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基于长时间序列内蒙古典型湖泊水质变化特征及趋势分析*
doi: 10.18307/2025.0420
杨文焕1,2 ， 李艳芳1 ， 张明宇1 ， 高静湉1,2 ， 李卫平1,2
1. 内蒙古科技大学能源与环境学院，包头 014010
2. 黄河流域内蒙古段生态保护与综合利用自治区协同创新中心，包头 014010
基金项目: 国家自然科学基金项目（42167018）和内蒙古自治区自然科学基金项目（2024LHMS04016）联合资助
Variation and trend analysis of water quality of typical lakes in Inner Mongolia based on long-term data*
Yang Wenhuan1,2 ， Li Yanfang1 ， Zhang Mingyu1 ， Gao Jingtian1,2 ， Li Weiping1,2
1. College of Energy and Environment, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010 , P.R.China
2. Collaborative Innovation Center of Autonomous Region for Ecological Protection and Comprehensive Utilization in the Inner Mongolia Section of the Yellow River Basin, Baotou 014010 , P.R.China
摘要
为了确定内蒙古典型湖泊的水质演变特征，选取2013—2023年乌梁素海、岱海和南海湖的水质数据，采用综合污染指数和综合营养状态指数法分析各湖泊的水质演变特征与趋势，运用皮尔逊相关分析研究3个湖泊各水质指标与两个指数的相关程度，并且分析湖泊氮磷摩尔比（简称氮磷比）的时间序列变化趋势，探究影响湖泊水质变化的主要因素。结果表明：2013—2023年间，乌梁素海、岱海和南海湖的化学需氧量（CODCr）、总磷（TP）、氨氮、叶绿素a（Chl.a）浓度总体呈下降趋势，乌梁素海和南海湖的总氮（TN）浓度年际变化呈良好趋势发展，但岱海的TN浓度在2020年达到最大值并保持劣Ⅴ类水标准；乌梁素海富营养化程度呈现从重度到中度再到轻度的变化趋势，岱海随着“引黄济岱”试水的完成，富营养化程度从重度转为中度，兼具旅游观光功能的南海湖多年处于重度富营养化状态；综合污染指数结果表明，乌梁素海水质正向良性方向发展，岱海和南海湖在环境治理下重污染水质逐渐改善，但治理措施仍需进一步强化，其中岱海和南海湖受氮素污染明显，TN、TP及CODCr 治理应成为3个湖泊污染治理的主要方面。回归线性模型分析表明，3个湖泊的Chl.a与TN、TP浓度均呈极显著正相关。通过氮磷比的比较，湖泊水体多数时间都适宜藻类生长繁殖，磷可能是乌梁素海Chl.a的主要影响因素，岱海和南海湖可能是氮、磷共同限制型湖泊。
Abstract
To identify the water quality variation of typical lakes in Inner Mongolia, the water quality data of Lake Wuliangsuhai, Lake Daihai and Lake Nanhai from 2013 to 2023 were obtained. The comprehensive pollution index and trophic level index were employed to analyze the evolution characteristics and trends of water quality in each lake. Pearson correlation analysis was applied to investigate the correlation between water quality indicators and these two indices in these three lakes. The temporal trend of the nitrogen to phosphorus molar ratio was analyzed, aiming to explore the main factors affecting the lake water quality. The results indicated that during 2013-2023, chemical oxygen demand (CODCr), total phosphorus (TP), ammonia nitrogen (NH3-N), and chlorophyll-a (Chl.a) in Lake Wuliangsuhai, Lake Daihai, and Lake Nanhai exhibited a declining trend. However, TN in Lake Daihai reached its peak value in 2020, and remained at the water standard of inferior Class V. The eutrophication level of Lake Wuliangsuhai showed a trend from severe to moderate and then to mild. With the testing project of “diverting water from the Yellow River into Daihai”, the eutrophication of Lake Nanhai had changed from severe to moderate. Lake Nanhai, serving as a tourist attraction, has been in a state of severe eutrophication for many years. The comprehensive pollution index indicated that the water quality of Lake Wuliangsuhai was improving. Under environmental remediation, the deteriorated water quality of Lake Daihai and Lake Nanhai was gradually improving, but the remediation measures could be further strengthened. Among them, Lake Daihai and Lake Nanhai were significantly polluted by nitrogen, and the reduction of TN, TP, and CODCr should become the priority task for these three lakes. Regression linear model analysis showed that Chl.a in these three lakes was positively correlated with TN and TP concentrations respectively. The ratio of nitrogen to phosphorus revealed that phytoplankton growth was favorable in the lake during most periods. Phosphorus may be the main influencing factor of Chl.a in Lake Wuliangsuhai, while Lake Daihai and Lake Nanhai may be limited by both nitrogen and phosphorus.
