, 吴习锦1,2, 郝芳华1,2, 杨胜天1,2
, 张璇1,21. 北京师范大学水科学研究院, 北京 100875;
2. 城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室, 北京 100875
收稿日期: 2020-01-01; 修回日期: 2020-02-17; 录用日期: 2020-02-17
基金项目: 国家自然科学基金（No.41801334，U1812401）；国家重点研发计划（No.2018YFC0407900）；中央高校基本科研业务费专项资金（No.2017NT11）
作者简介: 娄和震(1987-), 男, 工程师, E-mail:louhezhen@bnu.edu.cn
通讯作者（责任作者）: 杨胜天, E-mail:yangshengtian@bnu.edu.cn
摘要：非点源污染是我国面临的重要环境问题之一，其影响范围广，污染不易控制，因此受到研究者和管理者越来越多的关注.中国非点源污染研究呈起步晚、速度快、范围广的发展特点，近十年来相关论文发表已达到一定数量，但是现有研究多是针对非点源污染体系中某些方面进行探究，缺少从全国尺度和长时间序列角度对我国非点源污染研究现状的梳理和总结.本文从全球主要文献库中检索了1988—2018年我国非点源污染的相关文章，挑选出1354篇文章进行统计分析，对于年发文数量、研究区所属省份、研究区所属流域、研究对象和研究方法分别进行统计展示.对我国近三十年非点源污染研究现状与存在问题进行总结，其中农业非点源污染需要继续深入探究其机理，城市非点源污染研究深度不足，研究地区有较大差异，研究方法存在复杂性与实用性的矛盾.未来中国非点源污染研究仍会以农业和农村非点源为主要研究对象；城市非点源将得到进一步发展；非点源污染物的防治与利用将成为重要的研究目标和研究方向；在国家实施的长江大保护战略及黄河生态保护高质量发展战略中，非点源污染也是关键研究问题；全球变化对非点源污染的影响也将是未来研究不可忽视的问题.本文对近三十年中国非点源污染研究规律进行了总结，探究发展变化原因，并提出未来发展方向，为污染源控制以及污染管理提供科学建议和决策支持.
关键词：非点源污染近三十年时空分布发展过程未来方向
Research progress of non-point source pollution in China over the past 30 years and discussion of the future direction development
LOU Hezhen1,2
, WU Xijin1,2, HAO Fanghua1,2, YANG Shengtian1,2, ZHANG Xuan1,21. College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875;
2. Beijing Key Laboratory of Urban Hydrological Cycle and Sponge City Technology, Beijing 100875
Received 1 January 2020; received in revised from 17 February 2020; accepted 17 February 2020
Abstract: Non-point source (NPS) pollution is one of the essential environmental issues in China. It has a wide range of impacts and hard to control. Therefore, researchers and managers pay more and more attentions to it. In China, studies on NPS pollution starts late, grows fast, and covers a wide range. The number of papers about NPS published in recent ten years is considerable. However, existing studies still focus on some aspects of the NPS pollution system. There is always a lack of summary of NPS pollution studies in China on a national and long-time scale. In this study, we retrieved relevant articles on NPS pollution in China during the past 30 years (1988—2018) from the main global literature databases and selected 1354 articles for statistical analysis. The annual number of papers, provinces of the study area, watersheds of the study area, research objects, and research methods were analyzed statistically and displayed respectively. We also summarized the research status and current problems of NPS pollution in the recent three decades of China. Results reveal that the mechanism of agricultural NPS pollution needs to be further explored, the research of urban NPS pollution research is insufficient, the research areas are quite different, and there is a contradiction between complexity and practicality in research methods. In the future, agricultural and rural area NPS will still be the primary research object in China, while urban NPS will be further developed. Additionally, the prevention and utilization of NPS pollution will become an important research goal and direction. In the national strategy of the Yangtze River Protection and the high-quality development strategy of the Yellow River Ecological Protection, NPS pollution is also an important issue in these strategies. Besides, the impact of global change on NPS pollution cannot be ignored in the future. This paper summarizes the current research status of NPS pollution in China over the recent 30 years and explores the reasons for its development and changes. It also puts forward the development directions of NPS pollution research in the future, providing scientific suggestions and decision supports for pollution source control and management.
Keywords: non-point source pollutionpast thirty yearstemporal and spatial distributiondevelopment processfuture directions
1 引言(Introduction)非点源污染(面源污染)是污染物以广泛的、分散的、微量的方式进入地表以及地下水体, 其过程可主要概括为降雨产生径流、径流冲刷造成土壤侵蚀、土壤中污染物进入水体(Carpenter et al., 1998; 郝芳华等, 2006).由于非点源污染所涉及来源广, 污染物种类繁多, 其在农业非点源污染中主要为氮、磷、农药以及重金属, 在城市非点源污染中主要为总氮(TN)、总磷(TP)、COD、氨氮(NH4+-N)以及悬浮物(SS)(侯培强等, 2009; 王静等, 2016).非点源污染在绝大多数水体污染严重的流域带来的危害超过了点源污染, 其产生以及发展过程中存在极大的不确定性, 不易被监测以及控制, 因此污染范围广、治理难度较大(张维理等, 2004; Shen et al., 2008; Shen et al., 2012).全球非点源污染研究始于20世纪60年代(Yang et al., 2011), 研究内容集中在污染物的监测(Gikas et al., 2006; Xu et al., 2016)、污染物负荷估算(Hong et al., 2012; Ma et al., 2018)和污染物防治等方面(Liu et al., 2008; 郭益铭等, 2018).研究方法主要包括人工原位实验(路炳军等, 2006; Wu et al., 2010)和非点源模型模拟(Liu et al., 2009; Xu et al., 2016).研究的空间尺度主要包括小区尺度(蒋翔等, 2015; Li et al., 2018)、田间尺度(Wang et al., 2014; Yang et al., 2016)、流域尺度(李家科等, 2012; Li et al., 2015)、区域尺度(Liu et al., 2005; 杨胜天等, 2017)、国家尺度(Lv et al., 2012; Sun et al., 2012)和全球尺度(王欧等, 2012; Cordell et al., 2015).研究的时间尺度跨度较大, 包括小时尺度(Gao et al., 2015)、日尺度(Ouyang et al., 2008)、年尺度(Zhang et al., 2013)和世纪尺度(Liu et al., 2016).
