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农业是经济再生产和自然再生产相结合的产业，它与生态环境之间存在密切的关系：一方面，农业生产受到环境的巨大影响与制约；另一方面，农业生产过程也给周边环境带来很大的影响。当前，以农药、化肥的高投入为主要特征的常规农业，为人类提供了丰盛的食物，但同时也带来了一系列严重的环境问题。我国是农业大国，农业在国民经济中占有极其重要的地位。因此，在发展农业的同时，高度重视农业生产给生态环境带来的危害是极其必要的。
农业生产与环境之间是一个矛盾统一体。农业生产依赖于生态环境，与此同时农业本身的生产活动又会或多或少地对周围环境产生影响，当这一影响极大地改变了环境的面貌，并对其产生负面效应时，就酿成了农业生产环境问题
（见图 1.2）。
图1.2 常见的农业环境问题及危害示意图
注：引自Li和Fleck （1972）。
在农业生产中，农药在防治农作物病、虫、害，抑制传染病蔓延，提高农作物单产和劳动生产率等方面都发挥了巨大的作用，但与此同时它给脆弱的生态环境带来不可忽视的负面效应。图 1.3 反映了农药在环境中的循环过程。
图1.3 农药在环境中的循环过程
从图 1.3 中，我们可以看出，农药一旦投入生态系统，就不可避免地发生迁移、扩散、残留、富集等化学行为。这一过程势必会污染大气、水体和土壤，并对处于这些介质中的生物体构成危害。更为严重的是，自然界中普遍存在着生物浓缩现象，农药通过食物链的传递，在生物体内逐渐累积，导致食物链顶端的生物（包括人类）体内农药含量越来越高，也就越容易中毒死亡。另外，农药通过对上述生态系统各要素的毒害，使生态系统失去了原有的平衡（最明显的例子就是出现了“害虫越治越多”的现象），导致系统结构变异、功能衰退，生物物种灭绝、生物多样性减少，农业生态系统最终遭到覆灭。下面以几种常用农药为例说明农药所产生的污染及危害。
（1）有机氯农药
有机氯农药是一类氯代芳香烃的衍生物，包括六六六、狄氏剂、DDT等。这类化合物结构稳定、难氧化、难分解、毒性大，易溶于有机溶剂，尤其是脂肪组织中，因此它是高效、高毒、高残留的农药。由于具有上述性质，有机氯农药被大气环境和水径流带到世界的各个角落，现已在南极企鹅体内检测到DDT。另外，进入环境中的有机氯农药由于迁移作用，通过食物的浓度在生物体的脂肪和肝脏中大量富集并危害神经中枢，诱发肝脏酶的改变，还侵犯肾脏引起病变，且毒性难以降解。尤其是DDT具有明显的致癌性能和遗传毒性，会导致胎儿畸形，影响人的寿命和后代健康。1983 年起我国已全面禁止使用有机氯农药，但以往积累的农药仍将在相当长的时间内发挥作用。
（2）有机磷农药
有机磷农药是含磷的有机化合物，其化学结构一般含有C-P、C-O-P、C-S-P、C-N-P等，大部分是磷酸酯类或酰胺类化合物，如敌敌畏、1605、马拉硫磷和稻瘟净等。该类化合物有剧毒，较易分解，在环境中残留时间短，在动植物体内不易蓄积，因此常被认为是较安全的农药。但由于这类农药对人畜的高毒性，能抑制人体中的乙酰胆碱酯酶、脂肪族脂酶及丝氨酸蛋白酶，使正常的神经功能被扰乱，引起体内生物化学过程失调，导致呕吐、腹泻、大便失禁和血压升高等症状，最终导致死亡，因此其环境毒性仍然不可忽视。
（3）氨基甲酸酯类农药
