亞熱帶區域農業面源污染流域源頭防控機理與技術示范

吳金水，李勇，李裕元，肖潤林，王毅，沈健林，周腳根，李希，劉新亮，羅沛，王娟，孟岑，王美慧，劉濟

（中國科學院亞熱帶農業生態研究所長沙農業環境觀測研究站，亞熱帶農業生態過程重點實驗室，湖南 長沙 410125）

大量研究表明，農業面源污染是造成水體氮磷含量增高的主要原因，我國農業面源污染源占主要水污染物排放量的40%以上，其中總氮、總磷排放量分別占全國排放總量的57.2%和67.3%[1]，我國主要流域，如滇池、太湖、洞庭湖和巢湖，分別有60%～70%的總氮與50%～60%的總磷來自于農業面源污染[2]。美國密西西比河流域總氮、總磷分別有50%～70%和40%～50%來自于農業面源污染[3]。因此對流域尺度氮磷的收支評價與估算、氮磷流失過程規律及其模擬、氮磷面源污染防控與治理的研究不僅是農業生態系統養分管理的重要內容[3-4]，對于河流和湖泊水體富營養化治理也有重要現實意義[5-6]。

亞熱帶紅壤丘陵區地屬亞熱帶溫暖濕潤季風氣候區，是我國主要的糧食產區和畜禽養殖區。由于區內農用化肥的大量使用和畜牧業的高速發展，農業生產領域過剩的氮磷向周邊環境無序排放[7-8]，大部分氮磷污染物由降雨徑流通過溝渠輸移進入水體，致使該地區農業小流域水體出現明顯的富營養化趨勢[8-9]。針對亞熱帶地區現代農業發展及農區環境治理等方面的重大需求，中國科學院亞熱帶農業生態研究所、湖南省長沙縣人民政府、湖南湘豐茶業有限公司等機構于2011年聯合共建“長沙農業環境觀測研究站”（簡稱 “長沙站”）。該站以亞熱帶丘陵區典型小流域為對象，研究建立流域源頭環境監測方法、氮磷環境安全控制標準，精確解析流域氮磷遷移規律與輸出通量；建立流域以水文和氮磷過程為主要對象的流域環境模型、流域環境安全評價和污染源頭防控決策支持系統；探索農業氮、磷減控關鍵途徑，構建流域面源污染源頭防控技術體系；為我院和研究所建設流域環境研究、人才培養、科技推廣和應用示范區域平臺。重點開展四個方面的研究內容：1）流域環境與重要生態過程監測；2）流域農業面源污染防控決策支持系統；3）流域源頭污染防控關鍵技術研發和示范；4）現代農業模式研發和示范。

至2018年，長沙站承擔了國家自然科學基金委重大、重點、優秀青年等基金項目；國家重點研發計劃、科技支撐計劃、“973”等項目與課題；及院知識創新工程重大項目課題及重要方向項目等任務。“十一五”期間，針對城郊農業區的氮磷富營養化問題，提出了“防、控、阻、治”相結合的綜合技術體系；“十二五”期間，在“973”項目和國家科技支撐計劃、中科院重點項目的支持下，研發了包括農田排水、養殖/生活污水、富營養化水體等農業面源污染流域源頭防控技術體系，并在湖南、浙江等十省（市）推廣應用，研發了具有我國自主知識產權的流域生源要素管理模型（CNMM）；“十三五”期間，在多項國家重點研發計劃項目及課題的支持下，突破氮磷在土壤—作物—地表水系統中運移—平衡定量化關系理論、氮磷徑流流失防控機制與削減技術途徑等瓶頸，制定徑流易發區農田氮磷徑流流失防控技術規則和標準草案，開展以綠狐尾藻生態濕地為主體的農業面源污染流域源頭防控技術體系的大流域區域示范。在研究所成立40年之際，本文匯總整理了本研究團隊近幾年的研究成果，以期在充實農業面源污染防治的重要理論基礎上，為亞熱帶農業區面源污染的治理和防控提供關鍵的實踐技術。

