随着我国经济的迅猛发展, 水体污染与湖泊富营养化现象屡屡出现.第一次全国污染源普查数据显示, 主要污染物排放中, 农业源排放的氮磷分别占到总污染排放量的57%和67%, 远超工业与生活污染源排放, 成为污染源之首.农业源污染在对河流湖泊水体产生负面影响的同时, 也成为了制约农业可持续发展的重要因素, 更是实现乡村振兴战略道路上不可逾越的屏障.近年来, 中央1号文件多次提及农业面源污染治理, 习总书记更是在“十九大”报告中明确要求加强农业面源污染防治.这些无不体现了农业面源污染防治在新时代社会经济发展中的重要地位.

当前, 我国存在农业面源污染风险的农田面积超过2 000万hm^2[1]; 以农田径流形式产生的氮、磷流失, 对河流水体氮、磷含量贡献率分别超过50%和60%^[2], 由此可见, 种植业是农业面源污染中不可小觑的一部分^{[3, 4]}.另一方面, 我国作为农业大国, 粮食生产、粮食安全供给是国家战略需求重要部分.这也决定了, 种植业面源污染防控不可能一刀切或以牺牲产量为代价.资料显示, 化肥对我国农业生产的贡献率达到了57%^[5], 但是, 带来的资源环境代价也非常之高^{[4, 6]}.自20世纪70年代至今10 a, 我国粮食总产量增长翻翻, 氮和磷肥的消费量分别增长了1.8和2.7倍^[7], 过量施肥导致的氮排放量增加了240%, 而磷则以沉积态大量存于土壤, 带来了巨大污染隐患^{[3, 8]}.如何在保证产出的前提下实现农业面源污染防控是当前我国种植业亟需解决的问题.

为缓解水体污染与湖泊富营养化问题, 我国自“十一五”起已启动诸多科研专项, 研发并形成了很多面源污染防控技术.然而, 相关技术的落地却较为滞后, 甚至出现了技术应用断链, 导致农业面源污染防治效果不佳的状况.现有技术体系不完整、技术参数模糊、实用性与可操作性不强、技术应用效果不明确是当前技术大面积推广遇到的普遍问题.同时, 对技术发展过程与趋势的认识不深、把握不准也是影响技术先进性与实用性的关键.

有不少关于农业面源污染研究发展态势的研究较多依赖于文献计量学手段^{[5, 9, 10]}, 缺少对技术内容和作用参数的解读, 指导性不强; 或仅立足于技术^[11], 缺少大尺度全局视角, 无法进行前瞻性预测.对此, 本研究以近20年国内外种植业面源污染防控领域的发表论文为数据基础, 借助文献计量学手段, 配合对具体技术内容和参数的梳理, 分析种植业面源污染防控技术的热点及其变迁, 比较全球和中国相关领域的技术发展历程, 明确各领域和方向技术的作用效果, 预测植业面源污染防控技术的前沿趋势, 以此推动种植业面源污染防控技术在我国的规模化应用.

1 文献调研及信息提取的方法 1.1 数据源

本研究分别对中英文数据进行特征性检索.其中英文文献数据来源于Web of Science核心合集中SCI-E(science citation index expanded)和CPCI-s(conference proceedings citation index- science)两个数据库; 中文文献数据来源于中国科学引文数据库(Chinese science citation database, CSCD), 检索时段为1999年1月1日至2019年3月.因此, 统计的2019年发文数据不能代表该年全部发文量.

1.2 文献检索

本研究所采用的文献检索基于污染物迁移转化路径, 以技术特征为出发点, 罗列各分支特征性搜索词, 并搭建检索逻辑关系, 分别得到：污染物源头削减领域(源头削减)、污染物过程拦截领域(过程拦截)以及养分回用领域(养分回用)检索式(中英文对应)如下.

检索得到全球尺度种植业面源污染控制技术相关英文论文(SCI)21 006篇和中文论文(CSCD)9 717篇.本次检索所得英文文献中作者地址或通讯地址中包含中国的文献占比17%.本文将英文文献和中文文献数据分别视为全球和中国尺度的数据来源, 分析所得结果分别反映全球和中国尺度的热点和发展趋势.

1.3 信息提取分析

利用Derwent Data Analyzer(科睿唯安软件, https://clarivate.com.tw/products/derwent-data-analyzer)对搜索出的文献进行文本挖掘, 导出相关高频特征词汇.人工筛选各领域关键词(关键词指某一领域中出现频率较高且具有技术识别特征的词语或短语), 通过VOSviewer(基于文献计量关系进行图谱构建工具, http://www.vosviewer.com)对关键词共现矩阵实现聚类, 进行各领域技术方向的划分及种植业面源污染防控技术体系的构建.

