中国农田面源污染防控

第1章绪论 　　农田面源污染是影响土壤环境、水体环境和农村生态环境质量的重要因素之一，由于其涉及范围广、随机性大、隐蔽性强、不易溯源、难以监管等，治理的难度很大，已经成为我国现代农业和社会经济可持续发展的瓶颈。 　　农田面源污染的产生与我国的国情密切相关。我国有 14.12亿人口，但只有 19亿亩①耕地(2020年数据)，要保证我国的粮食产量，就需要投入大量农业生产资料，尤其是肥料的投入。根据中国统计部门的数据， 2019年中国农用化肥施用量 5404万 t，其中氮肥 1930万 t，复合肥 2231万 t，磷肥 682万 t，钾肥 561万 t，单位面积的使用量超过国际公认的平均水平。化肥的过量投入不仅影响土壤质量和农产品质量，同时也是农业面源污染的重要来源，是影响农村水环境质量的重要因素。因此，控制农业面源污染是当前农村水环境改善、农村生态文明建设的重要任务。 　　在 2014 年的全国农业工作会议上，农业部首次提出农业面源污染防治的目标为“一控两减三基本”，该目标随后以农业部文件(《农业部关于打好农业面源污染防治攻坚战的实施意见》)的形式得以全面阐释和确认，其中的主要目标是减少化肥和农药使用量，肥料、农药利用率均达到 40%以上，全国主要农作物化肥、农药使用量实现零增长；畜禽粪便、农作物秸秆、农膜基本资源化利用。为了进一步贯彻落实其中的“两减”目标，农业部在 2015 年印发了《到 2020 年化肥使用量零增长行动方案》和《到 2020 年农药使用量零增长行动方案》，这两项工作也被纳入“十三五”规划纲要，这意味着农业面源污染防治工作由过去口号式的倡导转入带有明确目标的具体实践，并且由部门行动上升到国家意志(金书秦和邢晓旭， 2018)。 　　农业面源污染防治攻坚战启动以来，相关工作已经取得明显的进展。一是化肥使用量增幅明显缩窄，已经接近零增长。相关部门的数据和报告显示， 2015年化肥施用量 6022.6万 t(折纯量，下同)，增幅为 0.44%，是 21世纪以来增幅首次低于 1%；2018年中国农用化肥施用量 5653.42万 t，较上年减少 205.99万 t，同比下降 3.52%；2019年中国农用化肥施用量 5403.59万 t，较上年减少 249.83万 t，同比下降 4.42%，连续几年实现负增长，部分地区已经实现连续、较大幅度的减量。在化肥减量的同时，针对农田面源污染的治理技术的研发与应用也取得了明显的进展。尤其在肥料精准使用、新型肥料的研制应用、施肥技术与方法等方面有了明显的进步，不仅减少了化肥的用量，提高了肥料利用率，而且减少了肥料养分向大气和水环境的排放量，为农田面源污染的防控起到了积极的作用。 　　① 1亩≈666.67 m2。 　　1.1 农田面源污染的特征 　　化肥的施用保证了我国的粮食安全，促进了农业的发展，但化肥的过量施用也带来较为严重的生态环境问题。近年来，过量施用化肥所带来的面源污染问题引起了国家和各级政府的高度重视。有关农业发展的政策已经从过去“增产、增收”的双目标转变为“稳粮、增收、可持续”的三目标，要抓住机遇打好农业面源污染防治攻坚战，而要打好这场攻坚战，必须充分认识农田面源污染的基本特征，充分认识我国农业生产的特殊性，充分认识面源污染治理的复杂性和难度，只有这样才能*终实现农业可持续发展、面源污染治理和农村生态环境改善的终极目标。 　　农田面源污染是农业面源污染的重要组成部分。农田面源污染是指在农业生产活动中，溶解的或固体的污染物，如氮、磷、农药及其他有机或无机污染物质，从非特定的地域，通过地表径流、农田排水和地下渗漏进入水体引起水质污染的过程(金书秦， 2017；张维理等，2004)。农田面源污染主要来源于肥料不合理使用而造成的氮磷流失和秸秆还田不当而产生的 COD(化学需氧量)排放等。