农田土壤侵蚀与生态恢复工程

农田土壤侵蚀与生态恢复工程

陈󰀁洁1,沈󰀁凡2

(1󰀁云南省环境科学研究所,云南󰀁昆明650034;2󰀁昆明大学艺术设计与建筑工程系,云南昆明650108)

摘󰀁要:综述了农田土壤侵蚀的主要原因和带来的环境问题,浅述了土壤生态恢复工程设计的发展和应用。

关键词:农田土壤侵蚀;生态恢复

中图分类号:X171󰀁4󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁文章编号:1006󰀁947X(2004)增-0132-03󰀁󰀁土壤侵蚀指土壤受风力、降水、耕作等外力作用而被分散、剥离、搬运和沉积的过程。当前,自然及各种不合理的人类活动引起的土壤侵蚀问题已严重威胁世界农业发展的可持续性。1995年2月美国󰀁科学󰀁周刊发表了康耐尔大学研究人员关于土壤侵蚀对环境和经济的影响的调查报告。这份报告说,过去40年来,全世界的可耕地损失了近1/3。土壤侵蚀造成的后果比耗尽矿物资源更可怕,土壤侵蚀是未受重视的环境问题。1󰀁造成农田土壤侵蚀的主要原因1󰀁1󰀁土壤因素

土壤的结构、质地、水分、层理、腐殖质含量及土壤吸附体的饱和度是最重要的土壤因素,对侵蚀来说,这些都影响着降水的入渗和土壤对雨滴、地表径流和风蚀等破坏性因素的抵抗作用。据有关研究表明,不同性质的土壤对地表径流和风蚀的抵抗作用是不同的。结构发育不良,内聚力较小的土壤,其抗蚀能力较弱,导致降雨强度较大时土层被强烈冲刷,引起土壤肥力下降,且造成底土的剥蚀。对美国主要谷物生产区深层土壤的调查表明,土壤流失50󰀁8mm时,肥力降低15%;流失152󰀁4mm,降低30%;流失254mm,降低57%。农地养分的流失已成为农业生产中的一个问题。1󰀁2󰀁植被因素

农田作物可减小降雨对土壤团聚体的破坏,减慢地表径流的速度,保持土壤水分,使土壤有机质和氮素的含量增加。一旦农田植被遭到破坏,不仅因土壤水分蒸发量大而影响土壤团聚体的稳定性,

󰀁收稿日期:2003-10-31

而且因无植物根系的机械加固作用,使土壤较易被雨水冲刷,因此土壤侵蚀的程度与植物覆盖情况密切相关。1󰀁3󰀁技术因素

技术因素主要包括土地利用方式、土壤耕作方法、农作物的选择和分布以及有关的农业技术等。

人类对植被破坏最多的区域是农田,因此最强烈的侵蚀也发生在农田。由于人类长期以来使用顺坡耕作方式,降雨时无法控制地表径流速度,降低了降雨入渗量,破坏了土壤团聚体的稳定性,导致农地土壤侵蚀的强度和进程增加。各种耕作位置对土壤流失量的影响见表1。

表1󰀁耕作方式对土壤流失量的影响耕作位置沿等高线耕作坡度为4󰀁4%的坡地坡度为16%的坡地

土壤流失量(t/ha)

1󰀁712󰀁227󰀁2

󰀁󰀁由上表可见,采用何种耕作方式决定了土壤的抗蚀能力。

2󰀁农田土壤侵蚀带来的环境问题

土壤侵蚀的发生不仅降低土壤肥力,而且影响农业产量,更重要的是它带来了一系列环境问题。2󰀁1󰀁对土壤本身的侵害

农药和化肥是一种污染土壤、地表水和地下水的重要来源。由于降水的淋溶作用,这些污染物随之进入土壤,不仅破坏土壤结构、分散土粒,使土壤通透性降低,并且其成分可长期存在于土壤中,难以降解,其中的许多成分有致癌、致变、致畸作用,且可通过土壤󰀁󰀁󰀁植物系统,经生物放大作用进入食物链,在植物动物体内逐级累积,进而直接

