烏梁素海濕地對營養鹽的削減效率及其分區研究

毛旭鋒, 魏曉燕, 陳 瓊, 魏希杰

(1.青海師范大學 生命與地理科學學院, 西寧 810000; 2.青海大學 獸醫科學院草原研究所, 西寧 810016)

烏梁素海濕地對營養鹽的削減效率及其分區研究

毛旭鋒1, 魏曉燕1, 陳 瓊1, 魏希杰2

(1.青海師范大學 生命與地理科學學院, 西寧 810000; 2.青海大學 獸醫科學院草原研究所, 西寧 810016)

基于烏梁素湖區20個監測點近2 a的監測數據，分析不同介質(水體、植物和底泥)對總氮和總磷的凈化過程，構建削減效率指數，核算不同湖區對營養鹽的削減效率，通過聚類分析劃分削減區。結果顯示：水體和植被中N和P營養鹽濃度(含量)隨著水體流動逐漸擴散降低，而底泥中營養鹽分布沒有明顯規律，濃度最高點出現在距離入水口較遠的東南部湖區。 N和P營養鹽在水體和植物間的分布呈正相關(N，R2=0.665,p<0.05; P，R2=0.767,P<0.01)，而營養鹽在底泥—水體，底泥—植物間的分布未發現明顯的相關性。湖區依照營養鹽削減效率可劃分為2～4個削減區，不同削減區應采用不同控制手段。本研究可為烏梁素海湖泊水體富營養化控制和管理提供科學依據。

營養鹽; 削減效率; 分區研究; 烏梁素海

濕地作為地球三大生態系統之一，對維持地區生態安全具有重要的意義[1-2]。湖泊濕地生態系統通過物理、化學和生物過程，將水體中氮、磷等營養鹽吸收、轉化、沉淀，使水體得以凈化[3-5]，這一過程對維持人類水生態和水環境健康十分關鍵。受水體生物種類和數量、地形、流速等因素的影響，湖泊對營養鹽的凈化機理十分復雜[6-8]，不少學者對不同地區湖泊的自凈過程展開了相關的研究。 多數研究基于湖泊進、出水口水體濃度對比，研究湖泊的凈化效果[9-11]；進一步的研究包括對營養鹽濃度季節變化來分析湖泊濕地的凈化效果[12-13]。 這些研究控制湖泊營養元素、改善富營養化水質具有重要的科學意義。

然而，僅通過對比出入湖口的水質分析水體的自凈功能，它屬于一種黑箱模型，不能解釋營養鹽在湖區內削減和變化規律以及湖泊對營養鹽的削減特征，難以通過該模型探究營養鹽的削減規律。不能分析湖泊濕地對營養鹽削減的過程，也就難以支撐湖泊濕地對營養鹽和污染物的凈化過程和機理研究[14]。分析湖區不同介質(水體、植物和底泥)對營養鹽的凈化過程，核算不同湖區對營養鹽的削減效率，有利于將營養鹽削減研究從黑箱模型向過程模型，有助于分析當前我國湖泊普遍富營養化現象，也有利于開展不同湖區的凈化效率特征分區，制定精細化、目標化的湖泊恢復措施。

本研究以內蒙古烏梁素海湖泊為例，對湖泊水體、底泥和沉水植物的氮磷濃度進行分析，研究三種介質中營養鹽濃度分布的相關性，判斷湖泊對營養鹽的削減過程和效率，并根據結果對湖泊進行有效分區，為湖庫富營養化治理提供科學依據。

1 研究區概況

烏梁素海位于內蒙古自治區巴彥淖爾市烏拉特前旗境內(40°36′—41°03′N，108°43′—108°57′E)(圖1)， 湖面高程海拔1 018 m，湖水深度多數區域在0.5～2.5 m之間，近3 a平均水深達到為1.5 m。 烏梁素?，F有水域面積285.38 km2，其中蘆葦區面積為118.97 km2，明水區面積為111.13 km2，近80%為沉水植物密集區，以龍須眼子菜為優勢植物。

烏梁素海的補給水源主要是河套灌區的農田退水，其次是工業廢水和生活污水，年入水量約7×108～9×108m3，帶入總氮1 088.59 t，總磷65.75 t[14-15]。過量的營養鹽流入湖區后，導致水體呈現富營養化現象，藻類和水生植物過量生長，魚類缺氧死亡現象增多，生態系統結構和功能不斷退化。

