来源:Frontiers of Agricultural Science & Engineering 发布时间:2024/5/21 17:06:22
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FASE 亮文解读:长江流域种植业与养殖业生产中的多重复合污染物——现状与挑战

论文标题:Multiple pollutants from crop and livestock production in the Yangtze River: status and challenges

期刊:Frontiers of Agricultural Science & Engineering

作者:Lihua MA , Shiyang LI, Linfa FANG, Xuanjing CHEN , Ran XIAO , Xiaoxuan SU , Zhaolei LI , Zhaohai BAI , Lin MA , Prakash LAKSHMANAN, Xinping CHEN

发表时间:15 Mar 2024

DOI:10.15302/J-FASE-2023511

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中国农业绿色发展:洞察与进展

Agriculture Green Development in China: Insights and Advances

专 辑 文 章 介 绍

· 第十篇 ·

▎论文ID

Multiple pollutants from crop-livestock production in the Yangtze River: status and challenges

长江流域种植业与养殖业生产中的多重复合污染物:现状与挑战

发表年份:2024年

第一作者:马黎华

通讯作者:陈新平

chenxp2017@swu.edu.cn

作者单位:西南大学资源环境学院,长江经济带农业绿色发展研究中心

Cite this article :

Lihua MA, Shiyang LI, Linfa FANG, Xuanjing CHEN, Ran XIAO, Xiaoxuan SU, Zhaolei LI, Zhaohai BAI, Lin MA, Prakash LAKSHMANAN, Xinping CHEN. Multiple pollutants from crop and livestock production in the Yangtze River: status and challenges. Front. Agr. Sci. Eng., 2024, 11(1): 134-139 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2023511

· 文 章 摘 要 ·

长江流域经济种植业和畜牧业的快速增长导致农业化肥、农药及抗生素类等多种复合污染物的投入快速增加。化肥、有机磷农药的过量施用和农业废弃物 (秸秆,尾菜,禽畜粪便等) 的不当处理会造成区域水体污染,并威胁到长江流域的绿色农业发展。如何平衡“绿色”和“发展”,在保障长江流域的粮食安全和农产品供应能力的前提下,减少农业面源污染并确保区域的水体安全?本研究关注多重复合污染物着重于复合污染物对氮、磷循环的影响。本文探讨了长江流域种养一体的农业绿色发展理论和多污染物防控的技术手段与模型。

· 文 章 亮 点 ·

1. 长江流域经济种植业和养殖业的迅速发展。

2. 农业多重复合污染物的投入造成的水体污染负荷。

3. 多重复合污染物对种植业氮、磷高效利用的潜在影响。

4. 需要明确多重复合污染物之间的相互作用。

· Graphical abstract ·

· 研 究 内 容 ·

▎引言

在世界范围内,水体污染越来越受到种植业和养殖业的多重复合污染物 (化肥、杀虫剂、抗生素、动物激素、微塑料等) 的影响。在发展中国家,农户为了保障农业收入,降低诸如病虫害带来的经济损失风险,化肥、杀虫剂、抗生素和激素等滥用普遍。长江流域是中国人口最多、经济最繁荣的流域,其耕地面积占全国的49%;水产养殖和生猪生产的占比更高,达64%和60%。同时,长江流域的多年平均降水量超过了1000 mm,输沙量高达2200 Tg·yr–1,水土流失增加了农业面源污染的风险。近年来,种植业和养殖业集约化生产方式带来了农业投入品数量和种类上的巨大变化。由多重复合污染物 (抗生素、农药等) 引起的土壤氮、磷循环的生物地球化学过程值得关注。鉴于长江流域农业系统在保障国家粮食安全中的重要作用,迫切需要了解从陆地到河流的多重复合污染物的模式过程,以及多重复合污染物之间的相互作用机制。

▎长江流域种植业与养殖业的发展现状

在长江流域,为了满足人民对多样化食品需求的不断增长,经济作物 (蔬菜、水果、油籽和茶) 和畜牧业增长尤为迅速。自1989年以来,蔬菜和水果的种植面积分别增长了321%和378%;同期,肉、蛋、奶和淡水水产品产量分别增长了258%、324%、350%和621%。长江流域的种植结构已经发生了巨大改变,与传统谷类作物相比,经济作物面积的增加导致农业投入品数量和种类的不断增加。此外,种植业和养殖业的快速扩张带来了诸如蔬菜尾菜,果树剪枝,动物粪便等农业废弃物的迅速增加。这带来了机遇也带来了挑战,即当农业废弃物能够被有效回收利用的时候,那么就等同于增加了农业的可利用资源;而当这些农业废弃物被不当处置时,就会加剧环境污染。

