2016, Vol. 28 
近年来，随着社会经济的飞速发展和人口的剧烈增加，以及对水资源的不合理开发利用，江、河、湖、库等的富营养化问题日趋严重[1-2]，尤其东部湖区及云贵高原湖区水体富营养化最为严重[3-4].在蒙新高原湖区，由于气候干旱、降水较少、蒸发量大，远远超过湖泊补给量，导致湖水不断浓缩形成咸水湖或者盐湖，甚至干涸[5]，湖泊流域内生态环境恶化，水土流失严重；对于草原型湖泊，以放牧为主，草场退化，导致地表径流携带大量的营养盐入湖[6]；同时，随着工农业发展，人民生活水平的提高，在有限的水资源条件下，工业、农业和生活用水量增加，排放的污水废水剧增，导致水体富营养化程度也日益突出.
呼伦湖属于内蒙古自治区的第一大湖泊，是我国内陆高纬度半干旱地区的第一大草原型湖泊，也是我国北方重要的生态屏障，对我国北方经济发展和生态环境建设起着举足轻重的作用.呼伦湖流域以放牧为主，属典型的草原型湖泊，近年来，由于气候条件和人类活动的原因，生态环境遭到破坏.颜文博等[7]对呼伦湖的植被资源和动物资源研究表明，连年的干旱使呼伦湖流域湿地植被不断退化，直接威胁到水禽和鸟类的生存，湖中经济鱼类不断减少.赵慧颖等[8-9]研究了呼伦湖地区的气候特征，表明气候呈现暖干化趋势，出现气温升高、降水减少，蒸发量增大，导致呼伦湖水域面积萎缩，水位大幅度下降，湖周边沙漠化面积超过100 km2，生态环境恶化.李畅游等[10-12]对呼伦湖的水文要素进行分析，建立了呼伦湖的水深-水量反演模型，同时指出2000年以来湖泊急速萎缩的主要原因是河流径流量的锐减.气候变化导致呼伦湖流域生态环境恶化，呼伦湖水质也发生着变化.赵慧颖[13]、岳彩英[14]、姜忠峰[15-16]、段超宇[17]和王丽艳[18-19]等分别对呼伦湖1959-2006年的盐度、2004-2007年、2009-2010年、2012年和2013年的水质进行分析评价，指出呼伦湖已经处于富营养状态，2013年水体达到中度富营养化水平.
目前呼伦湖流域的生态环境已经遭到破坏，水质恶化，水体呈现富营养化状态.引起湖泊发生富营养化的驱动力是多种的，有水文气象条件、内外源污染及人类活动等作用.本文旨在对呼伦湖水质进行2006-2015年10年的变化趋势进行分析，并找出呼伦湖富营养化的影响因素，旨在对寒旱区草原型湖泊的富营养化机理研究和预测提供一定的科学依据，对该类型典型气候和水质敏感区未来水资源的调度和水环境治理提供一定的参考.
1 材料及方法 1.1 研究区概况呼伦湖(48°33′~49°20′N，116°58′~117°48′E)又名达赉湖，是中国第五大湖，水域辽阔，素有“草原明珠”的美誉[20].属额尔古纳水系，位于呼伦贝尔草原西部新巴尔虎左旗、新巴尔虎右旗和满洲里市之间.湖面呈不规则斜长方形，长轴为西南至东北方向，湖长93 km，平均宽度25 km，周长447 km，当湖水位达到历史较高水位545.33 m时，蓄水量为138×108m3，平均水深5~6 m[21].呼伦湖湖水的补给除大气降水和地下水外，主要来自发源于蒙古国东部的克鲁伦河，以及连接贝尔湖和呼伦湖的乌尔逊河.湖东北部的新开河(达兰鄂罗木河)是一个吞吐性河流，海拉尔河水大时，顺该河流入呼伦湖，呼伦湖水大时又顺此河流向额尔古纳.呼伦湖地处干旱高纬度地带, 属温带大陆性气候，冬季严寒漫长，冰封期长达6个月，春季干旱多风，夏季温凉短促，秋季降温急剧.
1.2 采样点的设置及样品的采集根据对呼伦湖周围环境的勘察，最终选取具有代表性的13个采样点作为常年水质监测点(图 1)，每次采样采用GPS定位，现场用瑞士梅特勒多参数仪测定水温、pH值、溶解氧(DO)、电导率(EC)和盐度, 透明度(SD)用自制塞氏盘测定.叶绿素a浓度(Chl.a)采用丙酮萃取分光光度计法测定，总氮(TN)浓度采用碱性过硫酸钾消解—紫外分光光度法测定，总磷(TP)浓度采用钼锑抗分光光度法测定[22].本文选取2006 2015年每年8月份的水质实测数据进行分析.
