農業面源污染研究進展及其發展態勢分析

王靜+郭熙盛+呂國安+王允青+葉寅+王道中

摘要：在點源污染逐步得到控制后，農業面源污染問題日益突出，已成為目前水環境污染控制的重點和難點。在廣泛調研國內外相關領域研究成果的基礎上，對農業面源污染的成因和特點、研究歷程、面源污染物的遷移轉化機制、污染負荷模型以及面源污染的防控機制進行論述，在此基礎上提出我國農業面源污染的研究需要在幾個方面進行加強，即多種同位素聯合示蹤農業面源污染源；污染物在溝渠系統的遷移模型；農業面源污染對地下水的影響研究；構建流域容量總量控制體系；健全農業面源污染監測和預警體系。

關鍵詞：農業面源污染；研究進展；發展趨勢

中圖分類號： X71 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）09-0021-03

水是人類賴以生存和發展的基礎，水體環境污染直接影響和制約人類的可持續發展。隨著工業污染源排放得到較好控制和治理的同時，面源污染對水體的影響也日益凸顯，成為水環境污染的一個重要原因。面源污染，即非點源污染（non-point source pollution），是相對于排污點集中、排污途徑明確的點源污染而言，是指溶解的或固體的污染物從非特定的地點，在降水（或融雪）沖刷作用下，通過徑流過程而匯入受納水體（包括河流、湖泊、水庫和海灣等）并引起水體的富營養化或其他形式的污染[1]。農業面源污染是指由農業生產活動引起的氮、磷、農藥等污染物以廣域的、低濃度、分散的形式，從農田生態系統向水體遷移擴散的過程。主要包括化肥污染、農藥污染、集約化養殖場污染、農膜污染、農村生活污水污染等。目前從世界范圍來看，面源已成為水環境的一大污染源或首要污染源。全球30%～50%的地球表面已受到面源污染的影響，農業面源污染已引起1.44億hm2耕地不同程度地退化[2]。美國的面源污染占污染總量的2/3，其中農業面源污染的貢獻率為68%～83%，氮、磷營養元素是農業面源污染主要的污染物質[3]。丹麥270條河流中94%的氮負荷、52%的磷負荷是來自于農業面源污染[4]。中國的農業面源污染形勢也非常嚴峻，據2010年國家三部委聯合發布的第1次全國污染源普查公報，我國主要污染源排放量中，農業生產（含畜禽養殖業、水產養殖業、種植業）排放的化學需氧量（COD）、N、P等主要污染物量，已遠超過工業與生活源，成為污染源之首，其中COD排放量已占總量的46%以上，N、P占50%以上。農業面源污染將大量的氮、磷、農藥、重金屬等污染物質帶入水體，不僅直接危害農業生態系統，而且對區域水環境和人類健康將產生嚴重的危害，污染飲用水源會造成地表水的富營養化和地下水的污染。如何科學認識并有效控制面源污染已成為當前亟待解決的重大科學問題與應用問題。

1 農業面源污染的成因及特點

1.1 農業面源污染的成因

農業面源污染的根本原因在于糧食安全壓力大，從而導致農用化學品的過量、不合理施用，農田的污染物質已經成為水環境污染的主要來源[5]。我國的耕地不到世界的1/10，但是近年來氮肥的使用量卻占全世界的近30%，然而，我國農業化肥的平均有效率僅為30%～35%，大量未被利用的營養元素經降雨徑流、淋溶或農田退水直接或間接進入水體。另外，我國農藥施用量大，且施用方法不合理，農藥利用率低，從而導致大部分農藥以大氣沉降和雨水沖刷的形式進入水體、土壤、空氣和農產品中，對生態環境和人類造成了嚴重危害。

近年來，我國集約化養殖發展迅速，導致一些地方的養殖總量已經超過當地負荷警戒值，大量的畜禽糞便處理率低下[6]，隨意堆放，流失量大，已經成為農村的主要污染源之一。如我國巢湖流域，2004年畜禽養殖產生糞便量達1 257萬t，其中經過無害化處理108萬t，僅占糞便總量的8.6%[7]。

