摘要: 面源污染，尤其是农业面源污染，已成为全球范围内威胁水环境安全与生态系统健康的关键因素。其具有分散性、隐蔽性、随机性和滞后性等特征，使得监测、溯源和治理难度远高于点源污染。本文系统梳理了面源污染的基本特征与主要来源，综述了从经验统计到机理性模型在内的主要研究方法和模型应用进展，并重点探讨了包括“源头减量–过程阻断–末端治理”在内的多种污染控制措施及其效果评估。同时还深入分析了当前面源污染防治在法律法规、监测技术、模型精度和跨部门协同等方面面临的困境，并对未来研究方向，如模型本土化、多技术融合、基于风险分区的精准治理等进行了展望，以期为我国面源污染的系统治理和流域水环境的可持续发展提供科学参考与决策支持。
Abstract: Non-point source pollution, especially agricultural non-point source pollution, has become a key factor threatening water environment security and ecosystem health on a global scale. It has characteristics such as dispersion, concealment, randomness and lag, which make the difficulty of monitoring, tracing and treating it much higher than that of point source pollution. This article systematically reviews the basic characteristics and main sources of non-point source pollution, summarizes the main research methods and model application progress from empirical statistics to mechanistic models, and focuses on discussing various pollution control measures including “source reduction-process blocking-end-of-pipe treatment” and their effect evaluation. It also conducted an in-depth analysis of the current predicaments faced by non-point source pollution prevention and control in terms of laws and regulations, monitoring technologies, model accuracy, and cross-departmental collaboration. Moreover, it made prospects for future research directions, such as model localization, multi-technology integration, and precise governance based on risk zoning. With the aim of providing scientific references and decision support for the systematic governance of non-point source pollution and the sustainable development of water environment in river basins in our country.
1. 引言
