河南省农田面源污染发生规律及防控研究

寇长林，骆晓声

（河南省农业科学院 植物营养与资源环境研究所，河南 郑州 450002）

河南省作为我国的农业大省，为保障国家粮食安全做出了重要贡献。小麦、玉米是河南主要的粮食作物，小麦播种面积、单产、总产均居全国第一位。近年来河南油料、园艺作物等也发展迅速，在全国的占比进一步增加。然而，在过去40年河南农业快速发展的同时，农业资源投入量也大幅度增加，2016年河南省小麦、玉米化肥施用量均较1987年增加5倍以上［1-2］。2018年，河南省氮肥、磷肥施用量分别为201.7万t和96.3万t，均位列全国第一。大量氮肥、磷肥使用，导致河南省农田面源污染形势严峻，河南省氨及氧化亚氮排放均十分严重［3］。河南省地下水调查结果表明，301个浅层地下水样品硝态氮平均质量浓度为10.1 mg/L，超标率为37.1%［4］。为了缓解日益严重的农业面源污染，原农业部2015年出台了《关于打好农业面源污染防治攻坚战的实施意见》，同年又印发了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》和《到2020年农药使用量零增长行动方案》。研究河南省面源污染现状及发生规律对于科学制定农业面源污染防控策略具有重要意义。笔者总结前期在河南省开展的农田面源污染监测工作，分析河南省不同类型农田农业面源污染的发生规律及特征，为河南省农田面源污染的防控治理提供参考依据。

1 河南省不同类型农田面源污染特征

河南省地处我国中部，主要农业种植区域属华北平原，种植作物以旱地作物为主。本区域气候属半湿润气候，降雨量偏少且集中于夏季，大田作物水分输入为降雨和灌溉水。为了获得河南省主要农田面源污染发生规律，对河南省7 个县（市）小麦、玉米轮作农田（滑县、原阳、开封）、设施菜田（博爱、新野、驻马店）、露地菜田（扶沟）面源污染开展了定点监测。监测内容以淋溶为主，覆盖了河南省不同地区及不同作物类型，获得了河南省主要作物农田面源污染发生特点及规律。

1.1 小麦、玉米轮作农田面源污染发生特征

小麦、玉米轮作是河南省农业种植区主要的种植模式之一，播种面积较大，对农业面源污染贡献的潜力也较大。小麦、玉米轮作农田面源污染的发生主要受施肥量及水分输入影响。研究发现，一个小麦、玉米轮作周期根层淋溶水量通常为80 ～100 mm，小麦季氮淋溶驱动主要为灌溉，夏玉米季则受降雨和灌溉共同驱动。一个小麦、玉米轮作周期施氮量为285 ～645 kg/hm2，硝态氮淋溶量为10 ～70 kg/hm2。随着施氮量增加，小麦、玉米轮作农田氮淋溶比率明显增加，硝态氮的表观淋溶系数从4.9%增加到10.3%。不同施氮条件下土壤硝态氮残留有较大差别，高施氮量土壤硝态氮残留400 kg/hm2，优化施氮条件下土壤硝态氮残留显著降低，为200 kg/hm2，这也是导致硝态氮淋溶量差异的原因之一。小麦、玉米轮作农田氮淋溶有较大的年际变化，降雨量多的年份，氮淋溶量高，强降雨对面源污染的发生具有较大的促进作用。小麦、玉米轮作农田磷淋溶较少，通常年淋溶量在0.1 kg/hm2左右。

1.2 露地菜田农业面源污染发生特征

露地蔬菜是当前河南省蔬菜种植的主要方式之一，由于其投入低、风险小，是蔬菜种植的主体。露地菜田管理与大田作物接近，氮肥施用量比小麦、玉米轮作农田稍高，磷肥投入量较高，灌溉比大田粮食作物频繁。因此，露地菜田氮、磷淋失风险高于小麦、玉米轮作农田。定点研究表明，施氮量为400 ～650 kg/hm2时，露地菜田硝态氮年淋溶量为30 ～60 kg/hm2。总磷年淋溶量平均0.08 kg/hm2。

1.3 设施菜田农业面源污染发生特征

设施蔬菜种植效益高，近年来在河南一些地区发展较快，在农民增收及脱贫攻坚中发挥着重要作用。然而，设施蔬菜种植中氮肥、磷肥投入量较大，造成土壤氮磷的过量累积及氮磷淋溶损失风险，从而使设施蔬菜种植区产生更为严重的面源污染。较多的调查研究结果表明，设施蔬菜种植区地下水硝酸盐含量超标比粮食作物种植区及果园种植区更为严重［5-6］。

设施菜田氮、磷淋溶主要受农户管理习惯、施肥水平及灌溉方式影响。据作者所在团队调查，河南省设施菜田有机-无机肥料氮投入量为1 000 kg/hm2左右，磷肥投入量在600 kg/hm2左右。一些蔬菜种植区有大量施用有机肥的习惯，有机肥用量可达15 t/hm2。有机肥中含有一定量的氮、磷，在大量施用条件下，同样会造成严重的面源污染。设施菜田水肥一体化技术较为成熟，一些农户采用灌溉加水溶肥的管理方式，施肥方式简单，然而却带来较为严重的淋溶风险。一些管理水平较高的菜田，如实施肥料总量控制，滴灌节水，使得硝态氮淋溶量较小，硝态氮年淋溶量为70 ～100 kg/hm2。而一些管理水平较低，施用冲施肥较多的设施菜田硝态氮年淋溶量超过300 kg/hm2。磷的淋溶强度在设施菜田较高，受管理水平及施肥差异影响，设施菜田磷的淋溶量低的为1 kg/hm2左右，高的可达10 kg/hm2。

