我國農業(yè)面源污染立體監(jiān)測評估業(yè)務體系構建與應用

關鍵詞：水生態(tài)環(huán)境改善；農業(yè)面源污染；立體監(jiān)測網；業(yè)務平臺應用；優(yōu)化改進

中圖分類號：X522 文獻標志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）12-2743-09 doi：10.11654/jaes.2024-1048

黨的十八大以來，習近平總書記等中央領導同志多次就農業(yè)生態(tài)環(huán)境保護與治理作出重要指示批示。在2020年12月召開的中央農村工作會議上，習近平總書記強調要以釘釘子精神推進農業(yè)面源污染防治。2019年中央一號文件明確提出“加大農業(yè)面源污染治理力度”。黨的十九大報告中指出“強化土壤污染管控和修復，加強農業(yè)面源污染防治”。2015年4月，國務院印發(fā)《水污染防治行動計劃》，明確提出“控制農業(yè)面源污染”。2018年3月18日，十三屆全國人大一次會議審議通過國務院機構改革方案，將原農業(yè)部的監(jiān)督指導農業(yè)面源污染治理職能并入生態(tài)環(huán)境部。2020年6月，生態(tài)環(huán)境部正式發(fā)布的《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測規(guī)劃綱要（2020—2035年）》（環(huán)監(jiān)測〔2019〕86號）指出：2020—2035年，生態(tài)環(huán)境監(jiān)測將在全面深化環(huán)境質量和污染源監(jiān)測的基礎上，逐步向生態(tài)狀況監(jiān)測和環(huán)境風險預警拓展，構建生態(tài)環(huán)境狀況綜合評估體系，其中具體提出了以水生態(tài)環(huán)境改善為核心的農業(yè)面源污染監(jiān)測工作要按照“遙感監(jiān)測為主、地面校驗為輔”的原則，構建農業(yè)面源污染綜合監(jiān)測評估體系。2022年9月24日，生態(tài)環(huán)境部印發(fā)《全國農業(yè)面源污染監(jiān)測評估實施方案（2022—2025年）》（環(huán)辦監(jiān)測〔2022〕23號），明確提出了以“天地協同監(jiān)測、模型評估核算”為基本思路，構建了全國農業(yè)面源污染監(jiān)測評估綜合技術體系，建立了國家250m、省級30m及區(qū)域2 m遙感多尺度監(jiān)測和175個監(jiān)測區(qū)及1936個監(jiān)測點位地面?zhèn)鹘y監(jiān)測的全國農業(yè)面源污染立體監(jiān)測網絡，推動了全國范圍農業(yè)面源污染入水體量監(jiān)測評估業(yè)務工作的有效開展。

2023年作為全國農業(yè)面源污染對水生態(tài)環(huán)境影響監(jiān)測評估業(yè)務示范的第一年，初步證明了以水生態(tài)環(huán)境改善為核心的農業(yè)面源污染立體監(jiān)測評估技術體系的科學性和可行性。本文立足于農業(yè)面源污染監(jiān)測評估國內外研究進展，結合我國特色和生態(tài)環(huán)境部監(jiān)管職能，從監(jiān)測評估現狀、立體監(jiān)測網絡體系、綜合評價體系等方面具體闡述體系構成和應用情況，并進一步對本體系建設成效和發(fā)展方向進行總結，為“十五五”優(yōu)化完善“國家-流域-行政單元-區(qū)域”多尺度農業(yè)面源污染立體監(jiān)測評估體系提供技術支持。

