楊林章 吳永紅

1 江蘇省農業(yè)科學院農業(yè)資源與環(huán)境研究所 南京 210014

2 中國科學院南京土壤研究所 土壤與農業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室 南京 210008

地表水體（如河流、湖泊和海洋）的污染來源分為兩種：點源和面源污染。點源污染由于其排放時間、地點和成分基本已知，易被監(jiān)測到[1]。隨著公眾意識和監(jiān)管力度的提高，點源污染正逐步得到全面控制，面源污染正成為地表水體污染的重要污染源，是當前全球面臨的主要環(huán)境問題之一[2]。過量氮（N）、磷（P）等面源污染物進入地表水體，正是造成我國諸多湖泊、水庫和海灣富營養(yǎng)化和有害藻類“水華”爆發(fā)的重要原因之一，嚴重威脅我國水環(huán)境安全[3,4]。

面源污染按照來源的不同，可細化為農業(yè)面源污染和城市面源污染。隨著城市污水收集管道和雨污分流工程的建設，城市面源污染正逐步得到解決[5]。相對城市地區(qū)，農業(yè)面源污染不但多年來一直是我國“三河三湖”污染的主要污染源，也漸成為農村地表水體污染的主要貢獻者，嚴重威脅全國人民的飲水安全[6]。據(jù) 2010 年《第一次全國污染源普查公報》結果顯示，農業(yè)污染源是造成我國水環(huán)境污染的“大戶”，其化學需氧量（COD）、總氮（TN）和總磷（TP）排放分別占地表水體污染總負荷的 43.7%、57.2% 和 67.4%（圖 1）。可見，農業(yè)面源污染已經成為當前地表水體污染的主要來源。全球每年用于糧食生產的 1.2 億噸氮中，只有 10% 被人類直接消費[7]，大部分未使用的氮則被分散到廣泛的環(huán)境中，最終匯入地表水體，成為主要的面源污染源。農業(yè)則是導致過量養(yǎng)分排放到水體中的最主要驅動因素[8]。研究表明，太湖約 58% 和 40% 比例的總氮和總磷來自于農業(yè)產生的面源污染[9]。

圖 1 農業(yè)源排放的污染物（COD、TN和TP）負荷與地表水體污染總負荷的對比

為了消除農業(yè)污染問題，我國政府明確提出，2020年中國將形成“環(huán)境友好型、資源節(jié)約型”的兩型農業(yè)。因此，迫切需要開展農業(yè)面源污染源防控工作。本文分析了我國農業(yè)面源污染產生的原因和特征，歸納了當前主流的農業(yè)面源污染控制措施和策略，并針對當前農業(yè)面源污染控制還存在的問題提出了研究展望。

1 農業(yè)面源污染特征及其形成原因

1.1 農業(yè)面源污染的特征

農業(yè)面源污染通常產生在廣闊的領域，無法追蹤其具體的來源，產生時間和污染物的濃度[1,10]。排放時間、頻率和組成的不確定，被稱為農業(yè)面源污染的“三大不確定性”特征[1,10]，這極大地增加了面源污染防控的難度。

（1）來源的廣泛性和復雜性。農業(yè)面源污染的來源廣泛，包括化肥、農藥流失和滲漏、農村地表徑流、未處理的生活污水的排放以及暴雨導致的初期生活污水的漫流、畜禽養(yǎng)殖以及漁場養(yǎng)殖廢水的排放和水土流失等都是農業(yè)面源污染的來源[11,12]。

（2）排放過程中的不確定性和不可計量。農業(yè)面源污染的排放過程具有明顯的不確定性，并且不能量化。化肥和農藥的使用量具有明顯的個體差異性，污水的排放量的多少也是隨機發(fā)生。此外，由于降水的不確定性，導致農業(yè)面源污染在時間和空間上的不確定性和隨機性[13]。

