信江流域氮磷污染負荷估算及其控制對策

李艷紅，葛 剛，吳根林，匡薈芬，胡春華*

(1.南昌大學鄱陽湖環境與資源利用教育部重點實驗室，資源環境與化工學院，江西 南昌 330029；2.江西省水利科學研究院，江西 南昌 330029)

近年來流域污染問題日益突出，是國內外密切關注的環境問題[1-2]，點源和非點源污染物中氮磷等營養物質大量進入水體是造成流域水環境污染的重要原因[3-4]。國內外在河流、湖泊等水環境保護方面已開展大量關于污染負荷和總量控制的研究，美國非點源污染約占污染總量的2/3，農業非點源是全美河流污染的首要污染源[5]，荷蘭的水環境污染中60%TN和40%～50%TP是由農業非點源污染引起的[6]。我國不同流域水環境污染中點源污染和非點源污染貢獻率存在一定的差異，高州水庫的水環境污染中90%以上的TN、TP是由非點源污染引起的[7]，長江流域農業非點源TP和TN污染的貢獻率分別達到了86%和77%[8]，程海流域氮磷污染負荷主要來源于農業排放[9]，杞麓湖流域氮磷污染主要以城鎮生活污染為主[4]。估算流域污染負荷，對流域污染負荷進行全面解析，對于掌握水環境質量主要污染來源和識別流域污染控制優先區域具有重要意義。點源污染通常采用資料查詢、實地調查和現場監測等[10]，非點源具有廣泛性、隨機性等，不易被監測，通常采用輸出系數法[11]，水文分割法[12]，綜合調查法[13]，排污系數法[14]等進行估算。輸出系數法需求參數少，可操作性強，在較大流域污染負荷估算方面具有適用性，且具有一定的精度，因此在非點源污染負荷估算方面得到廣泛的應用[11-15]。

信江作為鄱陽湖五大水系之一，其水體生態環境不僅對信江流域社會和經濟的發展至關重要，而且對鄱陽湖水生態環境有直接影響。隨著經濟的快速發展，人口密度逐漸增大，信江流域面臨著環境問題日益凸顯，水體水質下降等問題，對流域的環境保護帶來嚴重的不利影響。因此，運用輸出系數法對信江流域的總氮、總磷污染負荷進行估算，并結合地理信息系統(GIS)對流域內氮磷污染負荷的空間分布特征進行分析，以期為信江流域污染治理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

信江是鄱陽湖流域五大入湖河流之一，位于江西省東北部，發源于浙贛兩省交界的懷玉山的玉京峰，干流自東向西，先后流經玉山縣、廣豐區、信州區、上饒縣、鷹潭市等，在余干縣匯入鄱陽湖，全長359 km，流域面積17 599 km2，其中江西境內面積為14 516 km2。本文研究區域主要為江西省境內，涉及上饒市信州區、鉛山縣的全部及玉山、廣豐、上饒、弋陽、橫峰和余干縣的部分，鷹潭市月湖區、貴溪市(包括龍虎山區)的全部及余江區的部分，撫州市的金溪、資溪和東鄉3個縣(區)，共14個縣(市、區)(見圖1)，其中，撫州市、上饒市和鷹潭市在信江流域的面積分別為1 544，9523，3449 km2。信江流域多年平均水資源量為186.5 億m3，流域屬亞熱帶季風濕潤氣候區，氣候溫和濕潤，雨量充沛，多年平均降水量為1876 mm；土壤類型為紅壤、棕壤、灰棕壤、紫色沙壤土等，主要土壤類型以典型強淋溶土、旱耕人為土為主；2018年信江流域總人口499萬人，其中農業人口為216萬人。

圖1 信江流域研究區域范圍圖

1.2 研究方法

信江流域點源污染源包括工業污染和城鎮生活污染，非點源污染包括農村生活、畜禽養殖、農業種植和水產養殖。其中工業污染根據上饒市、鷹潭市和撫州市污染源普查數據獲取，其它污染源入河量根據輸出系數法計算，輸出系數法考慮土地利用的分類，畜禽養殖，生活污染源排放和處理，能較準確估算污染物總量，廣泛應用于污染物負荷的計算[11，18]，考慮到污染物在遷移過程中會產生一定的損失，本文結合入河系數準確估算進入受納水體中污染物的量，采用的輸出系數模型如下[17,19]。

(1)

式中：L為各污染源排入河流的各污染物總量，t/a；n為污染源種類數；Ai為第i種類型污染源的面積或數量，數據來至《2019年江西省統計年鑒》[20]、《2019年上饒市統計年鑒》[21]、《2019年鷹潭市統計年鑒》[22]和《2019年撫州市統計年鑒》[23]；Ei為第i種污染物輸出系數具體取值見表1；Ti為第i種污染源污染物去除率，指生活污水中污染物去除率，根據現場調查，城鎮生活污水污染物去除率取80%，農村取20%；fi為第i種污染源污染物入河系數，數據來自文獻[24]，具體取值見表1。

