雲南大學生破解滇池流域農業面源污染難題

課題組部分成員

面山徑流收集利用系統

課題網站首頁

生態潭系統

種養結合零排放示范工程

生態渠道

仿腎型收集處理系統

寬膜種植+滴灌系統

滇池作為昆明人的母親湖，曾是滇中紅土高原上的一顆明珠。但自上世紀90年代以來，伴隨著滇池流域社會經濟的快速發展，滇池水體污染日趨嚴重，成為我國三大湖泊污染治理的重點之一。農業面源污染具有污染物輸出時空高度隨機、發生地域高度離散、防控涉及千家萬戶等特點，對其治理是世界性的環境難題。對污染貢獻高達1/3面源污染進行有效治理，是滇池水污染防治的攻堅克難的關鍵問題。

2012年，國家水專項“滇池流域農田面源污染綜合控制與水源涵養林保護關鍵技術及工程示范”（2012ZX07102003）課題獲得立項，在課題組長雲南大學段昌群教授的領導下，經過雲南環境科學研究院、雲南省農業科學院、雲南農業大學、中國科學院大學等多家參與單位、160多名科技人員6年來的持續攻關，實現了融污染控制、清水機制形成兩大生態功能提升於一體，在高原湖泊山地環境問題的化解方面形成一攬子技術體系，支撐了流域農田及面山控污減排的能力顯著提升，發展了以立體復合種植與水肥循環聯合控污技術為基礎的污染減負型農業技術，示范區農田污染物排放總量減少30%以上，農村與農業固體廢棄污染物排放量削減25%，面山水源涵養能力提高20％以上，圓滿完成了國家水專項對課題制定的技術經濟任務，為昆明市農業轉型發展及其宏觀決策提供了技術支撐，為我國高原湖泊在快速城鎮化條件下的面源污染治理提供了科學借鑒。

課題研發成果促進了國家重大科技水專項滇池項目的目標實現

課題組系統診斷分析了滇池流域農村面源污染的整體特點，掌握了滇池流域面源污染源強和輸移情況的變化特征和基本規律﹔以流域的土地利用為主導，以GIS和RS技術為技術平台，建立了以土地利用類型、結構比例、生態環境特征為自變量的總氮、總磷面源污染預測預報模型﹔填補了國家重點治理湖泊—滇池流域內城市化快速推進、產業結構急劇變化條件下農村面源污染綜合防控缺乏整體數據支持的空白﹔構建了以流域生態系統服務價值最大化與景觀格局優化、產業結構調整為基礎的集分區控制、過程控制、節點控制的面源污染削減的技術路線，形成了流域面源污染綜合防控的系統方案。

經過6年的科技攻關，“滇池流域農田面源污染綜合控制與水源涵養林保護關鍵技術及工程示范”課題組取得重大突破與進展，主要研究成果包括流域萬畝農田面源污染、新型農業面源污染、湖濱退耕區面源污染、面山水源涵養林保護技術研發與滇池流域都市農業發展與面源污染防控的管理技術體系的集成。

在“十一五”研究基礎上，進一步剖析了工程示范區農業面源污染時空格局、污染源強與輸移情況等污染特點以及經濟社會變化特征，按照“預防優先、源頭控制、循環利用、就地處理”的流域農業面源污染治理理念和“以小流域及匯水區為治理功能單元”的策略，構建了滇池流域農業面源污染控制與水源涵養林保護的示范工程。通過工程的實施，滇池流域晉寧縣安樂、觀音山與柳壩及大板橋示范區，污染物CODcr、TN、TP、TSS去除率為35.97%、41.14%、40.31%、51.0%，農田氮磷化肥利用率提高6.5%以上，肥料施用量降低31~35%，化學農藥投入量減少42.1%~50.24%，肥料和農藥成本投入減少21.5%~45%，農業廢棄物資源化和無害化處理利用率達到92.5%~95%，蔬菜產量提高35~78%﹔植被覆蓋率提高30.72%，達到了項目要求的環境、生態和經濟社會效益。