中国非点源污染研究相对滞后, 起步于20世纪80年代中期, 1988年, 刘枫等(1998)在于桥水库量化识别流域非点源污染的方法, 得出不同影响因子的空间分布特征以及贡献, 这是初步对影响非点源污染的因子进行确定.后期, 农业以及城市径流方面也相继开展研究(李怀恩, 1996; 王晓燕, 1996; 贺缠生等, 1998).1996年, 鲍全盛等(1996)对当时中国非点源污染研究进行总结与展望, 提出探究土地利用方式与非点源污染之间的联系是基本出发点, 并提出这一阶段研究非点源污染的手段多采用径流试验场法.2002年, 全为民等(2002)研究了农业非点源污染与水体富营养化的关系, 并指出需要全面规划、综合治理农业非点源污染.2004年, 蔡明等(2004)对输出系数法进行了改进, 估算了渭河流域的污染物负荷量, 逐渐运用经验型模型对非点源污染进行模拟; Guo等(2004)在太湖地区基于GIS技术建立农业非点源污染潜力指数系统, 对污染的关键因素进行量化分析, 随着非点源污染研究热度的上升, 越来越多的****逐渐借助地理信息系统对非点源污染进行研究.2005年, Liu等(2005)在中国北方地区研究地下水中硝态氮扩散的分异规律, 得出农业硝酸盐污染在流域内3个维度迁移扩散, 探究农业非点源氮污染与地下水流向的关系.2006年郝芳华等(2006)应用大尺度模型计算区域非点源污染, 突破了原有小区域尺度模拟, 在全国尺度下进行污染负荷模拟.2009年秦耀民等(2009)运用GIS技术与SWAT模型相结合的方法, 探讨了黑河流域土地利用与非点源污染的关系, 在黑河流域探究土地利用与非点源污染的关系, 在这个阶段, 运用机理模型成为非点源污染负荷估算的主要研究方法.2010年Ongley等(2010)对于中国农业非点源污染现状进行总结, 提出中国目前研究经验有限以及农业状况与美国存在差异, 建议探索适合本国国情的研究手段来更加准确的表达非点源污染过程.2013年李春林等(2013)总结了城市非点源污染以及城市暴雨径流的研究方法, 提出在未来需要结合我国自身的特点, 加强完善有关城市非点源模型的研究.2016年Liu等(2016)利用SWAT模型识别多因素影响下的非点源污染关键源区, 认为诸如人口密度和水质要求等社会经济因素的综合考虑对于识别关键源区同样重要, 这时对于非点源污染的研究更加全面.
事实上, 中国的非点源污染问题十分突出, 地表地下水体污染、湖泊氮、磷富营养化等一系列环境问题都与其的产生相关(张璇等, 2011; 杨林章等, 2013).因农业活动而产生的非点源污染逐渐成为对水质的最大威胁(Arhonditsis et al., 2000; Ongley et al., 2010; Shen et al., 2014).非点源污染严重危害水环境健康, 影响农业以及生活用水, 也是当前中国面临的重要环境问题之一(Yang et al., 2017).我国非点源污染主要由土壤侵蚀、农药化肥使用率低、家禽养殖污染、农村生活垃圾污染、农田污水灌溉、城镇地区地表径流污染等引起(贺缠生等, 1998), 造成了多方面的污染效应, 危害区域生态环境且最终威胁人类生存健康, 因此, 有效的控制与管理非点源污染对生态环境的可持续发展具有重要意义.近年来, 国家越来越重视对于生态环境的保护及非点源污染治理, 2016年国务院常务会议通过《“十三五”生态环境保护规划》, 其中提出要坚决向污染宣战, 全力投入到污染防治中; 2018年底国家发改委等颁布了《关于加快推进长江经济带农业面源污染治理的指导意见》, 明确指出到2020年非点源污染要有明显的改善.《水体污染控制与治理科技重大专项》是我国在2006—2020年设立的重大科技专项之一, 其中有部分课题以防控农业非点源污染为目标, 建立污水处理设施等方式改善流域非点源污染现状, 也是我国近年来重要的非点源污染研究与防控项目.相关政策与文件的颁布, 表明我国非点源污染问题形式严峻, 需要坚持深入研究.
然而, 中国现有非点源污染的研究多是针对某指定流域以及区域非点源污染负荷计算及模拟, 或是单一研究农业非点源污染、城市非点源污染、流域非点源污染, 缺少对于非点源污染现阶段在国内研究的全面梳理和总结, 以及对未来发展方向的展望.本文拟分析中国近三十年(1988—2018年)非点源污染文章, 对重点文献研究对象的时空分布、重点流域、研究方法进行归纳, 通过已有研究揭示非点源污染研究尚存在问题, 并探讨未来研究方向, 为管理者进一步防控非点源污染提供有效的决策依据.
2 研究方法(Research method)本文采用文献分析方法对中国近三十年非点源污染研究现状进行分析.文献检索的时间范围为1988—2018年.其中, 英文文献在Web of Science数据库中进行检索, 以“Non-point source pollution”为关键字进行查询, 中文文献在中国知网数据库中进行检索, 以“非点源污染”或“面源污染”为关键字进行查询.初步检索后将硕士、博士毕业论文、报纸以及会议论文筛除, 将两个数据库中重复出现的文章去除, 中文文章选择发表在中文核心期刊上的文章进行统计分析, 最终筛选出中英文文章共计1354篇.
