沙塘川流域氮磷污染源及污染特征分析

劉凱興，巢世軍

(青海省環(huán)境科學(xué)研究設(shè)計(jì)院有限公司，青海 西寧 810007)

1 流域水體氮磷污染特征及污染源構(gòu)成

沙塘川流域水環(huán)境質(zhì)量狀況。本項(xiàng)目收集了沙塘川橋斷面2013～2017年逐月常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以及2017年12月沙塘川橋斷面不同形態(tài)氮、磷元素監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)在2018年4月、6月、8月對(duì)沙塘川橋斷面水樣進(jìn)行了不同形態(tài)氮、磷元素監(jiān)測(cè)。沙塘川流域水體主要氮磷污染物排放狀況。收集了流域內(nèi)2008～2016年環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以及2017年《湟水流域水污染防治多方位動(dòng)態(tài)信息采集基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目》開展的湟水流域污染排放調(diào)查結(jié)果。

1.1 水體氮素污染特征分析

水體中氮素根據(jù)其化學(xué)形態(tài)，可以分為無機(jī)氮和有機(jī)氮。其中無機(jī)氮主要包括氨氮(NH4+-N)、硝酸鹽氮(NO3--N)、亞硝酸鹽氮(NO2--N)，有機(jī)氮主要包括尿素、氨基酸、蛋白質(zhì)、氨基糖等含氮有機(jī)物。

根據(jù)不同水期對(duì)沙塘川水體中不同形態(tài)氮的監(jiān)測(cè)結(jié)果(見圖1)：所有水期中硝酸鹽氮在總氮中占比均最高，達(dá)到65%～84%，亞硝酸鹽氮占比最低，僅為0.8%～1.5%，氨氮和有機(jī)氮在總氮中占比隨不同水期呈現(xiàn)較為明顯的變化?？傮w來看，從枯水期(12月)到平水期(4月、6月)再到豐水期(8月)，沙塘川水體氮素中硝酸鹽氮占比逐漸增加，從枯水期的53%一直增加到豐水期的84%，氨氮和有機(jī)氮占比逐漸降低，分別從枯水期的24%和21.5%下降到豐水期時(shí)的10.2%和4.7%。

圖1 不同水期水體氮素形態(tài)分析

水體中不同形態(tài)氮素的占比變化主要是因?yàn)椴煌谒w氮素來源不同造成的，在枯水期，點(diǎn)源排放源成為水體中氮素的一項(xiàng)主要來源，而點(diǎn)源氮素污染源中氨氮和有機(jī)氮含量相對(duì)較高；在豐水期，除了點(diǎn)源排放，由于降雨所形成的地表徑流和壤中流將不同區(qū)域土壤中的氮素沖刷進(jìn)入地下水、河流，形成非點(diǎn)源排放，而由于土壤中硝酸鹽氮更容易流失，因此河流豐水期硝酸鹽氮所占比例顯著提高。

1.2 流域磷素污染特征分析

水體中磷素根據(jù)其物理形態(tài)可以分為溶解態(tài)磷和顆粒態(tài)磷。其中溶解態(tài)磷主要分為可溶性活性磷和可溶性非活性磷兩種形式，可溶性活性磷主要由無機(jī)正磷酸鹽組成，正磷酸鹽是可以被藻類直接吸收利用的磷形式，可溶性非活性磷主要為有機(jī)溶解磷，無法被藻類等水生生物用作營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；顆粒態(tài)磷主要包含無機(jī)和有機(jī)以及顆粒和膠體的磷形態(tài)，顆粒態(tài)磷短期內(nèi)在水生態(tài)系統(tǒng)中的生物利用度較低，但隨著時(shí)間的推移，可生化性逐漸提高。

