馬 林，盧 潔，趙 浩，柏兆海，胡春勝

（中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊050021）

農(nóng)業(yè)面源污染是水體氮磷污染的主要源[1]。二十世紀(jì)八十年代以來(lái)，我國(guó)為了保障糧食安全和提高作物單產(chǎn)，過(guò)量施用化肥、大水漫灌、畜禽糞尿隨意向環(huán)境排放等問(wèn)題突出，由此引起的面源污染，尤其是農(nóng)田和養(yǎng)殖場(chǎng)氮磷淋溶損失造成的地下水污染問(wèn)題在農(nóng)區(qū)日益嚴(yán)重[2]。大量的化肥施入農(nóng)田，在沒(méi)有合理的農(nóng)業(yè)管理措施情況下，作物對(duì)養(yǎng)分的利用率降低，其中氮肥的利用率只有約30%～40%[3]，絕大部分以的形式累積于土壤中，在遭遇強(qiáng)降雨或灌溉后，隨水以淋溶和徑流等方式進(jìn)入地下水和地表水，造成地下水硝酸鹽污染和水體富營(yíng)養(yǎng)化[4-5]。研究顯示，非根層土壤每年約有68%的殘留，其中約有20%的滲入地下水[6]。據(jù)北京、河北、陜西、東北等18個(gè)行政區(qū)2103眼水井監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：我國(guó)80%以上監(jiān)測(cè)點(diǎn)地下水污染嚴(yán)重，為Ⅳ和Ⅴ類(lèi)，其中與農(nóng)田淋溶相關(guān)的“三氮”（氨氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮）污染最為嚴(yán)重[7]。此外，相關(guān)調(diào)查顯示北方環(huán)渤海七省市（北京、河北、河南、山東、遼寧、天津和山西）地下水含量平均值達(dá)到11.9 mg·L-1，約有34.1%的地下水超過(guò)了WHO制定的飲用水標(biāo)準(zhǔn)[8-9]。可見(jiàn)，的淋溶損失不僅造成了嚴(yán)重的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)或直接的環(huán)境污染，同時(shí)也會(huì)對(duì)人體健康造成巨大威脅[4]。歐美等國(guó)家通過(guò)劃分硝酸鹽污染脆弱區(qū)和風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，以此為依據(jù)制定相關(guān)區(qū)域法案政策，實(shí)施重點(diǎn)區(qū)域面源污染阻控和水污染防治，獲得了很好的面源污染消減效果。而我國(guó)尚缺乏針對(duì)硝酸鹽脆弱區(qū)的農(nóng)業(yè)面源污染區(qū)域阻控策略研究。

1 我國(guó)地表和地下水硝酸鹽污染問(wèn)題堪憂(yōu)，威脅水源安全

我國(guó)大部分地表水和地下水污染日益嚴(yán)重。據(jù)報(bào)道，我國(guó)31%的監(jiān)測(cè)河流水質(zhì)為劣Ⅳ類(lèi)水。其中十大流域中，僅西南和西北流域的水質(zhì)達(dá)標(biāo)，為Ⅰ-Ⅲ類(lèi)水，其余均為劣Ⅳ類(lèi)水。九大重要海灣中有六個(gè)被劃為Ⅳ類(lèi)或劣Ⅴ類(lèi)水質(zhì)。原國(guó)土資源部針對(duì)地下水水源地的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，2015年受監(jiān)測(cè)的飲用水水井有62%水質(zhì)超標(biāo)[10]。同期，水利部針對(duì)淺層地下水的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，超過(guò)80%的淺層地下水水質(zhì)為Ⅳ類(lèi)以上[7]。而Ⅳ類(lèi)以上水質(zhì)一般僅能用作娛樂(lè)和工業(yè)用水，不適宜人體的直接接觸和飲用。