对筛选出的1354篇文章进一步统计分析, 分析指标主要包括：年发文数量、研究区所属省份、研究区所属流域、研究对象、研究方法.其中, 研究对象主要分为农业非点源污染与城市非点源污染, 研究方法主要对文章所使用模型进行统计.对年发文数量、研究区所属流域、研究对象统计后进行展示, 可以得出其随时间序列变化的规律.对研究区所属省份进行统计后, 运用ArcGIS软件对各个省份发文数量进行空间可视化表达, 展示出发文数量的空间分布特征.
3 研究现状与进展(Present progress and research advances)经过对近三十年中国非点源污染研究进行梳理和统计分析, 下文从研究的时空分布特征、研究对象的差异和研究方法的发展进行了论述及解析.
3.1 近三十年中国非点源污染研究的时空分布特征研究对1354篇相关文献进行了统计分析, 结果表明近三十年中国非点源污染相关文章数量总体大幅增加(图 1).根据论文数量统计分析, 可将近三十年文章数量按照年份和变化趋势划分为探索期(1988—2000年)、增长期(2001—2011年)和稳定期(2012—2018年)3个阶段.第一阶段为探索期, 每年的发文数量均保持在10篇以下, 表明中国非点源污染研究在开始的十年间才刚刚起步, 处于学习国外研究经验以及了解国内非点源污染特点的阶段.第二阶段为增长期, 发文数量呈现出明显上升趋势, 2004年以后每年研究非点源污染的文章均在40篇以上, 其中2011年文章数量最多并达到113篇, 反映出自2000年后****们对于非点源污染的关注度逐年升高.第三阶段为稳定期, 在此阶段, 发表论文数量相对于第二阶段有小幅下降, 但依旧保持在每年60篇以上, 表明到了这一时期有关中国非点源污染的基础理论已经有了一定的认识, 现有研究内容已经逐渐丰富, 需要进行理论及应用层面的进一步创新.
图 1(Fig. 1)
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| 图 1 近三十年中国非点源污染文章数量变化图 Fig. 1Changes in the number of articles on NPS pollution in China over the past three decades |
研究对所有文献中存在明确研究区的文献进行筛选, 共计1212篇, 并对研究区省份进行统计并开展空间离散.分析表明, 全国每省份平均发文数量为39.1篇, 研究热点主要集中在我国中东部地区, 且研究热点与水系发达程度存在相关关系.
从全国尺度来看, 文章数量较多的省份集中在中部以及东部地区, 西北部、南部地区个别省份研究内容较少, 反映出我国非点源污染研究区域分布不均, 存在明显的地域差异.由于非点源污染的发生、扩散与水文过程有着密切的关系(郝芳华等, 2006), 一般情况下, 水网发达地区污染物扩散速度快, 影响范围广, 因此, 将全国三级以上水系与文章数量图叠加显示.可以得出：黄河流域、长江流域流经的省份(直辖市), 如四川省、重庆市、陕西省、湖北省、江苏省等是研究非点源污染的热点区域.发文数量最多的是湖北省, 最少的是广西省, 分别发表了131篇和2篇, 省份之间文章数量差异较大.东北部地区四省份(自治区)文章数量均保持在30篇左右, 发文数量与全国平均水平相近, 黑龙江省、吉林省、辽宁省和内蒙古自治区部分地区是我国重要的粮食生产基地, 耕地面积较大, 化肥使用量高, 水土流失现象严重, 因此非点源污染问题突出, 形势不容乐观.西部地区发文数量均较少, 维持在20篇以下, 新疆自治区、西藏自治区、青海省和甘肃省人口密度较低, 自然条件较为恶劣, 人类活动少, 因此污染情况较其他地区有明显降低.中东部地区包括四川、云南、陕西、湖北、河南、山东、江苏省和重庆市等均是发文数量较高省份(直辖市), 这些省份(直辖市)地处我国中心, 是河湖水系最为发达的地区, 非点源污染效应显著.南部地区的贵州、湖南、海南省和广西自治区发文数量较少, 而江西、广东、福建、浙江省较多, 由于地理位置均处于我国东南沿海地区, 因此, 社会经济发展水平一定程度上表现了研究热度.
从流域尺度来看, 研究数量最多的是三峡库区和太湖流域, 文章数量分别达到74和60篇, 远多于其他研究流域.其他研究较多的流域包括密云水库流域、滇池流域、渭河流域以及鄱阳湖流域, 研究文章数量均在15篇以上.大型水利工程通常有防洪、发电、调度及为城市人口提供生活用水等重要作用, 因此对于水质水量要求较高, 对应拥有较多的非点源污染指标检测设施, 各类基础数据较为丰富, 为相应研究提供良好条件.并且流域开发利用程度与非点源污染具有一定关系, 开发利用程度较为强烈的流域非点源污染影响广、污染亟待治理, 研究该部分流域的污染特征, 制定相应的治理措施是解决当前流域非点源污染的关键之处.因此针对我国重点流域的深入研究，需要以解决环境污染问题为导向, 以可持续发展为治理思想, 以改善流域当前水环境状况为治理目标, 建立相应改善措施及法规政策.
图 3(Fig. 3)
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| 图 3 近三十年中国重点流域研究非点源污染研究文章数量 Fig. 3Number of articles of NPS pollution in main watersheds in China over the past three decades |
3.2 非点源污染研究对象的显著差异对非点源污染研究对象进行统计分析, 多数文章根据产生源强的不同, 将研究目标主要集中在农业非点源污染与城市非点源污染.本研究发现, 近三十年对于两者研究深度和广度差异较大, 农业非点源污染一直是研究重点及热点(图 4), 这一结果也与其他****结论相同(李秀芬等, 2010; 赵永宏等, 2010).单纯研究农业非点源污染的文章与所有非点源污染的文章数量趋势一致, 2000年以前文章数量较少, 之后涌现出大量文章.在近三十年内, 首次研究农业非点源污染的文章出现在1988年, 自2004年后, 每年研究农业非点源污染的文章均在20篇以上, 这一时期是我国农业非点源污染研究的高速发展时期, 有大量文献针对农业非点源污染的成因、特征、现状、建议以及相关政策等方面进行分析(Sun et al., 2012; Ouyang et al., 2016), 经过这一阶段发展, 相关研究内容得到了完善与丰富.直到2018年, 对于农业非点源污染的研究一直维持在一定的热度, 没有明显的下降趋势, 这也表明农业非点源污染依旧是未来研究的主流方向.