1 亞熱帶典型小流域氮磷平衡特征

農業流域氮磷面源污染引發的水體富營養化問題已嚴重影響到世界各地水體環境、飲用水安全和農業生產[10-11]。依據流域氮磷收支平衡特征尋求解決氮磷環境問題的新途徑已成為近年來關注的新熱點[12-13]。物質流分析法是研究流域或區域氮磷平衡的常用方法[14]。歐美等發達國家的一些研究表明，流域或區域磷收支中輸入項主要為肥料和飼料，一般分別占80.0%和20.0%；輸出項中主要以動、植物產品為主，大約為80.0%～90.0%[15-16]。我國一些學者對中國典型農業流域的氮收支特征做了初步研究和估算，結果表明化肥是流域氮的主要來源，一般占44%～64%，而作物收獲是氮素輸出的主要方式，占49%～70%[17]。由于社會經濟狀況、發展水平及模式的差異，不同國家或地區之間氮磷的收支特征也不同，然而氮磷在環境中滯留均導致了一個共同的問題，即水體富營養化和水環境惡化。因而流域尺度上的氮磷收支特征已成為土壤學與環境學共同關注的焦點。

湖南省地處亞熱帶丘陵區，水熱豐沛，是我國主要的雙季稻種植區，長期以來高投入—高產出的農業種植模式是導致該地區水環境污染的重要因素[18]，尤其是近年來規模化養殖業的迅速發展，加劇了該地區水環境的惡化[19-20]。中國科學院亞熱帶農業生態研究所長沙農業環境觀測研究站，基于社會經濟調查，結合流域出口水質定位觀測數據，利用物質流分析法，研究亞熱帶區域典型金井農業小流域氮磷的收支特征。結果表明，受傳統生豬養殖和水稻種植的影響，流域氮磷輸入以飼料和肥料為主（占總氮輸入46%～75%，占總磷輸入91%～97%），有別于其他以種植為主要單一農產業的流域（氮磷輸入均以肥料為主）[15-17,21-22]；金井小流域內動植物產品輸出也是相應的最大輸出項（占總氮輸出30%～54%，占總磷輸出84%～95%）（圖1）[23-24]。整個金井小流域內氮磷持留強度分別為162.35 kgN/(hm2·a)和 31.14 kgP/(hm2·a)，與其他研究區域相比，金井小流域氮磷環境滯留強度并不很高，但其環境污染狀況卻比其嚴重許多，意味著氮磷收支平衡與水環境的關系較為復雜，其它因素（如P的來源與形態特征、水體中N的轉化等其它面源污染物狀況等）也有重要影響，這些尚待進一步的深入研究。

河流水質監測期間，金井流域83%的水樣TP≤0.2 mg/L，但僅有4.3%的水樣TN≤1.0 mg/L（Ⅲ類水標準，GB 3838—2002），表明高強度的氮輸入已造成明顯的水體氮污染。因此，準確定量分析流域氮磷的收支特征與結構，可以在宏觀上科學指導流域種養格局、施肥等，解決或緩解種養脫節所造成的資源浪費和環境污染[23]。

圖1 金井典型農業小流域氮磷收支結構Fig. 1 Nitrogen and phosphorus budget components in the Jinjing catchment