城鎮化發展、地面硬化程度的提高，加速了面源污染物質的擴散和遷移。鎮、村居民點地表徑流也已成為水環境污染或水體富營養化的重要來源[8]。水土流失和傳統灌溉加重了農業面源污染和生態環境的惡化。另外，農業技術推廣滯后，公眾缺乏環境意識，也是農業面源污染日趨嚴重的重要因素之一。

1.2 農業面源污染的特點

與點源污染相比，農業面源污染具有隨機、分散、復雜、難監測等特點。農業面源污染主要以擴散的方式發生，一般與降雨徑流（或農田排水）的發生有關，而降雨徑流具有隨機性，所以由此產生的面源污染必然具有隨機性，再加上流域內土地利用狀況、地形地貌、水文特征等不同，導致面源污染時空分布的不均一性。農業面源污染物來源分散且復雜，涉及的地域范圍廣，不僅包括農田徑流、農戶的生活污水排放和村鎮地表徑流，還包括農村生活垃圾、小型畜禽養殖和池塘水產養殖等造成的污染。這就造成了難以在發生之處進行監測，真正的源頭難以或者無法追蹤，治理難度大[9]。污染一旦發生，其控制與治理代價高昂且非常困難。

2 農業面源污染的研究歷程

農業面源污染研究起步于20世紀60年代，歐、美等發達國家率先開展，70 年代后在世界各地逐漸受到重視。國外農業面源污染的研究可以分為以下3個階段，即20世紀70年代，主要是對面源污染特征、影響因素、單場暴雨和長期平均污染負荷輸出方面的研究；20世紀80年代，面源污染基礎研究地域范圍廣，類型多樣、因素分析和污染物遷移機理研究更加深入；進入20世紀90年代以后，微生物對面源污染物遷移、轉化影響的研究成為新的增長點，農業面源污染成為國際上環境問題研究的活躍領域。隨著對農業面源污染形成機制及其危害認識的深入，人們提出了各種控制管理措施，涉及到經濟、法律、政策等。

相對國外而言，我國對農業面源污染的研究起步較晚，20世紀80年代進行的湖泊富營養化調查，之后在于橋水庫、滇池、太湖、巢湖、晉江流域等區域也展開了農業面源污染探索性的研究，主要研究方法是分析土地利用方式與面源污染的關系，立足于受納水體的水質，建立計算匯水區域污染物輸出量的經驗統計模型。這一階段只是農業面源污染的特點與污染負荷定量計算的初步研究。進入20世紀90年代之后，中國對農業面源污染的產污機理及影響因素進行更為深入的探討；農藥、化肥污染的特征、影響因素研究和黑箱經驗統計模型模式在農業面源污染研究中占據了重要地位。近年來，隨著國外面源污染模型尤其是機理模型的引進發展迅速，大批研究者運用各種模型和計算方法（主要來自美國）在全國不同地區、不同尺度范圍內開展了大量應用研究，在國際上的影響力越來越大。

3 農業面源污染負荷估算與評估模型

為了對農業面源污染進行有效的控制和治理，污染負荷的估算顯得極為重要。但由于農業面源污染具有隨機、分散、復雜、難監測等特點，其負荷計算遠比點源困難，但獲得準確的水體污染負荷量又是對水環境實施污染總量控制管理的基礎和關鍵[10]。農業面源污染負荷的計算方法始于美國20世紀60—70年代，通過在北美地區開展的一系列深入研究，研發了包括輸出系數模型、機理模型等在內的一系列面源污染負荷計算方法[11]。進入21世紀以后，該領域的研究引起了世界各國的廣泛關注，一些功能強大的模型被研發出來，如比較著名的模型有SWAT、Ann AGNPS、CREAMS、HSPF等。中國的面源污染模型研究基本以引進國外模型，進行驗證和模擬應用為主[12]。由于現有主流模型大多根據北美地區環境特點研發，在國內應用時難免會出現各種問題，近年來，國內一些研究者嘗試對國外模型進行改進，使之能更好地適應研究區的實際情況，在國際上的影響力越來越大[13]。

