2010-2018年我國(guó)14個(gè)典型湖泊氮、磷變化特征及受人類活動(dòng)的影響

周 楠， 徐學(xué)選， 袁志友,

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；2.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

湖泊作為陸地水圈的重要組成部分，參與自然界的水分循環(huán)，具有調(diào)蓄洪水、供給水源、水產(chǎn)養(yǎng)殖及指示、記錄和調(diào)節(jié)局部氣候等多種生態(tài)功能。在過去200年里，由于人類活動(dòng)，特別是土地利用變化、人口增加、工業(yè)化和城市化進(jìn)程加快等因素，導(dǎo)致了一系列問題，如酸化、富營(yíng)養(yǎng)化、物種入侵、湖水棕化等，它們嚴(yán)重威脅到了湖泊生態(tài)系統(tǒng)的健康。

在湖泊水污染中，總氮、總磷的濃度是十分重要的指標(biāo)。同時(shí)，氮、磷是浮游植物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)鹽，增加湖泊中氮、磷濃度，將導(dǎo)致水中自養(yǎng)型生物(主要是藻類)大量繁殖、湖水透明度下降、耗氧量增加等問題，表現(xiàn)為湖泊富營(yíng)養(yǎng)化程度加劇。我國(guó)湖泊污染是化肥過量使用引起的面源污染和工業(yè)污水處理不夠及時(shí)的點(diǎn)源污染相疊加，如上世紀(jì)末引起了非常嚴(yán)重的滇池富營(yíng)養(yǎng)化。本世紀(jì)以來(lái)，由于國(guó)家對(duì)水體污染治理的高度重視，有關(guān)湖泊污染研究逐漸豐富起來(lái)。

國(guó)內(nèi)對(duì)我國(guó)各湖泊水質(zhì)的時(shí)空變化特征的研究認(rèn)為，氮、磷的濃度變化主要是由于氣候、地理及人類活動(dòng)等因素的影響，目前還缺乏全國(guó)尺度上分析我國(guó)五大湖區(qū)湖泊氮、磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量時(shí)空特征及其影響因素，尤其人類活動(dòng)因素影響的研究。本研究以我國(guó)幾個(gè)典型湖泊為研究對(duì)象，分析各湖泊2010—2018年總氮與總磷的濃度及水質(zhì)變化特征，并甄別人類活動(dòng)影響水質(zhì)的主要因子，以更全面地了解我國(guó)湖泊氮、磷濃度的變化趨勢(shì)及現(xiàn)狀，為合理管控人類活動(dòng)的影響、改善我國(guó)湖泊水質(zhì)、保護(hù)性利用水資源提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

我國(guó)湖泊因?yàn)榈乩怼⒌匦?、自然環(huán)境差異、湖泊資源利用以及湖泊整體環(huán)境等區(qū)域特征，一般內(nèi)陸湖泊分為五大湖區(qū)，分別為東北平原湖區(qū)、東部平原湖區(qū)、蒙新高原湖區(qū)、云貴高原湖區(qū)和青藏高原湖區(qū)。本研究分別選取五大湖區(qū)中文獻(xiàn)資料比較富集的2～3個(gè)湖泊，共14個(gè)典型湖泊，各湖泊地理信息見表1。本研究對(duì)所選湖泊的總氮、總磷等水質(zhì)情況等特征進(jìn)行分析，主要探究人類活動(dòng)對(duì)湖泊氮、磷濃度的影響。

