全域尺度的农田面源污染对水环境质量的影响分析
杨世琦
全域尺度的农田面源污染对水环境质量的影响分析
杨世琦
（中国农业科学院 农业环境与可持续发展研究所，北京 100081）
【目的】探究全域尺度的农田面源污染对水环境质量的影响。【方法】基于我国多年化肥施用量、农田氮磷面源污染排放系数和农业用水量等数据，采用统计分析方法，分析了农田面源污染及其对地表水质量的影响。【结果】化肥施用量从2015年开始下降，至2019年氮肥和磷肥施用量分别降低了13.7%和9.1%；
农业用水占比从2012年开始下降，2019年降低了2.2%；
2007—2017年期间，农田氮污染排放系数从5.7%降低至2.4%，农田磷污染排放系数从0.9%降低至0.5%；
地表水环境质量显著改善，2018年较2009年河流Ⅳ+Ⅴ类水质占比降低了40.8%，劣Ⅴ类水质占比降低了71.5%。全域尺度的农田面源污染防治取得了巨大成效，农作物产量不减反增。我国农田尾水属于劣Ⅴ类水质，对地表水环境质量的潜在影响较大，尤其在局部地区或部分流域段。【结论】从全域尺度看，农田面源污染总磷（TN）和总氮（TP）对地表水环境质量的整体影响较少，2017年开始，呈显著降低趋势。农田面源污染的关注重点应转移到局部地区和部分流域段，以逐步提升地表水环境质量。
全域尺度；
农田面源污染；
水环境质量
【研究意义】中国粮食产量连续6年超过6.5×108t，水稻、小麦自给率保持在100%以上，玉米自给率超过95%，肉蛋奶、果菜茶品种丰富、供应充裕，有效满足了人民群众日益增长的消费需求[1]。《中国的粮食安全》指出，我国用9%的耕地和6%的淡水资源养活了全球近20%的人口[2]。在农业生产取得巨大成就的同时，必须重视农业面源污染与耕地质量退化等生态问题，以实现生产、生态和生活的协调与可持续发展。【研究进展】近年来，国家加大了对重点流域水污染的防治力度，开展了针对三河（淮河、辽河、海河）、三湖（太湖、滇池、巢湖）、松花江、三峡库区、黄河中上游、南水北调水源地及沿线流域的规划治理，取得了阶段性成果，水污染治理成效显著，地表水环境得到明显改善。我国七大水系监测断面中，Ⅰ～Ⅲ类水质断面比例提升18%，劣Ⅴ类水质断面比例下降15%，地表水质整体提升显著。七大水系中，除黄河水系好于Ⅲ类水质断面比例没有提高外，其他各水系均有提高，其中海河和辽河水系，分别增加53%和41%。除珠江水系外，各水系劣Ⅴ类水质断面比例均有所下降。特别是淮河、辽河等水系，在地表水资源量减少的情况下，水质明显改善，分别由中度和重度污染转变为轻度污染，主要是由于污染物排放量减少[3]。有关面源污染的认识始于20世纪30年代，许多国家从20世纪70年代起逐渐开始重视面源污染研究。随着人口增长与农业产业发展，农业面源污染仍然是水体污染的重要原因之一[4]。我国农业面源污染导致湖泊与河流水体富氧化，进而引发赤潮，持续威胁水环境安全[5]。2007年我国农业面源污染产生的化学需氧量（COD）、总氮（TN）和总磷（TP）排放量分别占地表水体污染总负荷量的?43.71%、57.19%?和?67.27%[6]；
2017年我国农业面源污染产生的COD、TN和TP排放量分别占地表水体污染总负荷量的49.77%、46.52%和67.22%，仍然是水体污染的主要贡献源[7]。习近平总书记指出，农业发展不仅要杜绝生态环境欠新账，而且要逐步还旧账，打好农业面源污染防治攻坚战。农业面源污染防治是实现农业高质量发展、保障水环境质量的重要抓手。国家先后出台了一系列政策措施如《水污染防治行动计划（2015）》，对农业面源污染防治发挥了有效作用。水环境质量除了农业面源污染因素外，还与工业、生活、城市发展、GDP总量及结构、法律法规、水资源利用效率、降水量和植被覆盖等有关。城市化扩张和城镇密度增加，水环境质量降低[8-9]，第一、第二产业占比大会导致水环境质量下降；
反之，第三产业占比高会导致水环境质量提升[10]；
日本1999年颁布的“农业环境三法”对改善日本水环境质量发挥了重要作用[11]，植被覆盖度高和水资源利用效率高有利于提高水环境质量[12-13]。【切入点】农田面源污染属于农业面源污染，其面源特征较养殖面源污染和农村生活面源污染更加典型，对水体水质的影响更加复杂。基于国家尺度，总览我国农业生产与农业用水，综合分析农田面源污染与地表水体环境质量的作用关系。【拟解决的关键问题】以剖析我国农田面源污染对地表水体水质的潜在影响规律，为区域农田面源污染控制提供思路和依据。
1.1 主要农产品产量变化趋势
