內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫湖水質(zhì)變化特征及其影響因素

梁麗娥, 李暢游, 孫 標(biāo), 王靜潔, 韓知明

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫湖水質(zhì)變化特征及其影響因素

梁麗娥, 李暢游, 孫 標(biāo), 王靜潔, 韓知明

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

[目的] 對(duì)內(nèi)蒙古呼倫湖水質(zhì)變化特征及其影響因素進(jìn)行分析，為呼倫湖富營養(yǎng)化機(jī)理研究提供理論基礎(chǔ)。 [方法] 采用2012—2014年的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)水體中TN，TP和葉綠素a(Chla)濃度的時(shí)空分布進(jìn)行分析，采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對(duì)水質(zhì)進(jìn)行富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)，并對(duì)影響水質(zhì)變化的因素進(jìn)行探討。 [結(jié)果] 在時(shí)間上，Chla，TN，TP濃度均表現(xiàn)為：7，8月>9月>1月；在空間上，TN的濃度的范圍為1.70～2.31 mg/L，均值為1.94 mg/L。TP的濃度的范圍為0.15 ～0.25 mg/L，均值為0.19 mg/L。呼倫湖水質(zhì)已經(jīng)達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅳ，Ⅴ類水體標(biāo)準(zhǔn)，是磷限制性湖泊。葉綠素a與總氮表現(xiàn)為：西南、東北兩端>中部，總磷濃度除一個(gè)水質(zhì)觀測(cè)點(diǎn)較高外，其他各觀測(cè)點(diǎn)變化不大。呼倫湖水體夏季已經(jīng)呈現(xiàn)中度富營養(yǎng)化水平，而冬季和秋季呈輕度富營養(yǎng)化水平。 [結(jié)論] 呼倫湖已經(jīng)處于富營養(yǎng)化狀態(tài)，豐富的外源輸入為非冰封期呼倫湖發(fā)生富營養(yǎng)化提供了一定的物質(zhì)基礎(chǔ)。

時(shí)空分布; 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法; 影響因素; 呼倫湖

文獻(xiàn)參數(shù)： 梁麗娥, 李暢游, 孫標(biāo), 等.內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫湖水質(zhì)變化特征及其影響因素[J].水土保持通報(bào)，2017,37(2)：102-106.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.014； Liang Lie, Li Changyou, Sun Biao, et al. Impact Factors and Characteristics of Water Quality Variation of Hulun Lake in Inner Mongolia Automous Region[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(2)：102-106.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.014

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的劇增，生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了改變，江、河、湖、庫等的富營養(yǎng)化問題日趨嚴(yán)重[1]。湖泊的富營養(yǎng)化是由于水體中營養(yǎng)物質(zhì)的過量輸入引起水生植物的大量繁殖，從而導(dǎo)致水質(zhì)惡化等一系列問題。氮、磷是導(dǎo)致湖泊富營養(yǎng)化的重要的營養(yǎng)元素，對(duì)水生植物的生長具有重要的影響。氮、磷與藻類生物量之間的關(guān)系是研究湖泊富營養(yǎng)化的重要內(nèi)容之一[2-3]。由于葉綠素a含量是表征藻類現(xiàn)存量的重要指標(biāo)之一[4]，且藻類生物量與葉綠素a濃度之間存在密切關(guān)系[5]，因此，研究氮、磷營養(yǎng)鹽的分布特征及其影響因素對(duì)于湖泊的富營養(yǎng)化控制具有重要的意義。呼倫湖屬于內(nèi)蒙古自治區(qū)的第一大湖泊，是中國北方的生態(tài)屏障，但在近幾年來，由于氣候變化和人類活動(dòng)的影響，呼倫湖流域氣候呈現(xiàn)暖干化，降水量減少，蒸發(fā)量增大，水位逐年下降，水域面積不斷減小，濕地萎縮，致使周邊生態(tài)環(huán)境和湖水水質(zhì)嚴(yán)重惡化，湖水總含鹽量和pH值逐年升高，漁業(yè)資源瀕臨枯竭和大量珍稀鳥類遷移[6-8]，水質(zhì)呈現(xiàn)中度富營養(yǎng)化水平[9]。目前呼倫湖的生態(tài)環(huán)境已經(jīng)遭到破壞，水質(zhì)嚴(yán)重惡化，呈現(xiàn)出富營養(yǎng)化狀態(tài)，湖泊水質(zhì)狀況以及富營養(yǎng)程度，與當(dāng)年降雨及入河徑流的水量狀況關(guān)系密切，一般豐水年水質(zhì)偏好，枯水年偏差。根據(jù)呼倫湖歷年水文氣象資料，2012—2014年呼倫湖緩慢向豐水年過渡，在年內(nèi)，1月(冬季)為枯水期，7—8月(夏季)為豐水期，9月(秋季)雨量適中，為平水期，因此本研究采用2012—2014年1，7，8，9月(其中2012年只有1，7，8月水質(zhì)數(shù)據(jù))的水質(zhì)觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析呼倫湖營養(yǎng)鹽及葉綠素a時(shí)空分布特征，并對(duì)水質(zhì)進(jìn)行富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)，對(duì)影響水質(zhì)變化的因素進(jìn)行探討，旨在為呼倫湖的富營養(yǎng)化機(jī)理研究提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