1監(jiān)測評價體系頂層設計

1.1農業(yè)面源污染監(jiān)測評估研究進展

農業(yè)面源污染作為環(huán)境科學領域重大研究課題之一，其涉及了農業(yè)生產活動環(huán)節(jié)、氣候變化驅動機制、下墊面復雜傳輸過程和水生態(tài)環(huán)境影響等眾多方面，因此農業(yè)面源污染的監(jiān)測具有復雜性[1]。農業(yè)面源污染監(jiān)測是指利用環(huán)境監(jiān)測技術手段，監(jiān)測在農村生活和農業(yè)生產活動中從非特定的地域輸出污染物的種類、形態(tài)、濃度和輸出量，以及在降水和徑流沖刷作用下，通過地表徑流、排水和地下滲漏等形式，進入受納水體（河流、湖泊、水庫、海灣）所引起的污染[1-2]。國內外研究結果表明，農業(yè)面源污染監(jiān)測具有多尺度、多要素和多介質等復雜特征，因此污染量只能通過模型核算而無法直接監(jiān)測獲取[3]。因此，模型評估是面源污染來源分析、負荷量計算以及控制措施效果評估的有效手段。

農業(yè)面源污染評估技術最早在美國和歐盟地區(qū)得到了廣泛的應用。按照模型運行的復雜程度、可模擬的污染物指標類型、適用的時空尺度，可將評估模型劃分為經驗模型[4-5]、概念化模型[6]及機制型模型[7-10]三大類，通常需要根據管理的目的、區(qū)域特征來選擇合適的評估模型。國際上美、日、英等一些發(fā)達國家最先于20 世紀60 年代開始面源污染的分類特征研究，隨著研究的深入及其影響擴大，面源污染問題受到各國普遍關注和重視，進而推動了面源污染過程、負荷估算和控制技術等系統性研究[2]。隨著研究的進一步深入，對面源污染過程的廣泛監(jiān)測逐步加大，面源污染負荷的估算推動面源污染模型迅速發(fā)展，地理信息系統的應用進一步推進了面源污染的監(jiān)測和定量化研究。相對于歐美國家，我國的農業(yè)面源污染研究與監(jiān)測方面工作起步相對較晚，始于20世紀80年代的北京城區(qū)徑流污染研究，此后又在農業(yè)面源污染和城市徑流污染方面開展了一些研究工作，例如在天津于橋水庫[11]、三峽農田徑流[12-13]、太湖[14-15]、滇池[16]等地開展了面源污染監(jiān)測和評估，之后面源污染負荷的經驗統計模型、機理性過程模型等發(fā)展迅速并得到了廣泛的應用；近些年來，隨著“3S”技術的發(fā)展，我國基于RS和GIS的面源污染研究逐步開展。

監(jiān)測是評估有效性、科學性的重要前提和基礎，面對農業(yè)面源污染水質水量同步、地塊區(qū)域流域多尺度的監(jiān)測需求，開展農業(yè)面源污染量模型評估的前提是地面和遙感監(jiān)測數據的準確性和可靠性，這些監(jiān)測手段是模型運算精度的重要保障。因此，一個有效的農業(yè)面源污染監(jiān)測體系必然是由模型體系和天地監(jiān)測網共同組成，多要素之間相互協同，才能確保監(jiān)測結果的全面性和精確性。

1.2農業(yè)面源污染行政監(jiān)管現狀和主要問題

目前，我國具有管理職能的農業(yè)面源污染相關監(jiān)測網較多，具體包括農業(yè)農村部農田面源污染監(jiān)測網（田塊尺度，生產端），水利部水土流失監(jiān)測網和水文監(jiān)測網（匯水區(qū)尺度，過程端）和生態(tài)環(huán)境部水質監(jiān)測網（點尺度，結果端）等，具體如圖1所示。從圖1可以看出，現有國家監(jiān)測網覆蓋了農業(yè)面源污染監(jiān)測的主要過程，但數據間的標準化和時空匹配等問題，導致國家層面面源污染監(jiān)測尚未形成全鏈條業(yè)務體系，具體表現為：（1）職能分割導致面源污染監(jiān)測行業(yè)性較強，但是很難形成污染產、排、入河全過程監(jiān)測鏈；（2）傳統的地面監(jiān)測無法有效解決農業(yè)面源污染多尺度監(jiān)測評估，尤其在農業(yè)面源污染源的本底監(jiān)測方面缺少有效的立體監(jiān)測技術支撐。