根據(jù)不同水期對(duì)沙塘川水體中不同形態(tài)磷的監(jiān)測(cè)結(jié)果(見圖2)：水體中溶解態(tài)磷和顆粒態(tài)磷占比隨著水期改變有著非常明顯的變化規(guī)律，即從枯水期到平水期再到豐水期，水體溶解態(tài)磷在總磷中占比逐漸降低，而顆粒態(tài)磷占比則逐漸提高?？菟冢芙鈶B(tài)磷是沙塘川水體磷的主要存在形式，其占比可達(dá)79.4%，顆粒態(tài)磷占比僅有20.6%；在平水期，沙塘川水體中溶解態(tài)磷占比逐漸降低至41.1%～49.8%左右，溶解態(tài)磷占比則升高至50.2%～58.9%左右，溶解態(tài)磷和顆粒態(tài)磷占比基本持平；而到了豐水期，顆粒態(tài)磷則成為沙塘川水體中磷的最主要存在形式，顆粒態(tài)磷占比達(dá)到60.3%，溶解態(tài)磷占比則降低至39.7%。

圖2 不同水期水體磷素形態(tài)分析

水體中溶解態(tài)磷和顆粒態(tài)磷的占比變化原因與不同形態(tài)氮素占比變化原因相同，也是因?yàn)椴煌谒w磷素來源不同造成的。在枯水期，點(diǎn)源排放源成為水體中磷素的一項(xiàng)主要來源，而點(diǎn)源磷素污染源中溶解態(tài)磷含量相對(duì)較高；在豐水期，除了點(diǎn)源排放，由于降雨所形成的地表徑流和壤中流將不同區(qū)域土壤顆粒沖刷進(jìn)入地下水、河流，形成非點(diǎn)源排放，而自然界磷主要以顆粒態(tài)磷的形式存在，因此河流豐水期顆粒態(tài)磷占比顯著提高。

1.3 流域氮磷污染源構(gòu)成分析

1.3.1點(diǎn)源污染

沙塘川流域主要的水體點(diǎn)源污染源為直接向河流水體中排放污廢水的生活點(diǎn)源和工業(yè)點(diǎn)源[1]。

(1)生活點(diǎn)源污染

沙塘川流域農(nóng)村地區(qū)建成污水收集與處理設(shè)施的居民點(diǎn)很少，因此生活點(diǎn)源主要來自互助縣城鎮(zhèn)居民生活污水的排放[2]。沙塘川流域截至2018年底建有城鎮(zhèn)污水處理廠2座，分別為互助縣第一污水處理廠和互助縣第二污水處理廠，設(shè)計(jì)處理水量分別為10 000m3/d及30 000m3/d。其中互助縣第一污水處理廠于2010年建成投入使用，處理后排放污水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)中一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)；互助縣第二污水處理廠于2018年建成，目前正在調(diào)試和試運(yùn)行階段。因此，本項(xiàng)目以互助縣第一污水處理廠排放的污水作為流域生活點(diǎn)源污染。根據(jù)青海省2008～2016年環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和地區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒，得到2008～2016年沙塘川流域城鎮(zhèn)生活污水及總氮、總磷、氨氮的入河量，如表1。

表1 沙塘川流域城鎮(zhèn)生活污水及主要污染物入河量

(2)工業(yè)點(diǎn)源污染

沙塘川流域向河流水體中排放廢水的行業(yè)企業(yè)主要為白酒制造企業(yè)、淀粉及淀粉制品制造企業(yè)、牲畜屠宰企業(yè)，其中白酒制造企業(yè)廢水排放量和總氮、總磷排放量占比最大。以2016年為例，3個(gè)行業(yè)中白酒制造企業(yè)工業(yè)廢水、總氮、總磷排放量分別占到了工業(yè)排放量的79%、77%和63%，淀粉及淀粉制品制造企業(yè)工業(yè)廢水、總氮、總磷排放量分別占13%、18%和14%，牲畜屠宰企業(yè)工業(yè)廢水、總氮、總磷排放量分別占8%、5%和23%。詳見圖3。

圖3 沙塘川流域不同行業(yè)工業(yè)廢水及主要污染物排放對(duì)比

根據(jù)青海省2008～2016年環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，得到2008～2016年沙塘川流域工業(yè)廢水及總氮、總磷、氨氮的入河量，如表2。

