有效削減農業面源氮污染負荷是提升水環境質量的關鍵，也是當前關注的熱點之一。
氮排到水體是污染源，但其本身是農作物生長必需的營養元素。為此，提出了基于養分回用-替代化肥的農業面源污染氮負荷削減策略，利用農業生產系統對農業面源污染排放的氮進行消納和回用，減少農田化肥氮投入并有效削減排入到水環境中的氮，達到農業生產與環境保護的雙贏。
本文重點介紹了面源污水中氮的農田直接回用、水生植物回收-有機肥還田替代、環境材料吸附凈化-回收還田等幾種技術途徑及其應用，并指出了目前存在的不足及以后發展的方向。
前言:農業面源污染是指在農業生產和生活活動中，溶解的或固體的污染物，如氮、磷、農藥及其他有機或無機污染物質，從非特定的地域，通過地表徑流、農田排水和地下滲漏進入水體引起水質污染的過程。由于農業生產活動的廣泛性和普遍性，加上農業面源污染涉及范圍廣、隨機性大、隱蔽性強、不易溯源、難以監管、治理難度大，農業面源污染已成為影響農村生態環境質量的重要污染源，成為現代農業和社會可持續發展的瓶頸。
2015 年中央1 號文件特別強調，要加強農業面源污染治理。農業面源排放的污染物中，氮是最主要且最難以防治的污染物，是目前水污染控制的重點和難點。研究表明，太湖流域農業面源污染排放的氮所占比重約為58%，是農村河道富營養化和水環境質量惡化的罪魁禍首之一。據監測，太湖農村河道總氮濃度普遍在4~6 mg·L-1 之間，離2020 年全面消除劣Ⅴ類的目標還相差甚遠。國家及各個地方政府均出臺了水十條，明確提出了水體水質達標要求和氮減排目標。《江蘇省十三五太湖流域水環境綜合治理行動方案》明確指明，太湖流域污染物控制指標包括COD、氨氮、總磷和總氮，水體水質控制指標為高錳酸鹽指數、氨氮、總磷和總氮，并提出了水體總氮和氨氮的具體指標（穩定達到Ⅴ類）以及流域總氮污染物排放量比2015 年削減16%以上的總量指標。可見控制農業面源氮污染負荷是提升流域水環境質量的關鍵，是當前亟需解決的難題之一。
1、農業面源污染氮的主要來源及其負荷
農業面源污染氮主要來源于農田種植業（包括未被利用的秸稈、通過地表徑流或主動排水排放到水體的農田尾水）、農村生活污水（未處理的分散農村生活污水以及生活污水處理廠排放的尾水）、畜禽養殖（小型分散畜禽養殖產生的畜禽糞便及廢水、沼氣工程產生的沼液等）以及池塘水產養殖（清塘排放的尾水）。
根據國家環境保護部2010 年發布的“全國第一次污染源普查公報”數據，全國畜禽養殖業糞便年產量為2.43 億 t，每年向水體排放總氮102.5 萬 t；水產養殖業每年向水體排放總氮8.21 萬 t；農田尾水即種植業通過徑流向水體排放的總氮為32.01 萬 t。據住建部門調查，2010 年，全國村鎮污水總產生量達136.2 億 t，占全國生活污水排放總量的22.9%，排放總氮約80萬 t；而我國生活污水進行處理的行政村只占6%，農村生活污水的處理率不足10%，太湖流域上海、浙江、江蘇等省市行政村污水處理率較高的地區也僅達到48.6%、31.9%和19.6%（2015 年第五屆中國農村和小城鎮水環境治理論壇），大部分生活污水未經處理直接排放。這些農業面源污染氮排放直接加劇了水環境的惡化，以太湖流域為例，農村生活污水直接排放的氮對太湖污染的貢獻率可達35%~40%，畜禽養殖廢水可達12%。江蘇省太湖流域國考斷面污染來源分析表明，除了上游來水污染外，生活污水處理廠尾水排放和由支流匯入的農業面源污染是影響考核斷面水質達標的主要因素。
2、基于養分回用-替代化肥的農業面源污染氮負荷削減策略
氮排放到周圍水體中是污染源，但其對于農業生產系統來說是一種必需的大量營養元素。因此，若能利用農業生產對農業面源污染排放的氮進行消納和回用，不僅能減少農田化肥氮的投入，提高農田生產力，又能有效削減排入到水環境中的氮，減少環境治理成本，達到農業生產與環境保護的雙贏。