集水控蝕、節水減肥、蓄廢削污，實現大面積連片、多類型種植業鑲嵌的農田面源污染控減

在深入總結以前滇池流域農業面源污染治理經驗和教訓的基礎上，課題組在位於滇池南部的柴河流域開展了大面積、連片農田面源污染綜合控制研究及工程示范工作。在摸清滇池湖盆區農田面源污染負荷的產生輸移規律及其主導影響因素的基礎上，採用恢復生態學和農業生態學的理論和方法，根據滇池流域連片農田的地形、作物布局、灌排系統和面源污染物產生輸移特點，將大面積連片農田劃分成不同的小匯水區﹔以小匯水區為控制單元分別研發“集水控蝕、節水減肥及蓄廢削污”等面源污染削減和控制技術，分頭實現各小匯水區內農田面源污染物源頭削減和輸出過程阻斷及攔截，從而降低連片農田面源污染負荷輸出強度，實現了構建連片農田污染減負的目標。通過科學診斷分析滇池流域農業面源污染產生輸移的關鍵環節，因地制宜地制訂面源污染治理方案，合理整合治理技術，精心組織項目實施，在“十二五”期間取得了較好的治理效果，並形成了有高原特色的大面積連片、多類型種植業鑲嵌的農田面源污染“一調、二減、三控”的治理模式。

一調：調整農田種植布局。滇池壩區是花卉、蔬菜的主產區。雖然花卉、蔬菜種植需要施用大量的化肥和農藥，也會產生大量的多汁性秸稈（廢棄物），但不同花卉、蔬菜品種對水、肥的需求存在很大的差異，同時廢棄物的產生量也不同。因此，在示范區推廣了水肥高效利用的蔬菜、花卉品種的種植，並將高耗水肥花卉、蔬菜品種的連片種植區調整到台梯地區域，通過結合滴灌技術、水肥一體化技術、寬膜覆蓋技術和秸稈分散收集處理技術，從而完成了示范區農田種植布局調整，減少農田面源污染的產生與排放。

二減：減化肥、減農藥、減農田散雜秸稈。滇池農田面源污染物主要是化肥、農藥和農田散雜秸稈帶來的氮、磷、氨氮等污染負荷，因此，農業面源污染治理的重要手段就是要減少農田面源污染負荷的源頭輸入。通過開發碳基尿素、解磷菌肥等新型肥料，研發推廣適合當地作物特點的水肥一體化、寬膜覆蓋和秸稈分散收集處理和農業有害生物綜合防治（IPM）等技術，建成滇池湖盆區農田減污種植成套技術體系。

三控：控制農田徑流。在科學分析滇池湖盆區農田面源污染輸移過程及關鍵控制節點等基礎上，通過建設多孔磚砌襯生態渠道、田間生態潭和集水窖，構建仿腎型收集處理系統等，完善農田排水渠網布局，避免暴雨徑流沖刷設施農田土壤，形成有序的農田徑流控排渠網體系，減少農田面源污染負荷的輸出。

滇池流域萬畝農田面源污染控制示范工程既實現了大面積連片農田面源污染的控制與治理，優化了滇池湖盆區農田種植布局，又提高了農田的管理水平，保証了滇池湖盆區農業的持續穩定發展，對高原湖盆區農田面源污染治理具有良好的示范作用，為未來在雲南高原壩區大規模推廣農田面源污染綜合控制工程提供了經驗和范本。

全攔截、無滲漏、零排放，構建滇池流域新型都市農業高集約化循環農業零排放模式，實現新型都市農業面源污染零排放

針對滇池流域快速城鎮化條件下用地格局變化、農業產業結構升級引起的農業環境問題，從國家農業現代化發展戰略目標出發，從都市農業轉型減排降污著手，利用雲南獨特光溫等氣候生產潛力，重新選擇生態高值農業綜合發展路徑，集水產養殖和植物栽培於一體，以高原特色蔬菜、特色中藥材植物及土著魚類為對象，在滇池柴河流域開展高集約化循環農業面源污染零排放技術模式研發，建成高集約化循環農業面源污染零排放示范工程。這個示范工程有效地減少農業對土壤的依賴，各個生產環節可控，養分和水分處於封閉狀態且不流失，除植物蒸騰作用的耗水外，不向系統外排放任何污水，生產過程污染物實現零排放，設施農業的空間利用效率和經濟效益（收獲蔬菜、中藥材和水產品）增加，大大提升農業生產能力，轉變了農業增產增收方式，達到經濟效益最大化和環境污染“全攔截、無滲漏、零排放”的目的。這個示范工程具有生產、生態、觀賞、科普、休閑和育種等多種功能，兼備科技含量高、高集約、高效益、節水節肥和零排放等技術特點，為現代都市農業提供參考模式，適用於快速城鎮化條件下的新型農業園區。通過構建系統內動植物新型營養鏈，變廢為寶，使體系內的水肥得到循環利用，實現種養結合，整個系統生產循環過程中實現高密度、高收益、節水節肥和污染物零排放的目標。