4 農業面源污染物的遷移轉化機制

農業面源污染物主要來自于土壤圈中的農業化學物質，因而其產生、遷移與轉化過程實質上是污染物從土壤圈向其他圈層，尤其是水圈擴散的過程，農業面源污染本質上是一種擴散污染。農業面源污染物從土壤圈向水圈遷移的過程主要包括兩方面，一是污染物在土壤圈中的行為；二是污染物在外界條件（降水、灌溉等）下從土壤向水體遷移的過程。前者是研究的基礎，后者是研究的重點和關鍵。農業面源污染物的形成，作為一個連續的動態過程，主要由以下幾個過程組成，即降雨徑流、土壤侵蝕、地表溶質溶出和土壤溶質滲漏，這4個過程相互聯系相互作用，成為農業面源污染的核心內容[14]。氮施入土壤中，氨態氮（NH+4-N）呈球形擴散，硝態氮（NO-3-N）主要以質流方式遷移，一般來說，排水當中的NNO-3-N比較穩定，而NH+4-N的遷移轉化相當復雜[15]。磷的流失以吸附作用為主，主要是因為磷與土壤膠粒間親和力的存在，多數土壤可溶態磷隨土壤侵蝕、徑流、排水、滲漏進行[16]。

另外，氮在沉積物-水體界面的遷移和交換是一個復雜的生物化學過程，硝化作用和反硝化作用是沉積物-水界面氮遷移和交換的主要形式[17]。土-水界面上磷的形態變化及其化學反應機理遠比氮要復雜，包括磷的生物循環，含磷顆粒的沉降與再懸浮、溶解態磷的吸附與解吸、磷酸鹽的沉淀與溶解等物理、化學、生物過程及其相互作用。沉積物與水體的物質交換主要通過擴散來實現，交換的強度主要取決于沉積物間隙水中的營養物質濃度梯度[18]。國內外已開展了關于水體沉積物與水體氮、磷遷移與交換[19-20]、氮磷營養元素賦存形態及其比例對藻類等水生生物生長的影響等[21-22]，但不同陸面斑塊界面之間氮、磷遷移轉化機制研究較薄弱。

5 農業面源污染物的防控機制

農業面源污染作為流域內影響水質的主要過程之一，其污染控制應從整個農業生態系統或流域出發，從根本上達到治理面源污染的目的[23]。就眾多的防治方法來看，大體可以分為兩大類，即“源”（source）防治和“匯”（sink）防治[24]?！霸础狈乐畏椒?，即從污染源頭控制和減少N、P流失，主要有通過產業結構、施肥措施、養殖業控制、飼養方式等，控制N、P的排放量、流失量來減少、控制面源污染。從微觀上控制農業化學物質釋放的膜控制釋放技術（membranes controlledrelease，簡稱MCR）以及在環境約束下根據氣象、市場、作物生長和農業非點源污染程度等制定的、政府和農民都能接受的、成本低廉的最佳管理措施?！皡R”防治方法著重于對污染物的去除和削減，研究較多的方法有濕地去除、水生植物去除、生物技術等。國內學者構建了包括控制類型、控制環節、控制手段3個層面的農業面源污染的立體化消減體系[25]。在控制類型層面，通過調整土地利用方式、提高化學品的利用率、改變灌溉方式來實現種植型農業面源污染的控制；通過推行清潔養殖、制定水產養殖容量、防治普遍性污染等措施控制養殖型面源污染；通過建立生活、生產廢氣物分類處理和回收點，完善管道設施、實行徑流污水分流來控制生活型面源污染。在控制環節層面，實行產前減少面源污染的產生量；產中減少面源污染的排放量；產后通過建立緩沖帶、生物籬埂、前置庫等技術減少面源污染的賦存量。在控制手段層面，從行政、經濟、法律、教育、規劃、技術等方面進行綜合治理。

6 研究展望

農業面源污染研究涉及物理、化學、生物等多學科的理論和方法，農業面源污染的治理是一項復雜的系統工程，在歸納當前研究現狀的基礎上總結近期和未來的研究重點，主要體現在以下幾個方面。

