土壤磷、氮與水體富營養(yǎng)化

姜婧，劉琳

（河北省保定生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，河北 保定 071000）

“富營養(yǎng)化”問題成為當(dāng)前的重大環(huán)境問題之一，它是一種由于磷、氮等植物營養(yǎng)物質(zhì)含量過多所引起的水質(zhì)污染現(xiàn)象。主要表現(xiàn)為水中的營養(yǎng)物質(zhì)氮、磷超過湖體的自凈能力，進(jìn)而引起藻類過量生長、繁殖。

1 水體富營養(yǎng)化

水體富營養(yǎng)化分為兩種類型:一是天然富營養(yǎng)化,二是人為富營養(yǎng)化。天然富營養(yǎng)化是湖泊水體生長、發(fā)育、消亡整個生命史中必經(jīng)的天然過程，這個過程極其漫長。人為富營養(yǎng)化演變的速度非?？?，可以在短期內(nèi)使水體由貧營養(yǎng)化狀態(tài)變?yōu)楦郀I養(yǎng)狀態(tài)。

隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大規(guī)模的迅速發(fā)展，人為富營養(yǎng)化越來越嚴(yán)重。人口密集的城市排放出大量含磷、氮營養(yǎng)物質(zhì)的生活污水排人湖泊、河流、水庫，增加了這些水體的營養(yǎng)物質(zhì)的負(fù)荷量，同時，在農(nóng)村，為了提高農(nóng)作物產(chǎn)量，施用的化學(xué)肥料和牲畜類便逐年增加，經(jīng)過雨水沖刷和滲透，以面源的形式使一定數(shù)量的植物營養(yǎng)物質(zhì)最終輸送到水體中。

氮和磷是富營養(yǎng)化水體中的特征污染物，是植物和微生物的主要營養(yǎng)元素。國際上一致認(rèn)為湖水中總磷濃度0.02mg(P)/L、總氮濃度0.2mg(N)/L是水體富營養(yǎng)化的發(fā)生濃度。由于水體中所含氮磷的影響，特別是封閉水體中的氮磷，導(dǎo)致水體中的藻類大量繁，藻類的繁殖又會吸收水體中部分的氮和磷，藻類的死亡和解體又將所吸收的氮和磷釋放到水體中去，造成水體中藻類的惡性繁殖。一方面影響水體的水質(zhì)，會造成水的透明度降低，使得陽光難以穿透水層，從而影響水中植物的光合作用，可能造成溶解氧的過飽和狀態(tài)。溶解氧的過飽和以及水中溶解氧少，都對水生動物有害，造成魚蝦大量死亡。同時，藻類本身有藻腥味會引起水質(zhì)惡化產(chǎn)生腥臭難聞的氣味。另一方面富營養(yǎng)化水體中所含的硝酸鹽和亞硝酸數(shù)以及藻類所含的蛋白質(zhì)毒素會富集在水產(chǎn)物體內(nèi)，人畜長期飲用這些物質(zhì)含量超過一定標(biāo)準(zhǔn)的水，也會中毒致病。

2 土壤磷素與水體中的含磷化合物

水體中的磷是以多種形態(tài)存在的，所有的無機(jī)磷幾乎完全以磷酸鹽形態(tài)存在，也就是磷的完全氧化態(tài)。天然水中的磷是由礦石風(fēng)化、侵蝕，淋溶、細(xì)菌作用、農(nóng)業(yè)肥料、污水和洗滌劑排入等構(gòu)成，其中可溶性磷化合物包括正磷酸鹽、聚合磷酸物、有機(jī)磷酸物，此外還有呈膠體和顆粒態(tài)的有機(jī)磷化合物存在。水體中可溶性磷含量少，因它們很容易與Ca2、Fe、Al等生成難溶性沉淀物沉積于水體底泥。

土壤中的磷以有機(jī)、無機(jī)態(tài)兩種形態(tài)存在。有機(jī)態(tài)磷在土壤全磷量中占20%～80%，主要包括相對不穩(wěn)定的磷脂、核酸，肌醇及腐殖酸，土壤中無機(jī)磷種類較多，成分也比較復(fù)雜，主要包括：（1）由物理吸附作用結(jié)合比較松散的活性磷；（2）由鐵、鋁水合氧化物結(jié)合的磷；（3）磷灰石中與鈣結(jié)合的含磷化合物；（4）與碳酸鹽結(jié)合的磷；（5）較穩(wěn)定的礦物磷，如磷釔礦、獨(dú)居石。

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)施肥時大量施用磷肥，導(dǎo)致磷在土壤中的積累量大大增加，而磷在土壤中的積累是導(dǎo)致磷流失增加的根本因素。

