內蒙古查干淖爾湖東湖水體富營養化特征及其影響因素

張 昊，史小紅*，趙勝男，全 棟，孫 標，張 生

(1.內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，內蒙古呼和浩特 010018；2.內蒙古烏梁素海濕地生態系統國家定位觀測研究站，內蒙古巴彥淖爾 015000；3.內蒙古自治區水資源保護與利用重點實驗室，內蒙古呼和浩特 010018)

湖泊是地表水的主要載體，在維持區域生態系統平衡、調節流域水文氣候特征等方面發揮著巨大作用。近年來，在湖泊生態環境的演變及人類活動的雙重影響下，部分湖泊水質惡化，水體中氮、磷等營養鹽嚴重超出標準閾值，使水體中藻類及其他水生生物異常繁殖，從而使水體功能喪失，造成湖泊水體富營養化[1]。湖泊富營養化及藻類爆發是全球水生生態系統面臨的重要問題，國內外專家學者對水體富營養化的研究起初基于水體富營養化形成機理，研究氮、磷等營養元素在水體遷移轉化循環的特征，進而闡明水體富營養化發生及發展的原理，明確水體富營養化的主要影響因素[2-3]。

本研究利用查干淖爾湖東湖2011 年至2021年每年的2月10日、5月10日、8月10日、10月5日的水質監測數據，采用綜合營養狀態指數法，評價湖泊富營養狀態。采用冗余分析法，確定影響查干淖爾湖東湖水體富營養化的主要因素，以期為查干淖爾湖東湖的水環境保護與治理修復提供依據和技術支持。

1 材料及方法

1.1 研究區

查干淖爾湖(43°20′N 至43°30′N，114°45′E 至115°5′E)北鄰阿巴嘎熔巖臺地，南接渾善達克沙地，地勢東高西低[4]。該區氣候屬大陸性季風氣候，春季干旱頻繁、多大風，夏季受東南季風影響，溫和多雨，冬季受蒙古高壓控制，干冷多風[5]。該湖分為東湖和西湖，東湖面積約為38.34 km2，水深為0.8～2.4 m，為永久性湖泊，主要靠季節性河流——高格斯臺河補給；西湖面積約為83.3 km2，主要靠恩格斯河和查干淖爾湖東湖補給，為季節性湖泊。查干淖爾湖主要靠高格斯臺河和恩格爾河補給，恩格爾河由南岸向北注入查干淖爾湖，目前恩格爾河在查干淖爾湖西湖入口段已經干涸；高格斯臺河發源于正藍旗，進入查干淖爾東湖，為季節性河流。

1.2 采樣點設置及樣品采集

根據湖泊采樣技術指導規定[6]，在查干淖爾湖東湖設置了4 個采樣點(圖1)。于2011 年至2021年每年的2月10日(冬季)、5月10日(春季)、8月10日(夏季)和10 月5 日(秋季)，在每個采樣點，利用分層采水器，采集水面下50 cm 處的水樣，每個采樣點采集1 個水樣，裝入潤洗完畢(酸洗后用70%的酒精消毒處理)的1 L聚乙烯瓶中。冬季水體結冰，利用冰鉆，進行破冰，再利用分層采水器采集水樣。

圖1 采樣點位置示意圖Fig.1 Sketch map of location of sampling points

1.3 樣品測定

分別采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法、鉬銻抗分光光度法、高錳酸鉀滴定法和丙酮萃取分光光度計法，測定水樣的總氮、總磷、高錳酸鹽指數和葉綠素a含量。

1.4 數據來源及研究方法

氣象數據來自2011年至2021年的阿巴嘎旗、蘇尼特左旗和正藍旗氣象站點。2011 年至2021年查干淖爾湖東湖面積、水量、水位數據來自衛星遙感圖像[7-9]。采用綜合營養狀態指數法，評價水體營養狀況[10]。采用冗余分析方法，確定湖泊富營養化的主要影響因素。綜合營養狀態指數的分級標準見表1。

