李艷紅，葛 剛，吳根林，匡薈芬，胡春華*

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

近年來流域污染問題日益突出，是國內(nèi)外密切關(guān)注的環(huán)境問題[1-2]，點源和非點源污染物中氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)大量進(jìn)入水體是造成流域水環(huán)境污染的重要原因[3-4]。國內(nèi)外在河流、湖泊等水環(huán)境保護(hù)方面已開展大量關(guān)于污染負(fù)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(nóng)業(yè)非點源是全美河流污染的首要污染源[5]，荷蘭的水環(huán)境污染中60%TN和40%～50%TP是由農(nóng)業(yè)非點源污染引起的[6]。我國不同流域水環(huán)境污染中點源污染和非點源污染貢獻(xiàn)率存在一定的差異，高州水庫的水環(huán)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(nóng)業(yè)非點源TP和TN污染的貢獻(xiàn)率分別達(dá)到了86%和77%[8]，程海流域氮磷污染負(fù)荷主要來源于農(nóng)業(yè)排放[9]，杞麓湖流域氮磷污染主要以城鎮(zhèn)生活污染為主[4]。估算流域污染負(fù)荷，對流域污染負(fù)荷進(jìn)行全面解析，對于掌握水環(huán)境質(zhì)量主要污染來源和識別流域污染控制優(yōu)先區(qū)域具有重要意義。點源污染通常采用資料查詢、實地調(diào)查和現(xiàn)場監(jiān)測等[10]，非點源具有廣泛性、隨機性等，不易被監(jiān)測，通常采用輸出系數(shù)法[11]，水文分割法[12]，綜合調(diào)查法[13]，排污系數(shù)法[14]等進(jìn)行估算。輸出系數(shù)法需求參數(shù)少，可操作性強，在較大流域污染負(fù)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(fù)荷估算方面得到廣泛的應(yīng)用[11-15]。

信江作為鄱陽湖五大水系之一，其水體生態(tài)環(huán)境不僅對信江流域社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展至關(guān)重要，而且對鄱陽湖水生態(tài)環(huán)境有直接影響。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人口密度逐漸增大，信江流域面臨著環(huán)境問題日益凸顯，水體水質(zhì)下降等問題，對流域的環(huán)境保護(hù)帶來嚴(yán)重的不利影響。因此，運用輸出系數(shù)法對信江流域的總氮、總磷污染負(fù)荷進(jìn)行估算，并結(jié)合地理信息系統(tǒng)(GIS)對流域內(nèi)氮磷污染負(fù)荷的空間分布特征進(jìn)行分析，以期為信江流域污染治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)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(fā)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(jīng)玉山縣、廣豐區(qū)、信州區(qū)、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(nèi)面積為14 516 km2。本文研究區(qū)域主要為江西省境內(nèi)，涉及上饒市信州區(qū)、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(qū)、貴溪市(包括龍虎山區(qū))的全部及余江區(qū)的部分，撫州市的金溪、資溪和東鄉(xiāng)3個縣(區(qū))，共14個縣(市、區(qū))(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?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤氣候區(qū)，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?cè)丝?99萬人，其中農(nóng)業(yè)人口為216萬人。

圖1 信江流域研究區(qū)域范圍圖

1.2 研究方法

信江流域點源污染源包括工業(yè)污染和城鎮(zhèn)生活污染，非點源污染包括農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)種植和水產(chǎn)養(yǎng)殖。其中工業(yè)污染根據(jù)上饒市、鷹潭市和撫州市污染源普查數(shù)據(jù)獲取，其它污染源入河量根據(jù)輸出系數(shù)法計算，輸出系數(shù)法考慮土地利用的分類，畜禽養(yǎng)殖，生活污染源排放和處理，能較準(zhǔn)確估算污染物總量，廣泛應(yīng)用于污染物負(fù)荷的計算[11，18]，考慮到污染物在遷移過程中會產(chǎn)生一定的損失，本文結(jié)合入河系數(shù)準(zhǔn)確估算進(jìn)入受納水體中污染物的量，采用的輸出系數(shù)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(shù)；Ai為第i種類型污染源的面積或數(shù)量，數(shù)據(jù)來至《2019年江西省統(tǒng)計年鑒》[20]、《2019年上饒市統(tǒng)計年鑒》[21]、《2019年鷹潭市統(tǒng)計年鑒》[22]和《2019年撫州市統(tǒng)計年鑒》[23]；Ei為第i種污染物輸出系數(shù)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(jù)現(xiàn)場調(diào)查，城鎮(zhèn)生活污水污染物去除率取80%，農(nóng)村取20%；fi為第i種污染源污染物入河系數(shù)，數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[24]，具體取值見表1。

