序： 农村面源污染已经成为我国湖泊富营养化及水环境污染的最重要来源，控制农村面源污染是治理湖泊富营养化及改善农 村水环境的当务之急。 如何实现农村面源污染的有效控制、 哪些技术可为面源污染的控制提供保障、 如何将这些技术应用 于工程实践是从事农村环境研究工作者的职责所在。 本系列论文的作者在多年从事农村面源污染发生过程、 迁移转化机制、 治理技 术研究与工程实践的基础上，经总结提炼，形成了农村面源污染治理的“4R” 理论与技术，即源头减量 （Reduce ） 、过程阻断 （ Retain ） 、 养分再利用 （ Reuse ）和生态修复 （ Restore ） 技术，提出了农村面源污染治理的总体思路、 相关技术集成与工程化应用框架。本系列论 文包括农村面源污染治理的总体思路与 “4R” 技术、 面源污染的源头减量技术、 污染物的过程阻断与拦截技术、 养分再利用技术、 水 环境生态修复技术，以及面源污染治理技术集成与工程实践等 6 个部分，供从事农村面源污染治理研究与技术开发的相关研究与 工程技术人员参考，以使这些技术与示范工程能为我国农村面源污染治理、 水环境改善与生态修复做出贡献。

随着工业废水和城市生活污水等点源污染得到 有效控制，农村面源污染已经取代点源成为水环境污 染的最重要来源。 根据美国、 日本等国家的研究，即使 在点源污染全面控制（ 达到零排放 ） 之后，江河的水质 达标率仅为 65%，湖泊的水质达标率为 42%，海域水 质达标率为 78% ^[1] 。“十一五” 国家水专项课题对太湖 流域污染负荷来源的分析表明，总氮和总磷农村面源 污染所占的比重约为 58%和 40% （ 内部资料^①）。 北京 密云水库、 天津于桥水库、 安徽巢湖、 云南洱海、 上海 淀山湖等水域，农村面源污染比例已超过点源污染， 上升为威胁饮用水源的主要原因。 农村面源污染控制 不仅成为水环境污染控制的重点和难点，也逐步成为 现代农业和社会可持续发展的重大课题，成为建设资 源节约与环境友好型社会的瓶颈之一。

目前，国内外已开展了许多关于农村面源污染控 制技术的研究和相关工程建设，包括农田面源污染 控制的肥料管理技术 ^{[2, 3, 4, 5]} 、 缓冲带或植物过滤带技术 等 ^{[6, 7, 8]} ，农村生活污水治理的土壤毛细管渗滤净化技 术、 蚯蚓生态滤池技术、 氧化沟技术和湿地处理技术 等 ^[9] 、 农业废弃物、 畜禽粪便和生活垃圾的厌氧发酵产 沼气技术以及堆肥技术 ^{[10, 11]} 等等、养殖肥水回灌技术 等 ^[12] 、 以及针对塘、浜和小河等小水体的生态护岸技 术、 浮床技术、 湿地净化技术等 ^{[13, 14, 15, 16]} ，这些技术及相应 的工程建设在削减农村面源污染负荷中均起到了一 定的作用。但是，国外的一些成功技术相当多的是以 牺牲农业生产产量或中小企业发展为代价，来达到保 护环境的目的。此外，这些技术多是针对农村面源污 染的局部环节而设计的，技术零散，集成度低。源头减 量、过程拦截、 循环利用相结合的一体化技术仍然较 为缺乏，区域整体环境改善效果不理想。不少农业面 源污染控制工程还停留在“就事论事” 的技术层面，缺 乏系统和全面的控制体系，难以实现长期的有效控 制。所建设的农业面源控制工程往往由于结构单薄和 体系的单一，极易造成主次矛盾不分、 控制效率不稳定、 运行成本偏高等现象。而农村面源污染的特性决 定了要从根本上改观农村面源污染现状，必须从区域 尺度出发，实行多源头、 全过程、 全方位的系统控制。 因此，就当前农村面源污染控制，亟需对现有的技术 进行梳理、 验证和组装集成，总结提炼形成一套全面 系统的污染控制理论与技术来指导相关工程体系的 建设，并在区域上付诸实施，从而提高农村面源污染 控制的效果。

