沱江流域總磷空間排放特征及影響因素分析

劉丹丹，喬琦，李雪迎，張玥，白璐*

1.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國環(huán)境科學(xué)研究院

2.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

磷是生命系統(tǒng)不可或缺的營養(yǎng)元素，也是影響藻類生長的重要元素，被認(rèn)為是導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的主要因素之一[1-3]。大量的氮和磷等營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入水體，引起藻類和其他浮游生物迅速繁殖，降低水中的溶解氧濃度，導(dǎo)致水生態(tài)系統(tǒng)物種分布失衡[4]。已有研究表明，工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活源排放的磷進(jìn)入水環(huán)境后會使水生態(tài)系統(tǒng)受到破壞[5-6]。因此，識別總磷（TP）排放空間分布及影響因素對緩解過度排放和指導(dǎo)TP管控至關(guān)重要。

長江流域橫跨中國東部、中部和西部三大經(jīng)濟(jì)區(qū)，是中國第一大河流[7]。隨著長江流域農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的快速增長，2016年以來TP已經(jīng)成為長江流域的首要超標(biāo)因子[8]。沱江是長江流域典型的污染較重的支流[9]，近年來，人為活動(dòng)排放產(chǎn)生的磷導(dǎo)致沱江流域TP污染嚴(yán)重[9-10]。由于TP污染，沱江流域有超過80%的監(jiān)測斷面水質(zhì)低于GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，沱江入江口TP濃度是長江上游河段TP平均濃度的300%，沱江入江口TP通量占三峽水庫總?cè)霂炝康?.48%[10]。沱江流域水污染會間接影響三峽水庫的水質(zhì)，沱江攜帶的氮、磷污染輸入可能直接加重三峽庫區(qū)乃至長江流域的水體富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。因此，沱江流域TP排放管理與控制對于維持長江水質(zhì)和確保生態(tài)安全具有重要意義。目前，已有學(xué)者對沱江流域磷污染做了研究，這些研究主要集中在磷石膏的磷形態(tài)組成[11]和水中磷濃度分布特征[12-13]等方面，然而，對沱江流域TP來源、空間排放特征及影響因素的研究較少。

筆者以沱江流域?yàn)檠芯繉ο螅谒拇ㄊ〉诙稳珖廴驹雌詹榻Y(jié)果，分析2017年沱江流域TP排放特征，結(jié)合入河系數(shù)，核算沱江流域TP入河量，解析TP污染代謝路徑，識別TP排放主要來源和區(qū)域，并探討TP排放影響因素，以期為沱江流域TP污染防治管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域

沱江流域位于中國西南部四川省，干流長629 km，面積為27 800 km2，年平均降水量為1 200 mm，徑流量為351億m3。沱江流經(jīng)德陽、成都、眉山、樂山、資陽、內(nèi)江、自貢、宜賓和瀘州市9個(gè)市（圖1），可分為上游（德陽和成都）、中游（資陽、內(nèi)江、眉山和樂山）和下游（自貢、宜賓和瀘州）。2017年沱江流域人口為4 387.9萬人，占全省人口的52.9%，國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）高達(dá)25 650.9億元，占全省的69.3%[14]。

圖1 沱江流域行政區(qū)劃Fig.1 Administrative divisions of Tuojiang River Basin

1.2 數(shù)據(jù)來源

沱江流域TP主要貢獻(xiàn)源為工業(yè)源、農(nóng)業(yè)源（畜禽養(yǎng)殖、種植業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)）和生活源（城鎮(zhèn)生活和農(nóng)村生活）[15]。其中，畜禽養(yǎng)殖量、土地面積等活動(dòng)水平數(shù)據(jù)以及各類源TP排放數(shù)據(jù)來自四川省第二次全國污染源普查（2017年）。各市人口數(shù)量、人口密度、GDP、人均GDP和工業(yè)總產(chǎn)值來自四川省統(tǒng)計(jì)年鑒[14]。9個(gè)地市不同貢獻(xiàn)源入河系數(shù)參考相關(guān)文獻(xiàn)[15-16]。工業(yè)TP排放強(qiáng)度為工業(yè)TP排放量和工業(yè)總產(chǎn)值比值，畜禽養(yǎng)殖TP排放強(qiáng)度為畜禽養(yǎng)殖TP排放量和畜禽養(yǎng)殖量比值，生活TP排放強(qiáng)度為生活TP排放量和人口數(shù)量比值。

