農(nóng)業(yè)面源污染研究進(jìn)展

蒙小俊

（安康學(xué)院旅游與資源環(huán)境學(xué)院，陜西 安康 725000）

隨著點(diǎn)源污染控制水平的不斷提高，非點(diǎn)源污染成為全球水體污染的重要污染來(lái)源，全球范圍內(nèi)近50%的地表水資源已受到非點(diǎn)源污染的影響［1，2］。按照污染類型劃分，面源污染主要分為城市面源污染和農(nóng)業(yè)面源污染，因雨污分流改造和海綿城市建設(shè)不斷推進(jìn)，城市面源污染逐漸得到緩解和控制，農(nóng)業(yè)面源污染仍然是造成中國(guó)和世界水污染的重要原因［1，3］。農(nóng)業(yè)面源排放的氮磷在水體中的富集是導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化和水環(huán)境惡化的主要原因，為有效改善水體環(huán)境必須因地制宜地開(kāi)展農(nóng)業(yè)面源污染防治。針對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染的源頭和過(guò)程本身，面源污染防治需解決的問(wèn)題可分為總量估算、路徑分析和治理措施3 個(gè)方面［4］。然而，面源污染物的來(lái)源及其傳輸過(guò)程監(jiān)測(cè)控制難度大，需使用模型模擬的方法才能對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染進(jìn)行評(píng)估分析［5］。源頭控制為主、過(guò)程阻控與末端治理相結(jié)合是進(jìn)行農(nóng)業(yè)面源污染防控的主要途徑［6］。本研究概述了農(nóng)業(yè)面源污染的來(lái)源、特點(diǎn)及其危害，分析了農(nóng)業(yè)面源污染模型和防治技術(shù)，以期為農(nóng)業(yè)面源污染防控奠定基礎(chǔ)。

1 農(nóng)業(yè)面源污染的來(lái)源與特點(diǎn)

農(nóng)業(yè)面源污染通常來(lái)源于農(nóng)業(yè)種植、畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)村生活污水3 個(gè)方面，耕地、果園面積大幅度增長(zhǎng)，農(nóng)村地區(qū)畜禽養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展和生活排污是造成農(nóng)業(yè)面源污染的主要因素［7，8］，其中以農(nóng)田徑流形式產(chǎn)生的氮、磷流失，對(duì)河流水體氮、磷含量貢獻(xiàn)較大。研究表明，農(nóng)業(yè)面源污染不同類型污染源產(chǎn)生TN 負(fù)荷量大小依次為農(nóng)田化肥、畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)村生活，而不同類型污染源TP 污染負(fù)荷量大小順序?yàn)樾笄蒺B(yǎng)殖、農(nóng)田化肥、農(nóng)村生活［9，10］。與點(diǎn)源污染相比，農(nóng)業(yè)面源污染具有以下幾個(gè)顯著特點(diǎn)，①來(lái)源廣泛，具有不確定性，進(jìn)入水體不能集中監(jiān)測(cè)；②隨機(jī)性、間歇性變化大，進(jìn)入水體遷移屬于水動(dòng)力學(xué)；③與降雨徑流、水土流失有關(guān)，降雨是面源污染產(chǎn)生的基本條件；④暴雨過(guò)后污染負(fù)荷較大；⑤人類活動(dòng)影響遷移過(guò)程。依據(jù)農(nóng)業(yè)面源污染特點(diǎn)，可利用徑流分割法將河流劃分為枯水期和豐水期，點(diǎn)源污染與降水等水文過(guò)程基本無(wú)關(guān)，因此河流枯水期污染負(fù)荷較大。