表1 綜合營養狀態指數分級Table 1 Classification of comprehensive nutritional status index

利 用Excel 2016、SPSS 26、ArcGIS 10.8、ENVI 5.3、Canoco5 和Origin 2021 軟件，進行數據處理及繪圖。

2 結果與分析

2.1 總氮、總磷、高錳酸鹽指數和葉綠素a含量

由表2至表5可知，在2011年至2021年期間，查干淖爾湖東湖水體中總氮質量濃度變化在0.14～5.81 mg/L 之間；冬季水體中總氮質量濃度相對較大，在(4.20±1.00 mg/L)之間變化。查干淖爾湖東湖各采樣日水體中總磷質量濃度變化在0.15～0.80 mg/L 之間；春季水體中總磷質量濃度相對較大，在(0.68±0.10)mg/L 之間變化。查干淖爾湖東湖水體中高錳酸鹽指數變化在6.56～39.52 mg/L 之間；冬季水體中高錳酸鹽指數相對較大，在(36.45±3.00)mg/L之間變化。查干淖爾湖東湖水體中葉綠素a 質量濃度變化在0.63～7.66 mg/L 之間；夏季水體中葉綠素a 質量濃度相對較大，在(5.68±1.00)mg/L 之間變化。從整體來看，在2011 年至2021 年期間，查干淖爾湖東湖水體中總氮、總磷、高錳酸鹽指數和葉綠素a 含量年際變化較為穩定。從離差系數可知，總氮含量的年內變化在102%～108%之間，總磷含量的年內變化在38%～51%之間，高錳酸鹽指數的年內變化在41%～51%之間，葉綠素a含量的年內變化在38%～49%之間。

表2 2011年至2021年各采樣日查干淖爾湖東湖水體中總氮含量Table 2 Contents of total nitrogen in the water of the east Chagannuoer Lake on the sampling days from 2011 to 2021

表3 2011年至2021年各采樣日查干淖爾湖東湖水體中總磷含量Table 3 Contents of total phosphorus in the water of the east Chagannuoer Lake on the sampling days from 2011 to 2021

表4 2011年至2021年各采樣日查干淖爾湖東湖水體中高錳酸鹽指數Table 4 Contents of permanganate indexes in the water of the east Chagannuoer Lake on the sampling days from 2011 to 2021

表5 2011年至2021年各采樣日查干淖爾湖東湖水體中葉綠素a含量Table 5 Contents of chlorophyll a in the water of the east Chagannuoer Lake on the sampling days from 2011 to 2021

由表6 可知，2011 年至2021 年期間，在春季、夏季和秋季采樣日，查干淖爾湖東湖水體中總氮質量濃度平均值分別為0.19 mg/L、0.64 mg/L 和1.66 mg/L，冬季采樣日其平均值為4.37 mg/L，冬季水體符合V 類水域標準。春季和夏季采樣日，水體中總磷質量濃度平均值分別為0.68 mg/L 和0.58 mg/L，春季和夏季水體符合V類水域標準；秋季和冬季采樣日其平均值為0.32 mg/和0.21 mg/L。春季、夏季、秋季和冬季采樣日，水體中高錳酸鹽指數平均值分別為25.50 mg/L、16.62 mg/L、10.78 mg/L和35.61mg/L，冬季和春季水體符合IV類水域標準。春季、秋季和冬季采樣日，水體中葉綠素a質量濃度平均值分別為0.83 μg/L、3.31 μg/L和2.17 μg/L；夏季采樣日其平均值為5.50 μg/L，夏季水體符合II 類水域標準。綜上所述，查干淖爾湖東湖水體各指標含量總體上年際波動較小，富營養化程度趨于穩定。

表6 各季節查干淖爾湖東湖水體各富營養化指標平均值Table 6 Seasonal average values of eutrophication indexes in the water of the east Chagannuoer Lake

2.2 查干淖爾湖東湖水體綜合營養狀態指數

2011 年至2021 年各夏季采樣日，查干淖爾湖東湖水體綜合營養狀態指數為55.95～62.33，相對較大，水體營養程度較高(圖2)。在冬季采樣日其水體綜合營養狀態指數為71.73～76.38，都達到最大值，春季和秋季采樣日水體都為輕度營養狀態，這可能與水體中藻類的生長繁殖規律及氣溫、水溫等影響因素有關。

