中国农业面源污染形势估计及控制对策

中国农业面源污染形势估计及控制对策四川农业大学资源环境学院摘要：20世纪70年代以来，中国重要的湖泊和河流水域如五大湖泊、三峡库区、滇池、白洋淀、南四湖、异龙湖等氮、磷富营养化问题急剧恶化。研究结果表明，在中国水体污染严重的流域，农田、农村畜禽养殖和城乡结合部的生活排污是造成水体氮、磷富营养化的主要原因，其贡献率大大超过来自城市生活污水的点源污染和工业的点源污染。20世纪80年代初以来，在各重要流域菜果花(蔬菜、水果、花卉)播种面积增加了4．4倍。菜果花种植为新型产业，农民并未掌握合理的施肥技术。由于种植效益高，菜农为了追求效益，超高量使用氮、磷肥料，单季作物化肥纯养分用量平均为569～2000kg·ha-1，为普通大田作物的数倍甚至数十倍，成为水体富营养化的主要潜在威胁之一。与此同时，农村养殖产业带的发展，使得一些地方畜禽养殖产生的氮、磷数量剧增，最大已达到17-21kgn·ha-1和639kgP205·ha-1，大大超过了农田可承载的安全负荷成为各大水域的重要污染源。而城乡结合部地带缺少排污管网等基础设施，加上这一地带城区快速扩张，使之成为城区面源污染的主要来源。分析结果还显示，尽管中国农业面源污染的程度已十分严重，然而，各主要驱动因素仍然有增无减，进入21世纪初，中国农业面源污染对水体富营养化的影响将进一步加剧，农业和农村发展引起的水污染将成为中国可持续发展的最大挑战之一。关键词：水体富营养化；地下水硝酸盐污染；面源污染直至20世纪60年代，中国水体污染问题尚不突出，70年代以后各大湖泊、重要水域的水体污染，特别是水体的氮、磷富营养化问题急剧恶化。重要的湖泊水质持续下降，五大湖泊中太湖、巢湖已进入富营养化状态，水质总氮、磷指标等级已达劣五类[1]。洪泽、洞庭、鄱阳湖和一些主要的河流水域如淮河、汉江、珠江、葛洲坝水库、三峡库区也同样面临着富营养化的威胁。这些流域是中国人口最为密集，经济最为发达的区域，而水质下降造成的水质性缺水，已经对这些地区人民生活用水构成威胁，对生产和经济发展造成巨大损失，对南水北调和三峡水库等国家重大工程的作用构成影响。根据世界银行和中国有关专家的研究，水污染在中国造成的经济损失约占GDP的1．46％～2．84％[2]。近年来尽管国家和地方每年都投入巨资，“十五”期间用于包括水污染治理的环境整治的投资规划为7000亿元，已达到中国GDP的1％，但到目前为止水体富营养化的程度仍然有增无减。面源污染治理工作仍然任重道远。1中国水污染的核心问题是水体的氮、磷富营养化中国水污染的核心问题是水体的氮、磷富营养化。如太湖、巢湖水质按COD指标评价，多数可达到地面水三类标准，全国其它主要湖泊、水系，制约水体水质的主要原因基本上也是总氮、总磷浓度高[4-7]。根据中国国家环保局在太湖、巢湖、滇池、三峡库区等流域的调查，工业废水对总氮、总磷的贡献率仅占10％～16％，而生活污水和农田的氮、磷流失是水体富营养化的主要原因[8]。中国农业科学院土壤肥料研究所的研究结果显示：在中国水体污染严重的流域，农田、农村畜禽养殖和城乡结合部地带的生活排污是造成流域水体氮、磷富营养化的主要原因，其贡献大大超过来自城市地区的生活点源污染和工业点源污染。对中国重要流域如滇池、五大湖泊、三峡库区的分析结果显示，自20世纪60年代以来，随着这些水域农田氮、磷肥料用量和畜禽养殖业的大幅度增加，氮、磷富营养化程度逐步升级。自60年代以来，由于化肥用量的增长和畜禽养殖业的发展，称之为水体污染元凶的磷素发生量在这些流域平均增加了12倍，折合为每公顷耕地平均发生量达243kg。构成磷素发生总量的主要三组分．农田化肥、畜禽排放和农村人口排污比例，由60年代的1：5：4演变为目前的6：3：1。