管窥农业中非点源污染的研究和趋势范文

1农业非点源污染的主要特征

按照污染物进入水体的方式，水环境污染可分为点源污染（PointSourcePollution，PSP）和非点源污染（Non-pointSourcePollution，NSP）。凡是通过污水管网直接进入外界水体的污染形式属于点源污染，除此之外的一切污染形式均属于非点源污染。在各种非点源污染形式中农业非点源污染表现最为普遍,并成为当今世界水质恶化的第一大威胁。结合现阶段我国农业生产现状，农业非点源污染具有以下特征：

（1）灌溉（降水）是农业非点源污染形成的充分条件农业非点源污染形成的物质基础是土壤中积存的养分或施入田间的肥料，其形成和迁移的动力与载体则是农田水分运动。

（2）明显的单元特征受灌溉渠道和排水沟渠的影响，现阶段我国农业生产具有明显的小单元特征。各单元内由于作物种植结构不同，耕作方式、化肥、农药施用量等有所差异，导致农业非点源污染的产污强度、过程不同。

（3）典型的周期性变化特征我国主要粮食作物如水稻、小麦、玉米等，从耕种到收割都存在着明显的区域周期性变化特征，降水、灌溉、施肥等都随农作物生长周期而变化，形成的农业非点源污染也呈现周期性的变化特征。

（4）农业非点源污染物移路径复杂农业非点源污染物从田间产出后，在经农级、支级、干级等各级排水沟逐级输送、汇合过程中往往还会汇入其它污染物，如：农村垃圾滤液、养殖污染废水、乡镇（村）办企业工业生活废水等等。农业非点源污染物迁移不仅路径长，而且影响因素复杂。

2农业非点源污染负荷模型

2.1国外研究

国外从20世纪70年代开始系统地研究农业非点源污染问题，由于农业非点源污染是一种间歇发生、随机性、突发性、不确定性很强的复杂过程，模型化研究一直是非点源污染研究的核心领域。综合40余年的相关研究，农业非点源污染模型大致经历了3个阶段：经验型模型、确定型模型和随机模型。

（1）经验型模型。

20世纪60年代至70年代初，人们已经认识到了非点源污染的危害性，但限于对其形成机理和过程的认识不足，以及监测资料的匮乏，更多的是采用经验模型进行研究。经验模型通过建立污染负荷与流域土地利用或径流量之间的经验关系来识别土地利用或流域非点源污染负荷。代表模型有美国农业部农业手册第282号颁布的通用土壤流失方程模型（USLE）[6]，美国农业部开发的径流曲线方程（SCS）和早期的输出系数法（或称单位面积负荷法）等。经验型模型不考虑溶质运移的机制和动力学特征，对数据要求较低，有较强的实用性和准确性；而这类模型的功能较为单一，不能对非点源污染的过程进行动态模拟和估算，使得它的进一步应用受到了较大限制。

（2）确定型模型。

20世纪70年代中后期以来，随着对农业非点源污染物理化学过程研究的深入和对其运移过程的广泛监测，特别是计算机模拟技术的广泛应用，确定型模型逐渐成为非点源污染模型开发的主要方向。早期的代表性模型有美国农业部提出的GREAMS和GLEAMS模型，普度大学Beasley和Huggins提出的ANSWERS（ArealNonpointSourceWatershedEnvironmentResponseSimulation）模型，以及美国农业研究署和明尼苏达州联合开发的AGNPS（AgriculturalNon-pointSourcePollution）模型。这些模型能够对流域不同节点及出口处的流量和水质进行较为准确的模拟和预测；但是模型对空间变异性考虑不足，还不适用于大型流域及复杂的地貌状况，同时模型所需的大量空间信息也难以获得。随着“3S”技术与农业非点源污染模型的融合，研究过程充分考虑空间变异特征，模型的功能和精度更加完善，处理效率进一步提高。一些功能强大的超大型流域模型被开发出来，这些模型不再是单纯的数学运算程序，而是集空间信息处理、数据库技术、数学计算、可视化表达等功能为一体的大型专业软件。如美国环保局开发的BASINS模型，美国农业部开发的SWAT模型连续模拟模型——AnnAGNPS模型等。

