中國硝酸鹽脆弱區(qū)劃分與面源污染阻控

馬 林，盧 潔，趙 浩，柏兆海，胡春勝

（中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國科學院農(nóng)業(yè)水資源重點實驗室/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室，石家莊050021）

農(nóng)業(yè)面源污染是水體氮磷污染的主要源[1]。二十世紀八十年代以來，我國為了保障糧食安全和提高作物單產(chǎn)，過量施用化肥、大水漫灌、畜禽糞尿隨意向環(huán)境排放等問題突出，由此引起的面源污染，尤其是農(nóng)田和養(yǎng)殖場氮磷淋溶損失造成的地下水污染問題在農(nóng)區(qū)日益嚴重[2]。大量的化肥施入農(nóng)田，在沒有合理的農(nóng)業(yè)管理措施情況下，作物對養(yǎng)分的利用率降低，其中氮肥的利用率只有約30%～40%[3]，絕大部分以的形式累積于土壤中，在遭遇強降雨或灌溉后，隨水以淋溶和徑流等方式進入地下水和地表水，造成地下水硝酸鹽污染和水體富營養(yǎng)化[4-5]。研究顯示，非根層土壤每年約有68%的殘留，其中約有20%的滲入地下水[6]。據(jù)北京、河北、陜西、東北等18個行政區(qū)2103眼水井監(jiān)測結果表明：我國80%以上監(jiān)測點地下水污染嚴重，為Ⅳ和Ⅴ類，其中與農(nóng)田淋溶相關的“三氮”（氨氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮）污染最為嚴重[7]。此外，相關調查顯示北方環(huán)渤海七省市（北京、河北、河南、山東、遼寧、天津和山西）地下水含量平均值達到11.9 mg·L-1，約有34.1%的地下水超過了WHO制定的飲用水標準[8-9]?？梢?，的淋溶損失不僅造成了嚴重的環(huán)境風險或直接的環(huán)境污染，同時也會對人體健康造成巨大威脅[4]。歐美等國家通過劃分硝酸鹽污染脆弱區(qū)和風險區(qū)，以此為依據(jù)制定相關區(qū)域法案政策，實施重點區(qū)域面源污染阻控和水污染防治，獲得了很好的面源污染消減效果。而我國尚缺乏針對硝酸鹽脆弱區(qū)的農(nóng)業(yè)面源污染區(qū)域阻控策略研究。

1 我國地表和地下水硝酸鹽污染問題堪憂，威脅水源安全

我國大部分地表水和地下水污染日益嚴重。據(jù)報道，我國31%的監(jiān)測河流水質為劣Ⅳ類水。其中十大流域中，僅西南和西北流域的水質達標，為Ⅰ-Ⅲ類水，其余均為劣Ⅳ類水。九大重要海灣中有六個被劃為Ⅳ類或劣Ⅴ類水質。原國土資源部針對地下水水源地的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，2015年受監(jiān)測的飲用水水井有62%水質超標[10]。同期，水利部針對淺層地下水的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，超過80%的淺層地下水水質為Ⅳ類以上[7]。而Ⅳ類以上水質一般僅能用作娛樂和工業(yè)用水，不適宜人體的直接接觸和飲用。

“三氮”（氨氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮）超標嚴重，農(nóng)業(yè)是水體氮排放和污染的重要來源。我國劣Ⅳ類水質硝酸鹽含量為130 mg·L-1（GB 14848—2017）[11]，而世界衛(wèi)生組織（WHO）推薦的飲用水硝酸鹽含量標準值為50 mg·L-1[9]，是水源污染的主要原因之一。飲用水中硝酸鹽超標會直接危害人體健康，導致藍嬰癥[12]等疾病。據(jù)估計，我國目前仍有將近2億人口飲用具有安全隱患的地下水[13]。2010年2月6日環(huán)保部公布的《第一次全國污染源普查公報》數(shù)據(jù)顯示農(nóng)業(yè)源向水體總氮、總磷排放量分別為270萬t和28萬t，分別占氮、磷排放總量的57%和67%[14]。而地表水中氮和磷的超標會導致水體富營養(yǎng)化等問題。因此，要從根本上解決上述問題，必須把“三氮”污染防治直接納入到國家環(huán)境保護體系中。

