農業面源污染研究進展

蒙小俊

（安康學院旅游與資源環境學院，陜西 安康 725000）

隨著點源污染控制水平的不斷提高，非點源污染成為全球水體污染的重要污染來源，全球范圍內近50%的地表水資源已受到非點源污染的影響［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業面源污染，因雨污分流改造和海綿城市建設不斷推進，城市面源污染逐漸得到緩解和控制，農業面源污染仍然是造成中國和世界水污染的重要原因［1，3］。農業面源排放的氮磷在水體中的富集是導致水體富營養化和水環境惡化的主要原因，為有效改善水體環境必須因地制宜地開展農業面源污染防治。針對農業面源污染的源頭和過程本身，面源污染防治需解決的問題可分為總量估算、路徑分析和治理措施3 個方面［4］。然而，面源污染物的來源及其傳輸過程監測控制難度大，需使用模型模擬的方法才能對農業面源污染進行評估分析［5］。源頭控制為主、過程阻控與末端治理相結合是進行農業面源污染防控的主要途徑［6］。本研究概述了農業面源污染的來源、特點及其危害，分析了農業面源污染模型和防治技術，以期為農業面源污染防控奠定基礎。

1 農業面源污染的來源與特點

農業面源污染通常來源于農業種植、畜禽養殖和農村生活污水3 個方面，耕地、果園面積大幅度增長，農村地區畜禽養殖業的迅速發展和生活排污是造成農業面源污染的主要因素［7，8］，其中以農田徑流形式產生的氮、磷流失，對河流水體氮、磷含量貢獻較大。研究表明，農業面源污染不同類型污染源產生TN 負荷量大小依次為農田化肥、畜禽養殖、農村生活，而不同類型污染源TP 污染負荷量大小順序為畜禽養殖、農田化肥、農村生活［9，10］。與點源污染相比，農業面源污染具有以下幾個顯著特點，①來源廣泛，具有不確定性，進入水體不能集中監測；②隨機性、間歇性變化大，進入水體遷移屬于水動力學；③與降雨徑流、水土流失有關，降雨是面源污染產生的基本條件；④暴雨過后污染負荷較大；⑤人類活動影響遷移過程。依據農業面源污染特點，可利用徑流分割法將河流劃分為枯水期和豐水期，點源污染與降水等水文過程基本無關，因此河流枯水期污染負荷較大。

2 農業面源污染的危害

基于農業面源污染的來源，面源污染物主要包括硝酸鹽、銨根離子、重金屬、有機磷、農藥、病原微生物、寄生蟲和抗生素等［11］。中國平均化肥施用量約達400 kg∕hm2，過量化肥施入土壤后會直接造成土壤板結、酸化、硝酸鹽積累、次生鹽漬化等耕地質量下降問題，殘余的氮磷等養分進入水體會造成水體富營養化［12］。多數地區因土壤淋濾導致地下水硝酸鹽和亞硝酸鹽超標嚴重，中國地下水硝態氮超標區域主要集中在老菜區，全國不少大中城市出現了蔬菜硝酸鹽含量超標在80%以上的現象，硝酸鹽還原為強致癌物亞硝酸鹽會嚴重危害人體健康［13］。農業生產中以噴霧、噴粉、揚撒等方式施用化肥和農藥會造成70%以上的損失率并污染大氣［11］。畜禽養殖生產過程中產生大量有毒、有害和有刺激性的氣體，如NH3、H2S、硫醇、乙烷和三甲胺等，未經凈化處理直排到大氣中會加劇空氣污染［14］；施用畜禽糞污沼液沼渣能有效增加土壤養分含量，同時土壤養分和鹽分快速累積，對土壤環境帶來較大的污染風險［15］；用于促進動物生長及疾病預防和治療的抗生素很大一部分會殘留在動物糞污中，糞污在收集-處理-利用的過程中會導致大量養分和抗生素流失進入環境造成生態污染［16］。此外，農業面源污染產生的重金屬、病原菌微生物和寄生蟲等均會對環境產生不利影響，如含Cd 磷肥在農業生產中長期使用，Cd 具有高毒性、高生物遷移性，農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。

鑒于農業面源污染的來源和特點，傳統方法難以對面源污染進行監測，導致其控制難度大、成本高、治理難以抓住重點，為減少和消除農業面源污染對土壤、農作物、水體和大氣等的危害程度，對面源污染的分析通常只能通過污染模型模擬分析其來源與量級，從而制定高效適宜的防控措施。

3 農業面源污染模型

面源污染模型的主要任務是通過盡可能準確地模擬面源污染所涉及的生態過程來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、評價不同治理措施的效果以及布設位置的變化，最終為合理制定面源污染治理策略提供科學依據［4］。常用的農業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 兩個模型在中國應用較為廣泛［2，4］。

SWAT 模型適用于中到大流域尺度的面源污染負荷計算，其優點是考慮了農村和農業管理措施的長期影響以及匯流和泥沙匯合，可用于專門的流程如細菌載運，但模型運行需要大量的輸入文件，無法模擬水體中溶解氧的日變化，無法準確評估極端日流量發生、土壤氮碳復雜動態演化和產流模擬，在不同研究區域使用時必須修改數據庫［18］。納什效率系數（ENS）和決定系數（R2）用于分析SWAT 評價模型的模擬效果，R2大于0.6 且ENS大于0.5 時表示模擬效果較好［19］。楊佳磊［20］利用SWAT 模型對太湖流域農業面源污染及其影響因素進行了分析，3 個水文測量站2008—2018 年實測徑流數據率定和驗證表明R2大于0.7 且ENS大于0.5，說明所構建的SWAT 模型適用于該流域農業面源污染的模擬分析；1980—2020 年太湖流域污染物TN、TP 負荷變化空間分布相似，均為西北地區高、西南地區低，各土地利用類型對TN 負荷變化的貢獻從大到小依次為林地、耕地、草地、水域、建設用地、未利用地；對TP負荷變化的貢獻從大到小依次為耕地、林地、建設用地、水域、草地、未利用地。

