呼倫湖水體磷的時(shí)空演變及其影響因素

張 博, 郭云艷, 王書航, 鄭朔方, 姜 霞

中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院， 湖泊水污染治理與生態(tài)修復(fù)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室， 國(guó)家環(huán)境保護(hù)湖泊污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100012

磷作為環(huán)境中重要的營(yíng)養(yǎng)元素之一，是生態(tài)系統(tǒng)中生物地球化學(xué)循環(huán)的重要組成部分，直接影響水生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)力[1]. 湖泊水體中磷的濃度主要受到大氣干濕沉降、湖泊周邊地表徑流等輸入的影響，同時(shí)磷也可以在水-沉積物界面發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化[2-4]. 目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在湖泊水體及沉積物中磷的分布[5-6]、形態(tài)組成[7-8]和影響因素[9]等方面開展了大量工作，為湖泊富營(yíng)養(yǎng)化中磷的控制提供了豐富的數(shù)據(jù)和理論支撐.這些研究主要集中在太湖[10]、巢湖[11]、滇池[12]、白洋淀[13]等人類干擾較為嚴(yán)重的湖泊，而關(guān)于北方旱區(qū)的湖泊特別是對(duì)于寒旱區(qū)湖泊水體磷的來源解析鮮見報(bào)道.

呼倫湖是我國(guó)內(nèi)陸高緯度半干旱地區(qū)的第一大湖泊，由于受氣候變化和人類活動(dòng)共同影響，出現(xiàn)了面積萎縮、水量減少、水體富營(yíng)養(yǎng)化等問題[14]. 呼倫湖水體中的磷常年處于GB 3838—2007《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅴ類～劣Ⅴ類水平，是呼倫湖水質(zhì)的關(guān)鍵限制性營(yíng)養(yǎng)因子[15]. 為識(shí)別呼倫湖水體中磷的來源及演變趨勢(shì)，為呼倫湖及其流域的生態(tài)保護(hù)制定合理的目標(biāo)，該研究針對(duì)呼倫湖非冰封期(5月、7月和10月)和冰封期(3月)水體，開展磷的時(shí)空分布、形態(tài)變化、歷史演變及其影響因素的研究，以期為呼倫湖水體磷的污染防治提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

呼倫湖(48°33′N～49°20′N、116°58E′～117°48′E)位于呼倫貝爾市新巴爾虎左旗和新巴爾虎右旗交界處，湖面面積約為 2 038 km2，平均水深1.70～6.68 m. 呼倫湖是我國(guó)緯度最高的湖泊，也是典型的草原影響湖泊. 每年4月和10月為融冰期和結(jié)冰期，5—9月為非冰封期，11月—翌年3月為冰封期，多年年均降水量247～319 mm. 呼倫湖的補(bǔ)水來源主要有3條河流，其中，中南部和東部入湖的克魯倫河和烏爾遜河均由蒙古國(guó)匯水而來，北部入湖的呼倫溝河由大興安嶺發(fā)源，經(jīng)海拉爾河匯流注入湖區(qū)[16].

圖1 呼倫湖采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of the sampling sites in Lake Hulun

1.2 樣品采集

采用6 km×6 km網(wǎng)格布點(diǎn)法布設(shè)采樣點(diǎn)，并分別于2018年10月(秋季)采集45個(gè)點(diǎn)位和2019年3月(冬季)采集54個(gè)點(diǎn)位、5月(春季)采集59個(gè)點(diǎn)位、7月(夏季)采集59個(gè)點(diǎn)位. 3條入湖河流各設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，2015—2019年非冰封期每月采樣，采樣點(diǎn)分布如圖1所示. 其中，3月樣品采用美國(guó)得偉電鉆(DCD998)先在冰面鉆孔后，采集冰下0.3 m水樣，其他月份各采樣點(diǎn)采集表層(0.5 m)水樣. 所有采得樣品保存在預(yù)先處理過的廣口瓶中，置于保溫箱送回實(shí)驗(yàn)室，48 h內(nèi)進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定.

1.3 監(jiān)測(cè)指標(biāo)和數(shù)據(jù)來源

水溫、pH和溶解氧(DO)采用多參數(shù)分析儀(美國(guó)，YSI)測(cè)定.ρ(TSS)為總懸浮物參照GB 11901—1989《水質(zhì) 懸浮物的測(cè)定 重量法》測(cè)定.ρ(TP)使用采集的原水樣進(jìn)行測(cè)定，對(duì)于溶解性總磷(DTP)，需將原水經(jīng)0.45 μm的混合纖維濾膜過濾后測(cè)定.ρ(TP) 和ρ(DTP)采用過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法測(cè)定，ρ(PP)(PP為顆粒態(tài)磷)利用ρ(TP)和ρ(DTP)差減法獲得. 上述具體分析測(cè)試方法參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法(第四版)》[17]. 呼倫湖湖面面積數(shù)據(jù)采用多年LandsatTM遙感影像數(shù)據(jù)經(jīng)Flaash大氣校正、幾何精校正后利用歸一化植被指數(shù)自動(dòng)提取，呼倫湖面積遙感影像來源于美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局官方網(wǎng)站(http://glovis.usgs.gov). 湖體2005—2014年ρ(TP)平均值參考文獻(xiàn)[18].

