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摘要:
农业面源污染会带来一定的生态环境风险。经过20多年的治理，我国面源污染基础研究和防控工作取得重要进展，构建了流域、区域或国家尺度农业面源污染源汇路径全过程监测与评估体系，基本厘清了不同生态条件下农田系统中氮磷流失的主控因子，初步探明了农田有毒有害化学/生物污染与防控机制。在防控技术层面，研发出新型、绿色肥料替代常规化肥减量投入技术与产品，氮、磷高效利用污染负荷减排技术，土壤氮、磷增容负荷减排技术，坡耕地氮磷流失阻控技术，农业废弃物资源化利用技术与消纳装备。我国农业氮、磷排放污染负荷虽整体呈下降趋势，但依然是影响我国环境质量的首要污染因子，且农业面源污染呈现新的特征，表现为养殖业尤其是水产养殖业污染问题逐渐突出，残留地膜、农药、抗生素、激素、病原微生物等新型污染物污染问题不容忽视，面源污染途径从以径流扩散为主转向淋溶、挥发、累积并重的阶段，污染介质从单一地表水体转向包括地下水体、大气以及农田生态系统并存的状态。未来应以本领域我国取得科研成果和相关信息资源为基础，利用数字技术和AI技术，构建我国农业面源污染防控技术和管理融合大数据模型和系统理论，持续加强田块、流域、区域等多尺度面源污染防控技术集成配套与工程化应用研究，培育绿色低碳农业新质生产力产业，落实防控技术工程“政—产—学—研—用”保障机制与措施，以提升区域或流域尺度面源污染防控技术的环境、经济和社会综合效益，全面推进我国农业面源污染治理工作，促进农业高质量健康发展。
Abstract:Agricultural non-point source pollution (AGNPS) incurs certain ecological and environmental risks. After over two decades of governance efforts, substantial progress has been achieved in both the fundamental research and the prevention and control of AGNPS in China. A comprehensive monitoring and evaluation system for the entire process of source and sink paths of AGNPS at the basin, regional or national scale has been established. The primary controlling factors of nitrogen and phosphorus loss within farmland systems under diverse ecological circumstances have been essentially clarified, and the pollution and prevention and control mechanisms of toxic and harmful chemical/biological pollution in farmland have been initially identified. At the technological level of prevention and control, the following have been developed: novel and green fertilizer substitution techniques and products for reducing the input of conventional chemical fertilizers, nitrogen and phosphorus efficient utilization and pollution load reduction technologies, soil nitrogen and phosphorus capacity-increasing and load reduction technologies, nitrogen and phosphorus loss control technologies for sloping farmland, and agricultural waste resource utilization technologies along with digestion equipment. Although the pollution load of agricultural nitrogen and phosphorus emissions in China has demonstrated an overall downward trend, it remains the predominant pollution factor influencing the environmental quality in China. Furthermore, AGNPS exhibits new characteristics, manifested by the increasingly prominent pollution issues in the breeding industry, particularly in the aquaculture sector. The pollution problems associated with new pollutants such as residual plastic film, pesticides, antibiotics, hormones, pathogenic microorganisms, etc. cannot be disregarded. The pathways of AGNPS have shifted from being dominated by runoff diffusion to a stage where leaching, volatilization and accumulation are of equal significance. The pollution medium has transitioned from a single surface water body to a state where underground water bodies, the atmosphere and farmland ecosystems coexist. In the future, grounded on the scientific research accomplishments and relevant information resources attained in this domain in China, digital technology and AI technology should be employed to construct a big data model and system theory integrating prevention and control technologies and management of AGNPS in China. Research on the integration and engineering application of multi-scale AGNPS prevention and control technologies such as farmland plots, basins and regions should be continuously intensified. New quality productivity industries of green and low-carbon agriculture should be cultivated. The guarantee mechanisms and measures of the “government−industry−university−research−application” for prevention and control technology projects should be implemented to enhance the comprehensive environmental, economic and social benefits of AGNPS prevention and control technologies at the regional or basin scale, thereby comprehensively advancing the governance of AGNPS in China and facilitating the high-quality and healthy development of agriculture.