2 亞熱帶典型小流域稻田氮磷流失規律

水稻種植業作為我國重要農業產業，產量占全球總量的31%，使得我國成為世界上水稻總產量最高的國家。過去30年，我國稻田一直處于高度集約化的養分管理模式下，化肥和秸稈施用量不斷攀升，致使稻田氮磷流失嚴重。我國南方亞熱帶雙季稻主產區，總氮和總磷年均徑流流失量分別為1.16～5.35 kgN/(hm2·a)和 0.10～0.52 kgP/(hm2·a)。且總氮徑流流失主要以可溶性氮為主，約占總氮的76.4%，其中無機態的銨態氮和硝態氮流失量，分別占總氮的36.1% 和5.7%；總磷徑流流失主要以顆粒態磷為主，占總磷流失的95.3%～98.6%。已有研究結果一致認為田塊尺度稻田氮磷徑流流失過程主要受施肥、灌溉等農藝措施調控。最新研究發現，高強度施肥和秸稈還田會改變土壤碳氮磷元素計量比率特征（C∶N∶P）[25-27]，引發稻田土壤關鍵生物地球化學過程（礦化腐殖化、硝化反硝化、植物養分吸收利用、吸附解析等過程）的變化，間接調控稻田土壤氮磷釋放及其徑流流失過程。如田塊尺度稻田總氮徑流流失強度與土壤微生物量C∶N成負相關關系（圖2）；稻田總氮徑流權重濃度與土壤中總氮（TSN∶土壤總氮）及其元素化學計量比（S_NP∶土壤氮磷比）的總體效應成負線性相關，而與土壤微生物量（MBN和MNP）的總體效應卻成正相關關系（圖3）。因此，進一步明確土壤生態化學計量學特征對氮磷徑流流失過程和行為規律的作用機理，對亞熱帶農業流域稻田氮磷流失風險防控具有重要意義。

圖2 稻田總氮流失強度與土壤微生物量C:N的相關分析Fig. 2 Correlation analysis between soil microbial biomass C:N ratio and total nitrogen loss through runoff from paddy rice fields

圖3 稻田總氮徑流流失權重濃度與因子間結構方程模型Fig. 3 Structural equation models (SEM) for correlation factor effects on loss through runoff from paddy rice fields

連片稻田是亞熱帶農業流域生態系統廣泛存在的景觀類型。稻田的連片性被定義為在空間上的相對相連接度（即相鄰程度），兩塊稻田在空間上相隔距離越小，連片性就越高，當相隔距離小于一定閾值時，可認為是連片的[28]。稻田氮磷徑流流失過程具有尺度效應。由于外界環境因素的差異和空間尺度效應，不同空間尺度上稻田氮磷徑流流失特征呈現差異性變化。通常隨著空間尺度上升，稻田氮磷徑流流失強度逐漸減弱[29-30]。楊寶林等[30]報道，南方低山丘陵區農田氮磷流失存在尺度效應，隨著尺度的增大，單位面積氮總流失負荷呈現顯著下降趨勢，從田間到支溝尺度，總氮、總磷、硝態氮和銨態氮排放負荷分別下降了70.8%、69.5%、46.7%和79.1%。本團隊研究結果表明（圖4），田塊尺度稻田田面水氮磷濃度要顯著高于連片農田尺度（8.12±2.59 v.s. 4.47±0.6 mgN/L, 0.59±0.24 v.s. 0.23±0.03 mgP/L），這也證明了稻田氮磷徑流流失過程具有尺度效應。從田塊到連片稻田尺度的氮磷流失強度下降，主要原因可能是灌區塘堰、排水溝渠等對農田排水的重復利用和農田流失氮磷的持留[29]。連片稻田是檢驗流域農業面源污染防控措施效果的重要實驗尺度[31-32]。但是當前對稻田氮磷徑流流失的研究與定量通常在田塊尺度上，因此對連片稻田氮磷流失及其尺度機理尚不清楚，需要進一步深入研究。

圖4 田塊和連片稻田田面水氮磷濃度Fig. 4 Nitrogen and phosphorous in surface ponding water of paddy field and continuous fields

流域是水文水質研究和自然資源規劃的基本單元。理解和定量復雜時空尺度下流域氮磷遷移流失過程是制定和優化流域水環境規劃和管理策略的基礎。亞熱帶紅壤丘陵區獨特地形地貌和多樣性土地利用方式導致流域徑流過程和氮磷遷移流失規律的復雜多變[33-34]。水文過程是流域氮磷遷移流失的主要驅動力。地表徑流可以沖刷搬運富含氮磷養分的泥沙直接進入水體[35]，地下徑流能通過匯流將氮磷帶入地表或地下水體[36-38]。在亞熱帶紅壤丘陵區典型農業流域中，大面積種植水稻會導致淺層地下水氨氮污染，同時提高地下水硝態氮和總氮濃度[39-40]。由于硝態氮和總氮易隨地下水遷移，基流對流域硝態氮和總氮流失貢獻分別高達27.3%～36.5%和21.3%～33.5%，尤其在水稻種植面積比例高的流域和水稻休耕期，基流對硝態氮和總氮流失貢獻更大[36-38]。流域景觀格局通過影響流域氮磷輸入—交換過程調控氮磷遷移流失過程。流域景觀格局與河流水體氮磷濃度顯著相關，流域內水稻種植面積比例、景觀斑塊的破碎程度、景觀多樣性指數越高，河流水體氮磷濃度越高[33,41]。應用Boltzmann函數定量分析流域水稻種植面積比例與氮磷濃度和通量的結果表明（圖5），水稻種植對河流水體氮磷濃度和通量的影響存在一定閾值，當水稻種植面積比例小于29%，水稻種植對流域河流水體氮磷污染的負面影響幾乎可以忽略[42]。

