基于WebGIS的农业面源污染信息系统的开发及应用

农业面源污染研究是当前国内外环境科学与工程领域的研究热点,但研究大多侧重于农业面源污染的成因、机理、模型和控制对策等,而缺乏一个良好的交互式的用户界面来发布、管理和分析农业面源污染,使其可视化等.本文以太湖流域的杭嘉湖平原为例,通过利用GIS及其相关技术,特别是We-bGIS技术(ArcIMS、ArcSDE)的应用,建立了一个基于WebGIS的农业面源污染信息系统(ANPSPIS),以期为农业面源污染的管理、规划和决策提供依据。

浅谈信息化管理生态补偿机制在农业面源污染治理中的实践与成效

本文介绍了信息化管理生态补偿机制在农业面源污染治理中的实践与成效。采用先进的信息化技术,对农业面源污染进行监测、评估和预警,同时结合生态补偿机制,可以实现对农业面源污染的有效治理。实践证明,该机制在提高治理效率、降低治理成本、促进农业可持续发展等方面具有显著成效。

我国农业面源污染研究与展望

农业面源污染会带来一定的生态环境风险。经过20多年的治理,我国面源污染基础研究和防控工作取得重要进展,构建了流域、区域或国家尺度农业面源污染源汇路径全过程监测与评估体系,基本厘清了不同生态条件下农田系统中氮磷流失的主控因子,初步探明了农田有毒有害化学/生物污染与防控机制。在防控技术层面,研发出新型、绿色肥料替代常规化肥减量投入技术与产品,氮、磷高效利用污染负荷减排技术,土壤氮、磷增容负荷减排技术,坡耕地氮磷流失阻控技术,农业废弃物资源化利用技术与消纳装备。我国农业氮、磷排放污染负荷虽整体呈下降趋势,但依然是影响我国环境质量的首要污染因子,且农业面源污染呈现新的特征,表现为养殖业尤其是水产养殖业污染问题逐渐突出,残留地膜、农药、抗生素、激素、病原微生物等新型污染物污染问题不容忽视,面源污染途径从以径流扩散为主转向淋溶、挥发、累积并重的阶段,污染介质从单一地表水体转向包括地下水体、大气以及农田生态系统并存的状态。未来应以本领域我国取得科研成果和相关信息资源为基础,利用数字技术和AI技术,构建我国农业面源污染防控技术和管理融合大数据模型和系统理论,持续加强田块、流域、区域等多尺度面源污染防控技术集成配套与工程化应用研究,培育绿色低碳农业新质生产力产业,落实防控技术工程“政—产—学—研—用”保障机制与措施,以提升区域或流域尺度面源污染防控技术的环境、经济和社会综合效益,全面推进我国农业面源污染治理工作,促进农业高质量健康发展。

新疆农业面源污染研究进展

农业面源污染具有来源广、危害大、潜伏周期长等特点。针对新疆农业面源污染现状不明确的问题,本文收集整理了有关新疆农业面源污染的研究报道,从污染态势、污染风险源、面源污染模型以及治理对策等几个维度总结了新疆农业面源污染的研究进展。

江苏农业面源污染的来源与现状分析

江苏省农业条件得天独厚,但是农业面源污染严重,危害当地的水生态环境。将农业面源污染划分为农田化肥、畜禽养殖、农田固体废弃物、水产养殖、农村生活5个产污单元,分别计算每个单元的COD(化学需氧量)、TN(总氮)和TP(总磷)排放量,分析江苏省农业面源污染的主要来源。结果表明,农村生产生活的COD年排放量是最大的,其次是水产养殖,COD排放最少的是农田固体废弃物;种植业的TN和TP排放量是最大的,其次是水产养殖,农田固体废弃物的TN和TP排放量最少。通过分析江苏省农业面源污染的主要来源,为进一步减少农业面源污染的政策制定和治理提供依据,也为江苏省乡村振兴助力。