烏梁素海90%的入水量由湖區西北總排干溝匯入，由湖區南端的水口排出[16]。湖區水體由北向東西和西南方向緩慢流動，平均流速約0.007～0.057 m/s之間[17]。湖區三面環山形似彎月，呈現南北長、東西窄的形狀，形成對污染物的狹長削減帶[18]。排入湖區的N、P等污染物質，隨著水流緩慢流動過程，發生擴散、沉淀、吸附以及植物的吸收等，濃度逐漸降低。水質可由入水口的五類或劣五類水提升至出水口的四類甚至三類水。

2 研究方法

2.1 營養鹽空間分布規律研究

對湖區布設的20個監測點(圖1)，于2012年5—10月以及2013年4—10月連續對水體、底泥和水生植物樣品總氮(TN)、總磷(TP)濃度進行監測分析。TN用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，TP用鉬酸銨分光光度法測定。以入水口為坐標原點建立坐標軸建立三維坐標系統，x軸和y軸分別為距離原點的水平距離和垂直距離，z為營養鹽濃度(mg/L)或百分百濃度(%)，采用Suffer三維制圖軟件描述不同監測點的濃度。同時，采用SPSS軟件對相同監測點水體、底泥和水生植物種營養鹽濃度的相關性進行分析，進一步分析營養鹽的分布規律。

2.2 營養鹽空間削減效率及其分區研究

建立削減效率(E)(mg/L·km)的計算公式，判斷不同湖區對營養鹽的削減效率，如公式(1)所示。

(1)

采用Suffer三維制圖軟件描述不同監測點的削減效率，采用聚類分析方法對不同湖區營養鹽空間削減效率大小進行分析， 判斷不同削減效率下的湖泊分區，以期對湖泊富營養化治理提供精確化建議。

圖1 烏梁素海區監測點分布

3 結果與分析

3.1 營養鹽濃度分布規律結果

營養鹽濃分布圖如圖2所示。總體而言，水體中營養鹽分布呈現由西北向東南減小的趨勢較為明顯?？偟獫舛扔蛇M水口處最高的4.16mg/L下降至出水口附近的1.56mg/L，削減率達到61.5%；少數監測點出現營養濃度隨流動過程逆向增高的趨勢，如監測點10和監測點15的總氮濃度分別達到2.56mg/L和2.43mg/L，接近甚至高于監測點4的2.47mg/L，這可能與該監測點的相對封閉地形有關?？偭诐舛扔勺畲?.231mg/L下降至出水口的0.067mg/L，削減率達到70.9%，高于對總氮的消減率。與總氮濃度分布類似，總磷也有少數監測點出現營養濃度隨流動過程逆向增高的趨勢。如監測點11附近的總磷濃度甚至高于監測點3的濃度，且與監測點10的位置也十分接近。由此可見，營養鹽濃度總體隨著水流方向不斷減小，但由于受地形、流速和小環境特征等因素的影響，部分湖區濃度分布還存在復雜性，應結合不同湖區的特征分析。

對水生植物體內N/P含量的分析結果顯示，入水口植物內N/P百分比含量最高，分別達到了4.4%和3.8%；而出水口沉水植物的N/P百分比含量降低較為明顯，僅分別為1.4%和1.3%。相關研究結果顯示，沉水植物地上和地下部分都可以從環境中吸收營養[19]，水體中營養鹽濃度可能對水生植物體內的營養鹽濃度有一定的影響。

與水體和水生植物濃度分布不同的是，底泥中氮磷濃度分布沒有明顯的趨勢。一個共同的特征是，N/P濃度的高點未出現在入水口附近，而是在監測點13,14和15附近?？赡苁侨胨诟浇魉俣容^大，泥沙被沖入湖區后，在上述區域形成逐漸沉積；加上該區域由于水流緩慢，水中雜質、腐敗植物沉積于此，導致底泥中N、P濃度偏高。