󰀁132󰀁农田土壤侵蚀与生态恢复工程󰀁󰀁陈󰀁洁

危害人类的健康。

我国是世界上人均耕地占有量较低的国家,长期以来,工业污染源的排放、污灌,农药和化肥的过量不合理使用,导致农田污染十分严重。据资料显示,全国受重金属污染的耕地多达2000万hm2以上,受农药和其它化学品污染的农田约6000多万hm2。典型地区的调查结果表明,我国每年出产重金属污染的粮食多达1200万t;全国出产的主要农产品中,农药残留超标率高达16~20%。2󰀁2󰀁由于运移产生的对水资源的污染

氮、磷、钾肥的施用随着地表径流而发生运移,污染着地表和地下水资源,最常见的问题是对河流和湖泊中生物平衡的影响,即河流和湖泊的富营养化,藻类大量繁殖生长,降低了水中有效氧的含量,从而影响到鱼类和其它水生物的生存,加快河流和湖泊沼泽化的进程。不只是化肥和农药,工业废物堆积场和裸露堆放的生活垃圾也会污染土壤和地下水。

因此,由于农田中污染物的长期积累,农作物中污染物超标严重,农产品质量低下,同时也导致了严重的地表及地下水污染,致使大量耕地被迫撂荒或作他用。

3󰀁土壤生态恢复工程设计浅述

土壤污染相比大气污染和水体污染而言,具有很强的隐蔽性、局域性和不可逆性,同时由于工作量的巨大和治理成本的高昂,也决定了土壤污染治理的艰难性。因此,怎样恢复和重建退化的土壤生态系统、寻找有效的土壤污染治理途径已成为全社会关注的一个热点,在这个大背景下,土壤生态恢复工程与技术得到发展与应用。3󰀁1󰀁土壤生态恢复的工程措施

󰀁建设水利工程,合理规划和节约用水在对土壤进行生态恢复时,要规划设计好水利设施,在上半年进行蓄水。主要措施是修造中、小型水库、山塘、灌溉渠道及抽水机埠,在作物安排上要水作与旱作结合,并注意区域内的水资源的平衡,在区域内部协调水资源的分配。采用旱地和水田的灌溉技术,提倡节水灌溉。

󰀁梯地(田)工程

将荒山荒坡改造为梯地或梯田,以防止土壤的流失和退化。梯地(田)应等高建设,在梯田边缘

应种植香根草或其他深根草。在必要的地方应在梯田的后部挖排水渠道。在造田时表土应先移植到其他地方,然后再回复到畦沟内。根据实验结果,改为梯地后的土壤流失量比坡地减少50%以上。3󰀁2󰀁土壤生态恢复的生态措施

󰀁种植先锋植物

在我国南方,已退化的土壤一般酸性较强,不适宜种植大部分农作物和果树等经济作物,此时必须先种植一些耐酸的草本植物,种了这些植物以后会改变土壤的酸碱度,降低土壤的酸性,以后可以种植其他农作物或果树、林木等植物。这种最先能在退化土地上生长的植物叫先锋植物。根据这些作物或林木的抗逆性和适宜性,选择出适合于本地区的品种,在退化的土壤中大面积种植,以改变土壤的植被,逐步改善土壤的理化性状。

󰀁种植防护林带

对高于某一高程的山顶规划为林业用地,不进行开发利用,而是作为水土保持林地,或种植木幼苗,进行封山育林,在道路两旁,灌溉渠道边种植林带。

󰀁农牧结合,恢复土壤肥力

畜牧业能充分利用种植业所产生的秸秆,生产出大量的有机肥,改善土壤的理化性状,培肥土壤。如采用三亩农地生产的饲料供养一头产奶母牛,而将一头奶牛的粪尿返回这三亩农地,以改良土壤,土壤有机质可从1󰀁25%提高到1󰀁88%,改土效果显著。同时奶牛的饲养与奶制品的加工也具有良好的经济效益。

3󰀁3󰀁土壤生态恢复中的土壤污染治理措施

在土壤生态恢复利用中,如果不注意治理,只注重开发,难以达到预期的效果。

美国、荷兰、英国、德国等发达国家已经把治理土壤污染摆在与大气污染和水污染同等重要的位置,而且已从角度制定了相关的修复工程计划。但目前我国对土壤污染的严重性和治理工作的紧迫性仍未引起足够的重视。

󰀁污染土壤的植物修复

目前为止,污染土壤的生物修复(治理工程)技术主要有两类:原位生物处理技术和地上处理技术或称异位处理技术。地上生物处理法则要求把污染的土壤挖出,集中起来进行生物降解,即非现场