2 農(nóng)業(yè)面源污染的危害

基于農(nóng)業(yè)面源污染的來(lái)源，面源污染物主要包括硝酸鹽、銨根離子、重金屬、有機(jī)磷、農(nóng)藥、病原微生物、寄生蟲(chóng)和抗生素等［11］。中國(guó)平均化肥施用量約達(dá)400 kg∕hm2，過(guò)量化肥施入土壤后會(huì)直接造成土壤板結(jié)、酸化、硝酸鹽積累、次生鹽漬化等耕地質(zhì)量下降問(wèn)題，殘余的氮磷等養(yǎng)分進(jìn)入水體會(huì)造成水體富營(yíng)養(yǎng)化［12］。多數(shù)地區(qū)因土壤淋濾導(dǎo)致地下水硝酸鹽和亞硝酸鹽超標(biāo)嚴(yán)重，中國(guó)地下水硝態(tài)氮超標(biāo)區(qū)域主要集中在老菜區(qū)，全國(guó)不少大中城市出現(xiàn)了蔬菜硝酸鹽含量超標(biāo)在80%以上的現(xiàn)象，硝酸鹽還原為強(qiáng)致癌物亞硝酸鹽會(huì)嚴(yán)重危害人體健康［13］。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中以噴霧、噴粉、揚(yáng)撒等方式施用化肥和農(nóng)藥會(huì)造成70%以上的損失率并污染大氣［11］。畜禽養(yǎng)殖生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量有毒、有害和有刺激性的氣體，如NH3、H2S、硫醇、乙烷和三甲胺等，未經(jīng)凈化處理直排到大氣中會(huì)加劇空氣污染［14］；施用畜禽糞污沼液沼渣能有效增加土壤養(yǎng)分含量，同時(shí)土壤養(yǎng)分和鹽分快速累積，對(duì)土壤環(huán)境帶來(lái)較大的污染風(fēng)險(xiǎn)［15］；用于促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng)及疾病預(yù)防和治療的抗生素很大一部分會(huì)殘留在動(dòng)物糞污中，糞污在收集-處理-利用的過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致大量養(yǎng)分和抗生素流失進(jìn)入環(huán)境造成生態(tài)污染［16］。此外，農(nóng)業(yè)面源污染產(chǎn)生的重金屬、病原菌微生物和寄生蟲(chóng)等均會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不利影響，如含Cd 磷肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中長(zhǎng)期使用，Cd 具有高毒性、高生物遷移性，農(nóng)藥的存在增加了土壤中重金屬到水體的流失量［17］，加劇了水體污染。

鑒于農(nóng)業(yè)面源污染的來(lái)源和特點(diǎn)，傳統(tǒng)方法難以對(duì)面源污染進(jìn)行監(jiān)測(cè)，導(dǎo)致其控制難度大、成本高、治理難以抓住重點(diǎn)，為減少和消除農(nóng)業(yè)面源污染對(duì)土壤、農(nóng)作物、水體和大氣等的危害程度，對(duì)面源污染的分析通常只能通過(guò)污染模型模擬分析其來(lái)源與量級(jí)，從而制定高效適宜的防控措施。

3 農(nóng)業(yè)面源污染模型

面源污染模型的主要任務(wù)是通過(guò)盡可能準(zhǔn)確地模擬面源污染所涉及的生態(tài)過(guò)程來(lái)估算污染物的流失量、判斷流失路徑、確定不同影響因素的敏感程度、評(píng)價(jià)不同治理措施的效果以及布設(shè)位置的變化，最終為合理制定面源污染治理策略提供科學(xué)依據(jù)［4］。常用的農(nóng)業(yè)面源污染模型類型很多，包括SWAT（Soil and water assessment tool）、SWMM（Storm water management model）、HSPF（Hydrological simulation program fortran）、APEX（Agricultural Policy environmental extender）、AnnAGNPS（Annual agricultural non-point source）、LTHIA（Long term hydrologic impact analysis）和ECM（Export coefficient method）等［1，4］，其中SWAT 和ECM 兩個(gè)模型在中國(guó)應(yīng)用較為廣泛［2，4］。