（3）污染水體規(guī)模大且治理難度大。由于農業(yè)面源污染來源和排放過程中的不確定性，大量的污染源通過地表徑流或者地下徑流進入江河湖泊，進而形成規(guī)模大且濃度低（TN 濃度<10 mg L-1，TP 濃度<2 mg L-1）的江河湖泊污染，這種規(guī)模大而且濃度低的特征導致了農業(yè)面源污染治理的難度更大[14]。

綜上所述，農業(yè)面源污染物的形成與發(fā)展涉及污染物的運輸與轉化[10,15]。在集約化農田，土壤和水中的養(yǎng)分濃度比地表水高很多，這種濃度梯度加速了養(yǎng)分從土壤向地表水擴散、輸送，導致農業(yè)面源污染負荷向就近地表水體遷移[9]。

1.2 農業(yè)面源污染形成的原因與特征

隨著社會和經濟的不斷發(fā)展，農村的產業(yè)結構和生活方式也不斷發(fā)生變化[16,17]。因此，包括農業(yè)生產和農村居民來源在內的面源污染源排放量不斷增加，地表水受到嚴重污染[18]。農業(yè)面源污染的形成和產生高度依賴于氣象條件，例如降雨，并且通常是間歇性的而不是連續(xù)性的降雨[19,20]。一般來說，在發(fā)展中國家，包括農田、畜禽、水產養(yǎng)殖、農村徑流和分散式生活污水在內的農業(yè)源是造成面源污染的主要原因[1,21]。此外，在山區(qū)，不適當?shù)耐恋乩煤碗S之而來的水土流失也會造成農業(yè)面源污染[22,23]。

（1）農藥化肥的流失。在 20 世紀 50 年代綠色革命爆發(fā)之后，無機肥料、有機肥料和農藥的投入迅速增加，成為全球和中國獲得作物的高產量和間接提高畜牧生產的主要手段[24]。隨之而來的結果是，農業(yè)面源污染物排放強度和頻率也相應的大幅增加[15,16]。中國是世界上最大的合成氮肥用戶，然而，這種以農業(yè)化學為基礎的集約化農業(yè)是農業(yè)面源污染的主要貢獻者，也是重要的溫室氣體甲烷（CH4）和一氧化二氮（N2O）貢獻者。N2O 通過大氣沉降或隨降雨，以氣體的面源污染形式進入地表水體[17]。中國農業(yè)部的一項調查顯示，稻田的氮素利用率為 30%—35%，而磷利用率則僅為10%—20%[25]。全球范圍內，養(yǎng)分利用效率普遍低下，導致農田徑流中 TN、TP排放量普遍增加。農田中這些養(yǎng)分的釋放已成為農業(yè)面源污染的主要來源[10]。

（2）畜禽和水產養(yǎng)殖。畜禽和水產養(yǎng)殖過程中的殘餌以及產生的排泄物等，也是農業(yè)面源污染物的主要類型。畜禽糞便流失已經成為污染大戶，我國的規(guī)模養(yǎng)殖中有 2/3 仍缺乏防污設施，每年產生的約 38 億噸畜禽糞便，其處理率不到 50%，其中總量的1/4 進入水體[26]。有關報道表明，在湖泊中的殘餌污染占投餌量的 10%—40%，COD 排放達到了約 500 萬噸，接近生活污水 COD 排放量[27]。集約化畜禽養(yǎng)殖場產生的廢棄物實質與農戶散養(yǎng)的畜禽生產的糞便一樣是一種資源，但目前我國還沒有很好地加以利用，以致“資源”變成了農業(yè)污染的“罪魁禍首”。

