1 引言(Introduction)

气候变化直接影响到流域水文循环和水质状况, 而水质是控制人和动物健康的主要因素, 一个地区地表水体的质量受控于自然过程(岩石风化、土壤侵蚀)、气候条件(气温、降水、蒸发)和人类活动(人工水库、农业灌溉、盐湖工业开发).近年来, 气候变化对水质的影响正在成为新问题和新挑战, 受到国内外学者的普遍关注(Crossman et al., 2013; 刘梅等, 2015; 张永勇等, 2017).湖泊作为陆地水圈的重要组成部分, 参与自然界水文循环过程, 对气候变化的响应颇为敏感, 而湖泊水质是研究湖泊变化及其对气候变化响应的重要指标(张雪芹等, 2012).

青藏高原湖泊分布较多的是构造湖和冰湖, 构造湖是指由于地壳内力作用, 包括地壳构造运动所产生的地壳断陷、坳陷和沉陷所产生的构造湖盆, 经贮水而形成的湖泊, 一般为大中型湖泊, 主要分布在高原内流区, 为封闭性湖泊；冰湖是指山谷或山麓冰川作用形成的小型湖泊, 主要分布于高原边缘, 是以冰川融水补给为主的开放式湖泊, 其面积一般为10 km²左右, 甚至不足1 km²(陈志明, 1981).青藏高原构造湖和冰湖成因、分布及规模等的差异, 必然导致其水化学性质的差异, 因此, 对其开展水化学性质差异研究对青藏高原构造湖和冰湖的研究具有重要意义.目前, 我国湖泊水质研究多集中在人口密集的东部季风区(于洋等, 2010; 肖海丰等, 2011; 田伟东等, 2016), 针对西部非季风区尤其是青藏高原地区的研究较少.

本文以青藏高原面上东北部G315, 中部S301、S302、S206及南部G219、G318沿线的22个构造湖和喜马拉雅山中段北坡叶如藏布流域11个冰湖为研究对象, 研究青藏高原湖泊水质现状, 对比构造湖和冰湖水化学差异, 同时进行历史比对, 揭示青藏高原湖泊水质变化特征及其对气候变化的响应, 以期为青藏高原湖泊水资源的研究提供基础资料.

2 研究区概况(Study area)

青藏高原(26°00'N~39°46'N, 73°18'E~104°46'E)在我国境内部分西起帕米尔高原, 东至横断山脉, 南至喜马拉雅山脉南缘, 北迄昆仑山-祁连山北侧, 面积为2572.4×10³ km².在行政区划上涉及我国6个省区：西藏自治区、青海省、云南省、四川省、甘肃省、新疆维吾尔自治区, 其主体部分在我国青海和西藏(张镱锂等, 2002).高原面上河流众多、湖泊星罗棋布, 是东亚著名大河长江、黄河、印度河等江河的发源地, 也是世界上海拔最高、范围最广、数量最多的高原湖泊群区, 湖泊主要分布在海拔4000~5000 m的区域, 总面积达44840.16 km², 约占我国湖泊总面积的56%(孟庆伟, 2007).高原内流区湖泊以内陆咸水湖或盐湖为主, 藏南外流区许多湖泊都为淡水湖, 淡水占湖泊水储量的12.7%, 是农业灌溉的重要水源(鲁春霞等, 2004).

青藏高原被划分为12个子流域(图 1), 包括9个外流流域(木达雅流域、雅鲁藏布流域、恒河流域、河西流域、印度河流域、湄公河流域、怒江流域、长江流域和黄河流域)和3个内流流域(青藏高原内流区、塔里木流域和柴达木流域)(Wan et al., 2016).本研究湖泊采样点分属4个流域, 其中, 蓬错、班戈错、雅根错、错鄂、色林错、赛布错、恰规错、达则错、洞错、木布错、大熊湖、雪源错、其朵错、达瓦错及打加错均属青藏高原内流区, 青藏高原内流区周围被高大的山系包围, 区域内气候环境呈现酷寒、多风、干燥的特点(崔志勇等, 2014), 湖水主要依靠地表径流补给；小柴旦湖和尕海属于柴达木流域, 地处青藏高原北部, 主要受西风环流和高原季风影响, 呈现为冷干沙漠气候, 年均温为3.4 ℃, 年降水量不足200 mm, 多年平均蒸散发高达1038.3 mm(张存桂等, 2012)；青海湖属于黄河流域, 为我国最大的内陆封闭性微咸水湖, 湖水主要依赖河水补给, 其次是湖底的泉水和降水(侯昭华, 2009)；11个冰湖采样点和打加芒错、昂仁错、浪错及无名小湖均属雅鲁藏布流域, 且11个冰湖采样点均位于雅鲁藏布流域的子流域叶如藏布流域, 叶如藏布流域在行政区划上位于西藏自治区日喀则市定结县境内, 地势南高北低, 起伏大, 平均海拔为5752 m, 属典型高寒地区(安丽娜等, 2007), 叶如藏布支流给曲流域发育有大面积现代冰川, 近40年, 受升温的影响, 冰川消融加速, 补给湖泊的融水量增加(丁永建等, 2006).

