2016—2020年中国地表水中总氮浓度时空变化特征分析

嵇晓燕，王姗姗，杨凯，任蓓

1.中国环境监测总站，北京 100020；2.江苏省环境监测中心，江苏 南京 210019

当前，氮素污染已成为影响水生态系统健康和饮用水安全的重要因素。从上世纪起，随着化学氮肥的大量使用，土壤中的氮负荷通过降水、渗漏等污染了地表水及地下水（文秋红等，2015），给人体健康和水资源利用带来了诸多威胁（陈水勇等，1999）。陆源输入导致氮素浓度升高，造成湖库水体富营养化，引起近岸海域水质恶化和赤潮（张鹏等，2019）：大量藻类生长导致水质恶化，破坏生态平衡，导致鱼类、家禽、水鸟死亡（牛莉萍，2017），甚至直接危害人类生命。

多名学者对水体中氮元素开展研究，发现武威市、洞庭湖和太湖总氮浓度均呈现枯水期高、丰水期低的特点（张光贵等，2016；范清华等，2017；李璐等，2019）；岱海受冰封影响，冬季总氮浓度明显高于其他季节（赵丽等，2020）；长江上游总氮浓度低于中下游（杨盼等，2019）；博斯腾湖富营养化趋势与上游入湖河流总氮含量息息相关（何杨洋等，2016）；浑河清原流域氮素空间变化特征与人为活动强度相对应（郑尧文等，2020）；湖泊富营养化与气候暖干化及人类活动干扰有关（陈小锋，2012）；丰水期氨氮占总氮比例比枯水期高（马自伟等，2017）。以上研究总结了特定城市、水体或流域的总氮时空变化特征和影响因素，结论具有地域局限性，不足以说明全国地表水中总氮浓度的时空变化特征。

本文基于全国地表水监测数据，分析总氮（TN）指标在时间及空间上的分布特征，为全国尺度氮素的污染防控提供参考和支撑。

1 研究方法

1.1 数据来源

本文采用2016—2020年国家地表水环境质量监测网2050个断面（点位）的所有有效总氮数据进行分析，覆盖全国10大流域，涉及1808个河流断面和242个湖库点位。监测断面（点位）的设置包含以下4个原则：监测断面总体反映水系或所在区域的水环境质量状况；各断面的具体位置反映所在区域环境的污染特征；尽可能以最少的断面获取足够有代表性的环境信息；考虑实际采样的可行性。所选断面（点位）分布情况如表1和图1所示。

图1 地表水监测断面各流域分布示意图Figure 1 The distribution of surface water monitoring sections in each watershed

表1 地表水监测断面各流域分布情况Table 1 The distribution of surface water monitoring sections in each basin

1.2 采样分析

采样方式包括船只采样、桥梁采样、涉水采样等，河流断面和湖库点位的布设依据《地表水和污水监测技术规范》（HJ/T 91—2002）（国家环境保护总局，2002a）。

分析方法依据《水质 总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》（HJ 636—2012）（环境保护部，2012），总氮分析采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法。

1.3 数据分析

根据《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）（国家环境保护总局，2002b）和《地表水环境质量评价办法 (试行)》（环境保护部，2011），对监测结果开展评价分析，总氮质量浓度按照不高于 0.2、0.5、1.0、1.5和 2.0 mg·L-1，分别划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和劣Ⅴ类水质。空间数据主要包括全国各省份、各流域及其监测断面地理分布，通过SuperMap iDesktop软件处理获得专题图件。数据统计分析采用Microsoft Excel和SPSS，图表绘制采用Microsoft Excel。

2 结果分析

2.1 总体情况

2016—2020年全国及各流域总氮浓度均值分布如图2所示。由图2可知，中国地表水中总氮浓度高值主要分布在海河流域、辽河流域、黄河流域及淮河流域等4个流域。全国各流域总氮质量浓度均值均超过1.00 mg·L-1，其中总氮质量浓度均值较高的4个流域总氮质量浓度均在3.00 mg·L-1以上，海河流域总氮质量浓度均值最高为5.13 mg·L-1，涉及海河流域和黄河流域的山西省总氮质量浓度为各省最高，达7.18 mg·L-1；珠江流域、浙闽片河流、长江流域和松花江流域总氮质量浓度均值相对较低，在1.76—2.29 mg·L-1之间分布；西北诸河和西南诸河总氮质量浓度最低，分别为 1.39 mg·L-1和1.23 mg·L-1，地处西南诸河的西藏总氮质量浓度为各省最低，仅为0.53 mg·L-1。