本文是作者在多年从事农村面源污染发生过程、 治理技术研究与工程实践的基础上，在“十一五” 水专 项课题的资助下，在直湖港小流域进行了相关技术的 研发和组装集成，通过工程示范，达到了区域污染控 制的效果。在此基础上，经总结提炼，提出了农村面源 污染治理的总体思路和成套技术，仅供从事面源污染 治理研究与技术开发的相关人员参考。 1 农村面源污染的内涵及其特征

农村面源污染又称农村非点源污染，是指在农 业生产和生活活动中，溶解的或固体的污染物，如氮、 磷、 农药及其他有机或无机污染物质，从非特定的地 域，通过地表径流、 农田排水和地下渗漏进入水体引 起水质污染的过程。 典型的农村面源污染包括农田径 流 （化肥、 农药流失 ）和渗漏、 农村地表径流、 未处理的 农村生活污水、 农村固体废弃物及小型分散畜禽养殖 和池塘水产养殖等造成的污染 ^{[17, 18, 19]} 。农村面源污染具 有以下特征：

（ 1 ） 污染来源的分散性、复杂性以及溯源的困难 性。受我国农业生产现状的影响，我国农村面源污染 来源于千家万户，来源分散而且复杂，涉及的地域范 围广，不仅包括农田径流、 农户的生活污水排放和村 镇地表径流，还包括农村生活垃圾及固体废弃物、小 型畜禽养殖和池塘水产养殖等造成的污染。 这就造成 了难以在发生之处进行监测、 真正的源头难以或无法 追踪，治理难度加大。

（ 2 ） 污染物排放的不确定性和随机性。农村面源 污染物的排放受时间、 空间的影响较大，排放过程具 有明显的不确定性和随机性。 同时，农户的施肥行为、生活用水等习惯、 畜禽养殖等行为都因人的主观意愿 而变，加上大部分农村面源污染的发生受降雨事件的 驱动，决定了农村面源污染排放源、 排放时间以及空 间分布的不确定性和随机性 ^[20] 。此外，污染物在进入 水体之前的沿程迁移路线千差万别，无疑加大了污染 负荷估算的难度。

（ 3 ） 污染物以水为载体，其产流、 汇流特征具备较 大的空间异质性。 农村面源污染实际上是指对水体的 污染，各种污染物以水为载体，通过扩散、 汇流、 分流 等过程进入水体。由于农村地域宽广、 土地利用方式 多样、 地形地势复杂，这就造成降雨引起的产流汇流 特征受空间地形的影响，具备较大的空间异质性，污 染物的排放区和受纳区难以准确辨认，污染高风险区 难以辨识。

（ 4 ） 污染物具有量大和低浓度特征，难治理，成本 高，见效慢。 不同于点源污染，农村面源污染物一般是 COD、 TN 和 TP，排放的大部分污染物在进入水体后 浓度相对较低，TN 浓度一般低于 10 mg · L^-1 ，TP 浓度 一般低于 2 mg · L^-1 。由于浓度低，污染物来源多而分 散，造成治理难度加大，传统的脱氮除磷工艺去除效 率较低且成本高，见效慢。有效去除低浓度的面源污 染物是当前面临的一大难题。 2 面源污染治理的整体思路

鉴于农村面源污染来源复杂和分散、发生随机、 污染物浓度低、 难以治理等特征，以及我国农村生态 环境的现状，农村面源污染的治理要取得实效，必须 因地制宜，从污染物的排放、 迁移、 污染成灾等过程入 手，实行从 “源头减量-过程阻断-末端治理”的全过 程控制，同时兼顾污染物中养分的农田回用。 同时，在 农村面源污染治理中必须遵守以下 4 个原则：

（ 1 ）总量削减与过程控制相结合。 污染物总量削 减是目标，污染物的过程控制是保障。只有在污染物 削减总量目标的指引下，有计划有目的地进行过程控 制，才能达到预期的效果。