表2 沙塘川流域工業(yè)廢水及主要污染物入河量

1.3.2非點(diǎn)源污染

流域分布最為廣泛的非點(diǎn)源氮磷污染為流域內(nèi)土壤，在降水和融冰融雪過程，土壤內(nèi)氮磷元素會(huì)通過地表徑流、壤中流、土壤內(nèi)淋溶作用等遷移進(jìn)入地下水和周圍地表水體中。但是在人類活動(dòng)的干擾下，例如農(nóng)田耕作施肥、草場(chǎng)放牧、集約化畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)村生活污水潑灑等行為都會(huì)向局部區(qū)域內(nèi)土壤中增加額外的氮磷來源，從而導(dǎo)致區(qū)域氮磷非點(diǎn)源污染輸出的增加。

沙塘川流域內(nèi)耕地面積占到了流域總面積的54.71%，用于放牧的草地面積占到了流域面積的約16%，同時(shí)農(nóng)村生活污水也缺乏統(tǒng)一的收集與處理系統(tǒng)，因此流域內(nèi)的人為非點(diǎn)源氮磷污染主要來源于農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)和生活污染。本研究采取經(jīng)驗(yàn)公式并綜合以往研究成果，對(duì)沙塘川流域內(nèi)2008～2016年年均非點(diǎn)源污染進(jìn)行統(tǒng)計(jì)估算。

(1)種植業(yè)污染

化肥的施用大大提高了農(nóng)作物產(chǎn)量，所施用在農(nóng)田中的化肥部分被農(nóng)作物吸收利用，剩余大部分未被吸收的化肥及農(nóng)田土壤中氮磷元素隨著降水、灌溉淋溶或沖刷進(jìn)入地下水和周圍地表水體中，造成水體氮磷污染。到2015年，我國(guó)化肥綜合利用率為35.2%，其中氮肥利用率在25%～40%，磷肥利用率在20%左右。

沙塘川流域主要施用的化肥為氮肥、磷肥、鉀肥和復(fù)合肥，根據(jù)互助縣統(tǒng)計(jì)年鑒，沙塘川流域內(nèi)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)年均化肥施用情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果詳見表3和表4?？梢钥闯?，沙塘川流域西山鄉(xiāng)和東山鄉(xiāng)的化肥施用強(qiáng)度最大，達(dá)到748.8～827.7kg/(ha·a)，其他區(qū)域化肥施用強(qiáng)度也較高，達(dá)到302.9～500.6kg/(ha·a)，全區(qū)化肥施用強(qiáng)度為458.7kg/(ha·a)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過青海全省化肥施用強(qiáng)度156.6kg/(ha·a)。所有化肥中，氮肥和復(fù)合肥的施用量最大，磷肥的施用量約為前兩者的一半。

表3 沙塘川流域內(nèi)不同區(qū)域年均化肥施用量一覽表 (單位：t/a)

續(xù)表

表4 沙塘川流域內(nèi)不同區(qū)域化肥年均施用強(qiáng)度一覽表 (單位：kg/(ha·a))

(2)畜禽養(yǎng)殖污染

畜禽養(yǎng)殖造成的非點(diǎn)源污染主要來自畜禽的糞便和尿液。在放牧散養(yǎng)的狀態(tài)下，如牛羊在牧場(chǎng)內(nèi)排泄的糞便就作為生物綠肥留在了牧場(chǎng)內(nèi)，同時(shí)牲畜對(duì)牧場(chǎng)草地的過度的踐踏和啃食會(huì)增加牧場(chǎng)內(nèi)的水土流失強(qiáng)度，從而增加區(qū)域氮磷非點(diǎn)源排放強(qiáng)度[3]。在集中養(yǎng)殖的狀態(tài)下，畜禽糞便被收集起來以有機(jī)肥的形式還田利用，經(jīng)調(diào)查，沙塘川流域內(nèi)規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)和養(yǎng)殖專業(yè)戶所產(chǎn)生的畜禽養(yǎng)殖糞便全部作為有機(jī)肥還田。