随着点源污染治理成效的日益显著，面源污染(Non-Point Source Pollution, NPS)因其分布广泛、形成过程复杂、难以监测和控制等特点，逐渐成为影响流域水环境质量的首要因素[1]。面源污染主要指在降雨或融雪径流的驱动下，大气、地表和土壤中的溶解性或固体污染物(如氮、磷、农药、重金属等)通过地表径流、土壤侵蚀和地下淋溶等过程，最终进入受纳水体所引起的水体污染。农业活动(如化肥农药施用、畜禽养殖)、农村生活、城市径流等是其主要来源。面源污染不仅导致水体富营养化、藻类爆发，破坏水生生态系统平衡，还严重威胁饮用水安全与人体健康。因此，深入研究面源污染的形成机理、精准识别污染来源与负荷、科学评估其环境风险并制定有效的控制策略，已成为环境科学与水污染治理领域的重大挑战和迫切需求。本文旨在通过综述近年来的相关研究，系统阐述面源污染的研究方法、模型工具、治理技术及存在的挑战，并对未来发展方向进行展望[2]。
2. 面源污染的特征、来源与危害
面源污染区别于点源污染的最显著特征在于其分散性和随机性。污染源并非集中于单一的排污口，而是广泛分布于广阔的流域空间内，其发生受降雨时间、强度、地形地貌、土地利用方式等多种自然和人为因素的随机组合影响，具有极大的不确定性。此外，污染物的迁移转化过程复杂，从产生到进入水体往往存在滞后效应，且污染表征初期通常较为隐蔽，不易被察觉，待问题显现时，往往已对水环境造成了严重且不可逆的损害[3]。
农业活动是面源污染的最主要来源。化肥和农药的过量施用是导致氮、磷营养盐及有机污染物流失的关键原因。研究表明，我国农业源的化学需氧量(COD)、总氮(TN)和总磷(TP)排放量占水污染物排放总量的比例极高。畜禽养殖业产生的粪便和污水若处理不当，其高浓度的有机物和营养盐将通过径流进入水体。农村生活污水和生活垃圾的无序排放、农膜残留、农作物秸秆的不当处置以及水土流失携带的土壤颗粒物和附着污染物，共同构成了复杂的农业面源污染源谱。此外，城市地表径流携带的多环芳烃、重金属等污染物也成为不可忽视的城市面源污染来源。
面源污染的危害主要体现在导致水体富营养化，引发藻类水华，消耗水体溶解氧，破坏水生生物栖息地，导致生物多样性下降。同时，污染物通过食物链富集，最终威胁人类健康。硝酸盐通过淋溶进入地下水，还会污染饮用水源，增加致癌风险。
3. 面源污染的研究方法与模型模拟
面源污染的研究方法经历了从实地监测到智能融合阶段的演进，如图1所示，现阶段面源污染可分为三大类：试验监测法、数学统计法和数学模拟法[4]。
Figure 1. Schematic diagram of the evolution of research methods for non-point source pollution
图1. 面源污染研究方法演进示意图
3.1. 试验监测法
该方法通过野外实地监测、原位试验和同位素示踪等技术手段，直接获取特定区域或田块在不同土地利用和管理措施下的污染物输出数据。例如，利用田间原位监测系统分析农田氮磷淋失规律，或采用稳定性同位素技术解析水体中硝酸盐的污染来源[5]。此类方法获取的数据准确可靠，是验证模型的基础，但成本高昂、耗时费力，且难以在大流域尺度上全面推广。
3.2. 数学统计法
该方法基于历史统计资料和有限的监测数据，通过建立简单的经验关系来估算污染负荷。平均浓度法、水质水量相关法和输出系数法是其中的典型代表。输出系数法通过为不同土地利用类型或污染源(如耕地、城镇、人口、牲畜)赋予一个固定的污染物输出系数，来估算区域总负荷。其改进模型则进一步考虑了降雨、地形等空间异质性因素的影响。数学统计法结构简单、对数据要求低，适用于资料短缺的地区进行快速评估，但其精度有限，且难以揭示污染形成的物理化学过程。
3.3. 数学模拟法
这是当前面源污染研究的核心手段，可分为经验统计模型和机理性过程模型。
经验统计模型：如早期的USLE (通用土壤流失方程)、各种黑箱或灰箱模型(如多元统计、神经网络模型)，侧重于建立输入与输出之间的数学关系，对过程机理考虑不足。
机理性过程模型：此类模型基于物理、化学和生物学原理，试图模拟污染物在流域内迁移转化的全过程。目前应用最为广泛的是分布式水文模型。
分布式水文模型中SWAT模型由于其强大的物理机制、能模拟长期连续变化、可评估不同管理措施效果等优点，在全球范围内得到广泛应用。它能够综合模拟流域内的水文过程、土壤侵蚀、污染物迁移和转化。研究普遍采用SWAT-CUP进行参数敏感性分析、率定和验证，并利用纳什效率系数(Ens)和决定系数(R2)等指标评价模型性能[6]。
同时，其他分布式水文模型如AnnAGNPS模型和HSPF模型则适用于模拟单场暴雨事件下的径流、泥沙和污染物负荷进行长时间序列的连续模拟[7] [8]。不同模型的对比见表1所示。
