美國有哪些減少農業非點源污染的技術？

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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，儘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 and
Controlled 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(Shallow
drainage)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]

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(Energy
source);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(Constructed
Wetlands)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：

除了標註以外，本文的內容均為原創，請尊重知識產權，未經許可不得轉載。
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

其實農業源的治理防治技術就那麼幾項。前端減少污染來說有：干清糞、雨污分流、墊草墊料。農業利用的有：製作有機肥，養蛆養蚯蚓等，沼氣池發酵發電，沼液沼渣還田還林水產養殖。污染物治理的有：生化處理，人工濕地消解等。和國內的也差不多，區別在於農業生產條件不同，美國可以輪墾，消納土地更充足，以及技術和管理水平的區別。