流域水土環境污染跨介質治理策略

夏星輝，裴元生，鄭少奎，劉瑞民，文武，王功芹，楊志峰

（1.北京師范大學環境學院，北京 100875；2.水沙科學教育部重點實驗室，北京 100875）

一、前言

水土資源是人類賴以生存的物質基礎，是保障國家水安全和糧食安全的根本。我國水土資源時空分布不均，北方地區的人口、耕地面積和國內生產總值分別占全國的46%、60%和45%，但其水資源總量僅占全國的19%，其中大部分地區降水集中在夏秋汛期，約占全年降水量的60%～80%。我國水土環境污染形勢依然嚴峻。首次全國土壤污染狀況調查表明，耕地土壤點位超標率為19.4%；在調查的81塊工業廢棄地的775個土壤點位中，超標點位占34.9%[1]。自有統計以來，我國污水排放總量超過1.3×1012m3，約占我國水資源總量的50%[2]，由此導致一系列生態環境問題，造成生態環境風險和人體健康風險。因此，水土環境污染控制和治理仍是當前亟需解決的重大環境問題。

已有研究表明，污染物在水土環境中存在復雜的源匯關系[3～7]。水體中的污染物可能主要來自土壤，同時水體中的污染物也可能進入土壤。因此，我們不能將水環境和土壤環境分割進行污染控制和治理，而是需要將流域水土環境作為一個整體進行研究，提出污染物跨水-土（包括其中的植物、動物和微生物）環境介質調控的原理、方法和技術，主要包括流域水土環境污染跨介質歸因識別和跨介質治理的原理、方法和技術，從而實現流域水土環境污染的一體化綜合治理。

流域水土環境中污染物跨水-土介質的調控治理實際上包括河道外的水-土、坡面-河道以及河道內的水-沉積物/懸浮顆粒物等兩相間的跨介質調控治理。因此，本文將在分析流域水土環境中污染物的跨介質遷移過程的基礎上，重點闡述污染物的各種水-土界面過程在污染物跨介質去除中的重要作用。最后，采用實際案例，闡述流域非點源污染物的跨介質控制、河流含氮化合物的跨介質去除以及湖泊氮磷的跨介質去除方法等，從而為流域水土環境污染控制和治理提供科學依據。

二、污染物在流域水土環境中的跨介質遷移過程

污染物在水土氣環境中存在復雜的源匯關系（見圖1）。人類活動可以直接向大氣、水或土壤中排放污染物，如各種化石燃料的燃燒可以直接向大氣中排放多環芳烴，工廠產生的污水可能直接向河流或湖泊等水體排放，農業生產中所使用的化肥和農藥可能直接進入土壤環境。同時，這些由不同來源進入環境中的污染物將在水-土-氣多介質中發生遷移和轉化，如大氣中的多環芳烴可經過干濕沉降進入土壤和水環境，而且，土壤和水體中的多環芳烴也可以經揮發作用再次進入大氣；采用受污染的河/湖水灌溉農田可以將污染物由水體轉移至土壤中，反過來，農田土壤中的氮磷、農藥等污染物可以經地表徑流進入受納水體。全國污染源第一次普查結果表明，僅農業非點源污染產生的總氮（TN）、總磷（TP）分別占排放總量的57.2%、67.4%，已超過工業污染[8]。因此，我國河流中的氮磷約有50%來自農業非點源污染。經過水-土-氣多介質間的遷移后，污染物在不同介質中的含量和賦存形態將直接影響其生物降解和轉化過程以及在生物包括各種陸生和水生動植物體內的富集含量，進一步影響生態環境風險與人體健康風險。

圖1 污染物在流域水土環境中的跨介質遷移過程

揮發性較強的污染物（如多環芳烴等有機污染物）具有水-土-氣三相遷移特征，揮發性較弱的污染物（如重金屬、硝態氮和磷等）則主要在水土環境中進行遷移。本文所提到的污染物在流域水土環境中的跨介質遷移主要是指污染物在水-土（包括土中的生物）兩相介質間的遷移。污染物在水-土介質間和各介質內的遷移除了受污染物本身理化性質的影響外，還受水土環境和水文條件的影響。由于水是污染物和泥沙傳輸的重要載體，因此，水文條件是影響水土環境中污染物遷移的重要因素。由降雨形成的地表徑流能直接將污染物由河道外的土壤環境攜帶進入河道內的水環境，而且不同的降雨強度對污染物的沖刷作用存在顯著差異。已有研究發現，由于氣候變化導致的極端降雨會在短時間內將土壤環境中的大量污染物沖刷進入水體，導致水體氮磷污染物濃度升高，在增溫作用下，進一步引發水體藻華的爆發[9]。另外，河流和湖泊的水動力條件將影響沉積物的再懸浮和沉積作用，進而影響污染物在水體內部遷移；河流的水動力條件還將影響污染物向下游和河口的輸送作用。