“三氮”（氨氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮）超標(biāo)嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)是水體氮排放和污染的重要來(lái)源。我國(guó)劣Ⅳ類(lèi)水質(zhì)硝酸鹽含量為130 mg·L-1（GB 14848—2017）[11]，而世界衛(wèi)生組織（WHO）推薦的飲用水硝酸鹽含量標(biāo)準(zhǔn)值為50 mg·L-1[9]，是水源污染的主要原因之一。飲用水中硝酸鹽超標(biāo)會(huì)直接危害人體健康，導(dǎo)致藍(lán)嬰癥[12]等疾病。據(jù)估計(jì)，我國(guó)目前仍有將近2億人口飲用具有安全隱患的地下水[13]。2010年2月6日環(huán)保部公布的《第一次全國(guó)污染源普查公報(bào)》數(shù)據(jù)顯示農(nóng)業(yè)源向水體總氮、總磷排放量分別為270萬(wàn)t和28萬(wàn)t，分別占氮、磷排放總量的57%和67%[14]。而地表水中氮和磷的超標(biāo)會(huì)導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化等問(wèn)題。因此，要從根本上解決上述問(wèn)題，必須把“三氮”污染防治直接納入到國(guó)家環(huán)境保護(hù)體系中。

劃定硝酸鹽脆弱區(qū)是防控面源污染和保證水源安全的關(guān)鍵。近年來(lái)，我國(guó)對(duì)水環(huán)境問(wèn)題愈加重視，頒布了一系列水污染防治政策和法規(guī)，如：2015年的《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃（水十條）》（http://www.gov.cn/zhengce/content/2015-04/16/content_9613.htm）和2018年的《水污染防治法（修訂案）》（http://www.npc.gov.cn/npc/xinwen/2017-06/29/content_2024889.htm）。同時(shí)，我國(guó)對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染的源頭防控工作也非常重視，相繼實(shí)施了“化肥使用量零增長(zhǎng)，有機(jī)肥替代”“畜禽糞尿資源化”等重大行動(dòng)方案，科技部組織了“兩減”和“面源”兩個(gè)重大研發(fā)專(zhuān)項(xiàng)。然而，目前對(duì)農(nóng)業(yè)“三氮”污染問(wèn)題重視不夠，具體表現(xiàn)在：（1）涉及農(nóng)業(yè)源水污染防治的條目較少，缺乏精準(zhǔn)的問(wèn)題導(dǎo)向；（2）沒(méi)有識(shí)別出水污染關(guān)鍵防控區(qū)域，以“各自作戰(zhàn)”的形式在全國(guó)一刀切的實(shí)施，并未建立針對(duì)硝酸鹽脆弱區(qū)的養(yǎng)分優(yōu)化管理和面源污染防控方案；（3）更缺少不同技術(shù)與模式對(duì)硝酸鹽脆弱區(qū)面源污染阻控的監(jiān)測(cè)與評(píng)估機(jī)制，難以支撐我國(guó)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的全面實(shí)施。

2 歐美國(guó)家通過(guò)劃分硝酸鹽脆弱區(qū)，消減水體硝酸鹽面源污染風(fēng)險(xiǎn)

