近几十年太湖流域氮素来源变化及控制

王锦旗，宋玉芝，黄 进

(南京信息工程大学应用气象学院，南京 210044)

太湖是我国第三大淡水湖，自20世纪60年代以来，水质持续恶化，从70年代开始，五里湖湖区出现蓝藻之后，蓝藻爆发面积不断扩大，发生频率也随之增加，到80年代中后期，蓝藻爆发范围已扩至梅梁湾[1]，此后，蓝藻水华频繁爆发。氮作为湖泊初级生产力的重要限制因子，是造成湖泊富营养化最为重要的营养元素[2]。1985-2015年之间太湖水体总氮(TN)含量年均值在1.79～3.63mg/L，30年平均值为2.62±0.03 mg/L[3]，均处于劣五类水质，主要以氮超标为主[4]。根据《太湖流域水环境综合治理总体方案(2013 年修编)》(以下简称《总体方案》)数据显示，2012年水体TN含量较2005年下降了16.78%，但仍处于劣五类水质，并未达到2012年的目标(2.00 mg/L)，离2020年的目标(1.20 mg/L)也有较大的差距。因此，弄清楚输入太湖不同氮素的来源，并有针对性制定控制政策十分重要，为相关部门开展有针对性的治理工作提供决策依据，具有十分重要意义。

1 太湖流域氮素输入途径

1.1 太湖水体氮素的外源输入

环湖河流输入是太湖氮素外源输入的主要来源[5]，以氮污染为主，磷次之[6]。据统计，1980s 河道TN 输入量占入湖总量的72.02%，20世纪80年代末，河道入湖TN量约2.02 万t[7]，1990s已占总量的90%以上[8]。2000-2007年介于3.4～4.5 万t[9,10]；2009- 2010水文年河道输入TN量高达7. 00 万t[11]，远超过湖体允许环境容量[11,12]。根据太湖健康状况报告，2007-2015年期间，环太湖河道入湖总氮平均达4.65 万t/a，其中2010年高达5.62 万t，即使最低的2013年也达3.78 万t，仍超过湖体允许环境容量的2.12倍[13]，由此可见，多年来，经河道入湖氮总量并未显著减少或增加，总体状况平稳。据统计，太湖流域1980-2000年工业废污水排放量也增长近1倍，1987年工业、生活废水排放量为3.6×109t，2012年增至6.47×1010t，入河(湖)污水量也极大地增长[14]。在TN贡献率中，农业面源(含畜禽养殖)为主，生活污、工业废水次之[15]，且工业污水、农业面源污染、生活污水排放量增加[16]。

1.1.1 工业污水

由图1所示，近几十年来，工业污水进入太湖总体呈上升趋势。20世纪60、80年代入湖总氮中，工业污水排放总氮量均维持较低水平，分别为545.5、158.9 t/a，约占入湖总氮的7.3%、1.5%[17,18]。进入90年代后，工业污水排放量大增，其中仅1994年工业污水中含量较1960s高22.9倍，达12 544 t/a[19]；至1997年，仅太湖上游及沿岸入湖工业污水总氮就高达10 734 t[20]。进入21世纪，工业污水中含氮量继续增加，其中2000-2001年，总氮每年入湖总量在40 000 t/a左右，其中工业污水对入湖总氮贡献为30%[21]，达到11 814 t[22]。2005年工业污水入户总氮 已高达35 066 t/a，2007年太湖流域仅江苏片区最终入河的工业源污染物中总氮1.84 万t/a[23]，至2010年，入湖工业污水中氮含量为41 425 t/a，已较1960s增加7 594.0%，其中工业污水含氮量所占比重已由1980s以前10%以下，上升至26.9%左右。根据国家环境保护总局“太湖水污染防治十·五计划”，到2000年，总氮最大允许排放量为12 671 t，而仅工业污水一项就远超出允许排放标准。

