来源:Frontiers of Agricultural Science & Engineering 发布时间:2024/2/26 13:18:38
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FASE | 亮文解读:水污染与农业——多污染物视角

论文标题:WATER POLLUTION AND AGRICULTURE: MULTI-POLLUTANT PERSPECTIVES(水污染与农业——多污染物视角)

期刊:Frontiers of Agricultural Science & Engineering

作者:Mengru WANG, Qi ZHANG, Yanan LI, Mirjam P. BAK, Sijie FENG, Carolien KROEZE, Fanlei MENG, Ilaria MICELLA, Vita STROKAL, Aslihan URAL-JANSSEN, Maryna STROKAL

发表时间:15 Dec 2023

DOI:10.15302/J-FASE-2023527

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农业面源污染与绿色发展

Non-Point Source Pollution Control and Agricultural Green Development

专 辑 文 章 介 绍

· 第十一篇 ·

▎论文ID

Water pollution and agriculture: multi-pollutant perspectives

水污染与农业:多污染物视角

发表年份:2023年

第一作者:Mengru WANG

通讯作者:Mengru WANG

:mengru.wang@wur.nl

作者单位:荷兰瓦赫宁根大学,环境系统分析小组

Cite this article :

Mengru WANG, Qi ZHANG, Yanan LI, Mirjam P. BAK, Sijie FENG, Carolien KROEZE, Fanlei MENG, Ilaria MICELLA, Vita STROKAL, Asl?han URAL-JANSSEN, Maryna STROKAL. WATER POLLUTION AND AGRICULTURE: MULTI-POLLUTANT PERSPECTIVES. Front. Agr. Sci. Eng., 2023, 10(4): 639–647 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2023527

· 文 章 摘 要 ·

农业是水体中多种污染物的重要来源。随着人口增长和粮食需求的增加,预计在21世纪将有更多的营养物质、塑料、杀虫剂、病原体和抗生素进入水体环境。因此,水科学已经由单一污染物的角度转向多污染物的角度进行大规模的水质评估。本文从多污染物的角度总结和讨论了与水污染和农业有关的四个重点。以此揭示水体中多种污染物的时空分布和主要来源。在此基础上提出科学建议,以优先考虑可持续农业 (联合国可持续发展目标SDG 2) 和清洁水源 (SDG 6和SDG 14) 的解决方案。该建议指出,在制定水污染解决方案时,必须考虑到多种污染物及其在地球化学之外的相互作用。

· 文 章 亮 点 ·

1. 从多污染物的角度确定了农业和水的四个重点。

2. 水体中多种污染物及其来源的时空变化巨大。

3. 农业措施的科学议程需要考虑多污染物。

· Graphical abstract ·

· 研 究 内 容 ·

▎引言

如今,当水质受到多种污染物的影响时,人们仍然知之甚少,特别是在国家和全球等大尺度上。在过去,水污染问题往往与营养元素和富营养化有关。但如今有所不同。随着农业活动的增加和技术的发展,水系统面临着与塑料,抗生素和化学品有关的新兴污染物的新挑战 (图1)。气候变化和不可预见的危机 (如COVID-19) 加速了这些挑战。例如,密集的农业活动是向水系统释放各种污染物的主要来源之一。导致如地下水,河流和湖泊受到比过去更严重的污染,保护水体环境十分紧迫。本文评述了与水污染和农业有关的四个重点:(1) 更多关注于探究多污染物造成水体污染的原因,(2) 多污染物热点的时空分布,(3) 农业是多种污染物的重要来源,(4) 生物地球化学之外的水系统中多种污染物的相互作用。本文为全球和中国水污染提供了一个案例,并在此基础上为水环境保护制定了一个策略,以探索未来水污染控制的解决方案。

图1 农业与非农业地区污染物输入河流的概念模型。

▎四个重点

重点一:从单一污染物到多污染物评估

从单一污染物到多污染物的水质评估转变的五个主要原因:

(1) 越来越多的新污染物被释放到世界多地的水系统中。这些污染物通常没有设计专门的监测,但却对水系统造成额外压力。由于城市化进程 (更多的人类消费和塑料产品), 微塑料将持续输入到河流和海洋。因此,需要更好地了解新生污染物的污染程度及其原因。

(2) 在全球许多流域均有多污染物问题,且仍在蔓延。在全球范围内,越来越多的水系统受到多种污染。水中的多种污染物 (个人护理产品中的微塑料和三氯生,药物中的双氯芬酸,宏观塑料,抗生素和杀虫剂等) 已经出现在更大的范围内 (大陆和全球)。多污染物问题已经成为一个全球性问题,也是21世纪的重大问题。因此,全球分析的多污染物研究数量也在增加。