1.3 TP入河量核算

沱江流域2017年TP入河量通過沱江流域工業(yè)源、畜禽養(yǎng)殖、種植業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、城鎮(zhèn)生活和農(nóng)村生活6種貢獻(xiàn)源排放量與入河系數(shù)相乘后，匯總得到。計(jì)算公式如下：

式中：L為沱江流域TP入河量，t；Pi,j為污染源i在j地區(qū)的TP 排放量，t；λi,j為污染源i在j地區(qū)的TP入河系數(shù)，無量綱；i為工業(yè)源、畜禽養(yǎng)殖、種植業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、城鎮(zhèn)生活和農(nóng)村生活6種TP貢獻(xiàn)源；j為德陽、成都、眉山、樂山、資陽、內(nèi)江、自貢、宜賓和瀘州9個(gè)城市。沱江流域9個(gè)城市6種貢獻(xiàn)源TP入河系數(shù)見表1。

表1 沱江流域各城市不同貢獻(xiàn)源TP入河系數(shù)[15-16]Table 1 Inflow coefficient of different contribution sources of cities in Tuojiang River Basin

1.4 分析方法

基于各類污染源排放量核算方法，以工業(yè)源、農(nóng)業(yè)源、生活源為研究對象，選取與TP排放關(guān)聯(lián)較大的因素[16]，包括經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平（GDP和人均GDP）、工業(yè)總產(chǎn)值、人口（人口密度和人口數(shù)量）、畜禽養(yǎng)殖量、種植結(jié)構(gòu)（旱地面積、水田面積、菜地面積和園地面積）[17-21]，采用SPSS 24軟件進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析和線性分析，揭示TP排放量的影響因素。

2 結(jié)果與討論

2.1 沱江流域TP排放量及其空間分布特征

2.1.1 TP排放量空間分布和來源

2017年沱江流域TP排放量為8 324.0 t（圖2），從區(qū)域上看，TP排放高值區(qū)主要分布在成都、宜賓和瀘州，這3個(gè)城市TP排放量占流域TP排放量的48.5%，而自貢和資陽TP排放量較低。

圖2 沱江流域2017年TP排放量空間分布Fig.2 Spatial distribution of TP discharges in Tuojiang River Basin in 2017

從不同排放源的貢獻(xiàn)來看（圖3），沱江流域農(nóng)業(yè)源和生活源為TP排放的主要貢獻(xiàn)源，貢獻(xiàn)率分別為58.2%和36.6%，工業(yè)源TP排放貢獻(xiàn)率僅為5.2%。農(nóng)業(yè)源中，畜禽養(yǎng)殖是TP的主要來源，貢獻(xiàn)率達(dá)34.0%；其次是種植業(yè)，貢獻(xiàn)率為21.5%；水產(chǎn)養(yǎng)殖TP排放貢獻(xiàn)率為2.7%。生活源中，城鎮(zhèn)生活和農(nóng)村生活TP排放貢獻(xiàn)率分別為19.4%和17.2%。文獻(xiàn)[22]及實(shí)地調(diào)研顯示，沱江流域畜禽養(yǎng)殖場多分布于干流、支流沿岸，且缺少相應(yīng)的治污措施，養(yǎng)殖廢水直接排放情況嚴(yán)重。

進(jìn)一步分析不同區(qū)域的TP貢獻(xiàn)源發(fā)現(xiàn)，各地區(qū)TP貢獻(xiàn)源結(jié)構(gòu)具有差異性（圖3）。城鎮(zhèn)生活是成都市TP主要貢獻(xiàn)源，占31.4%。畜禽養(yǎng)殖業(yè)是其余8個(gè)城市的TP主要貢獻(xiàn)源，占比為31.7%～42.4%。水產(chǎn)養(yǎng)殖TP排放量在德陽、成都、眉山、樂山和內(nèi)江5個(gè)城市較小，占比為1.1%～2.4%。工業(yè)源TP排放量在資陽、自貢、宜賓和瀘州4個(gè)城市較小，占比為1.0%～2.6%。

圖3 沱江流域及各市不同排放源TP排放量占比Fig.3 TP contribution rates of different sources in cities in Tuojiang River Basin

