王靜+郭熙盛+呂國(guó)安+王允青+葉寅+王道中

摘要：在點(diǎn)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(diǎn)和難點(diǎn)。在廣泛調(diào)研國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染的成因和特點(diǎn)、研究歷程、面源污染物的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制、污染負(fù)荷模型以及面源污染的防控機(jī)制進(jìn)行論述，在此基礎(chǔ)上提出我國(guó)農(nóng)業(yè)面源污染的研究需要在幾個(gè)方面進(jìn)行加強(qiáng)，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(duì)地下水的影響研究；構(gòu)建流域容量總量控制體系；健全農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測(cè)和預(yù)警體系。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)面源污染；研究進(jìn)展；發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)： X71 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）09-0021-03

水是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，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(shí)，面源污染對(duì)水體的影響也日益凸顯，成為水環(huán)境污染的一個(gè)重要原因。面源污染，即非點(diǎn)源污染（non-point source pollution），是相對(duì)于排污點(diǎn)集中、排污途徑明確的點(diǎn)源污染而言，是指溶解的或固體的污染物從非特定的地點(diǎn)，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(kù)和海灣等）并引起水體的富營(yíng)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(dòng)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(kuò)散的過程。主要包括化肥污染、農(nóng)藥污染、集約化養(yǎng)殖場(chǎng)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(guó)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(xiàn)率為68%～83%，氮、磷營(yíng)養(yǎng)元素是農(nóng)業(yè)面源污染主要的污染物質(zhì)[3]。丹麥270條河流中94%的氮負(fù)荷、52%的磷負(fù)荷是來自于農(nóng)業(yè)面源污染[4]。中國(guó)的農(nóng)業(yè)面源污染形勢(shì)也非常嚴(yán)峻，據(jù)2010年國(guó)家三部委聯(lián)合發(fā)布的第1次全國(guó)污染源普查公報(bào)，我國(guó)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(xué)需氧量（COD）、N、P等主要污染物量，已遠(yuǎn)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(zhì)帶入水體，不僅直接危害農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，而且對(duì)區(qū)域水環(huán)境和人類健康將產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，污染飲用水源會(huì)造成地表水的富營(yíng)養(yǎng)化和地下水的污染。如何科學(xué)認(rèn)識(shí)并有效控制面源污染已成為當(dāng)前亟待解決的重大科學(xué)問題與應(yīng)用問題。

1 農(nóng)業(yè)面源污染的成因及特點(diǎn)

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(dǎo)致農(nóng)用化學(xué)品的過量、不合理施用，農(nóng)田的污染物質(zhì)已經(jīng)成為水環(huán)境污染的主要來源[5]。我國(guó)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(guó)農(nóng)業(yè)化肥的平均有效率僅為30%～35%，大量未被利用的營(yíng)養(yǎng)元素經(jīng)降雨徑流、淋溶或農(nóng)田退水直接或間接進(jìn)入水體。另外，我國(guó)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(dǎo)致大部分農(nóng)藥以大氣沉降和雨水沖刷的形式進(jìn)入水體、土壤、空氣和農(nóng)產(chǎn)品中，對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類造成了嚴(yán)重危害。

近年來，我國(guó)集約化養(yǎng)殖發(fā)展迅速，導(dǎo)致一些地方的養(yǎng)殖總量已經(jīng)超過當(dāng)?shù)刎?fù)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(jīng)成為農(nóng)村的主要污染源之一。如我國(guó)巢湖流域，2004年畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生糞便量達(dá)1 257萬(wàn)t，其中經(jīng)過無害化處理108萬(wàn)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(zhì)的擴(kuò)散和遷移。鎮(zhèn)、村居民點(diǎn)地表徑流也已成為水環(huán)境污染或水體富營(yíng)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(shù)推廣滯后，公眾缺乏環(huán)境意識(shí)，也是農(nóng)業(yè)面源污染日趨嚴(yán)重的重要因素之一。

1.2 農(nóng)業(yè)面源污染的特點(diǎn)

