近幾十年太湖流域氮素來源變化及控制

王錦旗，宋玉芝，黃 進

(南京信息工程大學應用氣象學院，南京 210044)

太湖是我國第三大淡水湖，自20世紀60年代以來，水質持續惡化，從70年代開始，五里湖湖區出現藍藻之后，藍藻爆發面積不斷擴大，發生頻率也隨之增加，到80年代中后期，藍藻爆發范圍已擴至梅梁灣[1]，此后，藍藻水華頻繁爆發。氮作為湖泊初級生產力的重要限制因子，是造成湖泊富營養化最為重要的營養元素[2]。1985-2015年之間太湖水體總氮(TN)含量年均值在1.79～3.63mg/L，30年平均值為2.62±0.03 mg/L[3]，均處于劣五類水質，主要以氮超標為主[4]。根據《太湖流域水環境綜合治理總體方案(2013 年修編)》(以下簡稱《總體方案》)數據顯示，2012年水體TN含量較2005年下降了16.78%，但仍處于劣五類水質，并未達到2012年的目標(2.00 mg/L)，離2020年的目標(1.20 mg/L)也有較大的差距。因此，弄清楚輸入太湖不同氮素的來源，并有針對性制定控制政策十分重要，為相關部門開展有針對性的治理工作提供決策依據，具有十分重要意義。

1 太湖流域氮素輸入途徑

1.1 太湖水體氮素的外源輸入

環湖河流輸入是太湖氮素外源輸入的主要來源[5]，以氮污染為主，磷次之[6]。據統計，1980s 河道TN 輸入量占入湖總量的72.02%，20世紀80年代末，河道入湖TN量約2.02 萬t[7]，1990s已占總量的90%以上[8]。2000-2007年介于3.4～4.5 萬t[9,10]；2009- 2010水文年河道輸入TN量高達7. 00 萬t[11]，遠超過湖體允許環境容量[11,12]。根據太湖健康狀況報告，2007-2015年期間，環太湖河道入湖總氮平均達4.65 萬t/a，其中2010年高達5.62 萬t，即使最低的2013年也達3.78 萬t，仍超過湖體允許環境容量的2.12倍[13]，由此可見，多年來，經河道入湖氮總量并未顯著減少或增加，總體狀況平穩。據統計，太湖流域1980-2000年工業廢污水排放量也增長近1倍，1987年工業、生活廢水排放量為3.6×109t，2012年增至6.47×1010t，入河(湖)污水量也極大地增長[14]。在TN貢獻率中，農業面源(含畜禽養殖)為主，生活污、工業廢水次之[15]，且工業污水、農業面源污染、生活污水排放量增加[16]。

1.1.1 工業污水

由圖1所示，近幾十年來，工業污水進入太湖總體呈上升趨勢。20世紀60、80年代入湖總氮中，工業污水排放總氮量均維持較低水平，分別為545.5、158.9 t/a，約占入湖總氮的7.3%、1.5%[17,18]。進入90年代后，工業污水排放量大增，其中僅1994年工業污水中含量較1960s高22.9倍，達12 544 t/a[19]；至1997年，僅太湖上游及沿岸入湖工業污水總氮就高達10 734 t[20]。進入21世紀，工業污水中含氮量繼續增加，其中2000-2001年，總氮每年入湖總量在40 000 t/a左右，其中工業污水對入湖總氮貢獻為30%[21]，達到11 814 t[22]。2005年工業污水入戶總氮 已高達35 066 t/a，2007年太湖流域僅江蘇片區最終入河的工業源污染物中總氮1.84 萬t/a[23]，至2010年，入湖工業污水中氮含量為41 425 t/a，已較1960s增加7 594.0%，其中工業污水含氮量所占比重已由1980s以前10%以下，上升至26.9%左右。根據國家環境保護總局“太湖水污染防治十·五計劃”，到2000年，總氮最大允許排放量為12 671 t，而僅工業污水一項就遠超出允許排放標準。