三、流域水土環境污染的跨介質歸因識別

污染物在流域水土環境中會發生遷移轉化，而監測到的水土環境污染狀況只是污染物在水土環境中發生遷移轉化后的結果。要對水土環境污染情況進行治理，就必須對水土環境污染物進行溯源，從源頭開始治理，通過跨介質歸因識別找到真正的污染源。

河流中的氮污染除了來自生活污水和工業廢水外，另一個主要的來源就是土壤，包括經土壤地表徑流進入河流的合成化肥、畜禽糞便和土壤有機氮等[10]。由于不同來源的氮具有不同的δ15N、δ17O和δ18O氮氧同位素特征值，目前一般采用同位素方法對河流氮污染進行來源解析。通過對黃河中下游的氮污染研究發現，河水中硝態氮主要來自生活污水的排放和氨氮/尿素類化肥的硝化作用產物，并且兩者的貢獻相當，這與黃河中下游城市密集和農業用地較多的土地利用情況相一致。除了陸地來源外，大氣氮沉降也是河流氮不可忽視的來源，尤其是對于受人為活動影響小的區域，大氣氮沉降所占的比例相對較大。例如，大氣氮沉降僅占黃河中下游水體硝態氮來源的0～7%，但平均能占黃河源區硝態氮來源的9.5%[10,11]。

對于城市區域而言，污染物在水土環境間的遷移轉化作用更為復雜。城市生活污水以及經過一定處理的工業廢水、醫院廢水都會進入城市污水處理廠進行集中處理，所產生的尾水一部分作為再生水補給城市河湖水體，一部分作為城市綠化用水。因此，污水處理廠尾水中殘留的污染物將直接影響城市河湖景觀水體的水環境質量以及綠地的土壤環境質量。另外，城市土壤中的污染物又可經地表徑流進入河湖景觀水體以及飲用水源地。因此，對于城市水土環境污染的跨介質歸因識別，不僅要解析水體中污染物有多少是來自城市地表徑流（非點源），而且還要解析污染物有多少是來自醫院廢水和工業廢水等點源排放。

已有研究發現，城市水土環境中的藥物與個人護理品（PPCPs）含量較高[12～14]。通過跨介質歸因識別研究發現，由于常規城市污水處理工藝對PPCPs的去除能力較低，城市污水處理廠外排水中存在與進水濃度相當的PPCPs，污染了城市河湖水體以及土壤，并逐年積累形成了較高濃度PPCPs污染。進一步對污染溯源調查發現，北京市南北兩個精神病醫院外排水中的3類22種典型精神病藥物濃度、四環素生產企業廢水處理站外排水中的四環素濃度均遠高于北京市3個最大的城市污水處理廠外排水中的PPCPs濃度[15]。這些研究結果表明，醫院、PPCPs生產企業外排水等PPCPs集中排放源是城市水土環境中PPCPs的主要來源，是控制城市水土環境PPCPs污染的關鍵節點。

四、流域水土環境污染的跨介質治理

（一）污染物水-土界面過程在跨介質治理中的作用

污染物在流域水土環境中的遷移轉化主要受控于各種水-土界面過程。水-土界面包括河道外的土壤-水界面、坡面-河道界面（包括物質通過地表徑流等匯入河道的路徑）以及河道內的水-沉積物界面（包括河床潛流帶和側向岸邊潛流帶的水-固界面）和水-懸浮顆粒物界面（見圖2）。土壤環境中的各種有機和無機污染物可以在土壤-水界面發生吸附、解吸、氧化還原、生物降解或生物轉化等各種物理化學和生物反應，直接影響污染物的賦存形態和生物有效性，且不同賦存形態的污染物在地表徑流作用下進入河道的難易程度存在差異。坡面-河道界面對污染物的吸附攔截作用和降解作用也能控制污染物的入河量。另外，進入河道內的污染物還可以在水-固（包括沉積物和懸浮顆粒物）界面發生生物降解作用和賦存形態轉化作用。已有研究報道過含氮化合物和有毒有機污染物主要在水-固界面發生生物降解和礦化作用[16～19]。上面所提及的河流水體的各種界面過程也同樣適應于湖庫水體。

