信江流域氮磷污染负荷估算及其控制对策

李艳红，葛 刚，吴根林，匡荟芬，胡春华*

(1.南昌大学鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室，资源环境与化工学院，江西 南昌 330029；2.江西省水利科学研究院，江西 南昌 330029)

近年来流域污染问题日益突出，是国内外密切关注的环境问题[1-2]，点源和非点源污染物中氮磷等营养物质大量进入水体是造成流域水环境污染的重要原因[3-4]。国内外在河流、湖泊等水环境保护方面已开展大量关于污染负荷和总量控制的研究，美国非点源污染约占污染总量的2/3，农业非点源是全美河流污染的首要污染源[5]，荷兰的水环境污染中60%TN和40%～50%TP是由农业非点源污染引起的[6]。我国不同流域水环境污染中点源污染和非点源污染贡献率存在一定的差异，高州水库的水环境污染中90%以上的TN、TP是由非点源污染引起的[7]，长江流域农业非点源TP和TN污染的贡献率分别达到了86%和77%[8]，程海流域氮磷污染负荷主要来源于农业排放[9]，杞麓湖流域氮磷污染主要以城镇生活污染为主[4]。估算流域污染负荷，对流域污染负荷进行全面解析，对于掌握水环境质量主要污染来源和识别流域污染控制优先区域具有重要意义。点源污染通常采用资料查询、实地调查和现场监测等[10]，非点源具有广泛性、随机性等，不易被监测，通常采用输出系数法[11]，水文分割法[12]，综合调查法[13]，排污系数法[14]等进行估算。输出系数法需求参数少，可操作性强，在较大流域污染负荷估算方面具有适用性，且具有一定的精度，因此在非点源污染负荷估算方面得到广泛的应用[11-15]。

信江作为鄱阳湖五大水系之一，其水体生态环境不仅对信江流域社会和经济的发展至关重要，而且对鄱阳湖水生态环境有直接影响。随着经济的快速发展，人口密度逐渐增大，信江流域面临着环境问题日益凸显，水体水质下降等问题，对流域的环境保护带来严重的不利影响。因此，运用输出系数法对信江流域的总氮、总磷污染负荷进行估算，并结合地理信息系统(GIS)对流域内氮磷污染负荷的空间分布特征进行分析，以期为信江流域污染治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

信江是鄱阳湖流域五大入湖河流之一，位于江西省东北部，发源于浙赣两省交界的怀玉山的玉京峰，干流自东向西，先后流经玉山县、广丰区、信州区、上饶县、鹰潭市等，在余干县汇入鄱阳湖，全长359 km，流域面积17 599 km2，其中江西境内面积为14 516 km2。本文研究区域主要为江西省境内，涉及上饶市信州区、铅山县的全部及玉山、广丰、上饶、弋阳、横峰和余干县的部分，鹰潭市月湖区、贵溪市(包括龙虎山区)的全部及余江区的部分，抚州市的金溪、资溪和东乡3个县(区)，共14个县(市、区)(见图1)，其中，抚州市、上饶市和鹰潭市在信江流域的面积分别为1 544，9523，3449 km2。信江流域多年平均水资源量为186.5 亿m3，流域属亚热带季风湿润气候区，气候温和湿润，雨量充沛，多年平均降水量为1876 mm；土壤类型为红壤、棕壤、灰棕壤、紫色沙壤土等，主要土壤类型以典型强淋溶土、旱耕人为土为主；2018年信江流域总人口499万人，其中农业人口为216万人。

图1 信江流域研究区域范围图

1.2 研究方法

信江流域点源污染源包括工业污染和城镇生活污染，非点源污染包括农村生活、畜禽养殖、农业种植和水产养殖。其中工业污染根据上饶市、鹰潭市和抚州市污染源普查数据获取，其它污染源入河量根据输出系数法计算，输出系数法考虑土地利用的分类，畜禽养殖，生活污染源排放和处理，能较准确估算污染物总量，广泛应用于污染物负荷的计算[11，18]，考虑到污染物在迁移过程中会产生一定的损失，本文结合入河系数准确估算进入受纳水体中污染物的量，采用的输出系数模型如下[17,19]。

(1)

式中：L为各污染源排入河流的各污染物总量，t/a；n为污染源种类数；Ai为第i种类型污染源的面积或数量，数据来至《2019年江西省统计年鉴》[20]、《2019年上饶市统计年鉴》[21]、《2019年鹰潭市统计年鉴》[22]和《2019年抚州市统计年鉴》[23]；Ei为第i种污染物输出系数具体取值见表1；Ti为第i种污染源污染物去除率，指生活污水中污染物去除率，根据现场调查，城镇生活污水污染物去除率取80%，农村取20%；fi为第i种污染源污染物入河系数，数据来自文献[24]，具体取值见表1。

