我国农田生态环境质量现状及发展对策

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(中国科学院 东北地理与农业生态研究所 黑土区农业生态重点实验室， 吉林 长春 130102)

0 引 言

农田生态环境质量是指保持农田生产力、维持农田环境质量、促进农作物安全生产的适宜程度。我国是农业大国，农业是国民经济的基础。保障国家粮食安全和农产品安全是建设现代农业的首要任务。然而，长期以来，农业生产受利益驱动，片面追求高产，过量使用化肥、农药及除草剂等化学品，导致了农田土壤板结，犁底层增厚并上移，侵蚀加剧，土壤酸化，农药毒性残留，造成环境污染，破坏了生态平衡，严重威胁着我国农产品安全和人民健康。为此，我国十分重视农田生态环境问题，近年来提出了“绿水青山就是金山银山”的新思想、新理念，同时也出台了一系列生态环境保护与治理的政策措施。然而，受污染生态环境的治理和修复是个相对缓慢的过程，特别是农田生态环境的恢复通常需要几十年甚至百年时间。

1 我国农田生态环境质量现状及成因

改革开放以来，随着我国工业化进程加快和经济高速增长，耕地被占用，耕地质量下降及耕地污染等问题十分突出。2009-2014年，全国耕地面积减少198.1万hm2，而通过土地整治、农业结构调整等方式耕地面积增加165.4万hm2，所以，耕地面积净减少了32.6万hm2，耕地占补平衡尚未真正形成[1-2]，见图1。

图1 2009-2014年我国耕地面积变化Fig.1 Annual change of arable land area in China from 2009 to 2014

农业部对全国耕地按质量等级进行评价的结果显示，全国优等地386.5万hm2，占2.9%；高等地3 577.6万hm2，占26.5%；中等地7 135.0万hm2，占52.9%；低等地2 394.7万hm2，占17.7%；总体上耕地质量偏低，中低产田是主体(占70.6%)[2-3]。

1.1 耕层变薄，土壤有机质含量降低，土壤养分不均衡

东北黑土区农田土壤腐殖质层已由20世纪50年代的40～60 cm，下降到目前的20～30 cm，甚至有3%的耕地土壤腐殖质层完全消失[4]；华北地区因多年浅层旋耕，土壤耕层仅有13～15 cm，犁底层加厚至5～8 cm。耕层变薄，导致土壤保水保肥能力降低[5]。根据全国第二次土壤普查结果，有10.6%的耕地土壤有机质低于6 g·kg-1，超过87.8%的耕地土壤有机质出现了不同程度的下降。其中，南方地区土壤有机质降低幅度多低于10 g·kg-1，北方地区降低幅度超过20 g·kg-1，黑土区耕层土壤有机质含量正以每年0.5%的速度递减，作为商品粮最大产区之一的三江平原，土壤有机质含量下降到30～50 g·kg-1，仅为开垦前的25%。土壤养分分布不均衡，全国52.6%的耕地缺磷，23%的耕地钾不足，14%的耕地磷钾都不足，25.6%的耕地缺硼。东北黑土区土壤氮、磷营养元素储量分别下降30%～60%、16%～24%。华北平原土壤全氮含量不足1 g·kg-1[6]。

1.2 化肥和农药的过量使用及农膜不回收，加速土壤退化和污染

改革开放以来，有机肥施用逐年减少，土壤养分失衡，为了追求作物高产，过量施用化肥以弥补养分不足，化肥利用率低，加剧了土壤退化和污染，降低了土壤生物多样性。改革开放前(1975年)，有机肥占肥料总投入量的60%以上，单位面积化肥施用量仅70 kg·hm-2，与世界同期水平持平[7]；此后农田化肥用量迅速增长，2000-2014年间我国化肥用量年均增加141.0万t，至2015年，我国农田化肥总用量达6 022.6万t(图2)，占世界化肥总用量的1/3，单位面积施用量490 kg·hm-2，分别是法国、德国和美国的1.5倍、1.6倍和3.3倍，是世界平均水平的3.8倍，远超过发达国家提出的225 kg·hm-2的安全标准[8]。过量及不合理的化肥施用改变了耕地土壤理化性状，引起土壤酸化、板结及肥力下降等问题。化肥的过量投入，使得其利用率仅有30%～40%。大量剩余的化肥被淋洗或通过径流损失，平均每年流失的氮肥量超过170万t[9]。流失的化肥成为了环境污染源(表1)，导致环境污染加剧。