其基本特征如下。 　　(1)污染来源的分散性、复杂性及溯源的困难性。我国地域辽阔，耕地主要分布在沿海东部季风区，集中在东北、华北、长江中下游、珠江三角洲等平原、山间盆地及广大的丘陵地区。土地利用类型多样，耕地又分水田、水浇地和旱地，园地又包括果园、茶园等。同时，我国农作物种类众多，主要粮食作物有水稻、小麦、玉米、马铃薯及豆类等，主要经济作物有蔬菜、瓜果等。受我国农业生产现状的影响，我国农田面源污染来源分散而且复杂，既包括主要粮食作物生产中产生的农田径流带来的氮磷流失，还包括蔬菜、水果、茶叶等经济作物生产中产生的农田径流带来的氮磷流失；不仅有平原区的农田面源污染，也有丘陵、山地农业区的农田面源污染。同时，由于作物、土地利用方式的不同，施肥量存在较大差异，农田面源污染的产生量也有不同，这些差异加大了农田面源污染的治理难度。 　　(2)污染物排放的不确定性和随机性。农田面源污染物的排放受时间、空间的影响较大，排放过程具有明显的不确定性和随机性。同时，农户的施肥行为因人的主观意愿而变，加上地表径流受降雨事件的驱动，决定了农田面源污染排放量、排放时间及空间分布的不确定性和随机性。 　　(3)污染物以水为载体，其产流、汇流特征具有较大的空间异质性。农田面源污染实际上是指对水体的污染，各种污染物以水为载体，通过扩散、汇流、分流等过程进入水体。农村地域宽广、土地利用方式多样、地形地势复杂，造成降雨引起的产流、汇流特征受空间地形的影响，具有较大的空间异质性，污染物的排放路径、迁移过程及受纳区难以准确辨认，也加大了农田面源污染治理的难度。 　　(4)污染物具有量大和低浓度特征，治理难、成本高、见效慢。不同于点源污染，农田面源污染物指标一般是总氮(TN)、总磷(TP)和化学需氧量(COD)，排放的大部分污染物在进入水体后浓度相对较低。由于浓度低，污染物来源多而分散，造成治理难度加大，传统的脱氮除磷工艺去除效率较低且成本高、见效慢。有效去除低浓度的面源污染物是当前面临的一大难题(杨林章等， 2013b)。 　　1.2 农田面源污染治理的总体思路与技术 　　1.2.1 农田面源污染治理的总体思路 　　鉴于农田面源污染来源复杂且分散、发生随机、污染物浓度低、难以治理等特征，以及我国农村生态环境的现状，农田面源污染的治理要取得实效，必须因地制宜，从污染物的排放、迁移、污染成灾等过程入手，以减少农田氮磷投入为核心、拦截农田径流排放为抓手、实现排放氮磷回用为途径、水质改善和生态修复为总体目标，通过技术应用和相关工程的实施，达到农田面源污染的全过程防控与全空间覆盖，从而有效突破面源污染散乱难的瓶颈，实现面源污染的近零排放及改善水体环境质量的目标(吴永红等，2011；杨林章等，2013a)。 　　在农田面源污染治理中必须遵守以下 4个原则。 　　(1)化肥总量削减与损失过程控制相结合。要减少农田面源污染，源头减控是关键，必须要在保证作物高产养分需求的基础上控制化肥总量，减少过量的肥料施用，提高肥料利用率。同时，针对氮磷的关键损失过程如径流、淋溶、氨挥发等，采用先进技术减少氮磷损失，从而保证化肥减量，作物不减产。 　　(2)水分管理与养分再利用相结合。优化水分管理是有效控制农田排水量、减少地表径流和淋溶的关键。在此基础上，还应结合农田周边水系特征，充分利用塘浜等对农田高浓度排水或初期地表径流进行汇集和农田灌溉回用，以进一步减少农田面源污染，降低治理费用。 　　(3)技术研究与产品装备研发相结合。在进行农田面源污染防控技术研究的同时，还应面向市场，注重技术的物化、产品化、装备化和工程化的研发，从而加速技术的应用并提高农田面源污染治理的效果。 　　(4)面源污染防控与生态农田建设相结合。农田面源污染防控一定要和高标准生态农田建设相结合，将技术和工程应用相结合并付诸实施，才能真正实现我国农田面源污染的有效控制。 　　