呼伦湖水体营养状态特征及其主要影响因子研究

2019-12-25杨朝霞李畅游史小红孙标杜丹丹全栋

生态环境学报 2019年11期

杨朝霞，李畅游，史小红，孙标，杜丹丹，全栋

内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，内蒙古呼和浩特 010018

近年来，随着经济的发展、城镇化进程的加剧及湖泊水资源不合理开发利用导致湖泊水体生态环境恶化，水体富营养化程度日趋严重，湖泊水体富营养化使得水体中藻类以及其它水生生物异常繁殖，破坏了湖泊水生生态系统平衡，造成水生生物资源浪费，进而影响湖泊水体功能（王苏民等，1998）。湖泊水体的富营养化一直是全球最为突出的水环境问题之一，国内外很多专家学者致力于湖泊富营养化研究（姜忠峰等，2011；田伟东等，2016；Coutinho et al.，2019；吴锋等，2012；张志勇等，2017；张志红等，2015），主要基于富营养化形成机理（孔繁翔等，2005），采用支持向量机（张成成等，2013）、依靠介质和参数的分析（Lermontov et al.，2009；Purandara et al.，2012）与从经济发展因素对湖泊水质影响角度出发（张民等，2015）进行湖泊富营养化的评价研究。呼伦湖是我国北方高纬度寒旱区大型草原型湖泊，对我国北方经济的发展及生态环境的改善起着重要的作用，由于水文气候条件的变化及人类活动的双重影响，呼伦湖近年来出现一定程度的水质恶化与富营养化问题，直接威胁着湖泊生态健康发展。赵慧颖等（2007）对呼伦湖1959—2006 年的盐度分析评价指出呼伦湖水体已处于富营养化状态；梁丽娥等（2016）分析呼伦湖2006—2015 年富营养化趋势指出呼伦湖水体富营养化程度呈现中度—重度—中度—轻度的变化趋势。

本文以呼伦湖为研究区，采用综合营养状态指数法对2015—2017 年冰封期及非冰封期呼伦湖水体营养状态进行评价，并以各监测点综合营养指数均值作为标准，将综合营养指数进行离散化建立呼伦湖富营养化影响因子的非线性概率Probit 模型，分析湖泊水体富营养化主要水环境影响因子，并结合研究区水环境特征、社会状况及人类活动等影响因素进行水体富营养化成因讨论，本研究旨在明确呼伦湖冰封期及非冰封期水体的营养状态，并对富营养化成因及其主要水环境影响因子进行分析，以便对湖泊水体富营养化治理提供一定的理论参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

呼伦湖（116°58′—117°48′E，48°33′—49°20′N）地处内蒙古自治区满洲里市、新巴尔虎左旗及新巴尔虎右旗之间（如图1），是寒旱区极为罕见的具有生物多样性和生态多功能的草原型湖泊湿地生态系统。湖区呈以东北至西南方向为轴的不规则斜长方形，长度为93 km，最大宽度41 km，最大水深达18 m，蓄水量达120×108m3。气候类型属中温带大陆性气候，流域多年平均气温0.16 ℃，多年平均降水量264.3 mm，多年平均蒸发量1 411 mm；湖泊受西北冷空气与蒙古高压控制，冬季寒冷而漫长，冰封期长达6 个月；湖泊水量补给除降水外，主要来自克鲁伦河与乌尔逊河的外源补给（李畅游等，2016）。

图1 研究区及采样点分布 Fig. 1 Location of Hulun Lake and sample points

1.2 数据来源及检测方法

根据对呼伦湖多年连续监测，选取最具代表性的13 个监测点，于2015 年、2016 年与2017 年1月冰封期及7 月非冰封期对湖泊水体进行采样检测分析，测定指标包括水深（H）、水温（T）、pH值、电导率（EC）、溶解氧（DO）、氧化还原电位（OPR）、溶解性固体总量（TDS）、盐度（S）、总氮（TN）、总磷（TP）、化学需氧量（COD）、叶绿素（Chl.a）及透明度（SD）。其中总磷（TP）采用钼锑抗分光光度法测定，总氮（TN）采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定，化学需氧量（COD）采用硫酸亚铁铵滴定法测定，叶绿素（Chl.a）采用丙酮萃取分光光度计法测定，透明度（SD）采用塞氏盘测定，其余常规水质指标由瑞士梅特勒多参数仪测定（国家环境保护总局，2002）。每一种指标重复测定3 次，取平均值作为测定值。

