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美國有哪些減少農業非點源污染的技術?

2019年08月14日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 2 ℃ 次

【劉文龍的回答(23票)】:

農業非點源污染治理技術簡介

(承接上文:有哪些典型的由農業引起的環境污染事件? - 劉文龍的回答)

自從20世紀70年代墨西哥灣發生缺氧窒息以來,美國乃至世界農業發達的地區均有缺氧窒息區的報導。為了治理農業非點源污染,美國政府採取了政策、管理與技術開發等多方面措施來減少農業污染物的排放,包括測土施肥、限制農業排放污染物與推廣補貼減少排放的新技術等等。這些政策有利有弊,效果不一。本文旨在集中一點,介紹一個減少農業污染排放的思路和相關技術。

1. 研究思路

從農田進入了河流,湖泊和海灣等水體的NP等營養物質,會引起富營養化及一系列的污染災害。此時,治理水體富營養化需要花費大量的人力物力,並且效果不是特別理想。所以今天要聊的研究思路是,在農業排水離開農田以前,盡可能地減少農田排水量和污染物的排放量。

2. 實現形式

考慮到很多農業污染物的排放方式是農業排水,科研人員需要針對排水系統做出一些調整和優化,主要包括:減少過量的排水強度、優化排水系統設計以及增加必要的處理設施。

2.1 淺層排水和控制排水(Shallow Drainage andControlled Drainage)

調查顯示,全世界很多地方現存的排水系統均存在過量排水(Over-drainage)的問題,即該排的排走了,不該排的也排走了,而且這些排水還會引起環境污染。於是,科研人員設計了淺層排水(Shallowdrainage)系統,核心思想是把排水管埋得淺一點,防止不必要的深層排水;為了防止極端暴雨造成的澇漬情況,排水管也需要埋得相對密集一些(Fig 1)。

Fig 1. Conventional Drainage, Shallow Drainage and Controlled drainage

淺層排水系統作為一個較為新潮的思想,自然有其優勢和劣勢:

  • 優勢:

    • 減少不必要的農業排水,削減N的排放;
    • 促進N的削減能力(此問題以後詳談,這裡僅提供結論);
    • 在濱海地區可以減少海水入侵的風險(海水入侵是什麼原因導致的?嚴重嗎?目前有沒有行之有效的改善方法? - 劉文龍的回答)。
  • 缺點:

    • 需要重新設計安裝排水系統,工程代價大;
    • 更密集的排水管會增加排水系統造價;

為了發揮淺層排水的優點和克服其缺點,科研人員又開發了控制排水(Controlled drainage)系統(Fig. 1)。這項技術的核心是在排水溝出口處安裝擋水裝置,根據植物的需水規律來調整擋水裝置的高度,繼而控制不同階段的排水強度(Fig.2).

Fig.2 不同時期的控制排水高度[2]Fig.2 不同時期的控制排水高度[2]

控制排水的優缺點包括:

  • 優勢:

    • 減少不必要的排水,保護環境;
    • 提高了N的削減能力;
    • 涵養在土壤中的水可以在乾旱時緩解旱情;
    • 保留了排水系統的排水強度,抵禦災害能力強;

  • 缺點:

    • 對田間管理水平要求較高;
    • 農民可能不喜歡頻繁的調整控制排水的設置。

2.2 Bioreactor

現有的研究表明,控制排水能夠明顯的減少排水水量,但是對排水中污染物的濃度影響有限。為了提高污染物去除效率,科研人員試圖人為創造一個適宜的環境來更高效地去除污染物。在此背景下,Bioreactor應運而生。

Fig. 3 Layout of woodchip bioreactor[3]

Fig 3 展示了一個典型的Bioreactor的設計圖。首先在排水管的出口位置埋入一個大盒子(或者類似的容器),裡邊裝有木屑來作為能量來源(Energysource);其次在排水管的出口位置安裝一個分水器,既需要保證排水能夠流入Bioreactor內,又需要設計足夠的溢流能力以應對突發的暴雨;在Bioreactor後還需要設置一個水位控制裝置,保證Bioreactor內有足夠的水量。Bioreactor的優缺點包括:

  • 優勢:

    • 不需要改變現有的排水系統且保存了其排水強度;
    • 不需要佔用耕地;
    • 基本不需要維護;
    • 有效工作時間可達20年;[3]
  • 劣勢:

    • 排除的水可能會有顏色變化;
    • 可能會在排水出口產生異味;
    • 可能會加劇氣候變暖(Global warming)。

2.3 人工濕地(Constructed Wetlands)

由於濕地具有處理削減污染物的能力,科研人員也嘗試過在大範圍農田出口建設人工濕地(ConstructedWetlands)來減少農業污染物的排放。一般情況下,人工濕地會建設成梯級濕地來增加農業排水停留在濕地的時間,以提高濕地的處理效率。

Fig. 4 某農業區的梯級人工濕地[4]

人工濕地的優缺點包括:

  • 優勢:

    • 能夠十分高效的去除污染物;
    • 具有較強的生態和景觀效應;
    • 處理完的排水往往有時可以回灌。

  • 劣勢:

    • 需要較高的維護費用和管理水平;
    • 對當地氣候條件要求較高;
    • 佔用一部分耕地。

3. 效果評估

筆者在文中簡要介紹了四種農業非點源污染的處理技術,各項技術的處理效果不一。科研人員綜合了不同系統的處理效果並展示如下。圖5中顯示,在幾種常用的農田管理措施中,人工濕地的處理效果最好,其次是控制排水和Bioreactor。這三種處理技術的硝氮去除效果均在40%或以上。

Fig. 5 不同處理下的硝氮處理效率比較

如果考慮一種理想情況,即將三種效果最好的處理技術聯用在一起,既有控制排水,又有Bioreactor,最後再來個人工濕地處理農業排水。如果建成這樣的農業排水處理系統,農業排水中的污染物將會削減50%甚至更高,同時兼具生態和景觀效應。美中不足的是,這樣的系統造價會比較高,而且也需要更高的田間管理水平。

4. 總結(Take-home Points)

  • 處理農業排水的技術有很多,且各有利弊;

  • 濕地處理效果最好,控制排水最容易安裝和改造,Bioreactor最易於管理和維護;

  • 淺層排水由於改造費用較高,一般只用在新建灌區或者農業地區。

The end.

PS:

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  2. 由於作者經驗水平有限,遺漏之處在所難免。如有不同意見,歡迎討論,拒絕拍磚~

References:

[1] Conservation Drainage

[2] Agricultural Drainage

[3] Woodchip Bioreactors

[4] Constructed Wetlands

[5] Woodchip Bioreactors for Nitrate in Agricultural Drainage

標籤:-現代農業


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