表1 信江流域污染物輸出系數和入河系數

2 結果與討論

2.1 TN、TP輸出負荷分析

根據計算得2018年信江流域內城鎮生活、農村生活、耕地、園地、畜禽養殖、水產養殖和工業污染產生的氮、磷污染物入湖情況見表2。信江流域2018年TN污染負荷達6 415.62 t，農村生活污染貢獻最大，入河量達1 958.57 t，其次為耕地和畜禽養殖污染，入河量分別為1 572.11和1 120.36 t，水產養殖、園林及工業污染TN入河量較少。流域2018年TP污染負荷為619.19 t，各污染源磷污染貢獻率依次為：農村生活>畜禽養殖>城鎮生活>水產養殖>耕地>工業污染>園地，農村生活、畜禽養殖和城鎮生活磷負荷量分別為198.31，116.20和108.72 t，對信江流域總磷負荷貢獻均較大。整體而言，生活污染和畜禽養殖是信江流域面臨的主要污染問題，TP還需重點控制生活污染。

表2 信江流域各污染源污染物入河量

由圖2可知，農村生活、耕地、畜禽養殖和城鎮生活對信江流域TN的貢獻率分別達30.53%，24.50%，17.46%和16.81%，是TN的主要來源；農村生活、畜禽養殖、城鎮生活和水產養殖對信江流域TP的貢獻率分別達32.02%，18.77%，17.56%和15.88%，是TP的主要來源。流域內生活污水處理設施較少，處理水平遠遠不夠，大多數生活污水直接排入河流，嚴重影響流域水質。耕地污染是由于農業生產使用大量的化肥，信江流域主要流經撫州、上饒和鷹潭，土壤肥沃，河網交錯，上饒更是農業大區，有“江南糧倉”之稱，是全國全省重要的商品糧基地，上饒市每公頃耕地化肥施用量為492 kg，略高于全國平均施用量(419.14 kg·ha)，遠高于發達國家規定施肥的上限225 kg，為其上限的2.19倍，肥料施用量不當，過量的化肥未被農作物吸收，在雨水淋濾作用下經地表徑流和地下滲漏進入環境水體，而硝態氮溶解性很大，極易向水體遷移。隨著經濟的發展，畜禽養殖特別是生豬養殖得到快速的發展，規模化、專業戶、小區養殖越來越多，據統計，2018年信江流域內年末豬存欄數近140萬頭，但是畜禽養殖污染處理率、畜禽糞便還田率、養殖廢棄物無害化利用率低，糞便中的磷元素未經有效的處理隨著廢水、尿液進行到水環境中，對流域水體造成污染，經計算，信江流域內生豬養殖總磷負荷量占畜禽養殖的48.36%，為主要磷污染源；水產養殖污染主要由于投放飼料造成水體中的氮、磷污染。

圖2 信江流域各污染源入河污染負荷

2.2 TN、TP空間分布特征

用GIS軟件將各個縣的TN、TP污染負荷量導入到行政區劃圖中，得出TN、TP負荷的空間分布圖(圖3)，TN、TP年負荷量空間分布較相似，鷹潭的貴溪市、余江區和上饒的廣豐區、上饒縣TN、TP負荷較高。貴溪市是信江流域內面積最大的一個縣級市，且農業人口密度高、耕地面積廣，是全國商品糧基地縣，其播種面積達69 173 ha，為信江流域內糧食作物播種面積最大縣，化肥施用量占鷹潭市化肥總量的45.63%。余江區占地面積雖然不太，但是余江縣人口密度大，且耕地面積廣，且余江區畜禽養殖量是信江流域內最大的縣，其TN、TP負荷主要來源于畜禽養殖。廣豐區和上饒縣是信江流域內人口的兩個縣，且耕地面積也較大，其TN、TP負荷主要來源于農村生活和畜禽養殖排放。信州區和月湖區土地面積較小，且分別為上饒市及鷹潭市的主城區，非點源污染較小，氮磷年排放量較低；橫峰縣由于森林覆蓋率高，人口相對稀少，因此氮磷年排放量也相對較低；撫州市東鄉區、金溪縣和資溪縣在信江流域的面積較小，僅占11.90%，且均處于信江支流的上游區，多為山區，人類活動較小，因此氮磷年排放量也相對較低。

圖3 信江流域TN、TP負荷量空間分布格局

2.3 流域各縣市污染源排污貢獻率特征

由圖4可知，信江流域各縣(市、區)中城鎮生活和農村生活對TN、TP的排污貢獻率之和分別在24.31%～79.13%，26.63%～79.11%之間；畜禽養殖對TN、TP的排污貢獻率分別在4.12%～32.60%，4.21%～38.15%之間；耕地對TN的排污貢獻率在8.68%～51.73%之間，對TP的貢獻率在3.17%～20.28%之間，水產養殖對TP的排污貢獻率范圍為10.03%～29.96%，對TN的貢獻率較低。以城鎮生活為TN入河量主要來源的區域主要為月湖區和信州區，其貢獻率均在40%以上；以農村生活為TN入河量主要來源的區域主要分布在流域上中游，其中玉山縣、上饒縣和鉛山縣農村生活污染源占其TN入河總量的35%以上，廣豐區、橫峰縣、弋陽縣和資溪縣農村生活污染也是TN的主要來源，其入河貢獻率為30%左右。以耕地為TN入河量主要來源的區域主要為貴溪市、東鄉區和資溪縣，其入河中貢獻率均在30%以上。以畜禽養殖為TN入河量主要來源的區域主要為余江區，入河貢獻率達35%，其耕地TN的貢獻率也在25%以上。

