新疆農(nóng)業(yè)面源污染研究進(jìn)展

劉丹付習(xí)科孫睿陶笑笑

(1.新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 昌吉 831100；2.昌吉回族自治州氣象局，新疆 昌吉 831100)

農(nóng)業(yè)面源污染是從宏觀角度考察一定區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)污染的環(huán)境學(xué)概念。與工業(yè)污染相比，農(nóng)業(yè)污染呈現(xiàn)污染源分散，風(fēng)險(xiǎn)源污染總量小，污染物多樣化等特征。這些特征決定了其污染治理與工業(yè)污染治理有所不同。新疆是我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大省，地處北半球干旱和半干旱地帶，土壤以鈣積土、漠土和草甸土為主，pH偏高，鹽漬化，農(nóng)業(yè)污染自然降解緩慢，因此其污染治理需要特別關(guān)注。

1 新疆農(nóng)業(yè)面源污染態(tài)勢(shì)

當(dāng)前，新疆農(nóng)業(yè)面源污染情況不容樂觀，污染總量有逐年上升的態(tài)勢(shì)。原偉鵬等[1]調(diào)查了新疆昌吉州農(nóng)業(yè)面源污染狀況，根據(jù)調(diào)查，2007—2017年，昌吉州年均化肥施用總量增長(zhǎng)率為10.08%，10年間共提高了108.37%。其它污染物如農(nóng)藥、農(nóng)膜污染等也大幅增長(zhǎng)。根據(jù)徐麗萍等[2]的研究，新疆農(nóng)業(yè)面源污染重點(diǎn)縣主要分布在水源豐富區(qū)域。如，瑪納斯河以及金溝河流域的沙灣縣，蓋孜河、塔里木河流域的英吉沙縣，伊犁河流域的伊寧縣，葉爾羌河流域的莎車縣，蓋孜河流域的疏勒縣等。水源豐富地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與面源污染呈現(xiàn)一定正相關(guān)性。

新疆不同地域農(nóng)業(yè)面源污染的主要污染物不同，喀什地區(qū)的伽師縣、巴楚縣，阿克蘇地區(qū)的新和縣等地區(qū)的化肥污染嚴(yán)重，伊犁哈沙克自治州的尼勒克縣、特克斯縣的糞便類污染物污染嚴(yán)重。這種不同主要是因?yàn)楦鞯剞r(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不同。周曉琴等[3]研究了新疆各地農(nóng)業(yè)面源污染差異性，污染嚴(yán)重區(qū)主要包括伊犁哈薩克自治州、喀什、昌吉和阿克蘇以及生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)地區(qū)。2014年新疆地區(qū)的農(nóng)業(yè)面源污染數(shù)據(jù)顯示，該年度新疆農(nóng)業(yè)污染排放總量約14萬t，化學(xué)需氧量(COD)和總氮(TN)是農(nóng)業(yè)面源的主要污染物。

綜上，新疆農(nóng)業(yè)面源污染有區(qū)域集中，種植業(yè)污染和畜牧業(yè)污染占比較大以及面源污染總量逐年增加等特點(diǎn)。

2 新疆農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險(xiǎn)源研究

農(nóng)業(yè)面源污染雖然呈散點(diǎn)狀多發(fā)態(tài)勢(shì)，但各類研究表明，農(nóng)業(yè)面源污染主要污染風(fēng)險(xiǎn)物基本一致，主要包括化肥、農(nóng)藥、農(nóng)業(yè)用膜、糞便污染等。新疆農(nóng)業(yè)面源污染也集中在以上風(fēng)險(xiǎn)源。原偉鵬等分析了新疆昌吉州主要農(nóng)業(yè)面源污染物狀況。研究發(fā)現(xiàn)，化肥、農(nóng)藥和農(nóng)膜的使用量逐年遞增，直接導(dǎo)致了與這些物質(zhì)相關(guān)的農(nóng)業(yè)污染加劇。化肥使用量的增加會(huì)導(dǎo)致土壤中總氮?dú)埩籼嵘r(nóng)膜使用量增加同樣會(huì)導(dǎo)致農(nóng)膜殘留增加。研究發(fā)現(xiàn)，2017年昌吉州土壤中的總氮含量較10年前增長(zhǎng)了約170倍，每公頃農(nóng)膜的殘留量提高了15倍。總氮增長(zhǎng)一定程度上增加了土壤養(yǎng)分，但也加速了土地鹽堿化。農(nóng)膜污染則易導(dǎo)致土壤板結(jié)，破壞植物根系微生態(tài)環(huán)境。

