呼伦湖水体磷的时空演变及其影响因素

2021-04-25郭云艳王书航郑朔方

环境科学研究 2021年4期

张博, 郭云艳, 王书航, 郑朔方, 姜霞

中国环境科学研究院，湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室，国家环境保护湖泊污染控制重点实验室, 北京 100012

磷作为环境中重要的营养元素之一，是生态系统中生物地球化学循环的重要组成部分，直接影响水生态系统的初级生产力[1]. 湖泊水体中磷的浓度主要受到大气干湿沉降、湖泊周边地表径流等输入的影响，同时磷也可以在水-沉积物界面发生迁移转化[2-4]. 目前，国内外学者在湖泊水体及沉积物中磷的分布[5-6]、形态组成[7-8]和影响因素[9]等方面开展了大量工作，为湖泊富营养化中磷的控制提供了丰富的数据和理论支撑.这些研究主要集中在太湖[10]、巢湖[11]、滇池[12]、白洋淀[13]等人类干扰较为严重的湖泊，而关于北方旱区的湖泊特别是对于寒旱区湖泊水体磷的来源解析鲜见报道.

呼伦湖是我国内陆高纬度半干旱地区的第一大湖泊，由于受气候变化和人类活动共同影响，出现了面积萎缩、水量减少、水体富营养化等问题[14]. 呼伦湖水体中的磷常年处于GB 3838—2007《地表水环境质量标准》Ⅴ类～劣Ⅴ类水平，是呼伦湖水质的关键限制性营养因子[15]. 为识别呼伦湖水体中磷的来源及演变趋势，为呼伦湖及其流域的生态保护制定合理的目标，该研究针对呼伦湖非冰封期(5月、7月和10月)和冰封期(3月)水体，开展磷的时空分布、形态变化、历史演变及其影响因素的研究，以期为呼伦湖水体磷的污染防治提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

呼伦湖(48°33′N～49°20′N、116°58E′～117°48′E)位于呼伦贝尔市新巴尔虎左旗和新巴尔虎右旗交界处，湖面面积约为 2 038 km2，平均水深1.70～6.68 m. 呼伦湖是我国纬度最高的湖泊，也是典型的草原影响湖泊. 每年4月和10月为融冰期和结冰期，5—9月为非冰封期，11月—翌年3月为冰封期，多年年均降水量247～319 mm. 呼伦湖的补水来源主要有3条河流，其中，中南部和东部入湖的克鲁伦河和乌尔逊河均由蒙古国汇水而来，北部入湖的呼伦沟河由大兴安岭发源，经海拉尔河汇流注入湖区[16].

图1 呼伦湖采样点分布Fig.1 Distribution of the sampling sites in Lake Hulun

1.2 样品采集

采用6 km×6 km网格布点法布设采样点，并分别于2018年10月(秋季)采集45个点位和2019年3月(冬季)采集54个点位、5月(春季)采集59个点位、7月(夏季)采集59个点位. 3条入湖河流各设置一个监测点位，2015—2019年非冰封期每月采样，采样点分布如图1所示. 其中，3月样品采用美国得伟电钻(DCD998)先在冰面钻孔后，采集冰下0.3 m水样，其他月份各采样点采集表层(0.5 m)水样. 所有采得样品保存在预先处理过的广口瓶中，置于保温箱送回实验室，48 h内进行相关指标的测定.

1.3 监测指标和数据来源

水温、pH和溶解氧(DO)采用多参数分析仪(美国，YSI)测定.ρ(TSS)为总悬浮物参照GB 11901—1989《水质悬浮物的测定重量法》测定.ρ(TP)使用采集的原水样进行测定，对于溶解性总磷(DTP)，需将原水经0.45 μm的混合纤维滤膜过滤后测定.ρ(TP) 和ρ(DTP)采用过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法测定，ρ(PP)(PP为颗粒态磷)利用ρ(TP)和ρ(DTP)差减法获得. 上述具体分析测试方法参照《水和废水监测分析方法(第四版)》[17]. 呼伦湖湖面面积数据采用多年LandsatTM遥感影像数据经Flaash大气校正、几何精校正后利用归一化植被指数自动提取，呼伦湖面积遥感影像来源于美国地质调查局官方网站(http://glovis.usgs.gov). 湖体2005—2014年ρ(TP)平均值参考文献[18].