（3）土地利用不當。在山區(qū)，不合理的土地利用導致的土壤侵蝕是造成農業(yè)面源污染的另一個主要原因，因為營養(yǎng)物質可隨流失的土壤遷移進入下游水體[28]。傳統(tǒng)的順坡耕種、陡坡耕作、復種等種植效率高，更易加劇土壤侵蝕。而土壤侵蝕是規(guī)模最大、危害程度最嚴重的一種農業(yè)面源污染，它在損失土壤表層有機質層的同時，許多營養(yǎng)及其他污染物進入水體形成嚴重的農業(yè)面源污染[29]。吳永紅等[10]指出，滇池流域內 7.7% 的氮污染負荷源自于山地水土流失，29.7% 的磷污染負荷也由水土流失造成，水土流失是滇池農業(yè)面源污染的主要形式之一。三峽庫區(qū)是典型的山地土地類型，也是我國典型的水土流失重災區(qū)，降雨量集中期（每年 4—10月），三峽片區(qū)各子流域的農業(yè)面源污染負荷強度表現(xiàn)出很強的空間差異性，且農業(yè)面源污染負荷的時空分布與年降水量和人類活動呈現(xiàn)明顯的正相關[30]。

（4）農村徑流和分散式生活污水的排放。受傳統(tǒng)生活習慣影響，我國農村生活以一家一戶一院的形式為主。農村污水包括農村生活污水（如糞尿水、洗衣水、廚房水等）和農村生產廢水（由散戶畜禽養(yǎng)殖、小作坊等排放）。農村生活污水和生產廢水未經處理的直接排放也是引發(fā)農業(yè)面源污染的主要原因。我國農村居住人口眾多，其中農村人口占全國人口的 50.32%[31]。由于缺乏管理和規(guī)劃，大部分農村地區(qū)沒有污水收集和處理系統(tǒng)，也沒有垃圾收集和處理系統(tǒng)，這種分散式的生活污水或垃圾滲濾液直接進入河流和農田生態(tài)系統(tǒng)中，勢必形成大規(guī)模和低濃度的面源污染負荷[32]。

2 農業(yè)面源污染的控制策略

目前，國內外開展了大量的有關農業(yè)面源污染防控的研究，開發(fā)了不少行之有效的技術，其中部分技術還建立了示范工程，如節(jié)水灌溉、保護性耕作和生態(tài)溝渠[3]。但是，這些更多是關注技術層面的防控，缺乏系統(tǒng)和全面的控制體系；更多的只是關注對農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)局部或某個要素的修補或完善，而缺乏對整個農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)功能的恢復與優(yōu)化。事實上，農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的各種物質循環(huán)，如水分和養(yǎng)分，以及各個生態(tài)要素之間是相互作用的。因此，要維持和提高農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內在消納農業(yè)面源污染的能力，需要從生態(tài)系統(tǒng)的全局出發(fā)，構建一個生態(tài)系統(tǒng)要素與物質交換、能流與物流聯(lián)動、信息流互換的綜合防控策略。

基于此，筆者根據(jù)面源污染的形成和發(fā)展過程于2011年提出了農業(yè)面源污染控制工程的“減源（Reduce）—攔截（Retain）—修復（Restoration）”（3R）策略與實踐方案，即在農業(yè)面源污染控制工程建設過程中，以實現(xiàn)農業(yè)環(huán)境保護、農業(yè)經濟可持續(xù)發(fā)展與農村人居環(huán)境和諧發(fā)展為目標，從污染物產生的源頭開展污染物的減量化工程（減源），在污染物遷移過程中開展污染物的攔截與阻斷工程（攔截），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(yè)生態(tài)系統(tǒng)進行環(huán)保修復（修復），實現(xiàn)農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)自我修復功能的提高和系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)轉換[9,10]。

基于循環(huán)經濟理論與全球資源戰(zhàn)略的要求，筆者對 3R 策略。進行了發(fā)展和升華，形成了另外一種更高級的農業(yè)面源污染控制工程指導模式——“源頭減量（Reduce）—過程阻斷（Retain）—養(yǎng)分再利用（Reuse）—生態(tài)修復（Restore）”（4R）策略，形成了包括源頭減量、過程阻斷、養(yǎng)分再利用和生態(tài)修復防控面源污染的綜合性策略（圖 2）[9]。 基于 4R 策略布局的技術分布在各節(jié)點上，使節(jié)點技術在流程上銜接、時空上覆蓋，形成區(qū)域集成技術體系，其特點有全過程、全空間覆蓋，氮減排與資源利用結合，農業(yè)發(fā)展與環(huán)境保護雙贏[14]。4R 策略詳述如下：

