和基本规律;以流域的土地利用为主导,以GIS和RS技术为技术平台,建立了以土地利用类型、结构比例、生态环境特征为自变量的总氮、总磷面源污染预测预报模型;填补了国家重点治理湖泊—滇池流域内城市化快速推进、产业结构急剧变化条件下农村面源污染综合防控缺乏整体数据支持的空白;构建了以流域生态系统服务价值最大化与景观格局优化、产业结构调整为基础的集分区控制、过程控制、节点控制的面源污染削减的技术路线,形成了流域面源污染综合防控的系统方案。

经过6年的科技攻关,“滇池流域农田面源污染综合控制与水源涵养林保护关键技术及工程示范”课题组取得重大突破与进展,主要研究成果包括流域万亩农田面源污染、新型农业面源污染、湖滨退耕区面源污染、面山水源涵养林保护技术研发与滇池流域都市农业发展与面源污染防控的管理技术体系的集成。

在“十一五”研究基础上,进一步剖析了工程示范区农业面源污染时空格局、污染源强与输移情况等污染特点以及经济社会变化特征,按照“预防优先、源头控制、循环利用、就地处理”的流域农业面源污染治理理念和“以小流域及汇水区为治理功能单元”的策略,构建了滇池流域农业面源污染控制与水源涵养林保护的示范工程。通过工程的实施,滇池流域晋宁县安乐、观音山与柳坝及大板桥示范区,污染物CODcr、TN、TP、TSS去除率为35.97%、41.14%、40.31%、51.0%,农田氮磷化肥利用率提高6.5%以上,肥料施用量降低31~35%,化学农药投入量减少42.1%~50.24%,肥料和农药成本投入减少21.5%~45%,农业废弃物资源化和无害化处理利用率达到92.5%~95%,蔬菜产量提高35~78%;植被覆盖率提高30.72%,达到了项目要求的环境、生态和经济社会效益。

集水控蚀、节水减肥、蓄废削污,实现大面积连片、多类型种植业镶嵌的农田面源污染控减

在深入总结以前滇池流域农业面源污染治理经验和教训的基础上,课题组在位于滇池南部的柴河流域开展了大面积、连片农田面源污染综合控制研究及工程示范工作。在摸清滇池湖盆区农田面源污染负荷的产生输移规律及其主导影响因素的基础上,采用恢复生态学和农业生态学的理论和方法,根据滇池流域连片农田的地形、作物布局、灌排系统和面源污染物产生输移特点,将大面积连片农田划分成不同的小汇水区;以小汇水区为控制单元分别研发“集水控蚀、节水减肥及蓄废削污”等面源污染削减和控制技术,分头实现各小汇水区内农田面源污染物源头削减和输出过程阻断及拦截,从而降低连片农田面源污染负荷输出强度,实现了构建连片农田污染减负的目标。通过科学诊断分析滇池流域农业面源污染产生输移的关键环节,因地制宜地制订面源污染治理方案,合理整合治理技术,精心组织项目实施,在“十二五”期间取得了较好的治理效果,并形成了有高原特色的大面积连片、多类型种植业镶嵌的农田面源污染“一调、二减、三控”的治理模式。

一调:调整农田种植布局。滇池坝区是花卉、蔬菜的主产区。虽然花卉、蔬菜种植需要施用大量的化肥和农药,也会产生大量的多汁性秸秆(废弃物),但不同花卉、蔬菜品种对水、肥的需求存在很大的差异,同时废弃物的产生量也不同。因此,在示范区推广了水肥高效利用的蔬菜、花卉品种的种植,并将高耗水肥花卉、蔬菜品种的连片种植区调整到台梯地区域,通过结合滴灌技术、水肥一体化技术、宽膜覆盖技术和秸秆分散收集处理技术,从而完成了示范区农田种植布局调整,减少农田面源污染的产生与排放。

二减:减化肥、减农药、减农田散杂秸秆。滇池农田面源污染物主要是化肥、农药和农田散杂秸秆带来的氮、磷、氨氮等污染负荷,因此,农业面源污染治理的重要手段就是要减少农田面源污染负荷的源头输入。通过开发碳基尿素、解磷菌肥等新型肥料,研发推广适合当地作物特点的水肥一体化、宽膜覆盖和秸秆分散收集处理和农业有害生物综合防治(IPM)等技术,建成滇池湖盆区农田减污种植成套技术体系。

三控:控制农田径流。在科学分析滇池湖盆区农田面源污染输移过程及关键控制节点等基础上,通过建设多孔砖砌衬生态渠道、田间生态潭和集水窖,构建仿肾型收集处理系统等,完善农田排水渠网布局,避免暴雨径流冲刷设施农田土壤,形成有序的农田径流控排渠网体系,减少农田面源污染负荷的输出。