近几年出现的输出系数模型改进版本，如动态输出系数模型(DECM)，通过与地理信息系统(GIS)和遥感(RS)技术(合称3S技术)深度融合，极大地提升了模型的空间分析能力和参数精度，实现了面源污染负荷的时空动态模拟与关键源区的精准识别。
Table 1. Comparison and summary of different models
表1. 不同模型的对比总结
模型 |
作用机理 |
数据需求 |
时空尺度 |
优缺点 |
SWAT |
基于水文响应单元划分 流域，模拟径流、泥沙、 养分迁移过程 |
数据需求适中，需要 土壤、土地利用、 气象等数据 |
适用于大面积复杂流域的 长期模拟，时间步长以日为 单位，长时间序列模拟可靠 |
能模拟大流域复杂过程， 应用广泛，但日模拟 存在系统误差 |
AnnAGNPS |
专注于降雨事件下的地 表径流污染负荷和氮磷 流失模拟，支持连续模拟 地下水养分平衡 |
需要详细的降雨事件 数据，对土壤和土地 利用数据有较高要求 |
适用于流域尺度的次降雨 事件模拟；时间步长较短， 随步长缩短精度降低 |
能模拟次降雨事件下的污染 负荷；支持地下水养分平衡 模拟，但忽略河道沉积泥沙 吸附态污染物；总磷模拟 稳定性较差 |
HSPF |
连续模拟氮、磷和农药等 污染物的迁移转化；考虑 复杂的污染物平衡关系； 模拟输出多种形式的 污染负荷 |
需要连续的气象、 水文和水质数据， 数据需求较高 |
适用于连续模拟；时间步长 灵活，但长时间序列模拟 更可靠 |
能模拟多种污染物迁移转化， 考虑复杂污染物平衡，输出 结果多样，但实用性受限， 模拟空间分辨率较低， 不适合流域过程长期模拟 |
4. 面源污染的源解析与负荷估算
准确识别主要污染来源及其贡献率，是有效治理面源污染的前提。主成分分析是常用的源解析统计方法，它通过降维来识别影响水质的主要因素及其潜在污染源。研究表明，城镇生活污水和农业施肥是许多流域氮、磷面源污染的最主要来源[9]。
在负荷估算方面，SWAT等分布式模型展现出强大优势。它们能够输出流域内污染物负荷的空间分布图，直观展示高负荷区和低负荷区。例如，在东江湖流域的研究发现，氨氮负荷高值区位于流域东部以及光桥河、田庄河、长治河流域，这些区域人类活动密集、农业措施频繁，且地形起伏较大、水土流失严重。而低值区多位于林地覆盖率高、人类活动少的流域中部[10]。对太湖氮肥面源污染的风险评估则结合了最小累积阻力模型，通过综合量化污染“源”的强度(施肥量)和污染物向水体迁移过程中遇到的“汇”景观的阻力(地形、土壤、植被等)，实现了对综合风险空间格局的精细刻画，并准确地识别出极高风险区[11]。
5. 面源污染的治理与控制措施
面源污染治理需遵循“源头减量、过程阻断、养分再利用、生态修复”的原则，构建全过程、多层次的综合治理体系。各类治理技术的特点对比如表2所示。
Table 2. Classification and characteristic comparison table of major non-point source pollution control technologies
表2. 主要面源污染治理技术分类与特点对比表
技术类型 |
技术名称 |
适用条件 |
优缺点 |
源头控制 |
科学施肥 |
大田作物区、果园等 |
直接减少污染源，成本效益高，但需技术指导，农民接受过程慢 |
保护性耕作 |
坡耕地、干旱地区 |
保水保墒，改良土壤，但可能增加病虫害风险 |
过程拦截 |
植被过滤带 |
农田与水体的交界带 |
生态友好，维护成本低，但占用土地，需合理设计宽度 |
生态沟渠 |
农田排水渠 |
改造现有沟渠，实施方便，但需定期清淤维护 |
末端治理 |
人工湿地 |
有空间建设湿地的区域 |
生态效益与景观功能兼具但占地面积大，易受气候影响 |
生态浮床 |
湖库、池塘等缓流水体 |
不占用土地，造价较低但处理能力有限，易受风浪影响 |
5.1. 源头控制措施
旨在减少污染物的产生量，是最根本的治理途径。包括：推广科学施肥、优化农业管理和改善养殖模式，推广科学施肥则是实施测土配方施肥、增施有机肥、采用控释肥等，减少化肥尤其是氮磷肥的施用量，模拟研究表明，减少化肥施用量能带来显著的污染负荷削减；优化农业管理如推广等高耕作、残茬覆盖等水土保持措施，不仅可以减少土壤侵蚀，还能间接减少化肥流失，模拟结果显示，残茬覆盖和等高耕作的削减效果最佳；改善养殖模式，规范规模化畜禽养殖场的粪污处理设施，确保粪污资源化利用，实现种养结合[12]。
