河南省農(nóng)田面源污染發(fā)生規(guī)律及防控研究

寇長林，駱曉聲

（河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，河南 鄭州 450002）

河南省作為我國的農(nóng)業(yè)大省，為保障國家糧食安全做出了重要貢獻(xiàn)。小麥、玉米是河南主要的糧食作物，小麥播種面積、單產(chǎn)、總產(chǎn)均居全國第一位。近年來河南油料、園藝作物等也發(fā)展迅速，在全國的占比進(jìn)一步增加。然而，在過去40年河南農(nóng)業(yè)快速發(fā)展的同時，農(nóng)業(yè)資源投入量也大幅度增加，2016年河南省小麥、玉米化肥施用量均較1987年增加5倍以上［1-2］。2018年，河南省氮肥、磷肥施用量分別為201.7萬t和96.3萬t，均位列全國第一。大量氮肥、磷肥使用，導(dǎo)致河南省農(nóng)田面源污染形勢嚴(yán)峻，河南省氨及氧化亞氮排放均十分嚴(yán)重［3］。河南省地下水調(diào)查結(jié)果表明，301個淺層地下水樣品硝態(tài)氮平均質(zhì)量濃度為10.1 mg/L，超標(biāo)率為37.1%［4］。為了緩解日益嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)面源污染，原農(nóng)業(yè)部2015年出臺了《關(guān)于打好農(nóng)業(yè)面源污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的實(shí)施意見》，同年又印發(fā)了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》和《到2020年農(nóng)藥使用量零增長行動方案》。研究河南省面源污染現(xiàn)狀及發(fā)生規(guī)律對于科學(xué)制定農(nóng)業(yè)面源污染防控策略具有重要意義。筆者總結(jié)前期在河南省開展的農(nóng)田面源污染監(jiān)測工作，分析河南省不同類型農(nóng)田農(nóng)業(yè)面源污染的發(fā)生規(guī)律及特征，為河南省農(nóng)田面源污染的防控治理提供參考依據(jù)。

1 河南省不同類型農(nóng)田面源污染特征

河南省地處我國中部，主要農(nóng)業(yè)種植區(qū)域?qū)偃A北平原，種植作物以旱地作物為主。本區(qū)域氣候?qū)侔霛駶櫄夂颍涤炅科偾壹杏谙募荆筇镒魑锼州斎霝榻涤旰凸喔人榱双@得河南省主要農(nóng)田面源污染發(fā)生規(guī)律，對河南省7 個縣（市）小麥、玉米輪作農(nóng)田（滑縣、原陽、開封）、設(shè)施菜田（博愛、新野、駐馬店）、露地菜田（扶溝）面源污染開展了定點(diǎn)監(jiān)測。監(jiān)測內(nèi)容以淋溶為主，覆蓋了河南省不同地區(qū)及不同作物類型，獲得了河南省主要作物農(nóng)田面源污染發(fā)生特點(diǎn)及規(guī)律。

1.1 小麥、玉米輪作農(nóng)田面源污染發(fā)生特征

小麥、玉米輪作是河南省農(nóng)業(yè)種植區(qū)主要的種植模式之一，播種面積較大，對農(nóng)業(yè)面源污染貢獻(xiàn)的潛力也較大。小麥、玉米輪作農(nóng)田面源污染的發(fā)生主要受施肥量及水分輸入影響。研究發(fā)現(xiàn)，一個小麥、玉米輪作周期根層淋溶水量通常為80 ～100 mm，小麥季氮淋溶驅(qū)動主要為灌溉，夏玉米季則受降雨和灌溉共同驅(qū)動。一個小麥、玉米輪作周期施氮量為285 ～645 kg/hm2，硝態(tài)氮淋溶量為10 ～70 kg/hm2。隨著施氮量增加，小麥、玉米輪作農(nóng)田氮淋溶比率明顯增加，硝態(tài)氮的表觀淋溶系數(shù)從4.9%增加到10.3%。不同施氮條件下土壤硝態(tài)氮?dú)埩粲休^大差別，高施氮量土壤硝態(tài)氮?dú)埩?00 kg/hm2，優(yōu)化施氮條件下土壤硝態(tài)氮?dú)埩麸@著降低，為200 kg/hm2，這也是導(dǎo)致硝態(tài)氮淋溶量差異的原因之一。小麥、玉米輪作農(nóng)田氮淋溶有較大的年際變化，降雨量多的年份，氮淋溶量高，強(qiáng)降雨對面源污染的發(fā)生具有較大的促進(jìn)作用。小麥、玉米輪作農(nóng)田磷淋溶較少，通常年淋溶量在0.1 kg/hm2左右。