劃定硝酸鹽脆弱區(qū)是防控面源污染和保證水源安全的關鍵。近年來，我國對水環(huán)境問題愈加重視，頒布了一系列水污染防治政策和法規(guī)，如：2015年的《水污染防治行動計劃（水十條）》（http://www.gov.cn/zhengce/content/2015-04/16/content_9613.htm）和2018年的《水污染防治法（修訂案）》（http://www.npc.gov.cn/npc/xinwen/2017-06/29/content_2024889.htm）。同時，我國對農(nóng)業(yè)面源污染的源頭防控工作也非常重視，相繼實施了“化肥使用量零增長，有機肥替代”“畜禽糞尿資源化”等重大行動方案，科技部組織了“兩減”和“面源”兩個重大研發(fā)專項。然而，目前對農(nóng)業(yè)“三氮”污染問題重視不夠，具體表現(xiàn)在：（1）涉及農(nóng)業(yè)源水污染防治的條目較少，缺乏精準的問題導向；（2）沒有識別出水污染關鍵防控區(qū)域，以“各自作戰(zhàn)”的形式在全國一刀切的實施，并未建立針對硝酸鹽脆弱區(qū)的養(yǎng)分優(yōu)化管理和面源污染防控方案；（3）更缺少不同技術與模式對硝酸鹽脆弱區(qū)面源污染阻控的監(jiān)測與評估機制，難以支撐我國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的全面實施。

2 歐美國家通過劃分硝酸鹽脆弱區(qū)，消減水體硝酸鹽面源污染風險

水污染問題遍布全球，歐盟通過劃定硝酸鹽脆弱區(qū)，實現(xiàn)了水環(huán)境的保護。1991年，歐盟頒布了《硝酸鹽法案》，旨在利用良好的農(nóng)業(yè)實踐保護歐洲各地的水資源，減少農(nóng)業(yè)源硝酸鹽水體污染，并避免地表水體和地下水體進一步受到污染[15-17]?！断跛猁}法案》規(guī)定所有歐盟成員國必須劃定硝酸鹽脆弱區(qū)，包括：硝酸鹽脆弱區(qū)（地表或地下水體硝酸鹽濃度超過50 mg·L-1），硝酸鹽潛在污染區(qū)（若不采取行動扭轉該趨勢，地表或地下水體硝酸鹽濃度可能會超過50 mg·L-1）和水體富營養(yǎng)化區(qū)（淡水、河口、沿岸海域和海洋水域，發(fā)現(xiàn)是富營養(yǎng)化或若不采取行動扭轉該趨勢，可能成為富營養(yǎng)化）。在這些區(qū)域內強制實施一系列的氮磷養(yǎng)分管控措施，如：基于作物養(yǎng)分需求科學施肥，劃定作物施肥限量、禁止施肥時間，規(guī)定畜禽糞尿最小儲藏容量和有機肥最大施用量等。此外，歐盟還建立了完善的監(jiān)測和評估體系，每5年對硝酸鹽脆弱區(qū)的硝酸鹽增減情況進行評估，以此為依據(jù)對各成員國進行獎懲。據(jù)相關研究結果顯示，歐盟的硝酸鹽法案已經(jīng)使得歐洲農(nóng)業(yè)源氮污染顯著降低。該研究通過模型模擬得出，相比于未執(zhí)行該指令的情況，執(zhí)行該指令可使得2008年硝酸鹽排放量減少16%，若繼續(xù)嚴格執(zhí)行，將會獲得更好的減排效果[16]。此外，再以英國為例，其劃定了32個硝酸鹽脆弱區(qū)[18]。按照農(nóng)民自愿參與的原則簽訂協(xié)議，明確在5年之內逐漸減少化肥施用量，對于化肥減施給農(nóng)戶造成的損失，政府按照土地面積給予補償，具體的補償數(shù)額按照土壤硝酸鹽含量來確定。經(jīng)過法案的實施，以及對硝酸鹽脆弱區(qū)硝酸鹽情況的監(jiān)測和評估，1998年和2006年，英國的32個硝酸鹽脆弱區(qū)中分別有60%和90%的土地達到了歐盟環(huán)境標準[19]。