整建制全要素全链条农业面源污染综合防治的思考及实践

加强农业面源污染综合防治是加快推进中国农业发展全面绿色转型,实现乡村全面振兴的重要任务。近年来,在多方的共同努力下,中国生态环境改善取得了一定成效,但重点流域的农业面源污染问题仍然突出。该研究在分析中国农业面源污染现状的基础上,通过资料收集、现场调研、专家座谈等多种方式梳理和分析了农业面源污染综合防治在治理主体、投入要素、技术体系与产业链条方面的瓶颈,解析了整建制全要素全链条农业面源污染综合防治的内涵,阐述了国家农业绿色发展先行区浙江平湖在践行整建制全要素全链条农业面源污染综合防治方面的先进做法及应用效果。总结了典型案例在网格化健全污染综合防治“整建制”、特色化延伸综合防治“全链条”、以及全方位保障污染综合防治“全要素”三个方面开展的相关工作,以期为探索形成农业面源污染综合防治整体解决方案,示范带动农业发展全面绿色转型提供支撑。

黄河流域河套灌区农业面源污染模拟的难点与重点分析

黄河流域河套灌区农业面源污染问题突出,使用模型模拟是对河套灌区农业面源精准溯源、准确预测、评估治理措施治理效果和生态环境影响的有效途径,也是全面应用“监测-溯源-核算-治理-管理”农业面源污染全链条防控技术体系的关键核心步骤.经梳理发现,目前河套灌区农业面源污染模型由于缺乏对“源-汇”关系的精准表述和输移转化机制的阐明,导致存在一定的“假拟合”现象,致使后续使用模型模拟得到的结论存在较大的误差和不确定性,其结果在溯源、核算、评估等方面均无法完全成为具有实际指导意义的工具;除此之外,目前河套灌区现有的水文水质数据监测网络一定程度上难以满足日益增长的农业面源模型建立、率定和验证的需要,因此率定与模拟的结果很难具有更高的时空分辨率,导致对月尺度以下发生的面源污染行为和相应的环境危害评估与实际情况具有较大偏差.因此,建议建立流域层面农业面源污染监测网和数据分享平台以获取来自河套灌区具有更高时空精度的实测数据,并通过实地实验的方式阐明在河套灌区这一特殊“农业-环境”系统中面源污染物的输移转化机制,并在此基础上开发新的可以复现并模拟该机制的机理-大数据耦合模型来为区域内的科学研究与政策决定提供帮助.

基于流域模型与遥感解译方法的农业面源污染精细化源解析技术研究

农业面源污染源解析是面源污染防治的基础。农作物种植是农业面源污染源的重要组成,然而传统的面源污染源解析方法不能量化不同农作物对农业面源污染负荷的贡献,其解析精度也难以满足环境管理部门精细化管理的客观需求。本研究以天津于桥水库上游沙河流域为研究区,采用流域模型与遥感解译的方法,解析流域总磷负荷来源与贡献,旨在建立一种农业面源污染源精细化源解析技术。研究结果显示:基于Google Earth Engine(GEE)平台的农作物遥感总体分类精度在88%以上,Kappa系数均大于0.81,整体分类结果可信。沙河流域主要作物类型包括冬小麦-夏玉米、板栗、果树与其他作物,其中冬小麦-夏玉米的种植面积最大,占比为44%~67%,板栗种植面积次之,占比为11%~29%。冬小麦-夏玉米种植面积总体呈下降趋势,板栗种植面积则呈快速上升趋势。沙河流域Generalized Watershed Loading Function(GWLF)模型对溪流量与总磷负荷的模拟表现良好,其模型校准期与验证期的NSE在0.59以上,R^(2)在0.79以上。耕地为沙河流域最大的面源总磷负荷来源,占总磷负荷总量的61%;在耕地中,冬小麦-夏玉米总磷负荷占比最大(52%),板栗次之(20%);考虑到板栗种植面积近年来不断上升,未来沙河流域面源总磷负荷仍有升高的风险。

农业要素市场化对农业面源污染的影响效应——兼议环境规制的调节作用

本文探讨了农业市场化改革背景下,农业要素市场化对农业面源污染的影响效应、作用机制以及环境规制在其中的调节作用。基于2004—2020年中国省级(不含港澳台、西藏)面板数据,构建了动态面板模型,并运用差分广义矩阵及调节效应模型进行分析。研究结果表明:1)农业要素市场化对面源污染呈现倒“U”型的动态演化特征;2)机制分析表明,农业要素市场化通过种植结构效应、化学品投入效应和经营规模效应间接影响面源污染,具体而言,农业要素市场化对“非粮化率”和化肥投入强度存在倒“U”型影响,对人均经营规模的影响在市场化程度较高的后期显著为正;3)环境规制在“非粮化率”和化肥投入强度的传导机制中具有显著的负向调节作用,对经营规模与面源污染之间的传导关系不存在显著调节效应。因此,本文提出要进一步发挥市场化改革对农业污染治理的长效机制,立足农业面源污染治理“规模效应”“结构效应”和“投入品效应”的路径依赖,构建“政府-市场”双轨运行机制,以实现农业生态环境的改善和农业可持续发展。