黄河流域生态保护和高质量发展是国家重大战略[1]。其中，黄河流域内蒙古河段是中国北方地区的关键生态防线，承载着丰富的生物多样性，为生态系统服务做出了显著贡献，对于推动黄河流域的经济发展以及确保粮食安全具有不可替代的重要地位[2-3]。但是随着工业化的快速发展，许多湖泊水环境失衡及恶化，出现不同程度的水体富营养化现象[4-5]。因此，研究长时间序列下不同类型湖泊水域的动态变化，并实时掌握水域理化指标的演变规律，对于内蒙古湖泊环境保护工作具有重要的支撑作用。
内蒙古高原湖泊深受区域大陆性气候的显著影响，环境特点独特，主要表现为气候干旱少雨、全年昼夜温差较大以及冰封期长等方面，这些特点使得蒙新高原湖泊的水生态系统相较于其他地区更为敏感和脆弱[6-8]。乌梁素海、岱海、南海湖是内蒙古3种不同类型寒旱区湖泊，具有调节气候、修复生态、涵养水源的重要生态功能[9-10]。在内蒙古众多湖泊中，研究者们对乌梁素海的水质状况及其富营养化程度进行了深入研究，并探讨岱海叶绿素a浓度的空间分布特征以及其与水环境因素之间的相关性[11-12]，仅有部分学者对内蒙古湖泊水环境特征进行研究分析[13-14]。但是诸多研究在湖泊类型的选取和水质理化指标的考量上多显不足，缺乏对内蒙古湖区不同类型湖泊长时间序列水质变化趋势的比较分析。为了深入探究内蒙古不同类型湖泊的水质状况，需基于多项水质理化指标对内蒙古典型湖泊水质进行综合评价。
本研究基于乌梁素海、岱海和南海湖 2013—2023年连续性监测的水质数据，采用科学合理的评价分析方法，对湖泊水质指标的变化趋势进行了深入剖析。本研究旨在揭示黄河流域内蒙古河段不同类型湖泊水质的差异性变化规律，对于改善内蒙古水污染状况以及有效防治水体富营养化具有重要意义。
1 材料与方法
1.1 研究区域
本研究以黄河流域内蒙古河段为研究对象，选取内蒙古高原湖区3种不同类型的湖泊作为研究区域，即以农田退水为主要补水的草型浅水湖泊乌梁素海、高盐胁迫下的封闭咸水湖泊岱海和具有旅游功能的城市藻型湖泊南海湖。
乌梁素海位于内蒙古自治区巴彦淖尔市乌拉特前旗境内，是黄河流域最大的浅水淡水湖，且乌梁素海承担了灌域内90%以上的农田排水[13]，为典型的农田灌溉排水湖泊。该湖泊地处半干旱季风气候，区域辐射强烈，干燥少雨，气温和降水表现出明显的季节性波动。乌梁素海不仅是黄河流域最大的功能性湿地，也是河套灌区的退水湖泊。
岱海位于内蒙古自治区乌兰察布市凉城县境内，是内蒙古自治区的第三大内陆湖泊[14]，也是我国“两屏三带”生态安全战略格局中“北方防沙带”的重要组成部分[15]。岱海是内蒙古自治区典型的内陆咸水湖泊，现有主要入湖河沟22条[16]，主要的补给来源为降水和径流，排泄以蒸散发和渗漏为主[17]，由于周边工农业的兴起、地下水的过量开采，导致岱海出现明显的湖面萎缩现象[18]。
南海湖位于我国内蒙古自治区包头市，是黄河流域内蒙古段的重要组成部分。它曾属于九曲黄河的一部分，河水改道后形成了水面和滩头草地。南海湖作为包头市典型的城市湖泊，地势北高南低，呈现阶梯状。湖泊周围陆地以河滩地和湿地为主，且南海湖在调节气候、促进旅游休闲等方面起着关键作用[19-20]。3个湖泊概况见表1。
1.2 样品采集与检测
研究数据源自于2013—2023年内蒙古科技大学研究生团队对乌梁素海、岱海以及南海湖常规水质指标的现场监测和部分时期水质送检数据，并完成了水质数据的系统化整理。研究团队对3个湖泊实施了野外考察和采样工作，采样时间集中在每年的1月以及4—11月期间（其中南海湖在2015年后才开始实现连续性监测）。依据湖泊的自然状态，将湖泊分为冰封期（1—3月、11—12月）和非冰封期（4—10月）两个时期。采用手持式全球定位系统（GPS）仪记录3个湖泊采样点的经纬度信息，其中样点的数量和具体位置均根据各湖泊形状和水质监测的实际需求来确定，水样都是使用有机玻璃采水器采集湖面以下表层（0~5 cm）湖水。将乌梁素海区域进行了网格化处理，共布设10个采样点，包括进水区（W1~W4）、湖心区（W5~W8）以及出口区（W9~W10）；岱海湖区采用长方形网格法以6 km2为控制单元将其划分为9个网格分区，并结合岱海入湖河流的位置，在每个分区中心设置采样点，共设置9个采样点（DH1~DH9）；南海湖自西向东共设12个采样点，包括进水区（N1~N2）、旅游区（N3~N6）、湖心区（N7~N9）和芦苇区（N10~N12）。3个湖泊的采样点具体布置详见图1。
表1乌梁素海、岱海、南海湖概况
Tab.1 Overview of Lake Wuliangsuhai, Lake Daihai and Lake Nanhai
图1乌梁素海、岱海、南海湖采样点布置
Fig.1Layout of sampling sites in Lake Wuliangsuhai, Lake Daihai and Lake Nanhai
利用HQ440D型多参数水质分析仪，现场测定湖泊表层水的pH、溶解氧（DO）；在实验室条件下，对总氮（TN）、氨氮（NH3-N）、总磷（TP）、化学需氧量（CODCr）以及叶绿素a（Chl.a）进行测定与分析。上述各项水质指标的测定与分析工作均按照《水和废水监测分析方法》[21]的相关规定执行，具体方法如附表Ⅰ。
1.3 研究方法
1.3.1 综合污染指数法