图 4(Fig. 4)
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| 图 4 近三十年中国城市、农业非点源污染研究文章数量变化 Fig. 4Number of articles the urban and agricultural NPS pollution in China over the past three decades |
而城市非点源污染较农业非点源污染研究在数量、频率、起步时间均存在明显落后.近三十年, 首次研究城市非点源污染的文章出现在2003年, 反映出我国城市非点源污染研究起步较晚, 并且每年以城市非点源污染作为研究目标的文章数量均在10篇以下, 体现出我国城市非点源污染研究内容不足、角度较少、研究体系尚未形成的特点, 同时也说明城市非点源污染是非点源污染研究领域中的难点, 其污染机理、过程、规律情况复杂多样.近几年城市非点源污染研究文章数量并没有出现明显的增加或减少趋势, 表明其研究中的关键核心问题仍未有大的突破.
3.3 研究方法更加多元化和复杂化近三十年, 国内非点源污染研究方法不断发展, 主要经历了原位实验、经验统计模型、机理模型3个主要阶段.研究初期, ****们大多数利用现场调查或建立径流小区对降雨进行人工模拟, 实验研究可以在一定程度上对污染过程进行清楚的观测(王震洪等, 2006; 宋泽芬等, 2008), 原位实验是非点源污染研究的基础, 为后续模型研究提供了重要参数; 之后发展出了经验统计型模型, 包括运用统计学方法对非点源污染进行估算、利用统计资料进行定量评估等方式(王星等, 2011; 梁流涛等, 2013).随着计算机技术的发展, 机理型模型不断涌现并越来越受到重视, 机理模型的优势在于能够完整的刻画非点源污染物迁移转化过程.以主要污染物氮、磷元素考虑, 氮的迁移以铵态氮、硝态氮等形态在土壤中进行扩散, 在土壤溶液中富集后随着径流进入收纳水体; 磷的迁移以吸附与溶解为主, 吸附在土壤颗粒上并随着径流形成污染(Alberts et al., 1981; 王静等, 2016).污染物在土壤以及径流中的迁移转化过程复杂, 并且受降水过程、气候条件、施肥强度、地形状况等多种因素影响(曹高明等, 2011).Wu等(2012)在嘉陵江利用半分布式水文模型结合输出系数法, 来探究气候变化以及人类活动对非点源污染氮磷迁移的影响.同时, 机理型模型利用多元化的实测以及遥感数据, 丰富了模型输入数据, 拓展了复杂模型的应用场景, 是现有方法中普遍认为最重要的一种研究方式(路月仙等, 2003; 王中根等, 2003).
对近三十年文献中运用的模型进行统计并分类得出(表 1)：更多****采用机理型模型开展不同时空尺度的非点源污染研究(白娟, 2013).经验统计模型主要包括输出系数法(Johnes, 1996)、清单分析法(赖斯芸等, 2004)、排污系数法(董红敏等, 2011), 其中输出系数法使用最为广泛, 共有95篇文章.机理型模型种类众多, 主要包括SWAT模型(Neitsch et al., 2002)、AnnAGNPS模型(Yuan et al., 2005)、L-THIA模型(Harbor, 1994)、SWMM模型(Rossman, 2010)、EcoHAT模型(Yang et al., 2011)、HSPF模型(Bicknell et al., 2001)以及PLOAD模型(Edwards, 2001)等.在所有模型中SWAT模型使用范围最广, 使用次数相对于其他模型较多, 是评估全球范围内水资源与非点源污染问题的有效工具(Gassman et al., 2007).
表 1(Table 1)
| 表 1 近三十年中国非点源污染计算模型数量统计 Table 1 Statistics of the NPS pollution models in the research articles in China over the past three decades | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 1 近三十年中国非点源污染计算模型数量统计 Table 1 Statistics of the NPS pollution models in the research articles in China over the past three decades
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4 现有研究特点与问题(Current research features and problems)从上述结果我们可以清晰了解近三十年中国非点源污染研究的脉络和现状.由于非点源污染发生和污染物迁移转化过程的复杂性, 现有研究呈现出以下特点和问题.
4.1 农业非点源污染主角地位与机理研究的推进三十年来, 农业非点源污染一直是我国非点源污染研究与治理的核心, 2005—2019年的国务院政府工作报告中均指出需要加强防治农业非点源污染, 加大对于非点源污染相关研究与治理的投入力度(http://www.gov.cn/guowuyuan/baogao.htm); 并且我国开展的水体污染控制与治理科技重大专项已经在农业非点源污染控制与治理方面做出了许多基础研究, 在我国部分流域已经进行工程措施以及生物措施治理, 其研究内容包括对污染物流失规律的探究、核心流域综合治理等, 这也是我国建国以来投资最大的水污染治理项目.随着我国科学技术与科学研究的高速发展, 我国非点源污染研究已经形成包括污染原因、污染程度、主要污染物、污染物迁移过程、防治方法及对策建议在内的研究体系(管飞等, 2017).多数研究主要围绕某特定地区非点源污染估算、非点源污染时空分布特征以及以最佳管理措施(BMPs)为代表的污染防控与治理等方面(Guo et al., 2014; Shen et al., 2014; Du et al., 2015), 研究的内容较为固定.其中, 最佳管理措施是现有治理与管理非点源污染的主要手段之一, 分为工程措施与非工程措施两类, 已经在植被缓冲区、多水塘系统、人工湿地、植物篱种植等应用方面取得一定成果, 在非点源污染的源头、迁移途中和末端均有相应措施, 但在未来需要多开发适宜我国实际情况的最佳管理措施(代才江等, 2009; 孙棋棋等, 2013).而非点源污染的过程主要包括营养物质累积、土壤侵蚀迁移以及降雨径流运移, 已有研究污染过程多基于机理型模型考虑的各个阶段, 缺乏深层次的机理研究, 以及不同污染过程之间影响程度的研究, 同时, 机理过程模型缺少创新，缺少符合中国实际情况、自主研发、有一定国际影响力的非点源模型.
