沙塘川流域氮磷污染源及污染特征分析

刘凯兴，巢世军

(青海省环境科学研究设计院有限公司，青海 西宁 810007)

1 流域水体氮磷污染特征及污染源构成

沙塘川流域水环境质量状况。本项目收集了沙塘川桥断面2013～2017年逐月常规水质监测数据，以及2017年12月沙塘川桥断面不同形态氮、磷元素监测数据，同时在2018年4月、6月、8月对沙塘川桥断面水样进行了不同形态氮、磷元素监测。沙塘川流域水体主要氮磷污染物排放状况。收集了流域内2008～2016年环境统计数据，以及2017年《湟水流域水污染防治多方位动态信息采集基础建设项目》开展的湟水流域污染排放调查结果。

1.1 水体氮素污染特征分析

水体中氮素根据其化学形态，可以分为无机氮和有机氮。其中无机氮主要包括氨氮(NH4+-N)、硝酸盐氮(NO3--N)、亚硝酸盐氮(NO2--N)，有机氮主要包括尿素、氨基酸、蛋白质、氨基糖等含氮有机物。

根据不同水期对沙塘川水体中不同形态氮的监测结果(见图1)：所有水期中硝酸盐氮在总氮中占比均最高，达到65%～84%，亚硝酸盐氮占比最低，仅为0.8%～1.5%，氨氮和有机氮在总氮中占比随不同水期呈现较为明显的变化。总体来看，从枯水期(12月)到平水期(4月、6月)再到丰水期(8月)，沙塘川水体氮素中硝酸盐氮占比逐渐增加，从枯水期的53%一直增加到丰水期的84%，氨氮和有机氮占比逐渐降低，分别从枯水期的24%和21.5%下降到丰水期时的10.2%和4.7%。

图1 不同水期水体氮素形态分析

水体中不同形态氮素的占比变化主要是因为不同水期水体氮素来源不同造成的，在枯水期，点源排放源成为水体中氮素的一项主要来源，而点源氮素污染源中氨氮和有机氮含量相对较高；在丰水期，除了点源排放，由于降雨所形成的地表径流和壤中流将不同区域土壤中的氮素冲刷进入地下水、河流，形成非点源排放，而由于土壤中硝酸盐氮更容易流失，因此河流丰水期硝酸盐氮所占比例显著提高。

1.2 流域磷素污染特征分析

水体中磷素根据其物理形态可以分为溶解态磷和颗粒态磷。其中溶解态磷主要分为可溶性活性磷和可溶性非活性磷两种形式，可溶性活性磷主要由无机正磷酸盐组成，正磷酸盐是可以被藻类直接吸收利用的磷形式，可溶性非活性磷主要为有机溶解磷，无法被藻类等水生生物用作营养物质；颗粒态磷主要包含无机和有机以及颗粒和胶体的磷形态，颗粒态磷短期内在水生态系统中的生物利用度较低，但随着时间的推移，可生化性逐渐提高。

根据不同水期对沙塘川水体中不同形态磷的监测结果(见图2)：水体中溶解态磷和颗粒态磷占比随着水期改变有着非常明显的变化规律，即从枯水期到平水期再到丰水期，水体溶解态磷在总磷中占比逐渐降低，而颗粒态磷占比则逐渐提高。枯水期，溶解态磷是沙塘川水体磷的主要存在形式，其占比可达79.4%，颗粒态磷占比仅有20.6%；在平水期，沙塘川水体中溶解态磷占比逐渐降低至41.1%～49.8%左右，溶解态磷占比则升高至50.2%～58.9%左右，溶解态磷和颗粒态磷占比基本持平；而到了丰水期，颗粒态磷则成为沙塘川水体中磷的最主要存在形式，颗粒态磷占比达到60.3%，溶解态磷占比则降低至39.7%。

图2 不同水期水体磷素形态分析

水体中溶解态磷和颗粒态磷的占比变化原因与不同形态氮素占比变化原因相同，也是因为不同水期水体磷素来源不同造成的。在枯水期，点源排放源成为水体中磷素的一项主要来源，而点源磷素污染源中溶解态磷含量相对较高；在丰水期，除了点源排放，由于降雨所形成的地表径流和壤中流将不同区域土壤颗粒冲刷进入地下水、河流，形成非点源排放，而自然界磷主要以颗粒态磷的形式存在，因此河流丰水期颗粒态磷占比显著提高。

1.3 流域氮磷污染源构成分析

1.3.1点源污染

沙塘川流域主要的水体点源污染源为直接向河流水体中排放污废水的生活点源和工业点源[1]。

(1)生活点源污染

沙塘川流域农村地区建成污水收集与处理设施的居民点很少，因此生活点源主要来自互助县城镇居民生活污水的排放[2]。沙塘川流域截至2018年底建有城镇污水处理厂2座，分别为互助县第一污水处理厂和互助县第二污水处理厂，设计处理水量分别为10 000m3/d及30 000m3/d。其中互助县第一污水处理厂于2010年建成投入使用，处理后排放污水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中一级A标准；互助县第二污水处理厂于2018年建成，目前正在调试和试运行阶段。因此，本项目以互助县第一污水处理厂排放的污水作为流域生活点源污染。根据青海省2008～2016年环境统计数据和地区统计年鉴，得到2008～2016年沙塘川流域城镇生活污水及总氮、总磷、氨氮的入河量，如表1。

