控制农业磷源，改善水质——中美实践经验外文翻译资料

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控制农业磷源，改善水质——中美实践经验

Andrew Sharpley¹，Xiaoyan Wang²

1.阿肯色大学，农业学部，作物系，土壤与环境科学专业，美国,阿肯色州，费耶特维尔

2.首都师范大学，资源学院，环境与旅游专业，中国，北京，100048，邮箱：cnuwxy@gmail.com

文章信息

文章历史：

收录于2014年2月12日

修订于2014年3月20日

接收于2014年5月14日

在线可读于2014年6月14日

摘要

淡水及很小范围的部分沿海水域愈演愈烈的水体富营养化问题主要是受磷输入的影响。尽管，在确定和控制地表水中的磷的点源排放的工作已初获成效，但是，非点源污染的确定，标识和修复仍一筹莫展。随着废水处理技术进一步改进的成本原来越高，人们开始更多的关注减少非点源污染，尤其是从农业方面入手。过去的十到二十年间发生了一些极为引人注目的营养导师的水质恶化的案例，包括太湖，波罗的海，切塞皮克湾和墨西哥湾等，这使得人们更加关注这个问题。正因此，我们应当转移注意力到磷流失的要来源的定向管理。在美国和中国，都存在着集中化农业生产的一些地区富集了大量营养五折，远远超过了当地作物和畜牧业喂养的需要。这一现象增加了这些地区磷流失的可能性。为了解决这一问题，科学家研发了全新的技术来回用水中的磷，使其作为肥料回到土地中去。例如，作为中国最大的饮用水供应来源的地表淡水之一的太湖流域附近，政府鼓励创新发明以及各种技术试验，以期能收购大量繁殖的有害藻类，并利用他们进行生物气体、农业肥料以及生物燃料的生产。然而，在任何国家，环境修复的经济问题仍将成为农业生产发生实质性改变的关键限制因素。

2014中国生态环境研究中心，中国科学院

由Elsevier B.V.发布

关键字：最适管理实践，超营养作用，化肥管理，土地利用，农药管理，土地保护，流域管理

简介

自20世纪60年代末起，由于点源的识别的简便性以及美国于1972年通过的净水法案，因此由点源导致的水质污染问题得到了极大的缓解。然而，由于水质问题的长期存在，而进一步进行点源控制的成本增加，人们开始关注农业非点源污染在水质恶化中的作用。仅1996年这一年，美国调查的水域半数以上存在营养污染。近20年来，持续的水质污染已引起人们在切萨皮克湾流域和密西西比河盆地的果断举措以减少损失。

磷排放到淡水流域可能加速水体富营养化进程。尽管氮和碳对于水生生物的生长也是不可或缺的，但是由于控制碳、氮在水体和大气之间的循环十分苦难，且可用蓝藻固定大气中的氮，因而科学家们的大部分注意力都集中在了磷的控制。所以，控制磷的输入是减缓淡水水体富营养化的关键，对于类似河口这种自然含盐量较高的水体，可对氮、磷设立特定的临界浓度，该浓度限制大部分水生生物的生产。

水体富营养化被认定是污染地表水水质的主要问题。由于不良藻类和水生杂草的大量繁殖，以及它们的死亡和分解所造成的水体缺氧，富营养化水体在渔业、娱乐、工业以及饮用的使用中受到了限制。此外，蓝藻的定期爆发以及其它有害藻类的大量繁殖导致了一系列与水体相关的环境问题，如夏季鱼类的大面积死亡、饮用水对感官的刺激性以及中美饮用水在氯化消毒过程中形成的三卤甲烷。（图1）显然，过去的五十年间，此类事件的发生概率以及爆发的严重程度都在不断攀升。

图1-1972年以前和2005年以来美国海岸水体有害藻类爆发的程度以及2010年中国东海的中肋骨条藻

在已经过去的二十年里，针对降低或者控制水体富营养化和减缓进一步的污染的研究方向，已从处理水体富营养的影响，转变到识别、针对流域内的营养物来源以期从源头进行治理。因此，定向管理策略目前已在美国大部分受污染海域进行应用。例如纽约的饮用水水源地，切萨皮克海湾水域，佛罗里达，内陆和沿海水域，伊利湖流域和密西西比河流域。事实上，这种管理策略是实施日最大总负荷（TMDL）方法来控制污染的主要前提条件之一，通过这一过程，资源分配（通常依据流域模式）来确定来源以及使水体恢复到适合的营养水平的应有的相对减少量。

磷和氮通常被科学家和环境管理者进行分别处理。这些元素的理论分析可能部分地反映氮和磷在土壤中得不同的迁移率。磷通常是不溶性的，主要通过分解和径流转移，而氮则是极易溶且易发生渗滤。即使如此，当氮和磷同时出现在水域而农民们对其进行共同处理时，再进行这样的分离显得十分困难。因此，当我们继续开展修复水质的研究工作时，我们必须同时考虑到氮和磷。

1. 农业生产发展中的磷流动

近几年来，地缘政治和食品安全公司开始将他们的注意力放在地质磷含量，这引起了一些人对于全球储备中磷供应即将达到高峰的预测。但随后从资源经济角度的回应表示矿物磷的新供应源已经确定，主要在摩洛哥地区，因此近期磷供应出现峰值的可能性就目前来看，微乎其微。事实上，为了供应庞大的人口粮食需求，中国农业的化肥和农药应用率位居世界前列（图2a).而且中国是世界上最大的化肥生产者和消费者之一。然而，来自农业生产水域的过剩的养分负荷被认为是非点源污染的重要来源。