图2 2016—2020年各流域总氮平均质量浓度Figure 2 The average mass concentration of TN in each watershed during 2016—2020

2021年 5月第七次人口普查（国家统计局，2021）结果显示，中国东部地区人口占39.93%，中部地区占26.83%，西部地区占27.12%，东北地区占6.98%。根据2021年全国统计年鉴，中国东部地区、中部地区、西部地区和东北地区总氮排放量分别为10.9、15、8.15和8.36×104t，中、东部地区占总氮排放量较高，总氮排放量最高的10个省份中，中、东部地区占了80%。中、东部地区人口众多，生产力发达，工业排放废水及农用灌溉污水产出量大，区域内水体氮含量也相应较高；西部人口密度小，工、农业还未高速发展，人类活动对水体污染程度相对较小。中、东部地区高密度人口分布及高强度人类活动与黄河、海河、辽河及淮河流域的高浓度总氮有着较强的相关性。

2.2 时间变化趋势

2.2.1 年际变化

2016—2020年全国地表水总氮年均值变化如表2和图3所示。5年间全国总氮年均值在2.54—3.00 mg·L-1之间，2017 年出现峰值（3.00 mg·L-1），之后呈下降趋势。河流与湖库总氮年均值变化趋势与全国总体保持一致；河流总氮年均值要远远高于总体及湖库，在2.72—3.23 mg·L-1之间；湖库总氮年均值波动相对较小，在1.19—1.31 mg·L-1之间。

表2 2016—2020年全国总体、河流和湖库总氮质量浓度年均值变化Table 2 The annual mass concentration of TN in all surface water, rivers, lakes and reservoirs during 2016-2020 mg·L-1

图3 全国总体、河流和湖库总氮年均值变化Figure 3 The variation of average mass concentration of TN in all surface water, rivers, lakes and reservoirs

从总氮浓度范围变化来看，全国总体、河流和湖库的浓度范围均在反复波动，尤其是各年份总氮最大值，全国总体与河流总氮最大值呈先降、后升、再降的趋势，湖库总氮最大值呈先升、后降、再升的趋势。从总氮年均值变化来看，全国总体情况和河流、湖库的变化情况一致，以2017年为转折点，均呈现先升后降的趋势，2020年全国总体、河流断面和湖库点位的总氮年均值为 5年最低，分别为2.54、2.72 和 1.19 mg·L-1。

当氮盈余分布在大气、土壤、植物秸秆、生活区时，随着大气沉降、地表径流等进入水体，就会造成水体氮素富集，引发一系列水环境问题（曾莉等，2020）。根据中国统计年鉴（中华人民共和国统计局，2016—2020）（见表3），2016—2020年中国氮肥施用量从 2310.5×104t下降至 1833.9×104t，氮肥施用占比也连年下降。总体来说，全国总氮年均值呈下降趋势的现象与氮肥施用量减少有一定联系。

表3 2016—2019年全国氮肥施用情况Table 3 The amount of nitrogenous fertilizer application in 2016-2019

根据《第二次全国污染源普查公报》（中华人民共和国生态环境部，2020），全国总氮排放来源及排放量统计情况见表4，2017年，全国总氮排放量为304.14×104t，来源共4种，包括工业源、农业源、生活源及集中式污染治理设施。其中，生活源总氮释放量最高，达到146.52×104t；农业源总氮释放量居于第二位，为141.49×104t，与生活源相差不大；工业源居于第三位，为15.57×104t，与前两项相比大幅减少；集中式污染治理设施为最低，仅有0.56×104t。居民生活废水与农业生产废水为氮元素的主要排放来源，且远远高于工业企业排放与处理处置环节排放。通过加强对居民生活消耗产生污水与农业生产活动产生污水排放的管控和治理，可有效减少水中氮素含量。

表4 全国总氮排放来源及排放量Table 4 The emission source and amount of TN in China

2.2.2 月际变化

2016—2020年全国总氮月均值变化如图 4所示，总氮月均值具有季节性变化的特征，呈现高—低—高的变化趋势。春季与冬季（11月至第2年4月）总氮月均值较高，在2.72—3.41 mg·L-1之间，最大值出现在2月；夏季与秋季（5月—10月）总氮月均值相对较低，在2.24—2.54 mg·L-1之间变化，最小值出现在8月。

