流域面源污染研究進(jìn)展與展望

關(guān)鍵詞：流域水文；面源污染；模型模擬；污染控制；發(fā)展趨勢(shì)

水污染是我國(guó)在生態(tài)環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域所面臨的復(fù)雜且最具挑戰(zhàn)性的問題之一，嚴(yán)重威脅我國(guó)水資源安全。多年來，水體污染從最初單一的污染源逐漸過渡為多樣化污染。然而，關(guān)鍵的指標(biāo)如化學(xué)需氧量（COD）、氮和磷等仍未得到完全控制。此外，重金屬、持久性有機(jī)污染物以及新污染物也逐漸顯現(xiàn)，這些進(jìn)一步增加了水污染治理的難度。

水污染的主要來源可分為點(diǎn)源污染和面源污染。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的提高，城市工業(yè)廢水和城鎮(zhèn)生活污水等點(diǎn)源污染得到了有效控制。相較于點(diǎn)源污染，面源污染具有隨機(jī)性、擴(kuò)散性、滯后性等特點(diǎn)，以廣域、分散和微量的形式進(jìn)入地表及地下水體，尤其是農(nóng)用化肥的持續(xù)投入使土壤中養(yǎng)分累積，水土流失過程造成氮磷流失，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)面源污染貢獻(xiàn)逐漸升高。因此，農(nóng)業(yè)面源逐漸成為水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要因素。

流域面源污染研究主要集中在農(nóng)業(yè)和城市兩個(gè)方面。我國(guó)農(nóng)業(yè)面源污染是水環(huán)境污染和水生態(tài)遭到威脅的重要原因之一，因而備受國(guó)家和社會(huì)的關(guān)注。習(xí)近平總書記在2020年12月召開的中央農(nóng)村工作會(huì)議中明確指出，要加強(qiáng)農(nóng)村生態(tài)文明建設(shè)，保持戰(zhàn)略定力，以釘釘子精神推進(jìn)農(nóng)業(yè)面源污染防治；2015年JLH臺(tái)的《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》是保障我國(guó)水安全的重要行動(dòng)計(jì)劃，計(jì)劃中指出制定實(shí)施全國(guó)農(nóng)業(yè)面源綜合防治的方案，力爭(zhēng)全國(guó)水環(huán)境質(zhì)量總體改善。第二次全國(guó)污染源普查結(jié)果表明，農(nóng)業(yè)面源污染對(duì)水體污染的貢獻(xiàn)比例很高，2017年農(nóng)業(yè)源排放的COD、總氮（TN）、和總磷（TP）分別為1067.13萬、141.49萬t和21.20萬t，占水污染物排放總量的49.8%、46.5%和67.2%。在過去的幾十年里，受到畜禽養(yǎng)殖量、農(nóng)業(yè)人口數(shù)量和農(nóng)業(yè)肥料使用量增加等因素的影響，1978-2017年間，全國(guó)省級(jí)地區(qū)COD、TN和TP的污染負(fù)荷分別增加了91.0%、196.2%和244.1%，其中污染物負(fù)荷量較高的省份主要包括山東、廣東、四川、河南。楊林章等基于農(nóng)村面源污染治理的“4R”理論（源頭減量一過程阻斷一養(yǎng)分再利用一生態(tài)修復(fù)）對(duì)江蘇省太湖地區(qū)直湖港小流域開展了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工程化應(yīng)用，研究發(fā)現(xiàn)陸域產(chǎn)生的面源污染最終匯入太湖。2017年發(fā)布的《中國(guó)生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，全國(guó)農(nóng)業(yè)用水量占全社會(huì)用水總量的62.4%，但農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的化肥利用率只有37.8%，農(nóng)藥利用率為38.8%，這導(dǎo)致了農(nóng)業(yè)面源污染問題持續(xù)存在。因此，深刻梳理流域面源污染情況對(duì)于水污染防治工作具有至關(guān)重要的意義。

在了解流域面源污染產(chǎn)匯流過程（圖1）的基礎(chǔ)上，學(xué)者們開展了大量研究，包括面源污染遷移機(jī)制、負(fù)荷核算、監(jiān)測(cè)技術(shù)、截留技術(shù)及防控工程建設(shè)等方面。這些基礎(chǔ)研究、技術(shù)應(yīng)用及工程措施在一定程度上有助于減少面源負(fù)荷，但面源污染影響因素的多樣性決定了防治工作的艱巨、復(fù)雜且周期長(zhǎng)。本文著重分析現(xiàn)有研究中存在的問題，并提出了相關(guān)對(duì)策建議和未來發(fā)展方向，以期為面源污染綜合治理及水環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)參考。