1.1.2 生活污水

由图1可见，生活污水中的氮元素是太湖氮素污染的重要来源，也是太湖富营养化的重要成因[24]。随着太湖地区工业化、城市化进程的加快，流域人口随之迅速增长，居民生活水平及生活方式也随之变化，生活污水排放量也较以前迅速增加[25,26]，且太湖流域生活污水来源广、相对分散[26]，污水处理设施及水平跟不上人口增长及城市化的进程，导致生活污水，尤其农村生活污水，只经简单处理甚至未处理就排放入湖，污水处理率较低，因此，污水中N、P营养元素含量较高[25]。1960s入湖总氮中，生活污水氮排放量2 660.2 t/a，约占入湖总氮的35.6%[17]；1980s年代，仍保持较低排放量，仅1 677.6 t/a[18]。1990s以后生活污水氮排放量迅速增加，较1960s增加了近680.0%[19]。2000年以后，生活污水入湖总氮仍保持较高水平，其中2002年达12 208 t/a，约占入湖总氮的31%[21,22]，2005年高达16 353 t/a。2010年，根据《总体方案》的数据，入湖氮负荷中，生活污水约为33 163 t/a，已较1960s高出1 246.6%，约占所有氮排放的25.1%左右[27]。虽太湖流域农村生活污水处理率居于全国前列，但处理率仍较低[28]。部分经济发达地区可达30%～50%，但大部分地区不足10%[28]。且现有的污水处理能力无法满足生活污水的排放量，生活污水对太湖的环境压力仍很大[29]。因此，生活污水处理亟待加强[30]。

图1 过去几十年太湖流域不同氮素来源Fig.1 Nitrogen sources change over the past decades

1.1.3 农业面源污染

由图1所示，农业面源污染已经给太湖工农业生产带来严重影响，大量N、P营养盐进入水体，导致太湖流域70%的河湖受到污染，虽然太湖总体水质为III，但凯氏氮仅达到IV标准[31]。进入太湖的农业面源污染主要来自种植业、畜禽及水产养殖业所产生的肥料、排泄物及农药等[25]。在TN排放量中，种植业占44.6%，畜禽养殖业占39.8%，水产养殖业占15.5%[25]，其中，种植业TN排放量大，是水体富营养化的重要原因[25]。在入湖总氮中，20世纪60、80年代，农业面源污染氮排放量分别为3 938、5 294.8 t/a，是入湖总氮最主要来源，所占比重均超过50%[17,18]。进入1990年代，农业面源污染氮排放量仍保持较高排放量及比例[19]。2000年以后，通过农业面源污染入湖氮总量仍较高[22]，其中2005年，农业面源污染氮排放量高达46 742 t/a，但所占比重较1960s、1980s有所下降，约占入湖总氮的47.6%。2010年，入湖氮负荷中，农业面源污染为60 826 t/a，约占入湖总氮的45%，较1960s增加1 544.2%，在所有污染排放中农业面源污染TN占54.1%。据估算，2013年通过农业面源污染入湖氮总量高达94 700 t/a[32]。在各类TN排放中具有首位，“零点行动后”，点源污染排放的N得到有效控制，而农业面源污染仍未得到有效控制[33]。

由图1(b)、图2可见，从氮素排放总量来看，1960s与1980s总体排放量较低，全年排量仅7 100～7 500 t，且变化较小，1990s、2000s分别增加到65 006、68 377 t/a，分别较1980s高出9.1、9.6倍，2010s更迅速增加到135 414 t/a，较1980s增加19.0倍。从不同来源比例进行分析，农业面源污染依然占的比例最大，氮比重明显所下降，其中1980s高达74%，而2000s及2010s比重已降至45%、45%，生活污水所占比重也有所降低，1960s生活污水占36%，2000s已降至21%，工业污水比重明显增高，1960s、1980s仅占7%，2%，2000s及2010s比重已升至34%，31%。