1978—2019年，我国农业发展取得了举世瞩目的成就，主要农产品产量呈快速增长趋势[14-15]（图1）。2020年国家粮食总产量实现了17连增，人均粮食占有量连续12年稳定在400 kg安全线以上。2019年，全国粮食产量为6.6×108t、棉花产量为5.9×106t、油料产量为3.5×107t、甘蔗产量为1.1×108t、蔬菜产量为7.2×108t、水果产量为2.7×108t、肉类产量为7.8×107t、奶类产量为3.2×107t和禽蛋产量为3.3×108t。与1978年相比，分别增长了2.2、2.7、6.7、5.2、358.2、41.7、7.3、37.3倍和14.3倍；
年平均增长率分别为5.2%、6.5%、15.9%、12.3%、852.8%、99.3%、17.4%、88.7%和34.1%。另外，2019年的甜菜产量为1.2×107t、烟叶产量为2.2×106t、茶叶产量为2.8×106t，分别是1978年的4.5、1.7倍和10.4倍；
年平均增长率分别为10.8%、4.1%和24.7%[14]。
1.2 农业生产资料投入及其变化趋势
2019年，全国化肥投入量为5 403.6×104t，其中氮肥投入量为2 673.8×104t，磷肥投入量为1 425.2×104t，钾肥投入量为1 304.7×104t（图2）。与1978年相比，化肥、氮肥、磷肥和钾肥施用量分别增长了6.1、4.0、7.3倍和49.2倍；
年平均增长率分别为14.6%、9.6%、17.4%和117.1%。化肥投入增长率超过了除蔬菜和水果外其他农作物产量的增长率，表明化肥增长是我国农作物增收的重要原因之一[14-15]。2015年，我国化肥施用量为6 022.6×104t、2014年氮肥施用量为3 098.2×104t、2015年磷肥施用量为1 568.3万t、2016年钾肥施用量为1 372.6×104t，均为历史最高，此后逐年降低；
至2019年，分别降低了10.3%、13.7%、9.1%和4.9%。可见，2014—2016年是化肥投入的分水岭，此后农作物增产将从依赖化肥数量增长为主向化肥利用效率增长为主转型；
化肥施用量增长引起的面源污染增长趋势得到了有效抑制。
图1 我国主要农产品产量及增长趋势（1978—2019年）
图2 我国化肥施用量及变化趋势（1978—2019年）
1.3 农业用水量和农业用水占比变化趋势
农业用水指灌溉、农村牲畜和农村生活用水，其中灌溉用水占农业用水的95%左右，其余为农村牲畜和农村生活用水。农业用水占比指农业用水占总供水量的比例。由图3可看出，1997—2019年，农业用水总体呈先降低（2003年）、再升高（2013年）和再降低的变化过程；
农业用水的年平均值为3 740.7×108m3，最大农业用水量为3 920.3 m3，最小农业用水量为3 431.4 m3，极值差距为488.9 m3，农业用水量的标准差为122.5亿m3，变异系数为3.3%[16]。可见，农业用水量基本上处于相对稳定状态。1997—2019年，农业用水占比基本上呈下降趋势，2012年略有升高，但此后又开始下降。2012年农业用水占比63.4%，2019年降低到61.2%，减少了2.2%。1997—2019年的农业用水占比的年平均值为64.4%，最大值为70.4%，最小值为61.2%；
极值差距为9.2%，标准差为3.0%，变异系数为4.7%。农业用水占比基本上处于相对稳定状态，农业用水占比的变化要略高于农业用水的变化。
图3 我国农业用水及变化趋势（1997—2019年）
2.1 水资源总量大与人均水资源贫乏矛盾突出
全球水资源总量为14.5×1017m3，其中，97.5%为咸水，2.5%为淡水。淡水中近70%为冰川，其余大部分是土壤水或深层地下水。全球每年降水形成的水资源量约为110×1012m3，江河、湖泊、水库及浅层地下水总量约为42.7×1012m3，不足淡水总量的1%，约为水资源总量的0.007%。据世界银行数据库统计，我国淡水资源总量约为2.8×1012m3，占全球水资源总量的5%，人均占有量2 000 m3，仅为世界平均水平的1/4，是全球13个人均水资源最贫乏的国家。
2.2 农业用水占比较高的现状将长期存在
我国是用水大国，1997—2019年平均值为5 822×108m3，用水量仅次于印度（7 610×108m3），高于美国（4 896×108m3）；
用水量约为水资源总量的20%，仅低于印度、韩国、乌克兰等国家，高于加拿大、巴西、英国、澳大利亚和瑞士（图4）。我国农业用水占比较高，仅低于日本、印度、阿根廷和巴基斯坦，而单位面积化肥用量处于世界较高水平，农业面源污染对地表水环境质量的潜在影响较大。欧美大多数发达国家农业用水比例较低，如美国的35.7%、加拿大的12.6%、英国的9.2%、瑞士的8.0%、荷兰的0.6%和德国的0.2%，农田面源污染基本对水环境没有影响；