1.2 露地菜田農(nóng)業(yè)面源污染發(fā)生特征

露地蔬菜是當(dāng)前河南省蔬菜種植的主要方式之一，由于其投入低、風(fēng)險(xiǎn)小，是蔬菜種植的主體。露地菜田管理與大田作物接近，氮肥施用量比小麥、玉米輪作農(nóng)田稍高，磷肥投入量較高，灌溉比大田糧食作物頻繁。因此，露地菜田氮、磷淋失風(fēng)險(xiǎn)高于小麥、玉米輪作農(nóng)田。定點(diǎn)研究表明，施氮量為400 ～650 kg/hm2時，露地菜田硝態(tài)氮年淋溶量為30 ～60 kg/hm2。總磷年淋溶量平均0.08 kg/hm2。

1.3 設(shè)施菜田農(nóng)業(yè)面源污染發(fā)生特征

設(shè)施蔬菜種植效益高，近年來在河南一些地區(qū)發(fā)展較快，在農(nóng)民增收及脫貧攻堅(jiān)中發(fā)揮著重要作用。然而，設(shè)施蔬菜種植中氮肥、磷肥投入量較大，造成土壤氮磷的過量累積及氮磷淋溶損失風(fēng)險(xiǎn)，從而使設(shè)施蔬菜種植區(qū)產(chǎn)生更為嚴(yán)重的面源污染。較多的調(diào)查研究結(jié)果表明，設(shè)施蔬菜種植區(qū)地下水硝酸鹽含量超標(biāo)比糧食作物種植區(qū)及果園種植區(qū)更為嚴(yán)重［5-6］。

設(shè)施菜田氮、磷淋溶主要受農(nóng)戶管理習(xí)慣、施肥水平及灌溉方式影響。據(jù)作者所在團(tuán)隊(duì)調(diào)查，河南省設(shè)施菜田有機(jī)-無機(jī)肥料氮投入量為1 000 kg/hm2左右，磷肥投入量在600 kg/hm2左右。一些蔬菜種植區(qū)有大量施用有機(jī)肥的習(xí)慣，有機(jī)肥用量可達(dá)15 t/hm2。有機(jī)肥中含有一定量的氮、磷，在大量施用條件下，同樣會造成嚴(yán)重的面源污染。設(shè)施菜田水肥一體化技術(shù)較為成熟，一些農(nóng)戶采用灌溉加水溶肥的管理方式，施肥方式簡單，然而卻帶來較為嚴(yán)重的淋溶風(fēng)險(xiǎn)。一些管理水平較高的菜田，如實(shí)施肥料總量控制，滴灌節(jié)水，使得硝態(tài)氮淋溶量較小，硝態(tài)氮年淋溶量為70 ～100 kg/hm2。而一些管理水平較低，施用沖施肥較多的設(shè)施菜田硝態(tài)氮年淋溶量超過300 kg/hm2。磷的淋溶強(qiáng)度在設(shè)施菜田較高，受管理水平及施肥差異影響，設(shè)施菜田磷的淋溶量低的為1 kg/hm2左右，高的可達(dá)10 kg/hm2。

1.4 小結(jié)

經(jīng)過研究，證實(shí)了河南省農(nóng)田面源污染以淋溶為主且淋溶量較大，且以設(shè)施菜田污染潛力最大，露地菜田次之，小麥、玉米輪作農(nóng)田最小。氮、磷的大量淋溶損失，一方面造成了肥料資源的巨大浪費(fèi)，另一方面氮、磷在土壤中長期遷移將會對水環(huán)境及人體健康產(chǎn)生較大威脅。

2 河南省農(nóng)田面源污染防控途徑分析

農(nóng)業(yè)面源污染的防治是世界性問題，發(fā)達(dá)國家由于農(nóng)業(yè)發(fā)展較早，更早關(guān)注了農(nóng)業(yè)面源污染治理。由于硝態(tài)氮對水體的污染及人體健康的危害，歐盟于1991年制定了硝酸鹽法案，后來根據(jù)情況變化不斷調(diào)整［7］。面源污染的防控需要政策法規(guī)和科學(xué)研究相互促進(jìn)。如德國通過科學(xué)研究和技術(shù)創(chuàng)新，推動相關(guān)法律和法規(guī)出臺，并以法規(guī)促進(jìn)實(shí)施綠色農(nóng)業(yè)補(bǔ)貼，帶動農(nóng)民采用環(huán)境友好技術(shù)，實(shí)現(xiàn)減肥增效、綠色發(fā)展［8］。河南作為農(nóng)業(yè)大省，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)首先要保障國家糧食安全，生產(chǎn)更多優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品滿足人民的需求。在此基礎(chǔ)上，研究農(nóng)田面源污染發(fā)生規(guī)律，通過水肥資源高效利用，開發(fā)相應(yīng)的能夠降低農(nóng)田面源污染的技術(shù)及產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)面源污染防控及環(huán)境質(zhì)量改善。