1.1.2 生活污水

由圖1可見，生活污水中的氮元素是太湖氮素污染的重要來源，也是太湖富營養化的重要成因[24]。隨著太湖地區工業化、城市化進程的加快，流域人口隨之迅速增長，居民生活水平及生活方式也隨之變化，生活污水排放量也較以前迅速增加[25,26]，且太湖流域生活污水來源廣、相對分散[26]，污水處理設施及水平跟不上人口增長及城市化的進程，導致生活污水，尤其農村生活污水，只經簡單處理甚至未處理就排放入湖，污水處理率較低，因此，污水中N、P營養元素含量較高[25]。1960s入湖總氮中，生活污水氮排放量2 660.2 t/a，約占入湖總氮的35.6%[17]；1980s年代，仍保持較低排放量，僅1 677.6 t/a[18]。1990s以后生活污水氮排放量迅速增加，較1960s增加了近680.0%[19]。2000年以后，生活污水入湖總氮仍保持較高水平，其中2002年達12 208 t/a，約占入湖總氮的31%[21,22]，2005年高達16 353 t/a。2010年，根據《總體方案》的數據，入湖氮負荷中，生活污水約為33 163 t/a，已較1960s高出1 246.6%，約占所有氮排放的25.1%左右[27]。雖太湖流域農村生活污水處理率居于全國前列，但處理率仍較低[28]。部分經濟發達地區可達30%～50%，但大部分地區不足10%[28]。且現有的污水處理能力無法滿足生活污水的排放量，生活污水對太湖的環境壓力仍很大[29]。因此，生活污水處理亟待加強[30]。

圖1 過去幾十年太湖流域不同氮素來源Fig.1 Nitrogen sources change over the past decades

1.1.3 農業面源污染

由圖1所示，農業面源污染已經給太湖工農業生產帶來嚴重影響，大量N、P營養鹽進入水體，導致太湖流域70%的河湖受到污染，雖然太湖總體水質為III，但凱氏氮僅達到IV標準[31]。進入太湖的農業面源污染主要來自種植業、畜禽及水產養殖業所產生的肥料、排泄物及農藥等[25]。在TN排放量中，種植業占44.6%，畜禽養殖業占39.8%，水產養殖業占15.5%[25]，其中，種植業TN排放量大，是水體富營養化的重要原因[25]。在入湖總氮中，20世紀60、80年代，農業面源污染氮排放量分別為3 938、5 294.8 t/a，是入湖總氮最主要來源，所占比重均超過50%[17,18]。進入1990年代，農業面源污染氮排放量仍保持較高排放量及比例[19]。2000年以后，通過農業面源污染入湖氮總量仍較高[22]，其中2005年，農業面源污染氮排放量高達46 742 t/a，但所占比重較1960s、1980s有所下降，約占入湖總氮的47.6%。2010年，入湖氮負荷中，農業面源污染為60 826 t/a，約占入湖總氮的45%，較1960s增加1 544.2%，在所有污染排放中農業面源污染TN占54.1%。據估算，2013年通過農業面源污染入湖氮總量高達94 700 t/a[32]。在各類TN排放中具有首位，“零點行動后”，點源污染排放的N得到有效控制，而農業面源污染仍未得到有效控制[33]。

由圖1(b)、圖2可見，從氮素排放總量來看，1960s與1980s總體排放量較低，全年排量僅7 100～7 500 t，且變化較小，1990s、2000s分別增加到65 006、68 377 t/a，分別較1980s高出9.1、9.6倍，2010s更迅速增加到135 414 t/a，較1980s增加19.0倍。從不同來源比例進行分析，農業面源污染依然占的比例最大，氮比重明顯所下降，其中1980s高達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%，工業污水比重明顯增高，1960s、1980s僅占7%，2%，2000s及2010s比重已升至34%，31%。