鄱阳湖流域南昌湖区农业面源污染现状及控制策略

农业面源污染治理是我国“十四五”重点流域水环境综合治理中的重要组成部分,为了解析鄱阳湖流域农业面源污染特征与时空分布情况,推进区域内农业面源污染治理工作的落实开展,以鄱阳湖流域南昌湖区为研究对象,通过资料收集、实地考察以及数据分析等方法,系统地统计了2020年度鄱阳湖流域南昌湖区五大国控断面汇水区域内的农村生活污水、农业种植、畜禽养殖、水产养殖四大农业面源污染产生的入湖污染负荷,分析了南昌湖区不同农业面源类型污染特征以及入湖污染物的空间分布情况。结果表明:农村生活污水污染主要集中在青岚湖、金溪咀刘家和伍湖分场3个国控断面汇水区域,农业种植面源污染主要集中于青岚湖国控断面汇水区域,畜禽养殖污染绝大部分集中在青岚湖、金溪咀刘家国控断面汇水区域,水产养殖污染主要集中在金溪咀刘家、南矶山国控断面汇水区域;其中青岚湖和金溪咀刘家区域内的农业面源污染是南昌湖区亟需治理的重点,COD、NH_(4)^(+)-N、TN、TP产生量分别占据5个国控断面农业面源污染总量的78.6%、66.7%、70.9%和69.0%。

湖南省农业面源污染风险等级区划及防治对策

为全面掌握湖南省农业面源污染状况,探讨农业面源污染风险等级区划及防治对策,本研究运用等标污染负荷法和GIS空间分析法,基于单位国土面积等标污染负荷和单位地表径流等标污染负荷对湖南省2018—2021年农业面源的污染源、污染物及其空间分布特征进行分析。结果表明:湖南省农业面源TN污染负荷最高,2018—2020年贡献率均在40%以上。污染负荷总体呈中部高、向四周逐渐降低的分布趋势。通过自然间断点分级法可将全省分为高、中、低风险区3个一级分区,根据污染来源,将全省划分为畜禽养殖污染型、农村生活污水污染型、农村生活污水-畜禽养殖污染型、农村生活污水-种植污染型、种植-畜禽养殖污染型、复合污染型6种污染类型,形成14个二级分区,并根据不同区划类型提出了湖南省农业面源污染的防治对策。

农业院校试验田和水产养殖基地面源污染的综合治理

为治理某农业院校试验田地表径流和水产养殖等面源污染,结合已有面源污染防治技术和水体污染综合治理思路,分析了污染源并制定了综合治理技术方案,应用微生物技术、水生生物系统、曝气技术等技术手段,辅助科学的纳污引水连通及排水工程进行综合治理实证研究,目标是末端排放口水体水质稳定达到地表水Ⅳ类水水质标准。结果表明:通过实施投加微生物菌种、种植挺水植物、种植沉水植物、设立生态浮岛、种植粉绿狐尾藻、增设曝气系统等措施,末端排放口水体中COD、氨氮和TP浓度从治理前的22.10、2.76、0.124mg/L降至治理后的12.02、1.27、0.098mg/L,达到了地表水Ⅳ类水水质标准。

新发展阶段视角下的干旱地区农业面源污染治理思考

分析了农业面源污染产生原因及农药化肥、农用地膜、生活垃圾等污染源特征,以系统化的思维重新审视了农业面源污染的内涵。讨论了干旱地区农业面源污染治理在管理和技术领域存在的问题,提出了相应对策建议。