（ 2 ） 污染治理与养分再利用结合。 污染物治理是 根本，养分再利用是途径。氮磷养分等进入水体后成 为污染物，但对于农田和作物，其是重要而必不可缺 的养分。因此，对养分进行再利用是减少污染的一个 有效途径，不仅可以减少污染治理的成本，还能实现 资源的再利用。

（ 3 ） 技术研究与工程应用结合。 先进有效的技术 是前提，但技术必须以工程的形式进行应用，也是对技术效果及其可行性的检验。两者结合并付诸实施， 才能提高面源污染治理的效果。

（ 4 ） 污染物管理与生态文明建设结合。要从根本 上减少农村面源污染，一定要加强对污染物的管理， 建立一定的激励或惩罚机制，并结合农村的生态文明 建设，使农民从思想上重视农村面源污染的严重性及 其后果，提高农民的生态环境意识，鼓励广大农民全 身参与，以身作则，才能真正实现农村面源污染治理 的效果，改善农村生态环境。 3 面源污染治理的 4R 技术体系

农村面源污染治理的 “4R” 控制技术，即源头减 量 （ Reduce ） 、过程阻断 （ Retain ） 、 养分再利用 （ Reuse ） 和 生态修复 （ Restore ） 技术，四者之间相辅相成，构成一 完整的技术体系链 （ 图 1 ） 。“ 4R” 控制技术体系是以污染 物削减为根本，从污染物的源头减量入手，根据治理 区域的污染汇聚特征进行过程阻断，通过对养分的循 环再利用减少污染物的入水体量 （ 图 2 ），并对水体进 行生态修复 （ 图 3 ），从而实现水质改善的目的。源头 减量-过程阻断-生态修复三者之间在逻辑上是一环 紧扣一环，呈串联结构，但在实施地域的空间上则是 互相独立的； 养分再利用则把三者在地域空间上有效 的连接起来，使其成为一个复杂的网络体，从而达到 污染控制技术在时间和空间上的全覆盖，使整个系统 的污染控制效果更好。 要实现农村面源污染的有效控 制，“4R” 技术缺一不可。“4R” 技术体系的构架如下：

图 1 面源污染治理 “4R” 技术体系构架图 Figure 1 The frame of the 4R technology on controlling non-point source pollution

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图 2 农村各类养分的循环利用示意图 Figure 2 The pathway of the nutrients reuse in countryside

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图 3 农村水体的生态修复技术系统 Figure 3 Restoration of water body in countryside

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源头减量技术即通过农村生产生活方式的改变 来实现面源污染产生量的最小化。 针对高度集约化的 农田，可根据作物高产养分需求规律以及土壤供肥 特征等进行肥料优化管理，采用新型缓控释肥或新的 按需施肥技术，提高肥料利用率，减少化肥用量 ^{[21, 22]} ； 也可通过种植制度等的调整如改稻麦轮作为稻-绿肥 轮作、稻-蚕豆轮作或稻-休闲来减少化肥投入量 ^[23] ； 也可通过施用肥料增效剂、 土壤改良剂等增加土壤对 养分的固持，从而从源头上减少养分流失 ^[24] 。针对果 园的养分流失，可采用桃园生草覆盖技术，既减少了 土壤的地表径流，也可增加桃园有益昆虫的数量，增 加生物多样性而减少桃树病虫害的发生，减少农药用 量 ^[25] 。针对分散畜禽养殖和农村固废，改传统的养殖 方式为生态养殖方式，如改变传统的水冲圈养猪方式 为生物发酵床养殖 ^[26] ，并加强对畜禽粪便以及农村固 废的管理和无害化处理，减少露天堆放，从而减少污染的发生。 针对陆域水产养殖，可采用优化投饵方式， 并循环用水，实现养殖废水的循环利用，从而达到污 染物的零排放或最小排放。针对村镇地表径流，通过 增加地面的透水性能，如设置生态吸水路面等，减少 地表径流的源头发生量。 3.2 过程阻断 （ Retain ） 技术