圖2 不同年代太湖流域氮素來源百分比Fig.2 Nitrogen sources percentage in different year

1.2 大氣沉降的輸入

大氣氮沉降也是輸入太湖流域重要的來源，能對湖泊水體水質、浮游生物的生長均產生重要影響[34]。20世紀80、90年代，太湖氮沉降為3 000 t/a左右[35,36]，2002-2003年，氮沉降總量達9 981 t/a，占環湖河道輸入N負荷的48.8%[37]。2003-2004年間，僅濕沉降就高達7 329.5 t/a[38]。2007-2010年，通過干濕沉降進入太湖的氮總量，約為7 000 t/a，占入湖總通量的15.5%[5]，2009年8月-2010年7月僅大氣濕沉降中TN 含量就高達10 868 t/a，為同期河流入湖負荷的18. 6%[39]。2011年，全年大氣TN 沉降總量為20 978[40]，2012年僅通過濕沉降進入太湖的氮負荷高達12 062 t/a[41]。由圖3可見，從1980s-2010s太湖流域大氣氮沉降量呈增加趨勢。

圖3 不同年代大氣氮沉降量Fig.3 Atmospheric nitrogen deposition in different year

1.3 太湖水體氮素污染的內源輸入

太湖水質狀況很有可能與沉積物內源營養鹽負荷有密切聯系[42]，太湖流域氮內源污染主要來自于沉積物間隙水向上覆水靜態擴散，風力擾動、沉積物再懸浮。當外源污染輸入減少后，沉積物中營養鹽會逐步釋放，在一定條件下，會成為水體富營養化的主導因子[2]，內源營養鹽在風浪擾動下，易發生再懸浮，導致沉積物中營養鹽大量釋放進入水體，對水質影響很大[43]，所以當太湖溫度、水流、光照等外部條件適宜情況下，內源營養鹽負荷釋放至水體，仍可能大規模爆發藍藻水華[44]，王芳等通過模擬計算，2001年太湖內源性氮輸入約為3.0 萬t[45]。而秦伯強的估算當風速較大時，在東太湖氮約為29 618 kg，梅梁灣氮約為23 059 kg[46]。逄勇等計算2002、2005年的內源污染，結果表明，2002年內源釋放總氮約為7 667 t[47]，2005年內源釋放總氮7 773 t[48]。而胡開明計算2009年內源總氮輸入量約為1 149.05 t[43]，狄貞珍計算了2013年內源釋放的氮素量約為10 061 t[50]。由此可見，太湖內源污染釋放量因涉及因素復雜，估算結果差異也較大，與其他輸入方式相比，總量略低。

2 太湖氮素控制措施

2.1 外源污染控制措施

2.1.1 農業面源污染治理

由于農業面源污染仍然是太湖氮素輸入的主要來源。因此，對太湖流域農業面源污染治理仍需持續加強。首先，從施肥上加強管理，優化氮肥管理模式：太湖流域農業生產過程中過量施加氮肥現象普遍，使得土壤中氮素含量過高，可采用緩控釋肥或按需施肥的方式，兩種施肥方式均可提高氮肥利用率，降低氮素流失，減少氮向周邊環境排放，同時還不降低農作物產量及效益[51]，研究表明，通過緩控釋肥處理和按需施肥處理后，氮排放量比農戶施肥處理分別降低了52.8%和45.4%[51]。優化水分管理技術，按需灌溉，節約用水，減少農田地表徑流，以此減少農田氮素流失。其次，對農田面源污染排放進行過程阻斷及攔截，利用生態攔截溝渠或生態攔截帶技術[31]，在農田周圍建立生態溝渠消解農田面源污染，在河道兩側岸邊設立生態隔離帶及緩沖帶，在農田面源污染進入河道前進行吸收和緩沖，減少進入水體的氮含量，還可以利用太湖流域河流水系發達的特點，充分構建人工濕地、水生蔬菜塘等對污染源進行阻斷。從已建成的生態攔截工程效果上看，可有效地降低農業面源污染，對氮的消減率達40%[52]。太湖流域可供建設攔截溝渠或生態攔截工程的植物種類豐富，條件成熟，在全流域推廣實施，可取得較好的效果。

2.1.2 工業污水控制

由于太湖流域工業污水氮排放量連續多年增長，且在整個氮素污染排放重所占比重逐漸增加。此外，工業污水中成分復雜，有毒有害物質眾多，太湖流域人口眾多，區域水環境及區域生態環境對區域人口生存安全十分重要。因此必須對工業污水排放加強控制。