4.2 城市非点源污染研究不断探索与深度不足我国城市非点源污染起步较晚, 其研究内容主要包括城市非点源污染特征分析、污染现状及研究进展等.城市非点源污染指通过降水形成径流冲刷城市地面, 使污染物从非特定地点汇入受纳水体, 引起一定程度环境污染的过程.不同于农业非点源发生过程, 城市非点源污染具有：下垫面类型极为复杂, 污染时空分布差异大、污染途径较为随机、污染成分种类多样等特点(尹澄清, 2006), 难以研究其普适性形成规律, 因此研究多为宏观层面的现状总结, 缺乏对城市非点源污染产、汇等污染迁移过程机理的深度研究.如张志彬等(2016)分析了我国城市非点源污染初期雨水和主要污染物特征; 赵建伟等(2007)总结了控制城市非点源污染的工程措施, 提出需要尽量采用组合系统控制.在研究方法方面, 城市非点源污染模拟模型为SWMM模型, 并且主要利用低影响开发(LID)、最佳管理措施(BMPs)作为城市非点源污染提供工程性或非工程性的治理措施(林莉峰等, 2006; 李定强等, 2019), 研究手段较为单一, 缺乏对污染产汇不同阶段的方法研究.也缺少我国自主开发的研究方法或模型, 并且受制于城市复杂下垫面和城市市政管网设施的影响, 现有的城市非点源污染研究仍集中于小尺度, 如小区尺度, 较大尺度的城市非点源污染研究难以开展.
4.3 非点源污染研究区域的不平衡性由近三十年中国非点源污染研究时空分布可知(图 2), 我国非点源污染研究的空间差异十分显著.从研究内容的空间分布情况来看, 非点源污染研究热点集中在我国中部、东部地区(张晖等, 2009), 次一级热点区域包括东北地区、南方部分地区(Liu et al., 2015), 而西部地区研究相对偏少, 这样的分布特点与农田分布、自然地理特征和区域经济发展水平存在一定关系.结合2018年全国各省GDP情况, GDP较高的省份发文数量也处于全国前列, 其中包括广东、江苏、山东、浙江和四川省, 表明经济水平一定程度上影响着区域非点源污染研究状况(孙大元等, 2016), 经济发达的地区能够为相关研究提供一定的设备以及资金支持, 推动区域非点源污染研究进展.而农业较为发达的区域非点源污染研究也相对较多, 结合全国各省耕地面积, 耕地面积较多的省份包括黑龙江、河南、山东、河北省以及内蒙古自治区, 农业高度发达的地区会增加化肥农药的使用, 多余化肥的不合理排放也会加剧农业非点源污染, 因此农田面积与区域非点源污染也存在一定联系(梁流涛等, 2010).然而, 在经济不发达地区, 如黄河上中游区, 新疆绿洲区, 这些区域农业开发面积大、时间长、程度高, 同样面临非点源污染的挑战, 但是这些问题被传统的科学研究问题所淹没, 比如黄河上中游区的生态保护和土壤侵蚀问题, 新疆的绿洲生态问题, 使得非点源污染在该类地区重视程度不足.
图 2(Fig. 2)
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| 图 2 近三十年中国非点源污染文章数量空间分布图 Fig. 2Spatial distribution of the number of NPS pollution articles in China over the past three decades |
4.4 研究方法愈加复杂与实用性之间的矛盾随着我国非点源污染研究的逐渐成熟, 研究非点源污染的方法也逐渐多元化, 包括借鉴国外研究经验、文献积累、负荷计算、模型分析等, 研究方法的转变是推动非点源污染研究进步的重要因素之一.早期经验统计型模型输入数据简单, 软件使用成本较低, 是我国研究非点源污染的重要研究方式之一(李杰霞等, 2008).近几十年来, 随着计算机技术的高速发展以及“3S”技术的逐渐应用, 以模型模拟为首的研究方法不断进步, ****们不仅借助国外模型对流域内发生的复杂污染过程进行定量化的模拟(于维坤等, 2008; Shen et al., 2013), 同时也自主开发适合我国实际情况的各类模型, 如EcoHAT模型(刘昌明等, 2009; Yang et al., 2011; Dong et al., 2014; 王志伟等, 2015), 该模型采用多源遥感驱动, 减少了参数收集对模型使用的限制, 同时能够根据输入数据的不同, 模拟多时空尺度的非点源污染负荷及迁移转化过程.越来越多的模型考虑将污染物的迁移转化过程进行模拟, 以提高模型的精度来更准确的表达非点源污染过程, 但是模型机理越复杂, 输入参数越多, 便需要更多的数据进行支持, 运行成本随之上升, 导致模型的使用难度加大, 进而降低了模型的实用性.随着管理部门对非点源污染的重视, 越来越多的模型被管理机构使用, 然而复杂的研究型模型使得其在应用方面受到了很大阻碍, 出现了一种“只选简单模型”现象, 并且这种现状仍然没有得到很好的解决.