图2 1980-2015年我国化肥施用量变化Fig.2 Annual change of chemical fertilizer application in China from 1980 to 2015

表1 全国及东部、中部、西部化肥投入与环境污染系数Table 1 Chemical fertilizer application and environmental pollution coefficient in eastern,central and western China

自2001年以来，我国农药使用总量(商品量)迅速增加，在2001-2014年间由127.5万t增至180.7万t，年均增长率达3.0%；农药使用强度由9.8 kg·hm-2增加到14.8 kg·hm-2(图3)，比发达国家高出1倍多，约为世界平均水平的2.5倍[10]。由于自然环境、种植业结构及耕作制度的显著变化，不同地区农药使用量存在较大差异，但总体与海拔高度呈相反的地域分布，即农药使用量和施用强度较高的地区主要分布在中东部农产品产量大、品种丰富的农业大省，尤其是以经济作物为主的东南地区。全国农药使用量最低的是西藏，最高的是山东省，约为西藏的150倍；施用强度最低的为西藏，最高的是海南省，约为西藏的90倍[11]。农药施用后有50%～60%在土壤中残留，造成土壤污染，已经长期停用的DDT目前在土壤中的检出率仍然很高。全国受农药严重污染的耕地土壤面积已超过900万hm2[12]。

图3 2006-2014年我国农药用量变化Fig.3 Annual change of pesticides application in China from 2006 to 2014

随着耕作、节水等技术的发展与普及，农用塑料薄膜用量逐年增加，2014年全国农用塑料薄膜用量258万t(图4)。由于回收意识和技术不足，农用塑料薄膜大量残存于农田，其自然降解需要百年以上，因此严重影响了土壤的通透性、土壤水分和养分的运移，成为“白色污染”。在新疆，种植棉花10～15年的土壤地膜残留量平均为324 kg·hm-2[2]。

图4 我国农用塑料薄膜用量变化Fig.4 Annual change of agricultural plastic film application in China

我国被重金属污染的土壤面积约2 000万hm2，占耕地总面积的1/6，其中被污水灌溉污染的耕地达217万hm2，工业“三废”污染的耕地近700万hm2[5,13]。据中国环境监测总站调查结果显示，黑土区97.9%的土壤属于清洁区，受重金属和农药的污染程度很低，仅2.1%的土壤处于警戒范围。因此，黑土区是生产绿色食品的理想基地。潮土区98.7%的土壤属于清洁和尚清洁区，1.3%的土壤处于警戒范围，仅中部1.4%的土壤出现重金属镉污染。水稻土区95.7%的土壤属于清洁和尚清洁土壤，3.8%的土壤有轻度污染，而中度和严重污染的土壤仅占0.4%，重金属汞、铜的污染仅在局部地区出现，分别占水稻土总面积的9.4%和0.06%[6,14]。红壤健康质量总体良好，只有部分矿区和其他很少地区出现不同程度和类型的重金属污染[15]。

1.3 水土流失导致坡耕地退化，部分地区土壤酸化现象加重

水土流失导致坡耕地土壤退化。全国水土流失面积达356万km2，其中坡耕地2 393万hm2，水土流失致使大片耕地被毁，耕地质量下降[2]。上世纪50年代以来，全国因水土流失而损失的耕地超过400万hm2。东北黑土丘陵区有100 m以上的侵蚀沟29.3万条，水土流失面积近200万hm2；中度、重度侵蚀黑土比未开垦黑土的容重分别增加31.6%、39.7%，田间持水量分别下降8.1%、11.5%。贵州省毕节市、重庆市万州区等地区超过60万hm2的坡耕地因水土流失而石漠化[4-5]。

大气酸沉降和施肥不合理导致大面积农田酸化，全国有21.6%的耕地严重酸化，pH平均降低了0.85个单位。水稻土区有91.6%的土壤pH值下降，黑土区土壤pH值平均降低了0.33个单位，潮土区土壤pH平均值从8.9降至8.0[6]。

2 我国农田生态环境质量发展趋势分析

2012年以来，国家相继发布了多项有关农田生态环境保护的政策措施，例如：化肥和农药减施、大气污染防治、水污染防治及土壤污染防治等，加大了对生态环境保护和治理的力度。