首先，提高排放標準，加大執法力度：太湖流域面積僅占全國0.4%，人口卻占4.4%(截止到2016年)，而GDP卻占到全國的9.8%，因此，流域工業污水中如何控制氮素以及其他污染物，對穩定區域社會、經濟、人民生活十分重要。因此，對待工業污水，必須提高排放標準，加大執法力度，保證區域環境質量安全。2018年6月1日江蘇省人民政府發布了《太湖地區城鎮污水處理廠及重點工業行業主要水污染物排放限值》(DB32/1072-2018)，該標準應在全流域推廣，加大執行力度，監測部門應該加大檢測力度，防止企業偷排、漏排。

其次，優化產業結構，淘汰重污染企業：太湖流域大中小型企業眾多，部分企業技術水平低下，有些行業企業污染嚴重，太湖流域重污染企業中化工、造紙、電鍍三大行業總氮排放超標率均為33.3%[22]，雖然從1998年“零點行動”執行之后，工業廢水氮排放量有所降低[52]，但從入湖河道氮含量來分析，氮含量并沒有顯著降低，太湖總體氮含量也未顯著變化，說明流域制造業水平提升速度，重污染企業淘汰速度仍需長期執行，對于一些技術水平低下，污染排放量大，達標無望的企業應予以淘汰。因此，太湖流域產業結構必須逐步優化，對工業企業布局要逐步調整，對高耗能、高污染企業因此關停并轉，扶持一批具備清潔生產能力、符合低碳節能的企業，政府可通過財政補貼、稅收優惠等手段刺激企業自發進行轉變。

再次，提高生產技藝，減少污染排放：在世界制造業高速發展的形勢下，我國制造業生產工藝急需提高技術，在全球提倡低碳節能、清潔生產的背景，減少生產過程中含氮污染物的排放，是世界制造業發展的趨勢，除此之外，提升工業廢水處理水平，加大不同行業污染物深化處理研究，進一步削減污染物排放量，只有這樣最終入湖的氮素含量才有可能降低。

太湖流域經濟發展水平居全面前列，在全球經濟發展壓力之下，迅速轉型、轉變是發展所需，部分城市已經開始了嘗試，并取得了積極效果。例如太湖流域的常州市經濟已由高速增長階段轉向高質量發展階段，許多重工業部門迅速轉型，其中第三產業在GDP占的比重越來越大。

2.1.3 生活污水

生活污水不同于工業污水，主要來源于廚房、衛生間、洗滌等生活過程排放的污水，因此，含氮率相對較高，且隨著城市化推進，生活污水排放量大增，對生活污水氮排量必須加強控制。太湖流域城市化率水平較高，2000年城市化水平達到66.17%[49]，至2012年已達77.6%，生活污水產生量巨大，但生活污水處理率落后于城鎮化速度，污水處理能力不足，雖然隨著農村地區城鎮化推進，但農村地區污水處理設施也不能減輕生活污水對地表水環境的壓力[50]。因此，必須逐步完善城市污水網絡，加大處理力度，對原有污水處理設備升級改造，改進處理工藝，使得城鎮生活污水的處理率得以增加。另外，增加和拓寬農村生活污水處理力度及方式，利用沼氣發酵、土地處理技術、塔式生物濾池[53]以及建設生態溝渠、氧化塘、人工濕地等手段因地制宜處理當地生活污水，不僅可以將生活污水中的氮、磷等營養鹽充分利用，降低氮、磷排放量，還可以變成對農業生產有用的資源。太湖流域地處北亞熱帶地區，植物種類豐富，溫濕度適宜，利用上述沼氣處理、生態溝渠等措施均是切實可行的。

