农业非点源污染控制中的最佳管理措施（BMPs）及其发展应用

摘 要：概述了最佳管理措施（BMPs）的含义以及在农业非点源污染防治中的应用现状，工程措施有人工湿地、植被缓冲区，管理措施有养分管理、耕作管理、景观管理等，以及它们所取得的成果，介绍BMPs的效用评价，并且展望BMPs在国内的应用前景。
关键词：非点源污染 最佳管理措施（BMPs） 效用评价
非点源主要是指冲积物、农用化学物质等分散污染源。与点源污染相比，非点源污染具有许多复杂的特性，归纳起来主要包括：随机性、广泛性、复杂性、滞后性、时空性、初级效应等[1]。在点源污染不断得到控制后，非点源污染对环境造成的危害日益突出，成为水环境污染的重要来源。据美国、日本等国报道，即使点源污染全面控制之后，湖泊水质达标率仅为42%，美国的非点源污染量占污染总量的2/3，其中农业的贡献率为75%[2]；据荷兰农业非点源提供的总氮、总磷分别占水环境污染总量的60%和40-50%[3]。而从我国的研究现状来看，农业非点源污染是造成太湖流域、巢湖流域水体富营养化现象的重要因素[4,5]。
由于非点源污染具有众多复杂的特性，其控制与点源污染的控制有很大区别。点源污染可根据污水排放标准和总量控制原则进行控制，而非点源污染控制更多的是采用综合措施。目前提出的非点源污染控制技术措施以美国的最佳管理措施（Best Management Practices，BMPs）最具有代表性。美国国家环保局、农业部水土保持局和各州政府都有相应的BMPs实施细则和办法，提倡运用管理和工程措施控制非点源污染[6]。
一、BMPs简介
BMPs是保护水环境免受污染的一种措施，通过采用清洁生产或提供水污染养分设施来达到水环境保护的目的[7]。USEPA将最佳管理措施（BMPs） 定义为“任何能够减少或预防水资源污染的方法、措施或操作程序，包括工程、非工程措施的操作和维护程序”[8]。BMPs 通过技术、规章和立法等手段来达到减少农业非点源污染的目的，其着重于源的管理而不是污染物的处理。
BMPs 从最初提出应用于控制土壤侵蚀，到现在被广泛应用于农业非点源污染的控制，仅仅经历了短短几十年的发展时间。具体来说，BMPs主要可分为工程措施和管理措施两大类型。现在已提出的最佳管理措施主要有：少耕法、免耕法、变量施肥、测土施肥、植被缓冲区、人工湿地等方法。
二、BMPs在农业非点源污染控制中的应用
（一）工程措施
工程措施主要是采用生态工程措施，通过增加渗透来减少地表径流，来降低农业非点源污染的风险。这里介绍的BMPs工程措施主要包括人工湿地和植被缓冲区。
1.人工湿地
人工湿地(Constructed wetlands)是人工建造和监测控制的与沼泽类似的地面，其设计和建造是通过对湿地自然生态系统中的物理、化学和生物作用的优化组合来进行的。人工湿地系统净化水质的物理、化学、生物过程和天然湿地系统一样，包括：（1）悬浮颗粒物在重力作用下沉淀；（2）溶解态污染物由于环境条件变化而发生吸附、络合和沉淀反应；（3）碳、氮、硫等元素的化合物在微生物的作用下发生形态转化；（4）湿地生物对污染物的吸收利用[9]。
人工湿地对于TN、TP、COD、BOD5、重金属等有较高的去除率，可以获得污水处理与资源化的最佳生态效益、经济效益和社会效益，是控制农业非点源污染的重要工程措施之一。一项调查研究表明，巴西Piracicaba市的Engenho湿地对磷、硝酸盐和氨的去除率分别达到了93%、78%和50%[10]。段志勇等对用工业锅炉炉渣作为填料，由芦苇、茭草、菖蒲等水生植物组成的人工湿地对滇池非点源污染进行研究，发现湿地对COD的平均去除率约为79％，TN平均去除率约为68％，TP去除率约为60％[11]。
适当的面积和容量是湿地净化能力的重要保证，不同水质保护目的所要求的湿地面积是不同的。Mitsch等总结了一些地区不同水质保护目的所要求的湿地面积比例[12]。Hey等根据多个小流域的实验结果得出结论认为，占流域面积1%～5%的湿地已足以完成大部分过境养分的去除工作[13]。除此之外，对人工湿地各种影响因素的研究（湿地淹水状态、pH值、水生植物类型、湿地土壤类型等）[14]，也促进了人工湿地在控制农业非点源污染方面的应用与发展。
2.植被缓冲区