河南省小麥、玉米輪作農(nóng)田面積較大，降低農(nóng)田面源污染，主要是控制施氮量。研究表明，在傳統(tǒng)高施氮量（645 kg/hm2）條件下，硝態(tài)氮淋溶大大加劇，年淋溶量可達(dá)60 kg/hm2，且作物產(chǎn)量并未達(dá)到最高；而在優(yōu)化施氮（465 kg/hm2）條件下，小麥、玉米產(chǎn)量略高于傳統(tǒng)高施氮量條件下，氮素淋溶降低56.3%。綜合考慮小麥、玉米作物高產(chǎn)，降低氮淋溶，小麥、玉米兩季作物施氮量需控制在500 kg/hm2以內(nèi)。此外，有機(jī)肥替代化肥及合理的節(jié)水灌溉均是降低小麥、玉米輪作農(nóng)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響，其田間管理與大田糧食作物接近，但水、肥投入更高。降低露地菜田面源污染首先還是要控制露地菜田氮磷肥料投入，使土壤環(huán)境氮磷累積量處于合理區(qū)間。推薦單季氮肥投入不高于210 kg/hm2，磷肥投入不高于60 kg/hm2［9］。在氮肥、磷肥施用量過高的露地菜田，減施氮肥、磷肥對氮、磷淋溶的消減效果明顯。筆者團(tuán)隊(duì)研究結(jié)果表明，通過氮肥、磷肥減施15%及30%，硝態(tài)氮淋溶分別降低10.3%和32.6%。減施氮磷15%處理產(chǎn)量變化較小，減施氮磷30%處理產(chǎn)量有一定降低。

設(shè)施菜田管理較為復(fù)雜，在經(jīng)濟(jì)效益驅(qū)動下，農(nóng)戶往往忽視過量水肥投入帶來的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)施菜田有機(jī)肥施用量過高，適量的有機(jī)肥減施有利于降低菜田氮、磷淋溶。一些溫室大棚在盛果期灌溉頻繁，灌溉與施肥同時進(jìn)行，通過適當(dāng)減少施肥次數(shù)，菜田氮、磷淋溶可以獲得有效降低。降低設(shè)施菜田面源污染，需要控制肥料投入，采用有效的節(jié)水灌溉方式，根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)量確定適宜的氮肥、磷肥用量，推薦當(dāng)季氮肥投入量不超過300 kg/hm2，磷肥投入不超過110 kg/hm2［9］。有機(jī)肥替代能夠降低設(shè)施菜田氮淋溶，研究表明，設(shè)施菜田有機(jī)肥替代化肥（減氮40%）可降低氮淋溶11.4%左右，在替代氮肥基礎(chǔ)上節(jié)水灌溉30%，硝態(tài)氮淋溶進(jìn)一步降低，降低幅度可達(dá)25.9%。有機(jī)肥替代及節(jié)水灌溉蔬菜產(chǎn)量沒有降低。一些蔬菜種植區(qū)灌溉水氮含量高，硝態(tài)氮質(zhì)量濃度可達(dá)20 ～30 mg/L，年灌溉水輸入氮素可達(dá)100 mg/hm2。在灌溉量較高的蔬菜大棚，由灌溉帶入的氮養(yǎng)分需要考慮，從而一定程度上降低氮肥的投入。

3 研究展望

通過河南省不同地區(qū)及不同類型農(nóng)田面源污染防控的研究，獲得了河南省農(nóng)田面源污染發(fā)生特點(diǎn)及規(guī)律。為了滿足新時期綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展需要，改善環(huán)境質(zhì)量，需要更加重視農(nóng)業(yè)面源污染的治理。根據(jù)河南省農(nóng)業(yè)發(fā)展的變化，需要繼續(xù)開展河南省主要作物農(nóng)田面源污染監(jiān)測工作，包括小麥、玉米、花生及蔬菜瓜果等農(nóng)田面源污染監(jiān)測工作；需要更深入的研究不同水肥管理模式下河南省不同區(qū)域及不同類型農(nóng)田面源污染發(fā)生規(guī)律，獲得不同地區(qū)及不同類型農(nóng)田氮磷優(yōu)化施肥閾值，從而為制定適合區(qū)域特色的農(nóng)業(yè)面源污染防控技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供參考；研究有機(jī)肥資源化在循環(huán)農(nóng)業(yè)及降低農(nóng)業(yè)面源污染的作用；開發(fā)更加有效廉價(jià)的肥料增效劑提高肥料利用率。加強(qiáng)對科學(xué)研究成果的簡易化通俗化推廣利用，促進(jìn)農(nóng)戶更好的理解及應(yīng)用。