中国农业科学院土壤肥料研究所在太湖流域、滇池流域的多点长期定位试验，在江苏、浙江、云南、山东、北京、上海等十多个省市上百个县的实地考察和5000余个田间的采样调查显示，在中国流域面积大的水域，如滇池、五大湖泊、三峡库区等，水体富营养化最主要的驱动因素有以下3个：(1)高氮、磷肥料用量的菜果花(蔬菜、水果、花卉)农田面积大幅度增长；(2)流域农村地区畜禽养殖业密集发展；(3)基础设施差的城乡结合部地带城镇建设快速扩展。2集约化农区面源污染造成地下水硝酸盐污染十分严重在中国主要湖泊、水系和近海海域面临着由于严重的富营养化造成的水体污染的同时，中国许多地区特别是农业集约化程度高、氮肥用量大的地区，已面临着严重的地下水硝酸盐污染问题。自1994年以来中国农业科学院在北京、山东、陕西、河北、天津等地20个县600多个点位的抽样调查显示，在北方集约化的高肥用量地区20％地下水硝酸盐含量超过89mgNO-3L-l(中国饮用水硝酸盐含量限量标准)，45％地下水硝酸盐含量超过50mgNO3-．L-1(主要发达国家饮用水硝酸盐含量限量标准)，个别地点硝酸盐含量超过500mgNO3-．L-1[16，l7]。江苏、云南、山西等地也报道在高化肥用量农区地下水硝态氮含量超标。中国许多城市地下水是重要的饮用水资源，目前集约化种植的菜果花农田主要集中于人口密集的城市周边地区，地下水硝酸盐污染已经对这些城市的饮用水安全造成了威胁。如北京市约50％饮用水资源取自地下水，据北京市环保局对205眼水源井的抽样监测，地下水硝酸超标率23．4％，硝酸盐超标面积146．8km2，硝酸盐已经成为北京地区地下水两种主要污染物之一。研究显示，农业面源污染是地下水的硝酸盐污染的首要原因。目前中国高氮肥用量的集约化农田已农田总面积15％以上，城市周边地带通常可达30％以上，由农业面源污染引起的地下水硝酸盐污染将对上亿人口的饮用水质量安全造成威胁。3菜果花农业面源成为流域水体富营养化最大潜在威胁之一直至20世纪60年代末期，中国农田氮、磷化肥用量水平还很低，每公顷耕地氮、磷化肥用量分别只有34kg和9kg(以N、P。0：计)。滇池、五大湖泊、三峡库区等流域地区多数农田土壤氮、磷养分十分缺乏，农民有施用塘泥、湖泥肥土的习惯。至80年代初，这些流域的农田氮、磷化肥用量水平仍较低，每公顷耕地氮、磷化肥用量分别为135kg和22kg(表3)，与全国同期平均水平(125kg和24kg)接近。80年代以来数量大幅度的增长，2000～2001年平均达到368kg和154kg，为全国同期平均水平(183kg和54kg)的2～4倍。在这些经济发达的流域地区，近年来菜果花农田面积大幅度增长。从80年代至目前，滇池、五大湖泊、三峡库区等流域地区平均增长了4．4倍，要高于全国同期的平均水平(3．7倍)。菜果花作物效益高，农药、化肥和有机肥的超高量使用十分常见。31个省20余种作物的调查显示，菜果花农田上单季作物氮化肥纯养分用量平均为569～2000kg．Ha-1[21}为普通大田作物的数倍甚至数十倍，而作物氮素吸收总量一般不超过400kg．ha一1，氮肥利用率仅10％左右，远低于中国大田作物的平均氮肥利用率(35％)成为流域水体富营养化最大的潜在影响因素之一。根据2000年的调查结果，位于滇池流域呈贡县大渔乡湖滨带的5个村，蔬菜、花卉种植面积约666ha，占农作物播种面积的100％。单季作物氮化肥(纯N，以下同)用量平均为800kg．Ha-1，磷化肥用量(P205，以下同)为430kg．Ha-1，耕地氮、磷化肥用量平均分别为1600和860kg．ha～，远远高于滇池流域化肥平均用量401和248kg．Ha-1[19]。仅在滇池流域，2001年菜果花播种面积已达全流域作物总播面的23．4％，仅嵩明、呈贡、晋宁3个县自80年代初以来蔬菜播种面积增加了近1．77倍，同期农田氮、磷化肥用量增加了5倍，绝对增长量和增长速率均远超过其它来源的氮、磷产生量。在约占流域农田面积15％的菜果花农田上，尽管多年来大量施用氮、磷肥料，农田土壤有效氮、磷含量大幅度增加，但农民仍然偏施氮、磷肥料。如滇池流域湖滨带菜田土壤，目前速效磷含量平均已超过80mg．