（1）源頭減量。類似于點源污染控制，減少來源是農業(yè)面源污染控制的關鍵和最有效的策略[33]。由于養(yǎng)分利用效率低且肥料投入過量，直接導致了農田中氮和磷的過度排放[14,17]。因此，降低源頭的策略主要包括優(yōu)化養(yǎng)分和水分管理過程，減少肥料的投入，提高養(yǎng)分利用效率，以及實施節(jié)水灌溉和徑流控制[15,34]。

（2）過程阻斷。過程控制技術包括生態(tài)溝渠、緩沖帶、生態(tài)池塘和人工濕地[35]。一般來說，生態(tài)溝渠是農業(yè)領域最有效的營養(yǎng)保留技術之一。在生態(tài)溝渠中，排水中的氮、磷等營養(yǎng)物質可以通過溝渠中的生物進行有效的攔截、吸附、同化和反硝化等多種方式去除，并已在我國太湖地區(qū)得到廣泛應用[35,36]。此外，采用保護性耕作、免耕和生態(tài)隔離帶等措施也是攔截農業(yè)面源污染的重要措施[34]。

（3）養(yǎng)分再利用。養(yǎng)分再利用將面源污水中的氮、磷等營養(yǎng)物再度進入農作物生產系統(tǒng)，為農作物提供營養(yǎng)，達到循環(huán)再利用的目的。對于畜禽糞便和農作物秸稈中的氮、磷養(yǎng)分，可通過直接還田，或養(yǎng)殖廢水和沼液在經過預處理后進行還田[37,38]。對于農村生活污水、農田排水及富營養(yǎng)化河水中的氮、磷養(yǎng)分，可通過稻田濕地系統(tǒng)對其消納凈化和回用。研究結果表明，在水稻拔節(jié)期和灌漿期，稻田人工濕地對低污染水中氮、磷的凈化效率分別達到了 75%—81%、82%—96%[9]。

（4）水生生態(tài)系統(tǒng)修復。這里的水生生態(tài)系統(tǒng)指的是農業(yè)區(qū)內的污水路徑，如運河、溝渠、池塘和溪流，而不是最終的目的地水域，如湖泊和水庫。盡管在運輸過程中采取了有效措施減少化肥投入和控制污染物輸出，但仍有大量的有機質和氮、磷等污染物將不可避免地被釋放出來[14]。因此，需要對這些面源污水的輸移路徑進行水生生態(tài)修復，以提高其自凈能力。迄今為止，已經開發(fā)并廣泛應用了生態(tài)浮床[39]、生態(tài)潛水壩[40]、河岸濕地[41]和沉水植物[42]等多種修復技術。

圖 2 防控農業(yè)面源污染的4R策略框架

3 存在問題與展望

自 20 世紀 80 年代對農業(yè)面源污染問題開始關注至今的 30 多年間，我國通過多年的自主研發(fā)和借鑒國外的成功經驗，目前已經形成了面向農業(yè)面源污染控制，農村生活污水治理，農業(yè)廢棄物、畜禽糞便和生活垃圾處理，以及塘、浜和小河等小水體修復等一系列頗有成效的技術。這些技術及相應的工程建設在削減農業(yè)面源污染負荷和改善生態(tài)環(huán)境均起到了較好的效果。