根據(jù)互助縣統(tǒng)計(jì)年鑒和《第一次全國(guó)污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》以及《農(nóng)業(yè)常用數(shù)據(jù)資料》，統(tǒng)計(jì)了流域內(nèi)畜禽養(yǎng)殖糞、尿所貢獻(xiàn)的氮磷產(chǎn)生量，詳見表5。

通過統(tǒng)計(jì)流域內(nèi)不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)畜禽養(yǎng)殖情況，可以得到沙塘川流域內(nèi)不同區(qū)域畜禽糞便及氮磷產(chǎn)生量，詳見表6。可以看出，沙塘川全流域畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的總氮和總磷分別為3 935.62t/a和426.21t/a，所有區(qū)域中，南門峽鎮(zhèn)的畜禽養(yǎng)殖量最大，由此產(chǎn)生的總氮和總磷也最多，分別達(dá)到910.07t/a和92.95t/a。

表6 沙塘川流域不同區(qū)域畜禽養(yǎng)殖氮磷產(chǎn)生量

(3)農(nóng)村生活污染

農(nóng)村生活污染的氮磷來源主要包括人糞尿和其他生活污水，主要都通過潑灑或附近小溝渠直接排放，因此也是流域內(nèi)重要的氮磷非點(diǎn)源污染源之一[4]。沙塘川流域目前共有農(nóng)村人口共計(jì)15.07萬人，根據(jù)《青海省地方標(biāo)準(zhǔn)用水定額》(DB63/T 1429-2015)，青海省農(nóng)村居民生活用水定額在水源水量充足地區(qū)為60L/(d·人)，在水源水量缺乏地區(qū)為40L(d·人)。沙塘川流域川水地區(qū)為水源水量充足地區(qū)，淺山和腦山地區(qū)為水源水量缺乏地區(qū)，因此取綜合用水量為50L(d·人)，生活污水產(chǎn)生量按用水量的0.8(d·人)計(jì)，則沙塘川流域農(nóng)村生活污水產(chǎn)生量為220 000m3/a。根據(jù)第二次全國(guó)污染源普查專項(xiàng)——《青海省典型區(qū)域農(nóng)村居民生活用排水情況調(diào)查》中對(duì)互助縣農(nóng)村生活污水的調(diào)查與監(jiān)測(cè)結(jié)果，互助縣農(nóng)村生活污水中平均總氮濃度為83.63mg/L，總磷濃度為2.87mg/L。由此，計(jì)算得出沙塘川流域農(nóng)村生活污染總氮產(chǎn)生量為184t/a，總磷產(chǎn)生量為6.3t/a。

(4)土壤氮磷含量

項(xiàng)目采樣調(diào)查了沙塘川流域不同土壤類型和不同土地利用類型中土壤有機(jī)碳和不同形態(tài)氮磷含量，于2018年10月共在流域內(nèi)選擇了27個(gè)點(diǎn)位，每個(gè)點(diǎn)位采用梅花5點(diǎn)采樣法，采集了表層1cm和距地表30～40cm土層2份土樣。所有點(diǎn)位覆蓋了沙塘川流域內(nèi)96.2%的土壤類型，以及96.45%的土地利用類型。

①不同土壤類型氮磷含量

不同土壤類型土壤有機(jī)碳和氮磷平均含量詳見表7和圖4。從表7和圖4中可以看出：沙塘川流域黑氈土、淋溶黑鈣土、棕黑氈土和石灰性黑鈣土中總氮含量最高，表層和下層土壤總氮平均含量均超過2 000mg/kg，淡栗鈣土中氮含量最低，表層和下層土壤總氮平均含量均低于1 000mg/kg。棕黑氈土、草甸土和石灰性黑鈣土中磷含量最高，表層和下層土壤總磷平均含量均超過1 000mg/kg，淡栗鈣土和黑氈土中磷含量最低，表層和下層土壤總磷平均含量在562.3～684.2 mg/kg之間。所有土壤類型中，表層和下層土壤總氮含量差別均較小。