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我国是一个农业大国，农业生产的长足发展在保障农产品供给、提供食物营养防止饥饿、稳定社会发展等方面发挥了突出作用，同时也带来了不容忽视的农业环境问题，特别是追求高投入、高产出下的农业集约化、规模化发展方式带来的面源污染问题较为突出。当前我国农业生态环境质量总体尚好，但结构性、根源性、趋势性压力尚存，农业面源污染“量大面广”的基本态势尚未根本扭转，污染防治也面临一些亟待解决的问题。农业面源污染排放量与经济增长总体上呈倒“U”形曲线关系，化肥投入、农药使用以及畜禽粪便排放与人均国内生产总值(GDP)仍处于曲线上升阶段，到达污染减排拐点仍需要一定的时间[1]。
国家高度重视农业面源污染防控工作，相继启动实施了国家“973计划”、“863计划”、科技支撑计划、专项规划、国际合作和重点研发计划等科研项目。在农业面源污染基础研究、关键共性技术研发、集成技术体系和模式构建与推广应用等方面取得重要进展和显著成效，部分领域取得了突破性进展，初步形成了农田面源污染物溯源、迁移、转化及与农产品质量关系等较为系统的理论体系；研发出了用于农业化学、生物制品等污染治理的技术与产品，以及农业废弃物处理资源化利用智能反应器等核心装备，解决了一些“卡脖子”问题；规模化应用取得跨越式进步，形成了一批生态环境效应和经济社会效益兼顾的防治技术模式，有效地推动了我国相关领域装备和产品的标准化及产业化水平的提高，促进了我国区域农业经济健康发展和生态环境质量的改善。系统总结我国农业面源污染基础理论、防控技术和区域管理成熟的污染防治方案，为进一步深入研究和有效防控农业面源污染提供科学依据。
1. 我国农业面源污染特征
农业面源污染泛指在农业生产中，由于过量或不合理使用化学投入品(化肥、农药、地膜等)及畜禽与水产养殖产生废弃物、 农作物秸秆与尾菜等产出品处理不及时或不当，产生的化学、有机、生物等污染物的量超过了水、土、气、生等环境的承载能力，导致水体、土壤、大气污染以及农产品质量下降的过程[2−3] 。由于农业活动的普遍性和广泛性，农业面源污染具有发生的随机性、影响的滞后性、影响因素的复杂性、输送途径的广泛性等特征。农业集约化提高了农业面源污染的强度，成为环境污染的主要类型。第一次、第二次全国污染源普查，以及近年来开展的农业生产区域面源污染负荷估算结果都说明，畜禽养殖业和种植业仍是地表与地下水以及大气氮(N)等农业面源污染物主要来源。
1.1 经济作物过量施肥加剧了种植业的氮磷淋失
种植业离不开化肥的投入。研究结果表明，氮、磷淋失量与施肥量呈极显著的正相关，农业化学品用量增加，尤其是氮素用量远远超过了作物的吸收量，导致氮磷作物利用率下降，大量氮磷在农田土壤剖面累积，随地表径流和淋溶进入地表水和地下水中，提高了水体硝酸盐浓度[4]。采用 δ15N-NO3−和δ18O-NO3−同位素示踪技术监测地下水硝酸盐发现，化肥及有机肥施用是区域地下水硝酸盐主要来源，地下水氮素含量高值地区与采样点化肥用量高且地下水位较高有关。除传统菜田以外，苹果、猕猴桃、香蕉等经济作物生产区普遍存在过量施肥灌水(或降雨量较大)问题，随着其种植面积不断扩大，随径流或淋溶进入地表和地下水体的氮磷养分明显增加[1, 5−6]。
1.2 养殖业总氮排放贡献增加，水产养殖污染不容忽视
我国畜禽养殖方式逐渐由农户散养向集约规模化转变，与第一次全国污染源普查相比，第二次全国污染源普查中种植业、养殖业污染物排放总量均在下降，但养殖业总氮排放量占农业源的比例在上升，此外，畜禽粪污资源化利用过程中缺乏科学定量化，氮磷淋溶或径流损失量增加还导致了次生面源污染问题。
与畜禽养殖相比，水产养殖日常排放的尾水中常规水污染物总氮(TN)、总磷(TP)、铵态氮(NH4+-N)等浓度不高，属微污染水，除含有有机物、氨氮、硝态氮、磷等外，还含有许多新型如激素、消毒副产物等微量污染物，以及新型致病微生物等[7]。尾水的物理性污染明显，嗅阈值、色度较高，污染指数偏高，采用常规工艺去除的效果难以达到理想标准要求。
1.3 新型污染物影响农业的健康发展
随着我国农业现代化的推进，农业发展方式的转变，投入农业生产资料导致如地膜、农药、抗生素、激素、病原微生物等在农田中残留，成为农业生态系统的新型污染物，影响着农业持续健康发展。近年来，农用地膜分解或其它农用品投入产生的农田土壤微塑料残留和迁移问题受到广泛关注[8−9]。农业抗生素、病原微生物也逐渐成为不可忽视的面源污染问题，粪肥携带的病原菌和抗生素通过灌溉、径流和农田施用均可进入农田土壤环境中，并存在迁移到地表和地下环境的潜力，依附于植物体表面生长存活甚至在植物体内生长繁殖，进而对人体健康构成威胁。农田有毒有害污染物初筛名单包括农药类395种、酞酸酯类15种、畜禽抗生素类37种、畜禽激素类16种[4]。
