农业非点源污染与防控研究进展

2015-04-02马强等

现代农业科技 2015年1期

马强等

摘要随着点源污染的逐步有效整治及化肥农药的大量施用，农业非点源污染已经成为河湖、水库等水体污染的主要来源。本文在分析农业非点源污染成因的基础上，归纳了当前农业非点源污染的常用模型及与GIS的结合应用技术，并从不同角度提出了切实有效的农业非点源污染防控措施；基于当前研究进展，提出“3S”技术、以基因工程为主导的生物技术以及将科学技术与BMPs相结合等将是未来农业非点源污染研究的重点。

关键词农业非点源污染；成因；模型；防控措施

中图分类号 X501 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2015）01-0200-05

Abstract With the gradual effective renovation of point source pollution and excessive use of pesticides and fertilizers，the agricultural non-point source pollution has become a major source pollution of rivers，lakes，reservoirs and other waters.According to the analysis of causes from agricultural non-point source pollution，the main models of agricultural non-point source pollution were listed，and the application technology of combination of GIS and models was summed up.Meanwhile，the effective prevention and control measures of agricultural non-point source pollution were proposed practically from different angles.Finally，based on the current research progress，the points that the development of ″3S″ technology，the biotechnology dominated by genetic engineering and the combination of science technology and BMPs would be the focus of agricultural non-point source pollution research in the future were put forward.

Key words agricultural non-point source pollution；cause；model；prevention and control measures

非点源（Non-point Source）是指时空上无法定点监测，与大气、水文、土壤、植被、土质、地貌、地形等环境条件和人类活动密切相关，直接对环境构成影响的污染物来源[1]。与点源污染（Point Source Pollution，PSP）相比，非点源污染（Non-point Source Pollution，NSP）由于比较分散而更难治理。而在各种非点源污染形式中农业非点源污染表现最为普遍，并成为当今世界水环境恶化的第一大威胁。有学者认为农业非点源污染是指由农业生产活动引起时空上沉淀物、化肥、农药、病菌等的变化，这些污染物在各种应力作用下以低浓度、大范围的形式缓慢地从土壤圈向水圈、大气圈扩散，对大气、水、土壤造成的污染[2]。而其中对水体的污染最为严重。根据我国第一次污染源普查数据分析，2010年农业源化学耗氧量（COD）排放总量为1 204万t，约占全国COD排放总量的47.6%；农业源氨氮排放总量为83万t，约占全国氨氮总量的31%[3]。此外，由于农业非点源污染具有显著的分散性、隐蔽性和形成机理复杂等特点，难以从数量上准确评估农业非点源污染对区域水环境的影响程度。因此，亟须加强对农业非点源污染的研究、治理和管理，为实现农业的可持续发展、改善农村人居环境提供科技保障。

1 农业非点源污染成因

1.1 化肥与农药的不合理使用

国内外研究证明，农业活动特别是过量施用化肥、农药等是农业非点源污染的主要成因。过量施用的化肥和农药由于农作物低效率利用，在雨水或漫灌淋溶后随径流进入水体，从而造成严重的农业非点源污染。

根据有关部门统计，我国氮肥的利用率仅为30%～35%，磷肥为15%～20%，钾肥为25%～50%，剩余的养分通过各种途径进入环境。全国有20%～30%的耕地施氮过量，氮肥的地下渗漏损失为10%，农田排水和暴雨径流损失为15%。2002年我国农田化肥氮用量为2 471万t，通过损失进入环境并影响环境质量的数量达到471.8万t，其中通过淋洗和径流产生的损失分别为123.5万t和49.4万t[1，3-5]。

1.2 畜禽和水产养殖污染

随着规模化养殖业的发展，大量畜禽粪便的产生也成为农业非点源污染的主要污染源。畜禽粪便中不仅含有丰富的营养物质，也含有一些重金属以及抗生素的残留，如果不适当处理，将会引起土壤和水体污染。相关部门预计，2015年我国畜禽粪便含量将达到60亿t，而90%以上的畜禽养殖场没有污水处理系统，畜禽粪污长期堆置或排放到附近水沟，从而堵塞河道，污染水体。由于畜禽粪便中含有大量有机物和氮、磷营养元素，对水体中总磷影响最大，其次是总氮。美国环保组织1998年的一份报告指出：造成江河水质未能改善甚至恶化的头号污染源为两岸养殖业及其附属产业[1，3-5]。

