導讀：農業面源污染正成為我國地表水體的主要污染負荷來源，威脅水生態健康和水環境安全。文章分析了農業面源污染的特征及其主要的形成原因，總結了當前主流的防控技術與策略，重點闡述了從全局防控農業面源污染的“源頭減量（Reduce）—過程阻斷（Retain）—養分再利用（Reuse）—生態修復（Restore） ”策略（簡稱“4R策略”）。深入剖析了當前農業面源污染防控存在的問題，并從深化基礎研究、強化生態系統服務功能與促進區域聯控，以及農業面源污染防控技術的物化方面進行了展望。
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，易被監測到。隨著公眾意識和監管力度的提高，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境問題之一。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、水庫和海灣富營養化和有害藻類“水華”爆發的重要原因之一，嚴重威脅我國水環境安全。
面源污染按照來源的不同，可細化為農業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。相對城市地區，農業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。據2010年《第一次全國污染源普查公報》結果顯示，農業污染源是造成我國水環境污染的“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，大部分未使用的氮則被分散到廣泛的環境中，最終匯入地表水體，成為主要的面源污染源。農業則是導致過量養分排放到水體中的最主要驅動因素。研究表明，太湖約 58%和40% 比例的總氮和總磷來自于農業產生的面源污染。
為了消除農業污染問題，我國政府明確提出，2020年中國將形成“環境友好型、資源節約型”的兩型農業。因此，迫切需要開展農業面源污染源防控工作。本文分析了我國農業面源污染產生的原因和特征，歸納了當前主流的農業面源污染控制措施和策略，并針對當前農業面源污染控制還存在的問題提出了研究展望。
1、農業面源污染特征及其形成原因
1.1 農業面源污染的特征
農業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。排放時間、頻率和組成的不確定，被稱為農業面源污染的“三大不確定性”特征，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、畜禽養殖以及漁場養殖廢水的排放和水土流失等都是農業面源污染的來源。
（2）排放過程中的不確定性和不可計量。農業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生。此外，由于降水的不確定性，導致農業面源污染在時間和空間上的不確定性和隨機性。
（3）污染水體規模大且治理難度大。由于農業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，進而形成規模大且濃度低（TN濃度<10 mgL-1，TP濃度<2mgL-1）的江河湖泊污染，這種規模大而且濃度低的特征導致了農業面源污染治理的難度更大。
綜上所述，農業面源污染物的形成與發展涉及污染物的運輸與轉化。在集約化農田，土壤和水中的養分濃度比地表水高很多，這種濃度梯度加速了養分從土壤向地表水擴散、輸送，導致農業面源污染負荷向就近地表水體遷移。
1.2 農業面源污染形成的原因與特征
隨著社會和經濟的不斷發展，農村的產業結構和生活方式也不斷發生變化。因此，包括農業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。農業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性的降雨。一般來說，在發展中國家，包括農田、畜禽、水產養殖、農村徑流和分散式生活污水在內的農業源是造成面源污染的主要原因。此外，在山區，不適當的土地利用和隨之而來的水土流失也會造成農業面源污染。
（1）農藥化肥的流失。在20世紀50年代綠色革命爆發之后，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。隨之而來的結果是，農業面源污染物排放強度和頻率也相應的大幅增加。中國是世界上最大的合成氮肥用戶，然而，這種以農業化學為基礎的集約化農業是農業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。中國農業部的一項調查顯示，稻田的氮素利用率為30%—35%，而磷利用率則僅為10%—20%。全球范圍內，養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。農田中這些養分的釋放已成為農業面源污染的主要來源。
（2）畜禽和水產養殖。畜禽和水產養殖過程中的殘餌以及產生的排泄物等，也是農業面源污染物的主要類型。畜禽糞便流失已經成為污染大戶，我國的規模養殖中有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。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。集約化畜禽養殖場產生的廢棄物實質與農戶散養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”變成了農業污染的“罪魁禍首”。