1.4 污染物扩散途径复杂多样
平原区污染物扩散途径和强度受降雨、土地利用、种植制度、水肥管理等因素的影响。长江中下游平原地区稻麦轮作农田氮无论是径流损失、渗漏损失还是氨挥发损失主要取决于施氮量，氨挥发损失与施氮量呈显著线性正相关，径流与渗漏氮损失则与施氮量呈显著指数正相关。北方平原生产区受施肥量和灌水条件影响，以氮为主的农业面源污染因子的主要损失途径为深层地下淋溶损失和通过硝化反硝化以气态形式进入大气，地下水埋深和包气带岩性影响着硝酸盐进入地下水的通量和速率[4]。丘陵山地农田面源污染物环境损失途径更多地受地形地貌、水文及土壤等条件的影响。西北地区黄土层深厚、土壤质地较轻，该地区果园多、分布广，化肥及有机肥中的硝态氮随灌溉水向下淋溶成为氮损失主要途径，氨挥发也是该地区农田氮肥施用后向环境排放的一个重要途径。东北地区坡耕地坡度较小且坡面延伸很长，黑土土层深厚且质地较好，在集中降水和强烈冻融交替作用下，顺坡种植方式导致氮磷养分随水土径流大量流失，黑土层被剥蚀。长江上游西南坡耕地浅薄紫色土区降雨丰富且集中，由于紫色土土质疏松，导水率高，而下层的紫色页岩透水性较弱，阻碍了水分继续下渗，壤中流极为丰富，强度远高于地表径流，并能持续较长时间；坡耕地地表径流中氮、磷最主要的迁移形态分别是颗粒态和泥沙结合态，壤中流中则主要为硝态氮、溶解态磷。我国农业种植多样，既有旱地大宗小麦、玉米、大豆、马铃薯，又有面积广种植制度多样的水稻；既包括蔬菜、瓜果，又包括果园、茶园等经济作物。受经济发展水平影响，区域化肥农药等农业生产资料投入水平和方式存在较大差异，农业面源污染风险程度不同。总体而言，经济效益较高集约化程度较高蔬菜尤其是设施蔬菜、果园污染问题更加突出，污染负荷量大[4]。
2. 我国农业面源污染研究理论与应用进展
2.1 农业面源污染基础研究与防控理论
2.1.1 构建了流域、区域或国家尺度农业面源污染源汇路径全过程监测与评估体系
我国径流易发区分布广，农田氮磷流失严重、时空差异较大，且径流流失定量评估难度大，仅采用少量的长期田间试验结果难以准确估算区域/流域大尺度农田氮磷径流流失负荷。20世纪80年代中后期，我国科研工作者开展了农业面源的宏观特征与污染负荷定量计算模型的研究，李家科等[10]、李怀恩等[11−12]从我国的实际出发，建立了一个完整的流域面源污染模型系统，提出了流域汇流与面源污染物迁移逆高斯分布瞬时单位线模型及流域产污过程模型。20世纪90年代，张维理等[13]开展了我国北方农用氮肥造成地下水硝酸盐污染的调查工作，为我国农田面源污染对地下水氮污染负荷较为准确估算奠定了基础。郝芳华等[14]在借鉴统计性经验模型和机理性过程模型优势的基础上，结合我国面源污染调查工作中的实际情况，建立了体现面源污染产生过程、迁移转化机理的大尺度负荷估算方法体系，叠加中国“水资源分区”和“中国水文区划”，应用该体系提出了全国面源污染分区分级体系，确定了全国面源污染负荷估算模型的空间框架。“十三五”期间，我国科研人员利用现代监测技术体系和面源污染模型体系，从流域尺度建立“天地网”一体化的农业面源污染协同监测网络，形成“排放源—排放量—污染负荷—水体水质影响—预报预警”等全过程的监测体系，实现流域尺度、区域尺度对污染物源汇路径全过程的监测，形成服务于流域、区域或国家尺度面源污染防治的源汇路径全过程监测与评估体系[4]。
2.1.2 基本厘清了不同生态条件下农田系统中氮磷流失的主控因子
利用流域多年观测数据和国内外发表的研究结果，宋立芳等[15]和冯洋等[16]运用多元统计和相关模型研究氮磷流失的迁移与富集特征，系统分析了土壤−作物系统内水肥管理、轮作制度与氮磷转化−运移的定量关系，提出农田氮磷流失既受其本身形态及其所在土体中复杂的物理、化学和生物过程的控制，也受水文、地形、气候和人为活动等外界因素的制约或驱动。降雨、灌溉形成的径流是农田氮磷流失的主要驱动力。旱地氮素的流失主要受径流深、土壤含氮量和施氮量影响，水田则主要受径流深和施氮量的影响。旱地流失的磷素来源于当年施用的磷肥和土壤速效磷，而水田流失的磷素则主要来源于当年施用的磷肥。
地下水硝酸盐浓度变化除受地表土地利用和土壤物理、化学、生物学性质影响外，包气带岩性、渗透性和地下水埋深等因素也决定着农田土壤硝酸盐进入地下水的通量和速率。单位面积包气带硝酸盐存储量与包气带深度呈正相关关系，随着包气带厚度的增大，单位面积硝态氮存储量显著增加[17]。
2.1.3 初步探明了农田有毒有害化学/生物污染与防控机制