1.3 农田秸秆的无序利用

随着耕作制度和饲养方式的变化，目前农作物秸秆的去向主要有2个方面：一是作为农户燃料，目前已不足总量的30%；二是直接还田，扣除燃料、还田、消耗，尚有50%左右的秸秆在田间废弃或焚烧。目前，全国秸秆年产生量逾7亿t，利用率不足15%，近6亿t的秸秆可能会引起环境污染。部分地区在地表水的径流作用下，大量的秸秆流入江河、水库中，对水体造成污染[1，3-5]。

1.4 水土流失

土壤侵蚀是规模最大、对生态环境破坏最为严重的一种非点源污染，不仅发生在山区，而且在平原地区局部也很严重。土壤表层中大量的有机质、氮、磷等养分因土壤的侵蚀大量进入水体。根据调查，我国年均土壤流失量约50亿t，而且呈逐年增加的趋势[1，3-5]。

1.5 灌溉排水与污水灌溉

灌溉（降水）是农业非点源污染形成的充分条件。农业非点源污染形成的物质基础是土壤中积存的盐分、养分或施入田间的肥料，其形成和迁移的动力与载体则是农田水分运动。在灌溉（降水）的水动力作用下，土壤中的养分才会以溶质的形式从土壤中析出并迁移至外界水体，从而形成农业非点源污染[6]。

污水的开发利用在一定程度上缓解了水资源紧张的局面，而且污水中含有大量的营养元素，可以作为农田的肥料，但是如果污水灌溉控制不当，污水中的营养成分同样也会在灌溉（降水）的水动力作用下，迁移至外界水体，形成农业非点源污染。

1.6 大气沉降与酸雨污染

大气沉降是农田生态系统获得氮素、硫素、重金属污染物的重要途径之一。近年来，国内外对大气湿沉降污染物输入农田通量已有不少研究。相关资料表明，我国目前受酸雨污染的农田有266.67 hm2以上[7]；农田生态系统每年接收大气湿沉降输入氮素为3.0～94.1 kg/hm2 [8]；刘学军[9]估计，大气湿沉降向我国农田每年输入氮素的通量约为全国年均施氮肥的25%；阿根廷科尔多瓦省小麦和农田地表土中Cu、Ni、Pb、Zn、Mn和Sb等主要来自当地大气污染物的沉降[10]。同时，受酸雨影响，土壤中通常以有机化合物形式固定的铝被溶出，进入外界水体可造成鱼类的死亡[11]，此外，酸雨中的硫素亦会对水体造成酸化；重金属污染物进入水体不易被降解，对水环境会构成严重威胁。

2 非点源污染模拟与GIS技术应用

非点源污染负荷定量化研究是流域污染环境治理的重要基础工作，而利用非点源污染模型来估算和模拟非点源污染负荷是对非点源污染进行评价研究的基础手段之一，也是非点源污染研究的核心内容。

2.1 非点源污染模型研究进展

早在20世纪60年代，国外就开展了对非点源污染的影响因素、污染特征以及长时间污染输出负荷平均状态等方面的探索研究，并在同期建立起USLE（通用土壤流失方程）模型。20世纪70年代初，非点源污染模型研究从简单的经验统计向复杂的机理模型研究转变，许多非点源机理模型相继建立，如PTR-HSP-ARM-NPS、STORM、ACTMO、UTM、LANDRUM、CREAM等模型[12]。20世纪80年代后，非点源污染模型研究逐步转向非点源污染管理应用方面，改进了WEPP和RUSLE模型，并推出AGNPS、ANSWERS、AGNPS等实用性模型。20世纪90年代至今，通过“3S”技术与模型的集成，开发出了具有综合功能的大型流域尺度非点源污染模型，比较著名的有BASINS、SWAT、AnnAGNPS以及输出系数模型等[12-13]。根据建立途径和模拟过程的区别，可将农业非点源污染模型分为经验模型与物理模型2种。经验模型是以试验或实地监测数据为前提建立的一种粗略关系式或一个复杂回归方程的经验公式，其原理简单，运行所需数据较少。物理模型是对整个事件或系统模拟的过程，其多基于原理和理论的推导方式，对流域内部系统及其污染物复杂转变过程进行定量描述，分析水域污染物产生的时间和空间特征，显示出其主要来源与迁移过程。国外常见农业非点源污染模型比较见表1[14-16]。

