農(nóng)業(yè)面源污染防治的監(jiān)測問題分析

王 萌，楊生光，耿潤哲

生態(tài)環(huán)境部環(huán)境與經(jīng)濟(jì)政策研究中心戰(zhàn)略規(guī)劃與區(qū)域發(fā)展研究中心，北京 100029

農(nóng)業(yè)面源污染又稱非點(diǎn)源污染，是指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中，由于化肥、農(nóng)藥的不合理使用、畜禽糞污的不規(guī)則排放以及分散式農(nóng)村生活所產(chǎn)生的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，在降水的驅(qū)動下，受地形影響，以地表、地下徑流和土壤侵蝕為載體，進(jìn)入鄰近受納水體的一種污染形式[1-2]。近年來，隨著固定源污染逐漸得到控制，農(nóng)業(yè)面源污染成為流域水環(huán)境質(zhì)量的主要影響因素。《第二次全國污染源普查公報》顯示，2017年全國水污染物總氮排放量304.14萬t，總磷排放量31.54萬t，其中，農(nóng)業(yè)源水污染物總氮排放量141.49萬t，總磷排放量21.20萬t，分別占全國總量的46.52%和67.22%[3]。農(nóng)業(yè)源成為水污染物總氮和總磷的主要貢獻(xiàn)源。從與之相對應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，2017年全國七大流域三大水資源片區(qū)中，水質(zhì)為劣V類的斷面占比8.4%，其中黃河、松花江、淮河和遼河流域?yàn)檩p度污染，海河流域?yàn)橹卸任廴荆饕廴局笜?biāo)為化學(xué)需氧量、五日生化需氧量和總磷；開展水質(zhì)監(jiān)測的湖泊(水庫)中，劣V類斷面水質(zhì)占比10.7%，主要污染指標(biāo)為總磷、化學(xué)需氧量和高錳酸鹽指數(shù)；開展?fàn)I養(yǎng)狀態(tài)監(jiān)測的湖泊(水庫)中，輕度富營養(yǎng)狀態(tài)和中度富營養(yǎng)狀態(tài)分別占26.61%和3.67%[4]。由此可見，以氮、磷等營養(yǎng)鹽為主的農(nóng)業(yè)面源污染已經(jīng)成為我國流域水環(huán)境面臨的主要問題之一。

國內(nèi)外經(jīng)過近50年的研究，對于農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。例如美國的對照流域監(jiān)測方案(Paired Watershed)以及基于水質(zhì)監(jiān)測建立的最大日負(fù)荷總量(Total Maximum Daily Loads,TMDLs)計劃[5]，歐盟的歐盟水框架指令(Water Framework Directive,WFD)[6-8]等。我國已開展的農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測工作主要集中在大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)，主要是以小流域?yàn)閱卧缰袊茖W(xué)院鹽亭紫色土農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站、北京密云水庫上游蛇魚川小流域等，通過設(shè)置徑流小區(qū)、構(gòu)建溢流堰，對流域水土流失過程和氮、磷的遷移轉(zhuǎn)化過程進(jìn)行監(jiān)測，尚未建立全國層面的農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測體系。黨的十八大以來，黨中央國務(wù)院高度重視農(nóng)業(yè)農(nóng)村污染治理工作。習(xí)近平總書記對加強(qiáng)農(nóng)業(yè)面源污染防治工作做出多次重要指示[9]。2020年中央農(nóng)村工作會議強(qiáng)調(diào)，要以釘釘子精神推進(jìn)農(nóng)業(yè)面源污染防治[10]。農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測作為評價農(nóng)業(yè)面源污染物對水環(huán)境質(zhì)量影響程度的主要手段之一，不但能夠識別水質(zhì)問題、為溯源解析提供數(shù)據(jù)支撐，還是模型校驗(yàn)、追蹤水質(zhì)變化趨勢以及評價管理措施實(shí)施效果的重要依據(jù)。建立一套滿足真實(shí)可靠、追蹤溯源、精細(xì)管理、差異考核等要求的農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測評估技術(shù)體系，對于系統(tǒng)開展農(nóng)業(yè)面源污染防治具有重要的基礎(chǔ)性意義。

