沱江流域總磷空間排放特征及影響因素分析

劉丹丹，喬琦，李雪迎，張玥，白璐*

1.環境基準與風險評估國家重點實驗室，中國環境科學研究院

2.同濟大學環境科學與工程學院

磷是生命系統不可或缺的營養元素，也是影響藻類生長的重要元素，被認為是導致水體富營養化的主要因素之一[1-3]。大量的氮和磷等營養物質進入水體，引起藻類和其他浮游生物迅速繁殖，降低水中的溶解氧濃度，導致水生態系統物種分布失衡[4]。已有研究表明，工業、農業和生活源排放的磷進入水環境后會使水生態系統受到破壞[5-6]。因此，識別總磷（TP）排放空間分布及影響因素對緩解過度排放和指導TP管控至關重要。

長江流域橫跨中國東部、中部和西部三大經濟區，是中國第一大河流[7]。隨著長江流域農業和經濟的發展、人口的快速增長，2016年以來TP已經成為長江流域的首要超標因子[8]。沱江是長江流域典型的污染較重的支流[9]，近年來，人為活動排放產生的磷導致沱江流域TP污染嚴重[9-10]。由于TP污染，沱江流域有超過80%的監測斷面水質低于GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅳ類水質標準，沱江入江口TP濃度是長江上游河段TP平均濃度的300%，沱江入江口TP通量占三峽水庫總入庫量的9.48%[10]。沱江流域水污染會間接影響三峽水庫的水質，沱江攜帶的氮、磷污染輸入可能直接加重三峽庫區乃至長江流域的水體富營養化風險。因此，沱江流域TP排放管理與控制對于維持長江水質和確保生態安全具有重要意義。目前，已有學者對沱江流域磷污染做了研究，這些研究主要集中在磷石膏的磷形態組成[11]和水中磷濃度分布特征[12-13]等方面，然而，對沱江流域TP來源、空間排放特征及影響因素的研究較少。

筆者以沱江流域為研究對象，基于四川省第二次全國污染源普查結果，分析2017年沱江流域TP排放特征，結合入河系數，核算沱江流域TP入河量，解析TP污染代謝路徑，識別TP排放主要來源和區域，并探討TP排放影響因素，以期為沱江流域TP污染防治管理提供科學依據。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究區域

沱江流域位于中國西南部四川省，干流長629 km，面積為27 800 km2，年平均降水量為1 200 mm，徑流量為351億m3。沱江流經德陽、成都、眉山、樂山、資陽、內江、自貢、宜賓和瀘州市9個市（圖1），可分為上游（德陽和成都）、中游（資陽、內江、眉山和樂山）和下游（自貢、宜賓和瀘州）。2017年沱江流域人口為4 387.9萬人，占全省人口的52.9%，國內生產總值（GDP）高達25 650.9億元，占全省的69.3%[14]。

圖1 沱江流域行政區劃Fig.1 Administrative divisions of Tuojiang River Basin

1.2 數據來源

沱江流域TP主要貢獻源為工業源、農業源（畜禽養殖、種植業和水產養殖業）和生活源（城鎮生活和農村生活）[15]。其中，畜禽養殖量、土地面積等活動水平數據以及各類源TP排放數據來自四川省第二次全國污染源普查（2017年）。各市人口數量、人口密度、GDP、人均GDP和工業總產值來自四川省統計年鑒[14]。9個地市不同貢獻源入河系數參考相關文獻[15-16]。工業TP排放強度為工業TP排放量和工業總產值比值，畜禽養殖TP排放強度為畜禽養殖TP排放量和畜禽養殖量比值，生活TP排放強度為生活TP排放量和人口數量比值。

1.3 TP入河量核算

沱江流域2017年TP入河量通過沱江流域工業源、畜禽養殖、種植業、水產養殖、城鎮生活和農村生活6種貢獻源排放量與入河系數相乘后，匯總得到。計算公式如下：

式中：L為沱江流域TP入河量，t；Pi,j為污染源i在j地區的TP 排放量，t；λi,j為污染源i在j地區的TP入河系數，無量綱；i為工業源、畜禽養殖、種植業、水產養殖、城鎮生活和農村生活6種TP貢獻源；j為德陽、成都、眉山、樂山、資陽、內江、自貢、宜賓和瀘州9個城市。沱江流域9個城市6種貢獻源TP入河系數見表1。