表1 信江流域污染物输出系数和入河系数

2 结果与讨论

2.1 TN、TP输出负荷分析

根据计算得2018年信江流域内城镇生活、农村生活、耕地、园地、畜禽养殖、水产养殖和工业污染产生的氮、磷污染物入湖情况见表2。信江流域2018年TN污染负荷达6 415.62 t，农村生活污染贡献最大，入河量达1 958.57 t，其次为耕地和畜禽养殖污染，入河量分别为1 572.11和1 120.36 t，水产养殖、园林及工业污染TN入河量较少。流域2018年TP污染负荷为619.19 t，各污染源磷污染贡献率依次为：农村生活>畜禽养殖>城镇生活>水产养殖>耕地>工业污染>园地，农村生活、畜禽养殖和城镇生活磷负荷量分别为198.31，116.20和108.72 t，对信江流域总磷负荷贡献均较大。整体而言，生活污染和畜禽养殖是信江流域面临的主要污染问题，TP还需重点控制生活污染。

表2 信江流域各污染源污染物入河量

由图2可知，农村生活、耕地、畜禽养殖和城镇生活对信江流域TN的贡献率分别达30.53%，24.50%，17.46%和16.81%，是TN的主要来源；农村生活、畜禽养殖、城镇生活和水产养殖对信江流域TP的贡献率分别达32.02%，18.77%，17.56%和15.88%，是TP的主要来源。流域内生活污水处理设施较少，处理水平远远不够，大多数生活污水直接排入河流，严重影响流域水质。耕地污染是由于农业生产使用大量的化肥，信江流域主要流经抚州、上饶和鹰潭，土壤肥沃，河网交错，上饶更是农业大区，有“江南粮仓”之称，是全国全省重要的商品粮基地，上饶市每公顷耕地化肥施用量为492 kg，略高于全国平均施用量(419.14 kg·ha)，远高于发达国家规定施肥的上限225 kg，为其上限的2.19倍，肥料施用量不当，过量的化肥未被农作物吸收，在雨水淋滤作用下经地表径流和地下渗漏进入环境水体，而硝态氮溶解性很大，极易向水体迁移。随着经济的发展，畜禽养殖特别是生猪养殖得到快速的发展，规模化、专业户、小区养殖越来越多，据统计，2018年信江流域内年末猪存栏数近140万头，但是畜禽养殖污染处理率、畜禽粪便还田率、养殖废弃物无害化利用率低，粪便中的磷元素未经有效的处理随着废水、尿液进行到水环境中，对流域水体造成污染，经计算，信江流域内生猪养殖总磷负荷量占畜禽养殖的48.36%，为主要磷污染源；水产养殖污染主要由于投放饲料造成水体中的氮、磷污染。

图2 信江流域各污染源入河污染负荷

2.2 TN、TP空间分布特征

用GIS软件将各个县的TN、TP污染负荷量导入到行政区划图中，得出TN、TP负荷的空间分布图(图3)，TN、TP年负荷量空间分布较相似，鹰潭的贵溪市、余江区和上饶的广丰区、上饶县TN、TP负荷较高。贵溪市是信江流域内面积最大的一个县级市，且农业人口密度高、耕地面积广，是全国商品粮基地县，其播种面积达69 173 ha，为信江流域内粮食作物播种面积最大县，化肥施用量占鹰潭市化肥总量的45.63%。余江区占地面积虽然不太，但是余江县人口密度大，且耕地面积广，且余江区畜禽养殖量是信江流域内最大的县，其TN、TP负荷主要来源于畜禽养殖。广丰区和上饶县是信江流域内人口的两个县，且耕地面积也较大，其TN、TP负荷主要来源于农村生活和畜禽养殖排放。信州区和月湖区土地面积较小，且分别为上饶市及鹰潭市的主城区，非点源污染较小，氮磷年排放量较低；横峰县由于森林覆盖率高，人口相对稀少，因此氮磷年排放量也相对较低；抚州市东乡区、金溪县和资溪县在信江流域的面积较小，仅占11.90%，且均处于信江支流的上游区，多为山区，人类活动较小，因此氮磷年排放量也相对较低。

图3 信江流域TN、TP负荷量空间分布格局

2.3 流域各县市污染源排污贡献率特征

由图4可知，信江流域各县(市、区)中城镇生活和农村生活对TN、TP的排污贡献率之和分别在24.31%～79.13%，26.63%～79.11%之间；畜禽养殖对TN、TP的排污贡献率分别在4.12%～32.60%，4.21%～38.15%之间；耕地对TN的排污贡献率在8.68%～51.73%之间，对TP的贡献率在3.17%～20.28%之间，水产养殖对TP的排污贡献率范围为10.03%～29.96%，对TN的贡献率较低。以城镇生活为TN入河量主要来源的区域主要为月湖区和信州区，其贡献率均在40%以上；以农村生活为TN入河量主要来源的区域主要分布在流域上中游，其中玉山县、上饶县和铅山县农村生活污染源占其TN入河总量的35%以上，广丰区、横峰县、弋阳县和资溪县农村生活污染也是TN的主要来源，其入河贡献率为30%左右。以耕地为TN入河量主要来源的区域主要为贵溪市、东乡区和资溪县，其入河中贡献率均在30%以上。以畜禽养殖为TN入河量主要来源的区域主要为余江区，入河贡献率达35%，其耕地TN的贡献率也在25%以上。