滇池流域万亩农田面源污染控制示范工程既实现了大面积连片农田面源污染的控制与治理,优化了滇池湖盆区农田种植布局,又提高了农田的管理水平,保证了滇池湖盆区农业的持续稳定发展,对高原湖盆区农田面源污染治理具有良好的示范作用,为未来在云南高原坝区大规模推广农田面源污染综合控制工程提供了经验和范本。

全拦截、无渗漏、零排放,构建滇池流域新型都市农业高集约化循环农业零排放模式,实现新型都市农业面源污染零排放

针对滇池流域快速城镇化条件下用地格局变化、农业产业结构升级引起的农业环境问题,从国家农业现代化发展战略目标出发,从都市农业转型减排降污着手,利用云南独特光温等气候生产潜力,重新选择生态高值农业综合发展路径,集水产养殖和植物栽培于一体,以高原特色蔬菜、特色中药材植物及土著鱼类为对象,在滇池柴河流域开展高集约化循环农业面源污染零排放技术模式研发,建成高集约化循环农业面源污染零排放示范工程。这个示范工程有效地减少农业对土壤的依赖,各个生产环节可控,养分和水分处于封闭状态且不流失,除植物蒸腾作用的耗水外,不向系统外排放任何污水,生产过程污染物实现零排放,设施农业的空间利用效率和经济效益(收获蔬菜、中药材和水产品)增加,大大提升农业生产能力,转变了农业增产增收方式,达到经济效益最大化和环境污染“全拦截、无渗漏、零排放”的目的。这个示范工程具有生产、生态、观赏、科普、休闲和育种等多种功能,兼备科技含量高、高集约、高效益、节水节肥和零排放等技术特点,为现代都市农业提供参考模式,适用于快速城镇化条件下的新型农业园区。通过构建系统内动植物新型营养链,变废为宝,使体系内的水肥得到循环利用,实现种养结合,整个系统生产循环过程中实现高密度、高收益、节水节肥和污染物零排放的目标。

课题组在昆明市晋宁县建设了高集约化循环农业面源污染零排放示范工程1207平方米。通过工程示范,新型都市农业零排放模式实现了体系内水肥的循环利用,系统比农民习惯空间利用率增加为原来的3.05倍;优化配置的种养模式不用化肥和农药,比农民单纯养鱼收益增加13.48~15.99万元/年.hm2。增长3.07倍~3.64倍;养鱼水经过多层蔬菜营养吸收和生物净化后,完全可以循环利用,节水4倍~5倍;地面及地下环境污染物达到零排放(蒸腾作用除外),整个系统生产循环过程中实现污染物的“全拦截、无渗漏、零排放”。目前课题组已为昆明市10个都市农庄提供了模式设计,将为昆明市“十三五”规划建设的100个都市农庄提供参考样板。

分区整地、种质优选、群落构建,提出滇池流域湖滨退耕区面源污染综合控制策略

湖滨退耕区由原耕地退耕后形成。由于以前花卉、蔬菜种植历史,表层土壤中存留了大量的氮磷等营养物质,随地表径流长期缓慢析出。通过整地,结合景观需要挖低填高,将退耕区分成水体和陆域。陆域采取植被覆盖措施,植被群落结构可采用乔—灌—草、乔—草、灌—草结构等组合。选用当地植物物种为主,通过减少冲刷,降低径流中的氮磷等污染物输出浓度。在此基础上,将径流排入水体入口。水体采用串联结构,适当分区。水体中沉水植物以自然恢复为主,辅以少量的人工种植措施,避免采用大量的浮叶植物或挺水植物覆盖水体。径流通过沟渠塘系统沉淀、吸附和净化后,再流入湖泊。

水体采用沟渠塘系统工艺,包括沉淀池、潜流池和复氧池,各区水深0.5~1米,总停留时间不少于5天,地表径流尽可能收集排入沉淀池,然后经填料池和复氧池最后排入滇池。沉淀池参考停留时间9小时,以浮叶植物覆盖水面,溢流出水;填料池参考停留时间78小时,采用公分石填充,淹没流出水;复氧池参考停留时间40小时,采用沉水植物恢复溶解氧,溢流出水。

针对湖滨退耕区,土壤中残留氮磷等污染物,通过地表径流输出,直接入湖,造成长期的面源污染问题,结合我国雨季和热季重叠的气候特点,综合考虑环境、生态和景观效果,提出了“整地—陆域流失控制—沟渠塘系统净化—入湖”为工艺的削减湖滨退耕区土壤存量污染负荷的生物群落构建技术。