表1 沱江流域各城市不同貢獻源TP入河系數[15-16]Table 1 Inflow coefficient of different contribution sources of cities in Tuojiang River Basin

1.4 分析方法

基于各類污染源排放量核算方法，以工業源、農業源、生活源為研究對象，選取與TP排放關聯較大的因素[16]，包括經濟發展水平（GDP和人均GDP）、工業總產值、人口（人口密度和人口數量）、畜禽養殖量、種植結構（旱地面積、水田面積、菜地面積和園地面積）[17-21]，采用SPSS 24軟件進行Pearson相關性分析和線性分析，揭示TP排放量的影響因素。

2 結果與討論

2.1 沱江流域TP排放量及其空間分布特征

2.1.1 TP排放量空間分布和來源

2017年沱江流域TP排放量為8 324.0 t（圖2），從區域上看，TP排放高值區主要分布在成都、宜賓和瀘州，這3個城市TP排放量占流域TP排放量的48.5%，而自貢和資陽TP排放量較低。

圖2 沱江流域2017年TP排放量空間分布Fig.2 Spatial distribution of TP discharges in Tuojiang River Basin in 2017

從不同排放源的貢獻來看（圖3），沱江流域農業源和生活源為TP排放的主要貢獻源，貢獻率分別為58.2%和36.6%，工業源TP排放貢獻率僅為5.2%。農業源中，畜禽養殖是TP的主要來源，貢獻率達34.0%；其次是種植業，貢獻率為21.5%；水產養殖TP排放貢獻率為2.7%。生活源中，城鎮生活和農村生活TP排放貢獻率分別為19.4%和17.2%。文獻[22]及實地調研顯示，沱江流域畜禽養殖場多分布于干流、支流沿岸，且缺少相應的治污措施，養殖廢水直接排放情況嚴重。

進一步分析不同區域的TP貢獻源發現，各地區TP貢獻源結構具有差異性（圖3）。城鎮生活是成都市TP主要貢獻源，占31.4%。畜禽養殖業是其余8個城市的TP主要貢獻源，占比為31.7%～42.4%。水產養殖TP排放量在德陽、成都、眉山、樂山和內江5個城市較小，占比為1.1%～2.4%。工業源TP排放量在資陽、自貢、宜賓和瀘州4個城市較小，占比為1.0%～2.6%。

圖3 沱江流域及各市不同排放源TP排放量占比Fig.3 TP contribution rates of different sources in cities in Tuojiang River Basin

2.1.2 工業源TP空間排放特征

2017年工業源TP排放量為430.5 t，化學原料和化學制品制造業、農副食品加工業等7個行業TP排放量占工業源TP排放量的96.8%，排放較為集中。其中，化學原料和化學制品制造業是TP排放的最大來源，占工業源TP排放量的38.4%〔圖4（a）〕；其次是農副食品加工業與酒、飲料和精制茶制造業，分別占工業源TP排放量的22.4%和14.6%。沱岷江流域分布著大量的磷礦、磷化工企業集聚形成的產業帶[15,23]，磷礦、磷化工及磷石膏庫也是沱江流域工業排放的重點源。

從空間分布來看，樂山和成都工業TP排放量最大，自貢和瀘州工業TP排放量最小?；瘜W原料和化學制品制造業TP排放主要來自樂山，農副食品加工業及酒、飲料和精制茶制造業TP排放主要來自成都。

進一步分析工業源TP的排放強度發現，樂山、資陽和眉山工業源TP排放強度均高于沱江流域平均排放強度〔圖4（b）〕，特別是樂山的工業源TP排放強度遠高于其他地市。對樂山工業TP的主要排放源進行深入分析，發現樂山工業源TP排放主要來自2家草銨磷農藥生產企業。一方面，草銨磷農藥生產需要使用大量三氯化磷原料，導致其單位產品TP產生量和排放量是其他工業的數倍；另一方面，樂山工業總產值在沱江流域僅處于中下等水平，相同排放量下，其排放強度更大。由此導致樂山工業源TP整體排放強度較高。

圖4 沱江流域各市不同工業行業TP排放量和排放強度Fig.4 TP discharge and discharge intensity of different industrial industries in cities in Tuojiang River Basin