圖2 2011年至2021年各采樣日查干淖爾湖東湖水體綜合營養狀態指數Fig.2 Comprehensive nutrition state indexes in the water of the east Chagannuoer Lake on sampling days from 2011 to 2021

2011 年至2021 年期間，查干淖爾湖東湖水體綜合營養狀態指數年平均值在60～70 之間，水體營養程度屬于中度富營養(圖3)，可以說明近十年查干淖爾湖東湖富營養化情況處于相對穩定狀態。

圖3 2011年至2021年查干淖爾湖東湖水體綜合營養狀態指數的年平均值Fig.3 Annual averages of comprehensive nutrition state indexes in the water of the east Chagannuoer Lake from 2011 to 2021

2.3 評價指標與環境因子的關系

為了探究查干淖爾湖東湖水體評價指標與降水量、蒸發量、徑流量、氣溫、水深、面積和水量的關系，對水體評價指標與環境因子進行冗余分析。環境因子數據詳見表7。

表7 查干淖爾湖東湖環境參數值Table 7 The environmental factors values in the water of the east Chagannuoer Lake

春季軸1 和軸2 的特征值分別為0.363 1 和0.208 6，所選取的環境因子共解釋了57.17%的水體營養狀態的變化信息，其中春季水體綜合營養狀態指數與氣溫顯著負相關(n=11，p＜0.05)，與降水量和總氮含量顯著正相關(n=11，p＜0.05)(圖4)。春季水體中總氮含量與降水量顯著正相關(n=11，p＜0.05)，總磷含量分別與氣溫和徑流量顯著正相關(n=11，p＜0.05)，葉綠素a 含量與高錳酸鹽指數顯著負相關(n=11，p＜0.05)。

夏季軸1 和軸2 的特征值分別為0.255 8 和0.241 8，所選取的環境因子共解釋了49.76%水體營養狀態的變化信息。夏季水體綜合營養狀態指數與蒸發量顯著負相關(n=11，p＜0.05)，與水深顯著正相關(n=11，p＜0.05)。夏季水體中總氮含量與葉綠素a 含量顯著正相關(n=11，p＜0.05)，總磷含量分別與面積和降水量顯著正相關(n=11，p＜0.05)，高錳酸鹽指數與徑流量顯著負相關(n=11，p＜0.05)。

秋季軸1 和軸2 的特征值分別為0.424 4 和0.162 0，所選取的環境因子共解釋了58.64%的水體營養狀態的變化信息。秋季水體綜合營養狀態指數與徑流量和蒸發量顯著正相關(n=11，p＜0.05)。秋季水體中總氮含量分別與總磷含量、面積和降水量顯著正相關(n=11，p＜0.05)，葉綠素a含量與水深顯著負相關(n=11，p＜0.05)，高錳酸鹽指數與徑流量顯著正相關(n=11，p＜0.05)。

冬季軸1 和軸2 的特征值分別為0.334 9 和0.256 5，所選取的環境因子共解釋了59.14%水體營養狀態的變化信息。冬季水體綜合營養狀態指數與葉綠素a 含量、總磷含量顯著正相關(n=11，p＜0.05)。冬季水體中總氮含量分別與高錳酸鹽指數和水量顯著負相關(n=11，p＜0.05)，冬季總磷含量與葉綠素a含量顯著正相關(n=11，p＜0.05)。

3 討 論

秋季和冬季采樣日，查干淖爾湖東湖水體中的總氮含量較高，符合地表水IV 類水域標準，春季冰體消融，水體中的總氮含量減小，符合III類水域標準。查干淖爾湖東湖水體中總磷含量在秋季采樣日和冬季采樣日含量大，夏季和秋季采樣日總磷含量減小，符合地表水III 類水域標準。水體中葉綠素a含量在夏季采樣日最大，在其他季節含量比較穩定。夏季水體高錳酸鹽指數在年內相對最小，在冬季最大，全年高錳酸鹽指數值都較大，水體在冬季符合地表水IV類水域標準。