2.2 內源污染治理

控制內源釋放必須先控制外源輸入, 然后才能實施內源污染控制[50]。目前對內源污染采用最普遍的方法即底泥疏浚，雖然太湖內源釋放量仍有爭議，但太湖底泥疏浚取得了一定效果。據統計，2007 -2014 年太湖實施底泥疏浚，有效地減少底泥中氮、磷釋放。雖然底泥疏浚可在短期內顯著降低底泥的內源釋放量，但是, 隨時間的延長, 底泥上會出現新的污染物[49]。而水生植物，尤其是沉水植物的生長可有效控制底泥中營養鹽的釋放，而底泥疏浚工程不僅會破壞水生植物及水生植物的繁殖體，還會破壞水生植物生長環境，使得疏浚區的水生植物大量消亡，將會導致水體發展以浮游植物為主的藻型水體[54]。因此，在外源污染被阻斷的情況下，若內源污染仍十分嚴重，則考慮清淤疏浚工程，但底泥疏浚后必須以恢復水生植被，在截斷外源輸入、內源釋放后，重點提高水體透明度，提高水體溶解氧含量，降低水體營養鹽，最終使水生植被得以恢復，南京玄武湖在2005年冬季，對水體藍藻水華進行了應急治理，水體透明度提高，溶解氧含量升高，水生植被迅速恢復成功，在水生植物存在期間，水體營養鹽含量得到有效控制[55]。因此，清淤必須以恢復水生植物種群，形成穩定水生生態系統為最終目標。

2.3 大氣沉降治理

在水體氮、磷等營養鹽治理過程中，大氣干濕沉降往往是最容易被忽略的一個環節，大氣氣溶膠每年通過干濕沉降形式沉降至地面的物質，最終絕大部分通過地表徑流形式進入水體，因此，控制大氣干濕沉降來源是控制大氣干濕沉降最主要途徑，由于太湖流域大氣氮沉降主要來源于化石燃料燃燒以及農業生產[52]。因此，控制化石燃料燃燒過程以及農田氮肥、排泄物的揮發十分重要。對于工業生產而言，大力發展清潔能源，控制企業化石燃料用量，加大化石燃料燃燒過程中氮的回收及處理十分有必要；對機動車而言，控制機動車數量及出行，發展公共交通及新能源汽車，倡導綠色出行，可有效減少氮排放；對農業生產而言，按需施肥，有指導地進行科學施肥可有效地提高氮肥利用效率，減少氮釋放量。

3 結 語

太湖流域氮素來源方面，農業面源、工業污水、生活污水及大氣沉降進入太湖的氮素量均顯著增加，進入太湖的氮素總量也逐年增加，從20世紀60-80年代以農業面源污染為主，而2000年以后農業面源比重仍然最大，但所占份額明顯減少；而工業污水比重顯著升高，農業面源、工業污水、生活污水所占比重差異縮小，大氣沉降輸入雖然所占比重不高，但氮沉降量逐年增加，因此，在治理方面應該由單方面重視農業面源污染轉向多種污染源全面治理。

太湖流域氮控制方面，應加強立法，制定適應當地生態系統、環境保護的氮排放政策，并加大實施力度；弄清點源、非點源、大氣干濕沉降等過程中氮排放的源頭，從源頭抓起，提高生產技藝，強化過程控制，對最終排放進水體的氮，深化處理途徑及進行技術革新。

在太湖流域氮輸入中農業面源(含畜禽養殖)最為主要，工業廢水及生活污水其次，大氣沉降影響較小，但產生量逐漸增加，而農業面源(含畜禽養殖)也是造成大氣氮沉降一個重要來源，應該重點管控，加強氮肥優化氮肥管理模式，可采用緩控釋肥或按需施肥的方式，并加強過程阻斷及攔截技術，以減少氮向環境的釋放，對生活污水，應鼓勵居民節約用水，減少生活污水排放，并深化生活污水的處理及綜合利用。因工業污水成分復雜，危害嚴重，也需重點管控，提高排放標準，加強監測，提高生產工藝，深化污水處理力度。對內源污染十分嚴重區域應在外源污染截斷前提下，有序實施清淤工程，對底泥清淤厚度應適當把握，在清淤工程實施后，應加大水生植物恢復，尤其是沉水植物的恢復，通過水生植物恢復防止營養鹽再度升高、反彈；對大氣沉降，重點做好源頭控制，管理好機動車、工業生產、農業生產等源頭，可有效降低排放量。

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