2.1.2 工業(yè)源TP空間排放特征

2017年工業(yè)源TP排放量為430.5 t，化學(xué)原料和化學(xué)制品制造業(yè)、農(nóng)副食品加工業(yè)等7個(gè)行業(yè)TP排放量占工業(yè)源TP排放量的96.8%，排放較為集中。其中，化學(xué)原料和化學(xué)制品制造業(yè)是TP排放的最大來源，占工業(yè)源TP排放量的38.4%〔圖4（a）〕；其次是農(nóng)副食品加工業(yè)與酒、飲料和精制茶制造業(yè)，分別占工業(yè)源TP排放量的22.4%和14.6%。沱岷江流域分布著大量的磷礦、磷化工企業(yè)集聚形成的產(chǎn)業(yè)帶[15,23]，磷礦、磷化工及磷石膏庫也是沱江流域工業(yè)排放的重點(diǎn)源。

從空間分布來看，樂山和成都工業(yè)TP排放量最大，自貢和瀘州工業(yè)TP排放量最小。化學(xué)原料和化學(xué)制品制造業(yè)TP排放主要來自樂山，農(nóng)副食品加工業(yè)及酒、飲料和精制茶制造業(yè)TP排放主要來自成都。

進(jìn)一步分析工業(yè)源TP的排放強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，樂山、資陽和眉山工業(yè)源TP排放強(qiáng)度均高于沱江流域平均排放強(qiáng)度〔圖4（b）〕，特別是樂山的工業(yè)源TP排放強(qiáng)度遠(yuǎn)高于其他地市。對樂山工業(yè)TP的主要排放源進(jìn)行深入分析，發(fā)現(xiàn)樂山工業(yè)源TP排放主要來自2家草銨磷農(nóng)藥生產(chǎn)企業(yè)。一方面，草銨磷農(nóng)藥生產(chǎn)需要使用大量三氯化磷原料，導(dǎo)致其單位產(chǎn)品TP產(chǎn)生量和排放量是其他工業(yè)的數(shù)倍；另一方面，樂山工業(yè)總產(chǎn)值在沱江流域僅處于中下等水平，相同排放量下，其排放強(qiáng)度更大。由此導(dǎo)致樂山工業(yè)源TP整體排放強(qiáng)度較高。

圖4 沱江流域各市不同工業(yè)行業(yè)TP排放量和排放強(qiáng)度Fig.4 TP discharge and discharge intensity of different industrial industries in cities in Tuojiang River Basin

進(jìn)一步分析涉磷工業(yè)行業(yè)廢水處理技術(shù)發(fā)現(xiàn)，沱江流域工業(yè)廢水治理技術(shù)多以低效技術(shù)為主，且仍有大量企業(yè)存在直排情況。其中，沉淀分離和其他物理處理法占比分別為26.1%和13.1%〔圖5（a）〕，直排企業(yè)占21.3%。各工業(yè)行業(yè)中，農(nóng)副食品加工業(yè)TP平均去除率較低，僅為56.0%，化學(xué)原料和化學(xué)制品制造業(yè)，醫(yī)藥制造業(yè)與酒、飲料和精制茶制造業(yè)TP 去除率均高于 80.0%〔圖5（b）〕。

圖5 沱江流域涉磷工業(yè)廢水處理技術(shù)與主要工業(yè)行業(yè)TP去除率Fig.5 Phosphorus related industrial wastewater treatment processes and TP removal efficiency of main industrial industries in Tuojiang River Basin

2.1.3 農(nóng)業(yè)源TP排放空間分布特征

2017年沱江流域農(nóng)業(yè)源TP排放總量為4 848.1 t，農(nóng)業(yè)源中TP排放量較高的地區(qū)是成都和宜賓〔圖6（a）〕，較低的為自貢和內(nèi)江。其中，畜禽養(yǎng)殖TP排放量較高的地區(qū)是成都和樂山，自貢和資陽較低。種植業(yè)TP排放量較高的地區(qū)為種植面積較大[14]的成都和宜賓，較低的地區(qū)為德陽、資陽和內(nèi)江。宜賓和瀘州水產(chǎn)養(yǎng)殖TP排放量較大，內(nèi)江和自貢水產(chǎn)養(yǎng)殖TP排放量較小，低于10 t。

圖6 沱江流域各市農(nóng)業(yè)源TP排放量與畜禽養(yǎng)殖業(yè)TP排放強(qiáng)度Fig.6 TP discharge of agricultural sources and TP discharge intensity of livestock breeding in cities in Tuojiang River Basin