农田土壤系统中典型/新型有机和生物污染物主要包括农药、酞酸酯、激素、抗生素及抗性基因、病原微生物6大类。何艳等[18−19]、朱燕婕等[20]通过对典型/新型有机和生物污染物开展定性定量检测方法、污染特征与来源解析、污染过程与机制等方面的研究，提出了将单体稳定同位素分析、稳定同位素核酸探针、组学等多种新兴技术与传统方法相结合的研究技术，将已有的理论和经验在土壤中进行验证，从多种角度深入探究土壤多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs)厌氧微生物降解机制，以推进土壤中PAHs污染微生物修复工作；针对有机氯(organ chlorine pollutants, OCPs)，提出厌氧条件下由土壤微生物胞外呼吸电子传递介导的生源要素循环对其生物地球化学过程的影响机制，调控土壤健康演变方向。朱正意等[21]通过系统梳理分析酞酸酯 (phthalic acid esters, PAEs) 在农田土壤中的吸附、生物降解、迁移和挥发等环境行为，指出约58.5%的PAEs主要分布在农田土壤0—20 cm表层，且具有显著的地域性差异[22]；正辛醇水分配系数、溶解性能以及土壤有机质是影响PAEs在土壤中迁移能力的主要因素[23−28]；农膜覆盖及其残留物是引起我国农田土壤PAEs污染的最主要原因[29−32]；微生物降解是PAEs从农田土壤中去除的主要途径，并受化合物结构和土壤特性的影响[33−38]。关于农田生态系统中抗生素及抗性基因的研究表明，施肥等农业活动改变了农田中抗性基因及其宿主菌的组成，而复杂的微生物活动使抗性基因及其宿主菌进一步转移到农作物体内[39]。抗生素的吸附特征受到土壤类型和粪肥种类的双重影响，常用兽用抗生素中磺胺二甲基嘧啶和氟苯尼考的线性吸附常数 (Kd)与土壤有机碳含量、pH值均呈显著的线性正相关，其吸附主要受控于土壤有机质，非静电作用(氢键、疏水相互作用等)在吸附中起主导作用，且在土壤不同层次中表现出高穿透率、易淋失，而强力霉素和恩诺沙星则几乎完全为土壤所滞留，容易造成累积[40]。
2.2 农业面源污染源头减量技术
2.2.1 新型、绿色肥料替代常规化肥，减少化肥的投入
研究表明，由于历史上化肥长期大量施用带来农田生态环境氮磷养分盈余问题，目前我国54 种作物种植过程中氮磷盈余分别达138～421 kg/hm2、19～118 kg/hm2，尤其是土壤有效磷含量较1980年提升了约2.34倍[41−43]。新型环保功能肥料，尤其是近年来发展起来的绿色智能肥料产品[43]有效地减少了氮、磷等化学肥料的用量，提高了作物对肥料养分的利用率，进而降低了氮、磷等养分的环境损失量。如郑州大学采用脲硫酸直接分解磷矿制备脲基复合肥，省去生产磷酸铵和过磷酸钙的中间过程，生产出以低浓度磷为主的复合肥产品，整个生产过程无磷石膏和“三废”排放，且产品还含有活性的钙、镁、硫、可溶性SiO 2以及多种微量营养元素，在减少农田土壤磷累积的同时，实现了对磷矿养分资源的全量利用[44] 。
缓/控释肥料因其可根据作物吸收养分的规律调整养分供应，做到养分供应与作物吸收同步，同时基本实现一次性施肥满足作物整个生长期的需要，具有节时省工、损失少、作物回收率高、环境友好等特点，长期受到行业关注[45]。据统计，目前我国缓/控释肥总产能达到820万t/a，随着农业机械化程度提升及科学施肥技术进步，2021—2025年预计缓/控释肥产量还将以5%的速度增长[46]。近年来，针对传统缓/控释肥料包膜材料—石油基聚氨酯，开发价格更低廉、来源更广泛、无毒性、可生物降解的生物基膜材料及其制备[47−50]和改性方法[51−53]成为研究热点，由于环境友好性及其低成本等因素，植物油基聚氨酯的研究逐渐增多，尤以蓖麻油基聚氨酯和大豆油基聚氨酯应用最为广泛，具有减少氨挥发、氮淋溶，提高氮素利用效率等作用[54−57]。
2.2.2 氮、磷高效利用技术提高作物的吸收利用，减少向环境的排放
提高作物对养分的吸收量，就会减少肥料养分的剩余量，是降低面源污染负荷的重要途径。早期推广的测土配方施肥技术极大地提升了肥料施用的精准性，减少了肥料养分的浪费，但是其所需要的长期定位试验建立的参数，土壤测试需要的仪器设备以及前处理，不仅限制了这些技术的应用，这些方法也存在一定的滞后性。随着卫星遥感、无人机、人工智能技术的发展，出现了基于土壤地力和水稻生长实时信息的精准按需施肥技术、稻田氮磷一次深施技术以及菜田水肥一体化智能控制技术等[4]，实现了肥料的减量增效，尤其是降低了粮食作物生产过程的面源污染风险。郎春玲等[58] 研制了单片机控制的深施型液体肥变量施用系统，基于处方图对电磁比例调节阀开度进行调节，室内试验的施肥精度大于95%，施肥最小误差每次为0.2 mL。华南农业大学设计了一种机电式流量调节阀，与已研制的气力引射式施肥器集成构建液体肥变量施用调节系统，液体肥质量流率的可调节范围为2.36～6.75 g/s，具有更强的抗干扰能力、更快的响应性和更高的鲁棒性，进而实现水稻近根部微小流量液体肥精准施用[59]。