ECM 模型是一個經驗性模型，該模型考慮土地利用分類，結合畜禽數量和分布、農村居民非點源污染物排放，能較準確估算氮磷負荷［10］，運用ECM模型的關鍵在于確定模型輸出系數，而輸出系數受各種因素的影響，如地形、降雨和土壤類型等，但傳統ECM 模型未考慮降雨和地形等因素對面源污染輸出負荷的影響，使用時必須對ECM 模型予以改進。馬亞麗等［21］基于降雨及地形因子修正改進的輸出系數模型對龍溪河流域氮磷負荷進行評估，改進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ECM 模型進行改進，改進后的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，中國流域內對于農業面源污染物負荷的估算方法有很多，較為常見的是徑流分割法、濃度平均法、降水差量分析法、等標污染負荷法、排污系數法和清單分析法等［23-25］。如項頌等［25］使用排污系數法估算了2018 年洱海流域農村生活、畜禽養殖業和種植業污染中COD、TN 和TP 的負荷，結果表明，洱海流域農業面源污染物COD、TN、TP的排放量分別為11 188.20、2 752.56、259.33 t；COD 排放量主要來自畜禽養殖，TN 與TP 的排放量均主要來自種植業。

4 農業面源污染防治技術

根據污染物排放源的不同，農業面源污染防治技術可分為種植業面源污染防治技術、畜禽養殖業面源污染防治技術和農村生活污水治理技術3 種類型［26］，而依據面源污染物的產生和遷移機理，對農業面源污染物可實行源頭控制、過程阻斷、末端治理的防治策略［27］。

綜合考慮污染物排放、遷移和轉化過程，實現種植業面源污染的防控技術分為源頭削減、過程攔截和養分回用三級技術體系，源頭削減技術平均削減氮磷肥投入18%～42%和15%～33%，過程攔截技術平均減少氮磷排放15%～40%和14%～42%，養分回用技術平均削減氮磷肥投入17%～41% 和0～20%，各技術詳見表1［28］，源頭削減技術是行之有效的手段。

表1 種植業面源污染防控技術

畜禽養殖業面源污染防治技術分為源頭減量技術、過程控制技術和末端資源化利用技術［16］。①源頭減量技術。推廣使用微生物制劑、酶制劑等飼料添加劑和低氮磷、低礦物質飼料配方，提高飼料轉化效率；減量使用獸藥和銅、鋅飼料添加劑，降低養殖污染排放；引導配套養殖糞污干濕分離等以減少污水中固形物含量。②過程控制技術。養殖場需建設必要的糞污收集處理設施，配套糞污收集處理技術，如微生物發酵床養殖、糞便堆肥處理和沼氣工程發酵產氣等技術以加速糞污資源化、無害化利用。③末端資源化利用技術。因地制宜地開展還田處理，對規模化畜禽養殖廢棄物的治理可考慮沼氣池生態能源加分散式污水處理模式，發酵產生的沼液經人工濕地、氧化塘等處理后，出水用于農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，依托養殖場自有及周邊農戶的水稻田和園地等，大力推廣“豬-沼-稻”和“豬-沼-園”模式［30］。

農村生活污水主要來源于廚房污水、生活洗滌污水、沖廁水和牲畜的洗滌用水、糞水等，其特點為污水產生量小、分散且成分不同，污水排放量時空分布變化大，具有可生化處理性，污水難集中［31］，因此處理模式的選擇應根據村莊條件因素、自然因素、建設因素、經濟因素等多方面因素綜合考慮［32，33］，主要根據附近是否有城鎮污水收集管網、村莊居民分散程度、地形來確定農村生活污水處理模式，具體情況見表2［34］。中國農村生活污水處理技術按照主體技術單元構成主要分為生物處理技術（厭氧∕好氧法、序批式活性污泥法和曝氣生物濾池等）、生態處理技術（人工濕地、土壤滲濾凈化系統和氧化塘等）和組合處理技術（生物處理+生態處理）3 種，3 種技術模式占比分別為5.88%、14.29%和79.83%；生態處理技術中，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%，組合處理技術中，以生物處理+生態處理組合占比最大，為71.28%［35］。此外，單獨的厭氧消化技術如化糞池、農村戶用沼氣池和厭氧濾池等技術在農村生活污水處理中均有利用［36］。

表2 農村生活污水處理模式選擇

5 結論

農業面源污染對全球生態環境造成嚴重危害，具有時間的不確定性、途徑的不確定性、量的不確定性和隨機性，加之污染來源的分散性、復雜性以及溯源的困難性等綜合特點，面源污染模型在污染負荷估算、流失路徑判別、關鍵污染源識別和關鍵污染區識別中發揮重要作用，為合理制定面源污染治理策略提供科學依據。“源頭削減、過程攔截、養分回用”三級技術體系是種植業面源污染和畜禽養殖業面源污染的防治策略，而農村生活污水宜采用生物處理+生態處理組合處理技術。