磷的流失主要是通過地表徑流流失，從土壤中的流失包括溶解態(tài)和顆粒態(tài)兩個部分，溶解態(tài)磷包括無機(jī)正磷酸鹽，有機(jī)磷化合物和絡(luò)合物；顆粒態(tài)磷包括全部初級和次級礦物磷、有機(jī)磷以及吸附在礦物和有機(jī)顆粒上的磷。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中磷肥的施用，磷的流失量也明顯增加。

3 土壤氮素與水體中的含氮化合物

水體中的含氮化合物可分為有機(jī)氮和無機(jī)氮兩大類，有機(jī)氮大多是農(nóng)業(yè)廢棄物和生活污水中的含氮有機(jī)物，它包括蛋白質(zhì)、氨基酸和尿素等：無機(jī)氮指的是氨氮、亞硝酸態(tài)氮和硝態(tài)氮等，它們一部分是有機(jī)經(jīng)微生物分解轉(zhuǎn)化作用而產(chǎn)生的，一部分直接來自使用化肥的農(nóng)田退水和工業(yè)排水。

土壤中氮分為兩種形態(tài)，一種是有機(jī)態(tài)的氮，另一種是無機(jī)態(tài)的氮。有機(jī)態(tài)的氮是土壤中氮的主要部分，一般占土壤全氮量的92%-98%。土壤含氮有機(jī)物主要來自動植物殘體、根分泌物及微生物的軀體。土壤中的無機(jī)氮主要包括氨態(tài)氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮和氮?dú)猓渲械獨(dú)獠荒苤苯永?，但它是土壤中氮素?fù)p失的途徑之一。

土壤中氮的去向，可分為三個方面，即作物吸收、損失和土壤中殘留?！巴寥乐械膿p失途徑有氨揮發(fā)、反硝化、淋洗、徑流、側(cè)滲，以及通過地上部的直接損失等。這些損失的氮通過各種途徑進(jìn)入水體，增加水體中氮的營養(yǎng)含量，造成水體的富營養(yǎng)化。

4 富營養(yǎng)化的危害

水體出現(xiàn)富營養(yǎng)化現(xiàn)象時主要表現(xiàn)為浮游生物大量繁殖，如藻類，藻類本身使水道堵塞，魚類生存空間減少，使水體生色，透明度降低，其分泌物又能引起水臭、水味，在給水處理中造成各種困難，更重要的是富營養(yǎng)化還可能破壞水體中生態(tài)系統(tǒng)中原有的平衡。藻類過量的繁殖將使有機(jī)物生產(chǎn)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過消耗速度，從而使水體中的有機(jī)物積蓄，其引起的后果就是：

（1）促進(jìn)細(xì)菌類微生物的繁殖，一系列異養(yǎng)生物的生物鏈都會有所發(fā)展，使水體耗氧量大大增加，生長在光照所不能達(dá)到的水層深處的藻類因呼吸作用也大量消耗氧使水體處于嚴(yán)重缺氧狀態(tài)，嚴(yán)重影響魚類生存。

（2）藻類種類逐漸減少，沉于水底的死亡藻類在厭氧分解過程中促進(jìn)大量厭氧菌繁殖，產(chǎn)生有害氣體及生物毒素，傷害水生生物。

（3）氨氮豐富的水體開始硝化細(xì)菌繁殖，在缺氧狀態(tài)下轉(zhuǎn)向反硝化過程。

綜上所述，富營養(yǎng)化發(fā)生后，首先引起水底有機(jī)物消耗速度超過其生長速度，處于腐化污染狀態(tài)，并逐漸向上層擴(kuò)展，在嚴(yán)重時可使一部分水體區(qū)域變?yōu)楦瘏^(qū)，這樣由富營養(yǎng)化而引起有機(jī)體大量生長的結(jié)果，倒過來又走向其反面，藻類、植物及水生物、魚類趨于衰亡以致絕跡。這種現(xiàn)象可能周期性的交替出現(xiàn)，破壞水域的生態(tài)平衡，并且加速湖泊水體的衰亡過程。水體富營養(yǎng)化的危害極大，不僅在經(jīng)濟(jì)上造成極大的損失，而且富營養(yǎng)化水體中過量的藻類會堵塞水處理構(gòu)筑物，同時由于藻類的新陳代謝以及水藻本身產(chǎn)生的毒害物質(zhì)增加了水處理技術(shù)難度及水處理成本，而且危害人類健康。富營養(yǎng)化的水體在很多用途方面都被認(rèn)為是劣質(zhì)水體。