1面源污染研究進(jìn)展

1.1面源污染研究概況

國(guó)外從20世紀(jì)60年代開始研究面源污染，而我國(guó)對(duì)其研究起步較晚，20世紀(jì)80年代從調(diào)查滇池、太湖和巢湖等湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化水平開始面源污染的探索。早期對(duì)土壤養(yǎng)分流失和一些化學(xué)物質(zhì)在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化過程及機(jī)制研究較多，為開展面源污染研究奠定了必要基礎(chǔ)。目前開展的面源污染研究?jī)?nèi)容主要包括4個(gè)方面：（1）基礎(chǔ)研究，包括面源污染的發(fā)生機(jī)理和傳輸過程、污染負(fù)荷量估算、關(guān)鍵源區(qū)的識(shí)別、受納水體環(huán)境容量和水污染預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。掌握面源污染形成的機(jī)理和變化規(guī)律是進(jìn)行模擬和定量研究的基礎(chǔ)，也是控制和治理面源污染的關(guān)鍵。機(jī)理研究包括污染物在土壤圈中的行為及污染物受降水或灌溉驅(qū)動(dòng)從土壤向水體擴(kuò)散和傳輸?shù)倪^程。面源污染負(fù)荷估算是流域水環(huán)境治理的重要基礎(chǔ)工作，而利用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法和模型來模擬估算面源污染負(fù)荷是對(duì)面源污染規(guī)律進(jìn)行評(píng)價(jià)研究的基本方法，也是面源污染研究的核心內(nèi)容。而且，所開發(fā)的模型可用于評(píng)估和預(yù)測(cè)各種農(nóng)業(yè)管理措施對(duì)徑流、負(fù)荷及水質(zhì)的影響，進(jìn)而為面源污染治理提供依據(jù)。（2）技術(shù)應(yīng)用，包括面源污染的監(jiān)測(cè)及防治等。對(duì)面源污染狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可為面源污染治理提供科學(xué)的信息支撐。利用遙感與GIS融合，建立面向污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的空間分析模型以及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)，為污染控制提供了必要的數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)。在面源污染防治工程方面，需要綜合考慮源頭減量、傳輸過程的阻斷與攔截、養(yǎng)分的回收利用以及污染水體的生態(tài)修復(fù)與治理等4個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，針對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)采取相應(yīng)的技術(shù)措施。（3）對(duì)落地措施的評(píng)估，包括面源污染治理措施效果評(píng)估、空間優(yōu)化配置、成本效益分析以及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。在“一控兩減三基本”目標(biāo)的指導(dǎo)下，政府已出臺(tái)了一系列政策措施，因此有必要全面評(píng)估這些政策行動(dòng)的實(shí)施效果。（4）建立完善的政策、經(jīng)濟(jì)和法律保障體系。面源污染治理既是技術(shù)問題，也是經(jīng)濟(jì)問題。然而，當(dāng)前面源污染相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分散，調(diào)查、監(jiān)測(cè)和評(píng)估等技術(shù)規(guī)范尚不夠充分。此外，污染治理設(shè)施的建設(shè)、驗(yàn)收和運(yùn)維等規(guī)范管理工作還需要加強(qiáng)。因此，建立完善的政策、經(jīng)濟(jì)和法律保障體系對(duì)于推進(jìn)面源污染治理至關(guān)重要。

1.2面源污染研究方法

通過總結(jié)40多年來國(guó)內(nèi)面源污染方面的研究，將研究方法大致概括為3大類：

（1）試驗(yàn)監(jiān)測(cè)法。王洪媛等利用田間原位監(jiān)測(cè)法，系統(tǒng)分析了中國(guó)北方主要農(nóng)區(qū)285個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的4種主要種植模式下農(nóng)田氮磷淋溶特征與時(shí)空規(guī)律。王立萍等采用野外試驗(yàn)法，取樣分析了不同土地利用類型面源污染的特點(diǎn)，并通過劃定徑流小區(qū)研究不同土地利用類型在降雨過程中污染物的流失規(guī)律。高月香等采用穩(wěn)定同位素技術(shù)和IsoSource模型，利用N03-/Cl-比值、同位素比值等方法，解析北澄子河流域硝態(tài)氮污染來源。胡鈺等利用水質(zhì)、土壤監(jiān)測(cè)技術(shù)及15N穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)，對(duì)阿什流域種植業(yè)土壤氮特征及來源進(jìn)行了解析；楊育紅等將Cs核素示蹤和定位監(jiān)測(cè)結(jié)合，發(fā)現(xiàn)黑土區(qū)面源污染的輸出與水土流失密切相關(guān)。傳統(tǒng)的一些監(jiān)測(cè)和示蹤法雖然可以對(duì)某些流域的污染問題進(jìn)行研究，但地球化學(xué)或單一穩(wěn)定性同位素技術(shù)無法定量識(shí)別流域水體中農(nóng)業(yè)面源污染物的來源與負(fù)荷。Yu等運(yùn)用環(huán)境放射性核素示蹤和單體化合物穩(wěn)定性同位素泥沙指紋技術(shù)，對(duì)中國(guó)北方典型集約化農(nóng)業(yè)小流域中由侵蝕引起的泥沙、TN和TP等不同來源的排放負(fù)荷進(jìn)行了深入的量化分析，并提出了針對(duì)性的水土保持措施和土地管理實(shí)踐方案。任天志等建立了全國(guó)農(nóng)田面源污染核算方法和農(nóng)田面源污染監(jiān)測(cè)平臺(tái)，識(shí)別了農(nóng)田氮磷面源污染的現(xiàn)狀和重點(diǎn)區(qū)域，集成了農(nóng)田氮磷減排技術(shù)模式并得到大面積應(yīng)用。

