2010-2018年我国14个典型湖泊氮、磷变化特征及受人类活动的影响

周 楠， 徐学选， 袁志友,

(1.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；2.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西 杨凌 712100)

湖泊作为陆地水圈的重要组成部分，参与自然界的水分循环，具有调蓄洪水、供给水源、水产养殖及指示、记录和调节局部气候等多种生态功能。在过去200年里，由于人类活动，特别是土地利用变化、人口增加、工业化和城市化进程加快等因素，导致了一系列问题，如酸化、富营养化、物种入侵、湖水棕化等，它们严重威胁到了湖泊生态系统的健康。

在湖泊水污染中，总氮、总磷的浓度是十分重要的指标。同时，氮、磷是浮游植物生长所必需的营养盐，增加湖泊中氮、磷浓度，将导致水中自养型生物(主要是藻类)大量繁殖、湖水透明度下降、耗氧量增加等问题，表现为湖泊富营养化程度加剧。我国湖泊污染是化肥过量使用引起的面源污染和工业污水处理不够及时的点源污染相叠加，如上世纪末引起了非常严重的滇池富营养化。本世纪以来，由于国家对水体污染治理的高度重视，有关湖泊污染研究逐渐丰富起来。

国内对我国各湖泊水质的时空变化特征的研究认为，氮、磷的浓度变化主要是由于气候、地理及人类活动等因素的影响，目前还缺乏全国尺度上分析我国五大湖区湖泊氮、磷生态化学计量时空特征及其影响因素，尤其人类活动因素影响的研究。本研究以我国几个典型湖泊为研究对象，分析各湖泊2010—2018年总氮与总磷的浓度及水质变化特征，并甄别人类活动影响水质的主要因子，以更全面地了解我国湖泊氮、磷浓度的变化趋势及现状，为合理管控人类活动的影响、改善我国湖泊水质、保护性利用水资源提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

我国湖泊因为地理、地形、自然环境差异、湖泊资源利用以及湖泊整体环境等区域特征，一般内陆湖泊分为五大湖区，分别为东北平原湖区、东部平原湖区、蒙新高原湖区、云贵高原湖区和青藏高原湖区。本研究分别选取五大湖区中文献资料比较富集的2～3个湖泊，共14个典型湖泊，各湖泊地理信息见表1。本研究对所选湖泊的总氮、总磷等水质情况等特征进行分析，主要探究人类活动对湖泊氮、磷浓度的影响。

表1 选取湖泊的地理信息

东北平原湖区的湖泊主要由河流和通常在夏季和秋季的降水补给，该地区湖泊受到灌溉等农业活动的影响。东部平原湖区毗邻海洋，气候温暖湿润。因此，该地区的湖泊主要由河流和降水补给。蒙新高原湖区水资源稀缺，大多数湖泊都是由地下水、河流和降水补给。过去几十年中，该湖区中的湖泊面临巨大压力，并经历了农业灌溉和采矿等工业活动造成的重大变化。云贵高原湖区中的湖泊主要由降水补给，水的循环周期较长。青藏高原湖区是中国最大的湖区，也是世界上海拔最高的地区。该地区中的大多数湖泊除受降水影响外，还受冰川和永久冻土融水的影响，同时受到人类扰动较少。

1.2 数据来源

本研究从已有研究和数据库(中国湖泊科学数据库，http://www.lakesci.csdb.cn/；国家地球系统科学数据中心，http://lake.geodata.cn/)中收集2010—2018年各湖区内典型湖泊(共计14个湖泊)的总氮、总磷浓度数据。收集总氮、总磷数据共计183组，为最大程度降低季节变化对氮、磷浓度的影响，所收集数据大体集中在每年4—10月，再取其均值作为当年总氮、总磷浓度。使用Origin Pro 2018(OriginLab Corporation, Northampton, MA, USA)中的图像数字化工具提取图形中显示的数据。如果原始文献缺少经度、纬度等信息，使用全球地名录(Global Gazetteer Version2.2, http://www.fallingrain.com/world/)来确定。

由于人类活动强度很难量化，因此收集了各湖泊所在地级市2010—2018年的人口密度、地区生产总值、第一、第二和第三产业生产总值、工业和建筑业生产总值的数据。其中第一产业包括农业、林业、渔业、畜牧业和采集业等；第二产业包括工业及建筑业等；第三产业即服务业。通过这些已公开的数据来代表人口密度、农业生产、工业化及城市化等人类各领域活动的影响程度。这些数据来源于各省及自治区的统计年鉴。如湖泊涉及2个及以上地级市，按文献中布设样点较多的区域选择地级市。

1.3 研究方法

本研究中的数据使用R 4.1.1(The R Project for Statistical Computing, https://www.r-project.org/)进行统计分析。首先，取各湖泊相同年份的总氮、总磷数据的算术平均值，分析2010—2018年间总氮及总磷的浓度变化特征；其次，对比《地表水环境质量标准》中总氮、总磷的水质标准，分析各湖泊水质情况；最后，将总磷、总氮浓度进行对数变换，使用SMATR包在R中进行MODEL回归分析，使用双尾检验来确定总氮、总磷变量与人类活动变量(人口密度、区生产总值、第一、第二和第三产业生产总值、工业和建筑业生产总值)之间的相关性是否显著。