即使是在美国与加拿大农业面源污染对水环境质量的影响也非常有限。受制于农业大国和人口大国等因素制约，我国农业用水比例较高的现状将长期存在，短期内很难有所改观。
图4 几个主要国家用水总量和农业用水比例
2.3 水资源利用效率不高
我国的农业用水效率远低于发达国家，灌溉水有效利用系数约为0.5，低于发达国家的0.7～0.8；
灌溉水1 m3的粮食产量为1.1 kg，低于发达国家的2.5～3.0 kg。另外，我国农业灌溉模式落后，节水灌溉面积占全部灌溉面积的比例仅为42%[17]。我国灌溉用水有效利用系数若由0.5提高到0.7，可节水600×108～700×108m3；
灌溉水生产率由1.1 kg/m3提高到1.5 kg/m3，可减少农业用水1 000×108m3。国际上生活平均用水量为80 L/d，我国则为150～180 L/d，存在较大差距。
2.4 农田面源污染防治成效显著
农田面源污染排放系数是水污染排放量与其使用量的比值。依据《第一次全国污染源普查公报》，2007年种植业TN排放量为159.78×104t，氮肥施用量为2 798.2×104t，农田氮污染排放系数为5.7%；
TP排放量为10.87×104t，磷肥施用量为1 274.0×104t，农田磷面源污染排放系数是0.9%。依据《第二次全国污染源普查公报》，2017年种植业TN排放量为71.95×104t，当年氮肥施用量为2 961.9×104t，农田氮面源污染排放系数是2.4%；
TP排放量7.62×104t，当年磷肥施用量1 537.7×104t，农田磷面源污染排放系数是0.5%。2007—2017年，农田氮污染排放系数由5.7%降低至2.4%，减少了57.5%，年均降低5.8%；
农田磷污染排放系数由0.9%降低至0.5%，减少了41.9%，年均降低4.2%。由此可见，农田氮磷面源污染控制取得了巨大成效。2018—2020年，在化肥施用量连续降低的情况下，粮食取得了连续增产；
可以推断出，农田面源污染控制水平也持续提高。
2.5 地表水环境质量显著改善
我国河流Ⅳ+Ⅴ类水质占比在1997—2003年期间呈下降-上升-下降的趋势，2004—2009年在波动中升高，2010—2018年稳定下降，2019年突然升高[16]。劣Ⅴ类水质占比在1997—2007年呈上升趋势，2007年以后呈下降趋势[16]（图5）。1997年，河流Ⅳ+Ⅴ类水质占比较高的原因是长江以北的华北、东北、西北东部、黄淮及江淮地区夏季干旱严重，部分省（区）出现夏秋连旱；
黄河年内累计断流日数达226 d，断流时间、断流天数、断流河长均创历史记录，花园口年径流量比常年偏少约200×108m3；
另外，淮河治理初见成效，但好于Ⅲ类水断面仅占流域的18.3%；
全国地表水资源量为26 835×108m3，低于常年。2000年，河流Ⅳ+Ⅴ类水质占比较高的原因是北方大部、长江中下游沿江地区、四川盆地及广西南部等地区的降水量比常年同期偏少20%～70%，一些地区的降水量为50年来同期最小值，造成许多河流来水明显偏小，河道断流，水库蓄水不足，地下水位下降。2019年，河流Ⅳ+Ⅴ类水质占比突然增高的原因是强降雨过程、超警洪水和超保洪水为1998年以来最多，主要河流的年径流量偏多9%以上，黄河偏多20%～50%，水土流失较常年多是重要原因之一。2018年较2009年，河流Ⅳ+Ⅴ类水质占比降低40.8%，劣Ⅴ类水质占比降低了71.5%。整体上看，我国河流水质有了较大改善，主要原因是水污染物排放量显著降低。全国污染普查结果表明，2017年，全国水污染物排放量为：化学需氧量2 143.98×104t，氨氮量96.34×104t，总氮量304.14×104t和总磷量31.54×104t，与2007年相比，分别减少了42.3%、79.5%、55.5%和34.2%。
图5 我国河流水质及其变化趋势（1997—2019年）
3.1 农田尾水的氮、磷浓度对地表水质量的影响
农业用水减去农业耗水近似可看作农田尾水（忽略蒸发量等）。假定在全国尺度，农田尾水的污染物质量浓度是均匀的，用农田面源污染物排放量除以农业尾水量来估算农田面源TN与TP质量浓度。借助农田尾水的TN和TP质量浓度，分析我国农田面源水污染排放量对地表水环境质量的影响。以2007年和2017年的农田氮、磷污染排放系数为依据，参照化肥施用量，2007年之前农田TN和TP的排放量按2007年的农田氮、磷污染排放系数5.7%和0.9%来估算，2007—2017年期间按年平均降低率估算每年的TN和TP排放量，2017年后的农田TN和TP的排放量按2017年的农田氮、磷污染排放系数的2.4%和0.5%来估算，结果见图6。
