农业面源污染防控与水环境保护研究展望

农业面源污染正成为我国地表水体的主要污染负荷来源，威胁水生态健康和水环境安全。文章分析了农业面源污染的特征及其主要的形成原因，总结了当前主流的防控技术与策略，重点阐述了从全局防控农业面源污染的“源头减量(Reduce)—过程阻断(Retain)—养分再利用(Reuse)—生态修复(Restore)  ”策略(简称“4R策略”)。深入剖析了当前农业面源污染防控存在的问题，并从深化基础研究、强化生态系统服务功能与促进区域联控，以及农业面源污染防控技术的物化方面进行了展望。

地表水体(如河流、湖泊和海洋)的污染来源分为两种：点源和面源污染。点源污染由于其排放时间、地点和成分基本已知，易被监测到。随着公众意识和监管力度的提高，点源污染正逐步得到全面控制，面源污染正成为地表水体污染的重要污染源，是当前全球面临的主要环境问题之一。过量氮(N)、磷(P)等面源污染物进入地表水体，正是造成我国诸多湖泊、水库和海湾富营养化和有害藻类“水华”爆发的重要原因之一，严重威胁我国水环境安全。

面源污染按照来源的不同，可细化为农业面源污染和城市面源污染。随着城市污水收集管道和雨污分流工程的建设，城市面源污染正逐步得到解决。相对城市地区，农业面源污染不但多年来一直是我国“三河三湖”污染的主要污染源，也渐成为农村地表水体污染的主要贡献者，严重威胁全国人民的饮水安全。据2010年《第一次全国污染源普查公报》结果显示，农业污染源是造成我国水环境污染的“大户”，其化学需氧量(COD)、总氮(TN)和总磷(TP)排放分别占地表水体污染总负荷的43.7%、57.2%  和67.4%(图1)。可见，农业面源污染已经成为当前地表水体污染的主要来源。全球每年用于粮食生产的1.2亿吨氮中，只有  10%被人类直接消费，大部分未使用的氮则被分散到广泛的环境中，最终汇入地表水体，成为主要的面源污染源。农业则是导致过量养分排放到水体中的最主要驱动因素。研究表明，太湖约  58%和40% 比例的总氮和总磷来自于农业产生的面源污染。

为了消除农业污染问题，我国政府明确提出，2020年中国将形成“环境友好型、资源节约型”的两型农业。因此，迫切需要开展农业面源污染源防控工作。本文分析了我国农业面源污染产生的原因和特征，归纳了当前主流的农业面源污染控制措施和策略，并针对当前农业面源污染控制还存在的问题提出了研究展望。

1 农业面源污染特征及其形成原因

1.1 农业面源污染的特征

农业面源污染通常产生在广阔的领域，无法追踪其具体的来源，产生时间和污染物的浓度。排放时间、频率和组成的不确定，被称为农业面源污染的“三大不确定性”特征，这极大地增加了面源污染防控的难度。

(1)来源的广泛性和复杂性。农业面源污染的来源广泛，包括化肥、农药流失和渗漏、农村地表径流、未处理的生活污水的排放以及暴雨导致的初期生活污水的漫流、畜禽养殖以及渔场养殖废水的排放和水土流失等都是农业面源污染的来源。

(2)排放过程中的不确定性和不可计量。农业面源污染的排放过程具有明显的不确定性，并且不能量化。化肥和农药的使用量具有明显的个体差异性，污水的排放量的多少也是随机发生。此外，由于降水的不确定性，导致农业面源污染在时间和空间上的不确定性和随机性。

(3)污染水体规模大且治理难度大。由于农业面源污染来源和排放过程中的不确定性，大量的污染源通过地表径流或者地下径流进入江河湖泊，进而形成规模大且浓度低(TN浓度<10  mgL-1，TP浓度<2mgL-1)的江河湖泊污染，这种规模大而且浓度低的特征导致了农业面源污染治理的难度更大。