進一步分析涉磷工業行業廢水處理技術發現，沱江流域工業廢水治理技術多以低效技術為主，且仍有大量企業存在直排情況。其中，沉淀分離和其他物理處理法占比分別為26.1%和13.1%〔圖5（a）〕，直排企業占21.3%。各工業行業中，農副食品加工業TP平均去除率較低，僅為56.0%，化學原料和化學制品制造業，醫藥制造業與酒、飲料和精制茶制造業TP 去除率均高于 80.0%〔圖5（b）〕。

圖5 沱江流域涉磷工業廢水處理技術與主要工業行業TP去除率Fig.5 Phosphorus related industrial wastewater treatment processes and TP removal efficiency of main industrial industries in Tuojiang River Basin

2.1.3 農業源TP排放空間分布特征

2017年沱江流域農業源TP排放總量為4 848.1 t，農業源中TP排放量較高的地區是成都和宜賓〔圖6（a）〕，較低的為自貢和內江。其中，畜禽養殖TP排放量較高的地區是成都和樂山，自貢和資陽較低。種植業TP排放量較高的地區為種植面積較大[14]的成都和宜賓，較低的地區為德陽、資陽和內江。宜賓和瀘州水產養殖TP排放量較大，內江和自貢水產養殖TP排放量較小，低于10 t。

圖6 沱江流域各市農業源TP排放量與畜禽養殖業TP排放強度Fig.6 TP discharge of agricultural sources and TP discharge intensity of livestock breeding in cities in Tuojiang River Basin

進一步分析TP排放強度發現，樂山、德陽和眉山畜禽養殖TP排放強度高于沱江流域〔圖6(b)〕。數據顯示，這3個城市畜禽養殖量均小于成都，但其對TP的去除水平遠低于成都，使其畜禽養殖TP排放強度較高。

2.1.4 生活源TP排放空間分布特征

2017年沱江流域生活源TP排放總量為3 045.4 t，生活源TP排放量較高的地區主要是成都和德陽，較低的地區主要是資陽和自貢。城鎮生活源TP排放量分布與生活源TP排放量分布一致，農村生活源TP排放量主要集中在成都和宜賓〔圖7（a）〕，眉山和自貢農村生活源TP排放量較低。

德陽、眉山、宜賓和瀘州生活源排放強度均高于沱江流域生活源平均排放強度〔圖7（b）〕。分析其原因發現，這4個城市的鄉鎮污水處理能力較低。其中，德陽只有34%的鄉鎮建有污水處理廠，且已建廠的污水處理率較低[15]。此外，這些區域農村居民分布較為分散，幾乎沒有收集管網和污水處理設施，處理效率很低，大部分生活污水不經過管道直接排放[19]，這也是該區域TP排放量高的重要原因。

圖7 沱江流域各市生活源TP排放量和排放強度Fig.7 TP discharge and TP discharge intensity of domestic sources in cities in Tuojiang River Basin

2.2 沱江流域TP入河量與代謝路徑

根據沱江流域各市不同類型污染源排放量計算結果，由式（1）計算得到2017年沱江流域TP入河量為3 676.9 t。從貢獻源上看，2017年沱江流域生活源TP入河量最大，為2 101.4 t；其次為農業源、工業源，分別為 1 145.0、430.5 t〔圖8（a）〕。生活源中，城鎮生活TP入河量最大，為1 615.0 t，農村生活TP入河量為486.4 t。農業源中，畜禽養殖TP入河量最大，為833.1 t，其次為水產養殖和種植業，分別為228.6和83.2 t。從空間分布來看，成都TP入河量最大，為1 002.9 t；其次為宜賓和樂山，其TP入河量分別為477.4和450.7 t；資陽和自貢TP入河量最小，分別為169.2 和 147.3 t〔圖8（b）〕。成都、德陽、眉山、內江、宜賓和瀘州6市TP入河量主要來源為城鎮生活，樂山TP入河量主要來源為工業，資陽和自貢TP入河量主要來源為畜禽養殖。

圖8 沱江流域及各市不同污染源TP入河量Fig.8 TP discharge into river from different sources in Tuojiang River Basin and cities