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图 1 呼伦湖水质监测点 Fig.1 Sampling sites in Lake Hulun |
采用综合营养状态指数法对呼伦湖水体富营养化进行评价，该方法是以Chl.a作为基准参数进行计算的.所取水质参数的相关权重，通过各水质参数的营养状态指数计算公式，最终加权平均求得水体的综合营养状态指数.计算公式为：
| $ TLI(\sum ) = \sum\limits_{j = 1}^m {{W_j} \cdot } TLI({j}) $ | (1) |
式中，TLI(∑)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；TLI(j)为第j种参数的营养状态指数, m为评价参数的个数.
各营养状态指数计算公式为：
| $ \begin{array}{l} TLI({\rm{Chl}}.a) = 10(2.5 + 1.086\;{\rm{ln}}\;{\rm{Chl}}{\rm{.a}})\\ TLI({\rm{TP}}) = 10(9.436 + 1.624\;{\rm{ln}}\;{\rm{TP}})\\ TLI({\rm{TN}}) = 10(5.453 + 1.694\;{\rm{ln}}\;{\rm{TN}})\\ TLI({\rm{SD}}) = 10(5.118 + 1.94\;{\rm{ln}}\;{\rm{SD}})\\ TLI({\rm{CO}}{{\rm{D}}_{{\rm{Mn}}}}) = 10(0.109 + 2.66\;{\rm{ln}}\;{\rm{CO}}{{\rm{D}}_{{\rm{Mn}}}}) \end{array} $ | (2) |
式中, Chl.a单位为mg/m3；SD单位为m；其他指标单位均为mg/L.
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为：
| $ {{W}_{j}}={{{r}_{ij}}^{2}}/{\sum\limits_{j=1}^{m}{{{r}_{ij}}^{2}}}\; $ | (3) |
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和SD.
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表 1 中国湖泊(水库)部分参数与Chl.a的相关关系 Tab.1 The correlation between Chl.a and the other parameters of lake(reservoir)in China |
评价结果采用0~100的一系列连续数字对湖泊营养状态进行分级，其中贫营养：TLI(∑) < 30，中营养：30≤TLI(∑)≤50，轻度富营养：50 < TLI(∑)≤60，中度富营养：60 < TLI(∑)≤70，重度富营养：TLI(∑)>70.在同一营养状态下，指数值越高，其营养程度越重[23].
1.4 数据分析及处理数据的分析及处理采用Excel 2003和SPSS 17.0软件.
2 结果 2.1 呼伦湖水体理化指标变化趋势对2006-2015年呼伦湖水体理化指标(其中盐度为200-2015年数据)变化进行分析，取每年8月份13个采样点的均值，结果表明，在年际上，盐度、pH、SD和DO都呈现出不同程度的波动.盐度变化范围为0.75~1.71 ng/L，均值为1.32 ng/L，2010年达到峰值1.71 ng/L，随后呈现逐年递减趋势；pH值的变化范围为8.78~9.40，水体偏碱性；SD的变化范围为0.17~0.26 m，近3年来SD持续下降；DO浓度变化范围为4.05~10.62 mg/L，均值为7.12 mg/L(图 2).
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图 2 2006-2015年呼伦湖水体理化指标变化 Fig.2 Variations of physical and chemical water quality indexes in Lake Hulun from 2006 to 2015 |
2006-2011年TN、TP浓度总体呈上升趋势，Chl.a浓度先增加后降低；2012-2015年TN、TP和Chl.a浓度均呈现上升趋势(图 3). N/P比在2007-2015年呈现上升趋势. TN浓度的变化范围为1.16~3.53 mg/L，平均值为2.29 mg/L，其中2007年TN浓度最低，为1.16 mg/L；TP浓度的变化范围为0.13~0.25 mg/L，平均值为0.20 mg/L，根据《地表水环境质量标准(GB 3838 2002)》，呼伦湖水质达到地表水环境质量Ⅳ~Ⅴ类水体标准. Chl.a浓度的变化范围为3.31~10.36 mg/m3，均值为7.35 mg/m3. N/P比为4.92~15.35，均值为12.03. Redfield等认为浮游植物进行光合作用时，按N/P比为16的原子比例进行[24].在淡水环境中，藻类生长期内当N/P比 < 7，氮是可能的限制性营养盐；而当N/P比>7，则磷是可能的限制性营养盐，当N/P比接近7时，二者均可能是限制性营养盐[25].因此可以认为呼伦湖的限制性营养盐可能为磷.