图2 不同年代太湖流域氮素来源百分比Fig.2 Nitrogen sources percentage in different year

1.2 大气沉降的输入

大气氮沉降也是输入太湖流域重要的来源，能对湖泊水体水质、浮游生物的生长均产生重要影响[34]。20世纪80、90年代，太湖氮沉降为3 000 t/a左右[35,36]，2002-2003年，氮沉降总量达9 981 t/a，占环湖河道输入N负荷的48.8%[37]。2003-2004年间，仅湿沉降就高达7 329.5 t/a[38]。2007-2010年，通过干湿沉降进入太湖的氮总量，约为7 000 t/a，占入湖总通量的15.5%[5]，2009年8月-2010年7月仅大气湿沉降中TN 含量就高达10 868 t/a，为同期河流入湖负荷的18. 6%[39]。2011年，全年大气TN 沉降总量为20 978[40]，2012年仅通过湿沉降进入太湖的氮负荷高达12 062 t/a[41]。由图3可见，从1980s-2010s太湖流域大气氮沉降量呈增加趋势。

图3 不同年代大气氮沉降量Fig.3 Atmospheric nitrogen deposition in different year

1.3 太湖水体氮素污染的内源输入

太湖水质状况很有可能与沉积物内源营养盐负荷有密切联系[42]，太湖流域氮内源污染主要来自于沉积物间隙水向上覆水静态扩散，风力扰动、沉积物再悬浮。当外源污染输入减少后，沉积物中营养盐会逐步释放，在一定条件下，会成为水体富营养化的主导因子[2]，内源营养盐在风浪扰动下，易发生再悬浮，导致沉积物中营养盐大量释放进入水体，对水质影响很大[43]，所以当太湖温度、水流、光照等外部条件适宜情况下，内源营养盐负荷释放至水体，仍可能大规模爆发蓝藻水华[44]，王芳等通过模拟计算，2001年太湖内源性氮输入约为3.0 万t[45]。而秦伯强的估算当风速较大时，在东太湖氮约为29 618 kg，梅梁湾氮约为23 059 kg[46]。逄勇等计算2002、2005年的内源污染，结果表明，2002年内源释放总氮约为7 667 t[47]，2005年内源释放总氮7 773 t[48]。而胡开明计算2009年内源总氮输入量约为1 149.05 t[43]，狄贞珍计算了2013年内源释放的氮素量约为10 061 t[50]。由此可见，太湖内源污染释放量因涉及因素复杂，估算结果差异也较大，与其他输入方式相比，总量略低。

2 太湖氮素控制措施

2.1 外源污染控制措施

2.1.1 农业面源污染治理

由于农业面源污染仍然是太湖氮素输入的主要来源。因此，对太湖流域农业面源污染治理仍需持续加强。首先，从施肥上加强管理，优化氮肥管理模式：太湖流域农业生产过程中过量施加氮肥现象普遍，使得土壤中氮素含量过高，可采用缓控释肥或按需施肥的方式，两种施肥方式均可提高氮肥利用率，降低氮素流失，减少氮向周边环境排放，同时还不降低农作物产量及效益[51]，研究表明，通过缓控释肥处理和按需施肥处理后，氮排放量比农户施肥处理分别降低了52.8%和45.4%[51]。优化水分管理技术，按需灌溉，节约用水，减少农田地表径流，以此减少农田氮素流失。其次，对农田面源污染排放进行过程阻断及拦截，利用生态拦截沟渠或生态拦截带技术[31]，在农田周围建立生态沟渠消解农田面源污染，在河道两侧岸边设立生态隔离带及缓冲带，在农田面源污染进入河道前进行吸收和缓冲，减少进入水体的氮含量，还可以利用太湖流域河流水系发达的特点，充分构建人工湿地、水生蔬菜塘等对污染源进行阻断。从已建成的生态拦截工程效果上看，可有效地降低农业面源污染，对氮的消减率达40%[52]。太湖流域可供建设拦截沟渠或生态拦截工程的植物种类丰富，条件成熟，在全流域推广实施，可取得较好的效果。