根據國家環保部最新的《畜禽養殖業污染物排放標準（二次征求意見稿）》以及現行的《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002），產生的養殖廢水和農村生活污水即使全部經過處理達標排放，生活污水尾水中總氮依然高達15~20 mg·L-1，養殖尾水總氮濃度也高達40~70 mg·L-1、氨氮濃度高達25~40 mg·L-1，遠高于我國《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）對總氮的要求。如果直接排入水體，相當于每年至少排入水體總氮71.6 萬 t，是巨大的污染源。如果這些氮資源全部農田回用，相當于155 萬 t 尿素，可節約氮肥投入約31 億元，并減少巨額的環境治理費用，經濟、環境和社會效益顯著。
為此，本文提出了基于養分回用-替代化肥的農業面源污染氮負荷削減策略，即通過尾水的直接回用，或經過“植物吸收-有機肥生產-農田回用”途徑，把排放的氮磷回用到農田生態系統，減少排入到水環境中的面源氮，從而有效提升水環境質量。該策略也可理解為環境中氮磷資源的交換利用或交易行為（氮交易），把要處理的各種污水中的氮磷資源回收利用，既減少污水處理（提標改造）的成本，也可減少農田化肥的投入，有效削減整個區域的氮磷排放負荷，實現區域水體水質達標以及氮減排的目標。
3、基于養分回用-替代化肥的農業面源污染氮負荷削減技術
農業面源氮污染物從形態上可以分為固態和液態，其中固態主要包括秸稈、畜禽糞便等，液態主要包括生活污水及其尾水、畜禽和水產養殖廢水、沼氣工程產生的沼液以及農田尾水等。秸稈和畜禽糞便等固態污染物可以直接回田，或者通過堆肥等技術手段轉換成有機肥后回用到農田，相關技術比較成熟而且研究較多。
面源污水由于量大面廣而相對比較難以治理，為此，下文重點介紹面源污水中氮的農田回用-化肥替代的技術途徑及其研究進展。
3.1 面源污水農田灌溉回用技術
農業面源污水如農田尾水、生活污水、工程尾水等，其除了氮磷養分略高于農田灌溉水水質標準外，其余指標均滿足農田灌溉水質標準。因此，可以通過農田灌溉直接對這部分污水中的氮進行回用，不僅能避免直接排放對水體的污染，還能減少農田化肥氮投入，而且污水中富含的其他養分如磷、有機物等也能促進養分的吸收轉化，從而提高土壤肥力，保證作物產量。對于干旱地區，還能有效節約水資源。污水農田灌溉歷史悠久，且被廣泛應用于世界各地，所涉及的農作物有水稻、玉米、棉花、甜菜、溫室作物及蔬菜等。
稻田作為一種特殊的人工濕地，生育期內蓄水層的存在使其不僅能夠大量消納凈化周圍的河道水體，還能消納利用生活污水尾水、養殖廢水、沼液中的氮、磷達到減少化肥投入的作用。研究表明，正常灌溉下，太湖流域每公頃稻田一季可消納面源污水5000 t 左右，可利用污水中的氮100~130 kg，減少化肥投入40%~50%左右，并保證水稻高產和環境安全。通過在稻田內部設計溝渠將其改造成溝灌滲濾型稻田濕地，連續進水并保證水力停留時間在5~7 d，就能保證出水總氮濃度穩定在2 mg·L-1 以下，達到地表水（湖庫）Ⅴ類水標準，而且對外源污水的消納處理能力大幅加強，水稻旺盛生長期的日處理水量可達160~200 m3·hm-2 。而稻田在我國廣泛分布，太湖流域耕地中近80%均為稻田，因此利用稻田來消納凈化面源污水的潛力巨大。由于面源污水量大，而農田灌溉水需求有限而且具有階段性，并且對水質有一定的要求，因此要削減面源污水中的氮，仍需尋求其他的技術途徑。
3.2 面源污水的水生植物回收-有機肥還田替代技術
