王磊，席運(yùn)官，潘陽，陳秋會，和麗萍，李麗娜，吳見珣，楊育文，劉明慶，楊濤明，楊趙，田偉，高吉喜*

（1.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所，南京 210042；2.云南省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，昆明 650034）

農(nóng)業(yè)面源污染是造成地表水體污染的重要污染源，是當(dāng)前全球面臨的主要環(huán)境問題之一[1-3]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中，過量氮、磷、農(nóng)藥以及其他污染物在降水或灌溉過程中通過農(nóng)田地表徑流、淋溶、農(nóng)田排水和地下滲漏途徑進(jìn)入水體，對河流、湖泊和海灣等生態(tài)環(huán)境造成破壞，嚴(yán)重威脅飲水安全[4-5]。由于種植業(yè)、畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)和居民生活等氮磷污染物的排放具有隨機(jī)性，來源和傳輸過程具有間歇性和不確定性，面源污染的輸出受到自然地理、農(nóng)業(yè)管理方式差異的影響較為顯著，區(qū)域差異性大，空間變異性強(qiáng)，因此對其進(jìn)行治理相對比較困難[6-8]。

為降低農(nóng)業(yè)面源污染所造成的水體污染，相關(guān)防治技術(shù)措施已得到廣泛研究，目前已經(jīng)形成了包括農(nóng)村生活污水和生活垃圾治理，農(nóng)業(yè)廢棄物、畜禽糞便資源化利用，以及塘、浜和小河水體修復(fù)等一系列頗有成效的技術(shù)[9-10]。特別是形成了包括源頭控制、遷移過程攔截、養(yǎng)分循環(huán)利用、末端治理等系列技術(shù)工程措施[11-13]。上述技術(shù)及相應(yīng)的工程措施對于削減農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷具有較好的效果。但是上述技術(shù)措施多針對已經(jīng)發(fā)生污染物流失的體系或者只注重某一環(huán)節(jié)或某一子系統(tǒng)，即“末端治理”的基本邏輯和“重技術(shù)輕成本”“重局部輕整體”的技術(shù)手段，忽視了農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)控功能[14-15]，使農(nóng)村面源污染在傳遞過程中的眾多關(guān)鍵問題仍未得到根本解決。

環(huán)水有機(jī)農(nóng)業(yè)是指在重要的湖庫周邊、江河源頭區(qū)、飲用水源集水區(qū)等水環(huán)境敏感區(qū)域采用有機(jī)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與水質(zhì)保護(hù)相結(jié)合的一種環(huán)境友好型農(nóng)業(yè)模式。有機(jī)農(nóng)業(yè)不僅是控制農(nóng)藥和化肥的投入，更注重充分發(fā)揮有機(jī)農(nóng)業(yè)的整體生態(tài)功能[16]。本研究以環(huán)水有機(jī)農(nóng)業(yè)為技術(shù)手段，基于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)空間格局優(yōu)化的新視角，探討通過空間格局及其景觀要素耦合作用，充分發(fā)揮農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)功能，從而有效實現(xiàn)農(nóng)業(yè)面源污染控制與區(qū)域生態(tài)環(huán)境修復(fù)。