综上所述，农业面源污染物的形成与发展涉及污染物的运输与转化。在集约化农田，土壤和水中的养分浓度比地表水高很多，这种浓度梯度加速了养分从土壤向地表水扩散、输送，导致农业面源污染负荷向就近地表水体迁移。

1.2 农业面源污染形成的原因与特征

随着社会和经济的不断发展，农村的产业结构和生活方式也不断发生变化。因此，包括农业生产和农村居民来源在内的面源污染源排放量不断增加，地表水受到严重污染。农业面源污染的形成和产生高度依赖于气象条件，例如降雨，并且通常是间歇性的而不是连续性的降雨。一般来说，在发展中国家，包括农田、畜禽、水产养殖、农村径流和分散式生活污水在内的农业源是造成面源污染的主要原因。此外，在山区，不适当的土地利用和随之而来的水土流失也会造成农业面源污染。

(1)农药化肥的流失。在20世纪50年代绿色革命爆发之后，无机肥料、有机肥料和农药的投入迅速增加，成为全球和中国获得作物的高产量和间接提高畜牧生产的主要手段。随之而来的结果是，农业面源污染物排放强度和频率也相应的大幅增加。中国是世界上最大的合成氮肥用户，然而，这种以农业化学为基础的集约化农业是农业面源污染的主要贡献者，也是重要的温室气体甲烷(CH4)和一氧化二氮(N2O)贡献者。N2O通过大气沉降或随降雨，以气体的面源污染形式进入地表水体。中国农业部的一项调查显示，稻田的氮素利用率为30%—35%，而磷利用率则仅为10%—20%。全球范围内，养分利用效率普遍低下，导致农田径流中TN、TP排放量普遍增加。农田中这些养分的释放已成为农业面源污染的主要来源。

(2)畜禽和水产养殖。畜禽和水产养殖过程中的残饵以及产生的排泄物等，也是农业面源污染物的主要类型。畜禽粪便流失已经成为污染大户，我国的规模养殖中有2/3仍缺乏防污设施，每年产生的约38亿吨畜禽粪便，其处理率不到50%，其中总量的1/4  进入水体。有关报道表明，在湖泊中的残饵污染占投饵量的10%—40%，COD排放达到了约500万吨，接近生活污水COD  排放量。集约化畜禽养殖场产生的废弃物实质与农户散养的畜禽生产的粪便一样是一种资源，但目前我国还没有很好地加以利用，以致“资源”变成了农业污染的“罪魁祸首”。

(3)土地利用不当。在山区，不合理的土地利用导致的土壤侵蚀是造成农业面源污染的另一个主要原因，因为营养物质可随流失的土壤迁移进入下游水体。传统的顺坡耕种、陡坡耕作、复种等种植效率高，更易加剧土壤侵蚀。而土壤侵蚀是规模最大、危害程度最严重的一种农业面源污染，它在损失土壤表层有机质层的同时，许多营养及其他污染物进入水体形成严重的农业面源污染。吴永红等指出，滇池流域内7.7%的氮污染负荷源自于山地水土流失，29.7%的磷污染负荷也由水土流失造成，水土流失是滇池农业面源污染的主要形式之一。三峡库区是典型的山地土地类型，也是我国典型的水土流失重灾区，降雨量集中期(每年4—10月)，三峡片区各子流域的农业面源污染负荷强度表现出很强的空间差异性，且农业面源污染负荷的时空分布与年降水量和人类活动呈现明显的正相关。

(4)农村径流和分散式生活污水的排放。受传统生活习惯影响，我国农村生活以一家一户一院的形式为主。农村污水包括农村生活污水(如粪尿水、洗衣水、厨房水等)和农村生产废水(由散户畜禽养殖、小作坊等排放)。农村生活污水和生产废水未经处理的直接排放也是引发农业面源污染的主要原因。我国农村居住人口众多，其中农村人口占全国人口的50.32%。由于缺乏管理和规划，大部分农村地区没有污水收集和处理系统，也没有垃圾收集和处理系统，这种分散式的生活污水或垃圾渗滤液直接进入河流和农田生态系统中，势必形成大规模和低浓度的面源污染负荷。