2.2.3 土壤氮、磷固持技术降低了环境流失负荷
土壤氮、磷固持蓄积能力扩容增汇技术研发提高了养分利用效率，降低了环境流失负荷，实现了粮食安全生产与环境保护协同发展目标。如有机肥与化肥配合优化施用技术[60]、农田土壤综合增碳固氮技术、生物炭与灌溉协同优先流阻控技术、农田肥水热调控技术、水肥耦合高效利用技术、水稻“侧深施肥减量固氮”技术、“碳—氮—磷—水”协同调控技术等[4]。研究表明，氮肥与生物炭配施可通过改变潮土溶解性有机碳、官能团结构以及氮转化速率，进而影响微生物残体碳积累(主要表现为细菌和真菌残体碳)[61]。控制灌溉模式与改性生物炭配合施用，可在减少氮磷肥施用的情况下，实现水稻稳产、优产，同时提升不同土层土壤有机碳、全磷含量层化率，进而改善土壤质量，提升土壤碳、氮、磷固持蓄积能力[62−63]。而缓控释肥结合水稻侧深施肥技术，可在肥料减量施用的前提下，同时起到提高肥料养分利用率，减少施肥操作次数及成本，改善土壤质量，减少肥料养分流失风险的作用[64−65]。
2.2.4 坡耕地面源污染阻控技术
适用于不同区域环境条件坡耕地面源污染阻控技术的研发和应用，有效地降低了以径流为主的氮、磷养分流失。如新造耕地土壤氮、磷增容提质改良技术，东北“小坡度、长坡面”坡耕地等高种植、优化施肥、秸秆覆盖还田、秸秆全量深翻还田、免耕、秸秆粉碎覆盖还田固土减蚀等水土流失阻控技术，中南丘陵旱地氮磷减量、有机肥替代与生物炭利用、生物拦截与稻草覆盖等氮磷径流消减污染防控技术，西南山地坡耕地聚土免耕、微地形改造、养分管理、生态沟渠净化等污染防控技术[4]。 研究表明，生态沟渠拦截对农田径流中氮、磷的去除率分别达48.1%和 40.2%[66]。治沟造地工程能够在“源头”和“过程”对新造耕地及坡耕地等典型区域氮、磷面源污染物进行双重阻截，曹婧等[67]的研究表明，治沟造地工程中所采用的联级生态拦截坝对黄土高原小流域区水体中总氮、总磷、硝氮和氨氮总削减率分别可达 44.3%、94.8%、91.2%和 46.9%。
2.2.5 农业废弃物资源化利用技术与装备
针对养殖业污染主要来源于畜禽养殖粪污、水产养殖尾水等，建立了畜禽养殖粪污源头削减−生物隔离−湿地消纳高效生态拦截技术体系，研发了畜禽养殖固体废弃物肥料化利用技术，奶牛场粪尿“通铺发酵床”原位消纳回用技术、粪污“固液分离前置−卧床垫料再生”技术、粪污“蚯蚓转化—蚓粪还田”和“厌氧消化处理—沼液还田施用”循环利用技术等；研发了畜禽粪污超高温预处理堆肥技术和农村多元废弃物联合厌氧发酵技术；研制出多原料高效厌氧发酵过程及前后端技术装备及自动监测与智能控制技术装备、沼渣一体化制肥与高值化利用技术装备、沼液高值化利用与深度处理技术装备等；研发构建了“渔稻共作”尾水处理技术、池塘圈养内循环生态养殖技术、陆基集装箱和“跑道式”尾水处理循环利用/达标排放技术、 “三池两坝”和人工湿地尾水生态工程处理技术等[4]。
2.3 区域农业面源污染防控技术体系与模式
2.3.1 西藏“一江两河”农牧区
该农牧区包括雅鲁藏布江、拉萨河和年楚河中部流域。农用地主要由山地、台地、洪冲积平原和冰碛平原等组成。针对该区以化肥、农膜、农药的广泛使用，禽畜粪便的随意排放为主带来的氮磷等农业面源污染主要问题[68−69]，李玉庆等[70]通过对西藏主要青稞种植区灌溉与施肥水平、产量、主要面源污染物迁移的径流条件等进行系统科学调研，提出在保障青稞产量的前提下以化肥的利用效率最高、流失率最低为目标的水肥耦合优化技术模式，同时结合青稞专用控释肥产品应用[71]，有效降低农业面源污染的风险。
2.3.2 长江上游西南农区
该区包括云、贵、川、渝4省(市)，农业是该区的支柱产业之一，对地区社会经济发展发挥着重要作用。针对该区种植业氮磷径流流失和坡耕地土壤侵蚀主要问题，研究构建形成等高反坡阶坡面微地形改造[72−73]、坡改梯[74−75]、生态沟渠[76−77]工程措施，等高植物篱[78]、不同作物间作[79−80]等生物措施，保护性耕作措施与秸秆覆盖还田[81−82]等为核心的坡耕地水土保持技术；构建丘陵山地小流域面源污染全程治理“减源—增汇—截获—循环”控制技术体系，即源头控制坡耕地泥沙与养分流失，改造坡顶低效林，在坡腰营造经果林，合理配置台地间坡坎林地生态系统形成农林镶嵌的空间格局，与水土保持生态沟渠、沟谷水田、塘库的人工湿地功能相结合，构建丘陵上部农林复合系统、山丘区生态强化沟渠、低洼沟谷人工湿地等紧密衔接的农林水复合生态系统；提出丘陵区粮菜轮作 “全流程−全时段−全循环”(“三全”)农田面源污染防治模式[83]，即以“空间”和“时间”为主线，以“结构优化—景观拦截”和“流域养分多级利用”为核心内容。