圖4 不同土壤類型土壤有機(jī)碳和氮磷平均含量

表7 不同土壤類型土壤有機(jī)碳和氮磷平均含量一覽表

②不同土地利用類型土壤氮磷含量

流域內(nèi)不同土地利用類型土壤有機(jī)碳和氮磷含量詳見表8和圖5。從表8和圖5中可以看出：沙塘川流域不同土地利用類型土壤中氮素、磷素和有機(jī)碳平均含量從高到低依次為草地、耕地和林地，所有類型土壤中，表層和下層土壤總氮含量差別均較小。

圖5 不同土地利用類型土壤有機(jī)碳和氮磷平均含量

表8 不同土地利用類型土壤有機(jī)碳和氮磷平均含量一覽表

從氮的化學(xué)形態(tài)來看，沙塘川流域3種主要土地利用類型土壤中氮素主要以有機(jī)態(tài)氮形式存在，有機(jī)態(tài)氮占總氮比例為97.1%～98.3%；氨氮和硝酸鹽氮所占比例均很低，分別為1.0%～1.5%和0.6%～1.5%。所有類型土壤中，表層和下層土不同形態(tài)氮占總氮比例的差別均很小。

2 結(jié)論

(1)沙塘川流域水體氮磷污染特征

沙塘川流域水體中總氮水平整體較高，年均濃度都在3mg/L以上，氨氮和總磷的年均濃度均維持在《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)III～I(xiàn)V類標(biāo)準(zhǔn)?？偟c氨氮濃度變化規(guī)律均為枯水期>平水期>豐水期，總磷濃度在枯水期和豐水期均有顯著升高趨勢(shì)。

沙塘川水體氮素最主要的形態(tài)為硝酸鹽氮，占總氮比例達(dá)65%～84%，亞硝酸鹽氮占比最低，僅為0.8%～1.5%，氨氮和有機(jī)氮在總氮中占比隨不同水期呈現(xiàn)較為明顯的變化。從枯水期到豐水期，水體硝酸鹽氮占比逐漸增加，氨氮和有機(jī)氮占比逐漸降低。沙塘川流域水體中溶解態(tài)磷和顆粒態(tài)磷占比隨著水期也有著非常明顯的變化規(guī)律，即從枯水期到豐水期，溶解態(tài)磷在總磷中占比逐漸降低，而顆粒態(tài)磷占比則逐漸提高。沙塘川水體氮磷形態(tài)變化的主要原因是枯水期水體中氮磷主要來源為點(diǎn)源排放，而點(diǎn)源污染源中氨氮、有機(jī)氮和溶解態(tài)磷含量相對(duì)較高，豐水期則有更多的硝酸鹽氮和顆粒態(tài)磷以非點(diǎn)源污染的形式進(jìn)入河流。

(2)沙塘川流域氮磷污染源構(gòu)成

沙塘川流域氮磷點(diǎn)源污染源主要為城鎮(zhèn)生活污水和工業(yè)廢水，2016年全流域城鎮(zhèn)生活污水總氮、總磷排放量分別為96.46t和4.70t，工業(yè)廢水總氮、總磷排放量分別為49.89t和1.61t。

沙塘川流域氮磷非點(diǎn)源污染的來源主要包括種植業(yè)污染、畜禽養(yǎng)殖污染、農(nóng)村生活污染和流域內(nèi)土壤。種植業(yè)污染主要為土壤中未被利用的氮肥和磷肥流失所形成的非點(diǎn)源氮磷污染，全流域氮肥、磷肥和復(fù)合肥年均施用強(qiáng)度分別為88.79kg/ha、15.30kg/ha和107.39kg/ha。畜禽養(yǎng)殖造成的非點(diǎn)源污染主要來自畜禽的糞便和尿液，沙塘川全流域畜禽養(yǎng)殖糞尿總氮、總磷產(chǎn)生量分別為3 935.62t/a和426.21t/a。農(nóng)村生活污染的氮磷來源主要包括人糞尿和其他生活污水，主要都通過潑灑或附近小溝渠直接排放，沙塘川全流域農(nóng)村生活污染總氮、總磷產(chǎn)生量分別為184t/a和6.3t/a。