红枫湖流域农业面源污染治理的生物地球化学垒体系构建初探

在点源污染得到有效控制后,流域内农业面源污染逐渐成为了湖库氮、磷等营养物质外源输入的主要贡献者。本研究选取红枫湖流域农田土壤为研究对象,对其添加改良剂并种植植物来构建生物地球化学垒,并对其氮、磷拦截效应进行了综合评估。研究结果表明,添加Al_(2)(SO_(4))_(3)、CaCl_(2)与钠基膨润土显著提高了土壤对NH_(4)^(+)-N、NO_(3)^(-)-N和磷的拦截率,降低其流失程度。其中,对土壤添加CaCl_(2)改性钠基膨润土并种植植被构建的生物地球化学垒,对NH_(4)^(+)-N、NO_(3)^(-)-N和磷的综合拦截效果最佳,截留率分别为87%、95%、93%。而添加了FeSO_(4)的土壤,NO_(3)^(-)-N的淋失程度增强,不宜选取。种植植物后,植物生长对土壤中氮和磷有一定的活化作用,导致模拟径流中NH_(4)^(+)-N和溶解性磷浓度较种植植物前升高,但是均低于对照组。而且种植植物后经改良的土壤单元有效磷(Olsen-P)较种植植物前显著降低,也反映出植物对土壤磷的活化利用。综上表明,通过对土壤添加Al_(2)(SO_(4))_(3)、CaCl_(2)与钠基膨润土并种植适生植物(黑麦草和白花三叶草)来构建生物地球化学垒,可以实现红枫湖小流域内的氮、磷等污染物拦截和植物生长两相促进,从而有效、持续拦截土壤氮、磷,降低其流失程度,对实现农业面源污染的可持续治理具有重要意义。

农业面源氮污染控制措施滞后效应形成机理与评估方法研究进展

推广实施最佳管理措施(BMPs)被认为是防治农业面源污染的有效途径,然而许多流域实施BMPs后通常难以在预测的时间内实现水质改善目标,导致人们对BMPs的有效性提出质疑。受流域内养分遗留效应影响,BMPs实施后的环境质量改善效益可能不会立刻显现(也即“滞后期”),这是由于过去人为活动输入的过量营养物质在流域水文传输和生物地球化学转化过程中的积累所致,当来自外部的污染负荷减少时,这部分营养物质的汇集和释放可能掩盖治理措施对于水质改善的影响。鉴于遗留的营养物质在延迟水质改善方面的关键作用,滞后期的量化评估对于全面分析污染成因,科学配置BMPs,有效治理流域农业面源污染,提升水质改善效率非常重要。以农业面源氮控制措施的滞后效应形成机理和评估方法为主线,概述了流域尺度氮累积和滞后效应产生的主要机理,述评了氮污染滞后效应的量化评估方法,提出目前大多数流域模型尚不能很好的表述滞后效应以及缺乏解决水文和生物地球化学遗留效应的能力,并对未来BMPs优化配置研究提出建议:(1)摸清流域水文传输过程和生物地球化学转化过程对BMPs控氮效益滞后期的影响,分析污染负荷削减的时空响应规律;(2)构建包含土壤、浅层含水层和地下水动力学组合的流域尺度BMPs控氮效益滞后期模型,分析不同管理情景下污染物减排和水质目标改善所需时间;(3)建立涵盖滞后效应的BMPs优化配置方案,以寻求短时间内实现治理效能最大化以及环境与经济效益双重协同的流域农业面源污染防治策略,有效提升资金使用效率,为相关管理措施和政策制定提供理论基础和数据支撑。

基于区块链的农业面源污染治理信息管理及监管机制创新

针对当前我国农业面源污染治理存在因机制不完备导致的治理信息安全隐患大、问题企业追责难、监管效率低下等问题,提出了基于区块链的农业面源污染治理信息管理及监管机制。在探讨区块链与农业面源污染治理的系统结构协同和机制功能协同的基础上,搭建了农业面源污染治理Fabric联盟链框架体系,并从农业面源污染治理信息管理和监管两个方面进行了机制创新。研究表明,区块链技术的创新应用将在农业面源污染治理制度和模式上进行突破,保障农业面源污染治理信息的安全性,促进相关利益主体行为得到有效监管,降低治理成本和复杂度,形成政府和农业生产经营主体间信息自由传递、流动的立体网络和治理逻辑。