（3）随机模型。

近20年来，人们认识到在利用模型概化自然系统的过程中进行的一系列简化与假设，加之模型运用时输入信息的缺乏或误差，以及获取的参数值不确定等原因，使得模拟系统无法避免不确定性的产生，因此随机模型逐渐发展起来，并广泛受到重视和应用。代表性的有Jury等提出的传递函数模型理论，此模型将溶质在土壤孔隙中复杂移现象作为随机过程处理,不考虑溶质在田间土壤中运移的微观机制，将溶质的输出表征为输入通量函数，而溶质在土壤中发生的动力学过程由概率密度函数表示。

2.2国内研究

国内的农业非点源污染研究起步较晚，始于20世纪80年代初的湖泊、水库富营养化调查和河流水质规划。归纳30多年来国内非点源污染方面的研究，大致可概括为三方面内容：一是经验统计分析研究，如李怀恩提出的平均浓度法、土地利用关系法和污染负荷～泥沙关系法、陈友媛等提出的水文估算法、李强坤等提出的基于单元分析的农业非点源污染负荷计算、王伟明等将概率配点法（PCM）用于农药非点源污染的不确定性分析和随机模拟；二是机理探讨研究，如李怀恩等把流域概化为河网系统，以逆高斯瞬时单位线模型为基础，建立了一套具有机理性质的流域非点源污染数学模型；张建云提出的包括降雨径流、土壤侵蚀和畜禽污染等模块的非点源污染模型；张瑜芳等提出的排水条件下氮素转化、运移和流失简化计算模型；黄满湘等采用田间模拟降雨径流试验研究北京地区农田暴雨径流氮素流失与雨强、作物覆盖、施肥因子的关系，以及侵蚀泥沙的粒径分布特征和对氮的富集作用；马军花等将土壤溶质运移理论和土壤微生物化学、植物生理学有机地结合起来，建立了农田土壤氮素运移、转化与吸收的综合数学模型；王建中等建立了基于次降雨事件的坡面氮素迁移模型，李强坤等提出了多沙河流非点源污染负荷估算模型，李娜、任理等应用连续时间随机游动理论模拟了重金属镉在水土环境中的运移；三是对国外模型的吸收、改进和综合应用。如蔡明等对Johnes输出系数模型的改进，陈欣等采用AGNPS模型对南方丘陵区小流域磷素进行预测，范丽丽等应用SWAT模型对三峡库区大宁河流域农业非点源污染负荷进行模拟计算，黄金良等采用GIS技术和USLE、SCS-CN及AnnAGNPS模型相结合，对南方中等尺度流域进行农业非点源污染控制区划。

3农业非点源污染风险评估

由于农业非点源污染影响因素复杂，有学者提出：对污染负荷精确定量化是十分困难的，且不是污染控制所必需的，快速准确划定农业非点源污染关键源区（CSAs）并提出相应控制措施才是农业非点源污染研究的重要工作。目前，区域农业非点源污染风险评估应用较多的是指标体系评价法，其关键技术在于评价指标的选取以及权重赋值的合理性。

3.1评价指标的选取农业非点源污染影响因素复杂，但总体上可将其分为源因子和汇因子两类。

（1）源因子：主要反映各土地利用方式下土壤中养分含量、肥料输入及土壤对养分的持留能力等，表明是否具有较高的养分输出潜力，主要包括土壤质地、土壤覆盖、化肥和有机肥的施用量和施用方法、土壤对潜在污染物的固持能力等。