综合污染指数法[22]将各水质指标的实测值与其评价标准之比作为单项污染指数，以CODCr、NH3-N、TN和TP四项水质指标的监测数据为基础，各指标因子最高允许浓度值依据《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）[23]，各水质指标的标准限值见附表Ⅱ，结果显示，乌梁素海、岱海、南海湖CODCr均超过V类（COD≤40 mg/L）水标准限值。通过计算3个湖泊各指标的历年年均值进行污染指数评价，综合污染指数的水质分级标准见表2。
Pi=CiSi
(1)
Pw=1n∑i=1n Pi
(2)
Ki=PiP×100%
(3)
式中，Ci为监测点第i项污染物实测浓度；Si为根据地表水环境质量标准规定的i项污染物的标准浓度；Pi为监测点第i项污染物的污染指数；n为水质指标个数；Ki为污染分担率；PW为综合污染指数，P为研究区域各污染因子的单项污染指数之和。
1.3.2 综合营养状态指数法
本文采用综合营养状态指数法（TLI（Σ））分析内蒙古乌梁素海、岱海和南海湖水体的营养状态。选取TP、TN和CODCr 3个指标（指标单位均为mg/L），分别计算各单项指标的营养状态指数TLI（j）:
TLI(TP)=10(9.436+1.624ln⁡TP)
(4)
TLI(TN)=10(5.453+1.694ln⁡TN)
(5)
TLICODCr=100.109+2.66ln⁡CODCr
(6)
TLI(Σ)=∑j=1m WiTLI(j)
(7)
式中，Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重；m为参加评价的参数个数；TLI（j）为第j种参数的营养状态指数。
1.4 数据分析及处理
本研究对2013—2023年乌梁素海、岱海和南海湖的pH值、DO、TN、TP、CODCr等水质指标进行全年以及冰封期和非冰封期的算术平均值计算。为评估数据的稳定性与离散性，对3个湖泊各月的水质理化指标数据进行标准偏差的计算，并据此绘制了误差棒图。所得实验数据采用 Excel 2020 进行有效汇总和整理，利用Origin 2021软件进行所有图形绘制与分析，并运用ArcGIS 10.8软件绘制采样点地图。本研究选用多元线性拟合方法检验3个湖泊Chl.a与TN、TP之间的相关性，通过Mann-Kendall 非参数突变检验法对湖泊氮磷比的时间变化趋势与突变进行判别，其中Mann-Kendall突变检验由MATLAB 2022软件完成，具体方法参见文献[24]，该方法不要求时间序列的数据满足正态分布。采用Pearson相关性系数表征3个湖泊2013—2023年水质指标与PW、TLI（j）之间的相关性，并通过SPSS 26软件进行相应的统计分析。
按照附表Ⅱ中的对应标准限值，选用PW、TLI（Σ）对内蒙古3个典型湖泊进行水质评价，并确定对湖泊水质影响较大的关键水质指标。将两种水质评价方法结合使用，进而客观准确地揭示乌梁素海、岱海和南海湖的水质变化过程。
2 结果与讨论
2.1 水环境因子的年际变化特征
2.1.1 pH值年际性变化特征
pH值主要是表征水体中无机物特征的重要指标，它通过影响水体的酸碱反应、氮和磷等营养元素的释放及水生生物的光合作用来影响水体富营养化状态[25]。2013—2023年乌梁素海、岱海和南海湖pH年际变化见图2。乌梁素海pH年均值变化范围在7.89~8.89之间，水体呈弱碱性，有利于藻类的生长和繁殖[26]。2013—2021年乌梁素海pH值呈波动下降趋势，在2021年达到最低值，2021—2023年pH值呈增长态势；岱海pH年均值变化范围在8.77~9.63之间，在研究期间呈缓慢上升趋势，2014年pH值最低，2023年最高。岱海pH年均值相对乌梁素海较高，是由于在2005—2015年期间京能电厂运行每年向岱海排入大量废水，导致岱海水体pH除个别年份降低外整体呈上升趋势[27]；南海湖pH年均值变化范围在8.56~8.98之间，多年呈波动增长趋势，pH最低值出现在2016年，最高值出现在2020年。
图22013—2023年乌梁素海、岱海和南海湖历年pH、DO变化
Fig.2Annual variation of pH, DO in Lake Wuliangsuhai, Lake Daihai and Lake Nanhai from 2013 to 2023
2.1.2 DO年际性变化特征
溶解氧是衡量地表水环境质量的重要指标之一[28]，2013—2023年乌梁素海、岱海和南海湖DO浓度年际性变化见图2。乌梁素海DO浓度年均值变化范围在5.74~11.88 mg/L之间，在2013—2023年呈显著增加趋势，最低值出现在2013年，最高值出现在2022年，浓度由2013年的Ⅲ类标准提升到2023年的Ⅰ类标准，水质状况明显好转；岱海DO浓度年均值变化范围在3.73~8.26 mg/L之间，浓度呈持续上升后下降的趋势，在2014年达到最低值，浓度由2014年的Ⅳ类标准提升到2023年的Ⅱ类标准，水质状况明显好转；南海湖DO浓度年均值变化范围在4.53~7.75 mg/L之间，2018年DO浓度明显下降后上升，2019—2022年DO浓度波动稳定，达到地表Ⅱ类水标准值，在2023年DO浓度达到最低。
2.1.3 CODCr年际性变化特征