20世纪80年代中期以来，国内非点源污染模型研究开始起步。综合30余年来国内非点源污染模型研究进展，可归纳为3个方面内容。一是经验统计的分析研究。如李怀恩[17-18]在21世纪初提出了平均浓度法、土地利用关系法和污染负荷—泥沙关系法；李强坤等[19]提出了基于单元分析的农业非点源污染负荷计算方法。二是机理模型的开发研究。如李怀恩等[20]提出了流域汇流与非点源污染物迁移逆高斯分布瞬时单位线模型及流域产污过程模型，并建立了流域非点源污染模型系统；张瑜芳等[21]提出了排水条件下氮素转化、运移和流失的数学模型；李强坤等[22]将农业非点源污染模型分为“源”模块和“汇”模块，通过应用DRAINMOD模型，以逆高斯分布作为综合作用函数，建立了农田尺度的灌溉排水污染物浓度估算模型；王建中等[23]根据农田土壤氮素流失过程建立了基于次降雨事件的坡面氮素迁移模型。三是对国外模型的引入、吸收研究，如蔡崇法等[24]在三峡库区运用GIS（IDRISI）和USLE（RUSLE）模型进行了土壤侵蚀量估算；洪华生等[25]运用AnnAGNPS模型对九龙江流域非点源污染负荷进行了估算；万超和张思聪[26]运用SWAT模型对潘家口水库上游流域非点源污染负荷的时空特征进行模拟；余炜敏[27]利用GEOWEPP模型对三峡库区流域农业非点源营养物污染进行了模拟。总体来看，我国在农业非点源污染方面所建立的模型大多形式简单、功能单一，而将信息技术与非点源污染模型相结合尚处于尝试和引进阶段，且大部分采用的是部分耦合的方法。在模型应用方面，主要是将所开发的模型用于自然条件下农业非点源污染预测，以及预测各种农业管理措施对径流水质及负荷的影响，进而为非点源污染治理提供依据。因此，未来需要建立适合我国不同区域特征，并能反映区域时空变异特征的污染控制模型，尤其是农田养分的迁移变化、时空变化及后期预测。

2.2 GIS与模型的结合与应用

随着计算机技术的发展，由于GIS在基础数据管理、空间数据分析、可视化表达、与模型集成、非点源信息系统建设等方面都有着巨大优势，其与农业非点源污染模型（SWAT、AnnAGNPS等）的广泛结合被视为研究农业非点源污染的有效手段。

2.2.1 GIS对数据的管理与处理。农业非点源污染涉及大量的空间数据，如行政区划数据、农户基本情况、化肥农药采样数据、流域降雨量、统计年鉴、土壤类型数据、高程数据（Digital Elevation Model，DEM）、土地利用数据、河网数据等[28]。GIS利用其强大的空间数据管理功能，可以对这些数据进行前期处理以及后期的可视化工作。而GIS的强大空间分析功能使得基础数据的获取、属性数据和栅格数据的数值计算、空间数据分析等都成为可能，对于研究区农业非点源污染的时空动态变化能够进行直观地解析。例如：通过GIS可以获取流域的遥感图像，进一步计算参数；可以估算一个流域的耕地面积和化肥科学施用量；可以通过对流域DEM的3D分析，提取坡度、坡长信息，进行汇流分析并生成河网，进而划分子流域；通过与SWAT模型结合，分析土壤空间分布特征，得到关键风险区域分布等。