发达国家农田生态环境质量变化经历了退化，治理，良性发展的历程。以美国为例，从新大陆发现之初的大规模、高强度开发，特别是美国西部大开发，过度开垦、过度放牧，导致农田生态环境急剧恶化，至20世纪30年代暴发了美国历史上最严重的人为生态灾害“黑色风暴”，造成粮食大幅度减产。为此，美国开始推行农田土壤保护的政策和措施，经过近10年的治理，土壤荒漠化得到了有效遏制，美国西部大平原因此而成为了重要的粮食生产基地[16]。然而，20世纪50年代以后，随着工业迅猛发展导致耕地被占用和破坏，化肥、农药等化工产品的大量使用加重了环境污染，导致农田土壤板结，土壤有机质含量降低以及土壤微生物活性减弱。随着经济的发展，美国民众生活水平、科学文化素质不断提高，对健康生活环境的要求也明显提高，1970年4月22日首个“地球日”，人类历史上第一次大规模的环境保护运动在美国爆发，促使美国农业环境治理迈向法制化。美国成立了国家环境保护署，并颁布了一系列环保法案，环境保护从以治为主变为以防为主，至20世纪90年代，美国土壤侵蚀、水土资源污染等问题得到显著改善。2000年以后，随着新的环境保护政策的实施、新技术的应用以及环境保护资金投入的加大等，特别是大型农场农牧结合的经营模式，促使美国农田生态环境逐步进入良性发展期[17]。

发达国家的发展经历表明，当经济发展到一定水平，居民对健康的需求迫切，环保意识增强，政府在环境治理、保护的政策措施上进行了巨大变革并加大在技术和资金上的投入力度之后，经过一定滞后期，农田生态环境才能步入良性发展期[18]。例如：美国因大规模开发和经济发展导致的耕地丧失、质量退化问题，从治理政策出台，实施到环境改善经历了10～20年时间；因工业污染及化肥农药使用带来的农业生态环境质量下降问题，从治理政策出台，实施到环境改善，经历了20～30年时间。

化肥和农药的使用与经济发展水平密切相关，人均GDP达到8 000～10 000美元时，化肥和农药使用由快速增长转入缓慢增长期，当人均GDP大于10 000美元时，化肥和农药使用量开始下降。2016年我国人均GDP已经超过8 000美元，标志着我国将进入化肥和农药使用量缓慢增长期，国家出台了化肥、农药零增长行动方案，化肥、农药快速增长势头被有效遏制(2000-2014年化肥用量年均增加141.0万t)，2016年化肥和农药用量基本实现了零增长，而替代化肥的有机肥用量大幅增加。主要粮食作物的化肥利用率为35.2%，比2013年提高2.2%；农药利用率36.6%，比2013年提高1.6%。但是我国东、中、西部地区间发展不均衡，中、西部地区经济发展水平相对较低，化肥和农药用量仍在增长。预计2025年，化肥、农药使用量将逐渐下降[19-20]。此外，在农用塑料薄膜回收、荒漠化治理方面，国家也加大了整治力度；在新疆、甘肃等6省(区)开展了地膜回收利用试点，回收地膜的耕地面积为80.8万hm2。2015年，酸雨区(长江以南-云贵高原以东地区)面积约72.9万km2，占国土面积的7.6%，比2010年下降5.1%。水土流失治理面积逐年扩大，2015年达到7.4万km2；2015年全国荒漠化土地面积为261.2万km2、沙化土地面积为172.1万km2，分别比2009年净减少了1.21万km2和9 902 km2[2]。然而，我国人多地少矛盾十分突出，随着经济快速发展，耕地被占用问题难以从根本上解决，但可以通过耕地占补平衡措施缓解矛盾，预计2025年可实现耕地绝对数量的稳定。

农田生态环境的演变、污染物积累是缓慢过程，其治理和修复也是缓慢过程。例如，土壤有机质下降是缓慢的，其恢复也需要几十年甚至百年的漫长过程；农药化肥在土壤中的残留积累已有30～40年，修复土壤板结、酸化等退化问题也是缓慢的，即使增加有机肥的投入、实行配方施肥和均衡施肥，可在某种程度上加快修复的速度，但至少也需要20年；水土流失和土地荒漠化治理需要很大的资金投入，目前仅在典型区开展治理试点工作，如果能在工程措施、耕作技术措施等多个方面全面展开，其治理和修复见效会很快。