图2展现了中美两国各自的磷流动。在中国，自19世纪90年代起，矿物磷酸盐的消耗量就急剧增加且人保持增长。与此同时，本国畜牧业产值也惊人地增长了四倍(图2a）。这些变化趋势往往落后于美国的发展，由于新的水质准则和更具成效的化肥价格的剧增，美国磷肥消耗量自2005年起趋于稳定。

磷化肥消耗总量（times;10⁶吨） 年平均溶解磷（mg/L)

图2 -（a）中国和美国的矿物磷消耗量及（b）中国的长江和美国伊利湖流域莫米河的年平均溶解磷浓度

二战后在农业方面的改进以一种高成效的方式有效的提高了谷物和蛋白质的产量。然而作物和畜牧业生产系统的专业化和处理过程对流域内的农田管理带来了新的压力。在谷物生产区域，产出肥料（如氮）和吸收肥料（如磷）。谷物和收获的磷随后被运往畜牧业生产区域，在这里，饲料的利用效率十分之低，不到30%。营养物质随分辨被排除，这导致了大面积的营养物质从谷物到畜牧业生产区域的单向转移，这种转移过程跨越了水域甚至国界，极大地拓展了水域管理策略的重点所在（表1）。因此，在一定的畜牧养殖企业集中生产的区域，磷过量的可能性远大于一些营养输入主要源于畜牧饲养产生的生物肥而不是专门购买用于作为生长的化肥的种植系统。随着流域内动物生产强度的增加，更多的磷应当被回收，随着磷的农业盈余（输入-输出）变得更多，土地中的磷水平增加，磷径流流失的总体风险趋于增加。

图3中标描绘了农业中磷的流动过程。几种土壤和作物因素如土壤的磷吸附能力，作物类别，磷的施用类型、方法和速度以及土地管理都影响着植物对磷的吸收。通过渗滤的磷流失多出现在沙质的、多有机质的和泥煤似的土壤。这种土质对磷的吸附能力较弱。或者是出现存在大量选择流动通道的土壤（图3）。通常磷的转移地表径流大于地下径流，这是由以下多个因素决定的：磷的施用量、施用时间和方式，施用化肥和废料的形式，施用后降雨量及时间，土地覆盖。

图3-影响农业氮磷去向的因素及其对土壤、水和空气质量的潜在影响。括号中的数字是基于一个模拟的近似农场的平衡状态以及氮磷去向得到的负荷的百分比（农场输入）和化肥和农药的百分比（营养使用和土地管理）；N-氮，P-磷

近年来，我国水质呈现的总体趋势就是不断地恶化（图2b）。农业及农村地区产生的非点源污染被视作水污染的主要来源。根据2010年全国第一次污染源普查，农业产出在中国水体年氮磷负荷的占比分别是57%和67%。农业已然成为中国的第一大污染来源。随着经济发展和人民生活水平的提高，畜牧业和家禽业生产迅速增长，并成为中国广大农村区域的主要污染源，例如，中国长江年平均溶解磷浓度有明显增长，仅稍缓于化肥施用量增长后几年而已（图2b）。尽管伊利湖盆地区域的莫米河流域的农业土地的磷的使用量有明显降低，而其他因素导致了该区域1995年以来年平均溶解磷量的增长，随着之后的保护管理，该值缓慢但平稳地降低（图2b）。

自1975年起，人们监测莫米河流域（伊利湖的主要支流）的磷负荷以期确定应用最适管理实践（BMPs）的效果。最适管理实践诸如在主要为行作物种植模式的农业生产（谷物，大豆，小麦）的保护性耕作和营养管理计划。在1975到1995年间，年平均溶解磷浓度降低了80%。自1995年起，由于下列诸多因素的结合，导致了溶解磷增长而总磷输入下降的趋势：降雨分布规律的变化、对作物磷的施用量大于去除量所产生的长期过量的遗留问题；转变为免耕种的土地表层的磷积累，以及化肥和农药使用量无混合的在秋冬季的增加，此外，尽管通常通过排水瓦管的磷流失通常很少，但是2005年起在伊利湖流域的瓦管排水程度明显上升，更多的连接着沟渠和溪流的瓦管排水的地区的增加，导致伊利湖成为残留磷来源的主要区域。

1. 补救措施

目前有许多最适管理实践可广泛应用于是农业到地表、地下水的氮磷流失量最小化（表1）。这些通常分为寻求降低农场磷输入的措施以及使磷的输入输出趋于平衡的措施，更加细致的管理农场内磷源以及评估磷转移到地表及地下水的可能性（表2）。图4展示了这些措施，这种方法遵循了最近国际植物营养研究所提出的磷管理的4R方法：即以合适的营养形式，以符合作物生长需要的的合适的用量，以合适的时间和地点来进行添加。

图4-农业系统中的P管理；P-磷

可通过严格控制食用输入与动物需求的相匹配来减少农场的磷输入，这将减少通过动物排泄输出的林总量。减少农场动物饲料中的磷输入是一个能有助于形成环境磷损失持续降低的行之有效的措施。事实上，其他来源和转移措施（表1）通常旨在降低磷流失的可能性，这只能是权宜之计而并非解决措施。

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