進(jìn)一步分析TP排放強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，樂山、德陽和眉山畜禽養(yǎng)殖TP排放強(qiáng)度高于沱江流域〔圖6(b)〕。數(shù)據(jù)顯示，這3個(gè)城市畜禽養(yǎng)殖量均小于成都，但其對TP的去除水平遠(yuǎn)低于成都，使其畜禽養(yǎng)殖TP排放強(qiáng)度較高。

2.1.4 生活源TP排放空間分布特征

2017年沱江流域生活源TP排放總量為3 045.4 t，生活源TP排放量較高的地區(qū)主要是成都和德陽，較低的地區(qū)主要是資陽和自貢。城鎮(zhèn)生活源TP排放量分布與生活源TP排放量分布一致，農(nóng)村生活源TP排放量主要集中在成都和宜賓〔圖7（a）〕，眉山和自貢農(nóng)村生活源TP排放量較低。

德陽、眉山、宜賓和瀘州生活源排放強(qiáng)度均高于沱江流域生活源平均排放強(qiáng)度〔圖7（b）〕。分析其原因發(fā)現(xiàn)，這4個(gè)城市的鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理能力較低。其中，德陽只有34%的鄉(xiāng)鎮(zhèn)建有污水處理廠，且已建廠的污水處理率較低[15]。此外，這些區(qū)域農(nóng)村居民分布較為分散，幾乎沒有收集管網(wǎng)和污水處理設(shè)施，處理效率很低，大部分生活污水不經(jīng)過管道直接排放[19]，這也是該區(qū)域TP排放量高的重要原因。

圖7 沱江流域各市生活源TP排放量和排放強(qiáng)度Fig.7 TP discharge and TP discharge intensity of domestic sources in cities in Tuojiang River Basin

2.2 沱江流域TP入河量與代謝路徑

根據(jù)沱江流域各市不同類型污染源排放量計(jì)算結(jié)果，由式（1）計(jì)算得到2017年沱江流域TP入河量為3 676.9 t。從貢獻(xiàn)源上看，2017年沱江流域生活源TP入河量最大，為2 101.4 t；其次為農(nóng)業(yè)源、工業(yè)源，分別為 1 145.0、430.5 t〔圖8（a）〕。生活源中，城鎮(zhèn)生活TP入河量最大，為1 615.0 t，農(nóng)村生活TP入河量為486.4 t。農(nóng)業(yè)源中，畜禽養(yǎng)殖TP入河量最大，為833.1 t，其次為水產(chǎn)養(yǎng)殖和種植業(yè)，分別為228.6和83.2 t。從空間分布來看，成都TP入河量最大，為1 002.9 t；其次為宜賓和樂山，其TP入河量分別為477.4和450.7 t；資陽和自貢TP入河量最小，分別為169.2 和 147.3 t〔圖8（b）〕。成都、德陽、眉山、內(nèi)江、宜賓和瀘州6市TP入河量主要來源為城鎮(zhèn)生活，樂山TP入河量主要來源為工業(yè)，資陽和自貢TP入河量主要來源為畜禽養(yǎng)殖。

圖8 沱江流域及各市不同污染源TP入河量Fig.8 TP discharge into river from different sources in Tuojiang River Basin and cities

為分析TP代謝路徑，進(jìn)一步分析沱江流域各市不同類型污染源TP排放量和入河量，結(jié)果如圖9所示。由圖9可知， 2017年沱江流域排放的TP 44.2%排放到水中，55.8%排放到環(huán)境（土壤）中。其中，農(nóng)業(yè)源TP 23.6%排入水體，76.4%排入環(huán)境（土壤）；生活源TP 31.0%排入環(huán)境（土壤），69.0%排入水體。

圖9 沱江流域2017年TP排放代謝路徑Fig.9 Metabolic pathways of TP discharge in Tuojiang River Basin in 2017

2.3 沱江流域TP排放影響因素

由沱江流域各市TP排放量與主要影響因素的Pearson相關(guān)性分析結(jié)果（表2）可知，TP排放量與GDP、人均GDP、人口數(shù)量、工業(yè)總產(chǎn)值、畜禽養(yǎng)殖量和水田面積6個(gè)影響因素呈顯著正相關(guān)（Pearson相關(guān)系數(shù)均大于0.75），表明這6個(gè)影響因素對TP排放量影響較大。線性分析結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)，6個(gè)影響因素的線性相關(guān)系數(shù)（R2）均大于0.5（圖10）。人口密度〔圖10（d）〕、旱地面積〔圖10（g）〕、園地面積〔圖10（i）〕、菜地面積〔圖10（j）〕與 TP 排放量呈弱正相關(guān)（R2分別為 0.17、0.29、0.29 和 0.32），說明這些因素對TP排放量有一定的影響，但相對于其他影響因素并不顯著。