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析方法

每個(gè)樣品測(cè)定時(shí)均重復(fù)3次，數(shù)據(jù)處理及繪圖主要利用OriginPro 9.0、surfer 10.0、SPSS 19.0、Excel 2016等軟件完成，采樣點(diǎn)空間分布圖利用ArcMap 10.2軟件繪制，參數(shù)比較分析采用比較均值單因素法.

2 結(jié)果與討論

2.1 呼倫湖水體基本指標(biāo)特征

由表1可見，2018—2019年，呼倫湖水溫在0～26.40 ℃之間，平均值為10.47 ℃；ρ(DO)較高，平均值為9.44 mg/L；pH平均值為8.83，湖水偏堿性；ρ(TSS)在4.6～142.8 mg/L之間，平均值為27.99 mg/L，其中春季、夏季和秋季水體ρ(TSS)較高，約為冬季平均值的4～5倍.

表1 呼倫湖水體理化參數(shù)Table 1 Physicochemical properties of the water in Lake Hulun

圖2 呼倫湖水體ρ(TP)空間變化特征Fig.2 Spatial distribution of ρ(TP) in the water of Lake Hulun

2.2 呼倫湖水體ρ(TP)時(shí)空變化特征

通過4次調(diào)查結(jié)果顯示，呼倫湖水體ρ(TP)范圍為0.05～0.43 mg/L，平均值為(0.177±0.004)mg/L，處于GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(0.2 mg/L). 如圖2所示，不同季節(jié)呼倫湖水體ρ(TP)差異顯著，秋季、春季和夏季呼倫湖水體ρ(TP)平均值分別為(0.198±0.008) (0.200±0.004)和(0.199±0.008)mg/L，3個(gè)季節(jié)水體ρ(TP)平均值基本在0.200 mg/L左右，冬季呼倫湖水體ρ(TP)范圍為0.049～0.219 mg/L，平均值為(0.109±0.006)mg/L，明顯低于其他季節(jié)(P<0.01).

由圖2也可以看出，空間分布上呼倫湖水體ρ(TP)隨季節(jié)變化顯著. 秋季ρ(TP)呈湖心高、入湖河口較低的特征，而下風(fēng)向和湖心風(fēng)浪較高，底泥懸浮物較為劇烈，進(jìn)而引起水體ρ(TP)的升高；冬季ρ(TP)最低，呈四周高而中間低的趨勢(shì). 可能與冬季呼倫湖湖面結(jié)冰有關(guān)，冰蓋對(duì)外來污染物的輸入起到了隔絕作用，一方面阻擋了通過沉降及地表徑流等途徑的外部磷輸入，另一方面消除了風(fēng)浪擾動(dòng)，降低了底泥懸浮的影響；春季湖區(qū)ρ(TP)空間變化的差異不大，僅在克魯倫河入湖口處較高(0.301 mg/L)，春季多風(fēng)，風(fēng)浪擾動(dòng)劇烈，湖區(qū)水體交換頻繁，水體濃度差異不大；夏季ρ(TP)高值出現(xiàn)在湖區(qū)西南部和克魯倫河入湖口，北部沿岸帶也較高，低值分布在東南部區(qū)域，尤其在呼倫溝河口處濃度較低.

2.3 冰封期與非冰封期水體磷形態(tài)組成特征

水體磷一般分為DTP和PP. 呼倫湖水體ρ(DTP)在非冰封期為0.02～0.13 mg/L，占水體ρ(TP)的比例平均為23.80%，在冰封期ρ(DTP)為0.03～0.17 mg/L，占水體ρ(TP)的比例平均為76.20%. 水體ρ(PP)在非冰封期為0.04～0.34 mg/L，占水體ρ(TP)的比例平均為59.50%，特別是夏季高達(dá)64.1%，在冰封期ρ(PP)為0.004～0.060 mg/L，占水體ρ(TP)的比例平均為40.5%.

對(duì)比不同冰期水體磷的形態(tài)組成與TP的關(guān)系，分別對(duì)冰封期和非冰封期的ρ(DTP)、ρ(PP)與ρ(TP)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖3所示. 由圖3可見，非冰封期ρ(TP)與ρ(PP)(R2=0.85,P<0.01)的相關(guān)性較ρ(DTP)(R2=0.34,P<0.01)更為顯著，而冰封期水體ρ(TP)與ρ(DTP)(R2=0.94,P<0.01)的相關(guān)性較ρ(PP)(R2=0.38,P<0.01)更為顯著，這與非冰封期水體ρ(PP)、冰封期ρ(DTP)對(duì)ρ(TP)的占比較高相符合，進(jìn)一步說明研究期間呼倫湖水體ρ(TP)在非冰封期以PP為主，冰封期主要由DTP決定.