表1 信江流域污染物輸出系數(shù)和入河系數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 TN、TP輸出負(fù)荷分析

根據(jù)計算得2018年信江流域內(nèi)城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活、耕地、園地、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖和工業(yè)污染產(chǎn)生的氮、磷污染物入湖情況見表2。信江流域2018年TN污染負(fù)荷達(dá)6 415.62 t，農(nóng)村生活污染貢獻(xiàn)最大，入河量達(dá)1 958.57 t，其次為耕地和畜禽養(yǎng)殖污染，入河量分別為1 572.11和1 120.36 t，水產(chǎn)養(yǎng)殖、園林及工業(yè)污染TN入河量較少。流域2018年TP污染負(fù)荷為619.19 t，各污染源磷污染貢獻(xiàn)率依次為：農(nóng)村生活>畜禽養(yǎng)殖>城鎮(zhèn)生活>水產(chǎn)養(yǎng)殖>耕地>工業(yè)污染>園地，農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖和城鎮(zhèn)生活磷負(fù)荷量分別為198.31，116.20和108.72 t，對信江流域總磷負(fù)荷貢獻(xiàn)均較大。整體而言，生活污染和畜禽養(yǎng)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(nóng)村生活、耕地、畜禽養(yǎng)殖和城鎮(zhèn)生活對信江流域TN的貢獻(xiàn)率分別達(dá)30.53%，24.50%，17.46%和16.81%，是TN的主要來源；農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖、城鎮(zhèn)生活和水產(chǎn)養(yǎng)殖對信江流域TP的貢獻(xiàn)率分別達(dá)32.02%，18.77%，17.56%和15.88%，是TP的主要來源。流域內(nèi)生活污水處理設(shè)施較少，處理水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，大多數(shù)生活污水直接排入河流，嚴(yán)重影響流域水質(zhì)。耕地污染是由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使用大量的化肥，信江流域主要流經(jīng)撫州、上饒和鷹潭，土壤肥沃，河網(wǎng)交錯，上饒更是農(nóng)業(yè)大區(qū)，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(yuǎn)高于發(fā)達(dá)國家規(guī)定施肥的上限225 kg，為其上限的2.19倍，肥料施用量不當(dāng)，過量的化肥未被農(nóng)作物吸收，在雨水淋濾作用下經(jīng)地表徑流和地下滲漏進(jìn)入環(huán)境水體，而硝態(tài)氮溶解性很大，極易向水體遷移。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，畜禽養(yǎng)殖特別是生豬養(yǎng)殖得到快速的發(fā)展，規(guī)模化、專業(yè)戶、小區(qū)養(yǎng)殖越來越多，據(jù)統(tǒng)計，2018年信江流域內(nèi)年末豬存欄數(shù)近140萬頭，但是畜禽養(yǎng)殖污染處理率、畜禽糞便還田率、養(yǎng)殖廢棄物無害化利用率低，糞便中的磷元素未經(jīng)有效的處理隨著廢水、尿液進(jìn)行到水環(huán)境中，對流域水體造成污染，經(jīng)計算，信江流域內(nèi)生豬養(yǎng)殖總磷負(fù)荷量占畜禽養(yǎng)殖的48.36%，為主要磷污染源；水產(chǎn)養(yǎng)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(fù)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(fù)荷量導(dǎo)入到行政區(qū)劃圖中，得出TN、TP負(fù)荷的空間分布圖(圖3)，TN、TP年負(fù)荷量空間分布較相似，鷹潭的貴溪市、余江區(qū)和上饒的廣豐區(qū)、上饒縣TN、TP負(fù)荷較高。貴溪市是信江流域內(nèi)面積最大的一個縣級市，且農(nóng)業(yè)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(dá)69 173 ha，為信江流域內(nèi)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(qū)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(qū)畜禽養(yǎng)殖量是信江流域內(nèi)最大的縣，其TN、TP負(fù)荷主要來源于畜禽養(yǎng)殖。廣豐區(qū)和上饒縣是信江流域內(nèi)人口的兩個縣，且耕地面積也較大，其TN、TP負(fù)荷主要來源于農(nóng)村生活和畜禽養(yǎng)殖排放。信州區(qū)和月湖區(qū)土地面積較小，且分別為上饒市及鷹潭市的主城區(qū)，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(xiāng)區(qū)、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(qū)，多為山區(qū)，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(fù)荷量空間分布格局

