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(nóng)業(yè)面源污染問題日益突出，已成為目前水環(huán)境污染控制的重點和難點。在廣泛調研國內(nèi)外相關領域研究成果的基礎上，對農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)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(lián)合示蹤農(nóng)業(yè)面源污染源；污染物在溝渠系統(tǒng)的遷移模型；農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測和預警體系。

關鍵詞：農(nóng)業(yè)面源污染；研究進展；發(fā)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(fā)展的基礎，水體環(huán)境污染直接影響和制約人類的可持續(xù)發(fā)展。隨著工業(yè)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(huán)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(yǎng)化或其他形式的污染[1]。農(nóng)業(yè)面源污染是指由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動引起的氮、磷、農(nóng)藥等污染物以廣域的、低濃度、分散的形式，從農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)向水體遷移擴散的過程。主要包括化肥污染、農(nóng)藥污染、集約化養(yǎng)殖場污染、農(nóng)膜污染、農(nóng)村生活污水污染等。目前從世界范圍來看，面源已成為水環(huán)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(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)面源污染的貢獻率為68%～83%，氮、磷營養(yǎng)元素是農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)面源污染[4]。中國的農(nóng)業(yè)面源污染形勢也非常嚴峻，據(jù)2010年國家三部委聯(lián)合發(fā)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)（含畜禽養(yǎng)殖業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、種植業(yè)）排放的化學需氧量（COD）、N、P等主要污染物量，已遠超過工業(yè)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(nóng)業(yè)面源污染將大量的氮、磷、農(nóng)藥、重金屬等污染物質帶入水體，不僅直接危害農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，而且對區(qū)域水環(huán)境和人類健康將產(chǎn)生嚴重的危害，污染飲用水源會造成地表水的富營養(yǎng)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(nóng)業(yè)面源污染的成因及特點

1.1 農(nóng)業(yè)面源污染的成因

農(nóng)業(yè)面源污染的根本原因在于糧食安全壓力大，從而導致農(nóng)用化學品的過量、不合理施用，農(nóng)田的污染物質已經(jīng)成為水環(huán)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(nóng)業(yè)化肥的平均有效率僅為30%～35%，大量未被利用的營養(yǎng)元素經(jīng)降雨徑流、淋溶或農(nóng)田退水直接或間接進入水體。另外，我國農(nóng)藥施用量大，且施用方法不合理，農(nóng)藥利用率低，從而導致大部分農(nóng)藥以大氣沉降和雨水沖刷的形式進入水體、土壤、空氣和農(nóng)產(chǎn)品中，對生態(tài)環(huán)境和人類造成了嚴重危害。

近年來，我國集約化養(yǎng)殖發(fā)展迅速，導致一些地方的養(yǎng)殖總量已經(jīng)超過當?shù)刎摵删渲?，大量的畜禽糞便處理率低下[6]，隨意堆放，流失量大，已經(jīng)成為農(nóng)村的主要污染源之一。如我國巢湖流域，2004年畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生糞便量達1 257萬t，其中經(jīng)過無害化處理108萬t，僅占糞便總量的8.6%[7]。

城鎮(zhèn)化發(fā)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(zhèn)、村居民點地表徑流也已成為水環(huán)境污染或水體富營養(yǎng)化的重要來源[8]。水土流失和傳統(tǒng)灌溉加重了農(nóng)業(yè)面源污染和生態(tài)環(huán)境的惡化。另外，農(nóng)業(yè)技術推廣滯后，公眾缺乏環(huán)境意識，也是農(nóng)業(yè)面源污染日趨嚴重的重要因素之一。

1.2 農(nóng)業(yè)面源污染的特點

與點源污染相比，農(nóng)業(yè)面源污染具有隨機、分散、復雜、難監(jiān)測等特點。農(nóng)業(yè)面源污染主要以擴散的方式發(fā)生，一般與降雨徑流（或農(nóng)田排水）的發(fā)生有關，而降雨徑流具有隨機性，所以由此產(chǎn)生的面源污染必然具有隨機性，再加上流域內(nèi)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(nóng)業(yè)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(nóng)田徑流、農(nóng)戶的生活污水排放和村鎮(zhèn)地表徑流，還包括農(nóng)村生活垃圾、小型畜禽養(yǎng)殖和池塘水產(chǎn)養(yǎng)殖等造成的污染。這就造成了難以在發(fā)生之處進行監(jiān)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(fā)生，其控制與治理代價高昂且非常困難。

2 農(nóng)業(yè)面源污染的研究歷程

農(nóng)業(yè)面源污染研究起步于20世紀60年代，歐、美等發(fā)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(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)面源污染成為國際上環(huán)境問題研究的活躍領域。隨著對農(nóng)業(yè)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(jīng)濟、法律、政策等。

相對國外而言，我國對農(nóng)業(yè)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(yǎng)化調查，之后在于橋水庫、滇池、太湖、巢湖、晉江流域等區(qū)域也展開了農(nóng)業(yè)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(qū)域污染物輸出量的經(jīng)驗統(tǒng)計模型。這一階段只是農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)面源污染的產(chǎn)污機理及影響因素進行更為深入的探討；農(nóng)藥、化肥污染的特征、影響因素研究和黑箱經(jīng)驗統(tǒng)計模型模式在農(nóng)業(yè)面源污染研究中占據(jù)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(fā)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(qū)、不同尺度范圍內(nèi)開展了大量應用研究，在國際上的影響力越來越大。