依据库兹涅曲线显示的经济发展水平与农田生态环境质量的关系，东部经济发达地区已经接近或者达到了农田生态环境质量向好的拐点位置，中部地区仍处于农田生态环境质量缓慢退化阶段，西部地区尚处于农田生态环境质量快速退化阶段[21-22]。此外，我国城乡差距大，城镇人均可支配收入是农村人均可支配收入的2.7倍，居民的生活需求和环境保护意识也存在较大差异。但是，随着环境治理政策的深入贯彻和执行，技术的应用推广以及资金投入的加大，我国农田生态环境质量预计在2025年总体会出现明显好转，耕地质量逐步提升，土壤污染程度逐渐降低，水土流失和荒漠化面积进一步缩减。2050年将步入农田生态环境的良性发展期。

3 尽快实现农田生态环境质量改善的对策建议

3.1 加强中低产田治理和退化农田修复，严格实行耕地占补平衡

我国中低产田占耕地总面积的70.6%，尤其是中产田占52.9%，这部分耕地在地力提升和产能提高方面有较大的增长空间。应针对不同区域中低产田土壤主要障碍因素，如东北黑土区土壤肥力快速衰退和水土流失，西北半干旱区水蚀、风蚀应力作用下的土壤侵蚀，东南沿海经济发达区土壤污染和大规模非农占用，西南地区土层浅薄、水土流失和土壤酸化，华北平原与黄淮海地区土壤贫瘠、水资源严重亏缺，内陆盆地土壤次生盐碱化，以及多数地区耕地用养失调的土壤养分失衡等，研究土壤生产功能关键要素消长规律与肥沃耕层构建技术，提高耕地土壤养分利用效率；研究土壤生态调理剂，控制或消减中低产田土壤障碍因子，实现土壤肥力和缓冲能力的提高，提升农田土壤质量。

加大基本农田保护区建设，粮食主产区(如东北平原、黄淮海平原及长江中下游等)以保护和稳定为主，生态脆弱区以培育高标准基本农田为主。加大水土流失治理工程建设，将水土流失治理与高经济效益植物种植有机结合，实现治理中提高效益的目标。在东北黑土区，采取等高耕作条带种植技术，双埂带高经济效益植物栽培；在黄土高原区，采取退耕还林还草、修筑梯田等措施治理水土流失；在内陆盐渍化盆地，采用水利与农艺相结合的措施，一方面完善灌排工程，合理灌溉，同时调整种植结构，增加地表覆盖，加强保墒等，控制土壤盐分和碱度；在农牧交错带，合理规划基本农田和草场，采用草田轮作、少耕免耕等技术控制土壤风蚀；在南方岩溶地区，以采取水利措施为主，同时采取退耕还草、在缓坡地修建梯田等措施[5]。

我国污染耕地约有1亿hm2，中、重度污染耕地超过330万hm2。针对不同程度污染的土壤，采用不同的治理措施。针对矿区、油田、污灌区、工业污染排放区、垃圾堆放区、设施农业种植区、城市周边地区及土壤背景值较高的区域等，应根据土壤污染类型及强度，加强物理、化学、生物和联合修复技术及产品的开发；针对潜在污染区域，应根据不同作物对污染物及食物安全性的敏感度差异，采取边利用边修复的方法。

严格执行耕地占补平衡，对非农用占用耕地实行先补偿后占用，有条件的地区可实行跨区域、跨流域的耕地占补平衡。

3.2 增加有机肥投入，全面提升耕地质量

有机质是土壤肥力的关键指标，其含量和组成直接或间接地影响土壤物理结构、土壤动物与微生物的多样性及活性、土壤保肥和缓冲能力等，对作物生长和产量起着决定性的作用。研究表明，土壤有机质含量每提高0.1%，粮食产量的稳产性可以提高10%。有机肥资源应当高效、循环利用，包括生活厨余垃圾和粪便、畜禽粪便、作物秸秆、绿肥作物、农业废弃物、食品加工厂下脚料、酒糟及蘑菇基等。加强有机肥制作工艺、除臭及快速发酵等技术研发，在专业养殖比较集中的地区或者依托大型养殖场，建立工厂或车间生产有机肥，提高有机肥资源化、规模化和产业化水平，促进有机肥资源的高效、循环利用。