1.2.2 农田面源污染治理的技术 　　农田面源污染治理的“ 4R”控制技术，即源头减量( reduce)、过程阻断( retain)、养分循环再利用( reuse)和生态修复(restore)技术，四者之间相辅相成，构成一条完整的技术体系链。“4R”控制技术体系是以污染物削减为根本，从污染物的源头减量入手，根据治理区域的污染汇聚特征进行过程阻断，通过对养分的循环再利用减少污染物的入水体量，并对水体进行生态修复，从而实现水质改善的目的。源头减量-过程阻断-生态修复三者之间在逻辑上是一环紧扣一环的，呈串联结构，但在实施地域的空间上则是互相独立的；养分循环再利用则把三者在地域空间上有效地连接起来，使其成为一个复杂的网络体，从而达到污染控制技术在时间和空间上的全覆盖，使整个系统的污染控制效果更好。要实现农田面源污染的有效控制，“4R”控制技术缺一不可。 　　1. 源头减量(reduce)技术 　　要进行肥料的减量首先要知道肥料是否多施、多施了多少，就需要进行科学的评价。根据不同作物养分需求、不同土壤地力特征和目标产量，利用养分平衡法估算出合理的养分盈余量，再推算出合理的施肥量是进行肥料减量的依据。合理的养分盈余量是评价养分输入的生产力、环境影响和土壤肥力变化*有效的指标。养分盈余量从负值、零到正值的变化过程中，能够反映出消耗土壤养分、合理施肥和过量施肥的状况。因此，科学的养分管理应该将土壤-作物体系的养分盈余量和养分利用率控制在指标范围内，以减少养分的损失和向环境的排放，实现养分资源的高效利用、作物的高产稳产及环境友好的多重目标(巨晓棠和谷保静， 2017)。 　　在合理确定某个作物生产系统的养分盈余量的基础上，可以估算出该系统当前施肥量过量与否、过量了多少。在减少化肥用量的基础上，还必须配套适宜的施肥技术，将过量使用的那部分肥料或多损失的养分减下来，从而保证化肥减量不减产。可以采用的技术包括肥料优化管理技术、按需施肥技术、精准施肥技术、新型缓控释肥技术、肥料深施技术及种植制度调整技术等，也可通过施用肥料增效剂、土壤改良剂等增加土壤对养分的固持，从而提高养分利用率、减少养分的流失，实现肥料或养分投入量的减量、作物的高产稳产及环境影响*小化的目标(薛利红等， 2011；Xue and Yang，2008；Min et al.，2012)。 　　2. 养分损失的过程阻断(retain)技术 　　养分损失的过程阻断技术是指养分(污染物)离开农田向水体的迁移过程中，通过一些物理的、生物的及工程的方法等对污染物进行拦截阻断和强化净化，延长其在陆域的停留时间，*大化减少进入水体的污染物量。目前常用的技术有两大类：一是农田内部的拦截，如稻田生态田埂技术(通过适当增加排水口高度、在田埂上种植一些植物等阻断径流)、农田排水口的污染物拦截促沉技术、生物篱技术、生态拦截缓冲带技术、设施菜地的填闲作物技术(夏天蔬菜揭棚期种植甜玉米等填闲作物对残留在土壤中的多余养分进行回收利用，阻断其向下渗漏和径流)、果园生草技术(果树下种植三叶草等减少地表径流量)(Duchemin and Hogue， 2009；李国栋等，2006；张刚等，2007)。二是污染物离开农田后的拦截阻断技术，包括生态拦截沟渠技术、草皮水道技术、人工湿地塘技术、土地处理系统等。这类技术多通过对现有沟渠塘的生态改造和功能强化，或者额外建设生态工程，利用物理、化学和生物的联合作用对污染物(主要是氮磷)进行强化净化和深度处理，不仅能有效拦截、净化农田污染物，还能实现污染物中氮磷等的减量化排放或*大化去除。 　　3. 环境源养分的循环利用(reuse)技术 　　循环利用技术即将污染物中包含的氮磷等养分资源循环利用，达到节约资源、减少污染、增加经济效益的目的。环境源养分包括达标排放的农村生活污水尾水、河道低污染水、养殖业排放的污水及农田退水中的养分资源。