對于那些不能直接農田回用的面源污水，可因地制宜建設一些水生植物凈化塘，利用水生植物的養分高效吸收功能，對面源污水中的氮磷等養分進行吸收富集，這些水生植物收割處理后可加工成有機肥回用到農田，從而使得面源污水中的氮磷養分得到資源化再利用。
目前利用水生植物凈化污水的技術已比較成熟并逐步走向工程化應用。研究表明去除氮效果較好且在實踐中應用較多的水生植物包括鳳眼蓮、狐尾藻、銅錢草、蘆葦、再力花、美人蕉、燈芯草、睡蓮、菖蒲、金魚藻、馬來眼子菜、菹草、菱、蕹菜、慈姑、茭白等。污水中氮的去除除了水生植物的直接吸收外，微生物的硝化反硝化起主要作用。為了保證對面源污水的凈化效果，確保出水水質，可以合理搭配沉水植物、挺水植物以及漂浮植物，形成不同的水生植物系統；水生植物凈化塘可采用多級串聯形式，采用不同的水生植物塘組合；且必須保證一定的面積規模，面積規模大小與采用的水生植物種類和污水中氮磷濃度有關。如利用鳳眼蓮凈化生活污水工程尾水，尾水生產能力（t 或m3）與凈化塘水面面積（m2）為1∶3 至1∶5 之間為宜，且鳳眼蓮種苗最佳初始投放量為0.5~1.0 kg·m-2 ；用綠狐尾藻凈化養豬場廢水，每頭豬需配置2~3 m2 生態塘；用水生植物凈化塘或濕地來凈化農田尾水時，塘的配置比例以1%~3%為宜。江蘇省農業科學院采用鳳眼蓮對南京市高淳東壩污水處理廠的尾水進行凈化，尾水經過三級串聯凈化塘凈化后，平均總氮和氨氮濃度分別由進水的（9.86±3.51）mg·L-1 和（0.49±0.09）mg·L-1 降低至出水的（2.51±1.52）mg·L-1和（0.20±0.08）mg·L-1，其中7 月和8 月出水總氮濃度平均為（1.47±0.27）mg·L-1，可以達到《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）Ⅳ 類水標準。中國科學院亞熱帶農業生態研究所利用綠狐尾藻構建生態濕地消納養殖廢水中的氮磷，對養殖廢水中氨氮的去除率可達90%以上。
水生植物的后端資源化利用方面，江蘇省農業科學院研發了一套專門用于水生植物采收、脫水和粉碎的小型化移動式裝備，可實現水生植物的快速采收并堆制有機肥，制定了水葫蘆高溫堆肥技術操作規程（DB 32/T 1872-2011），生產的有機肥能達到國家相關標準。水生植物還可作為綠肥直接還田，有些水生植物如綠狐尾藻因含有較高的蛋白質、粗纖維含量等，還可加工成優質飼料用于養殖業，從而實現資源化利用。
3.3 面源污水中氮的環境材料吸附凈化-回收還田技術
利用對銨離子具有強選擇性吸附的環境材料去除面源污水中的氨氮，是一種快速、高效、操作簡便、沒有二次污染、可回收且低成本的方法。目前應用較多的吸附劑有黏土類（沸石、硅藻土、高嶺土、凹凸棒土、膨潤土等）、廢渣類（粉煤灰、煤矸石、花生殼、甘蔗渣）、炭類（活性炭、生物炭）等類型。其中利用農業廢棄物如稻麥秸稈、花生殼、甘蔗渣等制成的吸附劑用于污水中氨氮的凈化已取得了良好進展，且成本低、環境友好；吸附氨氮后還可作為土壤添加劑施入農田，從而改善土壤結構，增加土壤肥力，提高養分利用效率，實現面源污水中氮從水體向農田的安全有效轉移。
利用農業廢棄物燒制而成的生物炭具有較大的比表面積，其表面含有較多的羧基、羰基、酚羥基、內酯基等含氧官能團，對氨氮等陽離子的吸附能力較強，已成為當前低污染水凈化的研究熱點。研究發現，桉樹廢木屑制備的生物炭對氨氮的最大吸附量為1.24 mg·g-1，稻殼生物炭對氨氮的平均吸附量為1.78 mg·g-1 。為進一步提高生物炭的吸附能力，需要對其進行改性。研究表明改性后的生物炭對氨氮的吸附去除能力大幅加強，如硝酸改性后的竹炭對氨氮的去除率由20.1%提高到了82.2%；KMnO4 改性后的玉米芯生物炭是改性前的5.64 倍，用鐵、鎂金屬離子改性的生物炭分別是改性前的1.6 倍和3.2 倍，鐵鎂聯合改性對氨氮的吸附提高了3.5 倍。