1.3業(yè)務框架設計

結合農業(yè)面源污染作為科學問題的國內外研究成果和我國農業(yè)面源污染監(jiān)管現狀，從生態(tài)環(huán)境部農業(yè)面源污染防治監(jiān)督指導新職能出發(fā)，充分考慮現有國家相關監(jiān)測網絡構建情況，研究團隊提出了以水生態(tài)環(huán)境改善為核心的農業(yè)面源污染監(jiān)督指導業(yè)務框架（圖2），進一步明確了業(yè)務定位、立體監(jiān)測技術和多尺度網絡布設等關鍵問題。

2“一張網”立體監(jiān)測評估業(yè)務體系構建

以科學設計和支撐管理為總原則，結合農業(yè)面源污染量“測算一體”的出數特性，以模型評估體系為核心，構建與之匹配的“一張網”式立體監(jiān)測評估體系。

其中模型評估體系具體包括數據標準化處理、多級模型評估和分區(qū)分級評價3個環(huán)節(jié)，立體監(jiān)測體系包括地面綜合監(jiān)測、地塊調查監(jiān)測和遙感監(jiān)測核查3個主要內容，充分考慮國家層面現有面源污染相關監(jiān)管數據網情況，以行業(yè)外服務產品和行業(yè)內自主監(jiān)測相結合的形式，構建模型評估立體驗證網絡。立體監(jiān)測評估業(yè)務體系框架如圖3所示。

2.1立體監(jiān)測網體系構建

2.1.1地面監(jiān)測網建設

按照功能疊加性、單元獨立性和類型多樣性的原則，充分考慮胡煥庸線地理分割特征，以水文分區(qū)（匯水單元）為基本單元，并充分考慮行政監(jiān)管等需求開展選區(qū)布點，確定全國農業(yè)面源污染地面監(jiān)測網構建方案。2022年共確定了175個農業(yè)面源污染監(jiān)測區(qū)及1936個監(jiān)測點位[17]，污染通量地面驗證點位50個。全國175個監(jiān)測區(qū)總面積為7 187.03 km²，其中包括105個匯水單元（面積占比68.2%）、46個農田灌區(qū)/圩區(qū)（面積占比6.8%）、24個連片種植區(qū)（面積占比25.0%）；1 936個監(jiān)測點位中監(jiān)測區(qū)出入口地表水監(jiān)測點位600個、土壤監(jiān)測點位1 322個、入河排污口監(jiān)測點位13個和水產養(yǎng)殖監(jiān)測點位1個。“十四五”期間全國各省份農業(yè)面源污染監(jiān)測區(qū)和點位類型分布情況如圖4所示，流域分布統計信息見表1。

2.1.2遙感監(jiān)測網建設

遙感監(jiān)測技術是解決農業(yè)面源污染尺度監(jiān)測評估的重要手段之一，主要體現在典型區(qū)域污染源空間識別和污染物傳輸下墊面全覆蓋定量刻畫。遙感監(jiān)測網充分考慮到“耕地”“林地”“草地”“水域”“城鄉(xiāng)、工礦、居民地”和“未利用地”6大類及25個小類全覆蓋下墊面識別，還增加了“水澆地”“果園”“茶園”“橡膠園”等區(qū)域典型農業(yè)面源污染源精細識別，實現了250、30 m和2 m多尺度“國家-省市-區(qū)域”多級監(jiān)測評價，典型農業(yè)污染源空間分布具體見圖5。

2.2 分區(qū)分級綜合評價體系構建

我國農業(yè)面源污染入水體量和地表水生態(tài)環(huán)境納污能力均具有較大的空間異質性，農業(yè)面源污染物入河量超出受納水體的納污閾值會引起水體富營養(yǎng)化等一系列水生態(tài)環(huán)境問題[18]。因此分區(qū)分級科學核算農業(yè)污染環(huán)境安全閾值，快速有效評價農業(yè)面源污染風險，判別農業(yè)面源污染關鍵管控區(qū)域，對于農業(yè)面源污染的精準防控至關重要。