2.2.2 GIS与模型的集成。将GIS与非点源污染模型相结合一直是国内外非点源污染研究的热点。如GIS与NLEAP模型[29]、GIS与DRASTIC模型[30]、GIS与SWAT模型[31]、GIS与USLE模型[32]、GIS与AGNPS模型[33]、GIS与AnnAGNPS模型[34]等。GIS与非点源模型的集成不仅可以在模型的不同模块之间方便地完成数据交换、信息共享与反馈，还可以将模拟结果以生动形象的图形方式呈现给环境管理人员，并且以这些信息为基础，完成相关流域水质多情景的预测、判断和分析。根据GIS与非点源污染模型的结合程度，一般有3种方式[35]，即松散集成（Loose integrated）、紧密集成（Tightly integrated）、完全集成（Fully integrated）。其中以GIS与SWAT模型的结合作为典型进行简单介绍。

SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型是由美国农业部农业研究中心开发的流域尺度非点源污染模型[36]。在一个流域范围内，可以利用SWAT模型根据历年的气象水文、土壤和土地利用等方面的统计数据和空间分布图，通过划分水文响应单元来模拟整个流域的径流量、水土流失和氮磷等营养物的迁移运动，从而预测农业管理措施对非点源污染的影响，并进一步评估整个流域范围内的水土保持能力和非点源污染状况。由于农业非点源污染起源于分散多样的区域，仅利用模型并不能对其空间性和变异性进行很好的定量研究，GIS与SWAT模型的集成解决了这个问题，利用GIS的空间数据分析技术和可视化技术，使地理模型能够对数据的空间特征及非空间特征进行联合分析，适用于具有不同土地利用方式、土壤类型的大型流域，并能在资料缺乏的地区建模[37]。

2.2.3 GIS在非点源风险评估中的应用。由于农业非点源污染影响因素复杂，有学者提出：快速准确划定农业非点源污染关键源区（CSAs）并提出相应控制措施才是农业非点源污染研究工作的重中之重[38]。目前，基于GIS的农业非点源污染风险评估在污染物的分布确定、水土流失风险区确定、关键源区识别方法制定等方面应用较多。雷能忠[39]以农业非点源污染风险影响因素分析为基础，建立起基于GIS的农业非点源污染风险评估空间分析模型，实现在GIS支持下，通过对数据的分析运算，获得多尺度农业非点源污染风险程度分布图。国内外研究中，农业非点源污染评价方法典型应用的有磷指数法、潜力指数法、等标污染负荷法，其中，磷指数法[40]注重与GIS的结合，使结果具有更好的可视性和可操作性。宋月君等[41]基于GIS的空间分析功能和养分平衡计算等方法，运用磷指数法对我国九大流域主要农用地进行了农业非点源磷污染的风险评价。

3 农业非点源污染控制措施

3.1 综合控制措施

3.1.1 加强生物防治，合理使用化肥农药。推广使用配方施肥技术、肥料的精准化技术、分次施肥及平衡施肥等方法，最大限度地提高化肥利用率，减少化肥的流失和挥发。同时，实施秸秆综合利用工程，采取机械翻压还田、堆腐还田、牲畜过腹还田、沼气发酵还田、食用菌生产等措施。在科学施肥的基础上注重水土保护，发展节水农业，不断改善土壤环境[3，42]。减少农药污染方面，加强病虫监测预报，及时发布信息，指导农民合理使用农药；提倡综合防治，以农业防治为基础，积极推广生物防治、物理防治新技术；科学合理地利用农药，提高农药有效利用率；认真贯彻农药安全使用标准，推广使用生物农药和高效、低毒、低残留农药等[3，42]。

3.1.2 示范推广生态农业新技术，建立立体农业生态模型。近年来，国内一些省市地区因地制宜，根据不同经济水平、地域类型和产业现状开展生态农业试点示范，抓住农业生态环境中的关键问题，实施生态农业工程，逐步形成了猪—草—粮（菜）模式、加工—养殖—沼气处理模式、果—草—畜—沼模式、无公害农产品生产技术模式以及生态旅游观光型模式。其中，安徽省洛河镇王庄村和泥河镇大郢村被确定为省级生态农业示范点。应用生态农业技术，既发展了经济又解决了农产品生产加工过程中的污染问题[3，42-43]。