图2 2010年代中国农业和非农业地区向河流输入多种污染物问题。

(3) 许多污染物从同一来源进入水体。农业在这方面占有重要份额 (表1,图1和图2)。种植生产不仅是增加水中营养物质的来源,还是产生大塑料、微塑料,以及农药的来源 (表1,图2)。由于抗生素常用于制备畜禽饲料,畜禽粪便也可能含有这些抗生素。因此,使用畜禽粪肥种植农作物会使水体受到抗生素的污染 (表1,图2)。由于城市化,个人产品,药品和塑料的消费增加,使城市居民生活也成为水体多种污染物的共同来源。

表1 举例总结了农业活动在水污染控制中的重要性,以多污染物为主

(4) 多污染物可能导致对社会和自然的多重影响。虽然一些污染物的影响已被了解,但水中更多的污染物可能会增加对水生生物的压力水平,使水体不适宜人类的需求。然而这一领域的科学证据仍然非常有限,需要更好地了解污染物之间的相互作用。

(5) 近年来开发了全球多污染物水质模型,以支持水质的多污染物评估。近年来,为了更好地了解多污染物热点及其成因,多污染物水质模型的研究越来越受到科学界的关注。多污染物建模方法的最新发展使人们能够更好地了解水体中多种污染物的成因、热点,以及如何减少污染物 (图1和图2)。

重点二:多污染物热点的时空分布

以MARINA模型为方法的最新研究表明,目前多污染物热点主要分布在南亚、欧洲和北美部分地区。其中主要污染物是抗生素、隐孢子虫、双氯芬酸、微塑料、宏观塑料、氮、磷和三氯生,影响人类和自然。热点流域四种以上污染物超过全球平均水平的子流域。研究表明,2010年,全球近10%的子流域可能面临由四种以上污染物引起的水污染问题 (表2)。这些热点地区虽然仅覆盖了全球子流域总面积的14%,但却涵盖了全球67%的人口。多污染物问题在未来可能会增加,并扩展到世界其他地区。到本世纪末,全球约一半 (51%) 的人口将面临5–6种污染物 (包括营养物质、塑料和化学污染) 造成的严重水污染风险。

表2 向全球河流输入四种以上污染物的子流域特征

重点三:农业污染源在多污染物问题中的重要性

由于人口增长、粮食需求增加和气候变化,农业将成为水系统中多污染物的重要来源。农业用地的扩大、集约化畜牧生产和农业材料投入的增加将产生更多的化学品、营养物质和病原体。对于许多非洲盆地来说,预计到本世纪末,与2010年城市中营养物质、微塑料、隐孢子虫和三氯生的水平相比,河流污染将增加11–18倍。此外,全球范围内的农业活动可能在很大程度上导致河流的氮负荷,而污水系统中的人类废物预计将成为磷的重要来源。气候变化还可能加速水质退化,并增加多种污染物输入。由于中国密集且集约化的农业生产活动,加之由此产生的多污染物造成的水污染问题,导致2010年代中国农业生产对所有河流中抗生素、隐孢子虫、总溶解氮和总溶解磷的贡献率超过75% (图2)。这意味着与其他污染物相比,农业污染源对河流污染的重要性大于非农业污染源。在农业用地上施用化肥和动物粪便,以及在食品生产中使用塑料薄膜是中国农业水污染的主要来源。因此,未来中国的水污染减排战略必须考虑改善农业污染物的管理。

重点四:生物地球化学以外的相互作用

由于污染物及其行为的多样性,以及气候变化、子流域特征等导致来自不同污染组中两种或更多种污染物之间的相互影响存在不确定性。

若想有效解决水资源问题,就应该考虑生物地球化学作用以外的作用和整个因果链的相互作用,包括社会、地球化学和与影响有关的相互作用。最相关的相互作用是人口增长、经济发展和城乡地区之间的相互作用。通常情况下,污染物之间的相互的作用需要考虑在情景发展和联合国可持续发展目标中。在制定水污染控制战略时,必须考虑这些相互作用,以避免对社会其他可持续发展目标产生负面影响。

· 展 望 ·

基于四个重点,本文指出可持续农业管理具有两个优先领域:(1) 解决多种污染物,(2) 考虑它们在因果链中的相互作用。

1. 重点关注农业管理,以减少多种污染物排放到水系统。未来的研究需要处理新污染物的多样性。需要了解有哪些技术可用于解决新兴污染物,以及这些技术对作物产量或动物生产的影响。在农业中人力和财力低成本下,探究可能有潜力同时减少多种污染物的协同技术。

2. 学习考虑到因果链中多种污染物相互作用的新知识和方法。农业水污染控制的解决方案应考虑到生物地球化学以外的相互作用。未来的研究需要考虑整个因果链中的相互作用,甚至需要进行单一和多学科的研究。

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