新疆種植業(yè)重金屬污染也值得重視。當(dāng)前主要重金屬污染物包括鎘和銅，重金屬容易在生物體內(nèi)累積，危害周期長(zhǎng)。農(nóng)業(yè)重金屬的污染除了與農(nóng)藥噴灑有關(guān)外，還與工業(yè)廢水排放有關(guān)。當(dāng)農(nóng)業(yè)灌溉用水來自被工業(yè)廢水污染后的河流時(shí)，工業(yè)污染物被轉(zhuǎn)移到農(nóng)業(yè)面源污染中，這種工農(nóng)業(yè)污染物交叉的情況必須引起重視。

農(nóng)業(yè)化肥污染是一類污染，主要包括總氮和總磷。張曉莉等[4]研究了新疆農(nóng)業(yè)面源污染中總氮和總磷問題，研究發(fā)現(xiàn)氮磷污染主要有3個(gè)來源，其中排放占比最大的是畜牧業(yè)，其次為種植業(yè)，最后是農(nóng)村生活污染類。新疆畜牧業(yè)污染主要由牛、羊養(yǎng)殖業(yè)引起。種植業(yè)中主要污染來自小麥、玉米和棉花的種植。從每公頃作物的污染總量來看，小麥和玉米種植造成的污染排放比棉花種植更大。這是因?yàn)槊抗曅←満陀衩椎膯萎a(chǎn)比棉花高得多，產(chǎn)品產(chǎn)量高，所消耗的化肥等養(yǎng)分多，造成的化肥殘留污染自然更嚴(yán)重。周曉琴等也研究了新疆氮磷類污染狀況，研究認(rèn)為牛養(yǎng)殖業(yè)和旱田種植是氮磷類污染的重要源頭。牛養(yǎng)殖和旱田種植分別是畜牧業(yè)和種植業(yè)的代表，這兩者在農(nóng)業(yè)面源污染中的占比分別為55.22%和44.78%。研究支持了在總氮和化學(xué)需氧量等指標(biāo)上，新疆畜牧業(yè)比種植業(yè)污染更嚴(yán)重的觀點(diǎn)。

當(dāng)前新疆農(nóng)業(yè)面源污染研究中，關(guān)注氮磷類風(fēng)險(xiǎn)物的研究較多，其次是農(nóng)藥污染物殘留，農(nóng)膜殘留也有一定關(guān)注。根據(jù)周子渭等[5]的研究，新疆農(nóng)業(yè)用農(nóng)膜量逐年增長(zhǎng)，2017年用量已經(jīng)超過20萬t。原偉鵬等[6]研究發(fā)現(xiàn)，新疆昌吉自治州農(nóng)膜使用量從2007—2017年共增長(zhǎng)了87.27%，而農(nóng)膜回收不足30%。

3 農(nóng)業(yè)面源污染模型研究進(jìn)展

模型作為一種有效工具，在全球許多流域已被廣泛應(yīng)用于面源污染物的預(yù)測(cè)和管理，由于面源污染物形態(tài)多樣、路徑多，從產(chǎn)生到最終歸宿的全程跟蹤是很大的挑戰(zhàn)，農(nóng)業(yè)面源污染不同于點(diǎn)源污染，點(diǎn)源污染物集中在一處，便于歸集、測(cè)定、統(tǒng)計(jì)分析。而散布式的面源污染物在測(cè)定、統(tǒng)計(jì)分析上困難度增加。農(nóng)業(yè)面源污染物隨著時(shí)間變化會(huì)發(fā)生空間轉(zhuǎn)移。如，隨著雨水匯集至江河湖海，或在土壤中富集，導(dǎo)致土地鹽堿化。農(nóng)業(yè)面源污染物的這些特點(diǎn)，意味著污染物的分析統(tǒng)計(jì)需要采用與工業(yè)污染不同的方法。在面源污染統(tǒng)計(jì)分析中，選取何種面域作為分析對(duì)象對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果有重大影響。如選擇一定面積的土地作為分析對(duì)象，則該區(qū)域的農(nóng)膜殘留以及農(nóng)藥重金屬的殘留容易得到統(tǒng)計(jì)分析，而易隨雨水流失的總氮、總磷則不易得到統(tǒng)計(jì)。如果選取附近的河流斷面作為污染統(tǒng)計(jì)對(duì)象，則需要考慮上下游污染物擴(kuò)散的影響。鑒于這些因素，農(nóng)業(yè)面源污染的統(tǒng)計(jì)分析需要因地制宜地構(gòu)建一些模型，以更好地統(tǒng)計(jì)分析農(nóng)業(yè)面源污染的具體數(shù)據(jù)。