CODCr能反映水体中有机物污染情况[29]，2013—2023年乌梁素海、岱海和南海湖CODCr以及冰封期和非冰封期的均值年际性变化分别见图3和图4。乌梁素海CODCr年均值范围在41.45~176.79 mg/L之间，年均值在研究期间呈显著下降趋势，CODCr最高峰出现在2013年。冰封期乌梁素海CODCr呈减小-增大-减小-增大-平缓的“W”字变化趋势，波动较大。受2016年夏季污水排入的影响，乌梁素海于2016年非冰封期和2017年冰封期CODCr均达到最大值，2018年总排干向乌梁素海的生态补水量大幅增加，导致CODCr显著降低[30]，2019年CODCr均值冰封期明显优于2018、2020年。乌梁素海CODCr于2023年降至最低，但仍超过地表Ⅴ类水标准限值。岱海CODCr年均值范围在103.59~247.25 mg/L之间，变化趋势表现为先陡然下降后波动式上升。由于京能电厂运行期间大量废水排入岱海，导致2013—2015年间岱海CODCr维持在较高水平[31-32]，在2014年CODCr达到了最高峰，而后CODCr出现了陡然下降后缓慢波动上升的趋势。岱海CODCr均值非冰封期略高于冰封期，这可能是因为岱海周边农田退水和生活用水在丰水期随着暴雨径流汇入湖泊，夏季微生物活性强，氧化分解的有机物相比于释放的有机物更少[33]。2023年岱海CODCr平均值依旧超过100 mg/L，远超地表Ⅴ类水标准限值，被认定为劣V类水体；南海湖CODCr年均值范围在49.45~208.2 mg/L之间，冰封期高于非冰封期。2015年南海湖主要依靠接纳周边工业废水和生活污水的东河补水，加重了湖泊的水质负担[34-35]，2015—2021年CODCr从94.82 mg/L波动降低至57.5 mg/L。在2021—2023年CODCr急剧上升而后下降至最低值（为49.45 mg/L），但均值仍超过地表水Ⅴ类水标准限值。
图32013—2023年乌梁素海、岱海和南海湖历年CODCr、TN、TP和NH3-N浓度变化
Fig.3Annual variation of CODCr, TN, TP and NH3-N concentration in Lake Wuliangsuhai, Lake Daihai and Lake Nanhai from 2013 to 2023
2.1.4 TN、TP、NH3-N年际性变化特征
TN、TP、NH3-N等都是评价水质富营养化程度的重要因素，也是区域水质治理的规划目标和水质管理的基础标准[36-39]，2013—2023年乌梁素海、岱海和南海湖TN、TP、NH3-N平均浓度以及冰封期和非冰封期浓度年际性变化见图3和图4。
乌梁素海TN浓度年均值范围在0.77~3.85 mg/L之间，TP浓度年均值范围在0.035~0.304 mg/L之间，NH3-N浓度年均值范围在0.34~0.82 mg/L之间，指标年均值浓度呈大幅度下降趋势。乌梁素海冰封期水体中的TN、TP、NH3-N主要来自于湖面封冻之前河套灌区的大量退水，由于冰封期乌梁素海中冰晶的形成和生长，将冰中的污染物排斥到湖泊水体中，使各类污染物在冰下水体中富集，出现了乌梁素海冰封期冰下水体中化学指标浓度普遍大于非冰封期的情况[40]。乌梁素海TP年均浓度最高峰出现在2014年，TN、NH3-N年均浓度在2014、2018年出现高峰值，这两年TN年均值均超过Ⅴ类标准水限值。2018年夏季乌梁素海地区发生山洪导致大量有机污染物涌入湖区，显著提升了湖区TN、TP、NH3-N浓度[41]。通过控制外源及大量引水的举措改善了乌梁素海的水质[42]，TN、TP和NH3-N年均浓度分别在2022年、2021年、2021年降到最低。自2013—2021年NH3-N浓度处于Ⅲ类水范围内，于2023年达到Ⅱ类水标准。湖泊水质从2014年的劣Ⅴ类改善至2023年的接近Ⅲ类，TN、TP浓度显著降低，冰封期和非冰封期TN、TP浓度也均符合此水质条件，水质转好趋势明显。
岱海TN浓度年均值范围在1.14~3.93 mg/L之间，TP浓度年均值范围在0.114~0.24 mg/L之间，NH3-N浓度年均值范围在0.18~0.78 mg/L之间，指标年均值和冰封期、非冰封期的浓度均呈波动上升趋势，主要源于岱海周边农业发展迅速，化肥使用量激增，导致养分过量输入湖泊，及湖底多年底泥营养盐内源释放的双重影响[43]。岱海TP年均浓度和非冰封期浓度在2014年、2021年均出现了高峰值，2016—2023年TP年均浓度整体波动较为平稳，基本保持在Ⅴ类水标准范围内。岱海TN浓度在2015年达到最低值，随着生活、工业废水的排放以及农业的面源污染[44]，2017—2023年TN年均浓度和冰封期、非冰封期浓度均出现大幅度波动上升趋势，于2020年TN年均浓度达到最大值。自2018—2023年TN年均浓度一直处于劣Ⅴ类水标准，NH3-N年均浓度由之前的Ⅱ类水标准值提升到2023年Ⅲ类水标准值。随着2021—2023年“引黄济岱”等工程的完成后[45]，TN、TP和NH3-N浓度均呈小幅度波动下降至稳定趋势。
图42013—2023年梁素海、岱海和南海湖冰封期和非冰封期CODCr、TN、TP和Chl.a浓度变化
Fig.4Annual variation of CODCr, TN, TP and Chl.a concentration in Lake Wuliangsuhai, Lake Daihai and Lake Nanhai in different periods from 2013 to 2023