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图 3 2006-2015年呼伦湖营养盐及Chl.a浓度变化 Fig.3 Variations of nutrients and Chl.a concentrations in Lake Hulun from 2006 to 2015 |
利用综合营养状态指数法对呼伦湖2006-2015年的富营养化趋势进行分析评价，结果表明，呼伦湖水体总体表现为富营养化状态，2006 2015年水体经历了中度—重度—中度—轻度富营养化变化过程(图 4).其中2008年和2009年水质污染最为严重，TLI分别为71.12和70.12，根据TLI分级表，呼伦湖水体为重度富营养化. 2010 2015年较2008年和2009年水质好转，TLI为57.78~65.74，除2012年和2015年水质为轻度富营养化，其余年份均为中度富营养化.
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图 4 呼伦湖2006-2015年综合营养状态指数(TLI)变化 Fig.4 Variations of TLI in Lake Hulun from 2006 to 2015 |
湖泊富营养化是各种环境因素综合作用的结果，其中氮、磷是主导因子，水文条件和水环境因子也是导致富营养化发生的关键因素.
3.1 呼伦湖水体富营养化的影响因素 3.1.1 外源输入呼伦湖湖周围以放牧为主，有2条补给河流—克鲁伦河和乌尔逊河，沿途畜牧业较为发达，在降雨较频繁的夏季，水土流失较严重，氮磷等营养盐也会随之流失，这些营养盐有部分随地表径流进入湖泊和河流.赵伟等[26]对呼伦湖流域草场利用方式水土及氮磷流失特征研究表明，传统放牧草场总氮、总磷的流失量分别为1.75、0.63 mg/L；草库伦草场总氮、总磷的流失量分别为1.6、0.68 mg/L；不放牧草场总氮、总磷的流失量分别为0.54、0.25 mg/L，可见随水土流失的营养盐浓度较大.呼伦湖常年以西北风为主导风向，每年入湖尘量可达6440×104 kg，降水入湖量可达6.28×108 m3/a；冰封期每年干草入湖158.0×104 kg，含氮量2.1×104 kg，含磷量0.89×104 kg；非冰封期则有176.8×104 kg干草入湖，折算为入湖氮为2.3×104 kg，入湖磷为0.97×104 kg[27].可见大气补给和地表径流会引起大量的营养物质入湖.湖的西南端是克鲁伦河入口，河上游有熟皮厂和硝矿，排放的主要污染物有氨氮、农药、氟化物、砷、汞、酚等[28]；湖东北端是小河口渔场，也是呼伦湖的旅游景点，每年夏季有大批的游客来此地旅游观光，人类活动比较频繁，对湖水的影响较大.同时，呼伦湖的渔业资源丰富，使渔业得到一定发展，但是存在私自捕捞现象，渔民在捕鱼过程中随意丢弃废旧电池及汽油排放，也会对呼伦湖水质产生一定的影响.上述因素导致呼伦湖的营养物质来源丰富，也为呼伦湖富营养化奠定了物质基础.取各入湖河口和小河口旅游景区附近的样品，分析营养盐浓度，结果表明乌尔逊河入湖口(F9)、克鲁伦河入湖口(I2) 和小河口(A10) TN浓度的变化范围为1.80~3.02 mg/L，TP浓度的变化范围为0.10~0.54 mg/L，其中2012年和2015年TN和TP浓度均较低，这与2012年和2015年水体呈现轻度富营养化相一致(图 5).而2006-2015年期间呼伦湖全湖TN浓度的变化范围为1.16~3.53 mg/L，TP浓度变化范围为0.13~0.25 mg/L，可见，外源输入对呼伦湖营养盐的贡献较大.依据国际公认湖库发生富营养化TN浓度水平(0.20 mg/L)和TP浓度水平(0.02 mg/L)[29]，呼伦湖属于高营养水体，具备发生富营养化的营养盐条件.
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图 5 2006-2015年各入湖河口营养盐浓度变化 Fig.5 Variations of nutrients concentrations in estuary from 2006 to 2015 |
与呼伦湖连通的河流有3条, 即克鲁伦河、乌尔逊河和新开河，近年来由于新开河发生断流，不再补给呼伦湖，故本文仅讨论克鲁伦河和乌尔逊河对呼伦湖的影响.克鲁伦河及乌尔逊河的径流量2006-2009年呈下降趋势，2010-2014年径流量逐年上升，乌尔逊河径流量的变化趋势更为显著.水深的变化趋势与河流径流量趋势相似，也是先减小后增加，2006-2011年呼伦湖水深逐年递减，由2006年的3.65 m降至2011年的2.30 m，2012年起，呼伦湖水深逐年增加，由2012年的2.36 m增加到2015年的5.11 m(图 6).根据黄健对呼伦湖流域水文序列的随机分析，呼伦湖流域从2000年进入枯水期，预计在2012年左右缓慢进入丰水期[30]，从水深变化趋势来看，与黄健的研究结果一致. 2006-2009年，入湖径流量持续下降，水深减小，导致湖泊水位下降较为严重，湖泊出现自然浓缩，加速了富营养化进程；2010年至今，径流量增加，湖泊水量补给充沛，湖泊水位持续上涨，水深增加，湖面面积增大，水体污染物得到稀释，水质好转，富营养化程度降低.故2010-2015年水质较2008-2009年好转，呈现出重度富营养化向中轻度度富营养化转变的趋势.与此同时，径流量的增加，也会携带大量的污染物入湖，增加湖泊环境容量，TN、TP浓度2012-2015年呈现上升趋势，但相比于2006年，TN、TP浓度有所减少，2015年TN浓度减少7.79 %，TP浓度下降了11.11 %，水质呈现好转的趋势.因此，呼伦湖入湖径流量及水深是影响湖泊发生富营养化的主要因素.