1.4 数据处理与分析方法

每个样品测定时均重复3次，数据处理及绘图主要利用OriginPro 9.0、surfer 10.0、SPSS 19.0、Excel 2016等软件完成，采样点空间分布图利用ArcMap 10.2软件绘制，参数比较分析采用比较均值单因素法.

2 结果与讨论

2.1 呼伦湖水体基本指标特征

由表1可见，2018—2019年，呼伦湖水温在0～26.40 ℃之间，平均值为10.47 ℃；ρ(DO)较高，平均值为9.44 mg/L；pH平均值为8.83，湖水偏碱性；ρ(TSS)在4.6～142.8 mg/L之间，平均值为27.99 mg/L，其中春季、夏季和秋季水体ρ(TSS)较高，约为冬季平均值的4～5倍.

表1 呼伦湖水体理化参数Table 1 Physicochemical properties of the water in Lake Hulun

图2 呼伦湖水体ρ(TP)空间变化特征Fig.2 Spatial distribution of ρ(TP) in the water of Lake Hulun

2.2 呼伦湖水体ρ(TP)时空变化特征

通过4次调查结果显示，呼伦湖水体ρ(TP)范围为0.05～0.43 mg/L，平均值为(0.177±0.004)mg/L，处于GB 3838—2002《地表水环境质量标准》V类水质标准(0.2 mg/L). 如图2所示，不同季节呼伦湖水体ρ(TP)差异显著，秋季、春季和夏季呼伦湖水体ρ(TP)平均值分别为(0.198±0.008) (0.200±0.004)和(0.199±0.008)mg/L，3个季节水体ρ(TP)平均值基本在0.200 mg/L左右，冬季呼伦湖水体ρ(TP)范围为0.049～0.219 mg/L，平均值为(0.109±0.006)mg/L，明显低于其他季节(P<0.01).

由图2也可以看出，空间分布上呼伦湖水体ρ(TP)随季节变化显著. 秋季ρ(TP)呈湖心高、入湖河口较低的特征，而下风向和湖心风浪较高，底泥悬浮物较为剧烈，进而引起水体ρ(TP)的升高；冬季ρ(TP)最低，呈四周高而中间低的趋势. 可能与冬季呼伦湖湖面结冰有关，冰盖对外来污染物的输入起到了隔绝作用，一方面阻挡了通过沉降及地表径流等途径的外部磷输入，另一方面消除了风浪扰动，降低了底泥悬浮的影响；春季湖区ρ(TP)空间变化的差异不大，仅在克鲁伦河入湖口处较高(0.301 mg/L)，春季多风，风浪扰动剧烈，湖区水体交换频繁，水体浓度差异不大；夏季ρ(TP)高值出现在湖区西南部和克鲁伦河入湖口，北部沿岸带也较高，低值分布在东南部区域，尤其在呼伦沟河口处浓度较低.

2.3 冰封期与非冰封期水体磷形态组成特征

水体磷一般分为DTP和PP. 呼伦湖水体ρ(DTP)在非冰封期为0.02～0.13 mg/L，占水体ρ(TP)的比例平均为23.80%，在冰封期ρ(DTP)为0.03～0.17 mg/L，占水体ρ(TP)的比例平均为76.20%. 水体ρ(PP)在非冰封期为0.04～0.34 mg/L，占水体ρ(TP)的比例平均为59.50%，特别是夏季高达64.1%，在冰封期ρ(PP)为0.004～0.060 mg/L，占水体ρ(TP)的比例平均为40.5%.