1.3 研究方法

1.3.1 水体富营养化评价

呼伦湖水体富营养化程度采用综合营养状态指数法进行评价（张垒等，2015），综合营养状态指数法以叶绿素作为基准参数，选取水质参数的相关权重，通过计算各水质参数的营养状态指数并最终加权平均求得水体的综合营养状态指数。根据综合营养状态指数计算值，对营养状态评价采用0—100 的一系列连续数字进行分级，其中TLI(Σ)＜30为贫营养，30≤TLI(Σ)≤50 为中营养，50＜TLI(Σ)≤60为轻度富营养，60＜TLI(Σ)≤70 为中度富营养，TLI(Σ)＞70 为重度富营养，同一营养状态下，其综合营养指数值越大，富营养程度越重。其中综合营养指数计算公式如式（1）所示：

式中，TLI(Σ)为综合营养状态指数；Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重；TLIj为第j 种参数的营养状态指数，m 为评价参数的个数。其中，各营养状态指数计算如公式（2）—（6）所示：

式中，Chl.a 单位为mg·m-3，SD 单位为m，其他指标单位均为mg·L-1。Chl.a 作为基准参数，则第j 种参数归一化的相关权重计算公式如式（7）所示：

式中，rij为第j 种参数与Chl.a 的相关系数，本文选取的水质参数为Chl.a、TP、TN、COD 和SD，相关系数如表1 所示。

1.3.2 富营养化影响因子模型

呼伦湖富营养状态的水环境影响因子采用非线性概率Probit 模型进行研究，将湖泊富营养化程度作为因变量并进行离散化，其余各水环境影响因子作为自变量建立模型，通过对模型进行边际效应分析，计算各水环境影响因子变化时相应因变量的响应概率，进而分析各影响因子对湖泊营养状态的影响程度（金光，2013；许罗丹等，2014）。Probit模型是二元离散选择模型，其因变量只有两个虚拟数值0 和1，代表因变量的两种状态，模型估计采用最大似然法估计，其模型分布为式（8）：

表1 中国湖泊（水库）部分参数与Chl.a 的相关关系 Table 1 Table 1 The correlation between Chl.a and the some parameters of lake (reservoir) water in China

式中，Pi为因变量取值为1 时的概率， Xi*为自变量，β 为自变量的回归系数。

2 结果与分析

2.1 呼伦湖冰封期与非冰封期营养状态特征

图2 2015—2017 年呼伦湖冰封期营养状态分级图 Fig. 2 Eutrophication distribution during icebound period in 2015-2017

图3 2015—2017 年呼伦湖非冰封期营养状态分级图 Fig. 3 Eutrophication distribution during non-icebound period in 2015-2017

对2015 年、2016 年与2017 年1 月冰封期及7月非冰封期湖泊水体进行富营养化状态评价，湖泊水体营养状态分级如图2 和图3 所示。由图2 可知，呼伦湖冰封期水体富营养化程度自2015—2017 年总体呈现明显下降趋势，其中2015 年1 月全湖82.8%区域呈现轻度富营养状态，仅17.2%区域呈现中度富营养状态且主要集中于湖区西南部；2016 年1 月全湖84.2%区域呈现轻度富营养状态，仅15.8%区域呈现中度富营养状态且主要集中于湖区西南部；2017 年1 月全湖89.4%区域呈现轻度富营养状态，仅10.6%区域呈现中度富营养状态且主要集中于湖区东北部。由图3 可知，呼伦湖非冰封期水体富营养化程度自2015—2017 年总体呈现先加重后下降趋势。其中2015 年呼伦湖全湖呈现轻度富营养状态；2016 年全湖98.7%区域呈轻度富营养状态，且在湖区东北部1.3%区域富营养化程度加重呈现中度富营养状态；2017 年全湖98.8%区域呈现轻度富营养状态，且在E8 点附近1.2%区域内水体无富营养化，呈现中营养状态。对比呼伦湖冰封期与非冰封期富营养状态可知，湖泊水体富营养化程度冰封期较非冰封期整体严重，主要原因为湖泊封冻后，冰冻浓缩作用使营养盐向下排至水体造成水体中氮、磷等营养盐浓度偏高，造成水体富营养化程度加重；此外，非冰封期呼伦湖由于克鲁伦河、乌尔逊河和地下水对湖泊的充沛补给，湖泊蓄水量增加使营养物质浓度降低，水体富营养化程度因此明显下降。