圖10 TP排放量和影響因素線性關(guān)系Fig.10 Linear relationship between TP discharge and influential factors

表2 TP排放量和影響因素Pearson相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation analysis of TP discharge and influencing factors

人類生產(chǎn)活動(dòng)和經(jīng)濟(jì)規(guī)模擴(kuò)張容易加劇環(huán)境污染，沱江流域經(jīng)濟(jì)和人口增長[24]對TP污染具有直接加劇作用。成都市TP排放量遠(yuǎn)高于其他城市，主要是由于其人口數(shù)量和經(jīng)濟(jì)總量在沱江流域均為最大。畜禽養(yǎng)殖是沱江流域TP排放的主要影響因素之一，這是因?yàn)殂饔蛟谠黾有笄蒺B(yǎng)殖量的同時(shí)，未及時(shí)改進(jìn)畜禽養(yǎng)殖管理模式[16]。土地利用類型是磷流失的重要因素之一[25]，沱江流域水田面積高于菜地和園地面積，水田磷的流失量也遠(yuǎn)大于旱地和菜地[16]，導(dǎo)致水田面積成為沱江流域TP污染的重要影響因素。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

（1）2017年沱江流域各市TP排放量大小為成都>宜賓>瀘州>樂山>德陽>眉山>內(nèi)江>資陽>自貢，流域TP排放量大小為中游>上游>下游，沱江流域TP污染來源以非點(diǎn)源為主，各污染源TP排放量大小為畜禽養(yǎng)殖>種植業(yè)>城鎮(zhèn)生活>農(nóng)村生活>工業(yè)>水產(chǎn)養(yǎng)殖。

（2）TP入河量大小為成都>宜賓>樂山>德陽>瀘州>眉山>內(nèi)江>資陽>自貢，流域TP入河量大小為上游>中游>下游，各污染源TP入河量大小為城鎮(zhèn)生活>畜禽養(yǎng)殖>農(nóng)村生活>工業(yè)>水產(chǎn)養(yǎng)殖>種植業(yè)。

（3）GDP、人均GDP、人口數(shù)量、工業(yè)總產(chǎn)值、畜禽養(yǎng)殖量和水田面積是沱江流域TP排放的主要影響因素。

3.2 建議

農(nóng)業(yè)源方面，加強(qiáng)對畜禽養(yǎng)殖和種植業(yè)面源污染控制，合理化布局養(yǎng)殖地點(diǎn)，加快優(yōu)化農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，改善沱江流域地區(qū)畜禽養(yǎng)殖規(guī)?；?jīng)營水平和管理技術(shù)將是未來減少農(nóng)業(yè)TP排放的關(guān)鍵[26-28]，糞肥還田量要根據(jù)田地養(yǎng)分承載力，防止還田過載導(dǎo)致磷流失。通過促進(jìn)糞肥和糞便的回收利用和提高肥料利用率，從而減少種植業(yè)TP排放量[29-30]。此外，生態(tài)溝系統(tǒng)有助于減少農(nóng)業(yè)TP入河量。生活源方面，加強(qiáng)生活基礎(chǔ)設(shè)施及配套管網(wǎng)建設(shè)，建立污水處理廠并提高處理效率[31]。此外，推廣垃圾污染管理實(shí)踐將是控制未來農(nóng)村TP排放的必要措施[5]。工業(yè)源方面，配套必要的污染治理措施，并提升已有處理技術(shù)可減少TP排放量。比如，將生物接觸氧化法代替沉淀分離處理技術(shù)。重點(diǎn)加強(qiáng)德陽和眉山畜禽養(yǎng)殖TP排放，德陽、眉山、宜賓和瀘州生活源TP排放以及樂山工業(yè)源TP排放防控管理，提高德陽和眉山畜禽養(yǎng)殖技術(shù)和管理水平，配套德陽、眉山、宜賓和瀘州城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活污水收集和處理設(shè)施建設(shè)，提高農(nóng)副食品加工業(yè)TP去除率。