（2）汇因子：指影响养分迁移的因子，决定源因子中的养分输出潜力能否转化为实际的流失，主要包括降雨侵蚀因子、土壤可侵蚀性因子、地表径流因子、地形因子、输移距离因子等。

3.2权重的确定由于各评价指标的内涵不同，结合区域具体情况，有必要判明这些指标的相对重要性即权重。确定指标权重可分为三类方法：主观方法、客观方法和综合方法。

（1）主观方法。

如专家打分法、主观判断法、经验判断法等。专家打分法是目前确定权重最常用的方法。张淑荣等基于专家打分法，对农田生态系统非点源污染敏感性分布进行空间评价。由于专家打分法主观性强，每个专家打分结果差异较大，兼之不同区域自然、社会、经济等条件不尽相同，一个区域的打分结果往往并不适合于另外一个区域。同样，主观判断法和经验判断法也是由评价人根据自己的实践经验和主观判断直接给出权重，通常带有研究者的主观性，准确性无法检验。

（2）客观方法。

如主成分分析法、因子分析法、灰色系统理论法、熵权计算法等。主成分分析法利用降维的思想，把多指标转化为少数几个综合指标，即主成分，而这几个主成分可以反映原来多个变量的大部分信息。因子分析是主成分分析方法的推广和深化，其基本思想是根据相关性大小把变量分组，用较少个数公共因子的线性组合来表达原来观测的每个变量，其缺点是对资料的连续性、线性要求高且工作量大。张蕾等应用因子分析和聚类分析对石头口门水库水质进行了评价，通过因子分析提取了3个主要因子。灰关联分析法可在影响因子信息不足的情况下，对各序列两两之间进行关联判定，来量化不同层次中多个序列相对某一级别标准序列的关联性，如林绍霞等人采用灰色关联度法分析不同影响因子引起农业非点源污染程度的差异。

（3）综合方法。

随着计算机科学的普及与提高，综合方法得到了应用和推广，如层次分析法、神经网络BP法、支持向量基法等。其优点在于可以降低主观经验判断干扰，增加客观属性实际反映，同时又能较好地满足一致性检验的要求。层次分析法是近年来研究较多的方法，它将研究者的思维过程数学化，并通过构造判断矩阵将复杂的系统分析简化为各指标之间成对的比较判断和简单的排序计算；但随着判断矩阵增大，一致性检验的要求难以得到满足。李潇瀚等针对伊通河流域农业非点源污染风险评估时，采用层次分析法确定影响因子权重。

3.3评价方法

国内外研究中，指标体系评价法典型应用的有：磷指数法、潜力指数法和等标污染负荷法。

3.3.1磷指数法磷指数评价法是非点源污染评价的一种主要方法。1993年，Lemunyon和Gilbert提出了磷指数（PI）评价法，该法选取土壤侵蚀、地表径流、土壤测试磷（STP）、化学磷肥和有机磷肥的施用量和施用方法等8个因子构建评价指标体系，根据每个因子测定值将其划分为5个等级，并赋予每个因子相应的权重值，最后通过公式计算得PI指数。根据这一指数值进行磷素流失风险分级，强度高和很高的单元就是农业非点源污染的重点控制区。磷指数法简单实用，并且注重与GIS的结合使结果具有更好的可视性和可操作性。国内应用方面，张淑荣在于桥水库流域建立磷指数法。宋月君等对我国九大流域农用地非点源磷污染危险性进行了评价。周慧平等采用改进的磷指数法在巢湖流域开展非点源磷流失风险评价及关键源区识别。

3.3.2潜力指数法潜力指数法APPI（AgriculturalNon-pointSourcePollutionPotentialIndex）是Petersen等在1991年建立的一个用于较大区域尺度的非点源污染潜力指数评价系统。2004年，郭红岩等参考美国评价NPS发生潜力的方法，针对河网区域建立了一套农业非点源污染发生的潜力指数系统APPI。APPI参数设置简洁合理，且易搜集整理，充分考虑了自然因素与人为因素对农业非点源污染的贡献。周徐海等采用APPI对太湖宜兴市大浦镇19个行政村各个区域发生非点源污染的潜力进行了评价。孟丹等采用APPI对石头口门水库双阳河流域9个行政区的农业非点源污染发生潜力进行预测和评价。曹昕鑫等利用APPI分析了沙颍河流域46个行政村的农业非点源污染潜力和污染负荷空间分布。