因地制宜的开展农作物秸秆还田，玉米秸秆可采用直接还田、生物堆腐造肥还田和过腹还田等技术还田，以提高土壤有机质；水稻或冬小麦秸秆可采用高留茬翻埋还田，生物催腐技术和场地式稻草生物发酵造肥还田，机载式秸秆粉碎抛撒还田和复种绿肥技术等[23]；此外，结合测土配方施肥，通过在化学肥料中添加腐殖酸等有机物料的方法生产有机无机复合肥或生物肥料等。

3.3 减少化肥和农药用量，推广低毒和生物农药，加强农用地膜回收和推广降解地膜

全面实行测土配方施肥，因土施肥、养分均衡；引导肥料生产企业生产配方肥，提高化肥利用率，减少化肥用量。在农药方面，研究农药降解规律及其与环境的关系，研发和应用低毒农药、生物农药等环境友好型农药，研发和推广病虫害生物防治技术。限制难分解地膜的使用，全面推广使用自然降解地膜。

3.4 推广保护性耕作等新型耕作模式

保护性耕作技术具有保护土壤、防止风蚀水蚀的作用，还具有涵养土壤水分、降低蒸发、改善土壤理化生物特性及提高土壤有机质含量的功能。因此，应研发针对我国不同地域特点和土壤类型并与传统耕作模式相结合的保护性耕作技术，包括与之相匹配的保护性耕作机械、科学施肥技术及病虫草害生物防治技术等[24]改善农田生态环境质量。

土壤肥沃耕层构建技术针对部分质地黏重、板结和结构性差、耕层浅薄的土壤，研发和应用秸秆深翻埋(30 cm)还田技术、秸秆炭化还田技术和粮食-豆科作物轮作技术，改善土壤结构，提升农田地力[25]。

作物苗带轮替休耕模式是依据日照方位变化、季风特点设置作物种植垄向，依据作物生长习性和株高设置垄距，集成适于密植的作物品种、科学的水肥管理。既降低生产成本又提高作物产量，改善作物品质，而且具有苗带交替休耕轮作促进土壤修复和培肥、秸秆覆盖还田减少土壤侵蚀等多种功能[26]。

粮草(饲)轮作-牛(羊)养殖生态农业模式可以依托大型牛(羊)养殖企业，根据企业规模划定周边一定区域与养殖企业合作构建种养一体化生态农业发展模式。耕地采取粮食、饲草轮作种植，产品供应养殖企业；养殖企业的粪便等废弃物，经过发酵加工生产有机肥，满足农业生产需要，实现资源的循环利用。

3.5 建立农田生态环境质量监测预警平台和专家支持系统

构建农田环境质量信息化管理预警平台和专家支持系统，可对农田环境质量进行定量准确评估，对土壤污染、盐渍化、酸化及养分失调等可能出现的问题及时预警，快速预报土壤墒情，进而有针对性地制定农田地力恢复和提升技术方案。建立耕地质量监管长效机制，加强对耕地投入化学品(农药、化肥及农膜等)的生产过程、使用过程的全程监管，确保农田生态环境质量良性发展[17]。

3.6 健全生态环境补偿机制

一是减少化肥施用、增加有机肥施用的生态补偿，促进对畜禽粪便、厨余垃圾进行无害化和资源化处理，发展循环农业、生态农业；二是绿肥种植和病虫害安全防治生态补偿，鼓励利用冬闲田和边隙地种植绿肥并给予补贴，推广使用生物、机械和安全农药进行病虫害防治并给予补贴；三是农田地膜残留污染综合治理生态补偿，对残留地膜回收、全降解地膜的使用给予补贴；四是农作物秸秆还田科学利用生态补偿，倡导秸秆粉碎还田、覆盖还田以及堆腐还田等技术的应用并给予补贴。建立稳定的补偿资金来源渠道，除财政列出专项补贴资金外，鼓励社会和民间资本投入生态环境治理，对参与农业生态环境治理的企业给予减免税政策。对有机肥生产加工企业给予减免税政策，在贷款、用地等方面给予优惠政策，实行商品有机肥使用补贴，加快推动有机肥应用的步伐[27]。