2.3.3 长江中游农区
长江中游自湖北宜昌至江西湖口，包括湖南、湖北和江西三省，地貌类型多样，包括半高山、低山、丘陵、岗地、盆地和平原。针对水稻、玉米和茶叶经济作物氮磷、农药、地膜、秸秆腐解污染水体和畜禽养殖业粪污排放污染问题，研究构建形成丘陵旱地粮、茶农业面源污染防控技术模式，如控释氮肥减量施用、有机肥替代化肥与生物黑炭利用、生物拦截与稻草覆盖氮磷径流消减、间套作减污、病虫害物理防控等技术；构建了稻−稻、稻−油、稻−稻−油周年全程综合防治技术模式，如氮磷和农药污染周年原位阻控、稻秸资源化利用、面源污染物多级拦截、景观湿地消纳等技术；提出了畜禽废弃物能源化和肥料化综合利用技术模式，如畜禽养殖废水处理、固体废弃物肥料化利用、废弃物能源化和肥料化综合利用等技术[4]。
2.3.4 长江下游平原河网农区
主要包括太湖流域和巢湖流域河网农区，地跨江苏省、浙江省、安徽省和上海市。针对水稻水田、小麦玉米旱地氮磷汇入河流、畜禽排泄废弃物的淋失、水产养殖尾水排放污染等问题，研究构建形成河网区稻、菜、果面源污染防控技术体系，河网区畜禽、水产养殖污染控制技术体系，太湖流域规模化稻田面源污染周年全程防控技术模式，巢湖流域圩区不同轮作体系面源污染防控技术模式，巢湖流域坡耕地面源污染保土截流技术模式[4]。
2.3.5 东南丘陵农区
主要涉及浙闽丘陵地区。针对土壤侵蚀、种植业化肥农药和农膜的过量使用、畜禽养殖业排污等问题，研究构建形成丘陵雷竹林农业面源污染综合防控技术体系，雷竹、茶、果面源污染治理模式，丘陵区水土流失与面源污染治理技术模式、畜禽养殖废弃物污染控制技术模式[4] 。
2.3.6 华南集约化农区
包括广东省、广西壮族自治区、海南省等。针对种植业氮磷流失污染，畜禽业排放氨氮、总氮、总磷污染，水产养殖业排放氨氮、总氮、总磷污染等问题，研究构建形成多熟制稻田、高复种菜地、集约化热带果园面源污染综合防控技术模式，集约化畜禽养殖、水产养殖污染防治技术模式，东江典型流域面源污染综合防治技术模式[4]。
2.3.7 西北旱地农区
包括新疆、甘肃、青海、宁夏、陕西、内蒙古西部。针对种植业地膜残留和氮磷流失、坡耕地果园氮磷流失等问题，研究构建形成绿洲棉田氮磷淋溶综合防控技术模式，河套灌区、黄土高原玉米田氮磷流失综合防治技术模式，绿洲棉田、黄土高原苹果园氮磷流失防控技术模式，绿洲、河套灌区、黄土高原农膜污染防控技术模式[84−86] 。通过改变地膜捡拾方式，采用深松耕作、减氮配施有机肥及膜下滴灌等措施，一定程度上可以解决绿洲棉田农膜残留和面源污染问题[87−88]。
2.3.8 关中平原及秦岭山地农区
“关中”是指“四关”之内，即东潼关、西大散关、南武关、北萧关。关中地区一般指西起宝鸡，东至潼关，南依秦岭，北至黄龙山、子午岭，位于陕西省中部的地区。针对大田、菜田、果园等氮磷流失污染主要问题，研究构建形成小麦−玉米种植制度农业面源污染防控技术模式、秦岭北麓猕猴桃产区面源污染防控技术模式[89−92]。
2.3.9 华北集约化农区
主要包括北京、天津、河北、河南、山东5个省市。是我国重要的粮食、蔬菜、肉蛋奶生产区之一。针对大田、菜田氮磷地下水流失污染、畜禽养殖粪污污染等主要问题，研究构建形成小麦−玉米种植制度面源污染防控技术模式，设施菜地氮磷面源污染防控技术模式，规模化奶牛、生猪为主体的种养结合污染防控技术模式[93−95]。
2.3.10 东北规模化农区
包括黑龙江、吉林、辽宁以及内蒙古自治区的呼伦贝尔市、通辽市、赤峰市和兴安盟。针对平原和长坡耕地氮磷流失污染和未利用秸秆污染等主要问题，研究构建形成平原农区玉米优化施肥+秸秆还田+深翻、肥水热调控综合防控技术模式，水稻秧苗控氮、振捣提浆控污、侧深施肥、增密减氮的氮磷减排技术，改善耕层结构、增加土壤氮汇、促进作物输出增容技术模式，坡耕地玉米田氮磷流失控源、生态拦截、固土减蚀整装水土流失阻控技术模式，玉米、水稻秸秆资源化利用技术模式[96−98]。
2.3.11 都市农区
京津冀、长三角、珠三角是典型都市经济的重要组成部分，具有保障供给、发展经济、平衡生态和示范引领等多重作用。针对高投入带来土壤氮磷盈余及流失、土壤中农药和新型污染物残留、温室气体排放等主要问题，研究构建形成京津冀、长三角、珠三角源头控制、过程调控或阻断、末端治理全程一体化都市农业面源污染综合防控策略与都市农业可持续发展技术模式[94，99−103]。