Kg-1，较70年代末的16mg．Kg-1增长了5倍，而农民仍然大量施用高氮磷含量的化肥和鸡、猪粪，每季作物氮素盈余为225～1000kg．Ha-1，磷素盈余150～600kg．Ha-1，钾素亏缺0～50kg．Ha-1，极易引起农田氮、磷养分流失，也因作物养分不平衡造成减产和病害。以下3个重要原因使得高肥料用量的菜果花农田成为上述流域水体富营养化最大的潜在威胁。其一，土壤富含水溶性氮、磷，成为氮、磷污染物释放源。其二，集约化种植方式下，各种速溶性肥料的频繁施用，极易造成降雨与施肥期的偶合，引发大量的农田氮、磷径流损失。其三，在中国南方河网地区，纵横交错的河网、渠系成为连接陆域农田与主河道、湖泊水体的直接通道，使得距离主河道和湖区较远的农田，即使在地表径流较小的条件下，也很容易形成面源污染。水田交错的特殊条件和水旱轮作、粮菜轮作的生产方式也使得这一地区水域、陆域的边界在一个轮作周期中不断变换，加剧了这些氮、磷养分用量高的农田对水体的直接影响。中国农业科学院土壤肥料研究所的初步试验结果显示，目前在水体污染严重的滇池、太湖、巢湖和三峡库区，占流域农田总面积15％～35％的菜果花农田，对流域水体富营养化的贡献率，接近或大大超过约占农田总面积70％的大田作物。4农村畜禽养殖是农业面源污染的主要来源自60年代以来，中国畜禽养殖业始终保持高速发展的势头，畜、禽存栏量每10年增加1～2倍。1988年中国畜禽粪便产生量为18．8亿吨，是当年工业固废量的3．4倍；1995年达24．9亿吨，约为当年工业固废量的3．9倍；2000年达36．4亿吨，相当于同期工业固废产生量(9．5亿吨)的3．8倍。由于以下3方面的情况使得农村畜禽粪便污染已成为农业面源污染的主要来源。第一，在畜禽存栏量成倍增长的同时，一方面农村城镇化的发展和城镇建设占地，使得可有效消纳畜禽粪便的农田面积不断减少。另一方面，产业带的发展模式造成养殖专业户集中于某些地区，使得农村一些村、镇本地的人畜禽粪便产生量已经大大超出当地农田可承载的最大负荷。在经济发达的流域，这一问题更为突出。目前在滇池、太湖流域的一些乡镇，每公顷农田对农村人畜排出有机氮、磷养分承载量已经分别达到1000-600kg，大大超过了许多国家规定的每公顷农田可承载的畜禽粪便的最大负荷(150kgN·ha-1)。在这些乡镇，即便完全不使用氮、磷化肥，本地的农田也不能有效消解当地的畜禽养殖业产生的氮、磷养分，成为水域的重要污染源。第二，养殖规模的变化导致畜禽养殖粪便与农田的距离拉大，而规模化养猪场常用的水冲式清粪方式，造成猪场的流质厩肥体积庞大而养分含量低，使得将这些粪水运往农田的费用大大增加。一个存栏量为5000头的养猪场，将每年产生的流质厩肥运至周边最近的农田，年运输量为40313吨公里，平均每头猪为8吨公里，15000头的养猪场，年运输量为209470吨公里，平均每头猪为14吨公里。由于运费高，并且也缺乏运送和施用流质厩肥的专用设施，许多养殖专业户通常是用简易的沉淀池将液态粪水排到沟渠中，仅将固体粪肥卖给种植专业户。根据调查和测算，仅液态粪水排放一项，对流域水体氮富营养化的贡献率达到10％～30％，磷达到3％。第三，目前绝大多数农村畜禽场贮粪池建设不规范，密封性差、容量小。由于缺少场地，一些小型的家庭养殖场，将畜禽场清出粪便随便堆放。有机肥施用受作物生长季节的限制，在有机肥使用淡季时，贮粪池常溢满外泻。降雨时，堆放和外泻的粪肥冲入河沟，易形成大量氮、磷径流。根据中国农业科学院土壤肥料研究所的初步测算，即使只有10％畜禽粪便由于堆放或溢满随场地径流进入水体，对流域水体氮富营养化的贡献率可达到10％，磷可达到10％～20％。5城乡结合部地带的生活、生产排污是流域水体污染主要原因之一中国城乡结合部地区是经济发展最为迅速，农村城镇化发展速度最快的地带。所有流域，城乡结合部基本都处于近水域地带，不仅人口密集，而且小型的乡镇企业密集。由于农村地区原有基础设施跟不上，处于这一地区的绝大多数城镇没有排污管网。