表1 選取湖泊的地理信息

東北平原湖區(qū)的湖泊主要由河流和通常在夏季和秋季的降水補(bǔ)給，該地區(qū)湖泊受到灌溉等農(nóng)業(yè)活動(dòng)的影響。東部平原湖區(qū)毗鄰海洋，氣候溫暖濕潤(rùn)。因此，該地區(qū)的湖泊主要由河流和降水補(bǔ)給。蒙新高原湖區(qū)水資源稀缺，大多數(shù)湖泊都是由地下水、河流和降水補(bǔ)給。過去幾十年中，該湖區(qū)中的湖泊面臨巨大壓力，并經(jīng)歷了農(nóng)業(yè)灌溉和采礦等工業(yè)活動(dòng)造成的重大變化。云貴高原湖區(qū)中的湖泊主要由降水補(bǔ)給，水的循環(huán)周期較長(zhǎng)。青藏高原湖區(qū)是中國(guó)最大的湖區(qū)，也是世界上海拔最高的地區(qū)。該地區(qū)中的大多數(shù)湖泊除受降水影響外，還受冰川和永久凍土融水的影響，同時(shí)受到人類擾動(dòng)較少。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究從已有研究和數(shù)據(jù)庫(kù)(中國(guó)湖泊科學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，http://www.lakesci.csdb.cn/；國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心，http://lake.geodata.cn/)中收集2010—2018年各湖區(qū)內(nèi)典型湖泊(共計(jì)14個(gè)湖泊)的總氮、總磷濃度數(shù)據(jù)。收集總氮、總磷數(shù)據(jù)共計(jì)183組，為最大程度降低季節(jié)變化對(duì)氮、磷濃度的影響，所收集數(shù)據(jù)大體集中在每年4—10月，再取其均值作為當(dāng)年總氮、總磷濃度。使用Origin Pro 2018(OriginLab Corporation, Northampton, MA, USA)中的圖像數(shù)字化工具提取圖形中顯示的數(shù)據(jù)。如果原始文獻(xiàn)缺少經(jīng)度、緯度等信息，使用全球地名錄(Global Gazetteer Version2.2, http://www.fallingrain.com/world/)來(lái)確定。

由于人類活動(dòng)強(qiáng)度很難量化，因此收集了各湖泊所在地級(jí)市2010—2018年的人口密度、地區(qū)生產(chǎn)總值、第一、第二和第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值、工業(yè)和建筑業(yè)生產(chǎn)總值的數(shù)據(jù)。其中第一產(chǎn)業(yè)包括農(nóng)業(yè)、林業(yè)、漁業(yè)、畜牧業(yè)和采集業(yè)等；第二產(chǎn)業(yè)包括工業(yè)及建筑業(yè)等；第三產(chǎn)業(yè)即服務(wù)業(yè)。通過這些已公開的數(shù)據(jù)來(lái)代表人口密度、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)化及城市化等人類各領(lǐng)域活動(dòng)的影響程度。這些數(shù)據(jù)來(lái)源于各省及自治區(qū)的統(tǒng)計(jì)年鑒。如湖泊涉及2個(gè)及以上地級(jí)市，按文獻(xiàn)中布設(shè)樣點(diǎn)較多的區(qū)域選擇地級(jí)市。

1.3 研究方法

本研究中的數(shù)據(jù)使用R 4.1.1(The R Project for Statistical Computing, https://www.r-project.org/)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。首先，取各湖泊相同年份的總氮、總磷數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，分析2010—2018年間總氮及總磷的濃度變化特征；其次，對(duì)比《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中總氮、總磷的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，分析各湖泊水質(zhì)情況；最后，將總磷、總氮濃度進(jìn)行對(duì)數(shù)變換，使用SMATR包在R中進(jìn)行MODEL回歸分析，使用雙尾檢驗(yàn)來(lái)確定總氮、總磷變量與人類活動(dòng)變量(人口密度、區(qū)生產(chǎn)總值、第一、第二和第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值、工業(yè)和建筑業(yè)生產(chǎn)總值)之間的相關(guān)性是否顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 湖泊氮、磷年際變化特征及水質(zhì)評(píng)價(jià)

分析2010—2018年共9年間，5個(gè)湖區(qū)共14個(gè)湖泊的總氮、總磷數(shù)據(jù)比較。同時(shí)，本文按照我國(guó)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)湖泊總氮、總磷濃度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)湖泊水質(zhì)類型進(jìn)行評(píng)價(jià)(表2)。

