新疆農業面源污染研究進展

劉丹付習科孫睿陶笑笑

(1.新疆農業職業技術學院，新疆 昌吉 831100；2.昌吉回族自治州氣象局，新疆 昌吉 831100)

農業面源污染是從宏觀角度考察一定區域內農業污染的環境學概念。與工業污染相比，農業污染呈現污染源分散，風險源污染總量小，污染物多樣化等特征。這些特征決定了其污染治理與工業污染治理有所不同。新疆是我國農業生產大省，地處北半球干旱和半干旱地帶，土壤以鈣積土、漠土和草甸土為主，pH偏高，鹽漬化，農業污染自然降解緩慢，因此其污染治理需要特別關注。

1 新疆農業面源污染態勢

當前，新疆農業面源污染情況不容樂觀，污染總量有逐年上升的態勢。原偉鵬等[1]調查了新疆昌吉州農業面源污染狀況，根據調查，2007—2017年，昌吉州年均化肥施用總量增長率為10.08%，10年間共提高了108.37%。其它污染物如農藥、農膜污染等也大幅增長。根據徐麗萍等[2]的研究，新疆農業面源污染重點縣主要分布在水源豐富區域。如，瑪納斯河以及金溝河流域的沙灣縣，蓋孜河、塔里木河流域的英吉沙縣，伊犁河流域的伊寧縣，葉爾羌河流域的莎車縣，蓋孜河流域的疏勒縣等。水源豐富地區農業發展迅速，農業經濟發展與面源污染呈現一定正相關性。

新疆不同地域農業面源污染的主要污染物不同，喀什地區的伽師縣、巴楚縣，阿克蘇地區的新和縣等地區的化肥污染嚴重，伊犁哈沙克自治州的尼勒克縣、特克斯縣的糞便類污染物污染嚴重。這種不同主要是因為各地農業產業結構不同。周曉琴等[3]研究了新疆各地農業面源污染差異性，污染嚴重區主要包括伊犁哈薩克自治州、喀什、昌吉和阿克蘇以及生產建設兵團地區。2014年新疆地區的農業面源污染數據顯示，該年度新疆農業污染排放總量約14萬t，化學需氧量(COD)和總氮(TN)是農業面源的主要污染物。

綜上，新疆農業面源污染有區域集中，種植業污染和畜牧業污染占比較大以及面源污染總量逐年增加等特點。

2 新疆農業面源污染風險源研究

農業面源污染雖然呈散點狀多發態勢，但各類研究表明，農業面源污染主要污染風險物基本一致，主要包括化肥、農藥、農業用膜、糞便污染等。新疆農業面源污染也集中在以上風險源。原偉鵬等分析了新疆昌吉州主要農業面源污染物狀況。研究發現，化肥、農藥和農膜的使用量逐年遞增，直接導致了與這些物質相關的農業污染加劇?；适褂昧康脑黾訒е峦寥乐锌偟獨埩籼嵘?，而農膜使用量增加同樣會導致農膜殘留增加。研究發現，2017年昌吉州土壤中的總氮含量較10年前增長了約170倍，每公頃農膜的殘留量提高了15倍?？偟鲩L一定程度上增加了土壤養分，但也加速了土地鹽堿化。農膜污染則易導致土壤板結，破壞植物根系微生態環境。

新疆種植業重金屬污染也值得重視。當前主要重金屬污染物包括鎘和銅，重金屬容易在生物體內累積，危害周期長。農業重金屬的污染除了與農藥噴灑有關外，還與工業廢水排放有關。當農業灌溉用水來自被工業廢水污染后的河流時，工業污染物被轉移到農業面源污染中，這種工農業污染物交叉的情況必須引起重視。

農業化肥污染是一類污染，主要包括總氮和總磷。張曉莉等[4]研究了新疆農業面源污染中總氮和總磷問題，研究發現氮磷污染主要有3個來源，其中排放占比最大的是畜牧業，其次為種植業，最后是農村生活污染類。新疆畜牧業污染主要由牛、羊養殖業引起。種植業中主要污染來自小麥、玉米和棉花的種植。從每公頃作物的污染總量來看，小麥和玉米種植造成的污染排放比棉花種植更大。這是因為每公頃小麥和玉米的單產比棉花高得多，產品產量高，所消耗的化肥等養分多，造成的化肥殘留污染自然更嚴重。周曉琴等也研究了新疆氮磷類污染狀況，研究認為牛養殖業和旱田種植是氮磷類污染的重要源頭。牛養殖和旱田種植分別是畜牧業和種植業的代表，這兩者在農業面源污染中的占比分別為55.22%和44.78%。研究支持了在總氮和化學需氧量等指標上，新疆畜牧業比種植業污染更嚴重的觀點。