圖5 稻田面積比例與流域河流水體氮磷濃度與輸出負荷的關系（引自：Wang等[42]）Fig. 5 Correlation between areal proportion of paddy field and nitrogen and phosphorus concentrations and monthly loading in catchment stream water

3 流域生源要素管理模型（CNMM）

流域生源要素管理模型可以用于驗證生態與環境過程科學假定、評估事件的可預測性和提供評價基準。傳統的生源要素過程模擬研究一直聚焦于建立單一模型，孤立地處理生態過程與水文過程，因此很難在時空尺度上準確把握流域生源要素循環過程的復雜非線性變化[43-44]。本研究團隊開發的CNMM模型是以我國南方亞熱帶小流域為研究區域的一種分布式數學物理過程模型[45]，該模型基于物理空間網格進行架構和運行，以數字高程模型（DEM）網格節點為中心，計算時將流域劃分為若干柵格單元，在各網格上根據質—能平衡方程求解。CNMM模型的模擬空間大小為1～500 km2（小流域），垂直深度為1～10 m（一般為4 m），時間尺度為1～1 000 年 (一般為 30、60、90年)，時間步長為1 h～1 d（一般為3 h），網格大小為1～100 m（一般為10 m）。CNMM模型具有三維的溶質遷移模塊和水文模塊。溶質遷移模塊涉及植物生長、植物—土壤—水體系統中的水—碳—氮—磷循環（包括新鮮有機物質分解、土壤有機質分解與積累、干濕沉降、硝化和反硝化、碳氮氣體（CO2、N2O、NO、N2、NH3）排放等）、水土及碳氮磷遷移與流失、農業管理措施（包括播種、收獲、耕作、施肥、灌溉、水渠植草、廢棄物管理等）等子過程；水文模型涉及降雨與蒸發、地表徑流匯流、不飽和區和地下水飽和流匯流、渠道水流匯流、融雪等子過程。CNMM模型的新穎之處在于它是基于柵格和水系網絡的，可作用于任意時空尺度，對時間做一維剖分，對空間做三維立體剖分。選取金井流域觀測數據對模型驗證的結果表明，即使在沒有參數校正情況下，CNMM模型仍能準確模擬流域出水口流量（圖6）和氮磷濃度變化（圖7）。

4 生態溝渠氮磷流失削減

農田排水溝渠作為農田生態系統的重要組成部分，承擔著農業小流域面源污染物向地表水體運移的重要作用，約60%～90%的流域降雨徑流和養分通過溝渠系統輸出[46-47]。合理利用溝渠進行農田污染物的生態攔截，可有效減少農田氮磷流失對下游水體造成的污染，提高養分資源的循環利用。生態溝渠是在農田排水溝渠中利用種植植物對水體氮磷養分的直接吸收及其水生植物提供的生態功能服務而構建的具有環境保育功能的小型人工溝渠，能攔截、消納上游徑流水體帶來的泥沙、農業面源污染物（氮磷）等，凈化水質、保護水環境[48-49]。生態溝渠通常采用梯形斷面、復式斷面和植生型防滲砌塊技術，它的兩側溝壁由蜂窩狀水泥板或混凝土構成且具有一定坡度，溝體較深，溝體內每隔一定距離構建小壩以減緩水速、延長水力停留時間，使流水攜帶的顆粒物質和養分等得以沉淀和去除。作為最有效的農業面源污染攔截技術之一，生態溝渠技術已經在我國南方地區得到廣泛應用[50-56]。