此外，利用微生物改性生物炭也能提高其對廢水的處理效果，固定了硝化與反硝化微生物的生物炭對氨氮的去除率達到了70%以上，固定了光合細菌的生物炭對水中的COD、氨氮和磷酸根都有明顯的去除效果。
生物炭施入土壤后，能夠提高土壤對氨氮和硝氮的固持作用，從而提高氮肥利用率。此外，研究發現生物炭吸附的氮可以再次釋放，而且是植物可吸收利用的有效態。但目前將吸附氨氮的生物炭材料用于還田的研究還鮮有報道。江蘇省農業科學院以生物炭及鎂改性生物炭為材料，吸附氮素后施用于稻田，小區試驗結果表明，施加吸附氮后的生物炭處理的氮素損失比對照處理降低了10%左右（數據尚未發表），說明利用生物炭作為載體吸附凈化面源污水中的氮素并歸還于土壤是可行的，但對作物增產及土壤培肥的效果等還有待于進一步驗證。
4、存在的不足及未來展望
4.1 技術工藝與參數完善
目前針對農業面源氮污染負荷的削減技術很多，“十一五”和“十二五”水專項研發的農業面源污染控制技術就有88 項，但技術成熟度總體不夠，技術就緒度整體在4~7 之間，大多處于工藝裝備研究和試驗工程研究階段即技術示范階段，離規模化運行還有一段距離。尤其是面源污水中氮削減的相關技術，技術工藝體系不完善，技術應用參數不明確，缺乏相應的技術規范或標準，這就使得技術在實際應用時難以應對農業面源污水的復雜多變性，不僅限制了推廣應用范圍及規模，還影響了污染控制的效果。
因此未來應著重加強相關技術參數的研究，建立技術參數數據庫，并注重技術規范和標準的制定，從而使技術在應用時有據可依、有章可循。
4.2 經濟環境綜合效益及風險評估
目前對技術應用的效果、污染物的去除機制等研究相對較多，也涉及到了成本效益分析，但往往局限于狹隘的經濟效益分析，很少考慮污染減排帶來的環境效益。由于污染減排將導致環境污染損失的減少，因此，可將降低的“環境污染損失”等同“污染減排效益”，或者直接采用污染治理成本法來估算。
此外，農業生態系統是一個復雜的系統，面源污水中的氮通過不同途徑以不同載體形式回用到農田后帶來的影響是多方面的，加上其可能同時帶入其他物質，因此，需要綜合全面評估其對農作物產量及品質、土壤肥力變化、氮磷養分損失的各個途徑包括徑流、滲漏、氨揮發及溫室氣體排放等的影響，并加強風險評估，從而確定適宜的農田回用方式和用量，避免可能帶來的負面影響如尾水和沼液等農田直接回用可能帶來的土壤重金屬積累風險、抗生素等帶來的食品安全風險等，確保農業健康可持續發展。
4.3 相關政策扶持
隨著工業點源治理力度的加大以及畜禽養殖業的關停并轉，當前水體中總氮居高不下的重要原因是生活污水排放的氮。利用農業系統建設植物凈化濕地塘以及農田回用等措施對生活污水中氮磷進行資源化利用，可實現污水處理和農業生產的雙贏。如果能將排污權交易引入農業面源污染控制，就可以通過污水處理廠（工業）與農業之間的交易來減少污水的治理成本，實現社會收益最大化。
根據“誰受益、誰補償”的原則，可將污水處理的提標改造資金補償給農業建設植物凈化回收濕地塘，并通過試點工程逐漸提出相應的補償機制及補償標準，制定相應的建設規范，加快氮磷養分回用技術的應用與相關工程的推廣實施。
作者單位：1、江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所，2、農業部長江下游平原農業環境重點實驗室
中國鄉村發現網轉自：《農業環境科學學報》2017 年第 7 期
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