（3）土地利用不當。在山區，不合理的土地利用導致的土壤侵蝕是造成農業面源污染的另一個主要原因，因為營養物質可隨流失的土壤遷移進入下游水體。傳統的順坡耕種、陡坡耕作、復種等種植效率高，更易加劇土壤侵蝕。而土壤侵蝕是規模最大、危害程度最嚴重的一種農業面源污染，它在損失土壤表層有機質層的同時，許多營養及其他污染物進入水體形成嚴重的農業面源污染。吳永紅等指出，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面源污染的主要形式之一。三峽庫區是典型的山地土地類型，也是我國典型的水土流失重災區，降雨量集中期（每年4—10月），三峽片區各子流域的農業面源污染負荷強度表現出很強的空間差異性，且農業面源污染負荷的時空分布與年降水量和人類活動呈現明顯的正相關。
（4）農村徑流和分散式生活污水的排放。受傳統生活習慣影響，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農業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%。由于缺乏管理和規劃，大部分農村地區沒有污水收集和處理系統，也沒有垃圾收集和處理系統，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系統中，勢必形成大規模和低濃度的面源污染負荷。
2、農業面源污染的控制策略
目前，國內外開展了大量的有關農業面源污染防控的研究，開發了不少行之有效的技術，其中部分技術還建立了示范工程，如節水灌溉、保護性耕作和生態溝渠。但是，這些更多是關注技術層面的防控，缺乏系統和全面的控制體系；更多的只是關注對農業生態系統局部或某個要素的修補或完善，而缺乏對整個農業生態系統功能的恢復與優化。事實上，農業生態系統的各種物質循環，如水分和養分，以及各個生態要素之間是相互作用的。因此，要維持和提高農業生態系統內在消納農業面源污染的能力，需要從生態系統的全局出發，構建一個生態系統要素與物質交換、能流與物流聯動、信息流互換的綜合防控策略。
基于此，筆者根據面源污染的形成和發展過程于2011年提出了農業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，即在農業面源污染控制工程建設過程中，以實現農業環境保護、農業經濟可持續發展與農村人居環境和諧發展為目標，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，在此基礎上對農業生態系統進行環保修復（修復），實現農業生態系統自我修復功能的提高和系統的穩態轉換。
基于循環經濟理論與全球資源戰略的要求，筆者對3R策略。進行了發展和升華，形成了另外一種更高級的農業面源污染控制工程指導模式——“源頭減量（Reduce）—過程阻斷（Retain）—養分再利用（Reuse）—生態修復（Restore）”（4R）策略，形成了包括源頭減量、過程阻斷、養分再利用和生態修復防控面源污染的綜合性策略（圖 2）。 基于4R策略布局的技術分布在各節點上，使節點技術在流程上銜接、時空上覆蓋，形成區域集成技術體系，其特點有全過程、全空間覆蓋，氮減排與資源利用結合，農業發展與環境保護雙贏。4R 策略詳述如下：
（1）源頭減量。類似于點源污染控制，減少來源是農業面源污染控制的關鍵和最有效的策略。由于養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。因此，降低源頭的策略主要包括優化養分和水分管理過程，減少肥料的投入，提高養分利用效率，以及實施節水灌溉和徑流控制。
（2）過程阻斷。過程控制技術包括生態溝渠、緩沖帶、生態池塘和人工濕地。一般來說，生態溝渠是農業領域最有效的營養保留技術之一。在生態溝渠中，排水中的氮、磷等營養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得到廣泛應用。此外，采用保護性耕作、免耕和生態隔離帶等措施也是攔截農業面源污染的重要措施。
（3）養分再利用。養分再利用將面源污水中的氮、磷等營養物再度進入農作物生產系統，為農作物提供營養，達到循環再利用的目的。對于畜禽糞便和農作物秸稈中的氮、磷養分，可通過直接還田，或養殖廢水和沼液在經過預處理后進行還田。對于農村生活污水、農田排水及富營養化河水中的氮、磷養分，可通過稻田濕地系統對其消納凈化和回用。研究結果表明，在水稻拔節期和灌漿期，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%。
（4）水生生態系統修復。這里的水生生態系統指的是農業區內的污水路徑，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。因此，需要對這些面源污水的輸移路徑進行水生生態修復，以提高其自凈能力。迄今為止，已經開發并廣泛應用了生態浮床、生態潛水壩、河岸濕地和沉水植物等多種修復技術。
3、存在問題與展望
自20 世紀80年代對農業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和借鑒國外的成功經驗，目前已經形成了面向農業面源污染控制，農村生活污水治理，農業廢棄物、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面源污染負荷和改善生態環境均起到了較好的效果。
但是，這些技術多針對污染物發生和遷移的某一個環節或者某一個子系統，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，復種指數低，面源污染防治多以犧牲農業生產產量或中小企業發展為代價來達到保護小區域環境的目的不同，我國人多地少，糧食安全問題突出，耕地集約化程度高，待改善水環境面積大且水系龐雜，這決定了我國農業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污染物削減，也不可能在短期內實現高密度、高頻次污染物自動檢測；同樣，由于農業發展還沒達到一定的規模化，農業生產也沒嚴格的技術規程或標準，也很難在短時間內完成相關環境立法。