水污染問(wèn)題遍布全球，歐盟通過(guò)劃定硝酸鹽脆弱區(qū)，實(shí)現(xiàn)了水環(huán)境的保護(hù)。1991年，歐盟頒布了《硝酸鹽法案》，旨在利用良好的農(nóng)業(yè)實(shí)踐保護(hù)歐洲各地的水資源，減少農(nóng)業(yè)源硝酸鹽水體污染，并避免地表水體和地下水體進(jìn)一步受到污染[15-17]?！断跛猁}法案》規(guī)定所有歐盟成員國(guó)必須劃定硝酸鹽脆弱區(qū)，包括：硝酸鹽脆弱區(qū)（地表或地下水體硝酸鹽濃度超過(guò)50 mg·L-1），硝酸鹽潛在污染區(qū)（若不采取行動(dòng)扭轉(zhuǎn)該趨勢(shì)，地表或地下水體硝酸鹽濃度可能會(huì)超過(guò)50 mg·L-1）和水體富營(yíng)養(yǎng)化區(qū)（淡水、河口、沿岸海域和海洋水域，發(fā)現(xiàn)是富營(yíng)養(yǎng)化或若不采取行動(dòng)扭轉(zhuǎn)該趨勢(shì)，可能成為富營(yíng)養(yǎng)化）。在這些區(qū)域內(nèi)強(qiáng)制實(shí)施一系列的氮磷養(yǎng)分管控措施，如：基于作物養(yǎng)分需求科學(xué)施肥，劃定作物施肥限量、禁止施肥時(shí)間，規(guī)定畜禽糞尿最小儲(chǔ)藏容量和有機(jī)肥最大施用量等。此外，歐盟還建立了完善的監(jiān)測(cè)和評(píng)估體系，每5年對(duì)硝酸鹽脆弱區(qū)的硝酸鹽增減情況進(jìn)行評(píng)估，以此為依據(jù)對(duì)各成員國(guó)進(jìn)行獎(jiǎng)懲。據(jù)相關(guān)研究結(jié)果顯示，歐盟的硝酸鹽法案已經(jīng)使得歐洲農(nóng)業(yè)源氮污染顯著降低。該研究通過(guò)模型模擬得出，相比于未執(zhí)行該指令的情況，執(zhí)行該指令可使得2008年硝酸鹽排放量減少16%，若繼續(xù)嚴(yán)格執(zhí)行，將會(huì)獲得更好的減排效果[16]。此外，再以英國(guó)為例，其劃定了32個(gè)硝酸鹽脆弱區(qū)[18]。按照農(nóng)民自愿參與的原則簽訂協(xié)議，明確在5年之內(nèi)逐漸減少化肥施用量，對(duì)于化肥減施給農(nóng)戶(hù)造成的損失，政府按照土地面積給予補(bǔ)償，具體的補(bǔ)償數(shù)額按照土壤硝酸鹽含量來(lái)確定。經(jīng)過(guò)法案的實(shí)施，以及對(duì)硝酸鹽脆弱區(qū)硝酸鹽情況的監(jiān)測(cè)和評(píng)估，1998年和2006年，英國(guó)的32個(gè)硝酸鹽脆弱區(qū)中分別有60%和90%的土地達(dá)到了歐盟環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)[19]。

美國(guó)是世界上水環(huán)境法律發(fā)展較早，且體系較完善的國(guó)家之一。1972年，美國(guó)頒布了《清潔水法案》[20-21]。該法案不僅對(duì)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)作出了規(guī)定，還針對(duì)水環(huán)境管理提出了建議，是美國(guó)最為重要和全面的水環(huán)境法律。《清潔水法案》重點(diǎn)針對(duì)水體磷的富營(yíng)養(yǎng)化污染風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。這主要是因?yàn)槊绹?guó)主要河流的氮含量呈下降趨勢(shì)，但是磷含量逐漸增加。雖然美國(guó)沒(méi)有全國(guó)性的劃定氮磷污染的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，但是聯(lián)邦政府要求各州政府提交一份境內(nèi)污染水域或者潛在污染水域清單，確定每天氮磷污染物排放的最高限量，以此為依據(jù)制定農(nóng)戶(hù)最佳養(yǎng)分管理計(jì)劃、監(jiān)測(cè)和評(píng)估體系[22-25]。美國(guó)雖與我國(guó)處于不同發(fā)展階段，但其環(huán)境政策在一定程度上值得我國(guó)借鑒。

總之，歐美國(guó)家通過(guò)識(shí)別硝酸鹽污染脆弱區(qū)和風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，制定重點(diǎn)區(qū)域水污染防治方案，通過(guò)補(bǔ)貼來(lái)推進(jìn)農(nóng)戶(hù)養(yǎng)分優(yōu)化管理措施的實(shí)施，同時(shí)建立完善的監(jiān)測(cè)體系和評(píng)估體系，達(dá)到了很好的面源污染消減效果。

3 劃定我國(guó)硝酸鹽脆弱區(qū)和建立面源污染監(jiān)測(cè)評(píng)估體系

新時(shí)代呼喚農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展，更需要構(gòu)建綠色生態(tài)環(huán)境，因此亟需劃定我國(guó)農(nóng)業(yè)硝酸鹽脆弱區(qū)及建立監(jiān)測(cè)評(píng)估體系，為推進(jìn)化肥減施、有機(jī)肥替代、畜禽糞尿資源化、面源污染阻控和農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展等國(guó)家重大行動(dòng)提供抓手。中科院石家莊農(nóng)業(yè)資源中心依托國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目等資助，與國(guó)內(nèi)外十多家科研院校合作，對(duì)農(nóng)業(yè)硝酸鹽脆弱區(qū)劃分和區(qū)域阻控辦法等工作開(kāi)展了系統(tǒng)研究，提出了如下建議。