1.3.1 热点分析

以各领域技术方向的研究发文数量为基础数据, 理清其年际变化, 以我国5年计划为时间切片(“十一五前”1999~2005年、“十一五”2006~2010年、“十二五”2011~2015年和“十三五”2016年至2019年3月), 分析全球和中国尺度在多个时间切片下各技术领域的热点变迁及研究重点的转移, 实现全球和中国尺度的技术发展历程的比较.

1.3.2 技术效果分析

从肥料(氮、磷)投入削减比例、产量影响率及污染物(氮、磷)排放削减率这3个方面量化种植业面源污染防控技术的作用效果.在明确技术领域及方向的前提下, 人工提取对应论文中摘要部分的有效数据, 并实现数据的标准化.氮/磷肥投入削减比例[RIN or RIP, %, 式(1)]、产量影响率[YE, %, 式(2)]和氮/磷排放削减率[RMN or RMP, %, 式(3)]如下：

(1)

式中, TIN or TIP指使用技术处理的氮/磷肥投入量(kg·hm^-2); CKIN or CKIP指对照处理氮/磷肥投入量(kg·hm^-2).

(2)

式中, TY指使用技术处理的单季产出(kg·hm^-2); CKY指对照处理单季产出(kg·hm^-2).

(3)

式中, TMN or TMP指使用技术处理的氮/磷肥排放量(kg·hm^-2); CKMN or CKMP指对照处理氮/磷肥排放量(kg·hm^-2).

1.3.3 发展趋势分析

(1) 引用导向趋势

基于被检索出文献的数据挖掘, 在确定关键词的基础上, 结合Citespace(引文可视化分析软件, http://cluster.cis.drexel.edu/~cchen/citespace/)构筑的共被引网络关系, 以关键词为输出形式, 进行研究前沿的遴选分析, 反映引用文献中技术关注点的移动趋势.

(2) 效果导向趋势

比较不同领域及方向的技术作用效果差异, 以技术效果为目标, 以技术方向为输出形式, 用于反映技术方向上的需求趋势, 对未来我国可能的技术发展方向进行讨论和预判.

2 结果与讨论 2.1 种植业面源污染防控技术的发展历程 2.1.1 技术体系构建

种植业面源污染具有分散性强、发生过程随机性强和污染物浓度较低等特征^[12], 从污染物排放、迁移、转化过程入手是实现种植业面源污染防控的必然途径.因此, 现有技术可由此根据源头削减、过程拦截和养分回用为3个领域.基于文献的关键词聚类, 将各领域下的多个技术进行方向分类, 最终形成种植业面源污染防控的三级技术体系(表 1).

2.1.2 时间尺度下技术领域关注度的变化

比较近20年各技术领域发文占比发现, 源头削减领域技术始终是种植业面源污染防治的重点, 发文量占总发文量(SCI+CSCD)的59%~69%;且时间轴上呈持续增长态势[图 1(a)].相比于全球, 中国对源头削减领域技术的关注度更高, 这充分说明我国“先污染后治理”的观念已有所改变, 从污染到治理的曲线拐点提前到来.虽然, “先污染后治理”是经济发展初期环境和发展权衡取舍的必然过程, 但利用后发优势, 在借鉴汲取发达国家经历的污染教训和成功治理经验后, 我国在种植业面源污染防治问题上已意识到源头污染控制将是最为行之有效的手段, 并将源头削减领域技术的研发放在了整个污染防控工作的首位.

此外, 过程拦截领域中国和全球的发文比例较为接近, 处于25%~32%尺度, 且时间轴上呈减少趋势[图 1(b)].对于过程拦截领域发文比例的降低, 可以从两方面去解释.一方面, 污染物的过程拦截往往需要外部沟-渠-塘的配套构建, 会一定程度占用现有耕地面积; 此外, 构建后的定期维护需要额外的经济投入.因此, 管理面积较小且经济不宽裕的农业生产者一般不倾向于选择过程拦截领域的技术对污染物进行拦截.另一方面, 具有较成熟过程拦截体系的农田系统在国外规模化农场以及中国经济较发达的农村已初具雏形; 它的建设往往在农田早期规划、工程实施阶段就有所实现, 而后期进行改动、变更、增设的并不多.因此, 受限于应用环境和经济基础, 对过程拦截领域技术的相关研究发文热度有所减退.