圖2 流域水土界面示意圖

我們需要在跨介質歸因識別的基礎上，通過人為調控或強化這些界面過程對水土環境污染進行治理。例如，對于河/湖水體的氮磷污染治理，首先需要控源。由于農田氮磷非點源是河湖氮磷的主要來源之一，因此，需要調控氮磷的土壤-水界面以及坡面-河道界面過程以減少氮磷從農田進入河道或湖泊，許多面源污染控制工程就是基于這些界面過程所建立。對于已經進入河道或湖泊的污染物，需要通過利用并強化水體中的各種界面過程來去除污染物或降低污染物的生物有效性。

（二）流域污染物的坡面-河道界面調控

減少污染物如氮磷、農藥等從河道外進入河道內的措施，主要有源頭控制、遷移途徑阻截和末端治理，其中后兩者主要是采取坡面-河道界面調控措施減少地表徑流和攔截污染物，從而減少污染物的入河量。以三峽庫區香溪河流域為研究區，基于前期SWAT模型模擬的結果，從源頭控制、遷移途徑阻截和末端治理三方面探討了最佳管理措施對非點源污染的控制效果。研究結果表明，在源頭控制過程中，當化肥使用量減少為常規施肥的50%時，非點源污染TN、TP產生量分別可以減少為常規施肥的72%、65%；對于坡度大于15°的耕地實施退耕還林，對于坡度小于15°的耕地實行耕作措施管理，都可以有效減少流域內非點源污染的產生量。其中，實行保護性耕作、等高種植可使徑流量分別減少16%、9%，流域內TN產生量分別減少9%、8%，TP產生量分別減少7%、5%[20]。在遷移途徑和末端治理中，植被過濾帶是美國農業部自然資源保護署推薦的用于非點源污染物過程阻斷最為有效的一種新型生態工程措施[21]。植被過濾帶通過減緩坡面漫流流速致使土壤顆粒沉降，進而去除污染物，同時也可以增加區域的下滲、減少地表徑流和非顆粒污染物[22]。但不同研究區域受地形氣候等因素影響，緩沖帶構建方式以及截污能力具有一定差異。與南方植被緩沖帶相比，北方植被緩沖帶對氮磷的攔截作用更加明顯[23]。田間河道植草也是一種有效的工程管理措施。研究發現，在三峽庫區香溪河流域田間實施植草河道措施之后，對河道出口的TN和TP負荷可以分別削減16.7%和34%。因此，從控制效果來看，植草河道能夠很好地控制農業非點源污染，尤其是對TP污染控制效果更加明顯[24]。

（三）河流含氮化合物的跨介質去除

河流是連接陸地和其他水體的重要通道，從陸地匯入河流中的氮磷及其他污染物能隨水流輸送到湖泊、水庫和海洋。其中，已經進入河道的有機污染物如農藥等能通過降解作用去除，含氮化合物主要通過脫氮作用去除。河流脫氮作用的潛力與含氮化合物的存在形態以及水環境條件相關，而且脫氮作用主要發生在河床潛流帶和側向岸邊潛流帶以及懸浮顆粒物-水界面[25～27]，水相中的脫氮作用很弱。雖然河流中含氮化合物主要存在于水相，但可以將水相中的含氮化合物跨介質轉移至潛流帶沉積相或側向岸邊潛流帶進行去除。

對于低氧高氨氮河流，可以利用河岸帶構建濱河帶狀濕地，利用河流側向潛流交換進而實現原位自養脫氮。在構建的介質篩帶狀濕地系統內層設置吸附氨氮的沸石層，在低溶解氧（0.87～1.60 mg/L）條件下，厭氧氨氧化細菌在沸石層上發生富集作用，氨氮通過厭氧氨氧化作用等自養生物脫氮得以去除。在這種強化的脫氮作用驅動下，氨氮和總氮的去除效率分別達到41.6 mg·m-3·d-1和63.2 mg·m-3·d-1（見圖3），該方法是將水相中的氨氮轉移至岸邊帶沸石層中進行脫氮，實現氨氮的跨介質去除[28,29]。

對于低碳高硝氮河流，可以利用自然沖積形成的河灣，構建河灣表流濕地，通過投加土著菌枯草芽孢桿菌FY99-01（Bacillus subtilisFY99-01）去除硝態氮。研究結果表明，基于水動力和微生物的共同作用，河灣最大脫硝率、平均脫硝速率分別為36.1%、50.5 g·m-2·yr-1（見圖3）；夏季較冬季去除效果好，水體氧化還原電位對反硝化過程具有顯著影響。該方法將河流中的硝態氮轉移至河灣表流交換濕地并得以去除。