根據(jù)面源污染在不同空間上的主要過程，可分為農(nóng)田尺度和流域尺度，經(jīng)典的面源污染模型包括出口系數(shù)模型、水土評(píng)價(jià)工具模型(SWAT)和水文模擬程序模型(HSPF)[7]。田間尺度模型關(guān)注的是水和污染物的轉(zhuǎn)化過程，SWAT是近20年來模型研究中較為流行的模型，此外，對(duì)水質(zhì)和流域管理的影響仍是近年來面源污染的研究熱點(diǎn)。“土壤”“土地利用”等也越來越引起人們的關(guān)注，“土地利用變化”相關(guān)研究則強(qiáng)調(diào)預(yù)測(cè)土地利用變化對(duì)流域面源污染負(fù)荷的影響。農(nóng)田尺度主要考慮土壤-植被等過程，其關(guān)鍵原則是農(nóng)學(xué)和土壤學(xué)知識(shí)，DNDC是典型的場(chǎng)尺度模型[8]，最初用于研究生態(tài)系統(tǒng)的溫室氣體排放，而反硝化和分解基本上是土壤向大氣排放碳和氮的效應(yīng)。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，作物生長(zhǎng)、土壤碳氮?jiǎng)討B(tài)、溫室氣體排放和氮損失的預(yù)測(cè)對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染研究有很大幫助[9，10]。Zhao等[11]建立了土地利用模式、作物管理、污染物隨距離衰減和河流水質(zhì)之間的定量關(guān)系，并構(gòu)建了6種回歸模型，其中，當(dāng)納入水質(zhì)、土地利用結(jié)構(gòu)、作物管理、土壤養(yǎng)分衰減等參數(shù)時(shí)，建模效果最好。

蔡路靈[12]分析了農(nóng)業(yè)面源污染模型發(fā)展歷程，認(rèn)為農(nóng)業(yè)面域模型主要可分為經(jīng)驗(yàn)、機(jī)理和功能模型3大類。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臉?gòu)建多基于輸出系數(shù)法，簡(jiǎn)單有效。機(jī)理模型可以用來模擬污染發(fā)生的原因和變化過程。功能模型則多結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，在統(tǒng)計(jì)分析污染物的同時(shí)，具備一定的管理功能。周夢(mèng)嬌等[13]對(duì)世界農(nóng)業(yè)面源污染模型的發(fā)展歷程進(jìn)行了回顧，研究認(rèn)為美國(guó)學(xué)者在農(nóng)業(yè)面源污染上走在世界前列。20世紀(jì)70年代，美國(guó)一些學(xué)者便提出了基于輸出系數(shù)法構(gòu)建農(nóng)業(yè)面源污染經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｆ湓硎沁x取一定的面域，然后對(duì)該面域內(nèi)的各污染指標(biāo)按貢獻(xiàn)率賦權(quán)，最后對(duì)加權(quán)值集總。最初這類模型選用河流作為分析斷面，分析河流內(nèi)污染物與臨近面域耕地間污染程度的相關(guān)性，并確定各加權(quán)系數(shù)。這些系數(shù)最初是固定的，包括污水處理過程中營(yíng)養(yǎng)物的機(jī)械去除系數(shù)、營(yíng)養(yǎng)物滯留系數(shù)等，通常沒有考慮土地類型以及河流的徑流情況等，因此模型的適用性比較窄。后來不少研究者在這些模型的基礎(chǔ)上加以改善，引入了更多的系數(shù)以及更合適的賦權(quán)方式，并構(gòu)建了適用性更廣的模型。農(nóng)業(yè)面源模型采用的統(tǒng)計(jì)分析方法后期逐漸增多，模型逐漸多樣化，其中代表模型有AGNPS，ANSWERS，SWAT等。這些模型結(jié)合了計(jì)算機(jī)可視化和形象化的特點(diǎn)，具備模擬和預(yù)測(cè)功能。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)關(guān)于新疆農(nóng)業(yè)面源污染數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析多基于輸出系數(shù)法。如，徐麗萍在新疆農(nóng)業(yè)面源污染分布空間差異性分析中便利用經(jīng)驗(yàn)性的動(dòng)物排泄系數(shù)值，統(tǒng)計(jì)分析畜牧業(yè)中的糞尿排泄量。周曉琴等結(jié)合全國(guó)污染排查數(shù)據(jù)，采用源強(qiáng)系數(shù)法，對(duì)新疆農(nóng)業(yè)面源污染物排放量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。其他一些研究采用了更復(fù)雜的模型。如，原偉鵬等利用熵值-集對(duì)分析模型，選取了耕地層含鹽量、含鉀量、含總氮、總磷以及農(nóng)藥投入量、化肥投入量、灌溉保證率等指標(biāo)，構(gòu)建了適宜于新疆干旱地層的農(nóng)業(yè)面域污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系。另外一些模型還考察了農(nóng)業(yè)面源污染與社會(huì)發(fā)展的相關(guān)性。如，鄧晴晴[14]從集聚效應(yīng)角度分析了農(nóng)業(yè)面源污染與農(nóng)業(yè)規(guī)模效應(yīng)、技術(shù)效應(yīng)、結(jié)構(gòu)效應(yīng)、社會(huì)效應(yīng)等指標(biāo)之間的關(guān)系。研究基于Coperland-Taylor的污染檢驗(yàn)?zāi)Ｐ停疾炝薈OD，TN，TP等污染物濃度與農(nóng)業(yè)積聚指標(biāo)之間的相關(guān)性。