过程阻断技术指在污染物向水体的迁移过程中， 通过一些物理的、生物的以及工程的方法等对污染物 进行拦截阻断和强化净化，延长其在陆域的停留时 间，最大化减少其进入水体的污染物量。目前常用的 技术有两大类，一是农田内部的拦截，如稻田生态田 埂技术（ 通过适当增加排水口高度、 田埂上种植一些 植物等阻断径流） ^[27] 、生物篱技术 ^{[28, 29]} 、 生态拦截缓冲 带技术 ^{[7, 8]} 、设施菜地增设填闲作物技术 （夏天蔬菜揭 棚期种植甜玉米等填闲作物对残留在土壤中的多余 养分进行回收利用，阻断其渗漏和径流） ^[30] 、 桃园生草 技术（ 果树下种植三叶草等减少地表径流量 ）。 另一大 类是污染物离开农田后的拦截阻断技术，包括生态拦 截沟渠技术 ^[31] 、 人工湿地塘技术 ^[32] 、 生态丁型潜坝技 术（一种用于河流污染治理的生态丁型潜坝，发明 专利，申请号： 20110403497.8 ） 、 生态护岸边坡技术、 土地处理系统等。 这类技术多通过对现有沟渠塘的生 态改造和功能强化，或者额外建设生态工程，利用物理、 化学和生物的联合作用对污染物主要是氮磷进行 强化净化和深度处理，不仅能有效拦截、 净化农田污 染物，还能汇集处理农村地表径流以及农村生活污水 等，实现污染物中氮磷等的减量化排放或最大化去 除。 3.3 循环利用 （ Reuse ） 技术

循环利用技术即将污染物中包含的氮磷等养分 资源进行循环利用，达到节约资源、减少污染、 增加经 济效益的目的。 对达标排放的农村生活污水尾水以及 河道低污染水，可回灌农田尤其是稻田，通过植物的 吸收以及土壤等的吸附固持，实现低污染水中氮磷养 分的再利用，不仅能控制污染，又能减少化肥投入，实 现生产和环境的双赢。如低污染水的稻田净化技术， 即利用稻田对旱地排水以及农村生活污水尾水等低 污染水进行净化处理，稻季只需补充正常施肥量的 30%~40%左右即可保证达到农户的正常产量，可减 少养分环境排放 TN 90 kg · hm^-2 以上，TP8 kg · hm^-2 以 上（ 内部资料^②）。 此外，还可对旱地 （ 果园和菜地 ） 的径 流进行收集，回灌到稻田中去，实现养分的循环利 用。针对陆域水产养殖，可采用水产养殖污水序批式 置换循环再利用技术，可实现陆域水产养殖用水 的内循环，基本实现污染的零排放 （一种养殖污水序 批式循环处理与再利用系统，实用新型专利,授权号:201120198978.5 ） 。 农村固体废弃物和生活垃圾等，其 中的有机部分可采用无害化堆肥技术，畜禽粪便可采 用肥料化、 沼气化等技术，实现废弃物中养分资源的 循环再利用。

生态修复是农村面源污染治理的最后一环，也 是农村面源污染控制的最后一道屏障。狭义的讲，其 主要指对水体生态系统的修复，通过一些生态工程修 复措施，恢复其生态系统的结构和功能，包括岸带和 护坡的植被、 濒水带湿地系统的构建、 水体浮游动物 及水生动物等群落的重建等，从而实现水体生态系统 自我修复能力的提高和自我净化能力的强化，最终实 现水体由损伤状态向健康稳定状态转化。 目前常用的 技术有河岸带滨水湿地恢复技术、 生态浮床技术 ^[13] 、 水产养殖污水的沉水植物和生态浮床组合净化技术 ^[14] 等。 针对农村河道的低污染水，以水稻作为浮床植物， 采用水稻组合生态浮床修复水体技术，弥补了传统生 态浮床处理效率不稳定、 应用过程中成本无法部分补 偿的缺点，不仅可获得一定的水稻产量，对开放水域 NH₄⁺-N、 TP 的处理效率达到 19%和 22%以上（ 内部技 术报告 ）。 通过多种技术的应用组和，可以达到农村面 源污染的有效控制 ^{[33, 34]} 。