（2）數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法。李懷恩利用平均濃度法對(duì)黑河流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷進(jìn)行了估算。洪小康等根據(jù)漢江武侯水文站的降雨監(jiān)測(cè)資料建立水質(zhì)水量相關(guān)關(guān)系，估算了降雨徑流污染年負(fù)荷。蔡明等采用改進(jìn)的輸出系數(shù)法對(duì)渭河流域TN負(fù)荷量進(jìn)行了估算，該方法考慮了降雨因素影響和污染物在遷移過程中的損失。陳友媛等提出了一種簡(jiǎn)易的污染負(fù)荷劃分的水文估算方法，并在小清河流域得到了驗(yàn)證。張亞麗等依據(jù)土地利用和實(shí)測(cè)污染物負(fù)荷資料，提出了土地利用關(guān)系法，并在渭河支流黑河流域得到了應(yīng)用。總體上，數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用方便的特點(diǎn)，適宜在資料短缺條件下評(píng)估和預(yù)測(cè)土地利用變化后的非點(diǎn)源污染負(fù)荷。但數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法將一部分點(diǎn)源歸為非點(diǎn)源形式，可能會(huì)高估非點(diǎn)源污染的貢獻(xiàn)。Wu等提出了考慮降雨侵蝕因子的修正輸出系數(shù)法，并用該方法對(duì)黃土高原溝壑區(qū)延河流域水土流失引起的非點(diǎn)源氮磷負(fù)荷進(jìn)行估算，結(jié)果表明此方法能更準(zhǔn)確地反映非點(diǎn)源污染的年際變化。周睿等提出將一維水質(zhì)模型與改進(jìn)的輸出系數(shù)法相結(jié)合并將其應(yīng)用于潮河下游流域，與傳統(tǒng)的水文分割法相比，此方法具有良好的模擬精度，同時(shí)避免了水文分割法無法較好地模擬枯水期非點(diǎn)源污染負(fù)荷的弊端。