1 農(nóng)田空間格局優(yōu)化

農(nóng)田是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、養(yǎng)分循環(huán)、害蟲及天敵滋生繁衍的主要區(qū)域，是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，而高產(chǎn)導(dǎo)向的農(nóng)業(yè)集約化生產(chǎn)，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中過量使用化肥、農(nóng)藥，使得農(nóng)業(yè)生態(tài)功能持續(xù)退化[17-18]。Cha?bert等[19]研究發(fā)現(xiàn)非作物生境面積的連接度決定了天敵進(jìn)入周圍作物生境的遷移擴(kuò)散能力和病蟲害防控能力。另一方面農(nóng)田連接情況也容易控制水分的運(yùn)移，可以實現(xiàn)養(yǎng)分的多級利用，同時過濾、滲透、吸收、滯留、沉積等作用也可減少徑流攜帶的污染物質(zhì)[20]。例如，河岸植被緩沖帶必須沿河流連續(xù)狀分布，否則間斷的緩沖帶會使緩沖效果降低[21]。因此，農(nóng)田空間布局過程中，應(yīng)有效保證生態(tài)空間結(jié)構(gòu)的連接度。當(dāng)農(nóng)田景觀要素污染負(fù)荷過大時，應(yīng)充分考慮增加景觀要素組成部分，從而延長養(yǎng)分的空間循環(huán)路徑，降低環(huán)境污染風(fēng)險。例如在南方丘陵地帶，畜禽廢水由于污染負(fù)荷量過高不能直接施用于果園，可通過養(yǎng)豬-沼氣-養(yǎng)魚-果樹四位一體的物質(zhì)循環(huán)和能量梯級利用的綜合生態(tài)農(nóng)業(yè)模式，利用沼氣和魚池（水藻-魚）延長營養(yǎng)物質(zhì)遷移的空間路徑，降低果園的污染負(fù)荷，在控制農(nóng)業(yè)面源污染的同時，提高經(jīng)濟(jì)效益[22]。Landis[23]研究發(fā)現(xiàn)在農(nóng)田廊道中開辟林地，可以有效增加益鳥數(shù)量，減少害蟲數(shù)量，也能夠大幅提升面源污染阻控能力。在旱地條件下，通過挖塘貯水養(yǎng)魚創(chuàng)造水生環(huán)境，利用水田構(gòu)建生態(tài)濕地，不僅可使捕食害蟲的蛙類成倍增加[24]，大幅減少農(nóng)用化學(xué)品投入，而且濕地存水可以回灌，實現(xiàn)養(yǎng)分多次循環(huán)利用，有效減少農(nóng)業(yè)面源污染對水環(huán)境造成的污染[25]。因此，農(nóng)田生產(chǎn)布局上應(yīng)注意提高景觀要素類型的結(jié)構(gòu)異質(zhì)性，構(gòu)建農(nóng)田生態(tài)景觀生境多樣性可采取水陸微生態(tài)系統(tǒng)、林地農(nóng)田、草地農(nóng)田等交織共存的策略，增加永久性植被的比例，從而進(jìn)一步提升生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 景觀要素生態(tài)功能的強(qiáng)化與有效配置

通過景觀要素生態(tài)功能強(qiáng)化，可以充分發(fā)揮農(nóng)田生態(tài)格局與景觀要素的耦合作用。研究發(fā)現(xiàn)非作物生境面積侵占會加劇病蟲害暴發(fā)，非作物生境面積與異質(zhì)化越高，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中天敵的多樣性越高，病蟲害暴發(fā)的可能性越低[26]。國際生物防治組織建議非作物生境面積的比例至少要占到5%，當(dāng)其生境面積達(dá)15%時，才能充分實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中天敵的控制功能[27]。因此，在不影響糧食生產(chǎn)的前提下，應(yīng)盡量提高非作物生境面積的比例與異質(zhì)化。非作物生境是天敵的主要寄宿區(qū)域，貯存著豐富的天敵資源，可以有效減少化學(xué)農(nóng)藥投入量。另外，非作物生境，特別是緩沖帶位置和布局的確定是非作物生境發(fā)揮生態(tài)功能的先決條件。從地形角度來看，緩沖帶一般布置在下坡位置，與地表徑流的方向垂直。對于長坡可以沿等高線增設(shè)緩沖帶數(shù)量，以削減水流的能量。特別對于水環(huán)境敏感區(qū)域，應(yīng)提高緩沖帶寬度。國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為河岸緩沖帶寬度對污染物質(zhì)的去除和水質(zhì)的提高起到關(guān)鍵作用，提出了河岸植被緩沖帶的最小寬度值。例如，在太湖流域利用狗牙根作為緩沖帶植物，減少菜地施肥過程中徑流造成的農(nóng)業(yè)面源污染。當(dāng)緩沖帶寬度為1.5 m，菜地與緩沖帶面積比為100∶11 時，對總氮（TN）、總磷（TP）的攔截效果可分別達(dá)到56.1%和85.9%[28]。景觀要素的合理改造可以顯著提高系統(tǒng)生態(tài)功能。非作物生境應(yīng)因地制宜、合理改造以提升其吸收、阻控效率，包括生態(tài)溝渠、前置庫等措施的應(yīng)用。例如，在太湖流域稻田種植系統(tǒng)中，通過溝壁種植狗牙根、黑麥草和溝底種植空心菜來構(gòu)建生態(tài)攔截性溝渠，對徑流中總氮、總磷的攔截率達(dá)到48.4%和40.5%[29]。在平原河網(wǎng)地區(qū)通過前置庫技術(shù)對降雨初期總氮、總磷的去除率可分別高達(dá)70.5%和84.6%[30]。