美國是世界上水環(huán)境法律發(fā)展較早，且體系較完善的國家之一。1972年，美國頒布了《清潔水法案》[20-21]。該法案不僅對水質標準作出了規(guī)定，還針對水環(huán)境管理提出了建議，是美國最為重要和全面的水環(huán)境法律。《清潔水法案》重點針對水體磷的富營養(yǎng)化污染風險問題。這主要是因為美國主要河流的氮含量呈下降趨勢，但是磷含量逐漸增加。雖然美國沒有全國性的劃定氮磷污染的風險區(qū)，但是聯(lián)邦政府要求各州政府提交一份境內污染水域或者潛在污染水域清單，確定每天氮磷污染物排放的最高限量，以此為依據(jù)制定農(nóng)戶最佳養(yǎng)分管理計劃、監(jiān)測和評估體系[22-25]。美國雖與我國處于不同發(fā)展階段，但其環(huán)境政策在一定程度上值得我國借鑒。

總之，歐美國家通過識別硝酸鹽污染脆弱區(qū)和風險區(qū)，制定重點區(qū)域水污染防治方案，通過補貼來推進農(nóng)戶養(yǎng)分優(yōu)化管理措施的實施，同時建立完善的監(jiān)測體系和評估體系，達到了很好的面源污染消減效果。

3 劃定我國硝酸鹽脆弱區(qū)和建立面源污染監(jiān)測評估體系

新時代呼喚農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展，更需要構建綠色生態(tài)環(huán)境，因此亟需劃定我國農(nóng)業(yè)硝酸鹽脆弱區(qū)及建立監(jiān)測評估體系，為推進化肥減施、有機肥替代、畜禽糞尿資源化、面源污染阻控和農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展等國家重大行動提供抓手。中科院石家莊農(nóng)業(yè)資源中心依托國家重點研發(fā)專項、國家自然基金重點項目等資助，與國內外十多家科研院校合作，對農(nóng)業(yè)硝酸鹽脆弱區(qū)劃分和區(qū)域阻控辦法等工作開展了系統(tǒng)研究，提出了如下建議。

3.1 劃定硝酸鹽脆弱區(qū)，明確水體污染防治重點區(qū)域

研究根據(jù)歐盟國家硝酸鹽脆弱區(qū)劃分標準以及我國地下水環(huán)境質量標準，設置了我國硝酸鹽脆弱區(qū)的劃分標準。利用地下水硝酸鹽監(jiān)測數(shù)據(jù)、環(huán)境公報發(fā)布的水質數(shù)據(jù)、分縣農(nóng)業(yè)統(tǒng)計資料和土壤地質信息等數(shù)據(jù)，初步劃分了我國硝酸鹽脆弱區(qū)和潛在脆弱區(qū)。具體劃分標準包括：（1）地下水或地表水已受硝酸鹽污染的區(qū)域或富營養(yǎng)化或有富營養(yǎng)化潛在風險的水體劃為硝酸鹽脆弱區(qū)；（2）氮素淋溶風險高（leaching＞22.6 kg·hm-2）的區(qū)域劃為潛在硝酸鹽脆弱區(qū)；（3）氮素徑流風險高（runoff＞28.3 kg·hm-2）的區(qū)域劃為潛在硝酸鹽脆弱區(qū)；（4）其余區(qū)域則為無硝酸鹽污染風險耕地。其中淋溶風險評估數(shù)據(jù)通過NUFER模型模擬計算獲得。劃分結果如圖1所示，該結果已發(fā)表[26-27]。

圖1 我國硝酸鹽脆弱區(qū)分布圖Figure1 Distribution of nitrate vulnerable zones in China

研究結果顯示：我國硝酸鹽脆弱區(qū)和潛在脆弱區(qū)覆蓋了約7400萬hm2耕地（約占總耕地面積的56%），其中脆弱區(qū)面積為5300萬hm2，潛在脆弱區(qū)面積為2100萬hm2，水域受污染情況也十分突出。大部分硝酸鹽脆弱區(qū)分布在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密集的環(huán)渤海區(qū)域。東北地區(qū)的黑龍江省及長江三角洲部分地區(qū)，由于作物和畜牧生產(chǎn)集約化、地下水位淺，且地下水硝酸鹽濃度高等因素，也被劃分為脆弱區(qū)。此外，位于西南地區(qū)的四川和重慶地區(qū)，由于當?shù)貙偾鹆甑孛?，氮磷徑流損失風險較高，因此也被列入到脆弱區(qū)內。