南海湖TN浓度年均值范围在2.19~4.92 mg/L之间，TP浓度年均值范围在0.074~0.66 mg/L之间，NH3-N浓度年均值范围在 0.56~1.79 mg/L之间，指标年均值浓度和冰封期、非冰封期浓度整体均呈显著的波动降低趋势。南海湖各类营养盐浓度季节变化分布差异明显，多年冰封期TN、TP浓度大于非冰封期。TN、TP浓度在2015年最高，NH3-N浓度在2016年最高。2015—2019年南海湖各区域TN、TP、NH3-N浓度均严重超标，从TN浓度来看，南海湖水质多年超出Ⅴ类标准限值，属于劣Ⅴ类。直到2022—2023年，岱海非冰封期TN浓度提升至Ⅴ类水标准限值范围内。由于南海湖兼具旅游观光功能，游客主要集中在湖心附近，从而导致湖心区氮素污染严重[46]。自2019年起，随着环境治理工作的强度加大，南海湖氮素和磷素污染得到明显改善。
2.1.5 Chl.a年际性变化特征
非冰封期的浮游动植物和藻类生长旺盛，水体中Chl.a浓度较高。而冰封期低温环境造成水体中吸收氮元素的浮游植物和细菌活性较低，且由于水体表面覆盖了一层冰盖，光照与非冰封期相比有所下降，使浮游藻类的多样性指数下降[47]。2013—2023年乌梁素海、岱海和南海湖两时期的Chl.a浓度年际性变化见图4。在冰封期和非冰封期，乌梁素海Chl.a年均浓度范围分别在3.66~45.75和6.73~22.43 μg/L之间，岱海Chl.a年均浓度范围分别在5.05~20.00和9.06~23.16 μg/L之间，南海湖Chl.a年均浓度范围分别在8.17~44.44和20.06~78.42 μg/L之间，3个湖泊Chl.a年均浓度均呈先波动上升后降低的趋势。乌梁素海、岱海和南海湖Chl.a浓度均为非冰封期＞冰封期，而在2015年、2017年和2018年乌梁素海Chl.a浓度为冰封期＞非冰封期，这与南方湖泊研究有所差异，主要是由于河套灌区气候特征、湖水自身水质、植物生长周期以及非冰封期农田浇灌退水等综合因素导致[48]。岱海非冰封期水体交换加速，造成湖泊底泥中的营养元素被大量的释放出来，农田退水携带大量营养盐排入，使得藻类在温度适合条件下迅速生长繁殖，驱动Chl.a浓度增加，导致湖泊富营养化程度增大[49]。对比3个湖泊，南海湖的Chl.a 浓度相对较高，富营养化较严重，是由于受黄河补水量减少、人口增多、城市污染等影响，湖泊各种浮游植物大量生长，湖泊生态系统受到威胁，特别是处于非冰封期[50]。
2.2 水质评价
选取化学需氧量、氨氮、总磷、总氮4项湖泊特征污染物，以《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）[23]中的V类标准作为评价依据，对乌梁素海、岱海和南海湖指标的历年年均值进行污染指数评价。
2013—2023年乌梁素海PW值变化范围在0.49~1.73之间，水质污染程度从重度过渡为中度最后变成轻度污染，2013—2018年间，乌梁素海的水质呈现重度污染状态，其中2013年的PW值达到最大（表2）。随着生态补水量增大和治理工作大力实施，乌梁素海的水质在2019—2022年间逐渐改善为中度污染，到2023年进一步减轻至轻度污染。岱海的PW值变化范围在1.01~2.02之间，水质多年来一直处于重度污染状态。在2013—2023年期间，岱海水质均为重度污染，其中2014年的污染程度最为严重。岱海多年的PW波动下降，但整体分析来看，岱海依旧存在环境治理的迫切需求。南海湖的PW值变化范围在0.96~2.17之间，水质多年来一直为重度污染，在2021年和 2023年降至中度污染。
表22013—2023年乌梁素海、岱海和南海湖综合污染指数*
Tab.2 Comprehensive pollution index of Lake Wuliangsuhai, Lake Daihai and Lake Nanhai from 2013 to 2023
*清洁水质：PW≤0.25；较清洁水质：0.25＜PW≤0.4；轻度污染水质：0.4＜PW≤0.5；中度污染水质：0.5＜PW≤1；重度污染水质：PW＞1。“/”表示所在年份数据缺失。
乌梁素海、岱海和南海湖参评的4项因子污染分担率分析结果见图5。乌梁素海、岱海和南海湖CODCr平均污染分担率远远高于其他因子，约为50%以上，其中南海湖CODCr平均污染分担率约为40%，TN和TP影响因子次之，乌梁素海、岱海和南海湖的TN平均分担率均为20%以上。乌梁素海处于氮过剩的富营养状态，为典型的磷限制湖泊[51]。在3个湖泊中 TN、TP及CODCr平均污染分担率之和基本超过80%，说明TN、TP、CODCr对乌梁素海、岱海和南海湖水质影响应引起重视。
2.3 富营养化评价
从TLI（Σ）值可以看出（表3），2013—2023年乌梁素海富营养化程度正向好的方向转变并趋于稳定，富营养化程度从最初的重度富营养化逐渐降低至中度富营养化，并最终转变为轻度富营养化。 2018—2023年间TLI（Σ）值呈现明显的下降趋势，表明近年来乌梁素海流域实施的保护、修复和治理等一体化措施取得显著成效，水体的整体状态不断好转[42，52]。2014年乌梁素海TLI（Σ）值最高，呈重度富营养状态，2023年降至最低，呈轻度富营养状态。2017年乌梁素海冬季补水量少且受2016年大量污水排入的影响[38]，导致当年的TLI（Σ）增大。而2019年由于生态补水量大，乌梁素海在该年湖体水质相较于2018年和2020年水质有略微提升[30，53]。