1997—2019年，我国农田尾水平均值为1 347.8亿m3，最大值为1 431.5亿m3，最小值为1 187.2亿m3，极值差距为244.3亿m3，标准差为50.7亿m3，变异系数为3.8%。由此可见，自1997年依赖的农田尾水的变化不大。1997—2019年，农田尾水TN质量浓度呈先上升（1997—2003年）再下降（2003—2019年）的变化趋势，其中，2007年和2017年是较为明显的转折点，尤其是2017年，表明我国农田氮面源污染控制取得了较大成效。农田尾水TP质量浓度也呈类似TN的变化趋势，只是变幅相对较小。1997—2019年，农田尾水TN质量浓度平均值为9.57 mg/L，最大值为12.10 mg/L，最小值为4.95 mg/L，标准差为2.09 mg/L，变异系数为21.88%；
农田尾水TP质量浓度平均值为0.72 mg/L，最大值为0.83 mg/L，最小值为0.55 mg/L，标准差为0.09 mg/L，变异系数为12.43%。
图6 我国农田尾水、TN和TP质量浓度变化趋势（1997—2019年）
3.2 流域与省域尺度的农田面源污染对地表水质量的影响
由于在流域尺度上的农田面源污染相对复杂，其对流域水质的影响也很难说清楚。以《中国水资源公报2017》的水环境质量资料为例，全国河流Ⅰ～Ⅲ水质占78.5%，Ⅳ～劣Ⅴ类水质占21.5%；
水库Ⅰ～Ⅲ水质占86.4%，Ⅳ～劣Ⅴ类水质占13.6%。至少78.5%的河流水质未受面源污染的影响或影响很小；
水库Ⅰ～Ⅲ水质占比高于河流占比。省域尺度上的农田面源污染情况也很复杂。新疆是农业大区，水资源相对短缺，但河流Ⅰ～Ⅲ水质占比很高，为98.6%；
北京以蔬菜和水果种植为主，潜在面源污染风险较大，但河流Ⅰ～Ⅲ水质占比81.2%也不算低；
黑龙江、山东和河南是农业大省，河流Ⅰ～Ⅲ水质分别占73.5%、45.9%和57.7%则相对较低。农田面源污染产生的基本条件是农田径流或水土流失。因此，在降水量较大的区域或时段，农田面源污染产生的可能性也就越大。农田控制灌溉极大地降低了农田径流，也极大地控制了农田面源污染，最典型的是新疆；
农田径流通常发生在农田边沿地带，由于冲刷和排水不畅产生农田面源污染，农田面积越大，产生面源污染就越多，如黑龙江、山东与河南等农业大省。与此同时，河流水质受区域水资源影响较大，水资源越多，意味着河流水质就越好，如重庆河流Ⅰ～Ⅲ水质占比100.0%、湖南98.8%、江西96.2%和广西96.4%；
但广东省77.3%和浙江83.2%相对较低，主要受社会生产活动影响较大所致；
河北、山西、宁夏和天津分别为50.2%、39.2%、37.0%和14.2%较低，主要是水资源缺乏所致。
3.3 农田尾水水质提升的可能性
农田尾水量按1 347.8×108m3计，TN和TP质量浓度按照Ⅳ水质标准应该是2.0 mg/L和0.4 mg/L，推算的农田TN和TP水污染排放量分别是26.96×104t和5.39×104t；
按照化肥施用量计算，TN排放系数小于1%，TP排放系数小于0.4%；
参照2017年农田TN和TP水污染排放量71.95×104t和TP7.62×104t及其排放系数2.4%和0.5%，TN减排难度较大，TP减排难度相对较小。参阅以往的研究，滇池农田径流排水TN质量浓度4.0～33.5 mg/L和TP质量浓度0.2～3.2 mg/L[18]，淮北平原自然降雨情况下的农田径流TN和TP质量浓度分别为1.99～4.03 mg/L和0.03～0.22 mg/L[19]，红壤流域的径流水TN质量浓度2.7 mg/L[20]，太湖流域麦稻轮作的径流TN质量浓度1.78～33.18 mg/L[21]，巢湖流域农田径流的TN和TP质量浓度为2.57～3.14mg/L和0.19～0.21 mg/L[22]。由此可见，农田尾水要达到地表水环境质量标准Ⅴ类水质的困难较大，尤其是TN；
TP达到Ⅴ类水质可能性相对较大。与农田尾水治理相比，农业节水减排可能是改善地表水环境质量更有效的措施。
1）我国农田面源污染防治取得了巨大成效。2015年，我国化肥施用量开始下降，到2019年氮肥和磷肥施用量分别降低了13.7%和9.1%，农作物产量不减反增；
农业用水占比从2012年的63.4%降低到2019年的61.2%；
2007—2017年农田氮污染排放系数由5.7%降低至2.4%，农田磷污染排放系数由0.9%降低至0.5%；
地表水环境质量显著改善，2018年较2009年河流Ⅳ+Ⅴ类水质占比降低了40.8%，劣Ⅴ类水质占比降低了71.5%。