初步劃定的硝酸鹽脆弱區(qū)仍存在較大的不確定性。未來的工作應以此為依據(jù)，建立監(jiān)測網(wǎng)絡，劃定更為精準的硝酸鹽脆弱區(qū)，主要考慮以下4大原則：一是根據(jù)全國主要水體的富營養(yǎng)化、水體硝酸鹽和全磷含量情況，明確污染水體位置和面積；二是考慮全國不同區(qū)域的氮磷地下水淋失風險；三是考慮全國不同區(qū)域地表水氮磷徑流和侵蝕損失風險；四是重點考慮不同區(qū)域畜禽養(yǎng)殖體系點源氮磷排放風險。

3.2 制定硝酸鹽脆弱區(qū)的養(yǎng)分管理區(qū)域優(yōu)化方案，推進農(nóng)戶最佳養(yǎng)分管理技術和模式

未來研究還應該組織相關專家開展專項研究，提出針對脆弱區(qū)和潛在脆弱區(qū)養(yǎng)分損失特征的一系列氮磷淋溶和徑流損失消減方案。依托“兩減”“面源”等國家重點研發(fā)專項的成果，明確不同脆弱區(qū)作物最大施肥限量、肥料禁施期和養(yǎng)分優(yōu)化管理方案。此外，還應針對畜禽糞尿資源化和有機肥替代等問題，設立重點研發(fā)專項以開展系統(tǒng)研究，明確不同畜禽糞尿種類的養(yǎng)分含量、畜禽糞尿最大施用限量、畜禽糞尿儲藏最小容量和化肥替代率等指標，提出畜禽糞尿“飼舍-儲藏-處理-施用”全鏈條養(yǎng)分資源化利用切實可行的方案。同時，針對農(nóng)牧分離的問題，提出農(nóng)牧結合的最佳養(yǎng)分優(yōu)化管理方案，編制技術手冊，明確哪些技術組合和模式可實現(xiàn)硝酸鹽脆弱區(qū)養(yǎng)分水體排放的消減。2015年農(nóng)業(yè)部已提出《到2020年化肥使用量零增長行動方案》（http://www.moa.gov.cn/zwllm/tzgg/tz/201503/t20150318_4444765.htm），要求把握好“精、調、改、替”4字要領，即推進精準施肥、調整化肥施用結構、改進施肥方式、有機肥替代化肥，并有一系列相應保障措施的推進、扶持與支撐。同年，國務院發(fā)布了《水污染防治行動計劃》（http://www.gov.cn/zhengce/content/2015-04/16/content_9613.htm），提出控制農(nóng)業(yè)面源污染，實行測土配方施肥，推廣精準施肥技術和機具。并發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水，推廣渠道防滲、管道輸水、噴灌、微灌等節(jié)水灌溉技術，完善灌溉用水計量設施。由此基礎的啟發(fā)與引導，預計在不久的未來，通過結合各個區(qū)域農(nóng)業(yè)環(huán)境和管理特點，國家會制定更加具體的施肥原則和措施，推出更加具體詳細的減排標準、規(guī)定以及推薦管理辦法，有針對性地指導并進行減排工作。3.3建立全國硝酸鹽脆弱區(qū)養(yǎng)分監(jiān)測網(wǎng)，完善水環(huán)境評價體系和響應機制

進一步深入研究和制定標準的水質、硝酸鹽淋溶和徑流損失的監(jiān)測方法，建立全國性地表和地下水水質監(jiān)測體系，用于評估脆弱區(qū)養(yǎng)分淋溶風險以及消減措施與政策的效果。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部牽頭建立農(nóng)戶、區(qū)域和流域的養(yǎng)分平衡和管理措施的報告制度，如：記錄化肥購買和施用量、有機肥產(chǎn)生和施用量、畜禽糞尿儲藏容量等。建立硝酸鹽脆弱區(qū)養(yǎng)分區(qū)域優(yōu)化方案、農(nóng)戶最佳養(yǎng)分管理技術與水體污染監(jiān)測的響應體系，以此為依據(jù)建立農(nóng)戶和區(qū)域的補貼、監(jiān)督和獎懲機制，每3～5年組織評估反饋以支撐農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展和面源污染阻控。