2.2.1 評價指標選取

采用直接評價法，即從國家農業(yè)面源污染監(jiān)測評估系統的輸出變量直接選取污染量指標進行評價，考慮到業(yè)務管理指標易簡的原則，本體系中選取農業(yè)面源總氮和總磷入水體強度作為國家尺度農業(yè)面源污染分區(qū)分級綜合評價的評價指標。

2.2.2 綜合評價指數構建

充分借鑒水氣質量監(jiān)測評價方法，本研究采用農業(yè)面源綜合評價指數（Evaluation index of agricul?tural non-point sources pollution）作為農業(yè)面源總氮和總磷入水體強度對地表水綜合污染影響評價指標，通過綜合指數加權求和法計算綜合評價指數[19]，計算公式如下：

由于農業(yè)面源總氮和總磷入水體強度的數量級不同，首先，需要根據標準化方法對評價指標進行標準化處理。數據標準化方法包括極差法、歐式距離法、均值標準化法、對數壓縮數據法等，其中極差法應用最為廣泛。氮磷污染物對地表水的危害程度不同，因此各評價指標對最終評價結果的權重不同。權重確定方法包括專家法、層次分析法、熵權法、變異系數法、灰色關聯分析法、改正的理想解法等[11，20]。由于農業(yè)面源污染受自然因素和人為活動的共同影響，為減少人為主觀判斷的影響，增強綜合評價結果的可信度，建議使用客觀權重確定法[21]計算農業(yè)面源總氮和總磷入水體強度的權重。

2.2.3 分區(qū)分級評價閾值確定

農業(yè)面源污染具有典型的區(qū)域特征，全國采用統一污染量閾值評價不能充分體現評價結果的科學性和客觀性，本研究結合現有農業(yè)區(qū)劃、氣候區(qū)劃等進行農業(yè)面源污染分區(qū)，在每個區(qū)內，結合水資源、水環(huán)境等相關分級標準進行污染量分級。具體地，根據我國綜合農業(yè)區(qū)劃、全國降水干濕區(qū)劃、年降雨量空間分布特征將全國劃分為3 個評價區(qū)域，基于各區(qū)域地表水資源量、地表水生態(tài)環(huán)境質量標準（GB 3838—2002）中總氮和總磷的標準限值以及第二次全國污染普查中農業(yè)源氮磷占比計算各區(qū)域農業(yè)面源氮磷入水體強度的污染閾值[1，22-23]。具體計算公式如下：

式中：T_i表示區(qū)域i 農業(yè)面源污染物環(huán)境安全閾值；Q_i表示區(qū)域i 地表水資源量；C_j，l表示評價指標j 在l類水中的濃度標準限制；P_j表示第二次全國污染源普查結果中農業(yè)源評價指標j 的占比；A_i表示區(qū)域i農田和農村居民點的總面積。

參照《地表水環(huán)境質量標準》將農業(yè)面源污染綜合評價劃分為6 個等級[22]，根據各區(qū)域農業(yè)面源總氮和總磷的環(huán)境安全閾值，利用農業(yè)面源綜合評價指數計算方法，計算各區(qū)域農業(yè)面源分級綜合評價閾值。

3全國多級業(yè)務平臺建設

基于遙感分布式面源污染監(jiān)測評估（DPeRS）[24-25]模型算法，整合立體監(jiān)測網絡體系，構建“全國-省級-區(qū)域”多級農業(yè)面源污染評估業(yè)務平臺。平臺具體包括全國農業(yè)面源污染監(jiān)測評估數據上報管理系統（以下簡稱“上報數據管理系統”）、“國家農業(yè)面源污染立體監(jiān)測評估系統”（以下簡稱“國家評估系統”）和“省級農業(yè)面源污染立體監(jiān)測評估系統”（以下簡稱“省級評估系統”）?！吧蠄髷祿芾硐到y”服務于全國31個?。▍^(qū)、市）和新疆生產建設兵團農業(yè)面源污染監(jiān)測數據上報與審核及遙感監(jiān)測數據分發(fā)等工作，“國家評估系統”服務于全國尺度農業(yè)面源污染評估工作，研發(fā)的“省級評估系統”分發(fā)至31個?。▍^(qū)、市）和新疆生產建設兵團，服務于省級尺度農業(yè)面源污染評估工作，構建“國家-省級-區(qū)域”農業(yè)面源污染評估多級評估體系，實現全面系統地收數、管數和用數。