表2 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 單位：mg/L

東北平原湖區(qū)，查干湖總氮、總磷濃度的變化范圍為1.07～1.75，0.03～0.12 mg/L，總氮、總磷峰值分別出現(xiàn)在2016年和2018年(圖1)。鏡泊湖總氮、總磷濃度為0.72～1.00，0.03～0.08 mg/L，在2010—2015年間均為波動(dòng)下降的趨勢(shì)，但幅度較小。興凱湖總氮、總磷濃度在這9年內(nèi)呈波動(dòng)性變化，且沒有顯著下降。該湖區(qū)湖泊水體的總氮、總磷濃度總體上符合Ⅳ類水水質(zhì)要求(表3)，其中鏡泊湖水質(zhì)情況較好，符合Ⅲ類水水質(zhì)要求。

圖1 東北平原湖區(qū)總氮、總磷濃度年際變化

東部平原湖區(qū)(圖2)中太湖總磷濃度呈波動(dòng)性變化，而總氮濃度總體呈波動(dòng)下降的趨勢(shì)，均在2016年達(dá)到峰值，濃度分別為2.18，0.09 mg/L。巢湖總氮、總磷濃度變化趨勢(shì)相近，均在2013年達(dá)到峰值，濃度分別為3.840，0.187 mg/L，之后呈波動(dòng)性變化。鄱陽(yáng)湖總氮呈波動(dòng)性變化，且幅度較大，總磷呈波動(dòng)性降低的趨勢(shì)。該湖區(qū)水體在總氮、總磷濃度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下分別為Ⅴ、Ⅳ類水水質(zhì)(表3)，鄱陽(yáng)湖水體總氮不能穩(wěn)定滿足Ⅴ類水水質(zhì)要求。

表3 各湖區(qū)水質(zhì)情況

圖2 東部平原湖區(qū)總氮、總磷濃度年際變化

蒙新高原湖區(qū)中選取博斯騰湖、岱海及烏梁素海(圖3)。博斯騰湖的總氮、總磷濃度變化曲線相似，均為先上升，2012年以后明顯下降，總氮、總磷濃度分別為0.69～1.25，0.01～0.06 mg/L。岱海總氮濃度呈波動(dòng)性上升，總磷波動(dòng)幅度較大，呈先上升后下降的趨勢(shì)，于2014年達(dá)到最高值，為0.23 mg/L。烏梁素海總氮濃度在2011年之后呈波動(dòng)性變化，并無(wú)明顯下降；總磷濃度的變化為先波動(dòng)上升，后下降的趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)在2013年，為0.22 mg/L。該湖區(qū)水體在總氮、總磷濃度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下均符合Ⅳ水水質(zhì)(表3)，但總體上水質(zhì)情況逐年變好。

圖3 蒙新高原湖區(qū)總氮、總磷濃度年際變化

云貴高原湖區(qū)中撫仙湖的總氮、總磷濃度均較穩(wěn)定，為0.16～0.20，0.006～0.01 mg/L。星云湖總氮濃度年際變化也較為穩(wěn)定，但總磷濃度總體呈波動(dòng)下降，且波動(dòng)幅度較大。滇池的總氮、總磷濃度均呈現(xiàn)出波動(dòng)下降的趨勢(shì)，為1.74～4.40，0.08～0.24 mg/L(圖4)。云貴高原湖區(qū)湖泊水體在總氮、總磷濃度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下均為Ⅴ類水水質(zhì)(表3)，但撫仙湖水質(zhì)情況良好，符合Ⅰ類水水質(zhì)要求。

圖4 云貴高原湖區(qū)總氮、總磷濃度年際變化

青藏高原湖區(qū)中，青海湖總氮濃度總體呈上升趨勢(shì)，為0.68～1.19 mg/L，而總磷濃度呈先上升后下降的趨勢(shì)，于2013年達(dá)到最高值，為0.09 mg/L。納木錯(cuò)總氮濃度較為穩(wěn)定，為0.29～0.38 mg/L，但缺少總磷濃度的數(shù)據(jù)(圖5)。由于該湖區(qū)獨(dú)特的地理特征，受人類活動(dòng)擾動(dòng)少，湖泊水質(zhì)情況良好，總氮、總磷濃度分別符合Ⅲ、Ⅳ類水水質(zhì)要求(表3)。