对比不同冰期水体磷的形态组成与TP的关系，分别对冰封期和非冰封期的ρ(DTP)、ρ(PP)与ρ(TP)进行相关性分析，结果如图3所示. 由图3可见，非冰封期ρ(TP)与ρ(PP)(R2=0.85,P<0.01)的相关性较ρ(DTP)(R2=0.34,P<0.01)更为显著，而冰封期水体ρ(TP)与ρ(DTP)(R2=0.94,P<0.01)的相关性较ρ(PP)(R2=0.38,P<0.01)更为显著，这与非冰封期水体ρ(PP)、冰封期ρ(DTP)对ρ(TP)的占比较高相符合，进一步说明研究期间呼伦湖水体ρ(TP)在非冰封期以PP为主，冰封期主要由DTP决定.

2.4 入湖河流水体ρ(TP)季节性变化特征

图3 呼伦湖非冰封期与冰封期水体ρ(DTP)、ρ(PP)与ρ(TP)的相关关系Fig.3 The correlations between ρ(TP) and ρ(DTP), ρ(PP) in the non-frozen season and frozen season

入湖河流是湖泊水环境与陆地生态系统之间进行物质交换的通道，陆源氮、磷营养物质随河流输送到湖体[19]. 克鲁伦河、乌尔逊河和呼伦沟河是呼伦湖主要的补给水源，水体ρ(TP)表现为克鲁伦河〔(0.193±0.113)mg/L〕>呼伦沟河〔(0.122±0.059)mg/L〕>乌尔逊河〔(0.108±0.046)mg/L〕的特征. 如图4所示，3条入湖河流水体ρ(TP)在不同季节上存在显著差异. 克鲁伦河水体ρ(TP)整体较高，季节上呈春季>夏季>秋季的特征，春季ρ(TP)平均值达到0.247 mg/L，高于湖区(0.2 mg/L)水平，这与湖区克鲁伦河入湖口处空间分布较高相呼应，乌尔逊河水体ρ(TP)呈春季≈夏季>秋季的特征，而呼伦沟河与克鲁伦河和乌尔逊河不同，水体ρ(TP)呈夏季>秋季>春季的特征.

图4 2015—2019年入湖河流ρ(TP) 季节性变化特征Fig.4 Seasonal variations of ρ(TP) in the inflow rivers in 2015-2019

克鲁伦河和乌尔逊河属于典型的草原河流，也是牛羊重要的饮水水源，沿岸的土壤淋溶[20]、牛羊粪便以及嘎查苏木的生活污水随春汛和夏汛的地表径流进入河流，导致春季、夏季河流ρ(TP)升高. 克鲁伦河发源于蒙古国，全长 1 264 km，我国境内206 km且没有支流汇入. 有研究[21]表明，克鲁伦河上游来水ρ(TP)较高，这可能与河流较长、积累量较大有关. 乌尔逊河全长223 km，中段有乌兰诺尔湿地，汛期上游河段带来的污染物可能在湿地得到净化[22-23]，从而使得乌尔逊河在春季、夏季没有明显的变化，而秋季降水减少，湿地自净作用更为明显，导致秋季ρ(TP)平均值(0.085 mg/L)较低. 呼伦沟河与海拉尔河相连接，发源于大兴安岭，河水源于森林融水，河流较短. 春季呼伦沟河水体ρ(TP)为0.090 mg/L，低于克鲁伦河和乌尔逊河，可能与冰雪融化稀释有关.

2.5 呼伦湖水体磷浓度的影响因素及其来源

呼伦湖位于高纬度地区，受草原影响较大，随气候暖干化发展，湖水几乎没有出流，成为一个内流湖. 调查结果[24]显示，20世纪80年代末，呼伦湖水体ρ(TP)为0.11 mg/L，处于GB 3838—2002 V类水质标准. 已有研究[25]表明，呼伦湖水体ρ(TP)较高，高于长江中下游地区富营养化较为严重的湖泊. 然而，与其他富营养化化湖泊不同的是，呼伦湖周边地区人口稀疏，几乎没有工业企业，经济总量较低. 这说明高磷现象除受人类活动影响外，还受其他因素影响.