2.1.2 工业污水控制

由于太湖流域工业污水氮排放量连续多年增长，且在整个氮素污染排放重所占比重逐渐增加。此外，工业污水中成分复杂，有毒有害物质众多，太湖流域人口众多，区域水环境及区域生态环境对区域人口生存安全十分重要。因此必须对工业污水排放加强控制。

首先，提高排放标准，加大执法力度：太湖流域面积仅占全国0.4%，人口却占4.4%(截止到2016年)，而GDP却占到全国的9.8%，因此，流域工业污水中如何控制氮素以及其他污染物，对稳定区域社会、经济、人民生活十分重要。因此，对待工业污水，必须提高排放标准，加大执法力度，保证区域环境质量安全。2018年6月1日江苏省人民政府发布了《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》(DB32/1072-2018)，该标准应在全流域推广，加大执行力度，监测部门应该加大检测力度，防止企业偷排、漏排。

其次，优化产业结构，淘汰重污染企业：太湖流域大中小型企业众多，部分企业技术水平低下，有些行业企业污染严重，太湖流域重污染企业中化工、造纸、电镀三大行业总氮排放超标率均为33.3%[22]，虽然从1998年“零点行动”执行之后，工业废水氮排放量有所降低[52]，但从入湖河道氮含量来分析，氮含量并没有显著降低，太湖总体氮含量也未显著变化，说明流域制造业水平提升速度，重污染企业淘汰速度仍需长期执行，对于一些技术水平低下，污染排放量大，达标无望的企业应予以淘汰。因此，太湖流域产业结构必须逐步优化，对工业企业布局要逐步调整，对高耗能、高污染企业因此关停并转，扶持一批具备清洁生产能力、符合低碳节能的企业，政府可通过财政补贴、税收优惠等手段刺激企业自发进行转变。

再次，提高生产技艺，减少污染排放：在世界制造业高速发展的形势下，我国制造业生产工艺急需提高技术，在全球提倡低碳节能、清洁生产的背景，减少生产过程中含氮污染物的排放，是世界制造业发展的趋势，除此之外，提升工业废水处理水平，加大不同行业污染物深化处理研究，进一步削减污染物排放量，只有这样最终入湖的氮素含量才有可能降低。

太湖流域经济发展水平居全面前列，在全球经济发展压力之下，迅速转型、转变是发展所需，部分城市已经开始了尝试，并取得了积极效果。例如太湖流域的常州市经济已由高速增长阶段转向高质量发展阶段，许多重工业部门迅速转型，其中第三产业在GDP占的比重越来越大。

2.1.3 生活污水

生活污水不同于工业污水，主要来源于厨房、卫生间、洗涤等生活过程排放的污水，因此，含氮率相对较高，且随着城市化推进，生活污水排放量大增，对生活污水氮排量必须加强控制。太湖流域城市化率水平较高，2000年城市化水平达到66.17%[49]，至2012年已达77.6%，生活污水产生量巨大，但生活污水处理率落后于城镇化速度，污水处理能力不足，虽然随着农村地区城镇化推进，但农村地区污水处理设施也不能减轻生活污水对地表水环境的压力[50]。因此，必须逐步完善城市污水网络，加大处理力度，对原有污水处理设备升级改造，改进处理工艺，使得城镇生活污水的处理率得以增加。另外，增加和拓宽农村生活污水处理力度及方式，利用沼气发酵、土地处理技术、塔式生物滤池[53]以及建设生态沟渠、氧化塘、人工湿地等手段因地制宜处理当地生活污水，不仅可以将生活污水中的氮、磷等营养盐充分利用，降低氮、磷排放量，还可以变成对农业生产有用的资源。太湖流域地处北亚热带地区，植物种类丰富，温湿度适宜，利用上述沼气处理、生态沟渠等措施均是切实可行的。