4.5 非点源污染源监测与模型模拟结合非点源污染负荷监测和污染物来源确定仍是一个复杂难题, 也是目前非点源污染研究的热点问题, 这是因为非点源污染的特征之一正是污染来源的不确定性.整个污染过程复杂、污染范围广泛, 研究清楚其污染规律及机理需要大量的基础数据支持, 而我国现有的监测数据资源相对匮乏、数据共享程度较低且获取数据成本高, 即使利用监测站点数据, 也难以确定整个污染过程以及大区域非点源污染过程.污染物来源确定在中国非点源污染研究中仍然十分匮乏, 特别是在大尺度方面, 国际上已采用同位素示踪技术结合模型的方法进行研究(Ishida et al., 2019), 只有确定了污染物的来源, 非点源污染的治理才能够做到有的放矢的开展.近年来, 遥感数据越来越多的被用到了非点源污染负荷计算(Ma et al., 2014; Lou et al., 2017; Tong et al., 2018), 这些数据的应用从更大的空间视角和地理思维解决非点源污染的负荷计算和监测问题.遥感数据具有时空序列长、数据成本低等优势, 利用遥感数据驱动的非点源污染机理模型可以模拟污染的各个阶段, 为非点源污染研究提供了数据支撑以及进一步研究的基础.另外, 模型可信度的提高需要实测数据的率定与验证, 也需要依据实测数据设定模型中的重要参数.因此现有监测数据的方式、获取指标和数据格式能否满足模型的需求是现有研究未考虑的方面, 如何将直接和间接监测数据与模型的结合也成一个重要的科学和应用问题.
4.6 多因素共同影响非点源污染非点源污染产生的过程十分复杂, 影响污染的因素众多, 包括土地利用空间格局、农田耕作与化肥施用、自然环境条件、城市排水管网系统以及一定社会经济因素等的共同影响(陶春等, 2010; Shen et al., 2013).多数研究均表明土地利用类型与非点源污染联系紧密, 其影响着下垫面的类型分布, 是反映人类活动对于自然环境影响的综合考虑, 土地利用结构不合理会导致土壤侵蚀引起水土流失现象, 进而影响区域内水体环境状况(Zhang et al., 2013).农田耕作方式也对非点源污染有较大影响, 不同的耕作制度以及轮作方式对改善土壤物理结构与土壤入渗方式均有一定干扰, 并且化肥农药的施用规模、利用效率也会造成一定的农业非点源污染(张向前等, 2019).自然环境条件主要包含地形地貌、植被类型、气候水文条件等, 地形坡度影响污染物的入渗情况与径流汇流流量, 植被对降雨有截留作用，气候类型决定区域温度、蒸发、降水条件, 自然条件对于区域非点源污染程度存在一定影响(Zhang et al., 2012).城市管网设施系统包括城市管网、排水系统、污水处理系统, 绝大部分的城市污染物需要通过此类设施进行迁移, 因此城市管网系统的完善程度、污水处理规模均可反映城市非点源污染防控力度(陆松柳等, 2018).近几年社会经济因素越来越多被考虑对非点源污染的影响, 随着工业化、城市化进程的加快, 其对生态环境的破坏日益加重, 也增加了农业以及城市非点源污染程度(孙金华等, 2006).
综上所述, 目前限制中国非点源污染研究发展的主要因素在3个方面.首先, 多学科知识基础是机理研究的前提, 非点源污染过程是复杂的跨学科问题, 研究者需要地理学、水文学、环境学等多学科背景知识, 同时对不同领域知识能够融会贯通, 这对目前大多数拥有单一学科背景的研究者和团队是重大挑战, 而机理研究是后期模型构建的基础, 是真正推动研究前进的根本动力.其次, 国内原创非点源污染计算模型匮乏, 非点源污染模型体系的重要组成部分是水文模型, 目前国内缺乏有国际知名度的水文模型, 这也造成了我们自主研发的非点源模型稀少的现状, 在现有的研究方法体系中, 多数借鉴国外模型并修改部分参数, 由此产生的模拟误差难以确定; 同时, 模型的开发、验证和应用需要较长的周期, 这也限制了模型开发者的研究热情.最后, 污染物监测体系建设十分有限, 基础实验和原位监测是理论研究的基础, 也是模型验证的标尺, 目前国内专门针对非点源污染监测的站、网十分稀少, 相应的实验场也十分稀缺, 缺乏长时间观测的条件和数据积累, 可供研究团队利用的高质量、多环节数据空缺, 这限制了非点源污染研究的进一步发展, 进而制约了管理者决策的推进.
5 未来非点源污染研究展望(Prospects of non-point source pollution research in the future)未来非点源污染研究仍然是环境科学重要研究领域, 但研究视角不再局限于环境科学, 地理学、计算机科学、遥感科学与地理信息科学将为未来非点源污染研究提供新的研究思路和方法.本课题组尝试从以下7个方面阐述和展望未来非点源污染研究的重点科学问题和研究方向.
5.1 非点源污染全过程机理研究与模型研发经过近三十年的发展, 中国非点源污染研究已取得长足进步, 对非点源污染产生原因、污染物的迁移转化、负荷的模拟计算等有了成熟的认识(Strehmel et al., 2016; 杨林章等, 2018).但现有研究对非点源污染全过程研究仅停留在定性层面或框架制定(王姗娜, 2005), 对污染产生、迁移转化和动力, 污染防治等整个过程的深入研究还十分缺乏.未来, 非点源污染全过程机理研究将是重点研究领域, 从大气沉降、降雨产汇流、植被元素循环、人类扰动、土壤元素库及迁移转化整个过程进行研究, 改进现有研究只关注其中个别环节的研究模式, 着重解决复杂条件下污染物的来源、迁移转化机理过程和迁移动力源的研究.与此相匹配的是全过程非点源模型的开发, 如何用算法精确的表达机理过程并实现不同子过程的合理耦合是模型开发者要思考的问题.同时, 模型的程序化和计算结果的可视化也是需要解决的关键技术问题, 未来我国非点源污染模型需要实现核心算法和模型构建的自主化, 模型参数需要与中国的自然条件、环境特征等需求有良好耦合.其次, 机理研究应该重视时空尺度的边界作用, 尺度效应对于非点源污染过程模拟、污染物负荷估算以及关键源区识别等均有不同影响, 因此需要揭示不同时空尺度上非点源污染物的产汇机理, 这对防控区域农业、城市非点源污染有重要意义.现有非点源尺度方面的研究仍集中在不同输入数据尺度变换对模拟结果的影响(Ouyang et al., 2018)及典型模型不同参数对输入数据尺度变换的敏感性分析(Chen et al., 2019).事实上, 尺度效应同时存在于输入数据、模型本身的模拟能力和输出结果, 如何定量分析这三种过程的尺度问题, 是未来非点源模型需要解决的基础问题, 这对后期模型模拟精度提高和管理应用是十分必要的.