課題組在昆明市晉寧縣建設了高集約化循環農業面源污染零排放示范工程1207平方米。通過工程示范，新型都市農業零排放模式實現了體系內水肥的循環利用，系統比農民習慣空間利用率增加為原來的3.05倍﹔優化配置的種養模式不用化肥和農藥，比農民單純養魚收益增加13.48~15.99萬元/年.hm2。增長3.07倍~3.64倍﹔養魚水經過多層蔬菜營養吸收和生物淨化后，完全可以循環利用，節水4倍~5倍﹔地面及地下環境污染物達到零排放（蒸騰作用除外），整個系統生產循環過程中實現污染物的“全攔截、無滲漏、零排放”。目前課題組已為昆明市10個都市農庄提供了模式設計，將為昆明市“十三五”規劃建設的100個都市農庄提供參考樣板。

分區整地、種質優選、群落構建，提出滇池流域湖濱退耕區面源污染綜合控制策略

湖濱退耕區由原耕地退耕后形成。由於以前花卉、蔬菜種植歷史，表層土壤中存留了大量的氮磷等營養物質，隨地表徑流長期緩慢析出。通過整地，結合景觀需要挖低填高，將退耕區分成水體和陸域。陸域採取植被覆蓋措施，植被群落結構可採用喬—灌—草、喬—草、灌—草結構等組合。選用當地植物物種為主，通過減少沖刷，降低徑流中的氮磷等污染物輸出濃度。在此基礎上，將徑流排入水體入口。水體採用串聯結構，適當分區。水體中沉水植物以自然恢復為主，輔以少量的人工種植措施，避免採用大量的浮葉植物或挺水植物覆蓋水體。徑流通過溝渠塘系統沉澱、吸附和淨化后，再流入湖泊。

水體採用溝渠塘系統工藝，包括沉澱池、潛流池和復氧池，各區水深0.5~1米，總停留時間不少於5天，地表徑流盡可能收集排入沉澱池，然后經填料池和復氧池最后排入滇池。沉澱池參考停留時間9小時，以浮葉植物覆蓋水面，溢流出水﹔填料池參考停留時間78小時，採用公分石填充，淹沒流出水﹔復氧池參考停留時間40小時，採用沉水植物恢復溶解氧，溢流出水。

針對湖濱退耕區，土壤中殘留氮磷等污染物，通過地表徑流輸出，直接入湖，造成長期的面源污染問題，結合我國雨季和熱季重疊的氣候特點，綜合考慮環境、生態和景觀效果，提出了“整地—陸域流失控制—溝渠塘系統淨化—入湖”為工藝的削減湖濱退耕區土壤存量污染負荷的生物群落構建技術。

這個技術不消耗動力，不需要專人管理（濕地管理人員兼管），每年旱季清理一次溝渠塘系統，清除枯枝落葉和腐敗植物體，即可基本保証正常運行。這個技術地表徑流中總氮、總磷輸出濃度分別控制在1.4~6.8mg/L、0.4~0.5mg/L，平均淨化效率分別達到63%、51%。

植物涵養吸收、群落過程攔截、關鍵區位集中處理，恢復山地清水產流，實現面山水源涵養功能的提升

滇池流域山地丘陵居多，佔流域面積的60%，是維護滇池流域水環境最直接、最重要的陸地生態屏障。然而，滇池流域面山區毀林開荒，植被破壞嚴重，水源涵養能力差﹔面山墾殖問題突出，農業開發過度，坡耕地人工經濟林、農作物種類和種植結構不合理﹔部分面山區為石質山地、侵蝕陡坡、礦（石）開採及其廢棄地、棄土（渣）場，立地條件差，植被破壞殆盡。導致流域面山區水土流失嚴重，加劇了滇池流域水環境的污染。