圖5 青藏高原湖區(qū)總氮、總磷濃度年際變化

2010—2018年，我國(guó)典型湖泊總氮、總磷濃度均值為1.55，0.11 mg/L，在水環(huán)境治理標(biāo)準(zhǔn)下，總體為Ⅴ類水水質(zhì)(表3)。其中東部平原湖區(qū)及云貴高原湖區(qū)是五大湖區(qū)中總氮濃度最高的2個(gè)湖區(qū)，云貴高原湖區(qū)總磷濃度最高，同時(shí)該湖區(qū)總氮、總磷濃度離散程度較大。青藏高原湖區(qū)湖泊總氮及總磷濃度最低，水質(zhì)情況最好。

2.2 人類活動(dòng)對(duì)湖泊氮、磷的影響

本研究根據(jù)各省市的統(tǒng)計(jì)年鑒，將人口密度、地區(qū)生產(chǎn)總值、第一、第二、第三產(chǎn)業(yè)、工業(yè)及建筑業(yè)生產(chǎn)總值歸為人類各個(gè)領(lǐng)域活動(dòng)的影響，分析各項(xiàng)與湖泊氮、磷的相關(guān)性特征。由表4可知，在全國(guó)尺度范圍內(nèi)，人口密度、地區(qū)生產(chǎn)總值、第二、第三產(chǎn)業(yè)、工業(yè)及建筑業(yè)的生產(chǎn)總值與湖泊總氮濃度呈正相關(guān)關(guān)系，其中人口密度和建筑業(yè)生產(chǎn)總值與總氮濃度呈極顯著相關(guān)(<0.001)。而全磷濃度與人類各領(lǐng)域活動(dòng)的影響相關(guān)性不大。雖然上述人類活動(dòng)因子對(duì)湖泊總氮有影響，但相關(guān)性較低。總磷的顯著性在蒙新高原區(qū)比較突出，其他區(qū)域無(wú)相關(guān)性。

在東北平原湖區(qū)，人口密度、地區(qū)生產(chǎn)總值、工業(yè)及建筑業(yè)生產(chǎn)總值和人均產(chǎn)值均與該地區(qū)湖泊總氮濃度呈正相關(guān)關(guān)系，其中人口密度與總氮之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.01)。而總磷僅與人口密度呈顯著正相關(guān)關(guān)系，即人口密度越大，總磷濃度越高。東部平原湖區(qū)的湖泊總氮濃度與人口密度、工業(yè)及建筑業(yè)生產(chǎn)總值均呈正相關(guān)關(guān)系，這個(gè)現(xiàn)象與東北平原湖區(qū)相似。而該地區(qū)總磷濃度僅與第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值呈顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.01)。蒙新高原湖區(qū)中湖泊總氮濃度僅與人口密度呈正相關(guān)，而與工業(yè)產(chǎn)值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系?？偭诐舛扰c人口密度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，而與第一、第二及工業(yè)產(chǎn)值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(<0.05)。在云貴高原湖區(qū)，湖泊總氮濃度與人口密度、地區(qū)生產(chǎn)總值、第二、第三、工業(yè)及建筑業(yè)均呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)關(guān)系(<0.001)，而總磷濃度僅與第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值呈顯著負(fù)相關(guān)特征(<0.01)。由于缺少相關(guān)數(shù)據(jù)，青藏高原湖區(qū)總氮、總磷濃度與人類活動(dòng)在各領(lǐng)域的影響之間的相關(guān)關(guān)系并不明顯，同時(shí)可能不能有效體現(xiàn)該地區(qū)實(shí)際情況，有待進(jìn)一步研究。

3 討 論

東北平原湖區(qū)中查干湖及興凱湖水質(zhì)污染較為嚴(yán)重，且該地區(qū)影響總氮、總磷濃度主要是人口密度，人口密度過高會(huì)造成的生活污水的排放、森林砍伐后大量的水土流失等因素，可能是造成這2個(gè)湖泊水質(zhì)污染程度較高的主要原因。