3 農(nóng)業(yè)面源污染負荷估算與評估模型

為了對農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)面源污染具有隨機、分散、復雜、難監(jiān)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(huán)境實施污染總量控制管理的基礎和關鍵[10]。農(nóng)業(yè)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(qū)開展的一系列深入研究，研發(fā)了包括輸出系數(shù)模型、機理模型等在內(nèi)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(fā)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(xiàn)有主流模型大多根據(jù)北美地區(qū)環(huán)境特點研發(fā)，在國內(nèi)應用時難免會出現(xiàn)各種問題，近年來，國內(nèi)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(qū)的實際情況，在國際上的影響力越來越大[13]。

4 農(nóng)業(yè)面源污染物的遷移轉化機制

農(nóng)業(yè)面源污染物主要來自于土壤圈中的農(nóng)業(yè)化學物質，因而其產(chǎn)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(nóng)業(yè)面源污染本質上是一種擴散污染。農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)面源污染物的形成，作為一個連續(xù)的動態(tài)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(lián)系相互作用，成為農(nóng)業(yè)面源污染的核心內(nèi)容[14]。氮施入土壤中，氨態(tài)氮（NH+4-N）呈球形擴散，硝態(tài)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(wěn)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(shù)土壤可溶態(tài)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(tài)變化及其化學反應機理遠比氮要復雜，包括磷的生物循環(huán)，含磷顆粒的沉降與再懸浮、溶解態(tài)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(xiàn)，交換的強度主要取決于沉積物間隙水中的營養(yǎng)物質濃度梯度[18]。國內(nèi)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(yǎng)元素賦存形態(tài)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(nóng)業(yè)面源污染物的防控機制

農(nóng)業(yè)面源污染作為流域內(nèi)影響水質的主要過程之一，其污染控制應從整個農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)或流域出發(fā)，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ǎ磸奈廴驹搭^控制和減少N、P流失，主要有通過產(chǎn)業(yè)結構、施肥措施、養(yǎng)殖業(yè)控制、飼養(yǎng)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(nóng)業(yè)化學物質釋放的膜控制釋放技術（membranes controlledrelease，簡稱MCR）以及在環(huán)境約束下根據(jù)氣象、市場、作物生長和農(nóng)業(yè)非點源污染程度等制定的、政府和農(nóng)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(nèi)學者構建了包括控制類型、控制環(huán)節(jié)、控制手段3個層面的農(nóng)業(yè)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(xiàn)種植型農(nóng)業(yè)面源污染的控制；通過推行清潔養(yǎng)殖、制定水產(chǎn)養(yǎng)殖容量、防治普遍性污染等措施控制養(yǎng)殖型面源污染；通過建立生活、生產(chǎn)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(huán)節(jié)層面，實行產(chǎn)前減少面源污染的產(chǎn)生量；產(chǎn)中減少面源污染的排放量；產(chǎn)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(jīng)濟、法律、教育、規(guī)劃、技術等方面進行綜合治理。

6 研究展望

農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)面源污染的治理是一項復雜的系統(tǒng)工程，在歸納當前研究現(xiàn)狀的基礎上總結近期和未來的研究重點，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

6.1 多種同位素聯(lián)合示蹤農(nóng)業(yè)面源污染源研究

由于農(nóng)業(yè)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(shù)據(jù)，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(tǒng)，以同位素作為示蹤手段，結合現(xiàn)代信息技術和流域內(nèi)的水文地球化學等指標來研究農(nóng)業(yè)面源污染，有望在辨識農(nóng)業(yè)面源污染物的來源、定量估算農(nóng)業(yè)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(tǒng)的遷移模型研究

溝渠系統(tǒng)作為面源污染源與水體之間的緩沖過渡區(qū)，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(nóng)業(yè)面源污染防控技術研究的深入，面源污染物產(chǎn)生以后在溝渠系統(tǒng)中的遷移轉化逐漸引起研究者的重視，并逐步快速發(fā)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(nèi)外學者對污染物在溝渠系統(tǒng)中遷移轉化的研究已經(jīng)取得一些初步進展[27-28]，但是還沒有成熟的模型出現(xiàn)。因此，在目前研究的基礎上，積極構建農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)面源污染對地下水的影響研究

近年來，農(nóng)業(yè)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(huán)境的一部分，其污染與農(nóng)業(yè)面源污染密切相關。目前，國內(nèi)外對這方面的研究較少，特別是對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中硝酸鹽淋失動態(tài)及其對區(qū)域地下水的研究尤其少，因此農(nóng)業(yè)面源污染在地下水中的輸出規(guī)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(jù)水質目標和環(huán)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(huán)境治理和管理量化機制。從地理系統(tǒng)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(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測和預警體系

充分發(fā)揮時效性和宏觀性方面具有明顯優(yōu)勢的“3S”技術，結合農(nóng)業(yè)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(qū)建立農(nóng)業(yè)面源污染的監(jiān)測系統(tǒng)，并在國家級農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡的基礎上，通過數(shù)據(jù)分析與系統(tǒng)集成，建立農(nóng)業(yè)面源污染的預警體系，及時發(fā)布污染風險預警，為決策者進行判斷和宏觀管理提供支撐。

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