又因为距离农区较远，难以通过农田施肥消解城镇生活、生产产生的固液废弃物。太湖、滇池流域许多地区是通过小型的沉淀池将生活污水、小企业的生产污水就地排入污水沟或河道，再直接进入主河道或通过降雨径流进入主河道或入湖。在各大流域城乡结合部地区的面积、总人口及相应的生活、生产排污量都超过基础设施好的城市地区。中国农业科学院土壤肥料研究所的研究结果显示，在太湖流域，来源于农田、农村畜禽养殖业、城乡结合部地区的总磷分别为20％、32％和23％，总氮分别为30％、23％和19％，贡献率超过来自工业和城市生活的点源污染。对滇池流域和其它流域的初步研究结果也获得同样的结论。6中国农业面源污染形势严峻，治理难度超过发达国家。中国农业面源污染引起水域富营养化的程度和广度已经远远超过发达国家，而潜在的压力更是其它国家无法与之相比的。由于这一问题关乎农民收入、农村地区基础设施建设、农业产业政策，使得治理难度远超过发达国家。例如，如果将控制流域近水域地带高污染风险的菜果花农田面积，作为流域水体富营养化治理的一项措施，仅在滇池、五大湖泊、三峡库区，影响的农村人口将超过1000万，这些农民年平均收入将减少1000～5000元。又如，就控制化肥用量而言，中国农田单位面积氮、磷化肥养分平均用量在国际上已经处于高水平，除氮肥用量较蔬菜、花卉生产大国荷兰低外，氮、磷化肥养分已经高于欧美发达国家。由于中国复种指数高，目前这一平均用量尚可接受。主要的问题是中国普遍存在的氮、磷、钾比例失调和区域间、农户间的不平衡。自然条件相近的地区，单位面积化肥用量悬殊也非常大。在过去20年中，这种区域间肥料用量的贫富悬殊进一步拉大。目前在中国用量最低的200个县(占全国的近1／10)，每公顷播种面积化肥用量仅为43kg．Ha-1，而用量最高的200个县已达532kg．Ha-1。虽然，一个地区内肥料、农药用量和养殖业可在较短时间内成倍增长，农民的经营规模、文化水平和专业化水平却难以在短期内迅速提高，盲目施肥、不科学、不标准的种、养式将不易在短期内扭转。贫困地区尽管化肥的经济效益较高，但由于农民无钱，化肥用量不足，影响了土壤肥力的提高和经济效益的增长。另一方面，由于蔬菜播种面积的增加和地方经济水平较高等原因，而不是土壤养分不足或是作物生产需要，大量养分高度集中于少数地区的农田土壤，如菜果花生产大县的山东寿光、滇池流域的呈贡县，单位面积化肥纯养分用量平均已达到1146和1219kg．Ha-1，对这些地区的面源污染造成巨大的潜在压力。在欧洲，在农业和环境专家讨论水环境安全的农田氮素盈余最大限量标准时，专家们争论的焦点之一是将这一限额定为每公顷农田10kg还是20kg，而目前在中国许多流域的乡镇，通常已经是这一数额的十倍，高的可达上百倍。应当说，农业环境污染将是21世纪中国面临的最大挑战之一，问题的程度之严重和范围之广世无先例。实际上这一问题处理不当，将直接影响21世纪中国农业的可持续发展。为此深入剖析中国农业面源污染控制中存在的问题，在吸收国外技术和治理经验的基础上发展适合中国的面源污染控制技术和对策，已成为保证中国经济可持续发展的关键。References[1]国家环境保护总局．2001年中国环境状况公报．2002．eportontheStateoftheEnvironmentinChinain2001．2002．http：／／www．zhb．gov．cn／649368273124589568／index．shtml．(inChinese)[2]曲格平．关注生态安全之二：影响中国生态安全的若干问题．环境保护，2002，7：3—6．QuGP．FocusonecologicalsafetyII．Someproblemsofaffectingec0109icalsafetyinChina．EnvironmentProtection．2002，7：3—6．(inChinese)[3]国家环境保护总局．