2016—2020年中國地表水中總氮濃度時空變化特征分析

嵇曉燕，王姍姍，楊凱，任蓓

1.中國環境監測總站，北京 100020；2.江蘇省環境監測中心，江蘇 南京 210019

當前，氮素污染已成為影響水生態系統健康和飲用水安全的重要因素。從上世紀起，隨著化學氮肥的大量使用，土壤中的氮負荷通過降水、滲漏等污染了地表水及地下水（文秋紅等，2015），給人體健康和水資源利用帶來了諸多威脅（陳水勇等，1999）。陸源輸入導致氮素濃度升高，造成湖庫水體富營養化，引起近岸海域水質惡化和赤潮（張鵬等，2019）：大量藻類生長導致水質惡化，破壞生態平衡，導致魚類、家禽、水鳥死亡（牛莉萍，2017），甚至直接危害人類生命。

多名學者對水體中氮元素開展研究，發現武威市、洞庭湖和太湖總氮濃度均呈現枯水期高、豐水期低的特點（張光貴等，2016；范清華等，2017；李璐等，2019）；岱海受冰封影響，冬季總氮濃度明顯高于其他季節（趙麗等，2020）；長江上游總氮濃度低于中下游（楊盼等，2019）；博斯騰湖富營養化趨勢與上游入湖河流總氮含量息息相關（何楊洋等，2016）；渾河清原流域氮素空間變化特征與人為活動強度相對應（鄭堯文等，2020）；湖泊富營養化與氣候暖干化及人類活動干擾有關（陳小鋒，2012）；豐水期氨氮占總氮比例比枯水期高（馬自偉等，2017）。以上研究總結了特定城市、水體或流域的總氮時空變化特征和影響因素，結論具有地域局限性，不足以說明全國地表水中總氮濃度的時空變化特征。

本文基于全國地表水監測數據，分析總氮（TN）指標在時間及空間上的分布特征，為全國尺度氮素的污染防控提供參考和支撐。

1 研究方法

1.1 數據來源

本文采用2016—2020年國家地表水環境質量監測網2050個斷面（點位）的所有有效總氮數據進行分析，覆蓋全國10大流域，涉及1808個河流斷面和242個湖庫點位。監測斷面（點位）的設置包含以下4個原則：監測斷面總體反映水系或所在區域的水環境質量狀況；各斷面的具體位置反映所在區域環境的污染特征；盡可能以最少的斷面獲取足夠有代表性的環境信息；考慮實際采樣的可行性。所選斷面（點位）分布情況如表1和圖1所示。

圖1 地表水監測斷面各流域分布示意圖Figure 1 The distribution of surface water monitoring sections in each watershed

表1 地表水監測斷面各流域分布情況Table 1 The distribution of surface water monitoring sections in each basin

1.2 采樣分析

采樣方式包括船只采樣、橋梁采樣、涉水采樣等，河流斷面和湖庫點位的布設依據《地表水和污水監測技術規范》（HJ/T 91—2002）（國家環境保護總局，2002a）。

分析方法依據《水質 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》（HJ 636—2012）（環境保護部，2012），總氮分析采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法。

1.3 數據分析

根據《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）（國家環境保護總局，2002b）和《地表水環境質量評價辦法 (試行)》（環境保護部，2011），對監測結果開展評價分析，總氮質量濃度按照不高于 0.2、0.5、1.0、1.5和 2.0 mg·L-1，分別劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和劣Ⅴ類水質。空間數據主要包括全國各省份、各流域及其監測斷面地理分布，通過SuperMap iDesktop軟件處理獲得專題圖件。數據統計分析采用Microsoft Excel和SPSS，圖表繪制采用Microsoft Excel。

2 結果分析

2.1 總體情況

2016—2020年全國及各流域總氮濃度均值分布如圖2所示。由圖2可知，中國地表水中總氮濃度高值主要分布在海河流域、遼河流域、黃河流域及淮河流域等4個流域。全國各流域總氮質量濃度均值均超過1.00 mg·L-1，其中總氮質量濃度均值較高的4個流域總氮質量濃度均在3.00 mg·L-1以上，海河流域總氮質量濃度均值最高為5.13 mg·L-1，涉及海河流域和黃河流域的山西省總氮質量濃度為各省最高，達7.18 mg·L-1；珠江流域、浙閩片河流、長江流域和松花江流域總氮質量濃度均值相對較低，在1.76—2.29 mg·L-1之間分布；西北諸河和西南諸河總氮質量濃度最低，分別為 1.39 mg·L-1和1.23 mg·L-1，地處西南諸河的西藏總氮質量濃度為各省最低，僅為0.53 mg·L-1。