3 材料与方法(Materials and methods) 3.1 采样与实验分析

2016年9—10月对青藏高原面上东北部G315, 中部S301、S302、S206, 南部G219、G318沿线的22个构造湖和喜马拉雅山脉中段北坡叶如藏布流域11个冰湖进行考察研究, 期间利用聚乙烯塑料瓶根据湖泊面积大小在每个湖泊采集2~6个水样, 测试后取平均值作为该湖泊的水样数据, 共33个.本研究测定的水质样品分析指标共28项, 其中, Cr、Mn、Fe、Cu、NH₄⁺-N、NO₂^-、余氯、总氯、Ni、色度、DO、PO₄^3-、ClO₂^-、悬浮物、浊度等15项均利用多参数水质分析仪(XZ-0125型)测定(测3次取平均值), 测试精度为±5%；盐度、pH值、EC、TDS、F^-、HCO₃^-、Cl^-、SO₄^2-、Na⁺、NH₄⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺等分析工作均在中国科学院冰冻圈科学国家重点实验室完成.pH值使用PHSJ-4A(0.001)酸度计测定, EC和TDS使用DDSJ-308A(0.001)电导率仪测定, Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、K⁺、NH₄⁺等阳离子浓度使用Dionex-600型离子色谱仪测定, F^-、HCO^-、Cl^-、SO₄^2-等阴离子浓度使用Dionex-300型离子色谱仪测定, 测试精度均达到ng·g^-1量级, 测试误差控制在0.5%以内；总硬度(TH, mg·L^-1, 以CaCO₃计)通过公式：TH= 2.497[Ca] + 4.118[Mg]计算得到(者萌等, 2016).所有测试和计算结果见表 1和表 2.

3.2 气象站点数据

为探讨湖泊水质变化对气候变化的响应, 本研究选用湖泊采样点附近1975—2016年12个气象站点(表 3)的气温和降水资料, 数据由国家气象科学数据共享服务网(http://www.cma.gov.cn/2011qxfw/2011qsjgx/)提供.

3.3 水质评价方法

本文选用单因子水质评价法对青藏高原湖泊水质现状进行评价.单因子水质评价法是将各评价指标的实测浓度值与标准值进行对比来判断水质的优劣程度, 是《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中规定的评价方法, 目前得到广泛应用(徐彬等, 2014).水质单因子污染指数计算公式见式(1).

(1)

式中, c_i为水质指标i的实测浓度；S_i为水质指标i的评价标准值, 参照《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中Ⅲ类水质评价标准对青藏高原湖泊水质进行评价.P_i≤1表示水体未受污染, P_i＞1表示水体受到污染, 具体数值直接反映污染物超标程度(者萌等, 2016).

4 结果与讨论(Results and discussion) 4.1 湖泊水化学指标统计

2016年9月青藏高原面上湖泊日间平均水温为8.8 ℃, 各湖泊水化学浓度指标和水质参数指标均存在显著差异(表 1、2), 构造湖主要离子浓度、TDS、pH值高且跨度范围大, 水质参数浓度低且跨度范围小；冰湖各离子浓度显著低于构造湖, 但色度、浊度及微量元素Cr、Cu、Fe、Mn、Ni等含量却高于构造湖.就单个湖泊而言, 构造湖中小柴旦湖的Cl^-、NO₂^-、Na⁺、NH₄⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、TH均为最高, 大部分冰湖Cr、Ni含量都较高.

青藏高原各湖泊水化学组成存在明显差异, 按主要离子总量分类标准(张雪芹等, 2012)：小于1000 mg·L^-1为淡水湖, 1000~3500 mg·L^-1为微咸水湖, 3500~5000 mg·L^-1为咸水湖, 大于5000 mg·L^-1为盐湖, 则22个构造湖中有6个淡水湖、4个微咸水湖、1个咸水湖、11个盐水湖；11个冰湖均为淡水湖.