图52013—2023年乌梁素海（W）、岱海（D）和南海湖（N）污染分担率
Fig.5Pollution sharing rates in Lake Wuliangsuhai（W）, Lake Daihai（D） and Lake Nanhai（N） from 2013 to 2023
2013—2023年岱海富营养化程度从重度转为中度，2005—2015年京能电厂运行期间每年向岱海排入大量废水，同时鸿茅镇以及岱海镇居民也向该区域排入大量生活污水，导致岱海水体富营养化加剧，使水生态呈现恶化趋势[31，45，54]。随着治理工程的实施，岱海水生态环境恶化趋势有所减缓，2015年后 TLI（Σ）值较2014年之前略有下降。随着2022年7月岱海生态应急补水工程的完工及“引黄济岱”试水的完成[45，55-56]，2020—2023年岱海水质转为中度富营养状态，2023 年TLI（Σ）值明显降低，岱海生态环境逐渐改善。
表32013—2023年乌梁素海、岱海和南海湖TLI（Σ）变化*
Tab.3 Changes of TLI (Σ) in Lake Wuliangsuhai, Lake Daihai and Lake Nanhai from 2013 to 2023
*贫营养：TLI（Σ）＜30；中营养：30≤TLI（Σ）≤50；轻度富营养：50＜TLI（Σ）≤60；中度富营养：60＜TLI（Σ）≤70；重度富营养：70＜TLI（Σ）≤100。“/”表示所在年份缺失数据。
在2015—2023年南海湖持续处于重度富营养化状态，在2020—2023年间TLI（Σ）值有所降低。南海湖水循环周期长，自净能力较弱，水环境容量较小。在3个不同类型湖泊中，南海湖因旅游开发活动导致污染负荷较高，污染程度最为严重，水质以劣Ⅴ类为主[57-60]。南海湖各营养盐年际变化明显，其中TN、CODCr污染最为严重，CODCr超标倍数较高。
2.4 PW、TLI（Σ）的关键水质指标判定
将乌梁素海、岱海和南海湖各水质指标与TLI（Σ）、PW进行Pearson相关性分析，结果见图6。乌梁素海的TLI（Σ）与DO呈显著负相关（P＜0.05），相关系数为-0.75，PW与TN、TP、CODCr呈极显著正相关（P＜0.01），相关系数分别为 0.89、0.90、0.95，表明乌梁素海水体富营养化与水体氮磷浓度和有机污染程度密切相关。河套灌区长期过量氮磷施用造成了农田土壤氮磷遗留量不断累积，成为乌梁素海流域氮磷污染的重要来源[61]。乌梁素海长期接纳流域内各级排干沟的农田退排水，农业面源污染负荷已逐步成为乌梁素海的主要污染源。岱海TN与DO呈极显著正相关（P＜0.01），NH3-N与pH呈显著正相关（P＜0.05），说明岱海营养盐在一定程度上受水环境因子的影响。岱海PW与CODCr呈极显著正相关（P＜0.01），与TP呈显著正相关（P＜0.05），与TN呈显著正相关（P＜0.05）。2018—2023年岱海水体 TN 浓度一直处于劣Ⅴ类水标准范围，表明岱海水体受氮污染明显[62]；南海湖 TLI（Σ）与TN、TP呈极显著正相关（P＜0.01），相关系数分别为0.85和0.91，PW与NH3-N和TP呈显著正相关（P＜0.05），TN与TP呈极显著正相关（P＜0.01），说明南海湖水质污染受氮磷浓度影响明显，近年自然条件变化和人为活动常导致南海湖氮素污染加重，可通过人工湿地高效净化南海湖的含氮污染物[50]。
图6各水质指标与PW和 TLI（Σ）的Pearson相关性分析（图中圆形的面积与颜色表示相关性大小，面积越大，颜色越深，相关性越强，反之相关性越弱；*P＜0.05，**P＜0.01）
Fig.6Pearson correlation analysis of various water quality indicators with comprehensive pollution index and TLI (Σ)
2.5 乌梁素海、岱海、南海湖氮磷比的时间演变趋势
基于乌梁素海、岱海、南海湖的多年氮磷监测数据，得到3个湖泊TN/TP的逐年变化。2013—2023年乌梁素海的TN/TP为28.02~89.84，岱海的TN/TP为10.98~66.94，南海湖的TN/TP为16.51~79.00（图7）。
根据国内外学者提出的水中营养物限制性分类标准：TN/TP（摩尔比）≥50时为磷限制状态，而TN/TP（摩尔比）≤22时为氮限制状态[63-65]。本文将TN/TP≥50作为磷限制状态，TN/TP≤22作为氮限制状态，22＜TN/TP＜50作为适宜藻类生长的阈值[66]。2013—2023年期间乌梁素海36%的年份TN/TP高于50，64%的年份处于氮磷共限制状态。表明乌梁素海湖体多数时间适宜藻类生长繁殖，磷可能是浮游植物生长的限制因子，可能是乌梁素海Chl.a浓度的主要影响因素。研究期间岱海36%的年份TN/TP高于50，18%的年份TN/TP低于22，其余年份TN/TP介于两者之间，说明岱海可能是氮、磷共同限制型湖泊。Hou等[67]基于2007年9月数据发现岱海水体氮/磷比值较低（0.42~2.59），藻类生长的限制营养物质为氮。杨文焕等[15]发现磷为岱海冰封期初级生产力的主要限制因子。由前文TLI（Σ）值表明，岱海富营养程度较高，在不同时期内，岱海氮、磷限制类型不同，藻类Chl.a的实际限制因子也会随氮磷比动态变化[68]。研究期间南海湖22%的年份处于氮限值，多数年份TN/TP适宜藻类生长的阈值（22＜TN/TP＜50）。现有研究表明南海湖以蓝藻和绿藻为主要优势藻类，限制蓝藻和绿藻的主要影响因子为TN和TP[69]。因此，Chl.a与TN和TP浓度之间的正相关性，表明南海湖TN和TP浓度会对藻类季节性生长产生显著影响。