2.3 流域各縣市污染源排污貢獻(xiàn)率特征

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

圖4 信江流域各縣(市、區(qū))不同污染源TN、TP入河貢獻(xiàn)率

流域內(nèi)各縣(市、區(qū))農(nóng)村生活、水產(chǎn)養(yǎng)殖、畜禽養(yǎng)殖TP入河量貢獻(xiàn)率差異明顯。廣豐區(qū)、玉山縣、上饒縣、橫峰縣、金溪縣和資溪縣TP的主要來源為農(nóng)村生活，均占其TP入河總量的35%以上，其中上饒縣農(nóng)村生活貢獻(xiàn)率達(dá)到42.94%。橫峰縣農(nóng)村生活和畜禽養(yǎng)殖貢獻(xiàn)率之和占其TP入河總量的58.89%左右；弋陽縣畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖分別占其TP入河總量的24.29%和19.40%；余江區(qū)畜禽養(yǎng)殖占其TP入河總量的37.04%，為主要的污染物來源?？梢?，隨著流域空間分布的變化，各縣(市、區(qū))不同污染源對TN、TP的排放貢獻(xiàn)率表現(xiàn)出一定的規(guī)律性特征，流域上中游以農(nóng)村生活污染為主要污染來源，流域中下游區(qū)域人類生產(chǎn)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(nèi)氮磷污染源排放主要來源于農(nóng)村生活污染、城鎮(zhèn)生活污染、耕地污染和畜禽養(yǎng)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(huán)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(zhèn)生活污染源和農(nóng)村生活污染源。城鎮(zhèn)生活污染源主要是城市人口集中的城區(qū)，污水管網(wǎng)覆蓋面不全面，部分生活污染未經(jīng)處理直接進(jìn)入河道，對于城鎮(zhèn)生活水，主要是加大污水管網(wǎng)的覆蓋程度，城鎮(zhèn)生活污染全部收集進(jìn)入污水處理廠處理后再排放；玉山縣、上饒縣和鉛山縣農(nóng)村人口基數(shù)大，資溪縣、金溪縣和余干縣在信江流域的部分主要是農(nóng)村地區(qū)，以農(nóng)村人口為主，大部分地區(qū)農(nóng)村污水處理設(shè)施不完善，生活污水隨意排放現(xiàn)象比較普遍，對于農(nóng)村生活污染，可通過污水收集管網(wǎng)納入到城市或集鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)，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(tǒng)處理，對于分散居住區(qū)，可利用門塘構(gòu)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(qū)、上饒縣、弋陽縣、貴溪市等區(qū)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(fù)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(nèi)許多地區(qū)的農(nóng)田營養(yǎng)輸入呈盈余狀態(tài)，化肥使用量減少30%也不會減少農(nóng)作物的產(chǎn)量；施肥量消減30%時，TN、TP入河污染負(fù)荷可減少25%和30%，且隨著施肥量不斷減少氮磷營養(yǎng)物質(zhì)削減率也明顯增加。另外，可在農(nóng)田與河流間種植植被過濾帶，或通過改造農(nóng)田排水溝渠和廢棄魚塘，構(gòu)建生態(tài)溝渠攔截氮磷污染物，減少氮磷污染物入河量。

3.3 畜禽養(yǎng)殖污染控制

畜禽養(yǎng)殖污染主要來源于畜禽糞便未經(jīng)科學(xué)處理直接排放和養(yǎng)殖場污水。綜合考慮地區(qū)環(huán)境承載量，合理劃分適養(yǎng)區(qū)、限養(yǎng)區(qū)和禁養(yǎng)區(qū)，嚴(yán)格控制畜禽養(yǎng)殖密度，對不符合要求的養(yǎng)殖場進(jìn)行全面整改，促進(jìn)地區(qū)畜禽養(yǎng)殖平衡發(fā)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(jìn)沼氣工程建設(shè)，為畜禽糞便經(jīng)自然分解和厭氧發(fā)酵轉(zhuǎn)化為天然有機肥料提供條件；實施生態(tài)養(yǎng)殖，種植和養(yǎng)殖相結(jié)合，實現(xiàn)種養(yǎng)良性循環(huán)。

4 結(jié)論

信江流域TN、TP入河量分別為6 415.62和619.19 t·a-1，農(nóng)村生活和耕地種植是TN的主要污染來源，貢獻(xiàn)率分別為30.53%和24.50%，TP污染負(fù)荷主要來自農(nóng)村生活和畜禽養(yǎng)殖，貢獻(xiàn)率分別達(dá)32.02%和18.77%。在空間上TN、TP污染分布相似，流域中下游區(qū)域氮磷排放量較大，且上游區(qū)域以農(nóng)村生活為主要貢獻(xiàn)源，中下游區(qū)域污染主要來源種類更多。信江流域內(nèi)氮磷污染源排放主要來源于農(nóng)村生活污染、城鎮(zhèn)生活污染、耕地污染和畜禽養(yǎng)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(gòu)建生態(tài)溝渠、實施生態(tài)養(yǎng)殖等措施減少氮磷污染入河量。