植被缓冲区（Vegetated buffer zone）是设立在潜在污染源区与受纳水体之间由林、草或湿地植物覆盖的区域，通常为带状。植被缓冲区主要对污染物进行阻截、吸收和转化，从而达到去除污染物的目的。植被缓冲区的净化污染物机理如下：（1）降低地表径流速度并对其中的颗粒态污染物起过滤和拦截作用；（2）缓冲区的植物吸收溶解态的污染物；（3）缓冲区的土壤吸附溶解态的污染物；（4）促进氮的反硝化[6]。
植被缓冲区的效果取决于其规模、位置、植被、水文条件和土壤类型等因素。通常缓冲区呈带状沿水体分布，其具体形状根据地形、地表和地下径流的运移途径而定。Haycock等总结了不同水质保护目的所要求的缓冲区宽度。一般来说，5m宽的缓冲区即可拦截大部分粗颗粒泥沙，当带宽大于10m时，其对泥沙的总体拦截率可达80%以上，对总磷的拦截率达到50%[15]。另有研究表明，植物缓冲区可有效地吸附径流中有毒氰化物、氯化物和苯等有机物，在坡地布设4m×2m植物过滤带，径流通过时有机物的吸附率达85%[16]。

我国南方的人工多水塘系统作为一种独特的缓冲带，也具有很强的截留来自于农田的径流和非点源污染物的生态功能，在巢湖两年研究发现多水塘系统对地表径流截留平均比例达到85.5％，总氮和总磷截留平均比例分别是98.0％和96.0％[17]。
（二）管理措施
BMPs的管理措施包括三个层次，均是围绕一个中心原则，即最大地保证物质循环的效率，减少元素的输出损失，从而满足植物生长的需求，同时降低对环境的影响。养分管理和耕作管理都是通过控制污染源扩散达到防治非点源污染的目的，景观管理既从源头减少非点源污染物的产生，又在污染物运移过程中进行拦截并促进其向无害形态转化。
1.养分管理
2001年，我国氮肥施用量达到2400多万吨纯氮，占全世界总用量的30%左右[18]，2005年我国的氮肥施用量达到3000多万吨纯氮，占全世界总用量的35%左右[19]，我国已成为世界最大的氮肥生产和消费国。根据本课题组对崇明岛农业用地的调研中发现，在崇明全岛范围内的露天及大棚土壤中，均存在明显的硝酸盐累积，并出现了土壤酸化、盐渍化等土壤退化现象（表1）。农业土壤中大量累积的N、P以及农药残留物等是造成农业非点源污染的主要物质源。
表1：崇明芦笋大棚土壤理化性质

养分管理的目的正是减少引起非点源污染的污染物的施用量。其主要包括测土施肥（Soil testing and fertilizer recommendation）和变量施肥（Variable rate fertilization）。测土施肥的目的是针对土壤的养分供给能力和水平来推荐合理的养分补给措施。由于土壤性质的差异性，测土施肥成为重要的管理内容。过去测土施肥的主要目的是获得最大的产出，现在则更多地强调使用经济适宜的肥料数量以保护环境。变量施肥是利用GPS（全球定位系统）和GIS（地理信息系统）技术，将土壤养分分布进行数字化，在此基础上，根据区域内土壤养分的变化自动调整肥料用量，其实质是自动的高效的测土施肥技术[20]。
另一方面，对于养分补充量的计算是养分管理中的又一难点，其必须在满足作物产量的同时获得最大的生态效应。国内学者对此做了大量研究，提出了安全施用量、生态适宜施氮量等概念[21]。而国外的研究重点集中在化肥施用的模型计算。在对前茬土壤硝态氮含量的测量以及玉米各生理期需氮量的动态计算模拟基础上，北达科他州和明尼苏达州的玉米地硝态氮累积量下降了近40%[6]。
养分管理还包括其他诸多措施,如肥料深施、平衡施肥和使用缓释肥料等。这些管理措施的共同目的是抑制养分的释放速度，使之即满足植物的生长需要,又减少过剩养分的浪费。合理安排农药化肥的施用时间也是一种管理措施，它的目的是减少污染物与降水之间的作用，从源头防治非点源污染。
2.耕作管理
耕作管理是通过降低污染物迁移能力,达到防治非点源污染的目的。免耕—少耕法（Zero or minimum tillage）是一种替代传统翻耕的新型耕作方式，不翻耕或最低限度地扰动土壤以此来保护土壤结构，增加土壤的渗水性，提高土壤抗水蚀能力，减少地表径流，从而控制水土流失和非点源污染。