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图 6 呼伦湖2006-2015年径流量、水深变化 Fig.6 Variations of runoff and depth in Lake Hulun from 2006 to 2015 |
为探讨呼伦湖富营养化与各水环境因子的相关关系，对综合富营养化指数TLI与各水环境因子做相关性分析.结果表明，TLI与pH、DO、SD、盐度、TN和N/P比呈显著相关，其中与pH、DO和SD均呈显著正相关，相关系数分别为0.491、0.539和0.438，与盐度、TN和N/P比均呈显著负相关，相关系数分别为-0.429、-0.576和-0.527(表 2).水体pH的变化与藻类的光合作用有关[31]，呼伦湖pH的变化范围为8.78~9.40，水体偏碱性，碱性环境有利于藻类的光合作用，使大气中的CO2更容易被捕捉[32].藻类光合作用强烈，消耗大量的CO2，pH水平显著提高，pH是Chl.a变化的被动因子[33]，故TLI与pH呈正相关关系.水体中藻类的大量繁殖，会产生有机物质，但是呼伦湖周围以放牧为主，受工业污染影响较小，有机物含量低；同时，藻类进行光合作用产生大量的氧气分子，使水体中DO增加，因此DO也是Chl.a变化的被动因子[34]，TLI与DO呈正相关关系.盐度可以反映水体中可溶盐含量，呼伦湖盐度与TLI呈负相关关系，说明可溶盐的增加可以抑制藻类的生长. pH、SD和DO等则是湖泊水体发生富营养化的结果而非原因，而水深、水温是湖泊发生富营养化的原因[35].因此，水深和水温是呼伦湖发生富营养化的驱动力，而pH、SD和DO是呼伦湖水体发生富营养化影响水质的最主要表现指标.氮、磷是藻类生长所必需的营养物质，也是湖泊发生富营养化的主导因子，TLI与TN、N/P比均呈显著负相关，与TP呈正相关关系，说明磷可能是呼伦湖的限制性因子.
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表 2 呼伦湖TLI与各水环境因子的相关关系 Tab.2 The spearman rank correlation of water quality factors and TLI in Lake Hulun |
通过对2006-2015年呼伦湖水质指标进行分析，结果表明，pH的变化范围为8.70~9.40，水质偏碱性；TN浓度的变化范围为1.16~3.53 mg/L，TP浓度的变化范围为0.13~0.25 mg/L，根据《地表水环境质量标准(GB 3838 2002)》，呼伦湖水质已经达到地表水环境质量Ⅳ~Ⅴ类水体标准. N/P比的变化范围为4.92~15.35，均值为12.03，呼伦湖为磷限制性湖泊.
运用综合营养状态指数法对2006 2015年呼伦湖水体进行富营养化评价，结果表明，呼伦湖水体呈现出中度—重度—中度—轻度富营养化水平.通过对呼伦湖富营养化的影响因素进行分析，结果表明，影响呼伦湖富营养化的可能因素为外源输入和入湖径流量，同时水深和水温也是呼伦湖发生富营养化的驱动因素. pH、SD和DO是呼伦湖水体富营养化影响水质的最主要表现指标，而非影响因素.
呼伦湖水体已经呈现富营养化状态，水体污染的预防和治理工作迫在眉睫，应采取积极的措施.通过本文的分析与讨论，主要应该控制外源输入和大量补给湖泊水量，同时对补给水水质进行控制.因此应做如下努力：(1) 保护呼伦湖流域草地，严禁草地超载，过度放牧，转变草地利用方式，以轮牧方式替代传统放牧方式，合理利用牲畜粪便，减少水土流失，防止地表径流带入大量营养盐，加重湖泊富营养化进程. (2) 加强对入湖河流水质的监测，控制点源污染，确保充足的补给水量和优质的补给水源，从而减轻湖水污染程度.
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