（3）數(shù)學(xué)模擬法。此研究手段在我國(guó)經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的歷程，由最初的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型轉(zhuǎn)向機(jī)理模型，對(duì)模型的使用也由最初的照搬模式轉(zhuǎn)為修正模式。早期的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型如李家科等針對(duì)非點(diǎn)源污染形成過程復(fù)雜、基礎(chǔ)資料不完備的特點(diǎn)，將支持向量機(jī)SVM應(yīng)用于渭河流域華縣站非點(diǎn)源TN污染負(fù)荷量預(yù)測(cè)，SVM能在有限樣本情況下將學(xué)習(xí)問題轉(zhuǎn)化為二次規(guī)劃問題來獲得全局最優(yōu)解，有效克服了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)易陷于局部極小值的缺點(diǎn)；建立了對(duì)資料要求較少、精確度較高的非點(diǎn)源污染負(fù)荷多變量灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，包括GM（1，N）模型、殘差序列{1（0）（k）}的BP、RBF網(wǎng)絡(luò)模型和灰色人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，為有限資料條件下非點(diǎn)源污染負(fù)荷的預(yù)測(cè)提供支持。計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展下的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）模型、長(zhǎng)短期記憶人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（LSTM）、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、線性規(guī)劃函數(shù)模型等也屬于經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型，它們運(yùn)用于水環(huán)境污染負(fù)荷領(lǐng)域的最大特點(diǎn)是能根據(jù)某種關(guān)系預(yù)測(cè)未來水污染情況。Li等利用建立的LSTM-BP模型對(duì)周河流域日污染負(fù)荷時(shí)間序列進(jìn)行模擬，雖然模型模擬的污染負(fù)荷在不同水文時(shí)段和降水強(qiáng)度下變化較大，但能夠準(zhǔn)確跟蹤污染負(fù)荷的時(shí)間變化趨勢(shì)。Chen等利用ANN將徑流一污染物關(guān)系從完整數(shù)據(jù)事件擴(kuò)展到其他數(shù)據(jù)稀缺事件，使用插值法來解決模擬偏差問題，其在三峽水庫(kù)的案例研究表明ANN在非點(diǎn)源污染模擬中表現(xiàn)良好，特別是對(duì)于小降雨事件下磷的預(yù)測(cè)比氮更加精確。經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型通常不考慮農(nóng)業(yè)面源污染物人河過程中所涉及的物理、化學(xué)及生物反應(yīng)過程，可以簡(jiǎn)單估算污染物負(fù)荷。該模型對(duì)下墊面條件穩(wěn)定的流域具有較好的適用性，但下墊面變化和人為活動(dòng)干擾強(qiáng)烈的地區(qū)該模型應(yīng)用就受到了較大限制。具有物理機(jī)制的過程模型應(yīng)時(shí)而生，并得到了蓬勃發(fā)展。這類模型主要是引進(jìn)國(guó)外典型的模型進(jìn)行模塊修改或者耦合，但由于我國(guó)南北方氣候、地理?xiàng)l件的差異，機(jī)理模型的發(fā)展經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的過程。早期的土壤流失方程模型（USIE）不考慮溶質(zhì)運(yùn)移的機(jī)制和動(dòng)力學(xué)特征，對(duì)數(shù)據(jù)要求較低，有較強(qiáng)的實(shí)用性和準(zhǔn)確性，但通用性有限，不能描述土壤侵蝕的物理過程。早期的輸出系數(shù)模型假設(shè)每種土地利用類型的輸出系數(shù)相同，忽略了降水、地形、植被緩沖帶的空間異質(zhì)性的影響。Johnes等在實(shí)際應(yīng)用中考慮牲畜、人口、植物固氮、大氣氮沉降等因素，提出了改進(jìn)的輸出系數(shù)模型，增強(qiáng)了模型可靠性；陸建忠等給出了降雨與地形特征對(duì)流域農(nóng)業(yè)源污染損失系數(shù)的確定方法，使改進(jìn)后的輸出系數(shù)模型更符合農(nóng)業(yè)源污染物運(yùn)動(dòng)機(jī)理，并利用改進(jìn)的模型估算了鄱陽(yáng)湖流域農(nóng)業(yè)面源污染。Wang等提出適用于大尺度無資料地區(qū)的動(dòng)態(tài)系數(shù)模型（DECM），通過建立降雨和下墊面（土壤、坡度、土地利用等）與輸出系數(shù)的關(guān)系，并將空間數(shù)據(jù)細(xì)化到非點(diǎn)源污染響應(yīng)單元（NPRUs），在三峽庫(kù)區(qū)取得了較好的模擬效果。

目前模型與3S技術(shù)耦合研究成為發(fā)展趨勢(shì)。王曉燕等利用SWAT模型與GIS技術(shù)研究密云水庫(kù)的面源污染問題，建立了一套適用于流域SWAT模型研究的面源污染信息庫(kù)；高銀超運(yùn)用AnnAGNPS模型模擬三峽庫(kù)區(qū)小江流域徑流量、泥沙及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)負(fù)荷量，并識(shí)別了關(guān)鍵源區(qū)；趙雪松引入MULSE模型對(duì)AnnAGNPS模型土壤侵蝕模塊進(jìn)行改進(jìn)，并將該模型運(yùn)用于區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染模擬研究中，在模擬農(nóng)業(yè)面源污染時(shí)精度明顯提高，相對(duì)誤差減少10%以上；歐陽(yáng)威等將SWAT和InVEST模型聯(lián)合使用，量化了撓力河流域農(nóng)業(yè)面源污染，分析了氮磷負(fù)荷及生境質(zhì)量對(duì)時(shí)空變化的響應(yīng)。總體來看，中國(guó)面源污染研究起步較晚，長(zhǎng)系列的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較少；雖然數(shù)學(xué)模型應(yīng)用較多，但其對(duì)數(shù)據(jù)的廣度和精度依賴性較強(qiáng)，且空間異質(zhì)性考慮不夠，難以在大尺度范圍獲得理想效果。未來需加強(qiáng)面源污染監(jiān)測(cè)，夯實(shí)數(shù)據(jù)保障；改進(jìn)開發(fā)形成大尺度、多過程、多要素的機(jī)理模型，為水環(huán)境研究與污染防治提供更加有力、有效的方法和工具。