3 農(nóng)藝措施優(yōu)化

空間格局優(yōu)化與景觀要素耦合作用的同時，通過優(yōu)化農(nóng)藝措施，可以進(jìn)一步減少肥料，特別是化肥的投入。秸稈還田、廢棄物的堆肥等農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用措施，一方面提高養(yǎng)分的循環(huán)利用，延長營養(yǎng)物質(zhì)的空間遷移路徑，例如，通過秸稈還田，可以使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)再次進(jìn)入作物生長循環(huán)，而非直接進(jìn)入環(huán)境中，可減少稻麥周年的氮磷徑流損失量7%～8%[31]；另一方面，秸稈或堆肥等農(nóng)業(yè)廢棄物還田可以減少化肥的投入，改良土壤，提升土壤質(zhì)量[32]。過量施用化肥容易造成土壤酸化，破壞土壤結(jié)構(gòu)，加劇水土流失風(fēng)險。通過合理施用肥料，增加綠肥、豆科作物等氮素替代品，適時輪作套作，可提高氮、磷等養(yǎng)分的空間多層利用，減少養(yǎng)分流失。例如，喬俊等[33]在太湖流域連續(xù)8 年的定位試驗結(jié)果表明，與稻麥輪作農(nóng)戶常規(guī)施肥模式相比，稻-紫云英、稻-黑麥草和稻-休閑輪作下，綠肥替代可以使徑流總氮損失減少18%～45%。通過物理防治與生物防治相結(jié)合的方式，特別是植物源農(nóng)藥替代化學(xué)合成農(nóng)藥的方式，可以從源頭上減少化學(xué)投入品的施用。例如，植物次生代謝產(chǎn)物或蘇云金桿菌、類產(chǎn)堿假單胞菌等生物防治制劑具備環(huán)境友好、生態(tài)安全和對靶標(biāo)不易產(chǎn)生抗性等優(yōu)點，可以代替化學(xué)農(nóng)藥實現(xiàn)對蝗蟲的防治，從源頭上有效控制化學(xué)農(nóng)藥施用量[34]。

4 案例研究

優(yōu)化空間格局與景觀要素聯(lián)合措施的應(yīng)用應(yīng)根據(jù)區(qū)域地形、地貌、降雨等自然條件，因地制宜，提升農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)整體功能。研究區(qū)域松華壩流域位于昆明市以北，橫跨嵩明縣和盤龍區(qū)，海拔1 920～2 800 m，流域面積629.8 km2。流域下游的松華壩水庫距昆明市區(qū)16 km。年平均降雨量987.1 mm，年平均溫度14.2 ℃，年內(nèi)降雨分布極不均勻，80%以上的降雨集中在雨季5 月至10 月。案例以該流域科莊村有機(jī)農(nóng)場與常規(guī)農(nóng)場為研究對象，探討環(huán)水有機(jī)農(nóng)業(yè)通過空間格局優(yōu)化與景觀要素耦合作用對農(nóng)業(yè)面源污染控制的實現(xiàn)途徑。從農(nóng)田空間布局上，有機(jī)農(nóng)場主要通過構(gòu)建生態(tài)島和保護(hù)田埂等非作物生境兩個措施來提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過對閑置山丘等非作物區(qū)域植被的保護(hù)與恢復(fù)，構(gòu)建生態(tài)島嶼，為害蟲天敵以及食物鏈構(gòu)建提供生境條件。同時對田埂雜草進(jìn)行保留，使整個農(nóng)場能夠貫聯(lián)，打通生態(tài)廊道。生態(tài)島與田埂植物等非作物生境面積約占耕作面積的5%～10%，植物種類主要為當(dāng)?shù)匚锓N，包括雀麥（Bromus japonicusThunb.exMurr.）、白茅（Imperata cylindrica（L.）Beauv.）、藎草（Arthraxon hispidus（Thunb.）Makino）、黑麥草（Lolium perenneL.）等，共21科，34屬。

通過生態(tài)島建設(shè)等生境恢復(fù)措施，生態(tài)島及田埂草叢的動物多樣性顯著提高，如表1 所示。生態(tài)島構(gòu)建等生境修復(fù)措施顯著增加了農(nóng)場鳥類的種類（P＜0.05），有機(jī)種植區(qū)共觀察到鳥類53 種，隸屬于6 目、23 科；相比之下，常規(guī)種植區(qū)共觀察到鳥類21 種，隸屬于5目、13科。另外，從網(wǎng)捕動物種類來看，經(jīng)生境恢復(fù)的有機(jī)種植基地的田埂動物共4 綱8 目21 種，顯著高于周邊常規(guī)蔬菜田的1 綱3 目5 種（P＜0.05）。有機(jī)農(nóng)場菜地大中型土壤動物共有7 綱14 目21 科27種，顯著高于常規(guī)蔬菜田內(nèi)調(diào)查到的大中型土壤動物（2 綱3 目3 科3 種，P＜0.05）。表明有機(jī)農(nóng)場生境的調(diào)控顯著提高了農(nóng)田動物物種數(shù)，增強(qiáng)了生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)功能。同以往研究一致，有機(jī)農(nóng)場注重生境的保護(hù)與改善，其最突出的生態(tài)功能即提高生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，能夠有效地控制病蟲害[35]。另外，Crowder 等[36]研究也發(fā)現(xiàn)，有機(jī)農(nóng)業(yè)通過提高農(nóng)田生物多樣性，有效控制病蟲害，從而減少化學(xué)農(nóng)藥的投入。本研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)農(nóng)場中蜘蛛、瓢蟲等天敵動物種類的提高，能夠有效控制病蟲害，通過結(jié)合有效的生物防治，即同時采用生物源農(nóng)藥替代化學(xué)合成農(nóng)藥可以有效減少化學(xué)農(nóng)藥投入2.2～2.5 kg·hm-2（表2）。