5.2 农业和农村非点源污染仍是未来研究主角未来, 农业非点源污染仍是我国的研究的重点, 这是对国家重大环境、农业、流域政策的响应, 也是对我国是农业主导国家的现实考虑(夏军等, 2012; 张士官等, 2019).Wang等(2019)研究基于植物化学计量学的生态沟来减少农业非点源污染, 提高生态以及环境效益; Ouyang等(2016)研究来自农业流域出口的污染沉积物对农业非点源污染的影响; Guo等(2014)从氮循环的角度评价了降雨对土壤营养物质流失的影响, 以及在管理层面的流域农业非点源污染减排方法; Tian等(2010)研究AnnAGNPS模型对于三峡流域水文水质的变化模拟.目前, 我国农业也正在由传统农业向现代农业过渡, 很大程度仍然依赖化肥、农药来提高农作物产量, 由此带来农业非点源污染问题仍将持续.同时, 由于研究的不断进步和大众对非点源污染的认知程度的提高, 农业非点源污染将受到管理者更多的关注, 各个管理层面环境政策、农业政策、流域政策的制定过程也会越来越多的考虑农业非点源污染问题.
随着现代化集约式农业的高速发展, 农村生活生产的不合理方式导致过量有害物质向环境中排放, 造成严重的水环境污染状况.农村非点源污染是未来三农建设的一个关键问题, 也是提升农村环境治理必须跨过的障碍.农村非点源污染具有污染来源分散性强、污染物排放随机性高、污染物空间差异显著和污染治理成本高且见效慢的特征(杨林章等, 2013).为了治理农村非点源污染, 国家相继出台各类规定, 2000年农业部发布《肥料登记管理办法》, 对肥料产品的使用提出了环境管理要求; 2001年出台《畜禽养殖业污染防治管理办法》, 提出需要对我国畜禽养殖产业进行综合治理; 2012年国务院印发《全国现代农业发展规划》, 提出“绿色兴农”理念, 强化农业环境保护; 以及历年的“中央一号文件”, 曾多次从小流域治理、完善政策推进、鼓励施有机肥料、实施重点工程项目等多个方面强调对于农村非点源污染治理的必要.农村非点源污染环境管理也将成为环境保护的重点研究领域和管理者关注的热点问题.
5.3 城市非点源污染机理、模型研究与尺度扩展近三十年, 城市非点源污染研究热度不及农业非点源研究(侯培强等, 2009), 因此其研究存在一些问题, 主要包括：对机理模型的研究不够深入、现有模型主要适用于小尺度模拟、大型城市的非点源污染模拟能力不足、模型计算的资金成本和时间成本高.我国大多数城市的排水系统采用雨、污合流制, 造成地表水环境严重污染(宫莹等, 2003; 王龙等, 2010), 因此城市非点源污染一直是一个焦点问题.同时, 由于城市与人类的生活密切相关, 研究城市非点源污染也是研究人类活动的一部分, 城市非点源污染已经成为阻碍城市环境治理的关键问题之一(倪艳芳, 2008).未来, 随着人们对城市非点源污染认识的不断深入和城市水文模型的发展, 城市非点源污染将得到更多的研究, 研究重点应该在城市非点源污染机理研究、模型研究和尺度扩展3个方面.城市非点源研究困难的重要原因是城市下垫面的复杂性和强烈的人为干扰, 因此, 明晰污染物的产汇是城市非点源污染研究的关键, 准确获取下垫面信息和确定不同土地利用类型的产物系数是研究的基础.目前, 国内缺少具有国际知名度的城市非点源污染模型, 其原因主要为城市水文模型研究的滞后、对机理研究结论的模糊性和基础数据的缺乏, 而数据的缺乏成为制约城市模型发展的关键阻碍之一, 例如精确的地形信息和管网信息.城市非点源研究的尺度扩展是未来需要突破的问题, 而制约尺度扩展的关键因素包括城市非点源模型的复杂性、模型数据的可获取性和计算能力的限制.前两个问题是容易理解的, 计算能力的限制现在来看似乎不是问题, 而实际上现有城市非点源研究仍主要集中在科研单位小范围的研究, 一个中大城市非点源模型的运算在现有情况下是难以完全实现的.城市非点源更宜采取机理模型和高时空分辨率数据, 因为采用粗糙的下垫面数据去表达城市污染物的产汇过程是困难的, 这也是增加计算困难的重要原因.
5.4 非点源污染防控与污染物的利用非点源污染的防控是相关理论研究的目的, 未来, 非点源污染防控也要从多角度入手.例如从源头进行防治, 运用无人机喷洒农药发展精准农业, 提高农药的利用效率来减少因农药化肥流失所产生的污染(Wang et al., 2019); 利用生物工程措施对非点源污染产生的过程进行改良, 减少污染的排放扩散, Min等(2018)利用芹菜-番茄-莴苣的轮作系统减少蔬菜生产过程中的氮流失; Fan等(2019)认为一些必要的社会科学实验也可以为农业可持续性发展以及非点源污染提供建议.非点源污染机理与防控同时相辅相成, 对机理定性的认识是非点源污染体系构建的必要条件, 但如何深入的定量描述污染全过程, 如何将防治的理论运用到实际应用生产中去, 是未来的研究重点, 也会成为改善我国水环境污染的重要举措.