3.3.3等标污染负荷法等标污染负荷法反应污染源本身的潜在污染水平，利用等标污染指数、等标污染负荷以及污染负荷比3个特征指数来确定主要污染物、重点污染和总污染负荷。叶飞等对江苏省13个市的农业非点源污染源采用等标污染负荷的评价方法进行了评价。高新昊等采用“等标污染法”计算了2007年山东省化肥、畜禽粪便、生活排污3种污染源中总氮、总磷2种污染物的流失量，以及全省17个地市3种污染源中2种污染物的等标污染负荷与等标污染指数。孟晓璐等应用等标污染负荷法对太子河流域的众多污染源进行评价，筛选出了重点风险源。

4农业非点源污染控制措施

随着点源污染的控制水平提高，非点源污染的治理已成为全球环境问题能否得到有效解决的关键，不同研究者从不同的角度出发提出了多种农业非点源污染控制措施。

4.1最佳管理实践（BMPs）

控制措施中最有影响的是20世纪70年代由美国环保局（USEPA）提出的最佳管理实践（BestManagementPractices，BMPs）。BMPs可分为管理措施和工程措施。管理措施分为养分管理、耕作管理和景观管理三个层次，工程措施包括湿地、植被缓冲区和水陆交错带等新兴的生态工程措施。方志发等将BMPs应用于千岛湖流域，针对性地提出各类非点源污染控制的最佳管理措施。冯永忠等在最佳管理措施基本原理的基础上，构建宁夏黄河灌区农业非点源污染防控方案，为宁夏黄河灌区农业非点源污染防治提供理论依据。

4.2控制阶段划分

苑韶峰等将众多的防治方法分为两类：“源”防治和“汇”防治。“源”防治方法主要是从污染物源头控制和减少污染物流失，具体措施包括调整种植结构、调控施肥技术、养殖业控制等。刘孝利等利用SWAT模型对东北典型黑土区农业小流域进行研究，证明施肥空间调整和田间管理优化可有效地降低产流、产沙和N、P养分的流失。“汇”方法则着重于对污染物的去除和削减。研究较多的方法有：应用沟渠湿地去除、水生植物去除、生物技术等。姜翠玲等论述了湿地生态系统作为农田与水体之间的一个过渡地带，对地表径流中氮磷营养物质的降解作用。罗纨等提出控制排水措施对减少农业非点源污染具有重要意义，将深度为1m的排水农沟控制到60cm时，生长期内农沟地下排水量减少了50%左右。李强坤等认为非点源污染控制总体可划分为源头减量、过程控制及末端处理3个阶段，其控制成本也依次逐阶段递增，源头是非点源污染控制的关键和重点。戴照福等根据广东省自身情况提出了应对土壤磷素流失的控制措施，包括合理施肥、实施最佳管理措施、修筑人工湿地和缓冲带、充分利用多水塘系统。杨林章等总结提炼了农村面源污染治理的“4R”理论，即源头减量（Reduce）、过程阻断（Retain）、养分再利用（Reuse）和生态修复（Restore），四者之间相辅相成，构成一完整的技术体系链。“4R”控制技术体系是以污染物削减为根本，从污染物的源头减量入手，根据治理区域的污染汇聚特征进行过程阻断，通过对养分的循环再利用减少污染物的入水体量，并对水体进行生态修复，从而实现水质改善的目的。“4R”控制技术体系可以实现污染控制技术在时间和空间上的全覆盖，使整个系统的污染控制效果更好。

