农业面源污染防治的监测问题分析

王 萌，杨生光，耿润哲

生态环境部环境与经济政策研究中心战略规划与区域发展研究中心，北京 100029

农业面源污染又称非点源污染，是指农业生产活动中，由于化肥、农药的不合理使用、畜禽粪污的不规则排放以及分散式农村生活所产生的氮、磷等营养物质，在降水的驱动下，受地形影响，以地表、地下径流和土壤侵蚀为载体，进入邻近受纳水体的一种污染形式[1-2]。近年来，随着固定源污染逐渐得到控制，农业面源污染成为流域水环境质量的主要影响因素。《第二次全国污染源普查公报》显示，2017年全国水污染物总氮排放量304.14万t，总磷排放量31.54万t，其中，农业源水污染物总氮排放量141.49万t，总磷排放量21.20万t，分别占全国总量的46.52%和67.22%[3]。农业源成为水污染物总氮和总磷的主要贡献源。从与之相对应的监测数据来看，2017年全国七大流域三大水资源片区中，水质为劣V类的断面占比8.4%，其中黄河、松花江、淮河和辽河流域为轻度污染，海河流域为中度污染，主要污染指标为化学需氧量、五日生化需氧量和总磷；开展水质监测的湖泊(水库)中，劣V类断面水质占比10.7%，主要污染指标为总磷、化学需氧量和高锰酸盐指数；开展营养状态监测的湖泊(水库)中，轻度富营养状态和中度富营养状态分别占26.61%和3.67%[4]。由此可见，以氮、磷等营养盐为主的农业面源污染已经成为我国流域水环境面临的主要问题之一。

国内外经过近50年的研究，对于农业面源污染监测积累了丰富的实践经验。例如美国的对照流域监测方案(Paired Watershed)以及基于水质监测建立的最大日负荷总量(Total Maximum Daily Loads,TMDLs)计划[5]，欧盟的欧盟水框架指令(Water Framework Directive,WFD)[6-8]等。我国已开展的农业面源污染监测工作主要集中在大学和科研机构，主要是以小流域为单元，例如中国科学院盐亭紫色土农业生态试验站、北京密云水库上游蛇鱼川小流域等，通过设置径流小区、构建溢流堰，对流域水土流失过程和氮、磷的迁移转化过程进行监测，尚未建立全国层面的农业面源污染监测体系。党的十八大以来，党中央国务院高度重视农业农村污染治理工作。习近平总书记对加强农业面源污染防治工作做出多次重要指示[9]。2020年中央农村工作会议强调，要以钉钉子精神推进农业面源污染防治[10]。农业面源污染监测作为评价农业面源污染物对水环境质量影响程度的主要手段之一，不但能够识别水质问题、为溯源解析提供数据支撑，还是模型校验、追踪水质变化趋势以及评价管理措施实施效果的重要依据。建立一套满足真实可靠、追踪溯源、精细管理、差异考核等要求的农业面源污染监测评估技术体系，对于系统开展农业面源污染防治具有重要的基础性意义。

本文以建立科学有效的农业面源污染监测体系为切入点，综合考虑当前我国农业面源污染监测网络建设的现状，重点关注农业面源污染氮、磷过量输入导致的水体富营养化和土壤酸化等问题，针对农业面源污染随机性强、成因复杂、时空差异显著、潜伏周期长、治理措施实施后效果难以立刻显现(滞后性)等特点，从监测点位的布设、监测指标的选取和评价考核等方面进行论述，以期为农业面源污染防治管理实践提供一定的启示。

1 我国农业面源污染监测现状及存在的问题

1.1 监测点位的布设难以支撑农业面源污染防治的实际需求

“十三五”时期，我国地表水环境监测的国控断面(点位)共有2 767个，包括河流断面2 424个，湖库点位343个，共监测1 366条河流和139座湖库[11]。从十大流域河网密度(表1)由大到小的排序来看，淮河流域>海河流域>长江流域>珠江流域>浙闽片河流>辽河流域>黄河流域>松花江流域>西南诸河>西北诸河。然而，每个监测点位控制面积由小到大的排序依次为淮河流域>浙闽片河流>海河流域>珠江流域>辽河流域>长江流域>黄河流域>松花江流域>西南诸河>西北诸河。现有监测点位的密度并未完全与河网密度相匹配，对于农业面源污染的溯源解析和评价考核支撑力度不够。

表1 全国十大流域监测点位Table 1 Monitoring points of the ten major river basins in China

农业部门在第一次全国污染源普查的基础上，建立了273个农田面源污染国控监测点、210个废旧残膜污染定位监测点、25个规模化养殖污染物排放国控监测点[12]，但是这些点位只是针对不同农艺方式下农田系统本身的养分循环过程进行了详细的监测，并未真正建立起由农田到受纳水体之间的全过程监测网络。因此，这些监测网络及其监测结果还难以反映农业面源污染对环境质量影响程度。