3.1.3 加强集约化畜禽养殖废弃物的无害化、资源化、减量化。根据我国畜禽废弃物的利用和处理现状，需进一步加强畜禽养殖废弃物无害化、资源化、减量化建设，积极探索规模养殖过程中的粪便及废弃物处理和利用。在现有治理措施基础上，大力推广品种改良畜禽技术、禽畜粪便厌氧发酵和商品有机肥生产先进技术等，使禽畜粪便转化成无害有机肥；搬迁或关闭位于水源保护区的规模化养殖场，引导畜禽养殖企业走生态养殖道路，减少对环境和水域的污染[3，42，44]。

3.2 技术控制措施

3.2.1 源头控制措施。农业非点源污染的源头控制技术主要包括科学施肥技术、科学灌溉技术、生态农业技术、水土保持耕作技术以及MCR膜控制释放技术等。

测土施肥、变量施肥、平衡施肥等科学施肥技术能有效缓解过量施肥所引发的农业非点源污染[45]。这类施肥技术根据土壤特征和农作物生长状况的不同在施肥时间、施肥方式、肥料种类、各类肥料比例等方面实现精细化操作，以此提高肥料利用率，增加产物产量。

灌溉方式与化肥、农药等影响因子的流失程度密切相关，科学合理的灌溉技术能有效控制农业非点源污染[45]，如喷灌、微灌、滴灌、按需灌溉、软管扩浇、管道灌溉等技术。这些灌溉技术在提高水利用率的同时能有效控制水分的渗漏强度，降低农业非点源污染形成的风险。

生态农业技术指在满足农业生产高产出、高效益的基础上，强化符合农业系统的内循环，减少污染物的排放量[45]。生态农业模式强调“整体、协调、循环、再生”，通过科学管理，可有效减少化肥、农药等农业非点源对水体的污染。

带状耕作、休耕、免耕、少耕、覆盖耕作等水土保持耕作技术不仅能有效控制水土流失，同时也能有效地控制农业非点源污染[45]。如江苏沿江地区以免耕、深耕或浅耕为主导形式的稻麦带型互套耕种新型耕作制度。

膜控制释放（MCR，Membranes Controlled-Release）技术也是控制农业非点源污染的一项有效技术。机理是通过膜的作用，在规定的时间间隔和指定的局部区域按一定的速度释放活性物质（如药物、化肥、香料等）的技术，如：膜控制释放肥、膜控制释放农药等。在养分上，膜控制释放肥可以按不同作物所需营养进行配方设计；在供肥上，可以按照作物不同生长发育期的养分要求进行控制释放；在施肥上，可以一次基施，不用追施；在耕作上，可以进行接触施肥和简化农业耕作；在效益上，可以省工节肥，提高肥料利用率，减少肥料流失对水体的污染。使用膜控制释放农药也有很多优点：可以防止农药挥发、分解、流失，延长药效，提高防治效果；可以减少施药次数和施药量，省工、省时、省费用；可以降低农药对农作物和人畜的危害；可以减少农药对周围环境的污染[3]。

3.2.2 过程阻断技术。农业非点源污染的过程阻断技术主要包括任何能够减少或预防农业非点源污染物进入外界水体的方法、措施或操作程序，如人工湿地技术、人工多水塘系统、树篱、植被缓冲带等，其中人工湿地技术和缓冲带技术效果较为显著。

人工湿地技术现已被各国作为有效防控农业非点源污染的技术之一。如美国加利福尼亚州的普莱多除氮人工湿地通过控制农业非点源污染不但完成了对圣安娜河水体的净化，还改善了濒临植物的生活环境[45]。人工湿地类型按水流方式的不同分为地表流湿地、潜流湿地、垂直流湿地、潮汐流湿地。由于不能同时提供有氧和厌氧条件，单一形态的人工湿地系统无法有效去除高含量的总氮。垂直流湿地能有效地去除氨态氮，但是脱氮作用很有限。相反，地表流湿地等提供了脱氮条件，但硝化作用却有限[3，43-44]。因此，把不同类型的人工湿地系统结合在一起对防控农业非点源污染十分有利。