非点源污染影响了水生态环境健康, 通过对污染物的防控可以降低其对环境的伤害, 这个过程过去以通过减少污染的方式进行.未来, 污染物的防控还可以考虑对污染物的利用, 将污染源进行转化利用, 使其重新发挥作用.农业活动所产生的氮、磷沉积物大量的进入水体后导致富营养化严重(Granlund et al., 2000; Collins et al., 2008), 如果能够将其循环利用, 可以减少生产成本, 也会降低氮、磷对于环境的负面影响.Zhang等(2006)研究政策的有效性, 发现通过对家禽粪便的循环利用, 可以降低径流中氮的污染, 进而有效降低非点源污染; Withers等(2014)提出了新方式来提高土壤中遗产磷的利用效率, 增加磷肥的回收率, 缓解遗留磷渗入地表水污染环境, 例如在种子中存储一定物质, 以提供能够与磷结合的化合物减少农作物对磷的需求, 利用其他生物资源来代替土壤中磷的使用, 改变肥料配方以降低磷肥的释放速率等; Lou等(2018)计算出三江平原的土壤遗产磷, 得到每年平均遗产磷占磷肥总施用量的50%以上, 认为土壤中遗产磷的重复利用可以减少非点源污染, 将遗产磷变成潜在的磷资源.未来的研究可以向污染物转化、污染物再利用的方向进行探索, 开辟非点源污染治理的新思路.
5.5 非点源污染源监测体系构建及路径监测污染物监测是非点源污染机理研究的基础工作, 也是模型运行和应用的关键环节.目前, 国内缺乏对不同空间尺度非点源污染的监测站网, 因此难以形成完整的监测体系.环境监测站数据被用于非点源污染研究, 然而, 环境监测站的建设有时并没有考虑非点源污染发生的机理、特征, 所以现有监测数据难以剥离非点源污染物的数量, 而实现这种剥离的前提是需要明晰非点源污染物来源和路径.Huber(2000)尝试在德国某流域探究了多种物质的非点源流失路径模型, 目前国内尚缺乏相关研究.与此同时, 农业非点源污染的监测几乎还是空白, 主要原因是农业非点源污染物的产生难以确定, 监测站位置的选择十分困难, 目前的研究为应用关键源区识别方法确定污染物产生的危险区(Lou et al., 2016), 然而仍然达不到监测的效果.未来, 不同空间尺度上单个监测站点、检测网如何实现融合, 形成不同时空尺度上非点源污染监测的体系仍然有很多工作要做.
5.6 国家重大流域战略给非点源污染研究带来新机遇随着生态文明绿色发展建设的推进, 中国先后出台了一系列重大战略部署, 其中包括对于国家重大流域生态环境保护的相关政策.非点源污染由于污染范围广、治理难度大的特点, 导致了有关其机理研究与污染防治的投入成本高, 而国家在政策制度方面的关注与投入给非点源污染研究带来新的发展动力.2016年, 中央在长江流域通过了《长江经济带发展规划纲要》, 提出长江大保护国家战略, 以“共抓大保护、不搞大开发”为目标, 加强污染源治理与入河污染物总量控制, 这也是新时期国家对于长江流域生态环境的新要求(刘甜等, 2016), 事实上非点源污染在长江流域是十分突出的问题, 特别是三峡地区、太湖流域等; 2019年9月, 习总书记强调黄河流域在我国发展中的重要地位, 并做出了加强黄河流域治理保护、推动黄河流域高质量发展的重大战略部署, 其中提出治理黄河要做到“重在保护、要在治理”.国家针对重点流域提出了相应的战略部署以及顶层设计, 表明国家对其环境问题的关注力度与投入力度逐步加大, 未来要坚持将生态环境保护与经济发展共同推进的新形势, 以此类政策为首要推进, 非点源污染研究在这两个流域会进一步得到加强, 进而推动其在整个国家的研究水平与知识积累.
5.7 全球变化与非点源污染研究将是未来发展的重要方向全球变化对全球和区域气温、降水有着潜移默化的影响(Vinnikov et al., 1990).而气温和降水均是非点源研究中的关键环境因子, 研究表明大气中CO2浓度、温度、降水等气候因子的变化对于作物水分、蒸散发量以及产汇流均存在显著影响, 并且在大尺度区域研究非点源污染时, 气候模式对营养元素的影响可能超过其他因素(Ouyang et al., 2013; Smits et al., 2019).其中, 气温的变化会影响营养物质在水分中的迁移转化速率, 也会影响作物、微生物对营养物质的吸收及释放效率, 进而对非点源污染物含量的高低产生影响(Song et al., 2018).Gao等(2019)在冷温带研究得出温度的升高会增加反硝化过程对氮素的吸收, 进一步导致氮素营养物质排放量的降低.而降水的变化会影响地表径流、地下径流、壤中流以及土壤水分的变化, 降水冲刷下垫面会导致一定程度的水土流失, 并且降水所产生的径流对污染物质的迁移扩散也是非点源污染产生的重要环节之一, 因此降水对非点源污染会产生较为显著的影响(Ficklin et al., 2009).未来非点源污染研究, 特别是长时间序列的研究, 必须考虑全球变化以及气候因子对污染物产汇和迁移转化产生的独特影响.
6 结语(Conclusions)本研究收集了中国近三十年非点源污染文章, 对研究时间、研究区位置、研究对象、重点研究领域的发文数量进行统计分析, 得到非点源污染研究的时空分布特征、研究热点地区以及主要研究方法, 总结出中国近三十年非点源污染研究现状以及存在问题, 并提出未来非点源污染研究的发展方向.
中国非点源污染研究目前处于上升阶段, 已在部分领域取得一定研究成果.现有特点主要是以农业、城市非点源污染为两大研究对象, 多种自然、社会环境因素共同影响非点源污染的产生与迁移, 并且面临研究区域分布的不平衡性、研究方法的开发遇到瓶颈、监测数据与模型匹配存在差异的三重困难.在未来的学术研究中可以注重非点源污染全过程机理研发, 加强城市非点源污染的深度研究, 扩展现有研究领域, 在污染物防控与再利用、全球变化对非点源污染产生的影响两方面进行探索.在未来的发展中, 保持农业、农村非点源污染为主流研究方向, 多关注国家重大流域战略给非点源污染研究带来的新契机.在未来的建设中, 增强非点源污染监测体系的完善, 为科研工作者提供有力的数据保障.
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