3. 中国农业面源污染防控思路与策略
3.1 防控思路
3.1.1 应用数字技术和AI技术，构建我国农业面源污染防控技术和管理融合大数据模型和系统理论
包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理、专家系统、机器学习、计算机视觉等在内的人工智能(artificial intelligence，AI)，作为新一轮科技革命的重要驱动力量，是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门自然科学和社会科学交叉的新的技术科学。作为国内外环境污染学术研究和流域污染控制与管理关注焦点的面源污染过程，涉及农业、水利、环境、生态等多学科交叉。借鉴欧美在面源污染负荷计算构建成熟的输出系数模型(export coefficient model, ECM)、改进输出系数模型(improved export coefficient model，IECM)、硬化土模型(hardening-soil model，HSM)等经验模型和水土评价模型(soil and water assessment tool，SWAT)、农业非点源污染模型(agricultural non-point source pollution model，AGNPS)、水文模拟模型(hydrological simulation program fortran，HSPF)机理模型，以及污染防治最佳管理措施(best management practices，BMP)场景应用成功案例[104]。针对面源污染物负荷量化精度不高、系统性全过程治理不足、预测预警体系不完善、管理部门联动性不够等问题[105]，和面源污染向现代化农业生产、生态环境精细化管理、长时间尺度源头到末端受纳水体的一体化和精准化模型系统研发需求[106]，充分利用本领域现有科研成果数据、治理场景成功案例和我国发射资源、环境、气象卫星获得相关数据资源，以搭建形成农业面源污染天地一体化协同监测平台为基础，应用数字技术和AI技术，对模型结构、输入数据(如流域降水与蒸发、污染源强等)、模型类型及参数、泥沙吸附解吸和迁移方程类型及参数等，进行定量合理性检验、参数敏感分析和优化、管理措施应用效应评价，构建我国农业面源污染融合技术和管理大数据模型，形成农业面源污染系统理论，对污染发生过程和技术场景应用进行模拟，以精准识别农业面源污染发生关键区域和关键影响因素，揭示发生规律，为采取针对性措施构建适合我国国情的农业面源污染综合防控方案，精准防控农业面源污染提供支持。
3.1.2 构建流域或区域尺度农业面源污染防控系统协同优化技术体系和监测体系
我国农业面源污染物从常规的氮磷、化学需氧量(chemical oxygen demand，COD)、生化需氧量(biochemical oxygen demand，BOD)转向叠加残留地膜、农药、抗生素、激素、病原微生物等新型污染物状态，面源污染从单一以径流扩散为主转向淋溶、挥发、累积并重的阶段，污染介质从单一地表水体转向包括地下水体、大气以及农田生态系统并存的状态。加之我国复杂多样的农业生产条件、气候条件以及自然生态条件，仅从某一环节和采取单一措施很难达到面源污染有效防控目标，污染防治思路必须从全过程系统综合协同的角度去考虑，体现源头削减、过程控制、末端治理、再利用等的有效衔接和优化组合[107]。
农业面源污染发生呈现出时空的不确定性和随机性，受自然地理条件、水文、气候特征和农业生产条件等因素影响，污染物没有明确的排放途径，地理边界和位置难以识别和确定。面源污染综合防治需要对污染物源汇路径全过程的监测，相应的面源污染监测要从田间尺度拓展到流域尺度、区域尺度范围；利用模型评估面源污染时空分布规律研究必须以区域或流域为对象，才能获得较高精度计算结果，反过来为面源污染的区域或流域治理提供基础支撑。
3.1.3 建立农业面源污染防控新质生产力技术体系
针对我国农业面源污染物，重点培育形成以下关键技术体系：1)氮磷土肥水系统管理技术。氮磷养分是流失之源，水是物质移动的载体和流失驱动因素，农田合理施肥灌溉制度构建、土肥水系统管理是控制面源污染根本。构建北方农业主产区区域尺度深层包气带−地下水连续系统氮磷淋失和地下水污染风险联动模型，揭示不同土壤类型、种植模式、降水年型和气候条件下农田氮磷淋失时空分布特征，建立农田系统氮磷输入、积累、富集、淋失之间的定量化关系，明确氮磷淋失与水肥响应及耕作制度的相关关系。聚焦东北、长江流域和东南沿海三大水稻优势产区氮磷径流流失，研究制定田间氮磷控源增汇最大允许投入量及施肥技术标准，定向研发降低稻田排水氮磷浓度低成本高分子控源材料和高碳氮比生物质材料产品，构建基于气象−土壤−水文大数据的稻田精准控水扩容技术。