4 新疆農(nóng)業(yè)面源污染應(yīng)對(duì)措施的研究進(jìn)展

中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所提出了農(nóng)業(yè)面源污染控制的策略性理論：減源-攔截-修復(fù)(Reduce-Retain-Restore，3R strategy)[15]，3R策略以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展以及農(nóng)業(yè)人居環(huán)境和意識(shí)形態(tài)相和諧發(fā)展為目標(biāo)，從污染物產(chǎn)生的源頭開展污染物的減量化工程，在污染物遷移過程中開展污染物的攔截與阻斷工程，并對(duì)面源污染物進(jìn)行深度的處理與再凈化，在此基礎(chǔ)上對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)保修復(fù)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)自我修復(fù)功能的提高和系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換[16]。干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)污染容易導(dǎo)致土地鹽堿化、淡水湖泊咸水化，因此必須嚴(yán)格控制農(nóng)業(yè)污染。但由于我國(guó)單個(gè)農(nóng)戶經(jīng)營(yíng)管理的土地面積有限，相對(duì)的單位面積污染治理成本較高。從面域角度考慮農(nóng)業(yè)污染的治理為農(nóng)業(yè)污染治理開辟了新的思路。面域治理可以應(yīng)對(duì)大范圍農(nóng)業(yè)區(qū)域內(nèi)的污染，降低單位面積治理成本。農(nóng)業(yè)污染治理難度大，并沒有立竿見影的技術(shù)，面域治理可采用長(zhǎng)期化、持續(xù)化的治理措施。

國(guó)外學(xué)者多從環(huán)境規(guī)章制度角度分析農(nóng)業(yè)面域污染的治理。James等[17]認(rèn)為，可以通過放發(fā)經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼，或增加污染稅等措施引導(dǎo)農(nóng)民優(yōu)先使用低污染性的肥料或農(nóng)藥。Ronlyn Duncan[18]研究了新西蘭農(nóng)業(yè)流域水源污染治理問題，認(rèn)為基于污染產(chǎn)出預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，可以規(guī)范農(nóng)場(chǎng)污染物的治理。Vladimir Novotny[19]認(rèn)為在某個(gè)流域開發(fā)之前，應(yīng)建立良好的模型以預(yù)測(cè)水體的污染物負(fù)荷能力，從而保證生活用水水質(zhì)不超標(biāo)。