本文以建立科學(xué)有效的農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測體系為切入點(diǎn)，綜合考慮當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的現(xiàn)狀，重點(diǎn)關(guān)注農(nóng)業(yè)面源污染氮、磷過量輸入導(dǎo)致的水體富營養(yǎng)化和土壤酸化等問題，針對農(nóng)業(yè)面源污染隨機(jī)性強(qiáng)、成因復(fù)雜、時空差異顯著、潛伏周期長、治理措施實(shí)施后效果難以立刻顯現(xiàn)(滯后性)等特點(diǎn)，從監(jiān)測點(diǎn)位的布設(shè)、監(jiān)測指標(biāo)的選取和評價考核等方面進(jìn)行論述，以期為農(nóng)業(yè)面源污染防治管理實(shí)踐提供一定的啟示。

1 我國農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測現(xiàn)狀及存在的問題

1.1 監(jiān)測點(diǎn)位的布設(shè)難以支撐農(nóng)業(yè)面源污染防治的實(shí)際需求

“十三五”時期，我國地表水環(huán)境監(jiān)測的國控斷面(點(diǎn)位)共有2 767個，包括河流斷面2 424個，湖庫點(diǎn)位343個，共監(jiān)測1 366條河流和139座湖庫[11]。從十大流域河網(wǎng)密度(表1)由大到小的排序來看，淮河流域>海河流域>長江流域>珠江流域>浙閩片河流>遼河流域>黃河流域>松花江流域>西南諸河>西北諸河。然而，每個監(jiān)測點(diǎn)位控制面積由小到大的排序依次為淮河流域>浙閩片河流>海河流域>珠江流域>遼河流域>長江流域>黃河流域>松花江流域>西南諸河>西北諸河?，F(xiàn)有監(jiān)測點(diǎn)位的密度并未完全與河網(wǎng)密度相匹配，對于農(nóng)業(yè)面源污染的溯源解析和評價考核支撐力度不夠。

表1 全國十大流域監(jiān)測點(diǎn)位Table 1 Monitoring points of the ten major river basins in China

農(nóng)業(yè)部門在第一次全國污染源普查的基礎(chǔ)上，建立了273個農(nóng)田面源污染國控監(jiān)測點(diǎn)、210個廢舊殘膜污染定位監(jiān)測點(diǎn)、25個規(guī)模化養(yǎng)殖污染物排放國控監(jiān)測點(diǎn)[12]，但是這些點(diǎn)位只是針對不同農(nóng)藝方式下農(nóng)田系統(tǒng)本身的養(yǎng)分循環(huán)過程進(jìn)行了詳細(xì)的監(jiān)測，并未真正建立起由農(nóng)田到受納水體之間的全過程監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。因此，這些監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)及其監(jiān)測結(jié)果還難以反映農(nóng)業(yè)面源污染對環(huán)境質(zhì)量影響程度。

1.2 地表水環(huán)境質(zhì)量考核指標(biāo)體系的設(shè)置未充分考慮農(nóng)業(yè)面源污染對水環(huán)境影響的差異性

當(dāng)前我國地級及以上城市國家地表水考核斷面水環(huán)境質(zhì)量狀況排名和變化情況排名，均采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)表1中除水溫、糞大腸菌群和總氮以外的21項指標(biāo)進(jìn)行計算，排名方法基于城市水質(zhì)指數(shù)(CWQI)，總氮并未納入當(dāng)前地表水環(huán)境質(zhì)量的考核體系。對于磷限制型富營養(yǎng)化狀態(tài)的河流、湖庫，僅考核總磷難以準(zhǔn)確判斷農(nóng)業(yè)面源污染對水環(huán)境質(zhì)量的影響程度，總氮作為農(nóng)業(yè)面源污染的主要污染物之一，應(yīng)當(dāng)納入地表水環(huán)境質(zhì)量的考核體系。另一方面，僅監(jiān)測地表水環(huán)境質(zhì)量會掩蓋由于滯后效應(yīng)導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)面源污染發(fā)生風(fēng)險。應(yīng)當(dāng)依據(jù)農(nóng)業(yè)面源污染物遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，兼顧不同污染物在水、土中的形態(tài)以及地表和地下2個方面的因素，增加土壤氮磷養(yǎng)分含量和地下水硝酸鹽氮含量作為農(nóng)業(yè)面源污染考核指標(biāo)。