4.3技术方法划分

郭鸿鹏等将农业非点源防治技术分为单一技术、集成技术和综合技术三类。其中单一技术包括科学施肥技术、缓冲带防治技术、生态农业技术、保护性耕作技术、科学灌溉技术等。段亮等通过对太湖流域旱地磷素进行研究得出结论地表管理和施肥方式能有效地降低磷流失量，其中地表覆膜、秸秆覆盖、肥料条件及穴施分别可降低90.5%、86.5%、80.2%、80.5%的磷流失。集成技术包括与3S技术的集成、与决策支持系统的集成和与示踪技术的集成。综合技术包括最佳管理实践和立体化消减体系。集成技术和综合技术是未来农业非点源污染控制措施研究的重点。

5进一步研究的趋势和热点

总结国内外农业非点源污染的研究进展，近期和未来的研究重点有以下几个方面。

（1）进一步深入研究农业非点源污染模型。

近年来，农业非点源污染模型主要从两方面发展，一是实现3S技术与农业非点源污染模型多层次、多通道结合，针对模型空间数据量大、参数复杂的特点，借助在时效性和宏观性方面具有明显优势的RS和在空间数据管理、分析和可视化方面独一无二的GIS技术对模型进行处理。二是强化农业非点源污染不确定性模型的研究。非点源污染模拟过程中模型结构、模型参数、输入数据和验证数据四个方面的不确定性相互作用和影响，最终导致模拟结果存在显著的不确定性。对非点源模型进行系统的不确定性分析，能有效支撑非点源污染的研究和管理工作，对于制定合理的污染防治措施具有重要意义。

（2）拓宽农业非点源污染研究对象的广度

目前，农业非点源污染的研究主要以N、P的迁移转化、污染负荷估算、径流污染特征等研究为主，而对有毒类污染物（杀虫剂）、生物累积类污染物（有毒有机物、重金属）的研究还较少涉及。农业生产活动中农药的大量使用，以及工业化和城市化进程的不断加快，导致我国农田土壤化肥、重金属等污染不断加剧，因此，农业非点源污染物的研究不应局限于N、P污染物，研究对象广度的逐步拓展也是未来研究的发展趋势。

（3）农业非点源污染对地下水的影响研究

地下水系统作为水环境的一部分，其污染与农业非点源污染有着密切的关系，而现阶段农业非点源污染的研究更多地着重于地表径流中养分的流失规律、影响因素以及控制技术研究，对于地下径流中非点源污染物的输出规律研究较少。因此，农业非点源污染在地下水中的输出规律及其对地下水的影响预测与评价也是未来的研究热点之一。

（4）进一步研究风险评估方法，建立评价指标体系和预警系统。

目前，国际上尚无成熟和标准化的风险评估理论体系可用于指导实践，各类方法都在不断探索中。层次分析法、模糊综合评价法、投影寻踪评价法与农业非点源污染风险评估的结合，传统方法的改进，各种权重确定方法、评价方法之间的综合运用都是未来研究的热点。在农业非点源污染风险评估的基础上，可进一步建立农业非点源污染的数据库、评价指标体系和预警系统，为决策者进行判断和宏观管理提供支撑。

（5）加强污染防治技术研究

以基因工程为主导的生物技术，包括生物杂交、生物遗传，培养高产、抗病、固氮的作物以减少化肥和农药的使用，构建能够降解杀虫剂、除草剂、多环芳烃化合物等高效基因工程菌，是解决农业非点源污染的强有力的手段。沟渠湿地去除技术、总量控制也是未来农业非点源污染控制研究的热点。同时，借鉴发达国家在BMPs应用上的经验，结合具体区域特征和污染状况，从流域生态和谐角度确定BMPs中包含的具体工程措施和管理措施，以建立流域土地、水域最优开发和管理模式。

作者：李丽华李强坤单位：黄河水利科学研究院河海大学水文水资源学院