图4 2016—2020年全国总氮月均值变化Figure 4 The variation of monthly average TN concentration in 2016-2020

人类种植活动及径流影响可能是导致这种趋势的主要原因：上年种植作业结束后，处理残留秸秆产生大量氮元素，水中氮含量明显增加。但因冬季气温低降雨量少，无法通过水体流动及生物活动消耗，1—3月总氮浓度积累到最大（刘维等，2020）；4月进入农业作物种植期，生物恢复活性大量消耗，总氮浓度开始下降（任智慧等，2021）；5—8月为一年中径流最大时段，地表径流的稀释作用极大地削弱了氮素堆积，加上水生生物消耗，使夏季成为全年总氮浓度最低时期（赵永宏等，2010；王书航等，2011；陈小锋等，2014）；10月种植作业结束后，再一次进行秸秆处理的过程，总氮浓度也再次上升。

河流、湖库的总氮月均值变化与全国变化趋势大致相似，如表 5所示。河流断面的总氮月均值远高于湖库。河流断面的总氮质量浓度在 2.41—3.68 mg·L-1之间，也呈春冬季较高、夏秋季较低、径流最大月份浓度最低的特点，最大值与最小值分别出现在2月与8月；湖库点位总氮月均值变化较小，在1.08—1.50 mg·L-1之间，最大值与最小值分别出现在3月和8月。湖库水量较大，水体相对稳定，因此总氮浓度对外界因素变化响应度不及河流明显。

表5 2016—2020年全国总体、河流、湖库总氮质量浓度月均值Table 5 The monthly mass concentration of TN in all surface water, rivers, lakes and reservoirs in 2016-2020 mg·L-1

中国河流总氮浓度远高于湖库，一是因为河流周围土地利用类型与湖库水体相比更为复杂，河流周边多为农田、城镇用地等，地表径流中含氮量也会相对更高；二是由于湖库水体对氮的净化能力更强，表现出较强的氮素自净能力，当氮类营养盐在湖体中迁移时，氮素会通过沉降、浮游植物、沉水植物吸收及氮素的反硝化等过程被湖体消减（闫兴成等，2018；崔嘉宇等，2021）；三是因为湖库水体水深大，水流流速小，湖底底泥不易泛起，释放的底泥沉积物较少，因此含氮量相对较低（赵凯，2019）。

2.3 空间分布特征

2016—2020年各流域河湖总氮浓度变化如图5a所示。各流域间总氮浓度范围差异较大，海河、黄河、辽河及淮河流域总氮浓度较高，年均值高于3.00 mg·L-1，处于劣Ⅴ类水平，但总体趋于下降；珠江、浙闽片、长江和松花江流域总氮年均值在2.00 mg·L-1附近波动，处于Ⅴ类水平，且年际差异较小；西北诸河与西南诸河总氮质量浓度最低，年均值小于1.50 mg·L-1，处于Ⅳ类水平，其中西北诸河年际差异较小，西南诸河呈先升后降的趋势。

图5 各流域总氮平均质量浓度年际变化Figure 5 The annual variation of mass concentration of TN in each watershed

2016—2020年各流域河流断面总氮浓度变化如图 5b所示。河流断面的变化与全国各流域河湖总体特征一致，各流域河流断面总氮浓度由高到低依次是海河流域>黄河流域>辽河流域>淮河流域>珠江流域>浙闽片河流>长江流域>松花江流域>西北诸河>西南诸河。

湖库点位按照湖区划分（环境保护部科技标准司等，2015），2016—2020年各湖区总氮浓度变化如图5c所示。总氮浓度从大到小为云贵湖区>东部平原湖区>蒙新湖区>东北湖区>青藏高原湖区，各湖区年际差异较小。其中，云贵高原因高原湖泊集中，水深岸陡，氮素极易堆积，总氮浓度远高于其他湖区（严春丽等，2020）。