我国对养分回用领域的关注则稍显不足.虽然自“十一五前”到“十三五期间”养分回用领域发文比例有一定幅度增加, 但相比全球发文的整体占比还有所欠缺[图 1(c)].作为不同圈层间物质迁移环节, 养分回用既能减少农田化肥氮的投入, 同时有效削减排入到水环境或者转移到其他圈层的养分, 是保证农业生产实现环境保护的关键^[13], 更是满足绿色生产和资源最优化利用的有效途径^[14].

2.1.3 热点变迁

本研究以种植业面源污染控制各技术领域及方向近20年发文量衡量其研究热度, 并比较全球和中国的技术变迁特点.如图 2 (a)所示, 栽培技术和添加剂使用是全球和中国在源头削减领域集中度较高的方向.对栽培技术的关注一方面说明, 促进作物生长是提高养分利用效率、减少污染排放最为直接的途径; 另一方面也说明, 面源污染调控要以保证生产为前提.对添加剂使用的关注则体现了以养分转运和提升土壤养分库存为抓手的调控方法对于种植业面源污染防控的重要性.以氮为例, 不同作物对氮的吸收形态不同, 且不同形态氮的面源污染损失途径也各有不同, 在不同作物种植环境中为保证作物喜好的氮形态能够较大限度地被利用, 使用添加剂可以实现脲酶水解、硝化及反硝化过程的调控, 减少不同途径的氮素损失^{[15, 16]}.以生物炭为代表的添加剂则通过调节土壤理化性质, 增加土壤持水持肥能力, 减少养分的渗漏损失^[17], 并间接影响养分的转运过程.在时间轴上, 中国对源头减排领域主要技术方向(栽培、肥料和添加剂)的研究主要兴起于“十一五”期间, 大量发文出现于“十二五”或此后的时段, 且热度持续增加.对耕作技术的关注度自“十三五”始有降低趋势, 而优化灌溉技术则在“十二五”后不断得到重视.

生态沟渠是全球和我国在过程拦截领域关注度较高的技术方向[图 2 (b)].此外, 全球尺度对植物篱的关注度也较高.生态沟渠和植物篱技术主要始于“十一五”期间, 而湿地技术则从“十二五”开始增多.

对养分回用领域的关注度主要集中在秸秆和植物残体回用方向[图 2 (c)].全球尺度对粪肥、沼液的回用也有所关注, 而中国在这一方向发文寥寥.反观, 中国畜禽养殖行业有关粪肥沼液处理的发文并不在少数, 这说明种-养结合的跨生产模块研究开展不多, 对沿物质链通过有机肥生产并将回用实现在种植业上的连贯研究较为缺乏^[4].全球尺度, 对尾/废水回用的关注则主要出现在近5年; 中国则较为滞后.

2.1.4 国内外种植业面源污染防控技术比较

中国对种植业面源污染防治技术的关注略滞后于全球, 但“十一五”起, 不少方向的技术热度应需而涨.源头削减领域, 全球尺度对耕作技术保持较高关注度, 而我国则十分重视肥料运筹的把控, 这一差异主要源于我国较为破碎化的耕地结构^[18]以及较高的肥料施用现状.当肥料施用量超过作物所需时, 过量施用的部分有着极高的流失风险, 合理减少肥料施用对于污染物的控制效果十分显著^[19].过程拦截领域, 全球尺度对植物篱重视程度较高, 而我国这一方向的研究较为薄弱.植物篱对污染物的拦截一般用于坡耕地环境.我国坡耕地的种植多以果树和蔬菜为主, 相对面积较小, 因此对该技术的关注度不如全球占比高, 但近年呈现热度渐增趋势.养分回用领域, 我国对秸秆和植物残体的回用高度关注, 而其他方向的研究仍处于初级阶段.不同生产模块间物质流通不畅是我国养分回用领域, 尤其是尾/废水和粪肥沼液回用未受到高度关注的主要原因^[14], 也是未来发展的方向.

2.2 种植业各领域面源污染防控技术的作用效果

在划分技术领域和方向的基础上, 根据相关发文摘要中的技术效果数据, 比较其作用效果差异.鉴于养分-污染物迁移变化过程, 对不同领域技术的比较角度选择侧重略有不同(图 3).