2 结果与分析

2.1 湖泊氮、磷年际变化特征及水质评价

分析2010—2018年共9年间，5个湖区共14个湖泊的总氮、总磷数据比较。同时，本文按照我国《地表水环境质量标准》中对湖泊总氮、总磷浓度的评价标准对湖泊水质类型进行评价(表2)。

表2 地表水环境质量标准 单位：mg/L

东北平原湖区，查干湖总氮、总磷浓度的变化范围为1.07～1.75，0.03～0.12 mg/L，总氮、总磷峰值分别出现在2016年和2018年(图1)。镜泊湖总氮、总磷浓度为0.72～1.00，0.03～0.08 mg/L，在2010—2015年间均为波动下降的趋势，但幅度较小。兴凯湖总氮、总磷浓度在这9年内呈波动性变化，且没有显著下降。该湖区湖泊水体的总氮、总磷浓度总体上符合Ⅳ类水水质要求(表3)，其中镜泊湖水质情况较好，符合Ⅲ类水水质要求。

图1 东北平原湖区总氮、总磷浓度年际变化

东部平原湖区(图2)中太湖总磷浓度呈波动性变化，而总氮浓度总体呈波动下降的趋势，均在2016年达到峰值，浓度分别为2.18，0.09 mg/L。巢湖总氮、总磷浓度变化趋势相近，均在2013年达到峰值，浓度分别为3.840，0.187 mg/L，之后呈波动性变化。鄱阳湖总氮呈波动性变化，且幅度较大，总磷呈波动性降低的趋势。该湖区水体在总氮、总磷浓度评价标准下分别为Ⅴ、Ⅳ类水水质(表3)，鄱阳湖水体总氮不能稳定满足Ⅴ类水水质要求。

表3 各湖区水质情况

图2 东部平原湖区总氮、总磷浓度年际变化

蒙新高原湖区中选取博斯腾湖、岱海及乌梁素海(图3)。博斯腾湖的总氮、总磷浓度变化曲线相似，均为先上升，2012年以后明显下降，总氮、总磷浓度分别为0.69～1.25，0.01～0.06 mg/L。岱海总氮浓度呈波动性上升，总磷波动幅度较大，呈先上升后下降的趋势，于2014年达到最高值，为0.23 mg/L。乌梁素海总氮浓度在2011年之后呈波动性变化，并无明显下降；总磷浓度的变化为先波动上升，后下降的趋势，峰值出现在2013年，为0.22 mg/L。该湖区水体在总氮、总磷浓度评价标准下均符合Ⅳ水水质(表3)，但总体上水质情况逐年变好。

图3 蒙新高原湖区总氮、总磷浓度年际变化

云贵高原湖区中抚仙湖的总氮、总磷浓度均较稳定，为0.16～0.20，0.006～0.01 mg/L。星云湖总氮浓度年际变化也较为稳定，但总磷浓度总体呈波动下降，且波动幅度较大。滇池的总氮、总磷浓度均呈现出波动下降的趋势，为1.74～4.40，0.08～0.24 mg/L(图4)。云贵高原湖区湖泊水体在总氮、总磷浓度评价标准下均为Ⅴ类水水质(表3)，但抚仙湖水质情况良好，符合Ⅰ类水水质要求。

图4 云贵高原湖区总氮、总磷浓度年际变化

青藏高原湖区中，青海湖总氮浓度总体呈上升趋势，为0.68～1.19 mg/L，而总磷浓度呈先上升后下降的趋势，于2013年达到最高值，为0.09 mg/L。纳木错总氮浓度较为稳定，为0.29～0.38 mg/L，但缺少总磷浓度的数据(图5)。由于该湖区独特的地理特征，受人类活动扰动少，湖泊水质情况良好，总氮、总磷浓度分别符合Ⅲ、Ⅳ类水水质要求(表3)。

图5 青藏高原湖区总氮、总磷浓度年际变化

2010—2018年，我国典型湖泊总氮、总磷浓度均值为1.55，0.11 mg/L，在水环境治理标准下，总体为Ⅴ类水水质(表3)。其中东部平原湖区及云贵高原湖区是五大湖区中总氮浓度最高的2个湖区，云贵高原湖区总磷浓度最高，同时该湖区总氮、总磷浓度离散程度较大。青藏高原湖区湖泊总氮及总磷浓度最低，水质情况最好。