3.1國家農業(yè)面源污染監(jiān)測評估系統建設

以DPeRS 評估模型算法流程為核心業(yè)務流程，采用人機交互方式設置并讀取各類自然及社會經濟要素參數，通過分布式并行處理技術實現海量空間數據快速運算，采用向導式操作流程實現“數據準備-模型運算-統計分析-專題產品生產”一鍵化業(yè)務運行模式，滿足“國家-流域-區(qū)域”等多尺度、“農田種植-畜禽養(yǎng)殖-農村生活”等多類型農業(yè)面源污染監(jiān)測評估業(yè)務。系統根據業(yè)務流程建設了數據管理子系統、污染量評估子系統、時空分析子系統等子系統，實現了農業(yè)面源污染可視化評估、分析及數據管理能力（圖6）。

3.2省級農業(yè)面源污染監(jiān)測評估系統建設

“省級評估系統”主要適用于省級用戶進行本行政區(qū)域農業(yè)面源污染監(jiān)測評估，核算算法與國家級系統一致。系統采用C/S架構模式，與“上報數據管理系統”聯通，并提供了交互操作方式，可通過“數據準備”“污染量核算”和“結果輸出”三步操作完成省級農業(yè)面源污染量核算（圖7）。

4總結與展望

農業(yè)面源污染立體監(jiān)測評估業(yè)務體系的構建是現代化監(jiān)測的重要體現，也是生態(tài)環(huán)境高質量監(jiān)管的必然要求?！笆奈濉逼陂g，以水生態(tài)環(huán)境質量改善為核心的農業(yè)面源污染立體監(jiān)測評估業(yè)務體系應用初具規(guī)模，并首次實現國家尺度全覆蓋農業(yè)面源污染入水體總量核算，但是，按照精準治污和新質生產力的發(fā)展要求，當前的“一張網”尚需要通過技術攻關繼續(xù)完善，主要體現在水質水量同步監(jiān)測技術提升、跨介質網絡布點優(yōu)化和全流程立體監(jiān)測質控體系建設等方面，具體如下：

（1）受限于傳統監(jiān)測技術成本高和自動化與智能化能力不足等原因，需要進一步從裝備算法協同和一體化方面開展科技攻關，充分利用“五基”協同技術，解決非接觸式水質水量同步自動連續(xù)監(jiān)測問題，實現農業(yè)面源污染通量產生-排放-流失-入海的全過程通量精準監(jiān)測評估。

（2）圍繞從山頂到海洋的跨介質環(huán)境感知網建設要求，現有監(jiān)測網絡布局中尚未達到陸海統籌水氣土多介質的全面布點和監(jiān)測，下一步將繼續(xù)充分考慮河口區(qū)入海監(jiān)測和氣態(tài)污染物監(jiān)測等關鍵問題，通過科學技術攻關推動跨介質多類型農業(yè)面源污染物全路徑協同監(jiān)測核算，更好地提升新質生產力水平，有效支撐精準治污管理要求。

（3）立體監(jiān)測中衛(wèi)星遙感監(jiān)測是重要一環(huán)，但相較傳統地面監(jiān)測成熟的質量控制體系，由于遙感數據獲取過程中受地氣耦合效應、觀測條件、載荷自身特性等諸多影響，不同傳感器同一遙感監(jiān)測產品質量間缺少統一的基準，今后將進一步完善面向衛(wèi)星多要素農業(yè)面源污染立體監(jiān)測全流程質控體系研究，構建定量遙感產品不確定性量化表征與質量溯源標準。

下一步將繼續(xù)通過科技攻關解決立體監(jiān)測體系建設中的關鍵問題，進一步推動以水生態(tài)環(huán)境改善為核心的我國農業(yè)面源污染立體監(jiān)測評估業(yè)務體系不斷發(fā)展完善。