Mario等比较研究了四种耕作方式径流和泥沙量：传统耕作、免耕无作物残茬覆盖、免耕和33%的作物残茬覆盖及免耕和100%的作物残茬覆盖。结果证明，传统耕作的径流和泥沙量高于另外三种耕作方式[22]。Sharpley等研究了磷在农田中流失的敏感性，发现按以下顺序降低：传统耕作小麦田<免耕小麦田<草地过滤带[23]。对崇明水稻田耕作进行的实地调查，多数田地是先施肥，然后带水耕地。这种方法使部分氮素溶入土壤水层，一旦降雨，大量养分元素便随径流流失。因此，在我国农业耕作管理中大力推广保护性耕作可以作为控制非点源污染的措施之一。
耕作管理还包括其他诸多措施，如等高线种植、作物残茬覆盖、合理轮作等。其中，作物残茬覆盖的突出特点是可以增强土壤蓄水能力，阻滞地表径流，减少由于土壤侵蚀造成的养分、农药进入水体的数量。合理轮作则是利用不同作物的生理特征、吸肥特性来改善土壤养分元素累积状况和土壤理化性质，从而减轻非点源污染负荷。
3.景观管理
景观管理就是合理地调节区域内各种景观单元的比例和空间结构，达到提高养分循环效率和减少养分输出的目的[3]。常见的景观管理多为小尺度的，以流域为单位的管理，例如生物篱和水边林带都是景观管理的有效措施。
生物篱又称等高植物篱，主要形式是在坡地上沿等高线布设密植灌木或灌化乔木以及灌草结合的植物篱带，带间布置作物，通过对植物篱周期性的刈割以避免对作物的遮光效应。植物篱在国外的应用主要是与植被缓冲区联合在一起。选择合适的植物篱带间距是其能否发挥水土保持效益的关键，需要在试验的基础上确定。水边林带实际上是受纳水体边上的植被缓冲区，它的作用机制和植被缓冲区相类似。
三、BMPs的效用评价
对于管理措施环境效果的评价一般可以通过水质监测与模型模拟2种方法进行。水质监测通常费时费力，而且监测本身也不能对非点源污染产生的来源进行鉴别或跟踪污染物的迁移过程。模型模拟与地理信息系统（GIS）的结合可以在流域尺度上进行有效的非点源污染定量研究和关键源区的识别。常见模型如农业非点源污染模型 （AGNPS）、ANSWERS模型、SWAT模型和SWRRB模型可以完成上述任务。研究成果表明AGNPS模型在模拟预测流域径流过程及营养盐的流失过程上有明显的优点，而且还可以用来模拟评价最佳管理措施（BMPs）的环境效果。在中国，AGNPS模型已经被引入到农业非点源污染控制研究工作中[23,24]。

曹文志[24]、张玉珍[25]等先后在福建省九龙江上游的五川小流域进行研究。2002年曹文志[24]利用GIS以及数字高程模型提取AGNPS模型所需的水文和地形参数，并通过实地调查及专题制图等手段获取AGNPS模型所需的土地利用、土壤质地及施肥水平等其它参数，最后利用监测降水、实测水文参数、营养盐及沉积物负荷等验证了AGNPS模型在我国东南亚热带地区的适用性以及农业非点源污染物负荷估算及评价的应用潜力。
2005年张玉珍[25]等利用多年的降雨-径流、水质实测数据先对农业非点源污染模型（AGNPS）进行了模拟校验，用校验后的模型模拟评价了2项现状管理措施（等高耕作与多水塘系统）和3项假设情景方案（降低30%施肥水平、坡地果园退耕还林及其组合）。结果表明等高耕作与多水塘系统对于降低营养盐的流失效果显著，另外3项假设措施方案也有相当好的环境效果。
四、BMPs在中国非点源污染控制中的应用前景
BMPs系统是用来防治水污染和取得资源管理的目标，BMPs的执行需要鼓励生产者志愿参与，具备明确的管理目标，同时还要有具体的计划组成、规章制度，并且与教育、财力和技术等相结合。
目前，利用BMPs控制非点源污染在我国尚未系统开展工作[6]。中国实施BMPs来控制农业非点源污染，应当采用国家、地方政府和农户共同参与的战略。国家农业部门和环保部门制定BMPs的管理目标和实施导则，地方政府根据地区天气、土地等特点制定实施BMPs的近期、长远管理目标和实施细则、计划，制定时考虑的主要因素是操作简单有效、费用低廉，使农户乐于接受。同时。利用已经存在的农村农业技术推广体系推广BMPs，政府对这些农村基层农技站提供到位的指导和有效的监督。农户参与本着自愿的原则。在实施BMPs战略中，政府起引导、鼓励的作用，同时可以采取财政补贴、免费为农户进行培训的方法激励农户采用BMPs。
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（作者单位：华东师范大学资源与环境科学学院,地理信息科学教育部重点实验室 上海）