更广义的讲，生态修复是指农业生态系统的整 体修复，通过生态工程措施恢复和提高系统的生物多 样性，从而实现生态系统的健康良性发展 ^[35] 。 4 面源污染治理 “4R” 技术的工程应用与效果

“十一五” 期间，在国家水专项课题 “闸控入湖河 流直湖港及 其小流域污染控制 技术与工程示范” （ 2008ZX07101-005 ） 的资助下，在对闸控河道直湖港水文水动力学特征及污染来源解析的基础上，基于闸 控河流污染控制的区域联控策略，以提出的“4R”技 术为支撑，结合直湖港小流域的地形水系特点，重点 选择直湖港下游胡埭镇龙延村作为综合示范区 （面积 为 2 km² ） 进行技术系统的设计，建设 “点（ 源） 原面 （ 源） 原线 （ 河道 ） ” 的面源污染控制系统示范工程，基本实现 了示范区内全过程、 全区域的覆盖以及不同工程之间 的无缝对接。 示范区由陆域清水入河示范工程和河道 水质改善及生态修复示范工程两部分共 9 个小示范 工程组成（ 具体分布如图 4 ），各个示范工程的技术组 成如表 1。

图 4 核心示范区的示范工程分布图 Figure 4 The distribution of the technology demonstration in the experimental area

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表 1 示范区相关示范工程的技术组成 Table 1 The technologies used in the demonstration area

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通过系统设计和工程实施，改变了以往农田污染 物的无序直排现象，实现了示范区内污染物的有序控 制以及污染物中氮磷养分的多级阻控和循环利用，使 稻田由原来的污染源变成污染物的消纳汇，克服了以 往治理工程之间的分散独斗等缺点，通过工程之间的 系统整合，从而使示范区的污染物控制效果大幅提 高，整个区域的水环境质量得到了提升。

核心示范区 TN 入河量由实施前的 10 368 kg · a^-1 削减为 5 436.8 kg · a^-1 ，削减率为 47.5%。朱家浜支浜 的水质明显改善 （ 图 5 ），提升 1~2 个等级，其中 TN 平 均降幅达 70.2% （由 6.34~8.83 mg · L^-1 降至 1.13~3.78 mg · L^-1 ），COD_Mn 平均降幅 55.7% （由 9.60~15.6 mg · L^-1 降至 4.52 ~7.7 mg · L^-1 ），NH₄-N 平均下降 84.1% （由 2.66~5.33 mg · L^-1 降至 0.29~1.28 mg · L^-1 ），TP 平均降 幅 25. 0% （ 由 0. 17~0. 47 mmg · L^-1 降至 0. 11~0. 27 mg · L^-1 ）。

图 5 朱家浜水质改善效果 （ 示范工程 2010 年4 月起运行） Figure 5 The change of water quality in Zhujiabang （ The experiment started from April 2010 ）

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近 20 多年来，中国已经成为世界上湖泊富营养 化最严重的国家之一。在污染的地表水体中，农业面 源污染所占份额越来越高，农业面源污染的危害也日 益严重，对农业面源污染采取有效的控制措施，并进 行农业面源污染控制工程建设已经成为中国地表水 环境保护工作的当务之急。 本文在系统研究了农村面 源污染特征的基础上，创新性地提出了农村面源污染 控制的总体思路和“4R”成套技术，不仅丰富了农村 面源污染治理的理论，也在农村环境治理中得到了有 效的应用。在“4R” 技术的支撑下，通过污染物的区域联控，改变了以往农田污染物的无序直排现象，实现 了示范区内污染物有序控制、 污染物中的氮磷养分多 级阻控和循环利用，使稻田由原来的污染源变成污染 物的消纳汇； 通过工程之间的系统整合，克服了以往 治理工程之间的分散独斗等缺点，不但可以有效防控 农村面源污染的发生、 发展和产生，而且还能够有效 地削减农村面源污染的负荷，减少污染物进入水体， 从而减轻面源污染对主要河流及湖泊水体的污染。本 文研究结果对于集约化农区面源污染综合防控理论 和技术体系的发展具有十分重要的意义。