2）全域尺度的农田面源污染对地表水环境质量的影响有限。1997—2019年的农田尾水TN与TP平均浓度为9.57 mg/L和0.72 mg/L，属劣Ⅴ类水质，对局部地区与部分流域段水质的潜在影响较大；
农田面源污染TN和TP对全域尺度的地表水环境质量的影响有限，2017年始出现显著下降趋势。
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Effects of Nonpoint Source Pollution on Water Environmental Quality at National Scale
YANG Shiqi
(Institute of Agricultural Environment and Sustainable Development,Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China)
【Background and objective】Non-point pollution from farmland (NPF) is the main source of pollutants in surface water in China and has
attention. the progress achievements of water pollution control effects and surface water environment obvious improvements had been carried out in recent years, which involve “Three Rivers” (the Huai River, Liao River and Hai River), “Three Lakes” (the Tai Lake, Dian Lake and Chao Lake), the Songhuajiang River, three Gorges Reservoir Region, the upper and middle Yellow River, the water resource and waterline basin of South to North water diversion project. The monitoring sections of Ⅰ-Ⅲ river quality had been improved by 18%, and that of interior class Ⅴ river quality had been reduced by 15% in the last 10 years, the total surface water quality has improved significantly. As President Xi Jinping pointed out, agricultural development should not only put an end to new accounts owed by the ecological environment, but also gradually repay the old accounts, and fight a tough battle against agricultural non-point source pollution. Prevention and control of agricultural non-point source pollution is an important way to realize high quality agricultural development and water environment quality assurance. 【Objective】The fundamental status of China’s large agricultural country is to maintain a relatively high level of fertilizer application and a higher ratio of agricultural water for a long period of time, so national food and other agricultural products security could be guaranteed. However, the problems from NPF should be paid a close attention.