图72013—2023年乌梁素海（W）、岱海（D）、南海湖（N）TN和TP浓度变化（a），TN/TP变化（b）
Fig.7Changes in total nitrogen and total phosphorus concentration (a) , TN/TP (b) in Lake Wuliangsuhai (W) , Lake Daihai (D) and Lake Nanhai (N) from 2013 to 2023
乌梁素海、岱海、南海湖TN/TP的 Mann-Kendall 趋势检验的统计值分别为1.62、2.83、1.69，均呈显著上升趋势（P＜0.01）。从 Mann-Kendall 的突变检验结果看，研究期间3个湖泊的TN/TP均存在显著突变。其中，乌梁素海、岱海、南海湖TN/TP分别在2014年、2017年、2018年发生了上升突变（图8）。对照图4，在非冰封期乌梁素海和南海湖的Chl.a浓度也分别在2014年和2018年显著增加。
2.6 乌梁素海、岱海、南海湖叶绿素a与总氮、总磷的浓度关系分析
水体中营养盐浓度变动是影响浮游植物生长状况的主要条件，叶绿素a作为浮游植物体内的主要色素，其与营养盐的关系较为复杂[70]。大量的研究结果都表明[71-73]，Chl.a浓度的对数与TN、TP浓度的对数呈线性关系，但直线的斜率、截距因水体影响因子的不同而有所差异。Vollenweider [74]根据大量的欧洲湖泊数据，提出了Chl.a与TP之间的类似（对数）线性关系。因此使得Chl.a与TP的（对数）线性关系得到普遍认同，这些研究也为Schindler [75]在Science上发表他的著名论文提供了重要的依据，激发更多的湖沼学家去探索湖泊TP与Chl.a之间的关系。
根据2013—2023年水质检测数据，对乌梁素海、岱海和南海湖冰封期和非冰封期的Chl.a浓度与TN、TP浓度对数化处理后进行线性拟合，分析相关关系，建立回归方程，分析结果见图9。结果表明在冰封期和非冰封期乌梁素海、岱海和南海湖水体的Chl.a与TN、TP均分别呈极显著正相关（P＜0.01），决定系数R2均在0.70以上。
氮、磷营养盐是浮游植物生长所必需的营养元素和主要控制因子，乌梁素海和岱海的氮、磷污染可能源于农业活动或工业排放等外部因素，而南海湖的氮污染可能由湖泊内水生生物氮代谢等引起[76]。结合上文，乌梁素海应优先控磷，鉴于乌梁素海当前主要污染源为灌区的农业面源污染[77]，应从不同空间尺度和治理环节入手开展灌区农业高效节水与面源污染源头防控技术[78]，建议加强生态沟渠[79]和人工湿地建设，截留、降低外源污染；岱海和南海湖需要同时控制氮和磷的流入量[80]，并且加强湖泊底泥磷的治理。在考虑水文条件与水质变化的同时，关注非营养因素（如人类活动等）的变化[81]以防止湖泊富营养化的加重。在营养盐的控制中，由于氮会经反硝化作用自然转移出水体，而磷则会一直在湖内积累形成内源污染[82]，因此相对来讲控磷这一过程尤为重要。随着2023年开始正式实施“引黄济岱”工程，岱海的面积缩减明显放缓，水质污染有望得到控制，流域生态环境逐步改善。南海湖可通过人工湿地建设[58]和生态恢复措施，净化东河东污水处理厂部分尾水与南海湖湖水，保障“东河槽入黄”围控断面水质的稳定达标，周边及内部水源均得到深度净化。
图82013—2023年乌梁素海（a）、岱海（b）、南海湖（c）TN/TP Mann-Kendall 突变检测（UF和 UB分别为 Mann-Kendall 正向和逆向序列的统计检验值）
Fig.8Mann-Kendall mutation detection of TN/TP in Lake Wuliangsuhai (a) , Lake Daihai (b) and Lake Nanhai (c) from 2013 to 2023 (UF and UB are statistical test values of Mann-Kendall forward and reverse sequences, respectively)
3 结论
1）2013—2023年，乌梁素海、岱海和南海湖水体的pH、DO、TN、TP、CODCr、NH3-N和Chl.a浓度呈现显著的年际变化。3个湖泊的CODCr、TP、NH3-N、Chl.a年均浓度整体呈现下降趋势，乌梁素海TN、CODCr年均浓度相比于其他2个湖泊较低。2015—2020 年间南海湖水质劣于Ⅴ类水标准限值，TN、TP浓度多年冰封期高于非冰封期，3个湖泊Chl.a浓度几乎均为非冰封期＞冰封期。