源头削减领域技术平均削减氮磷肥投入18%~42%和15%~33%[图 3 (a)], 增加作物产量13%~37%[图 3 (b)], 减少氮磷排放31%~36%和32%~60% [图 3 (c)].肥料运筹优化、灌溉水分管理、土壤添加剂应用和优化栽培等技术均具有30%以上的氮投入削减效果, 且栽培技术优化对于磷投入的影响显著[图 3 (a)].由于过量施肥可能导致作物减产^{[20, 21]}, 肥料运筹优化(含减量)技术对产量提升效果显著^[4]; 但由于多数文献数据的时效仅为1~3 a, 不少源头削减技术缺少多年连续使用的相关评估.各技术方向对氮排放的作用效果较为接近, 但都达到了30%以上的削减效率[图 3 (c)].相比于氮排放, 源头削减技术对减少种植业磷排放的效果更为突出.颗粒态磷是种植业农田中磷损失的主要形态^{[8, 22]}, 因此灌溉水分管理和耕作优化技术的作用效果显著.值得注意的是, 多数源头削减技术以氮投入的削减作为主控抓手, 而效果上氮排放却不如磷排放的削减显著.这一结果暗示, 种植业污染物中氮素的控制难度较高.这与氮进入农田系统后多个转运形态产物均具有易迁移和易损失的特征有关.对单一转运环节的调控, 存在增加反应两侧物质的损失风险^[16].从现有发文看, 虽然氮一直是种植业的污染物管控重点, 但依旧不能松懈.另一方面, 实际生产中投氮是否充足是农户对于总化肥投放量的判定标准, 而对施肥行为的磷投入却被一定程度忽视了, 造成磷肥施用的两极分化(纯氮肥施用导致磷补给不足, 复合肥施用导致磷供给过量)^[8].因此, 对磷投入量的管控关注度有待加强.

过程拦截领域技术平均减少氮磷排放15%~40%和14%~42%[图 3 (d)].与源头削减领域技术相似, 过程拦截领域技术对磷排放的削减效果要优于氮.其中, 湿地系统具有最高的氮磷削减比例, 均超过40%.较高的氮磷削减比例与湿地系统的区位密切相关, 其一般与植物篱、渗滤池或生态沟渠串联, 且位于农田排水下游区, 水力停留时间较长, 为深层净化水质提供了条件^{[23, 24]}.

养分回用技术平均削减氮磷肥投入17%~41%和0%~20%[图 3 (e)], 增加作物产量15%~27%[图 3 (f)].秸秆和植物残体还田后, 其中的养分并不能被作物直接吸收, 时效性较差, 因此其替代氮磷肥投入带来的削减率往往不足20%.尾/废水通常包括生活污水处理后的尾水或初步处理后的其他废水, 其中含氮量在5~20 mg·L^-1, 以灌溉形式进行回用^[25], 能替代的养分投入比例有限.粪肥沼液的氮替代比例最高, 这与畜禽粪便中高铵含量有关.此外, 粪肥沼液回用带来的磷肥替代比例不高, 计算其对减少磷排放的直接效果难度较大, 但易增加磷素在土壤层面中的累积^[26], 因此关注度不高.

本研究调研过程中, 发现文献数据中技术作用效果往往较为乐观.一方面, 研究发文多立足于试验结果较好或技术效果达到预期的基础上; 另一方面, 技术的实施条件尤其是尺度大小对技术效果有着决定性的影响.一个技术, 在试验室或盆栽培养条件下, 因环境条件稳定且反应条件最为适宜, 往往能获得技术效果的最佳展现.但是, 用此数据作为对该技术效果的参考依据, 会高估技术在实际应用时的作用, 较为不妥.因此, 本研究仅选小区、大田、连片农田或农场条件下(剔除盆栽或培养条件)技术的应用效果作为图 3绘制的数据基础, 予以展现, 增加数据可信度.此外, 技术应用的时长也是影响效果的一大因素.如, 肥料优化的技术可能对最初几个种植季的产量并无负面影响, 但如果对肥料施用量的减少程度已带来地力耗损, 持续减投必会在后期影响作物产量.遗憾的是, 多数论文的时间跨度较短.对于如何判定技术应用时长的有效性, 本研究并未找到适宜时间长度切点作为判据.这也是带来目前技术作用效果仍然较好的原因.

2.3 种植业面源污染防控技术的发展趋势 2.3.1 引用导向趋势

根据文献共引分析理论和寻径网络算法, 分别就对全球和中国尺度下种植业面源污染防控技术引用趋势进行了推演.所得趋势方向如表 2所示, 排在前5个关键词中, 全球和中国尺度共有前沿趋势占4个, 分别是氮利用效率、氧化亚氮排放、氨氧化细菌和生物炭, 充分体现我国种植业面源污染防治研究与国际趋势基本保持一致.