2.4 入湖河流水體ρ(TP)季節(jié)性變化特征

圖3 呼倫湖非冰封期與冰封期水體ρ(DTP)、ρ(PP)與ρ(TP)的相關(guān)關(guān)系Fig.3 The correlations between ρ(TP) and ρ(DTP), ρ(PP) in the non-frozen season and frozen season

入湖河流是湖泊水環(huán)境與陸地生態(tài)系統(tǒng)之間進(jìn)行物質(zhì)交換的通道，陸源氮、磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)隨河流輸送到湖體[19]. 克魯倫河、烏爾遜河和呼倫溝河是呼倫湖主要的補(bǔ)給水源，水體ρ(TP)表現(xiàn)為克魯倫河〔(0.193±0.113)mg/L〕>呼倫溝河〔(0.122±0.059)mg/L〕>烏爾遜河〔(0.108±0.046)mg/L〕的特征. 如圖4所示，3條入湖河流水體ρ(TP)在不同季節(jié)上存在顯著差異. 克魯倫河水體ρ(TP)整體較高，季節(jié)上呈春季>夏季>秋季的特征，春季ρ(TP)平均值達(dá)到0.247 mg/L，高于湖區(qū)(0.2 mg/L)水平，這與湖區(qū)克魯倫河入湖口處空間分布較高相呼應(yīng)，烏爾遜河水體ρ(TP)呈春季≈夏季>秋季的特征，而呼倫溝河與克魯倫河和烏爾遜河不同，水體ρ(TP)呈夏季>秋季>春季的特征.

圖4 2015—2019年入湖河流ρ(TP) 季節(jié)性變化特征Fig.4 Seasonal variations of ρ(TP) in the inflow rivers in 2015-2019

克魯倫河和烏爾遜河屬于典型的草原河流，也是牛羊重要的飲水水源，沿岸的土壤淋溶[20]、牛羊糞便以及嘎查蘇木的生活污水隨春汛和夏汛的地表徑流進(jìn)入河流，導(dǎo)致春季、夏季河流ρ(TP)升高. 克魯倫河發(fā)源于蒙古國(guó)，全長(zhǎng) 1 264 km，我國(guó)境內(nèi)206 km且沒有支流匯入. 有研究[21]表明，克魯倫河上游來水ρ(TP)較高，這可能與河流較長(zhǎng)、積累量較大有關(guān). 烏爾遜河全長(zhǎng)223 km，中段有烏蘭諾爾濕地，汛期上游河段帶來的污染物可能在濕地得到凈化[22-23]，從而使得烏爾遜河在春季、夏季沒有明顯的變化，而秋季降水減少，濕地自凈作用更為明顯，導(dǎo)致秋季ρ(TP)平均值(0.085 mg/L)較低. 呼倫溝河與海拉爾河相連接，發(fā)源于大興安嶺，河水源于森林融水，河流較短. 春季呼倫溝河水體ρ(TP)為0.090 mg/L，低于克魯倫河和烏爾遜河，可能與冰雪融化稀釋有關(guān).

2.5 呼倫湖水體磷濃度的影響因素及其來源

呼倫湖位于高緯度地區(qū)，受草原影響較大，隨氣候暖干化發(fā)展，湖水幾乎沒有出流，成為一個(gè)內(nèi)流湖. 調(diào)查結(jié)果[24]顯示，20世紀(jì)80年代末，呼倫湖水體ρ(TP)為0.11 mg/L，處于GB 3838—2002 V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn). 已有研究[25]表明，呼倫湖水體ρ(TP)較高，高于長(zhǎng)江中下游地區(qū)富營(yíng)養(yǎng)化較為嚴(yán)重的湖泊. 然而，與其他富營(yíng)養(yǎng)化化湖泊不同的是，呼倫湖周邊地區(qū)人口稀疏，幾乎沒有工業(yè)企業(yè)，經(jīng)濟(jì)總量較低. 這說明高磷現(xiàn)象除受人類活動(dòng)影響外，還受其他因素影響.