这个技术不消耗动力,不需要专人管理(湿地管理人员兼管),每年旱季清理一次沟渠塘系统,清除枯枝落叶和腐败植物体,即可基本保证正常运行。这个技术地表径流中总氮、总磷输出浓度分别控制在1.4~6.8mg/L、0.4~0.5mg/L,平均净化效率分别达到63%、51%。

植物涵养吸收、群落过程拦截、关键区位集中处理,恢复山地清水产流,实现面山水源涵养功能的提升

滇池流域山地丘陵居多,占流域面积的60%,是维护滇池流域水环境最直接、最重要的陆地生态屏障。然而,滇池流域面山区毁林开荒,植被破坏严重,水源涵养能力差;面山垦殖问题突出,农业开发过度,坡耕地人工经济林、农作物种类和种植结构不合理;部分面山区为石质山地、侵蚀陡坡、矿(石)开采及其废弃地、弃土(渣)场,立地条件差,植被破坏殆尽。导致流域面山区水土流失严重,加剧了滇池流域水环境的污染。

针对滇池流域面山不同区域的生态特点,研究封山育林、次生林与退化林群落优化、石质山地与侵蚀陡坡植被重建、垦殖区经果林草复合群落构建、“五采区”及其废弃地污染控制与生态重建等关键技术,通过植物涵养吸收和群落过程拦截,在源头控制面山区水土流失;进而以小流域为单元,开展坝渠系统结构优化及径流收集利用,在关键区位集中处理泥沙径流,恢复清水产流功能,在源头上控制面源污染。形成滇池流域面山水源涵养与面源控制的综合技术体系和管理方案,有效提升流域面山区污染控制与清水产流的生态功能,在典型区域集中进行技术集成和系统组装,通过工程示范建成流域面山污染防控和水源涵养综合示范区,恢复绿水青山,实现面山水源涵养功能的提升20%~30%,面源污染输出削减30%~50%。

污染源头监控预警、污染流程模拟分析、减污工程技术指导、农户种植生产咨询,构建滇池流域都市农业面源污染防控长效管理系统信息平台,让群众直接参与滇池治理、直观了解治理成效

农田面源污染防控具有动态、随机、过程长、难度大的特点,随着农业产业结构调整和产业规划优化,在城镇一体化快速发展的新形势下,面源污染将呈现更多更复杂的时空变化,增加了农业面源污染治理防控工作的难度。因此,建立一套行之有效的信息平台,从污染源头上进行监控预警,在污染流程中进行模拟分析,在减污工程中进行技术指导,在农户种植上进行生产咨询,提供全程智能化的综合服务。

课题组通过梳理不同农业类型的污染变化特征,构建了农业污染评估指标体系;在此基础上研发基于GIS的实用性工程设计程序与高精度数值模拟模型的都市滇池流域都市农业面源污染防控长效管理系统信息平台,主要包括基础服务信息集成子系统、专题数据管理子系统、监控预警管理子系统、模拟评估管理子系统、治污防控管理子系统和生产指导管理子系统六大系统,为不同类型农业面源的最优污染防治技术和控制手段与示范区的运行管理对策提供功能支撑。

将滇池“十二五”水专项农业面源研究成果与昆明市农业局日常业务有机结合,扩大研究成果的影响和受益面,研究成果将依托昆明市农业局已有的交流平台,选择“三农通”信息平台、昆明市农业局微信和昆明农业信息网三种方式进行推广。

结束语

滇池作为我国高原湖泊富营养化污染的代表,多年来是国家重点治理的水体,其农村面源污染一直是困扰和影响水环境质量改善的重要控制因素。在国家重大科技水专项的支持下,多家单位经过持续不断的努力,调查分析了全流域面源污染特征,经过数据集成整合分析,掌握了滇池流域农村面源污染的数量特征和时空发生规律;针对流域不同发展情景,预测分析了面源污染特点,提出了全流域和各区域农村面源污染削减方案;针对流域设施农业、湖滨退耕区、富磷区和水源涵养区等主要面源污染形成区,研发形成了径流控制和面源削污系列技术;以汇水区为单元,把山—水—林—田—路—沟—渠进行通盘考虑,遴选和组装20多种面源污染防控技术,在万亩农田和万亩山地进行了规模化连片示范,取得了面源污染显著削减、农村水土资源利用效率和环境经济水平显著提高的良好效果,为滇池流域大规模系统治污提供了面源防控技术和方案,为云南高原湖泊水环境保护治理提供了技术储备,服务了昆明市农业产业结构调整,为滇池湖泊水体由2012年的劣Ⅴ类到2017年转化为Ⅴ类、实现全湖水环境企稳向好的历史性转变提供了重要科技支撑,也为云南乃至我国其他类型湖泊的面源污染防控提供了科技示范和成功案例。

国家重大水专项滇池

项目面源课题组供稿

(责编:施麟、贺迎春)
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