1.3 農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測數(shù)據(jù)未能有效整合形成合力

農(nóng)業(yè)部門針對全國六大分區(qū)、54類種植模式，共布設(shè)種植業(yè)氮磷流失系數(shù)測算原位監(jiān)測點(diǎn)300個，其中包括大田監(jiān)測點(diǎn)181個、保護(hù)地菜田監(jiān)測點(diǎn)33個、露地菜田監(jiān)測點(diǎn)46個、園地監(jiān)測點(diǎn)40個。依流失途徑，設(shè)置地表徑流點(diǎn)208個，地下淋溶監(jiān)測點(diǎn)92個。通過對不同種植模式農(nóng)田監(jiān)測點(diǎn)發(fā)生的降雨、灌水、施肥等過程進(jìn)行監(jiān)測，以分析氮、磷污染物進(jìn)入農(nóng)田系統(tǒng)的形態(tài)特征及遷移變化規(guī)律以及對地表水、地下水水質(zhì)的影響，從而為制定農(nóng)田面源污染防控技術(shù)措施提供參考。監(jiān)測內(nèi)容包括各類水樣、土壤樣品和植株樣品，詳見表2。根據(jù)全國不同區(qū)域畜禽種類、飼養(yǎng)模式以及糞便管理方式的特點(diǎn)，在全國共設(shè)置180個常規(guī)監(jiān)測點(diǎn)。主要用來監(jiān)測不同地區(qū)畜禽糞污產(chǎn)生系數(shù)和排污系數(shù)，用以準(zhǔn)確核算畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放量，為畜禽養(yǎng)殖面源污染防控提供依據(jù)。水利部門共設(shè)國家基本水文站3 210處、專用水文站4 435處、水位站15 294處、雨量站53 908處、蒸發(fā)站12處、地下水站26 020處[13]。實(shí)施的監(jiān)測總面積約60萬km2，開展了不同水土流失類型區(qū)69 條典型小流域和92 個典型監(jiān)測點(diǎn)的持續(xù)定位觀測[14]，獲取了監(jiān)測區(qū)域土地利用、植被覆蓋、土壤侵蝕、水土保持措施、水土保持效益、生產(chǎn)建設(shè)項目擾動土地狀況等專題信息，各水土流失類型區(qū)典型小流域和典型監(jiān)測點(diǎn)的降水、徑流、泥沙等年度數(shù)據(jù)監(jiān)測點(diǎn)的持續(xù)監(jiān)測積累了大量較長序列觀測資料，為區(qū)域水土流失狀況分析、水土流失規(guī)律研究、水土保持生產(chǎn)實(shí)踐以及農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷核算與驗(yàn)證等提供了堅實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。農(nóng)業(yè)部門和水利部門已經(jīng)對種植業(yè)、畜禽養(yǎng)殖業(yè)和水土流失積累了大量長期、連續(xù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，氣象部門的降雨量等監(jiān)測數(shù)據(jù)也為開展農(nóng)業(yè)面源污染治理提供了一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。然而，生態(tài)環(huán)境部門只有水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，盡管監(jiān)督指導(dǎo)農(nóng)業(yè)面源污染治理的職能劃轉(zhuǎn)到生態(tài)環(huán)境部，但是相關(guān)監(jiān)測支撐能力還較為薄弱。部門間溝通協(xié)商壁壘尚未完全打通，監(jiān)測信息共享不充分。

表2 農(nóng)田面源污染原位監(jiān)測樣品測試項目Table 2 Farmland non-point source pollution in-situ monitoring sample test project

2 農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測的理論基礎(chǔ)

2.1 流域生態(tài)系統(tǒng)的整體性

與點(diǎn)源污染物通過管道和河網(wǎng)傳輸不同，農(nóng)業(yè)面源污染物的傳輸過程在流域空間尺度上受到地貌特征和降水驅(qū)動過程耦合作用的影響，其傳輸通道大多具有一定的空間規(guī)律性(如相同坡度和坡長、類似降雨強(qiáng)度的空間單元傳輸通道較為相似)，單純的在流域尺度進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測無法完整地體現(xiàn)農(nóng)業(yè)面源污染物的遷移轉(zhuǎn)化過程。應(yīng)當(dāng)綜合考慮流域尺度的變化、不同點(diǎn)位所控制的上游流域土地利用及其組合的代表性、土壤類型以及河流水文潮汐性變化特征，除了對河道水體的常規(guī)監(jiān)測外，還需要對面源污染物在陸面的關(guān)鍵傳輸通道進(jìn)入河道的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，以便于厘清上下游、左右岸被監(jiān)管者的污染責(zé)任。需要采取空間嵌套式的布局模式來進(jìn)行監(jiān)測點(diǎn)位的布局[15]，構(gòu)建多尺度流域面源污染監(jiān)測點(diǎn)位，最大限度地反映由于人類活動所導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)面源污染物排放對河流水環(huán)境質(zhì)量的影響。以美國切薩皮克灣為例，流域面積約16.6萬km2，人口1 800萬，受面源、固定源及城市污染的影響，水質(zhì)退化，亟待修復(fù)。共布設(shè)有155個水量水質(zhì)監(jiān)測站點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)位控制的流域面積為1.3～7 000 km2，每個監(jiān)測點(diǎn)平均控制面積為1 070 km2。