與點(diǎn)源污染相比，農(nóng)業(yè)面源污染具有隨機(jī)、分散、復(fù)雜、難監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)。農(nóng)業(yè)面源污染主要以擴(kuò)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(guān)，而降雨徑流具有隨機(jī)性，所以由此產(chǎn)生的面源污染必然具有隨機(jī)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(dǎo)致面源污染時(shí)空分布的不均一性。農(nóng)業(yè)面源污染物來源分散且復(fù)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(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(jià)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(jì)60年代，歐、美等發(fā)達(dá)國(guó)家率先開展，70 年代后在世界各地逐漸受到重視。國(guó)外農(nóng)業(yè)面源污染的研究可以分為以下3個(gè)階段，即20世紀(jì)70年代，主要是對(duì)面源污染特征、影響因素、單場(chǎng)暴雨和長(zhǎng)期平均污染負(fù)荷輸出方面的研究；20世紀(jì)80年代，面源污染基礎(chǔ)研究地域范圍廣，類型多樣、因素分析和污染物遷移機(jī)理研究更加深入；進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，微生物對(duì)面源污染物遷移、轉(zhuǎn)化影響的研究成為新的增長(zhǎng)點(diǎn)，農(nóng)業(yè)面源污染成為國(guó)際上環(huán)境問題研究的活躍領(lǐng)域。隨著對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染形成機(jī)制及其危害認(rèn)識(shí)的深入，人們提出了各種控制管理措施，涉及到經(jīng)濟(jì)、法律、政策等。

相對(duì)國(guó)外而言，我國(guó)對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染的研究起步較晚，20世紀(jì)80年代進(jìn)行的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化調(diào)查，之后在于橋水庫(kù)、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(guān)系，立足于受納水體的水質(zhì)，建立計(jì)算匯水區(qū)域污染物輸出量的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型。這一階段只是農(nóng)業(yè)面源污染的特點(diǎn)與污染負(fù)荷定量計(jì)算的初步研究。進(jìn)入20世紀(jì)90年代之后，中國(guó)對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染的產(chǎn)污機(jī)理及影響因素進(jìn)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(yàn)統(tǒng)計(jì)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(guó)外面源污染模型尤其是機(jī)理模型的引進(jìn)發(fā)展迅速，大批研究者運(yùn)用各種模型和計(jì)算方法（主要來自美國(guó)）在全國(guó)不同地區(qū)、不同尺度范圍內(nèi)開展了大量應(yīng)用研究，在國(guó)際上的影響力越來越大。

3 農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷估算與評(píng)估模型

為了對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染進(jìn)行有效的控制和治理，污染負(fù)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(jī)、分散、復(fù)雜、難監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)，其負(fù)荷計(jì)算遠(yuǎn)比點(diǎn)源困難，但獲得準(zhǔn)確的水體污染負(fù)荷量又是對(duì)水環(huán)境實(shí)施污染總量控制管理的基礎(chǔ)和關(guān)鍵[10]。農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷的計(jì)算方法始于美國(guó)20世紀(jì)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(jī)理模型等在內(nèi)的一系列面源污染負(fù)荷計(jì)算方法[11]。進(jìn)入21世紀(jì)以后，該領(lǐng)域的研究引起了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注，一些功能強(qiáng)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(guó)的面源污染模型研究基本以引進(jìn)國(guó)外模型，進(jìn)行驗(yàn)證和模擬應(yīng)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(diǎn)研發(fā)，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用時(shí)難免會(huì)出現(xiàn)各種問題，近年來，國(guó)內(nèi)一些研究者嘗試對(duì)國(guó)外模型進(jìn)行改進(jìn)，使之能更好地適應(yīng)研究區(qū)的實(shí)際情況，在國(guó)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(zhuǎn)化機(jī)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(xué)物質(zhì)，因而其產(chǎn)生、遷移與轉(zhuǎn)化過程實(shí)質(zhì)上是污染物從土壤圈向其他圈層，尤其是水圈擴(kuò)散的過程，農(nóng)業(yè)面源污染本質(zhì)上是一種擴(kuò)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(chǔ)，后者是研究的重點(diǎn)和關(guān)鍵。農(nóng)業(yè)面源污染物的形成，作為一個(gè)連續(xù)的動(dòng)態(tài)過程，主要由以下幾個(gè)過程組成，即降雨徑流、土壤侵蝕、地表溶質(zhì)溶出和土壤溶質(zhì)滲漏，這4個(gè)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(kuò)散，硝態(tài)氮（NO-3-N）主要以質(zhì)流方式遷移，一般來說，排水當(dāng)中的NNO-3-N比較穩(wěn)定，而NH+4-N的遷移轉(zhuǎn)化相當(dāng)復(fù)雜[15]。磷的流失以吸附作用為主，主要是因?yàn)榱着c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(jìn)行[16]。