2.5.1水体ρ(TSS)对ρ(TP)的影响

悬浮颗粒物是磷迁移的重要载体，影响水体中PP含量的重要来源之一[26]. 沉积物悬浮所释放的磷一般以PP为主，占TP含量的80%以上[27]. 该研究表明，非冰封期ρ(PP)对湖体ρ(TP)影响较大，呼伦湖水体ρ(TSS)平均值为41.25 mg/L，分别是太湖、鄱阳湖、东湖的1.2、1.7、2.2倍[28]. 对非冰封期湖区ρ(TSS)与ρ(TP)进行相关性分析，结果如图5所示. 由图5可见，春季、夏季水体ρ(TP)与ρ(TSS)均呈极显著正相关，相关系数分别为0.75(P<0.01)和0.81(P<0.01). 这说明TSS是呼伦湖非冰封期水体磷的重要来源.

图5 呼伦湖春季和夏季水体ρ(TSS)与ρ(PP)的相关关系Fig.5 The correlations between ρ(TSS) and ρ(PP) in spring and summer

一般风浪扰动、水生生物、微生物降解分泌等干扰作用是影响沉积物再悬浮的主要因素[29]. 呼伦湖全年以西北风为主，春季风速较大，平均值为5.6 m/s；夏季风速较小，平均值为3.7 m/s. 频繁的风浪扰动引起的底泥再悬浮可以促使内源磷向水体释放. 徐兆安等[30]研究显示，“一湖两海”中，呼伦湖浮游植物密度较高，其藻类暴发与呼伦湖浊度呈负相关，相关系数为-0.95. 呼伦湖水体蓝时有藻暴发，表明水体藻颗粒可能是影响PP含量的内在因素. 另外，呼伦湖流域土壤以栗钙土为主，其有效磷含量为26.3 mg/kg，属于含磷量较高的土壤[31]. 春汛和夏汛造成的水土流失通过地表径流进入湖体，其中悬浮颗粒态磷含量占TP含量的65%以上[32]，这可能是呼伦湖水体PP的外源贡献渠道. 另外，这也与夏季PP在湖周具有较高浓度的分布一致. 该研究显示，ρ(TSS)对非冰封期呼伦湖水体中磷的显著影响，因此湖区ρ(TSS)对ρ(TP)的影响应当受到关注.

2.5.2湖面面积变化对水体ρ(TP)的影响

图6 2015—2019年呼伦湖水体ρ(TP) 与湖面面积的相关关系Fig.6 The correlations between ρ(TP) and area variations of waters in 2015-2019

通过遥感影像提取的2005—2019年呼伦湖湖面面积，可用来表征呼伦湖近15年的水量变化. 由图6可见，2005—2012年，呼伦湖湖面面积下降明显，水体ρ(TP)则呈升高的趋势,2011年水体ρ(TP)较2004年升高了1.91倍；2012—2016年湖面面积开始呈上升趋势，其中2016年较2013年面积扩大了194.80 km2，与此对应，水体ρ(TP)则呈明显下降趋势；2018年湖面面积基本稳定在2 000 km2以上，水体ρ(TP)也基本保持在一个相对较低的水平. 呼伦湖水体ρ(TP)和湖面面积呈负相关，这与赵澍等[33]对呼伦湖1986—2016年湖面面积与ρ(TP)进行相关性分析的结果一致，即湖水面积增大，导致水量增加，水体ρ(TP)下降，也与CHEN等[34]报道的干旱区湖泊水量与水质的相关性一致，说明呼伦湖近年来的水质变化与水位变化也密切相关.