3.1 劃定硝酸鹽脆弱區(qū)，明確水體污染防治重點(diǎn)區(qū)域

研究根據(jù)歐盟國(guó)家硝酸鹽脆弱區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)以及我國(guó)地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置了我國(guó)硝酸鹽脆弱區(qū)的劃分標(biāo)準(zhǔn)。利用地下水硝酸鹽監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、環(huán)境公報(bào)發(fā)布的水質(zhì)數(shù)據(jù)、分縣農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)資料和土壤地質(zhì)信息等數(shù)據(jù)，初步劃分了我國(guó)硝酸鹽脆弱區(qū)和潛在脆弱區(qū)。具體劃分標(biāo)準(zhǔn)包括：（1）地下水或地表水已受硝酸鹽污染的區(qū)域或富營(yíng)養(yǎng)化或有富營(yíng)養(yǎng)化潛在風(fēng)險(xiǎn)的水體劃為硝酸鹽脆弱區(qū)；（2）氮素淋溶風(fēng)險(xiǎn)高（leaching＞22.6 kg·hm-2）的區(qū)域劃為潛在硝酸鹽脆弱區(qū)；（3）氮素徑流風(fēng)險(xiǎn)高（runoff＞28.3 kg·hm-2）的區(qū)域劃為潛在硝酸鹽脆弱區(qū)；（4）其余區(qū)域則為無(wú)硝酸鹽污染風(fēng)險(xiǎn)耕地。其中淋溶風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估數(shù)據(jù)通過(guò)NUFER模型模擬計(jì)算獲得。劃分結(jié)果如圖1所示，該結(jié)果已發(fā)表[26-27]。

圖1 我國(guó)硝酸鹽脆弱區(qū)分布圖Figure1 Distribution of nitrate vulnerable zones in China

研究結(jié)果顯示：我國(guó)硝酸鹽脆弱區(qū)和潛在脆弱區(qū)覆蓋了約7400萬(wàn)hm2耕地（約占總耕地面積的56%），其中脆弱區(qū)面積為5300萬(wàn)hm2，潛在脆弱區(qū)面積為2100萬(wàn)hm2，水域受污染情況也十分突出。大部分硝酸鹽脆弱區(qū)分布在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密集的環(huán)渤海區(qū)域。東北地區(qū)的黑龍江省及長(zhǎng)江三角洲部分地區(qū)，由于作物和畜牧生產(chǎn)集約化、地下水位淺，且地下水硝酸鹽濃度高等因素，也被劃分為脆弱區(qū)。此外，位于西南地區(qū)的四川和重慶地區(qū)，由于當(dāng)?shù)貙偾鹆甑孛?，氮磷徑流損失風(fēng)險(xiǎn)較高，因此也被列入到脆弱區(qū)內(nèi)。

初步劃定的硝酸鹽脆弱區(qū)仍存在較大的不確定性。未來(lái)的工作應(yīng)以此為依據(jù)，建立監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，劃定更為精準(zhǔn)的硝酸鹽脆弱區(qū)，主要考慮以下4大原則：一是根據(jù)全國(guó)主要水體的富營(yíng)養(yǎng)化、水體硝酸鹽和全磷含量情況，明確污染水體位置和面積；二是考慮全國(guó)不同區(qū)域的氮磷地下水淋失風(fēng)險(xiǎn)；三是考慮全國(guó)不同區(qū)域地表水氮磷徑流和侵蝕損失風(fēng)險(xiǎn)；四是重點(diǎn)考慮不同區(qū)域畜禽養(yǎng)殖體系點(diǎn)源氮磷排放風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 制定硝酸鹽脆弱區(qū)的養(yǎng)分管理區(qū)域優(yōu)化方案，推進(jìn)農(nóng)戶(hù)最佳養(yǎng)分管理技術(shù)和模式