2.2 農(nóng)業(yè)面源污染的發(fā)生和遷移轉(zhuǎn)化全過程

農(nóng)業(yè)面源污染物在產(chǎn)污單元流失出來后，在降雨和坡度的驅(qū)動作用下，流域水文過程中的地表/地下徑流、土壤侵蝕、土壤淋溶等形式是農(nóng)業(yè)面源污染物進(jìn)入的主要途徑。在地形起伏較大的地區(qū)，土壤侵蝕和地表徑流是氮磷進(jìn)入水體的主要載體和途徑；在地形相對平緩的區(qū)域，土壤淋溶、小規(guī)模農(nóng)田退水的不規(guī)則排放和大型農(nóng)田灌區(qū)退水則是氮磷進(jìn)入受納水體的主要途徑[16-19]。從發(fā)達(dá)國家的經(jīng)驗(yàn)來看，有效開展面源污染治理工作，系統(tǒng)合理的多尺度連續(xù)監(jiān)測方案不可或缺，農(nóng)業(yè)面源污染的監(jiān)測體系應(yīng)當(dāng)包括不同農(nóng)業(yè)污染源的監(jiān)測、產(chǎn)排污系數(shù)監(jiān)測、污染物傳輸過程監(jiān)測和流域水文水質(zhì)監(jiān)測，以充分反映農(nóng)業(yè)面源污染對受納水、土環(huán)境質(zhì)量的影響程度。不同農(nóng)業(yè)源和產(chǎn)排污系數(shù)監(jiān)測主要是對種植業(yè)、分散式畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)村生活進(jìn)行監(jiān)測，以便于評價不同農(nóng)業(yè)源的農(nóng)業(yè)面源污染物排放量。污染物傳輸過程監(jiān)測是對污染物的傳輸途徑包括地表徑流、地下淋溶、壤中流[20]等進(jìn)行監(jiān)測，用于模擬大尺度區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染入水體過程。水質(zhì)監(jiān)測的目的包括：農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷核算的模擬校驗(yàn)；掌握面源污染物排放對河流水環(huán)境質(zhì)量的影響程度；評估農(nóng)業(yè)面源污染治理措施實(shí)施前后水環(huán)境質(zhì)量的變化程度。監(jiān)測指標(biāo)體系可見課題組前期研究成果[1]。

2.3 農(nóng)業(yè)面源污染時空分布的差異性和滯后性

通常情況下，農(nóng)業(yè)面源污染物對水、土環(huán)境質(zhì)量狀況的影響主要包括湖泊富營養(yǎng)化、海灣“低氧區(qū)”、地下水硝酸鹽超標(biāo)、土壤養(yǎng)分富集導(dǎo)致的板結(jié)化等4個方面，其超標(biāo)因子主要是氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)。研究表明，在河流、湖泊等淡水系統(tǒng)中，當(dāng)?shù)妆?4.5時，表現(xiàn)為氮限制型富營養(yǎng)化狀態(tài)；氮磷比為4.5～6時，表現(xiàn)為相對正常狀態(tài)，氮磷比>6時，表現(xiàn)為磷限制型富營養(yǎng)化狀態(tài)。在海水水生生態(tài)系統(tǒng)中，氮限制型、正常狀態(tài)以及磷限制型富營養(yǎng)化狀態(tài)對應(yīng)的氮磷比分別為≤5、5～10、≥10[21]。歐美等發(fā)達(dá)國家的研究表明，在大多數(shù)淡水系統(tǒng)中都呈現(xiàn)為磷限制型富營養(yǎng)化狀態(tài)[22-23]。

氮、磷作為農(nóng)業(yè)面源污染的重要營養(yǎng)元素，其遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和形成機(jī)理是農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測的理論基礎(chǔ)[24]。以氮為例，施入農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的氮肥，經(jīng)過微生物作用迅速變成硝酸鹽。除一部分被作物吸收外，其余大部分經(jīng)徑流、淋溶、農(nóng)田排水等形式流失。畜禽養(yǎng)殖所排廢水中的氮素也主要進(jìn)入地表水和地下水，從而導(dǎo)致地表水富營養(yǎng)化、地下水硝酸鹽含量過高等[25]。另一方面，農(nóng)業(yè)面源污染還具有滯后效應(yīng)，產(chǎn)生滯后效應(yīng)的原因主要包括人為持續(xù)的過量輸入、水文過程的滯后性以及生物地球化學(xué)過程的滯后性。土壤中的硝態(tài)氮在長期淋溶作用下大量進(jìn)入地下水，形成地下水遺留氮庫，將持續(xù)地成為地表水的重要氮源。特別是在一些農(nóng)業(yè)和城市流域中，地下水中的遺留氮對地表水體的氮負(fù)荷貢獻(xiàn)量可能較大[26]。