SWAT 模型適用于中到大流域尺度的面源污染負(fù)荷計(jì)算，其優(yōu)點(diǎn)是考慮了農(nóng)村和農(nóng)業(yè)管理措施的長(zhǎng)期影響以及匯流和泥沙匯合，可用于專門(mén)的流程如細(xì)菌載運(yùn)，但模型運(yùn)行需要大量的輸入文件，無(wú)法模擬水體中溶解氧的日變化，無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估極端日流量發(fā)生、土壤氮碳復(fù)雜動(dòng)態(tài)演化和產(chǎn)流模擬，在不同研究區(qū)域使用時(shí)必須修改數(shù)據(jù)庫(kù)［18］。納什效率系數(shù)（ENS）和決定系數(shù)（R2）用于分析SWAT 評(píng)價(jià)模型的模擬效果，R2大于0.6 且ENS大于0.5 時(shí)表示模擬效果較好［19］。楊佳磊［20］利用SWAT 模型對(duì)太湖流域農(nóng)業(yè)面源污染及其影響因素進(jìn)行了分析，3 個(gè)水文測(cè)量站2008—2018 年實(shí)測(cè)徑流數(shù)據(jù)率定和驗(yàn)證表明R2大于0.7 且ENS大于0.5，說(shuō)明所構(gòu)建的SWAT 模型適用于該流域農(nóng)業(yè)面源污染的模擬分析；1980—2020 年太湖流域污染物TN、TP 負(fù)荷變化空間分布相似，均為西北地區(qū)高、西南地區(qū)低，各土地利用類型對(duì)TN 負(fù)荷變化的貢獻(xiàn)從大到小依次為林地、耕地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地；對(duì)TP負(fù)荷變化的貢獻(xiàn)從大到小依次為耕地、林地、建設(shè)用地、水域、草地、未利用地。

ECM 模型是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性模型，該模型考慮土地利用分類，結(jié)合畜禽數(shù)量和分布、農(nóng)村居民非點(diǎn)源污染物排放，能較準(zhǔn)確估算氮磷負(fù)荷［10］，運(yùn)用ECM模型的關(guān)鍵在于確定模型輸出系數(shù)，而輸出系數(shù)受各種因素的影響，如地形、降雨和土壤類型等，但傳統(tǒng)ECM 模型未考慮降雨和地形等因素對(duì)面源污染輸出負(fù)荷的影響，使用時(shí)必須對(duì)ECM 模型予以改進(jìn)。馬亞麗等［21］基于降雨及地形因子修正改進(jìn)的輸出系數(shù)模型對(duì)龍溪河流域氮磷負(fù)荷進(jìn)行評(píng)估，改進(jìn)后模型模擬精度有所提高。劉佳昆［22］引入降雨因子、地形因子、植被覆蓋因子和河道距離因子對(duì)ECM 模型進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的ECM 模型TN 和TP 模擬精度分別提高了7.86%和0.14%。

除了污染模型外，中國(guó)流域內(nèi)對(duì)于農(nóng)業(yè)面源污染物負(fù)荷的估算方法有很多，較為常見(jiàn)的是徑流分割法、濃度平均法、降水差量分析法、等標(biāo)污染負(fù)荷法、排污系數(shù)法和清單分析法等［23-25］。如項(xiàng)頌等［25］使用排污系數(shù)法估算了2018 年洱海流域農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)污染中COD、TN 和TP 的負(fù)荷，結(jié)果表明，洱海流域農(nóng)業(yè)面源污染物COD、TN、TP的排放量分別為11 188.20、2 752.56、259.33 t；COD 排放量主要來(lái)自畜禽養(yǎng)殖，TN 與TP 的排放量均主要來(lái)自種植業(yè)。

4 農(nóng)業(yè)面源污染防治技術(shù)

根據(jù)污染物排放源的不同，農(nóng)業(yè)面源污染防治技術(shù)可分為種植業(yè)面源污染防治技術(shù)、畜禽養(yǎng)殖業(yè)面源污染防治技術(shù)和農(nóng)村生活污水治理技術(shù)3 種類型［26］，而依據(jù)面源污染物的產(chǎn)生和遷移機(jī)理，對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染物可實(shí)行源頭控制、過(guò)程阻斷、末端治理的防治策略［27］。

綜合考慮污染物排放、遷移和轉(zhuǎn)化過(guò)程，實(shí)現(xiàn)種植業(yè)面源污染的防控技術(shù)分為源頭削減、過(guò)程攔截和養(yǎng)分回用三級(jí)技術(shù)體系，源頭削減技術(shù)平均削減氮磷肥投入18%～42%和15%～33%，過(guò)程攔截技術(shù)平均減少氮磷排放15%～40%和14%～42%，養(yǎng)分回用技術(shù)平均削減氮磷肥投入17%～41% 和0～20%，各技術(shù)詳見(jiàn)表1［28］，源頭削減技術(shù)是行之有效的手段。

表1 種植業(yè)面源污染防控技術(shù)