東部平原湖區(qū)中巢湖在2013年總氮、總磷濃度的激增(圖2)，主要是由于該湖泊補(bǔ)給水源的污染，上游河流污染極為嚴(yán)重所導(dǎo)致。而巢湖及鄱陽(yáng)湖水質(zhì)污染程度比太湖高，這與太湖這些年加大了流域治理的力度，入湖水質(zhì)得到明顯改善有著密切關(guān)系。該湖區(qū)人口密度增加、工業(yè)及建筑業(yè)的發(fā)展所帶來(lái)的生活及工業(yè)污水的排放、上游下墊面的改變是導(dǎo)致總氮濃度增加的主要原因。而該農(nóng)、林、牧、漁業(yè)的發(fā)展會(huì)導(dǎo)致湖泊總磷濃度的增加(表4)，這可能是由于磷肥的施用及大規(guī)模機(jī)械化產(chǎn)業(yè)化捕撈所帶來(lái)的農(nóng)業(yè)及漁業(yè)的發(fā)展。

表4 人類各領(lǐng)域活動(dòng)的影響與總氮、總磷濃度之間的相關(guān)關(guān)系

蒙新高原湖區(qū)，由于博斯騰湖及烏梁素海等地區(qū)推進(jìn)污水處理廠的建設(shè)，減少了工業(yè)污水的排放，導(dǎo)致總氮、總磷濃度呈逐年降低的趨勢(shì)(圖3)。岱海水體中總氮、總磷濃度的波動(dòng)上升則可能由于該湖泊本身沒有出流，入湖污染長(zhǎng)期累積，加上湖內(nèi)水生植物腐爛于湖底，導(dǎo)致該湖泊內(nèi)源污染較為嚴(yán)重。該地區(qū)水體污染與人口密度有密切正相關(guān)關(guān)系，生活污水引起的污染較為嚴(yán)重，特別是總磷的污染程度偏高。相對(duì)來(lái)說(shuō)，第一、二、三產(chǎn)業(yè)及工業(yè)污染與氮、磷濃度呈負(fù)相關(guān)，應(yīng)是所選湖泊受到地方政府對(duì)工業(yè)廢水的嚴(yán)格控制的結(jié)果。

云貴高原湖區(qū)中撫仙湖作為我國(guó)淡水湖中水質(zhì)最好、蓄水量最大的貧營(yíng)養(yǎng)分層的湖泊，再加上長(zhǎng)期對(duì)其進(jìn)行的治理與保護(hù)，成為該湖泊水體中總氮、總磷濃度最低，水體水質(zhì)良好，且較穩(wěn)定的原因。星云湖及滇池由于出水口受人工控制，換水周期長(zhǎng)以及生活及工業(yè)污水排放的影響，造成水體污染嚴(yán)重，自凈能力差，導(dǎo)致這2個(gè)湖泊氮、磷濃度遠(yuǎn)超撫仙湖。該湖區(qū)湖泊總氮濃度與人類活動(dòng)在各領(lǐng)域的影響呈正相關(guān)關(guān)系(表4)，表明該地區(qū)人口密度增加、城市化、工業(yè)化的加劇是導(dǎo)致水體惡化的主要原因。

青藏高原湖區(qū)湖泊總氮、總磷濃度最低，水體水質(zhì)最好(表3)。這可能是由于青藏高原獨(dú)特的地理和氣候特征，人類擾動(dòng)最少，城市化、工業(yè)化水平較低，同時(shí)該地區(qū)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化程度最低的原因。

4 結(jié) 論

對(duì)于湖泊水質(zhì)評(píng)價(jià)而言，青藏高原湖區(qū)水質(zhì)最好，遠(yuǎn)好于其他4個(gè)區(qū)域。最差的為東部湖區(qū)，而云貴高原湖區(qū)湖泊水質(zhì)差異較大。除青藏高原湖區(qū)數(shù)據(jù)較少外，其他4個(gè)湖區(qū)內(nèi)大部分湖泊的總氮、總磷濃度總體呈現(xiàn)波動(dòng)降低的趨勢(shì)，這種降低主要是由于地方政府對(duì)湖泊等水資源的治理與保護(hù)。相反，人口密度的增加、工業(yè)及建筑業(yè)的發(fā)展，這些因素導(dǎo)致的生活、工業(yè)污水的排放及湖泊上游下墊面的改變是導(dǎo)致總氮、總磷濃度增加及水質(zhì)惡化的主要原因。同時(shí)湖泊中總氮濃度最能反映人類活動(dòng)的干擾強(qiáng)度。