呼倫湖，又名達(dá)賚湖，是中國的第5大湖，水域遼闊，素有“草原明珠”的美譽(yù)[10]。屬額爾古納水系。地理坐標(biāo)介于116°58′—117°48′E，48°33′—49°20′N，位于新巴爾虎左旗、新巴爾虎右旗和滿洲里市之間。湖面呈不規(guī)則斜長方形，長軸為西南至東北方向。湖長93 km，最大寬度為41 km，平均寬度為32 km，周長為447 km。當(dāng)湖水位在545.33 m時(shí)，湖水水面為2 339 km2，平均水深為5.7 m，最大水深8 m，最大蓄水量為1.39×108m3。呼倫湖的補(bǔ)給來源除大氣降水和地下水外，主要來自發(fā)源于蒙古國東部的克魯倫河，以及連接貝爾湖和呼倫湖的烏爾遜河。湖東北部的新開河(達(dá)蘭鄂羅木河)是一個(gè)吞吐性河流，海拉爾河水大時(shí)，順該河流入呼倫湖，呼倫湖水大時(shí)又順此河流向額爾古納。呼倫湖地處半干旱區(qū)高緯度帶，屬中溫帶大陸性氣候，冬季嚴(yán)寒漫長，春季干旱多風(fēng)，夏季溫涼短促，秋季降溫急劇，多年平均氣溫為-0.24 ℃，每年7月為最高，平均值20.34 ℃。年均降水量為228.6 mm，主要集中在6—9月，年均蒸發(fā)量為1411mm，約為降水量的6倍。受大氣環(huán)流及地形的影響，全年以西北風(fēng)為主。

1.2 樣品的采集及處理

根據(jù)對(duì)呼倫湖周圍環(huán)境的實(shí)際勘察，最終選取具有代表性的13個(gè)取樣點(diǎn)作為呼倫湖常年水質(zhì)觀測(cè)點(diǎn)(圖1)，即A10，B9，D7，D11，E8，F(xiàn)5，F(xiàn)9，G2，G8，H3，H3補(bǔ)，I2，I5。每次取樣點(diǎn)位置采用GPS定位，現(xiàn)場(chǎng)用瑞士梅特勒多參數(shù)儀(SG8，SG9)測(cè)定水溫、pH值、溶解氧(DO)、電導(dǎo)率(EC)、鹽度；透明度(SD)用自制塞氏盤測(cè)定。葉綠素a(Chla)采用丙酮萃取分光光度計(jì)法測(cè)定，總氮(TN)采用堿性過硫酸鉀消解—紫外分光光度法測(cè)定，總磷(TP)采用鉬銻抗分光光度法測(cè)定[11]。選取2012—2014年的1，7，8，9月(其中2012年只有1，7，8月)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖1 呼倫湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)

1.3 富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法

采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對(duì)呼倫湖水體富營養(yǎng)化進(jìn)行評(píng)價(jià)，該方法是以Chla作為基準(zhǔn)參數(shù)計(jì)算的。取水質(zhì)參數(shù)的相關(guān)權(quán)重，通過各水質(zhì)參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算公式，最終加權(quán)平均求得水體的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。計(jì)算公式為：

(1)

式中：TLI(∑)——綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Wj——第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重； TLIj——第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

各種營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算公式為：

TLI(Chla)=10(2.5+1.086lnChla)

(2)

TLI(TP)=10(9.436+1.624lnTP)

(3)