畜禽養(yǎng)殖業(yè)面源污染防治技術(shù)分為源頭減量技術(shù)、過(guò)程控制技術(shù)和末端資源化利用技術(shù)［16］。①源頭減量技術(shù)。推廣使用微生物制劑、酶制劑等飼料添加劑和低氮磷、低礦物質(zhì)飼料配方，提高飼料轉(zhuǎn)化效率；減量使用獸藥和銅、鋅飼料添加劑，降低養(yǎng)殖污染排放；引導(dǎo)配套養(yǎng)殖糞污干濕分離等以減少污水中固形物含量。②過(guò)程控制技術(shù)。養(yǎng)殖場(chǎng)需建設(shè)必要的糞污收集處理設(shè)施，配套糞污收集處理技術(shù)，如微生物發(fā)酵床養(yǎng)殖、糞便堆肥處理和沼氣工程發(fā)酵產(chǎn)氣等技術(shù)以加速糞污資源化、無(wú)害化利用。③末端資源化利用技術(shù)。因地制宜地開(kāi)展還田處理，對(duì)規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖廢棄物的治理可考慮沼氣池生態(tài)能源加分散式污水處理模式，發(fā)酵產(chǎn)生的沼液經(jīng)人工濕地、氧化塘等處理后，出水用于農(nóng)田和果園等就地消化，沼渣直接用于園地和林地等［29］。小型養(yǎng)殖戶采用“源頭減量+沼氣池+沼液綜合利用”的就地利用模式，依托養(yǎng)殖場(chǎng)自有及周邊農(nóng)戶的水稻田和園地等，大力推廣“豬-沼-稻”和“豬-沼-園”模式［30］。

農(nóng)村生活污水主要來(lái)源于廚房污水、生活洗滌污水、沖廁水和牲畜的洗滌用水、糞水等，其特點(diǎn)為污水產(chǎn)生量小、分散且成分不同，污水排放量時(shí)空分布變化大，具有可生化處理性，污水難集中［31］，因此處理模式的選擇應(yīng)根據(jù)村莊條件因素、自然因素、建設(shè)因素、經(jīng)濟(jì)因素等多方面因素綜合考慮［32，33］，主要根據(jù)附近是否有城鎮(zhèn)污水收集管網(wǎng)、村莊居民分散程度、地形來(lái)確定農(nóng)村生活污水處理模式，具體情況見(jiàn)表2［34］。中國(guó)農(nóng)村生活污水處理技術(shù)按照主體技術(shù)單元構(gòu)成主要分為生物處理技術(shù)（厭氧∕好氧法、序批式活性污泥法和曝氣生物濾池等）、生態(tài)處理技術(shù)（人工濕地、土壤滲濾凈化系統(tǒng)和氧化塘等）和組合處理技術(shù)（生物處理+生態(tài)處理）3 種，3 種技術(shù)模式占比分別為5.88%、14.29%和79.83%；生態(tài)處理技術(shù)中，人工濕地、氧化塘和土壤滲濾工藝占比分別為72.22%、11.11%和16.67%，組合處理技術(shù)中，以生物處理+生態(tài)處理組合占比最大，為71.28%［35］。此外，單獨(dú)的厭氧消化技術(shù)如化糞池、農(nóng)村戶用沼氣池和厭氧濾池等技術(shù)在農(nóng)村生活污水處理中均有利用［36］。

表2 農(nóng)村生活污水處理模式選擇

5 結(jié)論

農(nóng)業(yè)面源污染對(duì)全球生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重危害，具有時(shí)間的不確定性、途徑的不確定性、量的不確定性和隨機(jī)性，加之污染來(lái)源的分散性、復(fù)雜性以及溯源的困難性等綜合特點(diǎn)，面源污染模型在污染負(fù)荷估算、流失路徑判別、關(guān)鍵污染源識(shí)別和關(guān)鍵污染區(qū)識(shí)別中發(fā)揮重要作用，為合理制定面源污染治理策略提供科學(xué)依據(jù)?！霸搭^削減、過(guò)程攔截、養(yǎng)分回用”三級(jí)技術(shù)體系是種植業(yè)面源污染和畜禽養(yǎng)殖業(yè)面源污染的防治策略，而農(nóng)村生活污水宜采用生物處理+生態(tài)處理組合處理技術(shù)。