󰀁133󰀁

云南环境科学󰀁第23卷󰀁增刊󰀁2004年4月的生物修复技术,包括堆肥式处理和生物反应器。

原位生物修复不需将土壤挖走,其优点是费用较低但较难严格控制,目前国际上原位生物修复研究的热点集中在植物修复研究。这是一种主要利用植物去除和消减污染物的环境治理技术。譬如:在污染土壤中种植对重金属具有特殊耐性和富集能力的󰀁超富集植物󰀁,可以迅速将大量的污染物吸收和富集到植物体中并运输到植物地上部分,通过收割植物地上部分就可以从土壤中带走大量的重金属,然后收获植物的地上部,对植物进行焚烧或冶炼,进行二次利用。比如,羊齿类铁角蕨属植物及富镉苋科植物(特别是野生苋)和十字花科遏蓝菜属等,对土壤的镉的吸收能力很强,后者体内的含镉量可高达5000~7000mg/kg;香蒲植物、绿马植物无叶紫花苕子对铅锌具有较强的忍耐和吸收能力,可用于净化铅锌矿废水污染的土壤。

在被有机质污染的土壤中,植物根对有机物的吸收近乎直接与有机物的相对亲脂性有关,主要表现在植物释放的各种分泌物或酶类促进了有机污染物生物降解及强化有机污染物在根际微域的矿化作用等方面。如利用胡萝卜吸收二氯二苯基-三氯乙烷,然后收获胡萝卜,集中处理。在这个过程中,亲脂性污染物离开土壤基质进入脂含量高的胡萝卜中。一些有机污染物被植物或与之有关的微生物降解甚至矿化,植物的根和茎有相当的代谢活性,既使在植物根以外或根际,其中一些代谢酶在植物修复过程中也发挥重要作用。如在根际,某些杀虫剂成分,如三氯乙烯和石油醚等已能在根际快速降解,但在土体中降解过程的总体速度和数量都相对较慢。最近已有关于利用硝基还原菌降解TNT,利

用脱卤素酶和漆酶来降解含氯有机物等的报道。

这类技术具有成本低、无二次污染、保护土壤、美化景观的特点。无论是从投资成本还是管理等多方面考虑,采用植物修复技术都是一条非常适合我国国情的土壤污染治理途径。

󰀁推广能有效提高植物修复效率的配套技术为了更好地利用植物修复土壤环境污染,目前采用的植物修复促进技术主要有以下两种:一是利用根际微生物与植物间可形成联合修复体系的作用。微生物的存在能够降解有机污染物或改变污染物的存在形态,提高污染物的生物有效性,利于植物对污染物质的吸收,并使有机污染物的植物毒性减小;二是采用基因工程技术,通过育种和基因工程改良植物性状,使之更适用于进行植物修复,如通过改良遗传特性来提高植物对污染物的耐性、富集能力或提高超富集植物和生长速度或生物量。

由于植物修复更适应环境保护的要求,因此越来越受到各国、科技界和企业界的高度重视。自从20世纪80年代问世以来,植物修复技术已经成为国际学术界研究的热点问题,并且开始进入产业化初期阶段。目前,植物修复技术的市场以每年翻一番的速度迅速发展。4󰀁结语

由于农田土壤侵蚀本身较为复杂,人们对土壤侵蚀的认识还不够全面,例如确定土壤中污染物含量的检测方法较为困难,因此生态恢复工程的设计过程中必须尊重自然规律,正确运用生态学知识,强调生态恢复中的工程技术和实际应用,才能取得农业生产长期、持续、稳定、协调的发展。

SoilErosionandEcologicalRestorationWorksinFarmland

CHENJie1,SHENFan2

(1.YunnanInstituteofEnvironmentalScience,KunmingYunnan650034,China;

2.DepartmentofArtDesignandArchitecture,KunmingUniversity,KunmingYunnan65018,China)

Abstract:Thisarticleelaboratesthemajorreasonsforsoilerosioninfarmlandandtheconsequentenvironmentalissues,aswellasthedevelopmentandapplicationofengineeringdesignforecologicalrestorationofsoil.Keywords:soilerosioninfarmland;ecologicalrestoration:

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