图4 信江流域各县(市、区)不同污染源TN、TP入河贡献率

流域内各县(市、区)农村生活、水产养殖、畜禽养殖TP入河量贡献率差异明显。广丰区、玉山县、上饶县、横峰县、金溪县和资溪县TP的主要来源为农村生活，均占其TP入河总量的35%以上，其中上饶县农村生活贡献率达到42.94%。横峰县农村生活和畜禽养殖贡献率之和占其TP入河总量的58.89%左右；弋阳县畜禽养殖和水产养殖分别占其TP入河总量的24.29%和19.40%；余江区畜禽养殖占其TP入河总量的37.04%，为主要的污染物来源。可见，随着流域空间分布的变化，各县(市、区)不同污染源对TN、TP的排放贡献率表现出一定的规律性特征，流域上中游以农村生活污染为主要污染来源，流域中下游区域人类生产活动更丰富，污染物主要来源种类更多。

3 氮磷污染控制对策

信江流域内氮磷污染源排放主要来源于农村生活污染、城镇生活污染、耕地污染和畜禽养殖污染，针对不同污染源类型，有针对性的控制污染源，以减少氮磷对信江水环境造成污染。

3.1 生活污染控制

生活污染源主要来源于城镇生活污染源和农村生活污染源。城镇生活污染源主要是城市人口集中的城区，污水管网覆盖面不全面，部分生活污染未经处理直接进入河道，对于城镇生活水，主要是加大污水管网的覆盖程度，城镇生活污染全部收集进入污水处理厂处理后再排放；玉山县、上饶县和铅山县农村人口基数大，资溪县、金溪县和余干县在信江流域的部分主要是农村地区，以农村人口为主，大部分地区农村污水处理设施不完善，生活污水随意排放现象比较普遍，对于农村生活污染，可通过污水收集管网纳入到城市或集镇污水处理系统，对于人口较多的村庄，可以通过人工湿地或简易的生活污水处理系统处理，对于分散居住区，可利用门塘构建小型人工湿地处理或四格净化工艺处理，减少污水直接排入河道，可有效消减氮磷污染入河量。

3.2 耕地污染控制

广丰区、上饶县、弋阳县、贵溪市等区域耕地面积大，施肥量大，为了减少氮磷流失，合理的耕作方式和施肥法可以有效的减少农业生产中化肥的过量使用，推广测土配方施肥，减少单一元素化肥用量，增加复合肥料和有机肥的使用，加快测土配方施肥的普及率，减少化肥有用量，从源头上控制氮磷污染，研究表明[27]，在国内许多地区的农田营养输入呈盈余状态，化肥使用量减少30%也不会减少农作物的产量；施肥量消减30%时，TN、TP入河污染负荷可减少25%和30%，且随着施肥量不断减少氮磷营养物质削减率也明显增加。另外，可在农田与河流间种植植被过滤带，或通过改造农田排水沟渠和废弃鱼塘，构建生态沟渠拦截氮磷污染物，减少氮磷污染物入河量。

3.3 畜禽养殖污染控制

畜禽养殖污染主要来源于畜禽粪便未经科学处理直接排放和养殖场污水。综合考虑地区环境承载量，合理划分适养区、限养区和禁养区，严格控制畜禽养殖密度，对不符合要求的养殖场进行全面整改，促进地区畜禽养殖平衡发展；积极寻求废弃物资源化利用途径，减少污染物处理量，大力推进沼气工程建设，为畜禽粪便经自然分解和厌氧发酵转化为天然有机肥料提供条件；实施生态养殖，种植和养殖相结合，实现种养良性循环。

4 结论

信江流域TN、TP入河量分别为6 415.62和619.19 t·a-1，农村生活和耕地种植是TN的主要污染来源，贡献率分别为30.53%和24.50%，TP污染负荷主要来自农村生活和畜禽养殖，贡献率分别达32.02%和18.77%。在空间上TN、TP污染分布相似，流域中下游区域氮磷排放量较大，且上游区域以农村生活为主要贡献源，中下游区域污染主要来源种类更多。信江流域内氮磷污染源排放主要来源于农村生活污染、城镇生活污染、耕地污染和畜禽养殖污染，通过完善生活污染收集及处理、推广测土配方减少施肥量、构建生态沟渠、实施生态养殖等措施减少氮磷污染入河量。