1.3面源污染控制措施

隨著國(guó)家和地方層面對(duì)面源污染的重視和支持，研究手段也由單一型轉(zhuǎn)向復(fù)合型，目前的污染防治思路體現(xiàn)為全過程綜合協(xié)同治理。面源污染防治技術(shù)體系可分為3類：（1）源頭削減。這主要通過土壤改良、施肥優(yōu)化、水肥管理、農(nóng)業(yè)生態(tài)及水土保持技術(shù)減少化肥投入量，從而減緩?fù)寥狼治g程度。Wang等利用鋁改性黏土和鑭改性膨潤(rùn)土對(duì)廣西典型小流域土壤進(jìn)行改良，研究發(fā)現(xiàn)鋁改性黏土和鑭改性膨潤(rùn)土對(duì)農(nóng)田徑流中溶解性無機(jī)磷的去除率分別達(dá)到93.6%和93.9%，表明該方法是一種有效的農(nóng)業(yè)面源污染控制技術(shù)；褚軍等發(fā)現(xiàn)生物炭可以改善土壤結(jié)構(gòu)．增強(qiáng)土壤持水能力，調(diào)控土壤中的氮磷組分遷移，從而降低淋溶流失，有效降低農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷；李堃等在巢湖周圍的水稻和玉米地進(jìn)行田塊尺度的實(shí)驗(yàn)，研究施用不同復(fù)合肥對(duì)農(nóng)田氮磷徑流流失與淋溶流失的影響，發(fā)現(xiàn)施用減量20%的控釋復(fù)合肥，水稻地的TN和TP流失量分別減少60.0%和63.0%，玉米地相應(yīng)減少27.8%和34.0%，表明施用控釋復(fù)合肥能有效控制農(nóng)業(yè)面源污染；Xia等發(fā)現(xiàn)通過源頭控制技術(shù)，農(nóng)業(yè)徑流中氮和磷的濃度顯著降低，但仍然難以達(dá)到安全排放濃度，農(nóng)業(yè)徑流的完全處理仍需要額外手段。（2）過程控制。這是增加陸域停留時(shí)間并通過截留控制污染物流入水體的關(guān)鍵技術(shù)。申麗娟等以“水、土、熱、氣、肥”為主線，在三峽庫(kù)區(qū)建立了農(nóng)業(yè)面源污染控制系統(tǒng)并提出多重?cái)r截與消納污染的技術(shù)體系，同時(shí)以王家溝小流域?yàn)槔M(jìn)行了實(shí)證研究和集成示范；孫彭成等通過模擬降雨試驗(yàn)研究黃土高原地區(qū)不同長(zhǎng)度柳枝稷植被過濾帶對(duì)降雨徑流侵蝕污染物攔截效果，發(fā)現(xiàn)過濾帶能高效攔截水沙和面源污染物，并能夠變污為肥，使水土資源得到有效利用；李懷恩等在陜西小華山水庫(kù)岸坡地測(cè)定了植被過濾帶對(duì)地表徑流中污染物的凈化效果，結(jié)果表明植被過濾帶對(duì)地表徑流中TN、TP和COD濃度的削減率分別達(dá)到46.1%、73.3%和60.5%，負(fù)荷削減率分別達(dá)到69.9%、85.1%和77.9%。（3）末端治理。這是針對(duì)污染物進(jìn)入下游受納水體后的治理措施，主要包括人工濕地、生態(tài)浮床等，常用于去除或減少氮、磷污染物。蔣倩文等在典型農(nóng)業(yè)型開慧河流域建立了以生態(tài)濕地為主的面源污染治理系統(tǒng)，研究結(jié)果表明景觀型生態(tài)濕地凈化工程對(duì)末端水體TN和TP的去除率分別在25%和10%以上：Cai等在鄱陽(yáng)湖流域建立池塘濕地，采用清淤底泥、選擇適宜的濕地植物、控制水力滯留時(shí)間和控制水田濕地面積比等方法對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染進(jìn)行控制，結(jié)果表明稻田排水中的TN和TP的去除率分別達(dá)到8.6%和22.9%。