1.4 小结

经过研究，证实了河南省农田面源污染以淋溶为主且淋溶量较大，且以设施菜田污染潜力最大，露地菜田次之，小麦、玉米轮作农田最小。氮、磷的大量淋溶损失，一方面造成了肥料资源的巨大浪费，另一方面氮、磷在土壤中长期迁移将会对水环境及人体健康产生较大威胁。

2 河南省农田面源污染防控途径分析

农业面源污染的防治是世界性问题，发达国家由于农业发展较早，更早关注了农业面源污染治理。由于硝态氮对水体的污染及人体健康的危害，欧盟于1991年制定了硝酸盐法案，后来根据情况变化不断调整［7］。面源污染的防控需要政策法规和科学研究相互促进。如德国通过科学研究和技术创新，推动相关法律和法规出台，并以法规促进实施绿色农业补贴，带动农民采用环境友好技术，实现减肥增效、绿色发展［8］。河南作为农业大省，农业生产首先要保障国家粮食安全，生产更多优质农产品满足人民的需求。在此基础上，研究农田面源污染发生规律，通过水肥资源高效利用，开发相应的能够降低农田面源污染的技术及产品，实现农业面源污染防控及环境质量改善。

河南省小麦、玉米轮作农田面积较大，降低农田面源污染，主要是控制施氮量。研究表明，在传统高施氮量（645 kg/hm2）条件下，硝态氮淋溶大大加剧，年淋溶量可达60 kg/hm2，且作物产量并未达到最高；而在优化施氮（465 kg/hm2）条件下，小麦、玉米产量略高于传统高施氮量条件下，氮素淋溶降低56.3%。综合考虑小麦、玉米作物高产，降低氮淋溶，小麦、玉米两季作物施氮量需控制在500 kg/hm2以内。此外，有机肥替代化肥及合理的节水灌溉均是降低小麦、玉米轮作农田氮淋溶的有效措施。

露地菜田面源污染主要受施肥及灌溉的影响，其田间管理与大田粮食作物接近，但水、肥投入更高。降低露地菜田面源污染首先还是要控制露地菜田氮磷肥料投入，使土壤环境氮磷累积量处于合理区间。推荐单季氮肥投入不高于210 kg/hm2，磷肥投入不高于60 kg/hm2［9］。在氮肥、磷肥施用量过高的露地菜田，减施氮肥、磷肥对氮、磷淋溶的消减效果明显。笔者团队研究结果表明，通过氮肥、磷肥减施15%及30%，硝态氮淋溶分别降低10.3%和32.6%。减施氮磷15%处理产量变化较小，减施氮磷30%处理产量有一定降低。

设施菜田管理较为复杂，在经济效益驱动下，农户往往忽视过量水肥投入带来的环境风险。设施菜田有机肥施用量过高，适量的有机肥减施有利于降低菜田氮、磷淋溶。一些温室大棚在盛果期灌溉频繁，灌溉与施肥同时进行，通过适当减少施肥次数，菜田氮、磷淋溶可以获得有效降低。降低设施菜田面源污染，需要控制肥料投入，采用有效的节水灌溉方式，根据目标产量确定适宜的氮肥、磷肥用量，推荐当季氮肥投入量不超过300 kg/hm2，磷肥投入不超过110 kg/hm2［9］。有机肥替代能够降低设施菜田氮淋溶，研究表明，设施菜田有机肥替代化肥（减氮40%）可降低氮淋溶11.4%左右，在替代氮肥基础上节水灌溉30%，硝态氮淋溶进一步降低，降低幅度可达25.9%。有机肥替代及节水灌溉蔬菜产量没有降低。一些蔬菜种植区灌溉水氮含量高，硝态氮质量浓度可达20 ～30 mg/L，年灌溉水输入氮素可达100 mg/hm2。在灌溉量较高的蔬菜大棚，由灌溉带入的氮养分需要考虑，从而一定程度上降低氮肥的投入。

3 研究展望

通过河南省不同地区及不同类型农田面源污染防控的研究，获得了河南省农田面源污染发生特点及规律。为了满足新时期绿色农业发展需要，改善环境质量，需要更加重视农业面源污染的治理。根据河南省农业发展的变化，需要继续开展河南省主要作物农田面源污染监测工作，包括小麦、玉米、花生及蔬菜瓜果等农田面源污染监测工作；需要更深入的研究不同水肥管理模式下河南省不同区域及不同类型农田面源污染发生规律，获得不同地区及不同类型农田氮磷优化施肥阈值，从而为制定适合区域特色的农业面源污染防控技术标准提供参考；研究有机肥资源化在循环农业及降低农业面源污染的作用；开发更加有效廉价的肥料增效剂提高肥料利用率。加强对科学研究成果的简易化通俗化推广利用，促进农户更好的理解及应用。