信息化管理生态补偿机制在广东省农业面源污染治理中的实践与成效

针对以往生态补偿机制在农业面源污染治理实践过程中遇到的补贴目标不明确、监管不足和挤占挪用等难题,世界银行贷款广东农业面源污染治理项目建立了信息化管理生态补偿机制。该机制2014—2020年在广东省的27个县推行实践,53.47万户农户参加,实施面积达34.02万公顷,发放补贴金额达16406.57万元。结果表明:(1)项目实现补贴精准发放;(2)有效引导农户形成良好的种植习惯;(3)该机制协调项目各管理部门共同参与和监管补贴流程;(4)项目区化肥和农药使用量比项目实施前分别减少30.6%和30.9%,有效控制农业污染源头;(5)该机制可复制、可推广,目前在广东省财政支持下继续在省内推广应用。该项目的实践成效可为完善我国生态补偿机制及推动现代农业可持续发展提供有益的借鉴。

南方库区生态农业小流域面源污染特征

为研究生态农业小流域的氮、磷减排效果,以广东省英德市大站镇长湖水库粉洞生态小流域为研究对象,通过野外监测和实验室分析等方法研究小流域面源氮、磷污染物含量和污染负荷输出特征,确定关键源区,评价生态农业的减排效果。结果表明,流域内水体受污染程度低,大部分都在Ⅲ类水质范围内;总氮、总磷是流域内主要污染负荷;流域地表水氮素组成主要以溶解态氮为主(>50%),溶解态氮以硝态氮为主;关键源区有水土流失、养鹅场、居民点、养猪场、耕地。研究期间流域总氮负荷为345.22 kg,总磷负荷为69.47 kg,入河污染负荷强度低,总氮和总磷的入河系数分别为0.16和0.63。以上结果表明,生态农业小流域氮、磷减排效果显著,且流域氮、磷消纳能力强,使得流域内氮、磷污染负荷较低,水质较好,生态农业具有推广价值。

农业氮素投入与农业面源污染风险的响应关系——以河南省为例

研究以减少面源污染风险、提高氮肥利用效率为目的,根据土壤氮素平衡原理,使用清单分析法和排污系数法解析了河南省17个地级市氮肥施用现状并对各地市农田土壤氮盈余、理论施氮量以及监控施氮量进行了量化分析。结果显示:除漯河市外,河南省剩余16个地级市的农田土壤氮素含量普遍处于盈余状态,氮盈余平均值达到255 kg/hm^(2),氮肥生产效率较低且大量施肥,是导致河南省农业面源污染和制约粮食增产增效的主要原因;河南省16个地级市存在过量施氮的情况,对作物施氮量进行调整后,在保证土壤养分和作物生产的前提下,河南省年总施氮量由原来的3.793×10~6 t减少到2.553×10~6 t,平均施氮量负荷由455 kg/hm^(2)降低到319 kg/hm^(2),河南省平均氮肥生产效率也将从14.3 kg/kg提升到22.3 kg/kg,有效提高了氮肥生产效率并减少了农业面源污染发生的风险;在农田土壤氮素平衡模型中,濮阳市、焦作市等部分施氮水平较高的地区由于土地利用率高、农作物消耗较大和种植结构等原因,农田土壤氮素的过剩量较小,农业面源污染风险也较小;济源、三门峡等部分施氮水平较低的地区由于地形、土壤和熟制等因素影响,农田土壤氮素的过剩量反而较大,农业面源污染风险也较大。因此,施氮量越大并不意味着农业面源污染风险越大,在农业生产中不能一味地追求“减氮”,而是要使氮肥施用量能够满足实际农业生产和增产的需求。

河南省农业面源污染负荷估算及控制分区

农业面源污染问题是造成水环境污染的重要原因之一,识别农业面源污染空间分布并进行分区控制是农业面源污染防治的前提。运用清单分析法、等标污染负荷法和聚类分析法对河南省2020年农业面源的污染源、污染物及其空间分布特征进行分析。结果如下:1)河南省农业面源主要污染源为化肥施用和畜禽养殖,污染物COD排放量最大,南阳市排放总量最高;河南省农业面源污染呈较强的区域分异特征,化肥施用污染主要集中在周口市,畜禽养殖以南阳市为最严重;总等标污染指数最高为濮阳市。2)通过聚类分析将河南省划分3个一级面源污染控制分区:高度、中度和轻度风险区,并在此基础上细分为7个二级面源污染控制分区,并针对性地给出了河南省农业面源的防治对策,为河南省农业面源污染的分类管控提供参考依据。