该类农药均具有苯基-N-烷基甲酸酯的结构，与有机磷农药一样，都具有抗胆碱酯酶作用，中毒症状也相同。但中毒机制有差别，它的毒性是由胆碱酯酶分子总体的弱可逆结合的抑制而引起的。这类农药在自然环境中易于分解，在动物体内也能迅速代谢，而代谢产物的毒性多数低于其本身的毒性，因此属于低残留农药。但是，这类农药中某些品种的急性毒性较大，如呋喃丹，其口服LD 50 为 8 ～ 14 mg/kg，属高毒农药（其经皮LD 50 为 3 400 mg/kg），使用时若不注意安全，有造成人畜急性中毒的危险。另外，还有人认为，该类农药经酶作用后产生的N-羟氨基甲酸酯，可抑制脱氧核糖核酸的交换，产生染色体断裂，是致癌和致畸的潜在因素。
化肥对农业生产的作用相当大，植物从土壤中吸收的所有养分都可以用化学组成的养分来补充。然而，化肥若施用不当，就可能对土壤、大气、水体、农产品以及整个生态系统产生严重的影响和危害。化肥对生态系统的污染为多介质环境污染，由多个介质组成的复杂系统，并且污染物质在各环境介质中发生物理、化学、生物反应，所以污染物在多介质环境中表现出关联性、转移性、循环性。图 1.4 反映了化肥中的营养元素在环境中的迁移转化规律。
图1.4 化肥中的营养元素在环境中的迁移转化规律
（1）氮肥污染
当大量氮肥被不合理地施入土壤之后，由于耗氧作用发生了硝化反应，生成了硝酸根离子。大多数作物与蔬菜吸收的氮素营养主要是这种硝态氮。当硝酸根离子进入植物体内后，迅速被同化，所以在体内累积得不多，但不同植物、不同部位、不同生育期中是有很大差异的。若含硝酸盐浓度高的植物被动物食用，其中的硝酸盐或由硝酸转化的亚硝酸盐会对动物发生毒害作用。此外，硝酸根很容易被淋溶到地下水中造成水体污染；而通过土壤侵蚀和地表径流汇集于水体中的氮又是造成水体富营养化的重要因素。同时，氮肥在土壤中还会发生反硝化作用，生成N 2 和N 2 O，这种反应主要发生在稻田地区，N 2 O气体会对臭氧层造成破坏，后果严重。图 1.5 反映了氮肥污染带来的环境问题。
图1.5 氮肥污染带来的环境问题
（2）磷肥污染
磷肥不易挥发和淋失，对大气和地下水不会造成明显影响。但是磷肥通常会含有多种重金属，对土壤和作物有潜在影响。我国磷矿的含氟量基本上与含磷量呈正比例关系，因此会导致土壤中含氟量升高。磷肥中还含有微量的天然放射性元素，特别是在磷矿周围具有放射性污染的潜在危险，在生产、运输和使用过程中也会对环境产生污染。
（3）钾肥及微量化肥污染
随着农业生产的发展，钾肥和微量化肥日益普及。但如果使用不当，也会对环境造成危害。如硫酸钾使用不当，容易破坏土壤结构，造成土壤板结；如果氯化钾使用不当，则会使土壤中氯离子积累，破坏土壤结构，影响一些作物的产量和品质。而微量元素从缺乏、适宜到过量，范围非常狭窄，使用过量，容易造成土壤污染毒害作物，影响产量和品质。例如作物锌中毒，先表现为叶片失绿，然后发生黄化，进而产生赤褐色斑点，严重时完全枯死。
用畜禽粪便做肥料在各国均有悠久的历史。我国是农业大国，畜牧业作为我国第一产业的重要组成部分，为经济发展提供了重要支撑。过去 50年，我国畜牧业养殖方式从家庭散养向集约化饲养加速转变，畜牧业总产值占比提高了 13.3％，但部分地区出现了养殖密度过高、土地畜禽养殖废弃物超负荷等问题，导致环境污染风险骤增。畜禽废弃物经雨水冲刷流入水体，会导致水体富营养化。未经处理的畜禽粪污直接灌溉农田，易造成土壤板结，且有害污染物在土壤中的大量沉积会严重影响作物生长。第二次全国污染源普查测算显示，我国畜禽粪污年产量在 30.5 亿吨，是 2019年工业固体废物产生量的 0.86 倍。按 70％的收集系数计算，年需处理畜禽粪污量达 21.35 亿吨。
研究表明，畜禽粪便已经成为造成杭州湾污染主要指标（无机氮、总磷、BOD）严重超标的重要原因（见表 1.19）。
表1.19 杭州湾主要污染指标来源比重 单位：％