1.2 地表水环境质量考核指标体系的设置未充分考虑农业面源污染对水环境影响的差异性

当前我国地级及以上城市国家地表水考核断面水环境质量状况排名和变化情况排名，均采用《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)表1中除水温、粪大肠菌群和总氮以外的21项指标进行计算，排名方法基于城市水质指数(CWQI)，总氮并未纳入当前地表水环境质量的考核体系。对于磷限制型富营养化状态的河流、湖库，仅考核总磷难以准确判断农业面源污染对水环境质量的影响程度，总氮作为农业面源污染的主要污染物之一，应当纳入地表水环境质量的考核体系。另一方面，仅监测地表水环境质量会掩盖由于滞后效应导致的农业面源污染发生风险。应当依据农业面源污染物迁移转化规律，兼顾不同污染物在水、土中的形态以及地表和地下2个方面的因素，增加土壤氮磷养分含量和地下水硝酸盐氮含量作为农业面源污染考核指标。

1.3 农业面源污染监测数据未能有效整合形成合力

农业部门针对全国六大分区、54类种植模式，共布设种植业氮磷流失系数测算原位监测点300个，其中包括大田监测点181个、保护地菜田监测点33个、露地菜田监测点46个、园地监测点40个。依流失途径，设置地表径流点208个，地下淋溶监测点92个。通过对不同种植模式农田监测点发生的降雨、灌水、施肥等过程进行监测，以分析氮、磷污染物进入农田系统的形态特征及迁移变化规律以及对地表水、地下水水质的影响，从而为制定农田面源污染防控技术措施提供参考。监测内容包括各类水样、土壤样品和植株样品，详见表2。根据全国不同区域畜禽种类、饲养模式以及粪便管理方式的特点，在全国共设置180个常规监测点。主要用来监测不同地区畜禽粪污产生系数和排污系数，用以准确核算畜禽养殖业污染物排放量，为畜禽养殖面源污染防控提供依据。水利部门共设国家基本水文站3 210处、专用水文站4 435处、水位站15 294处、雨量站53 908处、蒸发站12处、地下水站26 020处[13]。实施的监测总面积约60万km2，开展了不同水土流失类型区69 条典型小流域和92 个典型监测点的持续定位观测[14]，获取了监测区域土地利用、植被覆盖、土壤侵蚀、水土保持措施、水土保持效益、生产建设项目扰动土地状况等专题信息，各水土流失类型区典型小流域和典型监测点的降水、径流、泥沙等年度数据监测点的持续监测积累了大量较长序列观测资料，为区域水土流失状况分析、水土流失规律研究、水土保持生产实践以及农业面源污染负荷核算与验证等提供了坚实的数据支撑。农业部门和水利部门已经对种植业、畜禽养殖业和水土流失积累了大量长期、连续的监测数据，气象部门的降雨量等监测数据也为开展农业面源污染治理提供了一定的数据基础。然而，生态环境部门只有水质监测数据，尽管监督指导农业面源污染治理的职能划转到生态环境部，但是相关监测支撑能力还较为薄弱。部门间沟通协商壁垒尚未完全打通，监测信息共享不充分。

表2 农田面源污染原位监测样品测试项目Table 2 Farmland non-point source pollution in-situ monitoring sample test project

2 农业面源污染监测的理论基础

2.1 流域生态系统的整体性

与点源污染物通过管道和河网传输不同，农业面源污染物的传输过程在流域空间尺度上受到地貌特征和降水驱动过程耦合作用的影响，其传输通道大多具有一定的空间规律性(如相同坡度和坡长、类似降雨强度的空间单元传输通道较为相似)，单纯的在流域尺度进行水质监测无法完整地体现农业面源污染物的迁移转化过程。应当综合考虑流域尺度的变化、不同点位所控制的上游流域土地利用及其组合的代表性、土壤类型以及河流水文潮汐性变化特征，除了对河道水体的常规监测外，还需要对面源污染物在陆面的关键传输通道进入河道的关键节点进行监测，以便于厘清上下游、左右岸被监管者的污染责任。需要采取空间嵌套式的布局模式来进行监测点位的布局[15]，构建多尺度流域面源污染监测点位，最大限度地反映由于人类活动所导致的农业面源污染物排放对河流水环境质量的影响。以美国切萨皮克湾为例，流域面积约16.6万km2，人口1 800万，受面源、固定源及城市污染的影响，水质退化，亟待修复。共布设有155个水量水质监测站点，监测点位控制的流域面积为1.3～7 000 km2，每个监测点平均控制面积为1 070 km2。