2.2 人类活动对湖泊氮、磷的影响

本研究根据各省市的统计年鉴，将人口密度、地区生产总值、第一、第二、第三产业、工业及建筑业生产总值归为人类各个领域活动的影响，分析各项与湖泊氮、磷的相关性特征。由表4可知，在全国尺度范围内，人口密度、地区生产总值、第二、第三产业、工业及建筑业的生产总值与湖泊总氮浓度呈正相关关系，其中人口密度和建筑业生产总值与总氮浓度呈极显著相关(<0.001)。而全磷浓度与人类各领域活动的影响相关性不大。虽然上述人类活动因子对湖泊总氮有影响，但相关性较低。总磷的显著性在蒙新高原区比较突出，其他区域无相关性。

在东北平原湖区，人口密度、地区生产总值、工业及建筑业生产总值和人均产值均与该地区湖泊总氮浓度呈正相关关系，其中人口密度与总氮之间呈显著正相关关系(<0.01)。而总磷仅与人口密度呈显著正相关关系，即人口密度越大，总磷浓度越高。东部平原湖区的湖泊总氮浓度与人口密度、工业及建筑业生产总值均呈正相关关系，这个现象与东北平原湖区相似。而该地区总磷浓度仅与第一产业产值呈显著正相关关系(<0.01)。蒙新高原湖区中湖泊总氮浓度仅与人口密度呈正相关，而与工业产值呈负相关关系。总磷浓度与人口密度呈极显著正相关关系，而与第一、第二及工业产值呈负相关关系(<0.05)。在云贵高原湖区，湖泊总氮浓度与人口密度、地区生产总值、第二、第三、工业及建筑业均呈现极显著的正相关关系(<0.001)，而总磷浓度仅与第一产业产值呈显著负相关特征(<0.01)。由于缺少相关数据，青藏高原湖区总氮、总磷浓度与人类活动在各领域的影响之间的相关关系并不明显，同时可能不能有效体现该地区实际情况，有待进一步研究。

3 讨 论

东北平原湖区中查干湖及兴凯湖水质污染较为严重，且该地区影响总氮、总磷浓度主要是人口密度，人口密度过高会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，可能是造成这2个湖泊水质污染程度较高的主要原因。

东部平原湖区中巢湖在2013年总氮、总磷浓度的激增(图2)，主要是由于该湖泊补给水源的污染，上游河流污染极为严重所导致。而巢湖及鄱阳湖水质污染程度比太湖高，这与太湖这些年加大了流域治理的力度，入湖水质得到明显改善有着密切关系。该湖区人口密度增加、工业及建筑业的发展所带来的生活及工业污水的排放、上游下垫面的改变是导致总氮浓度增加的主要原因。而该农、林、牧、渔业的发展会导致湖泊总磷浓度的增加(表4)，这可能是由于磷肥的施用及大规模机械化产业化捕捞所带来的农业及渔业的发展。

表4 人类各领域活动的影响与总氮、总磷浓度之间的相关关系

蒙新高原湖区，由于博斯腾湖及乌梁素海等地区推进污水处理厂的建设，减少了工业污水的排放，导致总氮、总磷浓度呈逐年降低的趋势(图3)。岱海水体中总氮、总磷浓度的波动上升则可能由于该湖泊本身没有出流，入湖污染长期累积，加上湖内水生植物腐烂于湖底，导致该湖泊内源污染较为严重。该地区水体污染与人口密度有密切正相关关系，生活污水引起的污染较为严重，特别是总磷的污染程度偏高。相对来说，第一、二、三产业及工业污染与氮、磷浓度呈负相关，应是所选湖泊受到地方政府对工业废水的严格控制的结果。

云贵高原湖区中抚仙湖作为我国淡水湖中水质最好、蓄水量最大的贫营养分层的湖泊，再加上长期对其进行的治理与保护，成为该湖泊水体中总氮、总磷浓度最低，水体水质良好，且较稳定的原因。星云湖及滇池由于出水口受人工控制，换水周期长以及生活及工业污水排放的影响，造成水体污染严重，自净能力差，导致这2个湖泊氮、磷浓度远超抚仙湖。该湖区湖泊总氮浓度与人类活动在各领域的影响呈正相关关系(表4)，表明该地区人口密度增加、城市化、工业化的加剧是导致水体恶化的主要原因。

青藏高原湖区湖泊总氮、总磷浓度最低，水体水质最好(表3)。这可能是由于青藏高原独特的地理和气候特征，人类扰动最少，城市化、工业化水平较低，同时该地区湖泊富营养化程度最低的原因。

4 结 论

对于湖泊水质评价而言，青藏高原湖区水质最好，远好于其他4个区域。最差的为东部湖区，而云贵高原湖区湖泊水质差异较大。除青藏高原湖区数据较少外，其他4个湖区内大部分湖泊的总氮、总磷浓度总体呈现波动降低的趋势，这种降低主要是由于地方政府对湖泊等水资源的治理与保护。相反，人口密度的增加、工业及建筑业的发展，这些因素导致的生活、工业污水的排放及湖泊上游下垫面的改变是导致总氮、总磷浓度增加及水质恶化的主要原因。同时湖泊中总氮浓度最能反映人类活动的干扰强度。