當前新疆農業面源污染研究中，關注氮磷類風險物的研究較多，其次是農藥污染物殘留，農膜殘留也有一定關注。根據周子渭等[5]的研究，新疆農業用農膜量逐年增長，2017年用量已經超過20萬t。原偉鵬等[6]研究發現，新疆昌吉自治州農膜使用量從2007—2017年共增長了87.27%，而農膜回收不足30%。

3 農業面源污染模型研究進展

模型作為一種有效工具，在全球許多流域已被廣泛應用于面源污染物的預測和管理，由于面源污染物形態多樣、路徑多，從產生到最終歸宿的全程跟蹤是很大的挑戰，農業面源污染不同于點源污染，點源污染物集中在一處，便于歸集、測定、統計分析。而散布式的面源污染物在測定、統計分析上困難度增加。農業面源污染物隨著時間變化會發生空間轉移。如，隨著雨水匯集至江河湖海，或在土壤中富集，導致土地鹽堿化。農業面源污染物的這些特點，意味著污染物的分析統計需要采用與工業污染不同的方法。在面源污染統計分析中，選取何種面域作為分析對象對統計結果有重大影響。如選擇一定面積的土地作為分析對象，則該區域的農膜殘留以及農藥重金屬的殘留容易得到統計分析，而易隨雨水流失的總氮、總磷則不易得到統計。如果選取附近的河流斷面作為污染統計對象，則需要考慮上下游污染物擴散的影響。鑒于這些因素，農業面源污染的統計分析需要因地制宜地構建一些模型，以更好地統計分析農業面源污染的具體數據。

根據面源污染在不同空間上的主要過程，可分為農田尺度和流域尺度，經典的面源污染模型包括出口系數模型、水土評價工具模型(SWAT)和水文模擬程序模型(HSPF)[7]。田間尺度模型關注的是水和污染物的轉化過程，SWAT是近20年來模型研究中較為流行的模型，此外，對水質和流域管理的影響仍是近年來面源污染的研究熱點?！巴寥馈薄巴恋乩谩钡纫苍絹碓揭鹑藗兊年P注，“土地利用變化”相關研究則強調預測土地利用變化對流域面源污染負荷的影響。農田尺度主要考慮土壤-植被等過程，其關鍵原則是農學和土壤學知識，DNDC是典型的場尺度模型[8]，最初用于研究生態系統的溫室氣體排放，而反硝化和分解基本上是土壤向大氣排放碳和氮的效應。在農業生態系統中，作物生長、土壤碳氮動態、溫室氣體排放和氮損失的預測對農業面源污染研究有很大幫助[9，10]。Zhao等[11]建立了土地利用模式、作物管理、污染物隨距離衰減和河流水質之間的定量關系，并構建了6種回歸模型，其中，當納入水質、土地利用結構、作物管理、土壤養分衰減等參數時，建模效果最好。

蔡路靈[12]分析了農業面源污染模型發展歷程，認為農業面域模型主要可分為經驗、機理和功能模型3大類。經驗模型的構建多基于輸出系數法，簡單有效。機理模型可以用來模擬污染發生的原因和變化過程。功能模型則多結合計算機軟件系統，在統計分析污染物的同時，具備一定的管理功能。周夢嬌等[13]對世界農業面源污染模型的發展歷程進行了回顧，研究認為美國學者在農業面源污染上走在世界前列。20世紀70年代，美國一些學者便提出了基于輸出系數法構建農業面源污染經驗模型。其原理是選取一定的面域，然后對該面域內的各污染指標按貢獻率賦權，最后對加權值集總。最初這類模型選用河流作為分析斷面，分析河流內污染物與臨近面域耕地間污染程度的相關性，并確定各加權系數。這些系數最初是固定的，包括污水處理過程中營養物的機械去除系數、營養物滯留系數等，通常沒有考慮土地類型以及河流的徑流情況等，因此模型的適用性比較窄。后來不少研究者在這些模型的基礎上加以改善，引入了更多的系數以及更合適的賦權方式，并構建了適用性更廣的模型。農業面源模型采用的統計分析方法后期逐漸增多，模型逐漸多樣化，其中代表模型有AGNPS，ANSWERS，SWAT等。這些模型結合了計算機可視化和形象化的特點，具備模擬和預測功能。

當前，國內關于新疆農業面源污染數據的統計分析多基于輸出系數法。如，徐麗萍在新疆農業面源污染分布空間差異性分析中便利用經驗性的動物排泄系數值，統計分析畜牧業中的糞尿排泄量。周曉琴等結合全國污染排查數據，采用源強系數法，對新疆農業面源污染物排放量進行了統計分析。其他一些研究采用了更復雜的模型。如，原偉鵬等利用熵值-集對分析模型，選取了耕地層含鹽量、含鉀量、含總氮、總磷以及農藥投入量、化肥投入量、灌溉保證率等指標，構建了適宜于新疆干旱地層的農業面域污染生態風險評價體系。另外一些模型還考察了農業面源污染與社會發展的相關性。如，鄧晴晴[14]從集聚效應角度分析了農業面源污染與農業規模效應、技術效應、結構效應、社會效應等指標之間的關系。研究基于Coperland-Taylor的污染檢驗模型，考察了COD，TN，TP等污染物濃度與農業積聚指標之間的相關性。