因此，我國農業面源污染控制須走大區域聯控之路，即不僅要集成度高，而且從點到面、從線性到空間的全過程、全區域的覆蓋。“十五”至“十二五”期間，基于區域污染物聯控思路，我國已形成了“源頭減量（Reduce）—過程阻斷（Retain）—養分再利用（Reuse）—生態修復（Restore）”的4R策略。迄今為止，針對上述各農業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。
但針對不同區域農業面源污染特征，如何進一步深入發掘技術優勢，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，實現防控工程的時空銜接、區域污染物負荷的顯著削減和區域水質的整體改善仍是農業面源污染控制亟待解決的難題之一。此外，如何加快實現農業面源防控技術設備化、產品化以及農業面源防控管理與長效運行維護機制建設，使農業面源防控工程真正地推廣應用到廣泛農業生產實踐也是亟待解決的重要問題。結合筆者多年從業經驗，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
農業面源污染產生的實質，其實就是養分或污染物從“土相”向“水相”的運移，本質就是養分或污染物在土-水界面的遷移轉化行為。因此，需要強化土-水界面間的污染物生物地球化學循環研究。然而，傳統土-水界面的生物地球化學循環研究，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，進而影響農業面源污染形成、發生和發展。可見，為精準了解養分或污染物在土-水界面的行為及其對農業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研究。
雖然現有的農業面源污染負荷監測、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在的原位監測、模型預測，還是在線監測，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面源污染的產生和排放與點源污染的一致，這恰恰與農業面源污染的“三個不確定性”相矛盾，因此，建議今后在農業面源污染負荷監測與評估方面研究，需要尋求新的研究方法，破解農業面源污染形成的機制。從農業面源污染的實質——養分或污染物在土-水界面間的遷移轉化過程出發，可能是一個值得探索的方向。
3.2 強化生態系統服務功能，促進全過程防控
現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過程，也缺少從生態系統的層面上進行調控，忽略了生態系統自身的調控功能與機制，制約著農業面源污染防控措施的有效實施（圖 3）。生態系統自身具有調控功能，農業生態系統也不例外。在農業生態系統內部，可通過優化土地利用格局來實現面源污水的回用，提高氮、磷等營養鹽的利用率，阻斷污染物的遷移過程，故應該充分利用農業生態系統自身的調控功能來減少面源污染物的輸出與排放。
當然，優化生態系統服務功能，并不是簡單地在控制區內機械地進行植被恢復，還可從以下3個方面入手：① 研究基于區域污染物總量削減的農業用地格局的空間優化配置，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，優化“種植—養殖—加工”鏈中養分的循環模式與再利用技術；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，實現農業生態系統的穩態轉化和自凈能力提升，促進污染物的區域聯控。
3.3 加強技術的物化研究，推動技術應用
當前農業面源污染防控主要由政府管理部門承擔，包括項目立項、執行以及驗收等過程，都是政府部門的主要職責。有利之處在于，經費有保障，便于協調各方面的關系，但是也限制了市場作用的發揮，使得農業面源污染防控仍局限在政府指定的區域內。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展農業適度規模經營的意見》頒發，農村將有大片的土地進行集中式管理，農業面源污染防控將是各個承包業主的責任，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，新型環境材料的研發，污染物控制產品與設備研發，廢棄物資源化產品與設備研發，以及農業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環境安全，威脅著我國的飲用水安全，最終威脅我國農業的可持續發展和糧食安全，給我國社會、經濟發展帶來諸多不利影響。因此，迫切需要轉變思路，在現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域聯控，提升生態服務功能，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，為我國農業的可持續發展和生態環境的改善提供技術支持。
作者簡介：楊林章1 吳永紅2（1 江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所 2 中國科學院南京土壤研究所 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室）
中國鄉村發現網轉自：中國科學院院刊（2018年第2期）
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