3 建議

1)優(yōu)化地表水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，為農(nóng)業(yè)面源污染的評價考核工作奠定基礎(chǔ)。參考發(fā)達(dá)國家經(jīng)驗(yàn)，建議生態(tài)環(huán)境部門要在現(xiàn)有地表水環(huán)境監(jiān)測的國控斷面(點(diǎn)位)基礎(chǔ)上，按照“科學(xué)評價、厘清責(zé)任、三水統(tǒng)籌”的總體原則，采取空間嵌套式的布局模式，同時要發(fā)揮水質(zhì)監(jiān)測的預(yù)測預(yù)報和風(fēng)險評估功能來優(yōu)化地表水環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)位，構(gòu)建多尺度支撐農(nóng)業(yè)面源污染溯源解析工作的地表水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)位從均質(zhì)化、規(guī)?；瘮U(kuò)張向差異化、綜合化布局轉(zhuǎn)變。完善地表水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，重點(diǎn)提升西北諸河、西南諸河、松花江流域、黃河流域、長江流域和遼河流域監(jiān)測點(diǎn)位的密度。

2)建立農(nóng)業(yè)面源污染全過程監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。農(nóng)業(yè)面源污染源監(jiān)測主要以自然村為單位，對自然村的面積、戶數(shù)、人口、林地面積、生態(tài)林面積、經(jīng)濟(jì)林面積、人均年收入、種植業(yè)用口糧類作物產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)量、種植業(yè)投入品狀況、畜禽養(yǎng)殖活動水平調(diào)查、畜禽養(yǎng)殖用水、飼料、糞便等基礎(chǔ)信息開展調(diào)查。產(chǎn)排污系數(shù)監(jiān)測做到全國所有種植模式、養(yǎng)殖模式全覆蓋。污染物傳輸過程監(jiān)測主要包括地貌、氣象、土壤和植被等自然要素，其中地貌和植被以遙感監(jiān)測為主。水文和水質(zhì)監(jiān)測作為測算農(nóng)業(yè)面源污染的重要依據(jù)，盡量做到監(jiān)測點(diǎn)位、監(jiān)測時間、監(jiān)測頻率的一致性。為全面摸清農(nóng)業(yè)面源污染底數(shù)提供支撐。

3)構(gòu)建水土同控的考核指標(biāo)體系。在農(nóng)業(yè)面源污染高風(fēng)險區(qū)每2年開展一次土壤氮、磷養(yǎng)分含量評估和地下水硝酸鹽氮測定工作，農(nóng)業(yè)面源污染低風(fēng)險區(qū)每3年開展一次土壤氮、磷養(yǎng)分含量評估和地下水硝酸鹽氮測定工作，定期向社會公開評估結(jié)果。修訂《城市地表水環(huán)境質(zhì)量排名技術(shù)規(guī)定》，將土壤氮磷養(yǎng)分含量、地表水總氮、地下水硝酸鹽氮作為參考性指標(biāo)納入考核體系，作為農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)管的重要抓手。

4)建立多方合作和數(shù)據(jù)公開機(jī)制。推動現(xiàn)有農(nóng)業(yè)部門的監(jiān)測站點(diǎn)(污染源的監(jiān)測)、氣象部門監(jiān)測站點(diǎn)(降水量等驅(qū)動因素的監(jiān)測)、水利部門水沙監(jiān)測站(河道泥沙輸送)、環(huán)境部門地表水質(zhì)監(jiān)測斷面(主要河道過程的監(jiān)測)以及中科院生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)等在監(jiān)測技術(shù)、數(shù)據(jù)以及基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)方面的共享與合作。探索建立由國家、省、市、縣為主，大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)為輔的多方合作參與監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行與維護(hù)體系。以國控站點(diǎn)為核心，配套建立通暢的監(jiān)測數(shù)據(jù)上報通道和審核機(jī)制，實(shí)行“專網(wǎng)填報、聯(lián)網(wǎng)審核”的機(jī)制。