為了提高面源污染防治效果，3種治理技術(shù)的有效銜接和優(yōu)化組合已成為必然之路。楊林章等總結(jié)了面源污染治理“4R”技術(shù)體系，即源頭減量（Re-duce）、過程阻斷（Retain）、養(yǎng)分再利用（Reuse）和生態(tài)修復(fù)（Restore），并在直湖港小流域建立9個(gè)小示范工程，有效提高了污染物中的氮磷養(yǎng)分多級(jí)阻控和循環(huán)利用，成功將稻田由污染源變成污染物的消納匯，為其他地區(qū)污染治理提供了良好借鑒。Xue等也應(yīng)用上述“4R”技術(shù)進(jìn)行面源污染控制實(shí)驗(yàn)，研究區(qū)為江蘇省鎮(zhèn)江市姚橋縣上社河流域1.5km2水稻和小麥地，采用肥料管理、生態(tài)溝渠和生態(tài)池塘凈化、富營(yíng)養(yǎng)化河流中氮回收、水利工程修復(fù)等方式，結(jié)果表明河道水質(zhì)明顯改善，其中TN、銨態(tài)氮（NH;-N）、TP和COD的濃度分別下降28.9%、30.4%、21.9%和35.5%。Zhang等提出的三峽庫(kù)區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染源頭和過程控制一體化治理理念，集成了水肥高效利用、水文波動(dòng)帶的生態(tài)工程攔截、氮磷生物封存和農(nóng)業(yè)廢物回收模式等技術(shù)，使農(nóng)業(yè)面源污染綜合去除率超過89%。針對(duì)云貴高原典型湖泊流域，劉宏斌等創(chuàng)建了農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測(cè)方法，突破污染控制與資源利用結(jié)合的關(guān)鍵技術(shù)，建立了流域農(nóng)業(yè)面源污染分區(qū)協(xié)同防控理論，提出兩點(diǎn)變頻式流域農(nóng)業(yè)面源污染技術(shù)。滇池水污染問題一直都是國(guó)家和地方政府關(guān)注的焦點(diǎn)，很多研究表明農(nóng)田徑流是富營(yíng)養(yǎng)化的重要來源，段昌群等根據(jù)滇池流域內(nèi)大面積農(nóng)田的地形、作物布局、灌排系統(tǒng)和面源污染物輸移特點(diǎn)，將連片農(nóng)田劃分成不同的子匯水區(qū)，以子匯水區(qū)為控制單元分別研發(fā)集水控蝕、節(jié)水減肥及蓄廢削污等面源污染控制技術(shù)，分別實(shí)現(xiàn)各子匯水區(qū)內(nèi)農(nóng)田面源污染物源頭削減和輸出過程阻斷、攔截，從而降低連片農(nóng)田面源污染負(fù)荷輸出強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)構(gòu)建連片農(nóng)田污染減負(fù)的目標(biāo)。黃土高原作為典型的生態(tài)脆弱區(qū)，嚴(yán)重的水土流失及伴隨的氮磷流失引發(fā)了黃河流域面源污染問題，污染在時(shí)間上呈現(xiàn)一定季節(jié)性特征，污染負(fù)荷多集中在夏、秋兩季，與流域降雨季節(jié)基本一致，同時(shí)由于土壤肥力不足，農(nóng)業(yè)增產(chǎn)主要依賴施肥，這就使得農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷增加，導(dǎo)致水土流失型水污染問題。吳磊等剖析和總結(jié)了黃土高原地區(qū)基本概況和該地區(qū)水土流失型面源污染研究進(jìn)展，提出了建設(shè)植被過濾帶、河岸緩沖帶，發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)等的污染治理建議。依托科技部重點(diǎn)專項(xiàng)，熊煒等建立了東北糧食主產(chǎn)區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染綜合防治集成技術(shù)示范區(qū)和集面源污染防控與農(nóng)業(yè)觀光休閑旅游為一體的示范工程，并研發(fā)了微生物強(qiáng)化原位消減控制技術(shù)、集“控源+截留+消納”于一體的丘陵小流域面源污染綜合防控技術(shù)，為控制面源污染提供了良好的樣板和借鑒。

2農(nóng)業(yè)面源污染研究存在的問題

（1）中小型流域研究缺乏系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，污染物負(fù)荷量化精度不高。

當(dāng)前我國(guó)中小型流域水文水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作不夠深入，導(dǎo)致關(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)較為缺乏。雖然重點(diǎn)河流監(jiān)測(cè)點(diǎn)均有布設(shè)，但是監(jiān)測(cè)頻率普遍偏低、樣品測(cè)試誤差較大；另外，還缺少水文水質(zhì)同步監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，使得負(fù)荷量估算精度較低。由于數(shù)據(jù)問題，簡(jiǎn)單經(jīng)驗(yàn)系數(shù)或模型模擬估算難以準(zhǔn)確評(píng)估污染負(fù)荷、污染程度，也難以徹底摸清污染來源，這是因?yàn)楹?jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)估算往往將污染來源擴(kuò)大化或者混亂化。比如我國(guó)大部分農(nóng)村未建設(shè)成套的明渠或者管網(wǎng)，受下墊面和產(chǎn)匯流異質(zhì)性共同影響，農(nóng)田、農(nóng)村生活、養(yǎng)殖型的污染物大多在降雨徑流或水土流失驅(qū)動(dòng)下遷移到水體，具有較大的隨機(jī)性、擴(kuò)散性及滯后性，導(dǎo)致污染物排放量并不完全等于人河量，如果它分布在非動(dòng)力傳輸渠道，則并非必然會(huì)影響水體。因此，入河或入湖庫(kù)的輸出系數(shù)法弊端明顯，難以準(zhǔn)確反映污染物負(fù)荷。