研究表明，生態溝渠對農田排水總氮、總磷的去除率范圍分別為48%～64%和40%～70%[50,52]。楊林章等[50]研究了主要由工程部分和植物部分組成的生態攔截型溝渠系統，能減緩水速，促進流水攜帶顆粒物質的沉淀，有利于構建植物對養分的立體式吸收和攔截，從而實現對農田排出養分的控制，對總氮和總磷的去除效果分別達到48%和41%[50]。針對丘陵區農業面源污染特點，長沙站提出美人蕉、銅錢草、黑三棱、綠狐尾藻、燈芯草等多種水生植物聯合種植的生態溝渠濕地技術（圖8），該技術能有效凈化劣Ⅴ類以上的農田排水，出水達到地表水III類以上水質標準[52-53,56]。200 m長的生態溝渠每年可攔截泥沙氮52.4 kg，泥沙磷21.4 kg；每年植物累積吸收氮磷量分別為7.9 kg和1.4 kg[52,56]。生態溝渠去除氮磷的主要方式包括植物吸收、基質吸附以及微生物作用等，去除效率受進水水質、氣溫等條件的影響[50,52-53,56]。溝渠植物的生長及其定期刈割管理可提高底泥氮磷的去除率[51-52,55]。比如，水生植物種植能夠提高溝渠底泥表層有機質和草酸提取態鐵的含量，促進底泥對磷的吸附[51,55]。生態溝渠內選用具有一定經濟價值的植物，可帶來一定的經濟補償和良好的生態景觀，同時刈割可降低因植物凋落等原因引起的水體二次污染問題。刈割的水生植物用于綠肥直接還田或覆蓋到旱地、茶園等，實現氮磷養分的循環利用[57]。根據上述研究，長沙站提出了基于區域污染程度的生態溝渠設計和控制范圍，例如污染較小區域（種植業和生活污水為主），每100 m2生態溝渠可控制1.0 km2的匯水區；污染較大區域（養殖業為主），每100 m2生態溝渠可控制0.5～0.6 km2的匯水區。與其他控制措施相比，生態溝渠建設成本低、污染去除效率高，更適合在農村地區推廣應用。

圖6 CNMM模型對流域出水口徑流流量的模擬Fig. 6 Observed and simulated stream flow at the catchment outlet

圖7 CNMM模型對流域出水口水體總氮與總磷濃度的模擬（引自：李勇等[45]）Fig. 7 Observed and simulated total nitrogen and phosphorus concentrations in stream water at the catchment outlet

圖8 200米生態溝渠及其沿程水質變化Fig. 8 Photos of the 200-meter ecological ditch and the water quality along water flow direction

5 農業面源污染生態技術研發與示范

針對我國以農田養分流失、分散型農村生活污水以及養殖業廢水無序排放為主要特征的農業面源污染問題，本研究團隊在生態治理方面研發了相關技術并加以推廣。

5.1 規模化養殖場廢水生態治理技術

針對養殖廢水治理的問題研發了稻草—綠狐尾藻（Myriophyllum elatinoidesL.）生態治理技術[58-59]，具有工程投資少和運行成本低的特點（圖 9）。通過對養豬場實際處理效果的動態監測結果分析表明，該技術對養殖廢水主要污染物（COD、總氮、氨氮、總磷）的去除效果較好（96.4%、97.9%、99.3%和90.6%），出水水質均顯著優于國家養殖廢水排放標準（GB 18596—2001）。同時能夠通過水產養殖、青飼料利用等途徑產生直接經濟效益2.8萬元/(萬頭 ·年 )[60]。