2）应用TLI（Σ）方法分析表明：乌梁素海的水体富营养化程度随年际变化呈现出从重度到中度再到轻度富营养化的转变过程；岱海的富营养化程度则从重度转变为中度富营养化状态；而南海湖多年来一直维持在重度富营养化状态。应用PW方法分析表明：乌梁素海水质污染程度从重度过渡到中度，最后变成轻度污染状态。岱海和南海湖水质则多年处于重度污染状态，其中南海湖在2021年和2023年水质有所改善，转为中度污染。
图9乌梁素海（a~b）、岱海（c~d）、南海湖（e~f）TN、TP与Chl.a的回归关系曲线
Fig.9Regression curves between TN, TP and Chl.a in Lake Wuliangsuhai (a-b) , Lake Daihai (c-d) and Lake Nanhai (e-f)
3）乌梁素海水体的富营养化程度与水体氮、磷浓度及有机污染程度均呈显著正相关，岱海和南海湖主要受氮素污染。通过回归线性拟合与TN/TP的逐年分析，3个湖泊的Chl.a与TN、TP浓度均呈极显著正相关，磷可能是乌梁素海Chl.a的主要影响因素，岱海和南海湖可能是氮、磷共同限制型湖泊。
4 附录
附表Ⅰ和附表Ⅱ见电子版（DOI: 10.18307/2025.0420）。
图1乌梁素海、岱海、南海湖采样点布置
Fig.1Layout of sampling sites in Lake Wuliangsuhai, Lake Daihai and Lake Nanhai
图22013—2023年乌梁素海、岱海和南海湖历年pH、DO变化
Fig.2Annual variation of pH, DO in Lake Wuliangsuhai, Lake Daihai and Lake Nanhai from 2013 to 2023
图32013—2023年乌梁素海、岱海和南海湖历年CODCr、TN、TP和NH3-N浓度变化
Fig.3Annual variation of CODCr, TN, TP and NH3-N concentration in Lake Wuliangsuhai, Lake Daihai and Lake Nanhai from 2013 to 2023
图42013—2023年梁素海、岱海和南海湖冰封期和非冰封期CODCr、TN、TP和Chl.a浓度变化
Fig.4Annual variation of CODCr, TN, TP and Chl.a concentration in Lake Wuliangsuhai, Lake Daihai and Lake Nanhai in different periods from 2013 to 2023
图52013—2023年乌梁素海（W）、岱海（D）和南海湖（N）污染分担率
Fig.5Pollution sharing rates in Lake Wuliangsuhai（W）, Lake Daihai（D） and Lake Nanhai（N） from 2013 to 2023
图6各水质指标与PW和 TLI（Σ）的Pearson相关性分析（图中圆形的面积与颜色表示相关性大小，面积越大，颜色越深，相关性越强，反之相关性越弱；*P＜0.05，**P＜0.01）
Fig.6Pearson correlation analysis of various water quality indicators with comprehensive pollution index and TLI (Σ)
图72013—2023年乌梁素海（W）、岱海（D）、南海湖（N）TN和TP浓度变化（a），TN/TP变化（b）
Fig.7Changes in total nitrogen and total phosphorus concentration (a) , TN/TP (b) in Lake Wuliangsuhai (W) , Lake Daihai (D) and Lake Nanhai (N) from 2013 to 2023
图82013—2023年乌梁素海（a）、岱海（b）、南海湖（c）TN/TP Mann-Kendall 突变检测（UF和 UB分别为 Mann-Kendall 正向和逆向序列的统计检验值）
Fig.8Mann-Kendall mutation detection of TN/TP in Lake Wuliangsuhai (a) , Lake Daihai (b) and Lake Nanhai (c) from 2013 to 2023 (UF and UB are statistical test values of Mann-Kendall forward and reverse sequences, respectively)
图9乌梁素海（a~b）、岱海（c~d）、南海湖（e~f）TN、TP与Chl.a的回归关系曲线
Fig.9Regression curves between TN, TP and Chl.a in Lake Wuliangsuhai (a-b) , Lake Daihai (c-d) and Lake Nanhai (e-f)
表1乌梁素海、岱海、南海湖概况
表22013—2023年乌梁素海、岱海和南海湖综合污染指数*
表32013—2023年乌梁素海、岱海和南海湖TLI（Σ）变化*
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