5 水體富營養(yǎng)化的防治

水體富營養(yǎng)化主要來源于外源污染，因此，對富營養(yǎng)化水體的防治應(yīng)首先從控制和消除外源污染著手。

（1）控制排入水體的污染物（氮、磷）濃度，絕大多數(shù)水體富營養(yǎng)化主要是外界輸入的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)在水體富集造成的，如能減少或者截斷外部輸入的營養(yǎng)物質(zhì)，就使水體失去了營養(yǎng)物質(zhì)富集的可能性，因此減少排入水體的污水中氨、磷濃度，控制外源性營養(yǎng)物質(zhì)的輸入，是防治水體富營養(yǎng)化的重要手段。

我國現(xiàn)執(zhí)行的《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB8978-2002）明確了適合所有排放單位非常嚴(yán)格的磷酸鹽排放標(biāo)準(zhǔn)和較嚴(yán)格的氨氮排放標(biāo)準(zhǔn)：磷酸鹽≤0.5mg/L（一級）及1.0mg/L（二級）,氨氮≤15mg/L（一級）及25mg/L（二級）。

對排入水體的廢水進(jìn)行脫氮除磷處理，使其含量符合國家的排放標(biāo)準(zhǔn)，是防止水體富營養(yǎng)化，解決點(diǎn)源污染的重要措施。近年來，我國環(huán)保科研單位和大專院校開展了對污廢水脫氮除磷處理工藝的深入研究，已經(jīng)取得了較成熟的工藝流程和較滿意的使用效果。目前，有效地降低污水中的氮、磷含量更經(jīng)濟(jì)、更高效的脫氮除磷工藝不斷研發(fā)，新處理技術(shù)得到了進(jìn)一步應(yīng)用。

污水脫氮除磷的方法主要包括物理化學(xué)法、生物處理法和生物-化學(xué)聯(lián)合法。其中，生物法除磷脫氮由于其處理效率高、運(yùn)行成本較低、污泥處理相對容易，而受到廣泛重視。

（2）治理水土流失，目前我國水土流失面積已達(dá)367萬km，占國土總面積的32.8%，已構(gòu)成全國性威脅。1988年流失表土面積至少50億噸，嚴(yán)重的水土流失，不僅惡化了當(dāng)?shù)厣a(chǎn)生活條件和生態(tài)環(huán)境，而且對下游地區(qū)造成極大危害，同時，水土流失作為載體，將大量面源污染物帶入下游，加劇了水體水質(zhì)的惡化，對人們的飲水安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

（3）農(nóng)業(yè)施肥提倡化肥和有機(jī)肥混合施用，化肥可以被有機(jī)肥料吸收保蓄，減少流失?？梢栽黾幼魑餇I養(yǎng)，有機(jī)肥所含養(yǎng)分較全，肥效穩(wěn)定長久，含有機(jī)質(zhì)多，能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤理化性質(zhì)。不但可以供給作物，而且可以供給土壤微生物以氮、磷、鉀等養(yǎng)分，以及維生素和生長激素等。這樣，就可以避免或減少土壤營養(yǎng)物質(zhì)的流失，減少因此產(chǎn)生的水體污染。

（4）對畜禽糞便處理的最好途徑就是用作“農(nóng)家肥”，否則，應(yīng)進(jìn)行無害化處理后方可排入水體。水體富含營養(yǎng)物質(zhì)的底泥會成為水體的內(nèi)源污染，采取清淤挖泥的方法，通過對底泥的清掏，減少水體沉積物的營養(yǎng)鹽含量，從而減輕可能發(fā)生的內(nèi)源污染。另外，也可以投加化學(xué)復(fù)合劑改良緩流水體底層水質(zhì)，化學(xué)復(fù)臺劑主要成份是過氧化鈣，投入水中能迅道增氧，促進(jìn)硝化作用，降低池水的氨氮、亞硝酸鹽的含量，還能補(bǔ)充生物生長所需的鈣，并使底質(zhì)疏松透氣，利于有機(jī)質(zhì)的完全分解?？傊?，消除水體的內(nèi)源污染關(guān)鍵在于消減水體及底泥中的氮、磷負(fù)荷，以消除藻類瘋長的基礎(chǔ)，達(dá)到降低水體中藻類生物量、提高水體透明度的目的。

6 富營養(yǎng)化治理的意義

富營養(yǎng)化的治理，意義重大，主要由以下幾個方面：

（1）對富營養(yǎng)化湖庫水體進(jìn)行治理修復(fù)，是社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市景觀、生態(tài)環(huán)境建設(shè)的迫切需要，具有經(jīng)濟(jì)和環(huán)境雙重效益。（2）明顯提高富營養(yǎng)化湖庫水體的處理效果、大大縮短治理周期、有效降低處理成本。（3）恢復(fù)水體使用功能，有效緩解我國水資源嚴(yán)重匱乏的問題。（4）改善居民居住環(huán)境，提高人民生活質(zhì)量。