（2）缺乏多學(xué)科交叉研究，系統(tǒng)性的全過程治理不足。

當(dāng)前研究大多只立足農(nóng)業(yè)、土壤或者水環(huán)境單一視角研究農(nóng)業(yè)面源污染問題，缺乏多學(xué)科知識(shí)交融，全過程的研究銜接不上，只能解決局部環(huán)境問題，甚至?xí)霈F(xiàn)內(nèi)部負(fù)反饋效應(yīng)，間接增加水污染治理工作的難度。面源污染措施方面，雖然有很多典型的成功案例，但是小范圍、小規(guī)模、單項(xiàng)污染防治技術(shù)示范多，支撐區(qū)域或流域?qū)用娴南到y(tǒng)性、集成性示范工程少，在管理、運(yùn)行、維護(hù)等方面缺少必要的資金支持，長(zhǎng)效運(yùn)行機(jī)制缺失，難以長(zhǎng)期發(fā)揮作用。由于污染物從“土相”到“水相”的遷移路徑較長(zhǎng)，且受土壤侵蝕、灌溉和降雨強(qiáng)度的影響，工程或非工程措施成本投入較高、試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，在流域尺度上進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新有較大挑戰(zhàn)性。

（3）水文條件對(duì)污染物遷移影響機(jī)制研究薄弱，預(yù)測(cè)預(yù)警體系不完善。

面源污染大多以降雨、徑流作為水動(dòng)力條件，而現(xiàn)有研究在不同頻次、強(qiáng)度、分布特征的降雨對(duì)污染物遷移影響方面還存在不足。2021年《中國(guó)氣候變化藍(lán)皮書》顯示，1961-2020年中國(guó)高溫、強(qiáng)降水等極端事件增多增強(qiáng)，氣候風(fēng)險(xiǎn)水平趨于上升，氣候變化會(huì)直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與管理及水文水質(zhì)過程，尤其降水增強(qiáng)會(huì)明顯加劇水土流失和農(nóng)業(yè)面源壓力，影響水環(huán)境質(zhì)量，威脅水生生態(tài)系統(tǒng)。在氣候環(huán)境影響下，以年、月和季節(jié)為時(shí)間尺度的面源污染研究已經(jīng)難以為流域管理提供有效應(yīng)對(duì)建議和措施。另外，現(xiàn)有的長(zhǎng)短期氣象預(yù)報(bào)和洪水預(yù)測(cè)預(yù)警能力還亟待提升，面源防控技術(shù)上也未形成全國(guó)有效的監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)，這些不足會(huì)對(duì)流域污染防治規(guī)劃的制定、長(zhǎng)短期氣候氣象影響下水環(huán)境污染狀況的掌握、水污染風(fēng)險(xiǎn)的準(zhǔn)確評(píng)估和預(yù)警等造成影響。

（4）自上而下的面源污染治理意識(shí)薄弱，管理部門聯(lián)動(dòng)性不夠。

國(guó)家從戰(zhàn)略高度對(duì)面源污染進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)，政府在近期規(guī)劃中也強(qiáng)調(diào)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要性，但基層政府對(duì)面源污染防治的重要性認(rèn)知還需提升。廣大農(nóng)村地區(qū)宣傳工作還不夠深入，農(nóng)民還過度依賴化肥和農(nóng)藥提高農(nóng)作物產(chǎn)量，很少考慮由此產(chǎn)生的水污染和生態(tài)環(huán)境問題。從宏觀調(diào)控來看農(nóng)業(yè)與水環(huán)境相關(guān)管理部門并未有效聯(lián)動(dòng)起來，政策和規(guī)劃相對(duì)獨(dú)立，造成單一追求農(nóng)業(yè)環(huán)境質(zhì)量或水環(huán)境質(zhì)量的綠色可持續(xù)性，未能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)保護(hù)和協(xié)同發(fā)展。

3建議與展望

（1）理論和技術(shù)應(yīng)用分離，需構(gòu)建多學(xué)科交融、專業(yè)技術(shù)一體化研究體系。

面源污染研究并不是獨(dú)立的，由于影響因素的多樣性，且關(guān)系到社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，必須建立完整、行之有效的知識(shí)體系。建議圍繞水一土一作物系統(tǒng)，開展環(huán)境、生態(tài)、管理、經(jīng)濟(jì)等跨學(xué)科知識(shí)融合，形成流域治理一體化體系，統(tǒng)籌流域水環(huán)境與人為活動(dòng)協(xié)同發(fā)展。面源污染治理工作的迫切性和有效性決定其研究工作不能停留在基礎(chǔ)研究階段，提出切實(shí)可行的解決措施才是最終目的，專業(yè)理論與技術(shù)分離的研究不能從根源上解決問題，所以要加強(qiáng)相關(guān)專業(yè)背景的人才與技術(shù)人才的橫向合作交流，探索切實(shí)解決流域水污染問題的有效途徑。