未來(lái)研究還應(yīng)該組織相關(guān)專(zhuān)家開(kāi)展專(zhuān)項(xiàng)研究，提出針對(duì)脆弱區(qū)和潛在脆弱區(qū)養(yǎng)分損失特征的一系列氮磷淋溶和徑流損失消減方案。依托“兩減”“面源”等國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)專(zhuān)項(xiàng)的成果，明確不同脆弱區(qū)作物最大施肥限量、肥料禁施期和養(yǎng)分優(yōu)化管理方案。此外，還應(yīng)針對(duì)畜禽糞尿資源化和有機(jī)肥替代等問(wèn)題，設(shè)立重點(diǎn)研發(fā)專(zhuān)項(xiàng)以開(kāi)展系統(tǒng)研究，明確不同畜禽糞尿種類(lèi)的養(yǎng)分含量、畜禽糞尿最大施用限量、畜禽糞尿儲(chǔ)藏最小容量和化肥替代率等指標(biāo)，提出畜禽糞尿“飼舍-儲(chǔ)藏-處理-施用”全鏈條養(yǎng)分資源化利用切實(shí)可行的方案。同時(shí)，針對(duì)農(nóng)牧分離的問(wèn)題，提出農(nóng)牧結(jié)合的最佳養(yǎng)分優(yōu)化管理方案，編制技術(shù)手冊(cè)，明確哪些技術(shù)組合和模式可實(shí)現(xiàn)硝酸鹽脆弱區(qū)養(yǎng)分水體排放的消減。2015年農(nóng)業(yè)部已提出《到2020年化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)方案》（http://www.moa.gov.cn/zwllm/tzgg/tz/201503/t20150318_4444765.htm），要求把握好“精、調(diào)、改、替”4字要領(lǐng)，即推進(jìn)精準(zhǔn)施肥、調(diào)整化肥施用結(jié)構(gòu)、改進(jìn)施肥方式、有機(jī)肥替代化肥，并有一系列相應(yīng)保障措施的推進(jìn)、扶持與支撐。同年，國(guó)務(wù)院發(fā)布了《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（http://www.gov.cn/zhengce/content/2015-04/16/content_9613.htm），提出控制農(nóng)業(yè)面源污染，實(shí)行測(cè)土配方施肥，推廣精準(zhǔn)施肥技術(shù)和機(jī)具。并發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水，推廣渠道防滲、管道輸水、噴灌、微灌等節(jié)水灌溉技術(shù)，完善灌溉用水計(jì)量設(shè)施。由此基礎(chǔ)的啟發(fā)與引導(dǎo)，預(yù)計(jì)在不久的未來(lái)，通過(guò)結(jié)合各個(gè)區(qū)域農(nóng)業(yè)環(huán)境和管理特點(diǎn)，國(guó)家會(huì)制定更加具體的施肥原則和措施，推出更加具體詳細(xì)的減排標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)定以及推薦管理辦法，有針對(duì)性地指導(dǎo)并進(jìn)行減排工作。3.3建立全國(guó)硝酸鹽脆弱區(qū)養(yǎng)分監(jiān)測(cè)網(wǎng)，完善水環(huán)境評(píng)價(jià)體系和響應(yīng)機(jī)制

進(jìn)一步深入研究和制定標(biāo)準(zhǔn)的水質(zhì)、硝酸鹽淋溶和徑流損失的監(jiān)測(cè)方法，建立全國(guó)性地表和地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)體系，用于評(píng)估脆弱區(qū)養(yǎng)分淋溶風(fēng)險(xiǎn)以及消減措施與政策的效果。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部牽頭建立農(nóng)戶(hù)、區(qū)域和流域的養(yǎng)分平衡和管理措施的報(bào)告制度，如：記錄化肥購(gòu)買(mǎi)和施用量、有機(jī)肥產(chǎn)生和施用量、畜禽糞尿儲(chǔ)藏容量等。建立硝酸鹽脆弱區(qū)養(yǎng)分區(qū)域優(yōu)化方案、農(nóng)戶(hù)最佳養(yǎng)分管理技術(shù)與水體污染監(jiān)測(cè)的響應(yīng)體系，以此為依據(jù)建立農(nóng)戶(hù)和區(qū)域的補(bǔ)貼、監(jiān)督和獎(jiǎng)懲機(jī)制，每3～5年組織評(píng)估反饋以支撐農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展和面源污染阻控。