提高利用效率成为减少面源污染的主流趋势.源头削减领域涉及的栽培、肥料等直接影响着作物生长的技术还将延续现阶段的热度.对养分回用技术的关注将在未来占有重要地位, 也将改变种植业投入养分的来源结构, 实现资源的循环利用.对氧化亚氮排放的关注, 一方面暗示种植业面源污染在关注种植业对水环境质量影响的同时, 也需将大气圈里的物质循环纳入面源污染的关注范围.土壤添加剂使用和碳氮比调控^{[27, 28]}也直接影响着利用效率和氧化亚氮排放.氨氧化细菌的研究趋势同样验证了养分转运对面源污染防控的重要性, 是着手于微观调控的技术方向.生物炭作为以碳封存为目的的土壤添加剂, 早在20世纪末就开始应用, 而其对种植业面源污染, 尤其是对氮磷过程的影响的相关研究起步较为滞后, 但也在“十一五”后期逐渐成为热点[图 2 (a)].

在全球和中国尺度的第三位关键词存在一定差异, 但均有关于碳.环境中碳的含量并不直接关联面源污染, 但是土壤环境中的碳含量与氮循环、土壤肥力等密切相关.一些土壤添加剂(如生物炭或菌剂)以及秸秆回用等技术在实施过程中, 实际上也改变了土壤环境的碳氮比及矿化速率, 以此影响着养分库存和形态转变.同样是对碳的关注, 全球尺度的技术趋势关键词是土壤有机碳, 而中国尺度则是碳组分.由此可见, 全球尺度以碳总量控制作为目标, 而我国更看重碳组分比例这一动态变化过程.的确, 比起碳封存我国尚处于碳调控阶段, 这也一定程度说明, 现阶段种植业土壤中养分有望依赖化学计量法实现转运管控和面源污染减排^[29].

2.3.2 效果导向趋势

肥料减量是农业部农业面源污染防治“一控、两减、三基本”工作^[30]的重中之重.本研究调研所涉文献充分肯定了肥料减量对面源污染防控的实质性作用[图 3(a)和3(c)].继文献[31]的出台, 在使用量零增长的目标^[32]前提下, 肥料种类和施用方法等相关减量优化技术仍将是我国的源头削减领域的热点方向.除肥料方向外, 在源头减排领域的耕作改良和灌溉水分管理对污染物减排也有着显著的作用效果[图 3(c)], 然而我国对这两个方向的关注度并不高[图 3(a)].现阶段, 我国在耕作方式和灌溉系统上的布设欠缺, 一定程度上与农田碎片化有关^{[18, 33]}.随着土地流转的推进, 面向规模化经营的智能灌溉系统搭建有望与生态沟渠一起成为高标准农田的建设内容, 并随着农业机械化的推进, 耕作管理方式的优化也将成为我国种植业面源污染防治的又一着力点.

湿地系统是承接生态沟渠、植物篱和渗滤池的后端净化措施, 也是过程拦截领域氮磷削减效果最好的技术方向[图 3(d)].以现阶段我国研究关注度来看[图 2(b)], 湿地系统正在成为保证排放水质达标的重要手段.相关技术研究的开展, 将有助于在当前面积有限的情况下, 通过农田与沟-渠-塘-湿地的适宜配比, 构建有效的后端净化体系, 提高其对农田排水中的污染物消纳效果.

不同生产模块间的物质链回路的构建, 是实现资源循环、养分再利用的关键.事实上, 全球对养殖废弃物和生活废水的农田回灌已开展了不少研究, 我国也在这一领域开展了不少技术研发, 但如何安全回用, 相关的技术参数、标准、导则和指南等有待完善.鉴于粪肥和沼液回用对氮磷的替代和削减效果, 研发畜禽养殖废水和生活污水处理尾水的直接和间接回用技术, 将成为种植业面源污染防治技术研发的新方向.

3 结论

近20年间源头削减领域技术发文量最多, 且研究热度不断提升.目前, 我国种植业面源污染防控技术研究对肥料方向的技术集中度较高, 而过程拦截和养分回用领域的技术较为单一, 尤其缺少多来源养分的农田回用研究.提高肥料利用效率、关注温室气体排放、重视养分转运过程、使用土壤添加剂、综合考虑土壤碳和养分间关系, 是种植业面源污染防控技术的发展趋势; 配套建设并优化灌排系统, 构建沟-渠-塘等后端净化体系, 将能更好保障相关技术在实际应用中的有效集成, 提升种植业面源污染防控效果.