4.2 湖泊水化学组成

湖泊一般经历从淡水湖到咸水湖再到盐湖直至盐湖结束的演化过程, 其水化学类型也遵循一定的演化规律：碳酸盐型-硫酸钠型-硫酸镁型-氯化物型.青藏高原湖泊演化遵循从碳酸盐型到硫酸盐型再到氯化物型的正演化序列(王海雷, 2010), 基于Piper三线图, 可以将湖水化学类型划分为Ca²⁺(Mg²⁺)-SO₄^2-(A区)、Ca-HCO₃(B区)、Na(K)-Cl(C区)和Na-HCO₃(D区)4种类型(李承鼎等, 2016), 22个构造湖有16个均位于C区, 为Na(K)-Cl型湖泊(图 2a), 表明大部分构造湖处于湖泊演化的后期；其余6个位于A区, 湖水水化学类型为Ca²⁺(Mg²⁺)-SO₄^2-型, 说明这6个湖泊处于湖泊演化的中期；而11个冰湖全部位于A区, 均为Ca²⁺(Mg²⁺)-SO₄^2-型湖泊(图 2b), 说明11个冰湖均处于湖泊演化的中期.

4.3 湖泊矿化度分布特征及其驱动

湖水矿化度是研究湖泊水体污染的重要指标.由图 3可知, 2016年青藏高原22个构造湖和11个冰湖的矿化度空间分布差异显著, 近似呈北高南低的分布规律, 低纬冰湖矿化度比较低, 均低于300 mg·L^-1, 而高纬构造湖矿化度高且差异显著, 矿化度高于10000 mg·L^-1的湖泊有4个, 其中, 小柴旦湖矿化度最高, 达48000 mg·L^-1(表 4).

为了探讨湖泊水质特征在近几十年的变化及其对气候变化的响应, 本文选取本研究所涉及的在20世纪90年代前已有研究的13个湖泊(王苏民等, 1998), 对比分析近几十年湖泊矿化度的变化, 结果显示, 湖泊矿化度在近几十年间均降低(图 4), 其中, 雅根错、小柴旦湖、尕海、达则错矿化度大幅度降低, 雅根错矿化度从196.6 g·L^-1减少到7.44 g·L^-1, 小柴旦湖矿化度从339.07 g·L^-1减少到48 g·L^-1, 尕海矿化度从90.59 g·L^-1减少到0.95 g·L^-1, 达则错矿化度从40.6 g·L^-1减少到11.4 g·L^-1.

本研究湖泊矿化度与20世纪90年代前相比, 大幅度下降甚至出现数量级差别, 这表明青藏高原湖泊水体近几十年来呈淡化趋势.青藏高原气候变暖速率是全球气候变暖速率的3倍(Qiu, 2008), 结合采样点附近气象站近几十年气温、降水资料(图 5), 气温除了西宁气象站, 其他气象站均呈升高趋势, 降水量除了聂拉木气象站, 其他各气象站亦均呈不同程度的增加趋势.前人对青藏高原气候变化也做过研究, 如吴绍洪等(2005)对青藏高原近70个气象站点的研究表明, 青藏高原1971—2000年气温整体上以0.024 ℃·a^-1速率升高, 降水量以1.196 mm·a^-1的速率增加, 30年来青藏高原地区年降水量增加了6.9%, 年最大可能蒸散发以1.914 mm·a^-1的速率减少, 30年来青藏高原地区年最大可能蒸散发减少了6.5%.

雅根错湖区属羌塘高寒草原半干旱气候, 湖水主要依靠泉集河补给, 尕海属柴达木荒漠干旱、极干旱气候, 湖水主要依靠地下水补给, 达则错主要依靠波苍藏布和那若曲补给(王苏民等, 1998), 这3个湖区可能随着流域降水量增加和湖面蒸发量减少, 湖泊矿化度降低.小柴旦湖属柴达木荒漠干旱、极干旱气候, 湖水主要依靠塔塔陵河、泉水和地下水补给, 塔塔陵河发源于祁连山脉的盖儿哈达山, 河流上游冰川面积103.56 km², 冰川融水补给占总径流量的39.3%(周长进等, 2002), 可见小柴旦湖在受到流域降水量和蒸发量影响的同时, 还受到由于全球气候变暖, 冰川融水增加的影响, 使得湖水矿化度大幅度降低.同样, 错鄂、色林错、恰规错、洞错及打加错也受降水量和冰川融水增加及蒸发量减少多方面影响, 但由于湖泊流域面积、体积和扩张速率的不同, 其湖水矿化度变化幅度也有所差异.