圖2 2016—2020年各流域總氮平均質量濃度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（國家統計局，2021）結果顯示，中國東部地區人口占39.93%，中部地區占26.83%，西部地區占27.12%，東北地區占6.98%。根據2021年全國統計年鑒，中國東部地區、中部地區、西部地區和東北地區總氮排放量分別為10.9、15、8.15和8.36×104t，中、東部地區占總氮排放量較高，總氮排放量最高的10個省份中，中、東部地區占了80%。中、東部地區人口眾多，生產力發達，工業排放廢水及農用灌溉污水產出量大，區域內水體氮含量也相應較高；西部人口密度小，工、農業還未高速發展，人類活動對水體污染程度相對較小。中、東部地區高密度人口分布及高強度人類活動與黃河、海河、遼河及淮河流域的高濃度總氮有著較強的相關性。

2.2 時間變化趨勢

2.2.1 年際變化

2016—2020年全國地表水總氮年均值變化如表2和圖3所示。5年間全國總氮年均值在2.54—3.00 mg·L-1之間，2017 年出現峰值（3.00 mg·L-1），之后呈下降趨勢。河流與湖庫總氮年均值變化趨勢與全國總體保持一致；河流總氮年均值要遠遠高于總體及湖庫，在2.72—3.23 mg·L-1之間；湖庫總氮年均值波動相對較小，在1.19—1.31 mg·L-1之間。

表2 2016—2020年全國總體、河流和湖庫總氮質量濃度年均值變化Table 2 The annual mass concentration of TN in all surface water, rivers, lakes and reservoirs during 2016-2020 mg·L-1

圖3 全國總體、河流和湖庫總氮年均值變化Figure 3 The variation of average mass concentration of TN in all surface water, rivers, lakes and reservoirs

從總氮濃度范圍變化來看，全國總體、河流和湖庫的濃度范圍均在反復波動，尤其是各年份總氮最大值，全國總體與河流總氮最大值呈先降、后升、再降的趨勢，湖庫總氮最大值呈先升、后降、再升的趨勢。從總氮年均值變化來看，全國總體情況和河流、湖庫的變化情況一致，以2017年為轉折點，均呈現先升后降的趨勢，2020年全國總體、河流斷面和湖庫點位的總氮年均值為 5年最低，分別為2.54、2.72 和 1.19 mg·L-1。

當氮盈余分布在大氣、土壤、植物秸稈、生活區時，隨著大氣沉降、地表徑流等進入水體，就會造成水體氮素富集，引發一系列水環境問題（曾莉等，2020）。根據中國統計年鑒（中華人民共和國統計局，2016—2020）（見表3），2016—2020年中國氮肥施用量從 2310.5×104t下降至 1833.9×104t，氮肥施用占比也連年下降。總體來說，全國總氮年均值呈下降趨勢的現象與氮肥施用量減少有一定聯系。

表3 2016—2019年全國氮肥施用情況Table 3 The amount of nitrogenous fertilizer application in 2016-2019

根據《第二次全國污染源普查公報》（中華人民共和國生態環境部，2020），全國總氮排放來源及排放量統計情況見表4，2017年，全國總氮排放量為304.14×104t，來源共4種，包括工業源、農業源、生活源及集中式污染治理設施。其中，生活源總氮釋放量最高，達到146.52×104t；農業源總氮釋放量居于第二位，為141.49×104t，與生活源相差不大；工業源居于第三位，為15.57×104t，與前兩項相比大幅減少；集中式污染治理設施為最低，僅有0.56×104t。居民生活廢水與農業生產廢水為氮元素的主要排放來源，且遠遠高于工業企業排放與處理處置環節排放。通過加強對居民生活消耗產生污水與農業生產活動產生污水排放的管控和治理，可有效減少水中氮素含量。

表4 全國總氮排放來源及排放量Table 4 The emission source and amount of TN in China

2.2.2 月際變化

2016—2020年全國總氮月均值變化如圖 4所示，總氮月均值具有季節性變化的特征，呈現高—低—高的變化趨勢。春季與冬季（11月至第2年4月）總氮月均值較高，在2.72—3.41 mg·L-1之間，最大值出現在2月；夏季與秋季（5月—10月）總氮月均值相對較低，在2.24—2.54 mg·L-1之間變化，最小值出現在8月。