TLI(TN)=10(5.453+1.694lnTN)

(4)

TLI(SD)=10(5.118-1.94lnSD)

(5)

TLI(CODMn)=10(0.109+2.66lnCODMn)

(6)

式中：Chla單位為mg/m3；SD單位為m；其他指標(biāo)單位為mg/L。

Chla作為基準(zhǔn)參數(shù)，則第j種參數(shù)歸一化的相關(guān)權(quán)重計(jì)算公式為：

(7)

式中：rij——第j種參數(shù)與Chla的相關(guān)系數(shù)；m——評(píng)價(jià)參數(shù)的個(gè)數(shù)。本研究選取的水質(zhì)參數(shù)為Chla，TP，TN和SD。

表1 中國湖泊(水庫)部分參數(shù)與Chla的相關(guān)關(guān)系

評(píng)價(jià)結(jié)果采用0～100的一系列連續(xù)數(shù)字對(duì)湖泊營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行分級(jí)，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)詳見表2。

表2 富營養(yǎng)化程度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

注：在同一營養(yǎng)狀態(tài)下，指數(shù)值越高，其營養(yǎng)程度越重。

2 結(jié)果與討論

2.1 營養(yǎng)鹽變化特征分析

2.1.1 水體中營養(yǎng)鹽濃度隨時(shí)間的變化 對(duì)呼倫湖水體中TN，TP濃度隨時(shí)間變化特征進(jìn)行分析，取各月份的濃度均值(圖2)。結(jié)果表明，TN，TP濃度總體表現(xiàn)為7，8月較高，9月次之，1月最低，其原因主要為：湖周圍以放牧為主，牛羊產(chǎn)生的大量的糞便，7，8月降雨較頻繁，這些糞便會(huì)隨地表徑流入湖；同時(shí)呼倫湖屬于淺水湖泊，7，8月湖泊水體的水動(dòng)力條件活躍，水體溫度較高，在水動(dòng)力條件下有利于湖底底泥營養(yǎng)物質(zhì)的釋放，綜上因素導(dǎo)致7，8月TN，TP的含量較高。1月氣候較寒冷，且湖面處于冰封狀態(tài)，內(nèi)源釋放和外源匯入都比較薄弱，水體在自凈能力作用下，營養(yǎng)物質(zhì)濃度降低。

圖2 呼倫湖水體TN，TP濃度隨時(shí)間變化

2.1.2 水體中TN，TP濃度的空間變化 各取樣點(diǎn)的TN，TP濃度在時(shí)間上取平均值，得到TN，TP濃度的空間分布(圖3)。從圖3可以看出，TN的濃度的范圍為1.70 ～2.31 mg/L，均值為1.94 mg/L。TP的濃度的范圍為0.15～0.25 mg/L，均值為0.19 mg/L。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)》呼倫湖水質(zhì)已經(jīng)達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅳ，Ⅴ類水體標(biāo)準(zhǔn)。TN濃度的空間分布規(guī)律為：總體上，湖的西南、東北兩端TN值較高，而湖的中部TN濃度相對(duì)較低，其中A10，D7，F(xiàn)9，G2各采樣點(diǎn)的TN濃度要比其他點(diǎn)高，而這些點(diǎn)位于湖周邊或入湖河口處，即湖周邊及入湖河口處TN濃度要高于湖心區(qū)。TP濃度的空間分布特征基本一致，沒有表現(xiàn)出顯著差異性。只有在E8點(diǎn)的濃度最高，其值為0.25 mg/L，達(dá)到了地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅴ類水體標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 呼倫湖各采樣點(diǎn)TN，TP濃度空間變化

2.2 葉綠素a的時(shí)空分布

2.2.1 呼倫湖水體中Chla的時(shí)間變化 湖水體中Chla隨時(shí)間變化規(guī)律(圖4)為，在年際上，除2014年7月外，葉綠素a的濃度變化比較平穩(wěn)；在年內(nèi)，與TN，TP濃度變化規(guī)律一致，即7，8月Chla濃度較高，9月次之，1月的Chla濃度最低，最高值出現(xiàn)在2014年7月，均值為39.52 mg/m3；最低值出現(xiàn)在2012年1月，均值為1.93 mg/m3。Chla用來表征藻類的生物量，7，8月，湖水的溫度升高，光照充足，藻類可以從水體中汲取大量營養(yǎng)物質(zhì)，利于藻類大量繁殖；而冬季比寒冷，水溫降低，藻類處于休眠期，故Chla在7，8月出現(xiàn)較高值，1月出現(xiàn)最低值。