4.4 湖泊水质现状评价结果

我国《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中规定地表水体pH值为6~9, 青藏高原大部分构造湖pH值(表 2)和TDS严重超标(表 5), 其中, 洞错、木布错、小柴旦湖超标最严重, 其TDS浓度分别为标准值的32.8、45.6、48.0倍；其次, 蓬错、雪源错、达瓦错、打加错、昂仁错、尕海6个湖泊受到F^-的污染, 其浓度分别为标准值的5.5、5.5、1.4、24.4、16.3、1.2倍, 这是受青藏高原构造湖地理环境和气候条件及水化学特性共同作用的结果：青藏高原构造湖大部分为封闭性内陆湖泊, 出水途径只有湖面蒸发(徐军等, 2010), 且构造湖采样点主要分布在青藏高原的中部和东北部, 属干旱半干旱气候, 降水量小, 湖泊蒸发量大, 浓缩作用使湖泊水体TDS浓度和pH值偏高, 而pH值偏高的碱性水化学条件极有利于F^-的富集(杨林锋等, 2010).

冰湖水体受到Fe、Mn、Cr、Ni的污染较为严重, 尤其重金属元素Cr、Ni超标极为严重, 11个冰湖采样点有10个受到Cr的污染, 仅C采样点符合《地表水环境质量标准》标准范围, 但也接近标准值上限；8个采样点Ni严重超标, 其中, B、F、G、H、I 5个采样点Ni的浓度分别高达标准值的49.5、32、50、27.5、28.5倍(表 5).在没有人为污染的情况下, 水中的重金属浓度受研究区地质构造、土壤等自然条件的影响, 取决于水与土壤、岩石的相互作用, 其浓度一般很低(刘总堂等, 2010), 而人类的废水、废渣也都能造成Cr、Ni等重金属元素的污染(尹国勋等, 2007).有学者记载(杜斌, 2011), 由于定结县当地百姓环保意识不足和相关设施不到位等原因, 许多生活垃圾和污水被排入江河；且叶如藏布上建有荣孔电站, 水电站放水冲刷时, 会导致吸附在泥沙表面的重金属重新释放到水中, 加重水体重金属污染的程度(李锦胜, 2011).因此, 冰湖Cr、Ni浓度严重超标, 可能与当地居民的生产生活有关, 需进行更深入的调查研究和实验分析.

综上分析, 由于受形成条件、地理环境及气候条件等的影响, 青藏高原构造湖和冰湖水体污染物存在差异；构造湖主要表现为pH值、TDS浓度超标, 而冰湖主要表现为Fe、Mn、Cr、Ni金属元素的污染, 尤其是Cr、Ni重金属元素超标严重.

5 结论(Conclusions)

1) 青藏高原构造湖和冰湖水化学指标浓度和水化学组成存在显著差异.构造湖一般水化学指标浓度远高于冰湖, 而冰湖重金属浓度高于构造湖；构造湖水化学组成较冰湖多样, 按离子含量分类, 构造湖可分为淡水湖、微咸水湖、咸水湖、盐湖, 而冰湖全部为淡水湖；按化学成分分类, 22个构造湖, 6个属于Ca²⁺(Mg²⁺)-SO₄^2-型湖泊, 16个属于Na⁺(K⁺)-Cl^-型湖泊, 而11个冰湖全部位于属于Ca²⁺(Mg²⁺)-SO₄^2-型湖泊.

2) 从空间分布上看, 青藏高原湖水矿化度表现为自高纬向低纬降低的趋势；与20世纪90年代以前相比, 近40年来大部分构造湖矿化度降低, 水体呈不同程度的淡化趋势, 可能与青藏高原近几十年气温上升、降水量和冰川融水增加、蒸发量减少有关.

3) 青藏高原构造湖和冰湖水体污染物存在差异.由于受地理环境、气候条件及水化学特性共同影响, 青藏高原大部分构造湖pH值、TDS严重超标, 其次有6个湖泊也受到F^-的污染；而冰湖水体受到Fe、Mn、Cr、Ni的污染较为严重, 尤其重金属元素Cr、Ni超标极为严重, 可能与人类活动有关.

需指出, 不同的观测方法得到的数据可能存在差异, 本研究在与20世纪90年代以前的湖泊矿化度做对比时, 没有比较两期数据的观测方法, 只对数据做了单方面的对比, 结果可能存在误差.其次, 由于野外采样条件的限制, 本研究采样点布设欠完善, 尤其是冰湖采样点数量较少, 以后还需加大采集范围和密度.另外, 本研究尚不能精准判断湖泊水体污染物来源, 研究区地质构造、土壤、地下水等的实验分析和人口分布及生活生产方式的深入调查可为污染物来源解析提供数据支持, 将在以后的工作中进一步研究.

致谢: 感谢中国科学院冰冻圈科学国家重点实验室的支持和朱宇曼老师的辛勤付出, 以及西北师范大学地理与环境科学学院安丽娜、高永鹏等同学在野外采样工作中的鼎力相助.