【Method】Based on the data of fertilizer application amount, emission coefficient of nitrogen and phosphorus non-point source pollution, agricultural water consumption, and the quality of farmland tail water and the influence on surface water quality were analyzed. 【Result】The ratio of fertilizer application was decreased after 2015, in which nitrogen fertilizer and phosphorus fertilizer were reduced 13.7% and 9.1% in 2019, respectively. Agricultural water use decreased after 2012, in which the ratio of agricultural water was reduced by 2.2% in 2019. From 2007 to 2017, the emission coefficient of farmland nitrogen pollution was reduced from 5.7% to 2.4%, and the emission coefficient of farmland phosphorus pollution was reduced from 0.9% to 0.4%. The environmental quality of surface water had been improved significantly, in which the ratio of class Ⅳ+Ⅴ of river water quality was reduced by 0.8% and interior class Ⅴ was reduced by 17.4% in 2018, compared to that in 2009. NPF control has achieved a great progress and crop yields continue to increase. Agricultural tail waters all belong to interior class Ⅴ, which have a potential effect on surface water quality, especially in some local areas or parts of basin. 【Conclusion】On a national scale, effects on surface water quality of total nitrogen and total phosphorus pollution from NPF are limited and they showed a significant decreasing trend after 2017. The keys in NPF should pay attention to some local areas and river basins, so surface water environmental quality can gradually improve.
national scale; non-point source pollution from farmland (NPF); water environment quality
1672 - 3317（2022）09 - 0110 - 07
TV11；
P343.9
A
10.13522/j.cnki.ggps.2022037
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2022-01-17
“十三五”重点研发计划项目（2019BBF02007，2017YFD0800504）
杨世琦（1970-），男。博士研究生，主要从事农业面源污染研究。E-mail:shiqiyang@126.com
责任编辑：韩 洋
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