但是，這些技術多針對污染物發(fā)生和遷移的某一個環(huán)節(jié)或者某一個子系統(tǒng)，所建立的污染控制工程相對孤立，盡管對污染物濃度的控制已取得了一定的成效，但由于污染總量大，處理后尾水中的污染負荷依然可觀，不僅造成污染物中氮、磷等養(yǎng)分資源的浪費，而且下游水體水質的改善效果甚微。與西方國家和日本以保護性耕作為主，復種指數(shù)低，面源污染防治多以犧牲農業(yè)生產產量或中小企業(yè)發(fā)展為代價來達到保護小區(qū)域環(huán)境的目的不同，我國人多地少，糧食安全問題突出，耕地集約化程度高，待改善水環(huán)境面積大且水系龐雜，這決定了我國農業(yè)面源污染防控不可能像西方和日本一樣，采用某一或幾項高效技術，利用大量閑置土地來進行濕地或隔離帶工程建設來實現(xiàn)污染物削減，也不可能在短期內實現(xiàn)高密度、高頻次污染物自動檢測；同樣，由于農業(yè)發(fā)展還沒達到一定的規(guī)?；?，農業(yè)生產也沒嚴格的技術規(guī)程或標準，也很難在短時間內完成相關環(huán)境立法。

因此，我國農業(yè)面源污染控制須走大區(qū)域聯(lián)控之路，即不僅要集成度高，而且從點到面、從線性到空間的全過程、全區(qū)域的覆蓋。“十五”至“十二五”期間，基于區(qū)域污染物聯(lián)控思路，我國已形成了“源頭減量（Reduce）—過程阻斷（Retain）—養(yǎng)分再利用（Reuse）—生態(tài)修復（Restore）”的 4R 策略[9]。迄今為止，針對上述各農業(yè)面源污染防控四個過程的技術研究頗多，技術儲備也相當豐厚，相應的工程運行也取得一定成效。

但針對不同區(qū)域農業(yè)面源污染特征，如何進一步深入發(fā)掘技術優(yōu)勢，合理布局合理布局基于 4R 策略的技術體系，最大化提高各個過程的技術集成度，實現(xiàn)防控工程的時空銜接、區(qū)域污染物負荷的顯著削減和區(qū)域水質的整體改善仍是農業(yè)面源污染控制亟待解決的難題之一。此外，如何加快實現(xiàn)農業(yè)面源防控技術設備化、產品化以及農業(yè)面源防控管理與長效運行維護機制建設，使農業(yè)面源防控工程真正地推廣應用到廣泛農業(yè)生產實踐也是亟待解決的重要問題。結合筆者多年從業(yè)經驗，認為以下 3 個方面的研究亟待加強。

3.1 深化基礎研究，破解污染形成機制

農業(yè)面源污染產生的實質，其實就是養(yǎng)分或污染物從“土相”向“水相”的運移，本質就是養(yǎng)分或污染物在土-水界面的遷移轉化行為[18]。因此，需要強化土-水界面間的污染物生物地球化學循環(huán)研究。然而，傳統(tǒng)土-水界面的生物地球化學循環(huán)研究，忽視了土壤表層（尤其是稻田土壤表層）上的微生物聚集體的存在，這種微生物聚集體水生生物學上被定義為周叢生物或自然生物膜，可通過同化、吸收、吸附、硝化、反硝化、水解和降解等過程影響氮、磷、有機物等的轉化和運移過程，進而影響農業(yè)面源污染形成、發(fā)生和發(fā)展[43]?？梢?，為精準了解養(yǎng)分或污染物在土-水界面的行為及其對農業(yè)面源污染產生和排放的影響，需要強化周叢生物參與下的土-水界面間的污染物生物地球化學循環(huán)研究。

雖然現(xiàn)有的農業(yè)面源污染負荷監(jiān)測、模擬或定量評估方法給科學研究和職能管理部門提供了一定的幫助，但是從現(xiàn)有方法或措施“勘測”出的污染負荷及其分布看，并不能有效幫助農業(yè)面源污染防控工程的建設，導致不少工程項目“事倍功半”或僅僅停留在示范工程的階段。這主要是因為無論現(xiàn)在的原位監(jiān)測、模型預測，還是在線監(jiān)測，都是基于“已知”排放點而開展的工作。換句話說，這些工作的基礎認為農業(yè)面源污染的產生和排放與點源污染的一致，這恰恰與農業(yè)面源污染的“三個不確定性”相矛盾，因此，建議今后在農業(yè)面源污染負荷監(jiān)測與評估方面研究，需要尋求新的研究方法，破解農業(yè)面源污染形成的機制。從農業(yè)面源污染的實質——養(yǎng)分或污染物在土-水界面間的遷移轉化過程出發(fā)，可能是一個值得探索的方向[44]。