畜禽粪便造成污染的原因在于其中的污染物浓度非常高。此外，它还含有大量的蛋白氮、类蛋白氮和氨态氮以及多量的磷和大量病原菌（见表 1.20）。因此，当畜禽粪便未经处理直接排入周围环境时，势必会污染土壤、地下水、地表水等环境介质，造成水体富营养化，此外粪便所产生的恶臭气体也是其所产生的污染之一。
（1）污染土壤及地下水。在畜禽粪便堆放或流经的地点，有大量高浓度粪便水渗入土壤，可造成植物一时疯长或使植物根系受损伤，甚至引起植物死亡、粪便水渗入地下，使地下水中硝态氮、硬度和细菌总数都严重超标。
（2）污染地表水，甚至影响饮用水源，危及人类健康。大量畜禽粪便直接或随雨水流入水体，使水体严重富营养化，水质腐败，水生生物死亡。据测定，当畜禽粪便污染流入池塘而使水中氨含量达到或超过 0.2 mg/L时，就会对鱼产生毒性。此外畜禽粪便中可能存在的肠道传染病菌和人畜共患的病原体，都会对环境和人体健康产生严重威胁。
表1.20 畜禽粪尿的理化性质
注：牛饲料类别为混播牧草，猪、鸡为饲料。
（3）畜禽粪便的恶臭污染。刚排出的畜禽粪便含有NH 3 、H 2 S和胺等有害气体，在未能及时清除或清除后不能及时处理时臭味成倍增加，产生甲基硫醇、二甲二硫醚、甲硫醚、二甲胺及低级脂肪酸等恶臭气体。恶臭气体会对现场及周围人们的健康产生不良影响，如引起精神不振、烦躁、记忆力下降和心理状况不良，也会使畜禽的抗病力和生产力降低。
传统意义上的生物污染主要是指细菌、寄生虫卵以及病毒等直接对人体有害或产生有毒物质的生产的污染。在农业生产中，造成这种污染的主要来源是：饲养场排放的畜禽粪便，日常生活污水，以及含有病原体的废弃物，未经处理而随着科技的发展，生物入侵和转基因生物构成了新的生物污染源。
生物入侵对农业生态环境和自然资源造成的危害是不可逆转的，它加速了生物多样性的丧失和物种的灭绝。以互花米草（ spartina alterniflora loisel）为例，它是一种滩涂草本植物，来源于英国，1979 年被引入我国进行研究和开发。由于它具有耐碱、耐潮汐淹没、繁殖力强、根系发达等特点，曾被认为是保滩护堤、促淤造陆的最佳植物。互花米草每根草有 1 米多高，而且它的根系相当发达，通常是草有多高，根就有多深，一个成年农民使劲拔都拔不出来。它的草籽可随海潮四处漂流，能以每年数千亩（1 亩≈666.67 平方米，下同）的速度急速蔓延。它导致大片红树林消失，令滩涂中的贝类生物甚至跳跳鱼、蟹类等窒息死亡，使海岸滩涂原来的蛏、蛤、蚶等特殊水产品绝迹，致使沿海滩涂的农民绝收。另外，外来物种一旦入侵成功，要彻底根除非常困难，而控制其危害、扩散和蔓延的费用相当昂贵。在难以预料的情况下，生物入侵不仅会对作物的生长、产量造成危害，还会带来农作物大面积的减产以及高额的防治费用，甚至可能造成个别受害地区的经济崩溃。入侵的外来物种会破坏景观的自然性和完整性，摧毁生态系统，危害动植物多样性，影响遗传多样性。据 1999 年康奈尔大学公布的研究结果，美国生物入侵所造成的直接经济损失每年都达1 226 亿美元。据我国环保部门的统计，我国每年几种主要外来入侵物种造成的经济损失高达 547 亿元人民币。
转基因生物有许多优点，对解决人类未来的粮食需求、提高产品质量等都具有十分重要的意义。然而，转基因生物的出现至今仍没有取得人们的认同，作为非自然进化的产物，这些生物对人类健康和生态环境安全的潜在影响自重组DNA技术成功以来就受到广泛的争议。部分专家认为，转基因作物或其野生近缘种可能变为“超级”杂草；可能造成基因逃逸，产生“超级病毒”，危及生物多样性，对人体健康造成负面影响。