呼伦湖水体富营养化主要集中在湖区西南部（G2，I2，H3）以及湖区东北部，主要由于湖区西南部有一条主要入湖河流克鲁伦河，如图4 所示克鲁伦河多受畜牧业所产生的氮、磷等有机物污染，且流经人类聚居区，同时沿岸又有熟皮厂和硝矿，向水体排放的氨氮、农药、氟化物、砷、汞、酚等污染物成为呼伦湖水体富营养化的主要外源输入；湖区东北部紧靠扎赉诺尔区，同时湖区东北端有小河口渔场，也是呼伦湖重要的旅游景点，人类活动频繁对湖泊水质造成一定影响，成为湖泊水体富营养化的重要影响因素（付尧，2016；丁燕青等，2011；薛洋，2015）。

图4 克鲁伦河2016 年6 月总氮总磷浓度图 Fig. 4 Kluron River June 2016 total nitrogen total phosphorus concentration map

2.2 呼伦湖富营养化影响因子模型

呼伦湖水体富营养化是多重水环境因子共同作用的结果，其中氮、磷等有机物和营养盐是湖泊水体富营养化的直接影响因子，而湖泊水体理化性质、水环境因子与湖泊环境特征也是造成水体富营养化的重要影响因子。现采用综合营养指数对2015—2017 年呼伦湖水体进行富营养化评价并将其作为因变量，并以水深、水温、pH 值、电导率、溶解氧、氧化还原电位、溶解性固体总量、盐度、总氮、总磷、化学需氧量等11 各水环境指标为自变量，研究呼伦湖水体富营养化与水环境因子之间的响应关系。现计算2015—2017 年呼伦湖各监测点综合营养指数均值为57.24，并将此值作为标准，将2015—2017 年各监测点富营养化程度离散化，其中监测点综合营养指数大于均值表示水体富营养化程度较重，取值为“1”，监测点综合营养指数小于均值表示水体富营养化程度较轻，取值为“0”。其余各水环境因子均为连续变量，取2015—2017 年各监测点实测值，通过Probit模型建立呼伦湖营养状态影响因子模型，结果如式（9）所示：

Xi*β =-1.838+0.031 4T+0.019 9TDS+0.825S- 0.916pH+0.024OPR+0.495H+0.198DO-0.012 4EC+ 0.052 8COD+0.369TN+5.485TP

式中，Pi表示湖泊水体呈现富营养化程度较重状态时的概率。

对营养状态影响因子模型进行检验，拟合优度为0.458，拟合结果较好，LR-statistic 检验值为32.84，表明模型总体显著，建模结果比较理想。对模型进行边际效应分析，求解自变量变化时相应因变量变化的响应概率，结果如图5 所示。由图4 可知，营养状态影响因子模型中各影响因子的响应概率大小排序为 TP＞pH＞S＞H＞TN＞DO＞COD＞T＞ ORP＞TDS＞EC。其中总磷（TP）响应概率为65.07%，对湖泊水体富营养化程度影响最大，说明磷是呼伦湖水体富营养化的直接限制因子；pH 值与盐度的响应概率分别为10.87%和9.79%，对湖泊水体富营养化程度影响次之；水深、总氮和溶解氧响应概率分别为5.87%、4.38%和2.35%，对湖泊水体富营养化程度也有一定影响，而其余水环境因子则对湖泊水体富营养化程度影响相对较小。

图5 Probit 模型影响因子响应概率 Fig. 5 Influence factor response probability of Probit model

3 讨论

通过对呼伦湖2015—2017 年冰封期与非冰封期水体富营养状态评价，并通过呼伦湖营养状态影响因子Probit 模型分析湖泊水体富营养化的主要水环境影响因子，并结合呼伦湖的湖泊环境特征及实际状况可知引起湖泊水体富营养化的主要影响因素为以下几个方面。

3.1 冰封期与非冰封期对水体富营养化的影响

通过对呼伦湖2015—2017 年冰封期及非冰封期水体营养状态对比可知，从冰封期到非冰封期水体各富营盐增大，因为随着冰封期湖面冰体形成，营养盐从冰体不断向水体中迁移，造成水质恶化，富营养化程度不断加重（高宁，2018）。此外，非冰封期呼伦湖由于有降雨及克鲁伦河、乌尔逊河和地下水对湖泊的充沛补给，湖泊蓄水量增加使营养物质浓度降低，水体富营养化程度因此明显下降。