2.2 农业面源污染的发生和迁移转化全过程

农业面源污染物在产污单元流失出来后，在降雨和坡度的驱动作用下，流域水文过程中的地表/地下径流、土壤侵蚀、土壤淋溶等形式是农业面源污染物进入的主要途径。在地形起伏较大的地区，土壤侵蚀和地表径流是氮磷进入水体的主要载体和途径；在地形相对平缓的区域，土壤淋溶、小规模农田退水的不规则排放和大型农田灌区退水则是氮磷进入受纳水体的主要途径[16-19]。从发达国家的经验来看，有效开展面源污染治理工作，系统合理的多尺度连续监测方案不可或缺，农业面源污染的监测体系应当包括不同农业污染源的监测、产排污系数监测、污染物传输过程监测和流域水文水质监测，以充分反映农业面源污染对受纳水、土环境质量的影响程度。不同农业源和产排污系数监测主要是对种植业、分散式畜禽养殖和农村生活进行监测，以便于评价不同农业源的农业面源污染物排放量。污染物传输过程监测是对污染物的传输途径包括地表径流、地下淋溶、壤中流[20]等进行监测，用于模拟大尺度区域农业面源污染入水体过程。水质监测的目的包括：农业面源污染负荷核算的模拟校验；掌握面源污染物排放对河流水环境质量的影响程度；评估农业面源污染治理措施实施前后水环境质量的变化程度。监测指标体系可见课题组前期研究成果[1]。

2.3 农业面源污染时空分布的差异性和滞后性

通常情况下，农业面源污染物对水、土环境质量状况的影响主要包括湖泊富营养化、海湾“低氧区”、地下水硝酸盐超标、土壤养分富集导致的板结化等4个方面，其超标因子主要是氮、磷等营养物质。研究表明，在河流、湖泊等淡水系统中，当氮磷比<4.5时，表现为氮限制型富营养化状态；氮磷比为4.5～6时，表现为相对正常状态，氮磷比>6时，表现为磷限制型富营养化状态。在海水水生生态系统中，氮限制型、正常状态以及磷限制型富营养化状态对应的氮磷比分别为≤5、5～10、≥10[21]。欧美等发达国家的研究表明，在大多数淡水系统中都呈现为磷限制型富营养化状态[22-23]。

氮、磷作为农业面源污染的重要营养元素，其迁移转化规律和形成机理是农业面源污染监测的理论基础[24]。以氮为例，施入农业生态系统中的氮肥，经过微生物作用迅速变成硝酸盐。除一部分被作物吸收外，其余大部分经径流、淋溶、农田排水等形式流失。畜禽养殖所排废水中的氮素也主要进入地表水和地下水，从而导致地表水富营养化、地下水硝酸盐含量过高等[25]。另一方面，农业面源污染还具有滞后效应，产生滞后效应的原因主要包括人为持续的过量输入、水文过程的滞后性以及生物地球化学过程的滞后性。土壤中的硝态氮在长期淋溶作用下大量进入地下水，形成地下水遗留氮库，将持续地成为地表水的重要氮源。特别是在一些农业和城市流域中，地下水中的遗留氮对地表水体的氮负荷贡献量可能较大[26]。

3 建议

1)优化地表水环境监测网络，为农业面源污染的评价考核工作奠定基础。参考发达国家经验，建议生态环境部门要在现有地表水环境监测的国控断面(点位)基础上，按照“科学评价、厘清责任、三水统筹”的总体原则，采取空间嵌套式的布局模式，同时要发挥水质监测的预测预报和风险评估功能来优化地表水环境监测点位，构建多尺度支撑农业面源污染溯源解析工作的地表水环境监测网络。实现水质监测点位从均质化、规模化扩张向差异化、综合化布局转变。完善地表水监测网络，重点提升西北诸河、西南诸河、松花江流域、黄河流域、长江流域和辽河流域监测点位的密度。

2)建立农业面源污染全过程监测网络。农业面源污染源监测主要以自然村为单位，对自然村的面积、户数、人口、林地面积、生态林面积、经济林面积、人均年收入、种植业用口粮类作物产量、经济作物产量、种植业投入品状况、畜禽养殖活动水平调查、畜禽养殖用水、饲料、粪便等基础信息开展调查。产排污系数监测做到全国所有种植模式、养殖模式全覆盖。污染物传输过程监测主要包括地貌、气象、土壤和植被等自然要素，其中地貌和植被以遥感监测为主。水文和水质监测作为测算农业面源污染的重要依据，尽量做到监测点位、监测时间、监测频率的一致性。为全面摸清农业面源污染底数提供支撑。

3)构建水土同控的考核指标体系。在农业面源污染高风险区每2年开展一次土壤氮、磷养分含量评估和地下水硝酸盐氮测定工作，农业面源污染低风险区每3年开展一次土壤氮、磷养分含量评估和地下水硝酸盐氮测定工作，定期向社会公开评估结果。修订《城市地表水环境质量排名技术规定》，将土壤氮磷养分含量、地表水总氮、地下水硝酸盐氮作为参考性指标纳入考核体系，作为农业面源污染监管的重要抓手。

4)建立多方合作和数据公开机制。推动现有农业部门的监测站点(污染源的监测)、气象部门监测站点(降水量等驱动因素的监测)、水利部门水沙监测站(河道泥沙输送)、环境部门地表水质监测断面(主要河道过程的监测)以及中科院生态监测网等在监测技术、数据以及基础信息网络方面的共享与合作。探索建立由国家、省、市、县为主，大学、科研机构为辅的多方合作参与监测网络运行与维护体系。以国控站点为核心，配套建立通畅的监测数据上报通道和审核机制，实行“专网填报、联网审核”的机制。