缓冲带技术是指利用永久性植被拦截污染物或有害物质的条带状、受保护的土地，如建立在河湖、溪流沿岸的各类植被带，包括林地、草地等。根据缓冲带的植被类型、分布位置与主要作用，将其分为缓冲湿地、缓冲林带及缓冲草地3种类型[46]。缓冲带中的植被能有效降低径流速度，并使缓冲带土壤的水力渗透能力得到显著提高。国外在非点源污染治理中将缓冲草地带、缓冲林带和缓冲湿地有机结合来增强防治效果。研究显示，缓冲带对氮、磷拦截率高达91%和92%；健康的水陆交错带可以对水流及其所携带的营养物质起到截留和过滤作用；拥有树、草和湿地植物的缓冲带是控制农业非点源污染最有效的方法之一[47]。

3.2.3 末端治理技术。农业非点源污染末端治理技术包括前置库技术、污水利用技术与土地污染修复技术[45]。20世纪90年代初以来，前置库技术在我国推广应用，其原理是通过在非点源径流的入库、河、湖口设置一个较大的生态水塘对非点源径流进行调蓄，以增加径流进入天然水体的滞留时间，从而拦截营养物质。在云南滇池和江浙地区太湖流域等地取得成效，其水质得到明显改善。污水利用技术如台湾地区对畜禽场污水采取生物膜反应器深度处理技术。土地污染修复技术主要包括物理化学修复技术、生物修复技术[45]。相较而言，物理化学修复技术一般具有见效快、成本高的特点，但易引起二次污染，而生物修复技术则有见效慢，但成本低、二次污染小等特点。

综上，农业非点源污染控制过程中源头控制、过程阻断与末端治理技术可结合实际相互交错应用，如过程阻断技术中的人工湿地技术根据需要也可在末端治理技术中有效使用。农业非点源污染控制技术的选择与实施方面也要将控制成本，分区、分类控制与途径控制统筹考虑，同时坚持技术与政策并举等原则。

3.3 BMPs最佳管理措施

在非点源污染的控制与管理实践中，20世纪70年代美国提出的“最佳管理措施”（BMPs，Best Management Practices）最具代表性[1，3]。BMPs是指任何能够减少或预防水资源污染的方法、措施或操作程序，主要是由工程措施和管理措施两部分组成。其中，工程措施主要是梯田、植草水道、水渠改道、构筑拦沙坝、引水槽、山塘等；管理措施主要包括退耕还林、还草、还湿等。

4 研究展望

农业非点源污染形成机理与传输过程复杂，研究过程中涉及水利、农业、环境等多方面学科知识，是一项复杂的系统工程。在归纳当前研究现状的基础上，后期研究需关注以下几个方面。

（1）将环境学、生态学、经济学等领域与农业非点源污染进行融合是有效控制非点源污染的根本途径，但由于其自身特点难以监控，寻找经济实用并能反映污染规律的方法是当务之急。因此，需要开发适合我国不同区域特色、建立适合无资料地区、获取资料困难地区的农业非点源污染模型，并将其与“3S”技术融合，开发监测模拟分析系统，增强农业非点源污染模型的应用性能，从而解决一系列问题。而基于“3S”技术与模型结合来解决农业非点源污染的研究也是未来研究的主要方向。

（2）在未来的研究中，以基因工程为主导的生物技术将成为解决农业非点源污染的强有力的手段[48-50]。同时，生物技术和“3S”技术的迅速发展也为BMPs的发展提供了机遇，综合利用最新的科学技术，从流域生态和谐角度实施BMPs，建立流域土地、水域最优开发和管理模式，从而能够更好地实现农业非点源污染的调控。

（3）在农业政策中，应当积极寻求与管制性政策相配套的引导性、激励性政策，使农民自觉转变不利于环境的生产行为和方式，尤其在重要的水环境保护区，应限制农民不合理的生产方式，引导农民从事既能获得经济效益又有利于环境的生态农业。

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