此外，通過以上措施可以有效控制氮、磷排放。有機(jī)農(nóng)場首先將尾菜與羊糞、鴿子糞等資源化利用制成有機(jī)肥，替代尿素、復(fù)合肥等化肥，循環(huán)利用尾菜的氮、磷養(yǎng)分，延長面源污染遷移路徑，顯著降低氮、磷流失風(fēng)險。本研究監(jiān)測了2018 年5 月至2019 年5 月有機(jī)農(nóng)場與常規(guī)農(nóng)場中氮、磷淋溶情況，其中，2018年雨季6—9月的氮、磷淋溶特征見圖1、圖2。結(jié)果表明：有機(jī)肥和化肥施用后，淋溶液總氮濃度（以N 計）分別為2.45～20.72 mg·L-1和12.10～29.43 mg·L-1，氮淋失量分別為每年10.55 kg·hm-2和18.47 kg·hm-2，施用有機(jī)肥每年可以顯著減少7.92 kg·hm-2氮淋溶至環(huán)境中（P＜0.05）；有機(jī)肥和化肥施用后，淋溶液總磷濃度（以P 計）分別為0.038～0.132 mg·L-1和0.028～0.106 mg·L-1，磷淋失量分別為每年0.06 kg·hm-2和0.10 kg·hm-2，施用有機(jī)肥每年可顯著減少0.04 kg·hm-2磷淋溶至環(huán)境中（P＜0.05）。這與Vincent 等[37]的研究是一致的，主要與有機(jī)肥氮素、磷素礦化速度相對較慢有關(guān)[8]。另外，農(nóng)田作為營養(yǎng)元素消納場所，按一年3～4季蔬菜計算，消納有機(jī)肥54～72 t·hm-2，可減少氮、磷排放量691～921 kg·hm-2和707～942 kg·hm-2，減少化肥投入4 555～6 073 kg·hm-2（N∶P∶K=18∶6∶24），總體上可減少820～1 093 kg·hm-2氮和273～364 kg·hm-2磷進(jìn)入環(huán)境。

Macfadyen 等[38]通過農(nóng)田食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制病蟲害，以動物物種數(shù)表征有機(jī)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。本研究也發(fā)現(xiàn)有機(jī)農(nóng)業(yè)通過景觀格局優(yōu)化與景觀要素耦合的措施，可以顯著提高農(nóng)田物種數(shù)量，使農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)具備更穩(wěn)定的食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)，能夠更有效控制病蟲害，這不僅從源頭上減少了農(nóng)藥和營養(yǎng)物質(zhì)的流失，而且通過延長面源污染的遷移路徑，減少氮、磷排放。另外，Macfadyen 等[38]研究還表明有機(jī)農(nóng)業(yè)等保護(hù)性農(nóng)業(yè)措施，也可以提高土壤質(zhì)量，增加土壤持水能力，從而減少水土流失及氮、磷流失風(fēng)險[38]。

表1 有機(jī)農(nóng)田與常規(guī)農(nóng)田動物物種組成Table 1 Composition of animal species in the organic and conventional farmland of Songhua dam

表2 有機(jī)農(nóng)田與常規(guī)農(nóng)田農(nóng)藥投入情況Table 2 Pesticide input in the organic and conventional farmland of Songhua dam

圖1 有機(jī)肥與化肥施用下氮素淋溶特征Figure 1 Nitrogen leaching character with organic fertilizer（OF）and chemical fertilizer（CF）

5 結(jié)論

通過優(yōu)化農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)空間格局和景觀要素，采用合理的農(nóng)藝措施，可以充分發(fā)揮農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)功能，有效控制病蟲害，不僅能從源頭有效控制農(nóng)藥和化肥的投入，而且能夠延長面源污染的遷移途徑，阻控氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的流失，從而有效控制農(nóng)業(yè)面源污染，改善區(qū)域環(huán)境質(zhì)量。

圖2 有機(jī)肥與化肥施用下磷素淋溶特征Figure 2 Phosphorus leaching character with organic fertilizer（OF）and chemical fertilizer（CF）