針對滇池流域面山不同區域的生態特點，研究封山育林、次生林與退化林群落優化、石質山地與侵蝕陡坡植被重建、墾殖區經果林草復合群落構建、“五採區”及其廢棄地污染控制與生態重建等關鍵技術，通過植物涵養吸收和群落過程攔截，在源頭控制面山區水土流失﹔進而以小流域為單元，開展壩渠系統結構優化及徑流收集利用，在關鍵區位集中處理泥沙徑流，恢復清水產流功能，在源頭上控制面源污染。形成滇池流域面山水源涵養與面源控制的綜合技術體系和管理方案，有效提升流域面山區污染控制與清水產流的生態功能，在典型區域集中進行技術集成和系統組裝，通過工程示范建成流域面山污染防控和水源涵養綜合示范區，恢復綠水青山，實現面山水源涵養功能的提升20%~30%，面源污染輸出削減30%~50%。

污染源頭監控預警、污染流程模擬分析、減污工程技術指導、農戶種植生產咨詢，構建滇池流域都市農業面源污染防控長效管理系統信息平台，讓群眾直接參與滇池治理、直觀了解治理成效

農田面源污染防控具有動態、隨機、過程長、難度大的特點，隨著農業產業結構調整和產業規劃優化，在城鎮一體化快速發展的新形勢下，面源污染將呈現更多更復雜的時空變化，增加了農業面源污染治理防控工作的難度。因此，建立一套行之有效的信息平台，從污染源頭上進行監控預警，在污染流程中進行模擬分析，在減污工程中進行技術指導，在農戶種植上進行生產咨詢，提供全程智能化的綜合服務。

課題組通過梳理不同農業類型的污染變化特征，構建了農業污染評估指標體系﹔在此基礎上研發基於GIS的實用性工程設計程序與高精度數值模擬模型的都市滇池流域都市農業面源污染防控長效管理系統信息平台，主要包括基礎服務信息集成子系統、專題數據管理子系統、監控預警管理子系統、模擬評估管理子系統、治污防控管理子系統和生產指導管理子系統六大系統，為不同類型農業面源的最優污染防治技術和控制手段與示范區的運行管理對策提供功能支撐。

將滇池“十二五”水專項農業面源研究成果與昆明市農業局日常業務有機結合，擴大研究成果的影響和受益面，研究成果將依托昆明市農業局已有的交流平台，選擇“三農通”信息平台、昆明市農業局微信和昆明農業信息網三種方式進行推廣。

結束語

滇池作為我國高原湖泊富營養化污染的代表，多年來是國家重點治理的水體，其農村面源污染一直是困擾和影響水環境質量改善的重要控制因素。在國家重大科技水專項的支持下，多家單位經過持續不斷的努力，調查分析了全流域面源污染特征，經過數據集成整合分析，掌握了滇池流域農村面源污染的數量特征和時空發生規律﹔針對流域不同發展情景，預測分析了面源污染特點，提出了全流域和各區域農村面源污染削減方案﹔針對流域設施農業、湖濱退耕區、富磷區和水源涵養區等主要面源污染形成區，研發形成了徑流控制和面源削污系列技術﹔以匯水區為單元，把山—水—林—田—路—溝—渠進行通盤考慮，遴選和組裝20多種面源污染防控技術，在萬畝農田和萬畝山地進行了規模化連片示范，取得了面源污染顯著削減、農村水土資源利用效率和環境經濟水平顯著提高的良好效果，為滇池流域大規模系統治污提供了面源防控技術和方案，為雲南高原湖泊水環境保護治理提供了技術儲備，服務了昆明市農業產業結構調整，為滇池湖泊水體由2012年的劣Ⅴ類到2017年轉化為Ⅴ類、實現全湖水環境企穩向好的歷史性轉變提供了重要科技支撐，也為雲南乃至我國其他類型湖泊的面源污染防控提供了科技示范和成功案例。

國家重大水專項滇池

項目面源課題組供稿