2)绿色投入品。利用现代生物学、材料科学、数字技术等手段，加快研发高效、低成本绿色智能农业投入品及其配套施用技术装备，提供作物健康适宜生长环境，构建安全、低碳、循环、智能、集约、高效的农业绿色技术体系。3)农业废弃物绿色资源化利用技术。利用现代生物学技术、现代化工业体系、现代化信息技术，创新研发农业废弃物高值化利用技术、产品和装备。4)种养结构布局优化。种养业时空错位布局是导致资源浪费、农业面源污染发生的重要原因。依据“种养结合、清洁生产、因地制宜、循环发展”的思路，开展种养结合区种植、养殖结构解析与耕地粪污污染负荷核算，从宏观上调整区域粮、畜基地建设规划和农业产业结构，把种植业和林业、牧业、渔业以及相关加工业有机结合起来，建立具有生态合理性、功能良性循环、能耗低的新型综合农业体系。5)新型面源污染物综合防控技术。以“十三五”构建的农田有毒有害物质优先控制名录为基础，结合污染来源、途径、危害程度，提出典型农田有毒有害化学污染物分类、分区、分级的源头管控策略。研究旱地、稻田、设施菜地等农田系统中典型农药、酞酸酯、激素、抗生素、抗性基因和病原菌等的环境效应、污染特性与变化规律，构建农田土壤植物、动物和微生物等原位生物降解生态修复技术体系，制定配套应用技术规程；建立农田病原生物昆虫媒介传播阻隔绿色防控技术。
3.2 农业面源污染防控策略
3.2.1 构建农业面源污染防控法规制度约束体系
借鉴国外发达国家的立法经验，依据我国国情，制定农村环境治理与农业面源污染防控的法律法规和管理规范标准，使农业面源污染治理有法可依。完善农业面源污染违法惩罚制度，加强治理的强制性管理。
3.2.2 构建农业面源污染防控技术支撑体系
优化农业科技资源布局，依托国家农业废弃物循环利用等科技创新联盟，深化产学研企合作，强化现代农业产业技术体系建设，在长江经济带、黄河流域等我国农业面源污染代表性区域，遴选推介以绿色发展为导向的农业面源污染防控主推技术，促进农业转型升级和高质量发展。
3.2.3 构建农业面源污染防治监测评价体系
完善我国农业面源污染监测网络，做好国控点例行监测工作，在重点地区和重点流域加密布设省控监测点，建立大数据和智能终端监控平台，发挥用数据说话、用数据决策的功能和作用。在农业投入、污染物减排、废弃物利用、农村环境治理、合格农产品供给等各个环节设置评价指标，加强对地方治理工作考核，将农业面源污染治理工作纳入地方政府考核体系。探索饮用水水源水质和水价联动、水源地保护区面源污染防控生态补偿、生态旅游特许经营、绿色有机农产品价值提升等机制，推动经营主体积极有效使用环境友好技术。以水环境整体改善为目标，推行农业面源污染治理跨省县保护区和受益区间的横向补偿，实现流域上下游协同保护。
3.2.4 建立农业面源污染防控技术标准化运行机制
政府相关部门牵头组织领域专家对面源污染领域成果开展梳理，编制技术清单，组织制订系列农业面源污染综合防控技术规范等，推进农业面源污染防控标准化、规范化，促进面源污染理论和技术成果真正落地实施，提高污染防控工作的目标性和针对性。
3.2.5 建立农业面源污染政产学研用协同治理机制
以解决农业面源污染防控中技术创新与市场需求脱节、技术研发与产业发展相割裂问题为导向，充分发挥科研机构、农业产业体系、相关企业等各自优势，构建政产学研用融合发展模式，深化合作，将科研成果与实际应用结合起来，积极推广安全可靠、经济可行、操作轻简方便，取得良好应用效果的新技术、新产品、新装备和整装集成技术模式。
3.2.6 建立农业面源污染治理长效运行机制
深入实施化肥农药减量增效、地膜科学使用回收、秸秆综合利用等重大项目，逐步建立“农民自愿、企业受益、环境改善”的良性循环机制。强化地方政府工程运营监管机制，加大后期维护管理资金保障力度，确保治理项目发挥实效。加快培育新型治理主体，撬动社会资本投入，构建农业面源污染防治多元协同的长效可持续治理体系。
我国生态环境质量总体呈持续改善态势，但环境保护与经济发展关系的复杂性有所上升。随着我国农业生产经营方式的转变，资源禀赋的质量改变和人民生活方式需求变化，针对粮食安全与环境友好、生态环境保护与经济社会发展突出矛盾和新时代土壤健康与农业绿色发展需求，未来持续加强田块、流域、区域等多尺度面源污染防控技术集成配套与工程化应用，落实防控技术工程应用“政产学研用”保障机制与措施，以培育绿色低碳农业新质生产力，提升污染防控技术的环境、经济和社会效益，全面推进农业面源污染治理工作，促进我国农业高质量健康发展。
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