表1 沙塘川流域城镇生活污水及主要污染物入河量

(2)工业点源污染

沙塘川流域向河流水体中排放废水的行业企业主要为白酒制造企业、淀粉及淀粉制品制造企业、牲畜屠宰企业，其中白酒制造企业废水排放量和总氮、总磷排放量占比最大。以2016年为例，3个行业中白酒制造企业工业废水、总氮、总磷排放量分别占到了工业排放量的79%、77%和63%，淀粉及淀粉制品制造企业工业废水、总氮、总磷排放量分别占13%、18%和14%，牲畜屠宰企业工业废水、总氮、总磷排放量分别占8%、5%和23%。详见图3。

图3 沙塘川流域不同行业工业废水及主要污染物排放对比

根据青海省2008～2016年环境统计数据，得到2008～2016年沙塘川流域工业废水及总氮、总磷、氨氮的入河量，如表2。

表2 沙塘川流域工业废水及主要污染物入河量

1.3.2非点源污染

流域分布最为广泛的非点源氮磷污染为流域内土壤，在降水和融冰融雪过程，土壤内氮磷元素会通过地表径流、壤中流、土壤内淋溶作用等迁移进入地下水和周围地表水体中。但是在人类活动的干扰下，例如农田耕作施肥、草场放牧、集约化畜禽养殖、农村生活污水泼洒等行为都会向局部区域内土壤中增加额外的氮磷来源，从而导致区域氮磷非点源污染输出的增加。

沙塘川流域内耕地面积占到了流域总面积的54.71%，用于放牧的草地面积占到了流域面积的约16%，同时农村生活污水也缺乏统一的收集与处理系统，因此流域内的人为非点源氮磷污染主要来源于农牧业生产和生活污染。本研究采取经验公式并综合以往研究成果，对沙塘川流域内2008～2016年年均非点源污染进行统计估算。

(1)种植业污染

化肥的施用大大提高了农作物产量，所施用在农田中的化肥部分被农作物吸收利用，剩余大部分未被吸收的化肥及农田土壤中氮磷元素随着降水、灌溉淋溶或冲刷进入地下水和周围地表水体中，造成水体氮磷污染。到2015年，我国化肥综合利用率为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为氮肥、磷肥、钾肥和复合肥，根据互助县统计年鉴，沙塘川流域内各乡镇年均化肥施用情况统计结果详见表3和表4。可以看出，沙塘川流域西山乡和东山乡的化肥施用强度最大，达到748.8～827.7kg/(ha·a)，其他区域化肥施用强度也较高，达到302.9～500.6kg/(ha·a)，全区化肥施用强度为458.7kg/(ha·a)，远远超过青海全省化肥施用强度156.6kg/(ha·a)。所有化肥中，氮肥和复合肥的施用量最大，磷肥的施用量约为前两者的一半。

表3 沙塘川流域内不同区域年均化肥施用量一览表 (单位：t/a)

续表

表4 沙塘川流域内不同区域化肥年均施用强度一览表 (单位：kg/(ha·a))

(2)畜禽养殖污染

畜禽养殖造成的非点源污染主要来自畜禽的粪便和尿液。在放牧散养的状态下，如牛羊在牧场内排泄的粪便就作为生物绿肥留在了牧场内，同时牲畜对牧场草地的过度的践踏和啃食会增加牧场内的水土流失强度，从而增加区域氮磷非点源排放强度[3]。在集中养殖的状态下，畜禽粪便被收集起来以有机肥的形式还田利用，经调查，沙塘川流域内规模化养殖场和养殖专业户所产生的畜禽养殖粪便全部作为有机肥还田。

根据互助县统计年鉴和《第一次全国污染源普查畜禽养殖业源产排污系数手册》以及《农业常用数据资料》，统计了流域内畜禽养殖粪、尿所贡献的氮磷产生量，详见表5。

通过统计流域内不同乡镇畜禽养殖情况，可以得到沙塘川流域内不同区域畜禽粪便及氮磷产生量，详见表6。可以看出，沙塘川全流域畜禽养殖产生的总氮和总磷分别为3 935.62t/a和426.21t/a，所有区域中，南门峡镇的畜禽养殖量最大，由此产生的总氮和总磷也最多，分别达到910.07t/a和92.95t/a。

表6 沙塘川流域不同区域畜禽养殖氮磷产生量

(3)农村生活污染

农村生活污染的氮磷来源主要包括人粪尿和其他生活污水，主要都通过泼洒或附近小沟渠直接排放，因此也是流域内重要的氮磷非点源污染源之一[4]。沙塘川流域目前共有农村人口共计15.07万人，根据《青海省地方标准用水定额》(DB63/T 1429-2015)，青海省农村居民生活用水定额在水源水量充足地区为60L/(d·人)，在水源水量缺乏地区为40L(d·人)。沙塘川流域川水地区为水源水量充足地区，浅山和脑山地区为水源水量缺乏地区，因此取综合用水量为50L(d·人)，生活污水产生量按用水量的0.8(d·人)计，则沙塘川流域农村生活污水产生量为220 000m3/a。根据第二次全国污染源普查专项——《青海省典型区域农村居民生活用排水情况调查》中对互助县农村生活污水的调查与监测结果，互助县农村生活污水中平均总氮浓度为83.63mg/L，总磷浓度为2.87mg/L。由此，计算得出沙塘川流域农村生活污染总氮产生量为184t/a，总磷产生量为6.3t/a。