另外，氮在沉積物-水體界面的遷移和交換是一個(gè)復(fù)雜的生物化學(xué)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(xué)反應(yīng)機(jī)理遠(yuǎn)比氮要復(fù)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(xué)、生物過程及其相互作用。沉積物與水體的物質(zhì)交換主要通過擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)，交換的強(qiáng)度主要取決于沉積物間隙水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度梯度[18]。國(guó)內(nèi)外已開展了關(guān)于水體沉積物與水體氮、磷遷移與交換[19-20]、氮磷營(yíng)養(yǎng)元素賦存形態(tài)及其比例對(duì)藻類等水生生物生長(zhǎng)的影響等[21-22]，但不同陸面斑塊界面之間氮、磷遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制研究較薄弱。

5 農(nóng)業(yè)面源污染物的防控機(jī)制

農(nóng)業(yè)面源污染作為流域內(nèi)影響水質(zhì)的主要過程之一，其污染控制應(yīng)從整個(gè)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)或流域出發(fā)，從根本上達(dá)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(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、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(xué)物質(zhì)釋放的膜控制釋放技術(shù)（membranes controlledrelease，簡(jiǎn)稱MCR）以及在環(huán)境約束下根據(jù)氣象、市場(chǎng)、作物生長(zhǎng)和農(nóng)業(yè)非點(diǎn)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(duì)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(shù)等。國(guó)內(nèi)學(xué)者構(gòu)建了包括控制類型、控制環(huán)節(jié)、控制手段3個(gè)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(diào)整土地利用方式、提高化學(xué)品的利用率、改變灌溉方式來實(shí)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(diǎn)，完善管道設(shè)施、實(shí)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(shí)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(kù)等技術(shù)減少面源污染的賦存量。在控制手段層面，從行政、經(jīng)濟(jì)、法律、教育、規(guī)劃、技術(shù)等方面進(jìn)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(xué)、生物等多學(xué)科的理論和方法，農(nóng)業(yè)面源污染的治理是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，在歸納當(dāng)前研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上總結(jié)近期和未來的研究重點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)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(fù)雜性，各污染源的貢獻(xiàn)率至今仍然不是很清晰。同位素技術(shù)的應(yīng)用給其研究提供了實(shí)用的試驗(yàn)手段和精確的科學(xué)數(shù)據(jù)，已成為該領(lǐng)域的一項(xiàng)新技術(shù)而逐步得到應(yīng)用，近幾年的研究表明，以流域?yàn)閱卧?，把大氣—植被—土壤—地表水—地下水作為一個(gè)系統(tǒng)，以同位素作為示蹤手段，結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)和流域內(nèi)的水文地球化學(xué)等指標(biāo)來研究農(nóng)業(yè)面源污染，有望在辨識(shí)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(fù)荷和面源污染物遷移轉(zhuǎn)化機(jī)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(zhuǎn)化對(duì)控制其最終輸出負(fù)荷有非常重要的作用。隨著農(nóng)業(yè)面源污染防控技術(shù)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(zhuǎn)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(jī)制，降低進(jìn)入河流等地表水中的污染物含量，對(duì)面源污染物的去除有很大潛力，但同時(shí)也有很大的不確定性[26]。目前，雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)污染物在溝渠系統(tǒng)中遷移轉(zhuǎn)化的研究已經(jīng)取得一些初步進(jìn)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(chǔ)上，積極構(gòu)建農(nóng)業(yè)面源污染物在排水溝渠中的遷移轉(zhuǎn)化模型非常有必要，這將是今后研究的一個(gè)重要突破口[29]。

6.3 農(nóng)業(yè)面源污染對(duì)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(duì)河流、湖泊、水庫(kù)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(guān)。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)這方面的研究較少，特別是對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中硝酸鹽淋失動(dòng)態(tài)及其對(duì)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(duì)地下水的影響預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)也是未來的研究熱點(diǎn)之一。

6.4 構(gòu)建流域容量總量控制體系

根據(jù)水質(zhì)目標(biāo)和環(huán)境容量，建立面向水質(zhì)目標(biāo)的整個(gè)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(jī)制。從地理系統(tǒng)角度來看，按湖泊（河流）—一級(jí)支流—二級(jí)支流—小流域（三級(jí)支流—四級(jí)支流）逐級(jí)順推的路徑，將治理目標(biāo)進(jìn)行分解；按逐級(jí)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(cè)和預(yù)警體系

充分發(fā)揮時(shí)效性和宏觀性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)的“3S”技術(shù)，結(jié)合農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷評(píng)價(jià)模型和面源污染防治標(biāo)準(zhǔn)，在不同類型區(qū)建立農(nóng)業(yè)面源污染的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并在國(guó)家級(jí)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)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(yù)警體系，及時(shí)發(fā)布污染風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，為決策者進(jìn)行判斷和宏觀管理提供支撐。

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