（2）現(xiàn)有模型仍存在不足，需發(fā)展適用于我國(guó)本土的面源污染過程解析模型。

現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ǔ２豢紤]面源污染物入河過程中所涉及的物理、化學(xué)及生物反應(yīng)過程，而是以建立農(nóng)業(yè)面源污染物輸入與輸出之間的量化關(guān)系為原理開展模擬，具有操作簡(jiǎn)便、數(shù)據(jù)需求低等優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)于小尺度區(qū)域內(nèi)異常值和極端事件的預(yù)測(cè)效果較差。機(jī)理模型通過將氣候條件、下墊面、作物生長(zhǎng)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)等影響農(nóng)業(yè)面源污染發(fā)生的眾多因素概化為模型參數(shù)，借助GIS處理平臺(tái)對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染發(fā)生、傳輸?shù)热^程進(jìn)行模擬，具有模擬精度高、模擬結(jié)果數(shù)據(jù)連續(xù)性好等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)輸入數(shù)據(jù)質(zhì)量要求較高；另外，現(xiàn)有機(jī)理模型對(duì)流域生態(tài)水文和污染物遷移過程的表征仍存不足。因此，如何構(gòu)建面向空間、融人生物地球化學(xué)原理、適用于我國(guó)本土的農(nóng)業(yè)面源污染過程解析模型將是未來重要的研究方向。

（3）流域監(jiān)測(cè)工作依然薄弱，需構(gòu)建天地一體化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系。

我國(guó)已形成田塊尺度的監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范，但現(xiàn)有的流域面源污染防控監(jiān)控平臺(tái)還相對(duì)滯后，也因自然條件的復(fù)雜性和異質(zhì)性而難以具有普適性。未來要立足流域陸面一水體復(fù)合系統(tǒng)，結(jié)合地面和遙感技術(shù)形成農(nóng)業(yè)面源污染分區(qū)模式的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系：既能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)、線、面多尺度監(jiān)測(cè)，又能協(xié)同陸面水土多要素監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)全過程綜合監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)時(shí)效性和準(zhǔn)確性；對(duì)于復(fù)雜作物系統(tǒng)或者生產(chǎn)要素建立野外觀測(cè)站，對(duì)重點(diǎn)流域做到水量水質(zhì)長(zhǎng)期同步監(jiān)測(cè)；面源污染防控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)管一體化，實(shí)時(shí)對(duì)接和共享年、月、日、小時(shí)尺度的監(jiān)測(cè)信息，支撐污染物負(fù)荷準(zhǔn)確評(píng)估；加強(qiáng)氣象水文和面源污染多時(shí)間尺度預(yù)報(bào)預(yù)警，實(shí)現(xiàn)GIS空間可視化，充分發(fā)揮模型和大數(shù)據(jù)在水污染防治和推動(dòng)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展中的作用。

（4）組合措施推廣難，需加強(qiáng)多目標(biāo)優(yōu)化分析。

最佳管理措施（BMP）的多目標(biāo)空間優(yōu)化配置主要靠農(nóng)業(yè)面源污染關(guān)鍵區(qū)的精準(zhǔn)識(shí)別、負(fù)荷量削減率及成本效益分析完成。現(xiàn)有的模型模擬和3S技術(shù)的結(jié)合，可以從空間尺度上識(shí)別關(guān)鍵污染區(qū)域、明確主要污染物，但是單一的子流域尺度研究很難精細(xì)到具體的污染源，將子流域與田塊尺度的污染物特征、源要素和遷移過程等統(tǒng)籌考慮，耦合機(jī)理模型在不同區(qū)域和多空間尺度下進(jìn)行污染源解析、關(guān)鍵污染物追溯及高風(fēng)險(xiǎn)污染區(qū)點(diǎn)位識(shí)別具有重要意義。面源污染物負(fù)荷量并不等于實(shí)際水污染程度，水體最終的納污情況要靠水環(huán)境容量表征，因此可設(shè)置不同情景措施確定流域水污染負(fù)荷削減率，建立多情景與水質(zhì)質(zhì)量的優(yōu)化函數(shù)模型，篩選最優(yōu)情景，確定合適的協(xié)同治理方案。未來面源污染BMP效果必將從單一措施向多措施組合評(píng)估發(fā)展，最終達(dá)到基于多目標(biāo)優(yōu)化的BMP合理高效配置，這對(duì)實(shí)現(xiàn)流域水環(huán)境質(zhì)量整體改善和多重效益保障具有重要意義。