2.2 内源污染治理

控制内源释放必须先控制外源输入, 然后才能实施内源污染控制[50]。目前对内源污染采用最普遍的方法即底泥疏浚，虽然太湖内源释放量仍有争议，但太湖底泥疏浚取得了一定效果。据统计，2007 -2014 年太湖实施底泥疏浚，有效地减少底泥中氮、磷释放。虽然底泥疏浚可在短期内显著降低底泥的内源释放量，但是, 随时间的延长, 底泥上会出现新的污染物[49]。而水生植物，尤其是沉水植物的生长可有效控制底泥中营养盐的释放，而底泥疏浚工程不仅会破坏水生植物及水生植物的繁殖体，还会破坏水生植物生长环境，使得疏浚区的水生植物大量消亡，将会导致水体发展以浮游植物为主的藻型水体[54]。因此，在外源污染被阻断的情况下，若内源污染仍十分严重，则考虑清淤疏浚工程，但底泥疏浚后必须以恢复水生植被，在截断外源输入、内源释放后，重点提高水体透明度，提高水体溶解氧含量，降低水体营养盐，最终使水生植被得以恢复，南京玄武湖在2005年冬季，对水体蓝藻水华进行了应急治理，水体透明度提高，溶解氧含量升高，水生植被迅速恢复成功，在水生植物存在期间，水体营养盐含量得到有效控制[55]。因此，清淤必须以恢复水生植物种群，形成稳定水生生态系统为最终目标。

2.3 大气沉降治理

在水体氮、磷等营养盐治理过程中，大气干湿沉降往往是最容易被忽略的一个环节，大气气溶胶每年通过干湿沉降形式沉降至地面的物质，最终绝大部分通过地表径流形式进入水体，因此，控制大气干湿沉降来源是控制大气干湿沉降最主要途径，由于太湖流域大气氮沉降主要来源于化石燃料燃烧以及农业生产[52]。因此，控制化石燃料燃烧过程以及农田氮肥、排泄物的挥发十分重要。对于工业生产而言，大力发展清洁能源，控制企业化石燃料用量，加大化石燃料燃烧过程中氮的回收及处理十分有必要；对机动车而言，控制机动车数量及出行，发展公共交通及新能源汽车，倡导绿色出行，可有效减少氮排放；对农业生产而言，按需施肥，有指导地进行科学施肥可有效地提高氮肥利用效率，减少氮释放量。

3 结 语

太湖流域氮素来源方面，农业面源、工业污水、生活污水及大气沉降进入太湖的氮素量均显著增加，进入太湖的氮素总量也逐年增加，从20世纪60-80年代以农业面源污染为主，而2000年以后农业面源比重仍然最大，但所占份额明显减少；而工业污水比重显著升高，农业面源、工业污水、生活污水所占比重差异缩小，大气沉降输入虽然所占比重不高，但氮沉降量逐年增加，因此，在治理方面应该由单方面重视农业面源污染转向多种污染源全面治理。

太湖流域氮控制方面，应加强立法，制定适应当地生态系统、环境保护的氮排放政策，并加大实施力度；弄清点源、非点源、大气干湿沉降等过程中氮排放的源头，从源头抓起，提高生产技艺，强化过程控制，对最终排放进水体的氮，深化处理途径及进行技术革新。

在太湖流域氮输入中农业面源(含畜禽养殖)最为主要，工业废水及生活污水其次，大气沉降影响较小，但产生量逐渐增加，而农业面源(含畜禽养殖)也是造成大气氮沉降一个重要来源，应该重点管控，加强氮肥优化氮肥管理模式，可采用缓控释肥或按需施肥的方式，并加强过程阻断及拦截技术，以减少氮向环境的释放，对生活污水，应鼓励居民节约用水，减少生活污水排放，并深化生活污水的处理及综合利用。因工业污水成分复杂，危害严重，也需重点管控，提高排放标准，加强监测，提高生产工艺，深化污水处理力度。对内源污染十分严重区域应在外源污染截断前提下，有序实施清淤工程，对底泥清淤厚度应适当把握，在清淤工程实施后，应加大水生植物恢复，尤其是沉水植物的恢复，通过水生植物恢复防止营养盐再度升高、反弹；对大气沉降，重点做好源头控制，管理好机动车、工业生产、农业生产等源头，可有效降低排放量。

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