國(guó)內(nèi)學(xué)者借鑒國(guó)外環(huán)境治理經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為可以從排污費(fèi)等角度來治理農(nóng)業(yè)面源污染。王彥[20]構(gòu)建了Tapio脫鉤模型，考察了新疆農(nóng)業(yè)發(fā)展與農(nóng)業(yè)污染之間的相關(guān)性，考察的指標(biāo)主要集中在化肥污染上。研究同時(shí)提出利用征收排污費(fèi)、建立化肥污染田長(zhǎng)制等措施來降低化肥污染。周子渭等[21]研究了新疆農(nóng)業(yè)污染治理相關(guān)的環(huán)境規(guī)章制度，認(rèn)為合適的環(huán)境規(guī)章制度有利于農(nóng)業(yè)面源污染治理。張志祺等[22]研究了新疆棉農(nóng)參與農(nóng)業(yè)面源污染治理的意愿影響因素，研究表明，棉花種植面積、環(huán)境關(guān)注度以及培訓(xùn)認(rèn)同感等指標(biāo)對(duì)棉農(nóng)參與農(nóng)業(yè)面源污染治理影響較為顯著。李萬明等[23]認(rèn)為，應(yīng)從調(diào)整三大產(chǎn)業(yè)占比的角度來改善農(nóng)業(yè)面源污染，加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)，增加第三產(chǎn)業(yè)占比，改善生態(tài)環(huán)境，可以降低農(nóng)業(yè)面源污染。

靳孟貴等[24]認(rèn)為新疆地表水資源稀缺，農(nóng)業(yè)大量抽取地下水漫灌，不僅造成肥料流失，還會(huì)污染水體，導(dǎo)致土壤鹽堿化，因此應(yīng)大力推廣節(jié)水灌溉。周曉琴等認(rèn)為，新疆畜牧業(yè)污染較種植業(yè)污染嚴(yán)重，應(yīng)大力推動(dòng)養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生糞肥的循環(huán)利用，作為種植業(yè)氮磷用肥的補(bǔ)充。張芳等[25]提倡大力宣傳地膜回收政策，加大補(bǔ)貼等，以改善新疆農(nóng)業(yè)農(nóng)膜污染。劉婷等[26]研究了農(nóng)業(yè)面源污染治理技術(shù)的發(fā)展，研究認(rèn)為，農(nóng)業(yè)面源污染治理需要從生態(tài)建設(shè)的高度來推動(dòng)，以一定的面域?yàn)榛A(chǔ)，打造基于該地域的環(huán)境污染生態(tài)防控體系。推動(dòng)過程中，必須制定相關(guān)政策和進(jìn)行一定的經(jīng)濟(jì)投入，并收集整理了適宜于農(nóng)業(yè)面源污染治理的相關(guān)技術(shù)，包括塘技術(shù)、人工濕地技術(shù)、生態(tài)溝渠技術(shù)等。這些技術(shù)均具有利用天然生物治理水體污染的特點(diǎn)。一些水生植物，如水葫蘆、蘆葦、香蒲等可以有效去除水體中的氮磷鉀，降低污染。水體中的微生物對(duì)降解氮磷和農(nóng)藥殘留也十分有效[27]。一定面域內(nèi)農(nóng)業(yè)污染風(fēng)險(xiǎn)源，經(jīng)雨水、灌溉水的沖刷，可以富集到目標(biāo)區(qū)域，借助目標(biāo)區(qū)域富水環(huán)境中的生物及其微生態(tài)環(huán)境，對(duì)污染物進(jìn)行吸附、反硝化、降解等，最終可以消滅農(nóng)業(yè)面源污染。

5 小結(jié)

新疆農(nóng)業(yè)污染治理任重道遠(yuǎn)，從面源污染角度研究相關(guān)問題有助于加速農(nóng)業(yè)污染治理。不少研究認(rèn)為農(nóng)業(yè)污染并非線性發(fā)展，沒有污染上限而是會(huì)呈現(xiàn)倒U型的發(fā)展規(guī)律，當(dāng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展到一定水平，單位面積化肥使用量或單位農(nóng)藥使用量會(huì)到達(dá)一個(gè)臨界點(diǎn)，過了這個(gè)拐點(diǎn)，農(nóng)業(yè)面源污染會(huì)逐漸趨緩。這些觀點(diǎn)降低了人們對(duì)新疆農(nóng)業(yè)面源污染無限增長(zhǎng)的擔(dān)憂，但是農(nóng)業(yè)面源污染拐點(diǎn)不會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生，需要采用生態(tài)防護(hù)技術(shù)和制定相應(yīng)的生態(tài)環(huán)境治理措施，只有治理和發(fā)展相輔相成，才能在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的同時(shí)，有效控制農(nóng)業(yè)面源污染。