▎长江流域多重复合污染物的污染现状

长江的水质对确保6亿多人的饮用水安全至关重要。在过去的十年里,中国政府一直在为改善长江水质做出巨大努力,目前长江仍远远超过了国家III类地表水标准 (TN < 1.0 mg·L–1)。除了营养污染物外,长江流域还面临着其他污染物 (包括抗生素和杀虫剂) 的威胁。长江中下游地区的抗生素污染尤为严重,其中下游地区的最高浓度 (676.54 ng·L–1) 远远超过中国 (401.45 ng·L–1) 和世界平均水平 (424.5 ng·L–1)。同时,长江流域被认为是有机磷农药污染最严重的地区之一;新烟碱类化合物的浓度明显高于许多其他发展中国家的。

▎机遇与挑战

(1) 缺乏对多重复污染物之间相互作用的深入理解。抗生素、杀虫剂和营养素 (氮和磷) 等多重复合污染物的生物、物理和化学相互作用及其生物地球化学循环过程使得多重复合污染物的防控问题困难重重。例如,微生物对抗生素和杀虫剂的交叉耐药性深刻影响了土壤圈和水圈氮、磷的生物地球化学循环;农业系统 (耕作方式) 加剧地表水土流失和多重复合污染物向水体迁移的风险等。

(2) 缺少多重复合污染物在土壤和水体中的转化迁移模型。现有的水质模型大多仅限于在多个尺度上模拟单一污染物,同时,比较关注营养物质。例如,MARINA模型集成了其他污染物 (微塑料、三氯生和隐孢子虫) 的建模方法。SWAT模型模拟流域尺度上农药的去向和运输。多重复合污染物之间的生物、物理和化学相互作用,以及它们对环境的综合影响尚未明确。

(3) 限制和减少种植业和养殖业中农业投入品的滥用。减少和限制长江流域中化肥、杀虫剂和除草剂使用的政策法规仍不完善。自上而下的管理方案指在水质目标管理的基础上,逆向探索农作物和畜牧业生产的最优技术方案。统筹兼顾种植业和养殖业的协调发展与布局,对于长江流域的农业绿色发展至关重要。生态阈值是确定污染水平的有效指标,然而,针对多重复合污染物的生态阈值尚未达成有效共识。

· 展 望 ·

(1) 多种复合污染物对氮、磷生物地球化学循环的影响。养分的高效利用是实现农业绿色可持续发展的关键,由土壤微生物驱动的农业生态系统的关键环节决定了诸如土壤肥力、作物生产力和抗逆性等方面。多重复合污染物的存在会影响土壤和水体中的微生物种群、丰度和功能类型,进而影响氮、磷的转化机制。有机肥替代带来的抗生素、杀虫剂等多种潜在复合污染物的风险将直接威胁着水、土壤、沉积物和污泥中的生态环境。多重复合污染物对于环境影响的评估需要考虑复杂多变的环境条件改变,污染持续时间和变化周转周期,加强和削弱机制等方面,开展多因素、多层次的研究。利用稳定同位素等辅助分子生物学技术等开展针对多重复合污染物对微生物介导的氮、磷转化过程的影响、微生物额外营养损失的负面影响等研究。

(2) 多重复合污染物迁移和转化模型的构建。模型的构建有助于了解多重复和污染物在农业-土壤-水体中的迁移转化过程,这一过程与降雨径流、侵蚀和土壤渗透等水文过程密切相关。同时,土壤环境和水体中的多重复合污染物在微生物介导的复杂转化也将被考虑进去。多重复合污染物模型 (MPRM) 需要整合多种污染物来源的信息,并在水文模型的基础上通过参数设定实现对于物理过程、化学过程的描述。模型可以通过逆求解实现对输入参数率定,重新编辑、选择或忽略等功能,使模型模拟更加符合实际。此外,模型的应用还应该包括未来变化环境下与政策调整下的情景预测与评估分析。

(3) 多重复合污染物防控的政策支持。政策制定者、科学家和其他利益攸关方必须实现产、学、研一体的合作方式,促进长江流域的农业绿色发展。对居民饮食结构变化和食物供应的预测分析应指导当地农业发展,这也决定了未来的多重复合污染问题评估的依据。长江上游、中游和下游的种植业和畜牧业生产系统和地理条件各不相同,需要制订因地制宜的政策。不同牲畜粪便 (反刍动物或非反刍动物) 的不同肥料效率与不同作物类型的根系吸收效率结果表明,有必要针对不同地区制订不同的种-养循环政策和不同的有机肥料替代计划。气候变化,如极端暴雨、热浪和干旱事件,要求政策设计确保作物畜牧业生产更能包容长江流域的极端气候事件。

编辑 | 唐静月 李云舟

审稿 | 许建香

 

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