5.2 分散式生活污水、養殖和農田面源污染生態治理技術

針對分散型生活污水、養殖污染和農田面源污染的問題研發了生態溝渠+綠狐尾藻穩定濕地塘系統生態治理技術[61-67]，具有工程投資少、運行成本低和治理效果好的特點（圖10）。通過示范點（四川鹽亭縣石牛廟鄉、長沙縣白沙鎮錫福村）監測分析結果表明，該技術對去分散型生活污水、養殖廢水TN、TP去除率為80%和86.7%。通過小區試驗進一步研究發現，引入挺水植物（水芋頭、銅錢草、梭魚草），構建綠狐尾藻與挺水植物組合能夠顯著提升濕地塘對污水中COD、TN、TP的處理效果[68]。

5.3 面源污染資源化利用技術

針對綠狐尾藻營養價值高的特性，開展了綠狐尾藻飼料化和綠狐尾藻濕地資源利用技術研究，其中綠狐尾藻飼料化關鍵技術包括機械收割技術與收割機械研發、綠狐尾藻粉碎與脫水技術研究、綠狐尾藻青貯飼料制備技術[69-72]。通過研究在飼糧中添加綠狐尾藻對肥育豬生長性能、血清生化指標和胴體品質的試驗結果表明，飼糧中添加10% 綠狐尾藻，可改善育肥豬血清生化指標，降低平均背膘厚，減緩肌肉pH下降速度，降低滴水損失，改善豬肉品質[73]。生態濕地資源化利用中，以綠狐尾藻為養殖介質開展生態濕地水產養殖試驗（黃鱔、大閘蟹）。試驗結果表明末端綠狐尾藻濕地養殖黃鱔和大閘蟹收入客觀，折合利潤：黃鱔27.76～29.55萬元/hm2，大閘蟹 21.64～22.99 萬元 /hm2[74]。

依托11個中科院野外試驗站的通力協作以及示范推廣，以上生態治理技術已經在10個省（市）以政府、企業合作形式開展。共建成（興建）不同規模的養豬場（24個豬場，年生豬存欄總量16.5萬頭）廢水、農田排水和生活污水（22個片區，涉及農田面積1 943 hm2、人口2.2萬人）和富營養化河道水體（4條，治理總長度約4.5 km）等治理點52個（表1），治理效果顯著，社會反響良好。

圖9 養殖廢水生態治理技術工藝流程圖（引自：李遠航等[60]）Fig. 9 Process flow chart of swine wastewater ecological treatment technology

圖10 分散式生活污水生態治理技術工藝流程圖Fig. 10 Process flow chart of distributed sewage ecological treatment technology

表1 示范及輻射推廣點統計Table 1 Demonstration and radiation promotion point statistics

6 研究展望

長期大量施用化肥使土壤中氮磷富集超過環境安全容量之后，便通過水土流失向水體環境釋放大量氮磷，造成亞熱帶紅壤丘陵區水體富營養化。流域氮磷流失既受氮磷本身形態及其在土體中復雜的物理、化學和生物過程的控制，也受水文、地形、氣候和人為活動等外界因素的制約或驅動。流域氮磷流失及其環境效應評估的難度相對較大，在不同地理尺度上考慮的因子也不盡相同，采用單一評價指標會帶來較大的誤差。大量研究充分肯定，過量化肥輸入、不合理農業管理等是導致流域氮磷流失量增加的主因；氣候、地形等環境因素對氮磷流失有重要影響。

國內外針對流域氮磷面源污染研究出了“源頭控制”、“中途攔截”和“末端治理”三大防控對策的最佳管理措施（BMP）：如4R技術和“控減阻治”等。然而，這些研究成果對流域流失氮磷在土壤—作物—水體系統的定量關系把握不夠，生物地球化學過程機制不夠清晰，在我國亞熱帶區域適應性不強。為控制農田氮磷流失對水體的污染，“十一五”以來，中國科學院亞熱帶農業生態研究所部署一系列重大科技項目開展治理技術研發和示范，盡管在一定程度取得了較好的治理效果，但對農田和流域氮磷流失機理中一些基礎性科學問題尚需切實和深入研究。因此，在下一步工作中，需加強農田和流域氮磷流失規律和面源污染防控的基礎性科學研究，以期為亞熱帶區域氮磷面源污染的科學防控提供基礎數據和理論支撐。