圖3 新型河岸濕地與河灣濕地凈化技術對氮的去除效率

（四）湖泊氮磷的跨介質去除

我國許多湖泊存在氮磷含量超標的問題，可以通過種植水生植物如蘆葦從湖泊中吸收氮磷營養鹽，然后收割水生植物實現水體氮磷的跨介質去除。例如，通過對白洋淀水體氮磷污染特征及蘆葦的生長研究發現[30]，蘆葦生長及其對營養鹽的吸收分別與生長環境中的水位變化和營養鹽的負荷顯著相關（p＜0.05）。進一步分析環境因子對蘆葦生長及營養鹽吸收的綜合效應，結果表明，與水位變化的影響相比，蘆葦中營養鹽的儲存量受環境中營養鹽負荷的影響更大。由于淺水湖泊水質對水位變化比較敏感，通過研究蘆葦覆蓋度對蒸散發、營養鹽去除以及湖泊水質的影響，發現隨著蘆葦種植密度的增加，湖泊營養鹽的去除量將增加，進而可以提高湖泊水質；但隨著蘆葦種植密度的增加，湖泊的蒸散發量也將增加，使湖泊的水位降低和湖泊的水量減少，對污染物TN起到了濃縮作用，從而將降低湖泊的水質（見圖4）。因此，湖泊水質同時受到蘆葦對營養鹽去除和蒸散發的兩個相反作用的影響。基于野外實地監測和模擬實驗的結果，發現將湖泊蘆葦覆蓋率調整到當前覆蓋率的60%時，并在每年9月份收割蘆葦的地上部分，會最大限度地提高白洋淀湖泊的水質。

圖4 蘆葦通過增加蒸散發以及營養鹽去除影響湖泊水質的兩個相反的作用［30］

（五）土壤環境污染的跨介質治理

土壤環境中的污染物主要來自大氣沉降、污水灌溉、固體廢物的處理處置以及農田化肥農藥施用等，因此，切斷這些來自不同介質的污染源是進行土壤污染治理的關鍵。另外，對于已經進入土壤環境中的污染物，可以采用各種物理化學和生物方法將其去除。例如，采用離子礦化穩定劑將土壤中的重金屬離子由易被生物利用的離子態變成不易被生物利用的礦化態，將重金屬離子由土壤溶液轉移至土壤固相顆粒態中，降低其生物有效性達到污染修復的目的；種植超富集植物可將土壤環境中的重金屬離子或有機污染物轉移至植物體內，再收割和處理植物實現土壤環境中污染物的跨介質去除。

五、結論與展望

污染物在流域水土環境中存在跨介質遷移，且污染物的轉化過程也主要發生在各種界面，因此，在流域水土環境污染跨介質歸因識別的基礎上，進一步開展跨介質治理是實現流域水土環境調控的有效途徑和方法。目前，雖然已在相關方法和技術層面都取得了較好的研究進展，但仍亟需加強以下幾方面的研究。

（1）開展水土環境污染跨介質歸因識別是進行水土環境污染治理的前提，但目前的歸因識別技術不夠系統，尤其是定量識別技術亟需加強。另外，大氣沉降也是水土環境污染不可忽視的來源，未來研究需要將水-土-氣結合起來進行歸因識別研究，并提出流域或區域環境污染的水-土-氣跨介質調控和治理方法。

（2）對于不同類型的污染物，如有毒有機污染物、農藥、氮磷以及藥物、PPCPs等新污染物，在水土環境中的來源和遷移轉化規律存在顯著差異，污染治理方法也不同。因此，需要開發針對不同類型污染物的水土環境跨介質治理方法。

（3）現有研究主要是針對小尺度水土環境污染的跨介質治理，而有關流域尺度或較大區域尺度的研究較少。但污染的來源與區域人為活動有關，且流域的自然地理和環境條件直接影響了污染物的遷移轉化，因此，需要從流域或較大尺度來解析污染來源，并提出相應的跨介質治理方法和技術。

（4）對于城市和農村區域，水土環境中污染物的來源和遷移轉化存在顯著差異，因此，需要針對不同的區域進行水土環境污染的跨介質歸因識別，同時提出針對性的污染防控和治理方法。

（5）在進行水污染防治法或土壤污染物防治法的制定/修訂工作中，需要考慮污染物在流域或區域水土環境中的跨介質遷移，將水土環境作為一個整體提出水污染防治法、土壤污染防治法或水土污染防治法等法律法規。