2.4 入湖河流与湖体对比

富营养化是湖库面临的首要环境问题，入湖河流作为连通流域内湖泊水域和陆地生态环境的纽带，是营养盐外源输入的重要途径（王新兰，2006；唐晓先等，2017；石敏，2018）。2016—2020年湖库及入湖河流断面总氮浓度见表 6。入湖河流与湖库总氮浓度年际变化趋势一致，先上升后下降；但入湖河流整体浓度远高于湖库，入湖河流总氮年均值均超4.00 mg·L-1，为湖库的3倍多；入湖河流各年最大值为17.7—108 mg·L-1，为湖库的1.8—12.9倍。由于湖区水力梯度、浓度梯度、风力作用等因素的影响，入湖河流输入的营养盐与湖水混合扩散，部分营养盐沉入底泥，因此湖区污染物浓度对入湖污染负荷响应有差距。

表6 湖库和入湖河流总氮质量浓度年均值Table 6 The annual average mass concentration of TN in lakes and reservoirs and into-lake rivers mg·L-1

通过皮尔逊相关性检验得到巢湖、滇池、丹江口水库、白洋淀、洱海和太湖6个典型湖库及其入湖河流断面的总氮相关系数，见表 7。相关系数0.8—1.0为极强相关，0.6—0.8为强相关，0.4—0.6为中等程度相关，0.2—0.4为弱相关，0—0.2为极弱相关或无相关。巢湖、洱海、太湖及其入湖河流总氮浓度显示极强相关性，丹江口水库、白洋淀及其入湖河流总氮浓度显示强相关性，滇池及其入湖河流显示弱相关性。入湖河流总氮浓度均远高于对应湖库，对湖库总氮负荷产生重要影响，因此湖库控氮需坚持“以湖定河”、“以河定岸”。

表7 典型湖库及其入湖河流总氮相关系数Table 7 Correlation coefficient of total nitrogen of typical lakes and reservoirs and into-lake rivers

2.5 入海河流与近岸海域对比

目前，近岸海域水体富营养化已成为热点环境问题。表8为2016—2020年中国主要海区超标指标，4个海区超标指标中均包含无机氮，无机氮为总氮的主要组成部分（中华人民共和国生态环境部，2016—2020），可见氮元素超标在中国海区水质超标中较为普遍，近岸海域富营养化风险较高。

表8 2016—2020年主要海区超标指标Table 8 Exceeding indicators of major ocean regions in 2016-2020

流量较大的入海河流会对附近海域水质产生影响。根据不同海区统计入海河流 2016—2020年总氮浓度，如图6所示。4个海区的入海河流总氮年均值5年间基本呈先升后降的趋势。各海区入海河流总氮年均值均达到或超过2.00 mg·L-1，其中，汇入渤海和黄海的河流总氮较高，5年总氮质量浓度年均值范围在3.30—5.55 mg·L-1；汇入东海和南海的河流总氮浓度相对较低，5年总氮质量浓度年均值范围在 2.00—2.66 mg·L-1。

图6 入海河流总氮质量浓度年均值变化Figure 6 The annual variation of average mass concentration of TN of into-ocean rivers

3 结论

总氮指标可直观地表现水体中氮元素的含量，间接反映水质富营养化的情况，对于地表水水质评价及污染防治具有重要意义。本文对全国地表水总氮浓度时空分布特征进行了分析，得出以下结论：

（1）中国总氮浓度分布呈现明显地域性，各流域和各省份间总氮浓度范围差异较大，高值主要集中在海河、辽河、黄河和淮河流域，最高值在山西；低值分布在西南诸河和西北诸河，最低值在西藏。各流域河流断面总氮浓度由高到低为海河流域>黄河流域>辽河流域>淮河流域>珠江流域>浙闽片河流>长江流域>松花江流域>西北诸河>西南诸河；湖库点位总氮浓度由高到低为云贵湖区>东部平原湖区>蒙新湖区>东北湖区>青藏高原湖区。

（2）入湖河流与湖库总氮浓度年际变化大致相似，呈先上升后下降的趋势；入湖河流总氮浓度远远高于湖库。河流断面和湖库点位总氮年均值均呈现逐年下降的趋势；河流断面总氮浓度月际变化呈现高—低—高的变化趋势，11月至次年4月总氮浓度较高，5—10月总氮浓度较低；湖库点位月际变化差异不大。控制入湖河流的总氮浓度对于湖体控氮具有重要意义。

（3）无机氮是近岸海域主要超标指标之一，汇入渤海、黄海、东海和南海的入海河流总氮质量浓度均达到或超过2.00 mg·L-1。入海河流氮素负荷对于近岸海域具有较大影响。