圖4 2016—2020年全國總氮月均值變化Figure 4 The variation of monthly average TN concentration in 2016-2020

人類種植活動及徑流影響可能是導致這種趨勢的主要原因：上年種植作業結束后，處理殘留秸稈產生大量氮元素，水中氮含量明顯增加。但因冬季氣溫低降雨量少，無法通過水體流動及生物活動消耗，1—3月總氮濃度積累到最大（劉維等，2020）；4月進入農業作物種植期，生物恢復活性大量消耗，總氮濃度開始下降（任智慧等，2021）；5—8月為一年中徑流最大時段，地表徑流的稀釋作用極大地削弱了氮素堆積，加上水生生物消耗，使夏季成為全年總氮濃度最低時期（趙永宏等，2010；王書航等，2011；陳小鋒等，2014）；10月種植作業結束后，再一次進行秸稈處理的過程，總氮濃度也再次上升。

河流、湖庫的總氮月均值變化與全國變化趨勢大致相似，如表 5所示。河流斷面的總氮月均值遠高于湖庫。河流斷面的總氮質量濃度在 2.41—3.68 mg·L-1之間，也呈春冬季較高、夏秋季較低、徑流最大月份濃度最低的特點，最大值與最小值分別出現在2月與8月；湖庫點位總氮月均值變化較小，在1.08—1.50 mg·L-1之間，最大值與最小值分別出現在3月和8月。湖庫水量較大，水體相對穩定，因此總氮濃度對外界因素變化響應度不及河流明顯。

表5 2016—2020年全國總體、河流、湖庫總氮質量濃度月均值Table 5 The monthly mass concentration of TN in all surface water, rivers, lakes and reservoirs in 2016-2020 mg·L-1

中國河流總氮濃度遠高于湖庫，一是因為河流周圍土地利用類型與湖庫水體相比更為復雜，河流周邊多為農田、城鎮用地等，地表徑流中含氮量也會相對更高；二是由于湖庫水體對氮的凈化能力更強，表現出較強的氮素自凈能力，當氮類營養鹽在湖體中遷移時，氮素會通過沉降、浮游植物、沉水植物吸收及氮素的反硝化等過程被湖體消減（閆興成等，2018；崔嘉宇等，2021）；三是因為湖庫水體水深大，水流流速小，湖底底泥不易泛起，釋放的底泥沉積物較少，因此含氮量相對較低（趙凱，2019）。

2.3 空間分布特征

2016—2020年各流域河湖總氮濃度變化如圖5a所示。各流域間總氮濃度范圍差異較大，海河、黃河、遼河及淮河流域總氮濃度較高，年均值高于3.00 mg·L-1，處于劣Ⅴ類水平，但總體趨于下降；珠江、浙閩片、長江和松花江流域總氮年均值在2.00 mg·L-1附近波動，處于Ⅴ類水平，且年際差異較小；西北諸河與西南諸河總氮質量濃度最低，年均值小于1.50 mg·L-1，處于Ⅳ類水平，其中西北諸河年際差異較小，西南諸河呈先升后降的趨勢。

圖5 各流域總氮平均質量濃度年際變化Figure 5 The annual variation of mass concentration of TN in each watershed

2016—2020年各流域河流斷面總氮濃度變化如圖 5b所示。河流斷面的變化與全國各流域河湖總體特征一致，各流域河流斷面總氮濃度由高到低依次是海河流域>黃河流域>遼河流域>淮河流域>珠江流域>浙閩片河流>長江流域>松花江流域>西北諸河>西南諸河。

湖庫點位按照湖區劃分（環境保護部科技標準司等，2015），2016—2020年各湖區總氮濃度變化如圖5c所示。總氮濃度從大到小為云貴湖區>東部平原湖區>蒙新湖區>東北湖區>青藏高原湖區，各湖區年際差異較小。其中，云貴高原因高原湖泊集中，水深岸陡，氮素極易堆積，總氮濃度遠高于其他湖區（嚴春麗等，2020）。