為分析TP代謝路徑，進一步分析沱江流域各市不同類型污染源TP排放量和入河量，結果如圖9所示。由圖9可知， 2017年沱江流域排放的TP 44.2%排放到水中，55.8%排放到環境（土壤）中。其中，農業源TP 23.6%排入水體，76.4%排入環境（土壤）；生活源TP 31.0%排入環境（土壤），69.0%排入水體。

圖9 沱江流域2017年TP排放代謝路徑Fig.9 Metabolic pathways of TP discharge in Tuojiang River Basin in 2017

2.3 沱江流域TP排放影響因素

由沱江流域各市TP排放量與主要影響因素的Pearson相關性分析結果（表2）可知，TP排放量與GDP、人均GDP、人口數量、工業總產值、畜禽養殖量和水田面積6個影響因素呈顯著正相關（Pearson相關系數均大于0.75），表明這6個影響因素對TP排放量影響較大。線性分析結果也證實了這一點，6個影響因素的線性相關系數（R2）均大于0.5（圖10）。人口密度〔圖10（d）〕、旱地面積〔圖10（g）〕、園地面積〔圖10（i）〕、菜地面積〔圖10（j）〕與 TP 排放量呈弱正相關（R2分別為 0.17、0.29、0.29 和 0.32），說明這些因素對TP排放量有一定的影響，但相對于其他影響因素并不顯著。

圖10 TP排放量和影響因素線性關系Fig.10 Linear relationship between TP discharge and influential factors

表2 TP排放量和影響因素Pearson相關系數Table 2 Correlation analysis of TP discharge and influencing factors

人類生產活動和經濟規模擴張容易加劇環境污染，沱江流域經濟和人口增長[24]對TP污染具有直接加劇作用。成都市TP排放量遠高于其他城市，主要是由于其人口數量和經濟總量在沱江流域均為最大。畜禽養殖是沱江流域TP排放的主要影響因素之一，這是因為沱江流域在增加畜禽養殖量的同時，未及時改進畜禽養殖管理模式[16]。土地利用類型是磷流失的重要因素之一[25]，沱江流域水田面積高于菜地和園地面積，水田磷的流失量也遠大于旱地和菜地[16]，導致水田面積成為沱江流域TP污染的重要影響因素。

3 結論與建議

3.1 結論

（1）2017年沱江流域各市TP排放量大小為成都>宜賓>瀘州>樂山>德陽>眉山>內江>資陽>自貢，流域TP排放量大小為中游>上游>下游，沱江流域TP污染來源以非點源為主，各污染源TP排放量大小為畜禽養殖>種植業>城鎮生活>農村生活>工業>水產養殖。

（2）TP入河量大小為成都>宜賓>樂山>德陽>瀘州>眉山>內江>資陽>自貢，流域TP入河量大小為上游>中游>下游，各污染源TP入河量大小為城鎮生活>畜禽養殖>農村生活>工業>水產養殖>種植業。

（3）GDP、人均GDP、人口數量、工業總產值、畜禽養殖量和水田面積是沱江流域TP排放的主要影響因素。

3.2 建議

農業源方面，加強對畜禽養殖和種植業面源污染控制，合理化布局養殖地點，加快優化農業基礎設施，改善沱江流域地區畜禽養殖規?；洜I水平和管理技術將是未來減少農業TP排放的關鍵[26-28]，糞肥還田量要根據田地養分承載力，防止還田過載導致磷流失。通過促進糞肥和糞便的回收利用和提高肥料利用率，從而減少種植業TP排放量[29-30]。此外，生態溝系統有助于減少農業TP入河量。生活源方面，加強生活基礎設施及配套管網建設，建立污水處理廠并提高處理效率[31]。此外，推廣垃圾污染管理實踐將是控制未來農村TP排放的必要措施[5]。工業源方面，配套必要的污染治理措施，并提升已有處理技術可減少TP排放量。比如，將生物接觸氧化法代替沉淀分離處理技術。重點加強德陽和眉山畜禽養殖TP排放，德陽、眉山、宜賓和瀘州生活源TP排放以及樂山工業源TP排放防控管理，提高德陽和眉山畜禽養殖技術和管理水平，配套德陽、眉山、宜賓和瀘州城鎮和農村生活污水收集和處理設施建設，提高農副食品加工業TP去除率。