圖4 呼倫湖Chla濃度隨時(shí)間變化

2.2.2 呼倫湖水體中Chla的空間變化 對(duì)各采樣點(diǎn)Chla濃度取平均值，得到Chla濃度的空間分布(圖5)。從圖5可以看出，Chla濃度的范圍為4.66～16.39 mg/m3，均值為8.37 mg/m3。其空間變化規(guī)律為，湖的南北兩端Chla值較高，而湖的中部Chla濃度相對(duì)較低，與總氮的分布規(guī)律一致，圖6中的直線為均值分界線。分析其原因?yàn)椋汉奈髂虾蜄|北兩端的營養(yǎng)鹽濃度較高，有利于藻類的生長繁殖，故Chla含量較高；而湖的中部由于水體的自凈能力使得營養(yǎng)鹽濃度降低，而營養(yǎng)鹽是藻類生長的必備營養(yǎng)物質(zhì)，藻類生物量降低，故葉綠素的含量相對(duì)減少。

圖5 呼倫湖各采樣點(diǎn)Chla濃度及其均值

2.3 呼倫湖富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)

利用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對(duì)呼倫湖2012—2014年的富營養(yǎng)化狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如圖6所示。呼倫湖冬季(1月)水質(zhì)較好，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為：49.1～52.24，基本處在中營養(yǎng)—輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)。夏季(7，8月)水質(zhì)較差，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為：55.98～66.97，處在輕度—中度富營養(yǎng)化水平。而秋季水質(zhì)有所好轉(zhuǎn)，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為：56.42～56.89，都處在輕度富營養(yǎng)化水平。因此可以看出呼倫湖水質(zhì)年際變化為：冬季優(yōu)于秋季，秋季優(yōu)于夏季。

圖6 2012-2014年呼倫湖綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)變化

2.4 呼倫湖水質(zhì)影響因素分析

內(nèi)蒙古呼倫湖流域以放牧為主，主要補(bǔ)給河流為克魯倫河和烏爾遜河，沿岸分布著大量的牧戶，畜牧業(yè)較為發(fā)達(dá)。在降雨強(qiáng)度較大的夏季，牛羊糞便會(huì)隨著地表徑流進(jìn)入河流及湖泊水體，其中傳統(tǒng)放牧草場(chǎng)總氮、總磷的流失量分別為1.75，0.63 mg/L；草庫倫草場(chǎng)總氮、總磷的流失量分別為1.6，0.68 mg/L；不放牧草場(chǎng)總氮、總磷的流失量分別為0.54，0.25 mg/L[12]?？梢?，由于地表徑流進(jìn)入湖泊的營養(yǎng)鹽含量不容忽視。湖的西南端是克魯倫河入口，河上游有熟皮廠和硝礦，排放的主要污染物有氨氮、農(nóng)藥、氟化物、砷、汞、酚等[8]。湖東北端是小河口漁場(chǎng)，人類活動(dòng)比較頻繁，對(duì)湖水的影響較大。呼倫湖常年以西北風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向，大氣沉降和干草入湖會(huì)導(dǎo)致湖泊營養(yǎng)物質(zhì)增加，已有文獻(xiàn)[13]表明每年入湖塵量可達(dá)6.44×107kg，降水入湖量可達(dá)6.28×108m3/a；冰封期每年干草入湖1.58×106kg，含氮量2.1×105kg，含磷量8 900 kg；非冰封期則有1.77×106kg干草入湖，折算為入湖氮為2.3×104kg，磷9 700 kg。這些因素導(dǎo)致非冰封期呼倫湖營養(yǎng)鹽來源豐富，為呼倫湖富營養(yǎng)化的產(chǎn)生奠定了一定的物質(zhì)基礎(chǔ)。同時(shí)取各入湖河口和小河口旅游景區(qū)附近的采樣點(diǎn)，分析營養(yǎng)鹽的含量，如圖7所示。烏爾遜河入湖口(F9)、克魯倫河入湖口(I2)和小河口(A10)TN的變化范圍為0.58～2.69 mg/L，TP的變化范圍為0.07～0.54 mg/L，其中1和9月TN和TP的含量均較低，這與富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)結(jié)果1和9月水體呈現(xiàn)中營養(yǎng)、輕度富營養(yǎng)化相一致。