4 新疆農業面源污染應對措施的研究進展

中國科學院南京土壤研究所提出了農業面源污染控制的策略性理論：減源-攔截-修復(Reduce-Retain-Restore，3R strategy)[15]，3R策略以實現農業環境保護、農業經濟可持續發展以及農業人居環境和意識形態相和諧發展為目標，從污染物產生的源頭開展污染物的減量化工程，在污染物遷移過程中開展污染物的攔截與阻斷工程，并對面源污染物進行深度的處理與再凈化，在此基礎上對農業生態系統進行環保修復，實現農業生態系統自我修復功能的提高和系統的穩態轉換[16]。干旱地區農業污染容易導致土地鹽堿化、淡水湖泊咸水化，因此必須嚴格控制農業污染。但由于我國單個農戶經營管理的土地面積有限，相對的單位面積污染治理成本較高。從面域角度考慮農業污染的治理為農業污染治理開辟了新的思路。面域治理可以應對大范圍農業區域內的污染，降低單位面積治理成本。農業污染治理難度大，并沒有立竿見影的技術，面域治理可采用長期化、持續化的治理措施。

國外學者多從環境規章制度角度分析農業面域污染的治理。James等[17]認為，可以通過放發經濟補貼，或增加污染稅等措施引導農民優先使用低污染性的肥料或農藥。Ronlyn Duncan[18]研究了新西蘭農業流域水源污染治理問題，認為基于污染產出預測數據，可以規范農場污染物的治理。Vladimir Novotny[19]認為在某個流域開發之前，應建立良好的模型以預測水體的污染物負荷能力，從而保證生活用水水質不超標。

國內學者借鑒國外環境治理經驗，認為可以從排污費等角度來治理農業面源污染。王彥[20]構建了Tapio脫鉤模型，考察了新疆農業發展與農業污染之間的相關性，考察的指標主要集中在化肥污染上。研究同時提出利用征收排污費、建立化肥污染田長制等措施來降低化肥污染。周子渭等[21]研究了新疆農業污染治理相關的環境規章制度，認為合適的環境規章制度有利于農業面源污染治理。張志祺等[22]研究了新疆棉農參與農業面源污染治理的意愿影響因素，研究表明，棉花種植面積、環境關注度以及培訓認同感等指標對棉農參與農業面源污染治理影響較為顯著。李萬明等[23]認為，應從調整三大產業占比的角度來改善農業面源污染，加強技術研發，增加第三產業占比，改善生態環境，可以降低農業面源污染。

靳孟貴等[24]認為新疆地表水資源稀缺，農業大量抽取地下水漫灌，不僅造成肥料流失，還會污染水體，導致土壤鹽堿化，因此應大力推廣節水灌溉。周曉琴等認為，新疆畜牧業污染較種植業污染嚴重，應大力推動養殖業產生糞肥的循環利用，作為種植業氮磷用肥的補充。張芳等[25]提倡大力宣傳地膜回收政策，加大補貼等，以改善新疆農業農膜污染。劉婷等[26]研究了農業面源污染治理技術的發展，研究認為，農業面源污染治理需要從生態建設的高度來推動，以一定的面域為基礎，打造基于該地域的環境污染生態防控體系。推動過程中，必須制定相關政策和進行一定的經濟投入，并收集整理了適宜于農業面源污染治理的相關技術，包括塘技術、人工濕地技術、生態溝渠技術等。這些技術均具有利用天然生物治理水體污染的特點。一些水生植物，如水葫蘆、蘆葦、香蒲等可以有效去除水體中的氮磷鉀，降低污染。水體中的微生物對降解氮磷和農藥殘留也十分有效[27]。一定面域內農業污染風險源，經雨水、灌溉水的沖刷，可以富集到目標區域，借助目標區域富水環境中的生物及其微生態環境，對污染物進行吸附、反硝化、降解等，最終可以消滅農業面源污染。

5 小結

新疆農業污染治理任重道遠，從面源污染角度研究相關問題有助于加速農業污染治理。不少研究認為農業污染并非線性發展，沒有污染上限而是會呈現倒U型的發展規律，當經濟發展到一定水平，單位面積化肥使用量或單位農藥使用量會到達一個臨界點，過了這個拐點，農業面源污染會逐漸趨緩。這些觀點降低了人們對新疆農業面源污染無限增長的擔憂，但是農業面源污染拐點不會自動產生，需要采用生態防護技術和制定相應的生態環境治理措施，只有治理和發展相輔相成，才能在農業經濟持續發展的同時，有效控制農業面源污染。