5.2. 过程拦截措施
旨在阻断或延缓污染物向水体的迁移过程。包括：建设植被过滤带/生态沟渠，在农田与水体之间构建草本或灌丛缓冲带，利用植物吸收和土壤吸附作用有效拦截径流中的泥沙和营养盐。实施水土保持工程，修建梯田、沉砂池等，降低径流流速，促进泥沙和附着污染物沉降[13]。
5.3. 末端治理措施
针对已进入水体的污染物进行净化。包括：构建人工湿地，利用湿地植物、微生物和基质的综合作用，对氮、磷等污染物进行吸附、降解和转化。设置生态浮床，直接在水体中利用植物吸收营养盐[14]。
5.4. 综合治理体系框架
基于“监测–模拟–解析–治理–管理”的全链条思路，构建流域面源污染综合治理体系，实现从污染源头到末端治理的系统化管理，如图2所示。
多项研究通过SWAT模型模拟了不同措施的组合效果。总体来看，农业管理措施(如残茬覆盖、等高耕作)的削减效率通常高于工程措施(如新建污水处理厂)。这提示未来应优先推广成本效益高的农业最佳管理措施(BMPs)。
Figure 2. Framework diagram of the comprehensive management system for non-point source pollution in river basins
图2. 流域面源污染综合治理体系框架图
6. 面源污染防治面临的困境与挑战
尽管现阶段的研究取得了显著进展，但面源污染的有效防控仍面临诸多困境，法律法规与政策体系不完善，我国尚未出台面源污染防治的专门法律，现有规定分散且侧重于点源和城市污染，对农业面源污染的约束力不足，缺乏有效的经济激励和问责机制。同时，基础数据与监测能力薄弱，面源污染监测网络覆盖范围有限，频率低，缺乏水文水质同步监测数据，导致模型输入数据精度不高，负荷估算存在较大不确定性。并且模型应用的局限性较大，许多机理性模型对数据质量和数量要求高，参数复杂，在无资料或资料稀缺地区应用困难。现有模型对土壤–地下水中的污染物迁移、内源污染释放等过程的模拟仍存在不足。除此之外，面源污染的防治还存在技术推广与社会经济等障碍，许多有效的治理技术(如生态农业、精准施肥)因成本高、农民接受度低、缺乏技术指导而难以大规模推广，小农户分散经营的模式也增加了污染控制的难度。
7. 未来研究展望
未来面源污染研究与实践应加强深化机理研究与模型本土化开发和污染物迁移转化机理研究，特别是复杂环境条件下的过程机制，开发或改进更适合我国地理气候条件、数据需求适中的本土化模型，提高模型的模拟精度和适用性。同时构建天地一体化的立体监测网络：综合运用地面监测、遥感技术和物联网传感器，构建覆盖关键源区、多要素、高频次的立体监测体系，为模型研究和精准治理提供坚实的数据支撑。随着信息化的发展，实现多技术融合的精准治理模式，推动“3S”技术、大数据、人工智能与面源污染模型的深度融合，实现对面源污染风险的实时动态评估和预警预报。基于风险分区结果，推行“一地一策”的差异化、精准化治理策略。并且还需完善政策法规与长效管理机制，加快面源污染防治的专门立法进程，建立以水质目标为导向的流域生态补偿机制和农业绿色补贴政策。加强多部门协同治理，明确责任主体，强化监督考核，重视内源污染与控制措施的协同，在控制外源输入的同时，需关注沉积物内源污染在特定条件下的释放风险，研究外源削减与内源控制相结合的综合治理技术。
8. 结论
面源污染是一个涉及自然过程与人类活动的复杂环境问题，经过数十年的发展，我国在面源污染的形成机理、模型模拟、源解析和治理技术等方面取得了长足进步。SWAT等分布式水文模型已成为研究面源污染的重要工具，能够有效模拟污染负荷时空分布并评估管理措施效果。“源头减量–过程阻断–末端治理”的综合治理体系是控制面源污染的有效策略。通过建立“监测–模拟–解析–治理–管理”的全链条研究框架，实现了从基础研究到应用实践的有效衔接。然而，面源污染的防治仍是一项长期而艰巨的任务，面临数据、模型、技术、管理和政策等多方面的挑战。未来需要进一步加强跨学科合作，融合先进技术，完善监测网络，创新模型方法，并构建起健全的法律政策体系和长效管理机制，最终实现从被动治理到主动防控、从单一手段到综合调控的转变，为保障国家水安全与生态安全提供科技支撑。