根據2011年至2021年內蒙古阿巴嘎旗、蘇尼特左旗和正藍旗氣象站氣象資料，查干淖爾湖區氣溫以0.04 ℃/a速度增長，降水量以10 mm/a速度下降，蒸發量以2.7 mm/a的速度上升，入湖流量以8.208×102m3/a 的速度減小。春季，水溫隨著氣溫的升高而升高，冰體消融，高格斯臺河對查干淖爾湖東湖進行補水，入湖量的變化不僅對藻類的生長聚集分布具有十分重要的影響，同時還能影響水體營養物質的混合與運移，進而影響到水體的營養化程度[11]。夏季，氣溫繼續升高，水體中的浮游植物大量繁殖，葉綠素a 含量也達到最大值，同時溫度的變化還能引起湖泊中其他因素的變化，這些因子又影響到浮游植物的生長和發育，所以氣溫對浮游植物的生長具有重要意義[12-13]。夏季湖泊蒸發量達到最大值，導致湖泊水體中營養鹽含量增大。秋季，氣溫下降，水溫下降，水中浮游植物數量減少，葉綠素a 含量減小[14]，同時降水量減小，改變水體表層的營養鹽結構、鹽度、pH 等，進而影響水中的生物群落結構[15]。冬季，由于凍結作用，冰體中的營養鹽被排到冰下的水體中，為浮游植物的生長提供了充足的營養物質，同時冰體的存在，使冬季查干淖爾湖東湖水體體積為非冰封期水體體積的1/2 到2/3，導致冬季查干淖爾湖東湖冰下水體中各營養物質濃度增大。

研究表明，湖泊水量的變化會影響水體中氮、磷的變化[16]，春季降水開始增加，水體中總氮含量開始減小，湖庫9 月開始蓄水，營養鹽含量減小。夏季由于植物生長，葉綠素含量增大，消耗水中的磷。河水水體中磷含量在冬季大于夏季，冬季總氮含量顯著大于夏季。冬季水溫低，污染物自凈消除能力低[17]，夏季處于豐水期，降水量大，流域徑流量大，對污染物具有稀釋作用[18]。烏梁素海夏季水體富營養化程度最高，其次是秋季[19]。研究表明，水體中高錳酸鹽指數和葉綠素a含量主要受氣溫的影響，降水量與水體中總磷含量顯著相關[20]。無論是春季還是夏季，湖泊水體氮磷比都與水體深度顯著正相關[21]。降水量和徑流量減小以及蒸發量增大都會引起湖泊水體中氮、磷等污染物濃度增大。流速不僅影響水體中藻類的生長和分布，同時還會影響水體營養物質與優勢藻的種類[22]；流量則主要通過單位時間內水量的變化影響水體富營養化的發生與消亡[23]；水體擾動直接作用于水體中藻類細胞與藻團，促使藻類聚集，同時影響營養物質的混合與運移，從而導致水體富營養化[24]。

查干淖爾積水盆地是以中生代凹陷盆地為基礎的新生代坳陷盆地，地理構造穩定[25]，2010 年，西湖徹底干涸，土壤嚴重沙化，局部地區出現風積沙丘，在夏季季風影響下，風攜帶沙子向南部運移，周邊受其影響最嚴重，西湖泥沙含量增多，泥沙作為水體氮、磷等污染物遷移轉化的重要載體，影響著水體環境質量[26]。西湖干涸后，產生大量泥沙，泥沙吸附的大量污染物可能隨著風進入查干淖爾湖東湖，使得湖泊污染負荷進一步加重[27]。

4 結 論

2011 年至2021 年期間，查干淖爾湖東湖水體營養化程度整體上為中度富營養化。2011 年至2021 年期間，春季、夏季、秋季和冬季查干淖爾湖東湖水體營養化程度分別為輕度富營養化、中度富營養化、中度富營養化和重度富營養化。

水文氣候變化影響了查干淖爾湖東湖水體富營養化程度，氣溫和水量是影響湖泊水體富營養化的主要因素。