3.2 水环境因子对富营养化影响

通过对呼伦湖水体营养状态影响因子建模分析可知，总磷（TP）、pH 值、盐度（S）、水深（H）、总氮（TN）和溶解氧（DO）等6 个水质指标对呼伦湖水体营养状态影响程度最大，对各水环境因子与综合营养指数建立相关关系如图5 所示，由图6可知总磷（TP）、pH 值、盐度（S）、水深（H）、总氮（TN）和溶解氧（DO）与综合营养指数间的相关系数分别为0.746 5、0.773 9、0.841 1、0.775 6、0.707 5 和0.682 1，各水质指标与综合营养指数之间存在较强的线性相关关系。根据各水质指标与综合营养指数间变化趋势关系可知，综合营养指数随总磷、pH 值、盐度与总氮的值增加而呈现增大趋势，即总磷、pH 值、盐度与总氮含量的增加，水体富营养化程度加重，主要由于总磷和总氮是水体富营养化的直接影响因子，且磷对呼伦湖水体富营养化起着限制性作用，pH 值与盐度是水体理化性质的直接反映，其中pH 值决定水体酸碱程度，盐度反映湖泊水体离子状况，水体理化指标对水生动植物、微生物生长、繁殖均产生重要影响，也对水体水质状况及营养程度有着重要影响（丁燕青，2011）。而综合营养指数随水深和溶解氧的值增加而呈现减小趋势，即水深增大和溶解氧含量增加，湖泊水体富营养化程度减轻，主要由于溶解氧反映水体富氧程度，溶解氧含量的增加，促进了水生植物的光合作用、降低厌氧型水生微生物繁殖，有利于水体水质的改善；水深则反映湖泊水位变动与蓄水量变化情况，水动力条件的变化和蓄水量的变化对湖泊污染物的释放、迁移、稀释与转化产生着重要影响，进而影响湖泊水体的营养程度（陈义中，2018）。

3.3 人类活动对富营养化影响

图6 水环境因子与综合营养指数关系 Fig. 6 Relationship between water environment factors and comprehensive nutrition index

呼伦湖流域内生活着大约400 户左右的牧民，生活中大量使用的洗涤剂等大多含有磷酸盐，由此而产生的生活污水未经水质处理，直接排入呼伦湖引起湖泊水体含磷量的增加，造成水体富营养化。另外，呼伦湖湖区东北部的扎赉诺尔区也是呼伦湖的主要污染源，捕鱼业是扎赉诺尔区经济发展的第一产业，渔业所占比重高达70%以上，当地居民受经济利益的驱使，通常采用高投入、高产出的方式来实现高收入，忽视对养殖水域的水环境生态平衡的保护，以致养殖水域环境快速受到污染并进步恶化，导致呼伦湖水体出现营养物质的过量富集而使水体呈现富营养化现象（薛洋，2015）。其次为农业和采矿业也是扎赉诺尔区经济发展的重要产业，扎赉诺尔区有耕地面积117 hm2，研究发现磷在农业污染中的贡献率为75%，农田中的磷通过降水和排水造成的地表径流和土壤侵蚀从土体进入水体（王森等，2013）；扎煤公司煤炭年产量为1567 万吨，煤炭在开采过程中向环境排放大量废弃物通过干、湿沉降与地表径流作用，将可溶性氮、磷污染物带入地表水体；或通过降水淋洗渗入地下水，地下水与湖水间通过补给过程，引起湖泊水体氮、磷含量升高，导致水体富营养化（李云鹏等，2017）。

3.4 不同类型放牧草场过度放牧对富营养化影响

呼伦湖地处呼伦贝尔大草原，流域内畜牧业发达，牧民的过度放牧引起草场面积的减少、草原的退化与生态平衡的破坏。通过对比不同放牧类型草场中的磷元素流失情形发现，当降雨强度为75 mm·h-1时，传统放牧草场的径流总磷流失负荷为5.69 mg·m-1草库伦草场的径流总磷流失负荷为2.73 mg·m-1，不放牧草场的径流总磷流失负荷为0.45 mg·m-1，其中传统放牧草场和不放牧草场径流中磷元素以颗粒态流失为主，而草库伦草场以溶解态磷流失为主，并且降雨强度越大，其溶解态磷元素流失所占的比例越大，说明放牧的草场磷元素水土流失较大，进而造成地表水体富营养化加重（赵伟等，2011）。