依據(jù)國際公認(rèn)湖庫發(fā)生富營養(yǎng)化TN濃度水平(0.20 mg/L)和TP濃度水平(0.02 mg/L)[14]，呼倫湖屬于高營養(yǎng)水體，具備發(fā)生富營養(yǎng)化的營養(yǎng)鹽條件。對(duì)于冰封期(冬季)而言，呼倫湖表面覆蓋一層厚1 m以上的冰，物質(zhì)交換減弱，水體中生物活動(dòng)減慢，水體與沉積物的間的相互作用減小，沉積物釋放作用減弱，水體在自凈作用下，營養(yǎng)鹽濃度降低，湖泊發(fā)生富營養(yǎng)化的可能減小。

圖7 呼倫湖入湖河口營養(yǎng)鹽變化

3 結(jié) 論

(1) 通過對(duì)呼倫湖Chla濃度的時(shí)空分布研究表明，在時(shí)間上表現(xiàn)為：夏季>秋季>冬季；在空間上表現(xiàn)為：西南、東北兩端>中部。

(2) 通過對(duì)呼倫湖TN，TP濃度的時(shí)空分布研究表明，TN的濃度的范圍為1.70～2.31 mg/L，均值為1.94 mg/L。TP的濃度的范圍為0.15～0.25 mg/L，均值為0.19 mg/L，已經(jīng)達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅳ，Ⅴ類水體標(biāo)準(zhǔn)。在空間上，TN的分布為西南、東北兩端>中部。TP濃度的空間分布特征基本一致，沒有表現(xiàn)出顯著差異性。

(3) 利用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對(duì)呼倫湖水體進(jìn)行富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)得出，呼倫湖水體夏季水質(zhì)呈現(xiàn)輕—中度富營養(yǎng)化狀態(tài)，秋季和冬季呈現(xiàn)輕度富營養(yǎng)化水平。

(4) 非冰封期，呼倫湖營養(yǎng)鹽外源輸入豐富，為呼倫湖富營養(yǎng)化的產(chǎn)生奠定了一定的物質(zhì)基礎(chǔ)；冰封期由于冰蓋作用，切斷外源輸入，水質(zhì)相對(duì)較好。

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Impact Factors and Characteristics of Water Quality Variation of Hulun Lake in Inner Mongolia Automous Region

LIANG Lie, LI Changyou, SUN Biao, WANG Jingjie, HAN Zhiming

(WaterConservancyandCivilEngineeringCollege,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot,InnerMongolia010018,China)

[Objective] The Characteristics of water quality variation and its impact factors were analyzed in Hulun Lake to provide theoretical basis for the eutrophication mechanism of Hulun Lake. [Method] Monitoring data from 2012—2014 were used to analyze the spatio-temporal distribution of chlorophyll a (Chla)， TN and TP. Integrated nutritional status index method was use to evaluate the eutrophication of Hulun Lake and the main impact factors were discussed．[Results] Temporal concentrations of Chla， TN， TP ranked as: July, August>September>January， and the spatial concentrations of TN and TP ranges were 1.70～2.31， 0.15～0.25 mg/L， with their averaged values of 1.94 and 0.19 mg/L, respectively. The water quality of Hulun Lake belonged to levels Ⅳ to Ⅴ according to the water standards of surface water， and the lake was phosphorus limited lake．The concentrations of Chla， TN at southeast， northwest corner were greater that at midle part. Except that one sampling point showed a little high concentration of TP, no obvious spatial variation was found for other points. The eutrophication of Hulun Lake was thought moderate in Summer， but light in Autumm and Winter． [Conclusions] The Hulun Lake has been in eutrophication， this is a result of rich exogenous inputs in non-frozen period.

temporal and spatial distribution; integrated nutritional status index method; impact factors; Hulun Lake

2016-07-18

2016-07-30

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“凍融過程中湖泊污染物多介質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及機(jī)制研究”(51339002)； 內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目(NJZC13092)

梁麗娥(1989—),女(漢族),陜西省渭南市人,博士研究生,研究方向?yàn)樗廴究刂?。E-mail:imaulle2008@163.com。

李暢游(1955—),男(漢族),內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市人,教授，博士生導(dǎo)師,主要從事水污染控制研究。E-mail:nndlichangyou@163.com。

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1000-288X(2017)02-0102-05

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