6.1 多種同位素聯合示蹤農業面源污染源研究

由于農業面源污染的復雜性，各污染源的貢獻率至今仍然不是很清晰。同位素技術的應用給其研究提供了實用的試驗手段和精確的科學數據，已成為該領域的一項新技術而逐步得到應用，近幾年的研究表明，以流域為單元，把大氣—植被—土壤—地表水—地下水作為一個系統，以同位素作為示蹤手段，結合現代信息技術和流域內的水文地球化學等指標來研究農業面源污染，有望在辨識農業面源污染物的來源、定量估算農業面源污染物輸出負荷和面源污染物遷移轉化機理等問題上取得突破。

6.2 污染物在溝渠系統的遷移模型研究

溝渠系統作為面源污染源與水體之間的緩沖過渡區，污染物在其中的遷移轉化對控制其最終輸出負荷有非常重要的作用。隨著農業面源污染防控技術研究的深入，面源污染物產生以后在溝渠系統中的遷移轉化逐漸引起研究者的重視，并逐步快速發展起來。溝渠能夠通過其中的底泥吸附、植物吸收、生物降解等一系列自然凈化機制，降低進入河流等地表水中的污染物含量，對面源污染物的去除有很大潛力，但同時也有很大的不確定性[26]。目前，雖然國內外學者對污染物在溝渠系統中遷移轉化的研究已經取得一些初步進展[27-28]，但是還沒有成熟的模型出現。因此，在目前研究的基礎上，積極構建農業面源污染物在排水溝渠中的遷移轉化模型非常有必要，這將是今后研究的一個重要突破口[29]。

6.3 農業面源污染對地下水的影響研究

近年來，農業面源污染的研究主要集中在污染物對河流、湖泊、水庫等地表水體的影響方面。地下水也是水環境的一部分，其污染與農業面源污染密切相關。目前，國內外對這方面的研究較少，特別是對農田生態系統中硝酸鹽淋失動態及其對區域地下水的研究尤其少，因此農業面源污染在地下水中的輸出規律及其對地下水的影響預測與評價也是未來的研究熱點之一。

6.4 構建流域容量總量控制體系

根據水質目標和環境容量，建立面向水質目標的整個流域容量總量控制體系，形成流域環境治理和管理量化機制。從地理系統角度來看，按湖泊（河流）—一級支流—二級支流—小流域（三級支流—四級支流）逐級順推的路徑，將治理目標進行分解；按逐級倒推的路徑，制定治理方案，解決小流域污染物“減什么、減多少、減哪里、怎么減”的核心問題。

6.5 健全農業面源污染監測和預警體系

充分發揮時效性和宏觀性方面具有明顯優勢的“3S”技術，結合農業面源污染負荷評價模型和面源污染防治標準，在不同類型區建立農業面源污染的監測系統，并在國家級農業環境監測網絡的基礎上，通過數據分析與系統集成，建立農業面源污染的預警體系，及時發布污染風險預警，為決策者進行判斷和宏觀管理提供支撐。

參考文獻：

[1]Novotny V，Chester C.Handbook of non-point pollution，sources and pollution and management[M]. New York：van Nostrand Reinhold Company，1981：81-103.

[2]DennisL C，Peter J V，Keith L.Modeling non-point source pollution in vadose zone with GIS [J]. Environmental Science andTechnology，1997，8：2157-2175.

[3]賀纏生，傅伯杰，陳利頂. 非點源污染的管理及控制[J]. 環境科學，1998，19（5）：87-91.

[4] Kronvang B，Graesbll P，Larsen S E，et al.Diffuse nutrient losses in denmark[J]. Water Science and Technology，1996，33（4）：81-88.

[5]楊林章，施衛明，薛利紅，等. 農村面源污染治理的“4R”理論與工程實踐——總體思路與“4R”治理技術[J]. 農業環境科學學報，2013，32（1）：1-8.

[6]吳永紅，胡正義，楊林章. 農業面源污染控制工程的“減源-攔截-修復”（3R）理論與實踐[J]. 農業工程學報，2011，27（5）：1-6.