2.5.1水體ρ(TSS)對(duì)ρ(TP)的影響

懸浮顆粒物是磷遷移的重要載體，影響水體中PP含量的重要來源之一[26]. 沉積物懸浮所釋放的磷一般以PP為主，占TP含量的80%以上[27]. 該研究表明，非冰封期ρ(PP)對(duì)湖體ρ(TP)影響較大，呼倫湖水體ρ(TSS)平均值為41.25 mg/L，分別是太湖、鄱陽湖、東湖的1.2、1.7、2.2倍[28]. 對(duì)非冰封期湖區(qū)ρ(TSS)與ρ(TP)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖5所示. 由圖5可見，春季、夏季水體ρ(TP)與ρ(TSS)均呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.75(P<0.01)和0.81(P<0.01). 這說明TSS是呼倫湖非冰封期水體磷的重要來源.

圖5 呼倫湖春季和夏季水體ρ(TSS)與ρ(PP)的相關(guān)關(guān)系Fig.5 The correlations between ρ(TSS) and ρ(PP) in spring and summer

一般風(fēng)浪擾動(dòng)、水生生物、微生物降解分泌等干擾作用是影響沉積物再懸浮的主要因素[29]. 呼倫湖全年以西北風(fēng)為主，春季風(fēng)速較大，平均值為5.6 m/s；夏季風(fēng)速較小，平均值為3.7 m/s. 頻繁的風(fēng)浪擾動(dòng)引起的底泥再懸浮可以促使內(nèi)源磷向水體釋放. 徐兆安等[30]研究顯示，“一湖兩?！敝校魝惡∮沃参锩芏容^高，其藻類暴發(fā)與呼倫湖濁度呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.95. 呼倫湖水體藍(lán)時(shí)有藻暴發(fā)，表明水體藻顆?？赡苁怯绊慞P含量的內(nèi)在因素. 另外，呼倫湖流域土壤以栗鈣土為主，其有效磷含量為26.3 mg/kg，屬于含磷量較高的土壤[31]. 春汛和夏汛造成的水土流失通過地表徑流進(jìn)入湖體，其中懸浮顆粒態(tài)磷含量占TP含量的65%以上[32]，這可能是呼倫湖水體PP的外源貢獻(xiàn)渠道. 另外，這也與夏季PP在湖周具有較高濃度的分布一致. 該研究顯示，ρ(TSS)對(duì)非冰封期呼倫湖水體中磷的顯著影響，因此湖區(qū)ρ(TSS)對(duì)ρ(TP)的影響應(yīng)當(dāng)受到關(guān)注.

2.5.2湖面面積變化對(duì)水體ρ(TP)的影響

圖6 2015—2019年呼倫湖水體ρ(TP) 與湖面面積的相關(guān)關(guān)系Fig.6 The correlations between ρ(TP) and area variations of waters in 2015-2019

通過遙感影像提取的2005—2019年呼倫湖湖面面積，可用來表征呼倫湖近15年的水量變化. 由圖6可見，2005—2012年，呼倫湖湖面面積下降明顯，水體ρ(TP)則呈升高的趨勢(shì),2011年水體ρ(TP)較2004年升高了1.91倍；2012—2016年湖面面積開始呈上升趨勢(shì)，其中2016年較2013年面積擴(kuò)大了194.80 km2，與此對(duì)應(yīng)，水體ρ(TP)則呈明顯下降趨勢(shì)；2018年湖面面積基本穩(wěn)定在2 000 km2以上，水體ρ(TP)也基本保持在一個(gè)相對(duì)較低的水平. 呼倫湖水體ρ(TP)和湖面面積呈負(fù)相關(guān)，這與趙澍等[33]對(duì)呼倫湖1986—2016年湖面面積與ρ(TP)進(jìn)行相關(guān)性分析的結(jié)果一致，即湖水面積增大，導(dǎo)致水量增加，水體ρ(TP)下降，也與CHEN等[34]報(bào)道的干旱區(qū)湖泊水量與水質(zhì)的相關(guān)性一致，說明呼倫湖近年來的水質(zhì)變化與水位變化也密切相關(guān).

4 結(jié)論

a) 呼倫湖水體ρ(TP)范圍為0.050～0.430 mg/L，平均值為0.177 mg/L，處于GB 3838—2002 Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn). 呼倫湖水體ρ(TP)空間分布上季節(jié)性差異顯著，冬季呈湖周高于湖心的特征，秋季呈湖心高于湖周的特征，春季和夏季克魯倫河入湖河口處ρ(TP)均較高.

b) 呼倫湖水體磷形態(tài)的時(shí)空分布差異顯著，非冰封期以PP為主，ρ(PP)占ρ(TP)的比例平均為58.86%；冰封期以DTP為主，ρ(DTP)占ρ(TP)的比例平均為76.20%.

c) 呼倫湖3條入湖河流ρ(TP)表現(xiàn)為克魯倫河>呼倫溝河>烏爾遜河的特征，其中克魯倫河水體ρ(TP)平均值為0.193 mg/L，顯著高于呼倫湖水體ρ(TP).

d) 呼倫湖水體ρ(TP)的主要影響因素為水量變化、冰封、入湖河流輸入和底泥再懸浮.