2.4 入湖河流與湖體對比

富營養化是湖庫面臨的首要環境問題，入湖河流作為連通流域內湖泊水域和陸地生態環境的紐帶，是營養鹽外源輸入的重要途徑（王新蘭，2006；唐曉先等，2017；石敏，2018）。2016—2020年湖庫及入湖河流斷面總氮濃度見表 6。入湖河流與湖庫總氮濃度年際變化趨勢一致，先上升后下降；但入湖河流整體濃度遠高于湖庫，入湖河流總氮年均值均超4.00 mg·L-1，為湖庫的3倍多；入湖河流各年最大值為17.7—108 mg·L-1，為湖庫的1.8—12.9倍。由于湖區水力梯度、濃度梯度、風力作用等因素的影響，入湖河流輸入的營養鹽與湖水混合擴散，部分營養鹽沉入底泥，因此湖區污染物濃度對入湖污染負荷響應有差距。

表6 湖庫和入湖河流總氮質量濃度年均值Table 6 The annual average mass concentration of TN in lakes and reservoirs and into-lake rivers mg·L-1

通過皮爾遜相關性檢驗得到巢湖、滇池、丹江口水庫、白洋淀、洱海和太湖6個典型湖庫及其入湖河流斷面的總氮相關系數，見表 7。相關系數0.8—1.0為極強相關，0.6—0.8為強相關，0.4—0.6為中等程度相關，0.2—0.4為弱相關，0—0.2為極弱相關或無相關。巢湖、洱海、太湖及其入湖河流總氮濃度顯示極強相關性，丹江口水庫、白洋淀及其入湖河流總氮濃度顯示強相關性，滇池及其入湖河流顯示弱相關性。入湖河流總氮濃度均遠高于對應湖庫，對湖庫總氮負荷產生重要影響，因此湖庫控氮需堅持“以湖定河”、“以河定岸”。

表7 典型湖庫及其入湖河流總氮相關系數Table 7 Correlation coefficient of total nitrogen of typical lakes and reservoirs and into-lake rivers

2.5 入海河流與近岸海域對比

目前，近岸海域水體富營養化已成為熱點環境問題。表8為2016—2020年中國主要海區超標指標，4個海區超標指標中均包含無機氮，無機氮為總氮的主要組成部分（中華人民共和國生態環境部，2016—2020），可見氮元素超標在中國海區水質超標中較為普遍，近岸海域富營養化風險較高。

表8 2016—2020年主要海區超標指標Table 8 Exceeding indicators of major ocean regions in 2016-2020

流量較大的入海河流會對附近海域水質產生影響。根據不同海區統計入海河流 2016—2020年總氮濃度，如圖6所示。4個海區的入海河流總氮年均值5年間基本呈先升后降的趨勢。各海區入海河流總氮年均值均達到或超過2.00 mg·L-1，其中，匯入渤海和黃海的河流總氮較高，5年總氮質量濃度年均值范圍在3.30—5.55 mg·L-1；匯入東海和南海的河流總氮濃度相對較低，5年總氮質量濃度年均值范圍在 2.00—2.66 mg·L-1。

圖6 入海河流總氮質量濃度年均值變化Figure 6 The annual variation of average mass concentration of TN of into-ocean rivers

3 結論

總氮指標可直觀地表現水體中氮元素的含量，間接反映水質富營養化的情況，對于地表水水質評價及污染防治具有重要意義。本文對全國地表水總氮濃度時空分布特征進行了分析，得出以下結論：

（1）中國總氮濃度分布呈現明顯地域性，各流域和各省份間總氮濃度范圍差異較大，高值主要集中在海河、遼河、黃河和淮河流域，最高值在山西；低值分布在西南諸河和西北諸河，最低值在西藏。各流域河流斷面總氮濃度由高到低為海河流域>黃河流域>遼河流域>淮河流域>珠江流域>浙閩片河流>長江流域>松花江流域>西北諸河>西南諸河；湖庫點位總氮濃度由高到低為云貴湖區>東部平原湖區>蒙新湖區>東北湖區>青藏高原湖區。

（2）入湖河流與湖庫總氮濃度年際變化大致相似，呈先上升后下降的趨勢；入湖河流總氮濃度遠遠高于湖庫。河流斷面和湖庫點位總氮年均值均呈現逐年下降的趨勢；河流斷面總氮濃度月際變化呈現高—低—高的變化趨勢，11月至次年4月總氮濃度較高，5—10月總氮濃度較低；湖庫點位月際變化差異不大。控制入湖河流的總氮濃度對于湖體控氮具有重要意義。

（3）無機氮是近岸海域主要超標指標之一，匯入渤海、黃海、東海和南海的入海河流總氮質量濃度均達到或超過2.00 mg·L-1。入海河流氮素負荷對于近岸海域具有較大影響。