(4)土壤氮磷含量

项目采样调查了沙塘川流域不同土壤类型和不同土地利用类型中土壤有机碳和不同形态氮磷含量，于2018年10月共在流域内选择了27个点位，每个点位采用梅花5点采样法，采集了表层1cm和距地表30～40cm土层2份土样。所有点位覆盖了沙塘川流域内96.2%的土壤类型，以及96.45%的土地利用类型。

①不同土壤类型氮磷含量

不同土壤类型土壤有机碳和氮磷平均含量详见表7和图4。从表7和图4中可以看出：沙塘川流域黑毡土、淋溶黑钙土、棕黑毡土和石灰性黑钙土中总氮含量最高，表层和下层土壤总氮平均含量均超过2 000mg/kg，淡栗钙土中氮含量最低，表层和下层土壤总氮平均含量均低于1 000mg/kg。棕黑毡土、草甸土和石灰性黑钙土中磷含量最高，表层和下层土壤总磷平均含量均超过1 000mg/kg，淡栗钙土和黑毡土中磷含量最低，表层和下层土壤总磷平均含量在562.3～684.2 mg/kg之间。所有土壤类型中，表层和下层土壤总氮含量差别均较小。

图4 不同土壤类型土壤有机碳和氮磷平均含量

表7 不同土壤类型土壤有机碳和氮磷平均含量一览表

②不同土地利用类型土壤氮磷含量

流域内不同土地利用类型土壤有机碳和氮磷含量详见表8和图5。从表8和图5中可以看出：沙塘川流域不同土地利用类型土壤中氮素、磷素和有机碳平均含量从高到低依次为草地、耕地和林地，所有类型土壤中，表层和下层土壤总氮含量差别均较小。

图5 不同土地利用类型土壤有机碳和氮磷平均含量

表8 不同土地利用类型土壤有机碳和氮磷平均含量一览表

从氮的化学形态来看，沙塘川流域3种主要土地利用类型土壤中氮素主要以有机态氮形式存在，有机态氮占总氮比例为97.1%～98.3%；氨氮和硝酸盐氮所占比例均很低，分别为1.0%～1.5%和0.6%～1.5%。所有类型土壤中，表层和下层土不同形态氮占总氮比例的差别均很小。

2 结论

(1)沙塘川流域水体氮磷污染特征

沙塘川流域水体中总氮水平整体较高，年均浓度都在3mg/L以上，氨氮和总磷的年均浓度均维持在《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)III～IV类标准。总氮与氨氮浓度变化规律均为枯水期>平水期>丰水期，总磷浓度在枯水期和丰水期均有显著升高趋势。

沙塘川水体氮素最主要的形态为硝酸盐氮，占总氮比例达65%～84%，亚硝酸盐氮占比最低，仅为0.8%～1.5%，氨氮和有机氮在总氮中占比随不同水期呈现较为明显的变化。从枯水期到丰水期，水体硝酸盐氮占比逐渐增加，氨氮和有机氮占比逐渐降低。沙塘川流域水体中溶解态磷和颗粒态磷占比随着水期也有着非常明显的变化规律，即从枯水期到丰水期，溶解态磷在总磷中占比逐渐降低，而颗粒态磷占比则逐渐提高。沙塘川水体氮磷形态变化的主要原因是枯水期水体中氮磷主要来源为点源排放，而点源污染源中氨氮、有机氮和溶解态磷含量相对较高，丰水期则有更多的硝酸盐氮和颗粒态磷以非点源污染的形式进入河流。

(2)沙塘川流域氮磷污染源构成

沙塘川流域氮磷点源污染源主要为城镇生活污水和工业废水，2016年全流域城镇生活污水总氮、总磷排放量分别为96.46t和4.70t，工业废水总氮、总磷排放量分别为49.89t和1.61t。

沙塘川流域氮磷非点源污染的来源主要包括种植业污染、畜禽养殖污染、农村生活污染和流域内土壤。种植业污染主要为土壤中未被利用的氮肥和磷肥流失所形成的非点源氮磷污染，全流域氮肥、磷肥和复合肥年均施用强度分别为88.79kg/ha、15.30kg/ha和107.39kg/ha。畜禽养殖造成的非点源污染主要来自畜禽的粪便和尿液，沙塘川全流域畜禽养殖粪尿总氮、总磷产生量分别为3 935.62t/a和426.21t/a。农村生活污染的氮磷来源主要包括人粪尿和其他生活污水，主要都通过泼洒或附近小沟渠直接排放，沙塘川全流域农村生活污染总氮、总磷产生量分别为184t/a和6.3t/a。