3.2 強化生態(tài)系統(tǒng)服務功能，促進全過程防控

現(xiàn)有面源污染防控技術僅關注源頭減量或過程阻斷，缺少從“土相”“水相”和“生物相”等多層面揭示污染物的生物地球化學循環(huán)過程，也缺少從生態(tài)系統(tǒng)的層面上進行調控，忽略了生態(tài)系統(tǒng)自身的調控功能與機制，制約著農業(yè)面源污染防控措施的有效實施（圖 3）[18]。生態(tài)系統(tǒng)自身具有調控功能，農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)也不例外。在農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內部，可通過優(yōu)化土地利用格局來實現(xiàn)面源污水的回用，提高氮、磷等營養(yǎng)鹽的利用率，阻斷污染物的遷移過程，故應該充分利用農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)自身的調控功能來減少面源污染物的輸出與排放。

當然，優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)服務功能，并不是簡單地在控制區(qū)內機械地進行植被恢復，還可從以下 3 個方面入手：① 研究基于區(qū)域污染物總量削減的農業(yè)用地格局的空間優(yōu)化配置，各利用方式之間的空間銜接技術，有效阻斷污染物的空間隔離帶技術；② 研究合理的種植制度或輪作方式，優(yōu)化“種植—養(yǎng)殖—加工”鏈中養(yǎng)分的循環(huán)模式與再利用技術；③探索集約化農田的排水方式，建立能逐級削減污染物的溝-渠-塘結構與工藝，延長污染物在溝-渠-塘中的停留時間，提高降解能力，實現(xiàn)農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)轉化和自凈能力提升，促進污染物的區(qū)域聯(lián)控。

圖 3 農業(yè)面源污染防控：從控制到生態(tài)系統(tǒng)服務集成

3.3 加強技術的物化研究，推動技術應用

當前農業(yè)面源污染防控主要由政府管理部門承擔，包括項目立項、執(zhí)行以及驗收等過程，都是政府部門的主要職責。有利之處在于，經費有保障，便于協(xié)調各方面的關系，但是也限制了市場作用的發(fā)揮，使得農業(yè)面源污染防控仍局限在政府指定的區(qū)域內。隨著 2017 年中共中央辦公廳、國務院辦公廳《關于引導農村土地經營權有序流轉發(fā)展農業(yè)適度規(guī)模經營的意見》頒發(fā)，農村將有大片的土地進行集中式管理，農業(yè)面源污染防控將是各個承包業(yè)主的責任，政府管理部門將僅僅扮演“考核者”的角色。這也意味著，農業(yè)面源污染技術需要轉化為物化產品，通過市場化的運作，推動治理技術的推廣應用。此外，新型環(huán)境材料的研發(fā)，污染物控制產品與設備研發(fā)，廢棄物資源化產品與設備研發(fā)，以及農業(yè)面源污染遠程管理終端等也是未來亟須解決的問題。

4 結語

可以預見，農業(yè)面源污染即將成為我國地表水體污染的重要來源，嚴重影響我國水生生態(tài)環(huán)境安全，威脅著我國的飲用水安全，最終威脅我國農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和糧食安全，給我國社會、經濟發(fā)展帶來諸多不利影響。因此，迫切需要轉變思路，在現(xiàn)有防控策略的基礎上，進一步深化基礎研究，探索新的防控方向，進一步強化污染防控的技術集成與區(qū)域聯(lián)控，提升生態(tài)服務功能，進一步加強技術的設備化和裝備化，打好面源污染治理的攻堅戰(zhàn)，為我國農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的改善提供技術支持。

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