[7]黃文星. 安徽省畜禽業污染源產排污特征與規律研究[D]. 合肥：安徽農業大學，2011.

[8]夏立忠，楊林章，吳春加，等. 太湖地區典型小城鎮降雨徑流NP負荷空間分布的研究[J]. 農業環境科學學報，2003，22（3）：267-270.

[9]楊林章，馮彥房，施衛明，等. 我國農業面源污染治理技術研究進展[J]. 中國生態農業學報，2013，21（1）：96-101.

[10]麻德明，石洪華，豐愛平. 基于流域單元的海灣農業非點源污染負荷估算——以萊州灣為例[J]. 生態學報，2014，34（1）：173-181.

[11]Ongley E D，Zhang X，Yu T.Current status of agricultural and rural non-point source pollution in China[J]. Environmental Pollution，2010，158（5）：1159-1168.

[12]劉 莊，晁建穎，張 麗，等. 中國非點源污染負荷計算研究現狀與存在問題[J]. 水科學進展，2015，26（3）：432-442.

[13]賴正清，李 碩，李呈罡，等. SWAT模型在黑河中上游流域的改進與應用[J]. 自然資源學報，2013，28（8）：1404-1413.

[14]張玉珍. 九龍江上游五川流域農業面源污染研究[D]. 廈門：廈門大學，2003.

[15]竇培謙，王曉燕，王麗華. 非點源源污染中氮磷遷移轉化機理研究進展[J]. 首都師范大學學報：自然科學版，2006，27（2）：93-98.

[16]吳春艷，莊舜堯，楊 浩，等. 土壤磷在農業生態系統中的遷移[J]. 東北農業大學學報，2003，34（2）：210-218.

[17]楊龍元，蔡啟銘，秦伯強，等. 太湖梅梁灣沉積物-水界面氮遷移特征初步研究[J]. 湖泊科學，1998，10（4）：41-47.

[18]Bostrom B，Persson G，Broberg B.Bioavailability of different phosphorus forms in freshwater systems[J]. Hydrobiologia，1988，170（1）：133-155.

[19]陳永川，湯 利. 沉積物-水體界面氮磷的遷移轉化規律研究進展[J]. 云南農業大學學報，2005，20（4）：528-533.

[20]周培疆，鄭振華，仇銀燕，等. 普通小球藻生長與武漢東湖水體磷形態的相關研究[J]. 水生生物學報，2001，25（6）：571-575.

[21]鐘衛鴻，曹劍峰，薛 浚，等. 氮和磷對銅山源水庫優勢藻生長的影響試驗研究[J]. 環境污染與防，2003，25（1）：20-22.

[22]Morel C，Tunney H，Plenet D，et al.Transfer of phosphorus ionsbetween soil and solution：perspective in soil testing[J]. Journal of Environment Quality，2000，29（1）：50-59.

[23]Stephen A M，Johnna L K. Lake and reservoir management[J]. Water Environment Research，1998，70 （4）：767-775.

[24]苑韶峰，呂 軍，俞勁炎. 氮、磷的農業非點源污染防治方法[J]. 水土保持學報，2004，18（1）：122-125.

[25]甘小澤. 農業面源污染的立體化削減[J]. 農業環境與發展，2005（5）：34-37.

[26]Birgand F，Skaggs R W，Chescheir G M，et al. Nitrogen removal in streams of agricultural catchments—a literature review[J]. Critical Reviews in Environmental Science and Technology，2007，37（5）：381-487.

[27]Chen D，Lu J，Huang H，et al. Stream nitrogen sources apportionment and pollution control scheme development in an agricultural watershed in eastern China[J]. Environmental Management，2013，52（2）：450-466.

[28]Zhu G，Wang S，Wang W，et al.Hotspots of anaerobic ammoniumoxidation at land-freshwater interfaces[J]. Nature Geoscience，2013，6（2）：103-107.

[29]高懋芳，邱建軍，劉三超，等. 基于文獻計量的農業面源污染研究發展態勢分析[J]. 中國農業科學，2014，47（6）：1140-1150.