圖4 信江流域各縣(市、區)不同污染源TN、TP入河貢獻率

流域內各縣(市、區)農村生活、水產養殖、畜禽養殖TP入河量貢獻率差異明顯。廣豐區、玉山縣、上饒縣、橫峰縣、金溪縣和資溪縣TP的主要來源為農村生活，均占其TP入河總量的35%以上，其中上饒縣農村生活貢獻率達到42.94%。橫峰縣農村生活和畜禽養殖貢獻率之和占其TP入河總量的58.89%左右；弋陽縣畜禽養殖和水產養殖分別占其TP入河總量的24.29%和19.40%；余江區畜禽養殖占其TP入河總量的37.04%，為主要的污染物來源。可見，隨著流域空間分布的變化，各縣(市、區)不同污染源對TN、TP的排放貢獻率表現出一定的規律性特征，流域上中游以農村生活污染為主要污染來源，流域中下游區域人類生產活動更豐富，污染物主要來源種類更多。

3 氮磷污染控制對策

信江流域內氮磷污染源排放主要來源于農村生活污染、城鎮生活污染、耕地污染和畜禽養殖污染，針對不同污染源類型，有針對性的控制污染源，以減少氮磷對信江水環境造成污染。

3.1 生活污染控制

生活污染源主要來源于城鎮生活污染源和農村生活污染源。城鎮生活污染源主要是城市人口集中的城區，污水管網覆蓋面不全面，部分生活污染未經處理直接進入河道，對于城鎮生活水，主要是加大污水管網的覆蓋程度，城鎮生活污染全部收集進入污水處理廠處理后再排放；玉山縣、上饒縣和鉛山縣農村人口基數大，資溪縣、金溪縣和余干縣在信江流域的部分主要是農村地區，以農村人口為主，大部分地區農村污水處理設施不完善，生活污水隨意排放現象比較普遍，對于農村生活污染，可通過污水收集管網納入到城市或集鎮污水處理系統，對于人口較多的村莊，可以通過人工濕地或簡易的生活污水處理系統處理，對于分散居住區，可利用門塘構建小型人工濕地處理或四格凈化工藝處理，減少污水直接排入河道，可有效消減氮磷污染入河量。

3.2 耕地污染控制

廣豐區、上饒縣、弋陽縣、貴溪市等區域耕地面積大，施肥量大，為了減少氮磷流失，合理的耕作方式和施肥法可以有效的減少農業生產中化肥的過量使用，推廣測土配方施肥，減少單一元素化肥用量，增加復合肥料和有機肥的使用，加快測土配方施肥的普及率，減少化肥有用量，從源頭上控制氮磷污染，研究表明[27]，在國內許多地區的農田營養輸入呈盈余狀態，化肥使用量減少30%也不會減少農作物的產量；施肥量消減30%時，TN、TP入河污染負荷可減少25%和30%，且隨著施肥量不斷減少氮磷營養物質削減率也明顯增加。另外，可在農田與河流間種植植被過濾帶，或通過改造農田排水溝渠和廢棄魚塘，構建生態溝渠攔截氮磷污染物，減少氮磷污染物入河量。

3.3 畜禽養殖污染控制

畜禽養殖污染主要來源于畜禽糞便未經科學處理直接排放和養殖場污水。綜合考慮地區環境承載量，合理劃分適養區、限養區和禁養區，嚴格控制畜禽養殖密度，對不符合要求的養殖場進行全面整改，促進地區畜禽養殖平衡發展；積極尋求廢棄物資源化利用途徑，減少污染物處理量，大力推進沼氣工程建設，為畜禽糞便經自然分解和厭氧發酵轉化為天然有機肥料提供條件；實施生態養殖，種植和養殖相結合，實現種養良性循環。

4 結論

信江流域TN、TP入河量分別為6 415.62和619.19 t·a-1，農村生活和耕地種植是TN的主要污染來源，貢獻率分別為30.53%和24.50%，TP污染負荷主要來自農村生活和畜禽養殖，貢獻率分別達32.02%和18.77%。在空間上TN、TP污染分布相似，流域中下游區域氮磷排放量較大，且上游區域以農村生活為主要貢獻源，中下游區域污染主要來源種類更多。信江流域內氮磷污染源排放主要來源于農村生活污染、城鎮生活污染、耕地污染和畜禽養殖污染，通過完善生活污染收集及處理、推廣測土配方減少施肥量、構建生態溝渠、實施生態養殖等措施減少氮磷污染入河量。