国家环境保护“十五”计划．2001．StateEnvironmentalProtectionAdministrationofChina．ThelOthF1ve—yearP1armingofStateEnvironmentalProtection．2001．(inChinese)[4]金相灿，刘树坤，章宗涉，屠清瑛，徐南妮．中国湖泊环境(第一册)．北京：海洋出版社，1995．JinXC，LiuSK，ZhangZS，TuQY，XuNN．Lakesin∞ina-ResearchofTheirEnvironment(V01．1)．BeiJing：OceanPress，1995．(inChinese)[5]金相灿，刘树坤，章宗涉，屠清瑛，徐南妮．中国湖泊环境(第二册)．北京：海洋出版社，1995．JinXC，LiuSK，ZhangZS，TuQY，XuNN．LakesinChina-ResearchofrheirEnvironment(V01．2)．Beijing：OceanPress，1995．(inChinese)[6]金相灿，刘树坤，章宗涉，屠清瑛，徐南妮．中国湖泊环境(第三册)．北京：海洋出版社，l995．JinXC，LiuSK，ZhangZS，TuQY，XuNN．LakesinChina-ResearchoftheirEnvironment(V01．3)．BeiJinjg：OceanPress。1995．(inChinese)[7]国家环保总局．三湖三河水质水情月报．http：／／www．zhb．gov．cn／652460099821895680／index．shtml．2004．StateEnvironmentalProtectionAdministrationofChina．#onthlyReportonThreeLakesandThreeRivers．http：／／Ⅲ．zhb．gov．cn／652460099821895680／index．shtml．2004．(inChinese)[8]李贵宝，尹澄清。周怀东．中国“三湖”的水环境问题和防治对策与管理．水问题论坛，2001，(3)．36—39．LiGB，YiCQ，ZhouHD．ProblemsinwatersysteminthreelakesofChinaandcontrolstrategiesandmanagement．胎terProblemForum,2001，(3)：36—39．(inChinese)[9]国家环境保护总局编．三河三湖水污染防治计划及规划．北京：中国环境科学出版社，2000．StateEnvironmentalProtectionAdministrationofChina．ControlPlanningandProgrammingfor*aterPollutionintheThreeLakesandThreeriversofChina．BeiJing：ChinaEnvironmentalSciencePress，2000．(inChinese)[10]黄漪平．太湖水环境及其污染控制．北京：科学出版社，200t．HuangYP．肠tergnvironment8ndPollutionContro]inTaihu．BeiJing：SciencePress，2001．(inChinese)[11]中国科学院南京地理研究所．太湖综合调查报告．北京：科学出版，1960．NanjingInstituteofGeography．ChineseAcademyofSciences．GeneralReport017InvestigationinTaihu．BeiJing：SciencePress．1960．(inChinese)[12]国家环境保护总局．滇池流域水污染防治“十五”计划．2003．StateEnvironmentalProtectionAdministrationofChina．ThelOthFive一阳日rP1a