圖2 烏梁素海水體、底泥和水生植物中的氮磷濃度分布

為進一步分析水體、沉水植物和底泥之間濃度是否存在相關性，我們對三者之間進行了相關性分析，結果如表1所示。水體和植被體中N/P濃度存在一定的正相關性，二者的相關系數分別為0.767和0.665，分別在0.01和0.05水平上相關；相關研究表明，沉水植物可有效吸收水體中氮磷營養鹽濃度[20]，可見植物體內營養鹽濃度也受水體N/P營養鹽濃度影響。雖然沉水植物地上和地下部分都可以從環境中吸收營養鹽，結合本案例研究推測沉水植物受到水體營養鹽的濃度影響更大。一般而言，水體濃度高可能引起底泥的營養鹽濃度也較高，但由于水體的流動性、地形等其他因素的影響，導致水體營養鹽濃度和底泥營養鹽濃度部分規律并不一致[21-22]，本案例中并未發現明顯的相關性。

表1 烏梁素海不同介質中N/P濃度相關性分析

3.2 營養鹽空間削減效率及其分區結果

由于底泥中營養鹽濃度分布沒有明顯的規律，本研究僅繪制了水體和植物氮磷營養鹽削減效率分布情況，如圖3和圖4所示。水體TN的削減效率隨著距離的增大呈現減小的趨勢。進水口附近的2、3和4號監測點是削減效率最高的地區，三處的削減效率分別達到0.68，0.70，1.03 mg/(L·km)。到監測點5以后迅速下降到0.4 mg/(L·km)以下，而到監測點14以后，削減效率減小至0.20 mg/(L·km)以下。但總體維持在較高的削減效率[0.10 mg/(L·km)以上]。水體中TP的削減效率高值區同樣位于監測點2—4附近，上述區域的削減效率均在0.04 mg/(L·km)以上。隨著水體繼續流動，監測點5—10削減效率下降至0.30 mg/(L·km)，而隨后繼續下降至0.02 mg/(L·km)以下，到出水口的削減效率下降至最低值0.009 mg/(L·km)。對比水體中TN的削減效率和TP的削減效率可以發現，整個湖區水體對TN削減效率的維持高于TP的削減效率，對TN削減效率下降幅度約為48.8%，遠高于TP 81.6%的下降幅度。

圖3 烏梁素海水體削減效率分布

圖4 烏梁素海植被削減效率分布

與水體營養鹽削減規律類似，植物對TN和TP的削減效率高點也在監測點2—4附近。例如，對TN的平均削減效率在上述地區達到0.23 %/km，對TP的平均削減效率也達到的0.09 %/km。與水體不同的是，經過上述地區后，削減效率在監測點5—10處并未迅速下降，TN的平均削減效率仍保持在0.07 %/km，而TP的平均削減效率下降略快，但也保持在0.03 %/km左右。

隨后監測點11—20對TN的削減效率一直維持在0.04 %/km左右，而對TP的削減效率也保持在0.015 %/km左右。相比水體營養鹽削減效率而言，植物對營養鹽削減效率分布較為均衡，這也與植物體內鹽含量相對穩定的有關。

為科學合理的對湖泊進行富營養化研究和治理，采用聚類分析方法，根據水體中營養削減效率湖區對營養鹽分區，分區結果如表2所示。

表2 烏梁素海湖泊分區結果

根據聚類分析結果，如果按照削減效率將湖泊分為2區，則監測點2—4為高效削減區，其他地區為中效削減區；如果將烏梁素海劃分為3個區，監測點2—3為高效削減區，監測點4—6為中效削減區，監測點7—20為低效削減區；如果將烏梁素海劃分為4個區，監測點2—3為高效削減區，監測點4—5為中效削減區，監測點6—11為低效削減區，監測點12—20為極低效削減區。對于不同效率的削減區，應采取不同的物理、化學和生物修復方法治理湖泊富營養化。如對于高效削減區，由于營養鹽濃度短時間、小范圍內迅速從高值到低值，容易對水生動植物造成負面影響，應注重動植物的生態保護和修復；而對于低效削減區，應結合環境特征適當采用物理、化學和生物恢復技術，如水道疏通、底泥疏浚等方式提高湖泊濕地對營養鹽的削減效率。

4 結 論

在試驗監測數據的支持下，對烏梁素海湖泊營養鹽的削減和凈化過程進行過程分析，研究湖區不同介質(水體、植物和底泥)對營養鹽的凈化過程，核算不同湖區對營養鹽的削減效率，將有利于將營養鹽削減研究從黑箱模型向過程模型，有利于開展不同湖區的凈化效率特征分區，制定精細化、目標化的湖泊恢復措施。通過本次研究，初步得到以下幾個結論：

(1) 水體和植被對營養鹽的吸收、分解和轉化過程以及營養鹽的擴撒、沉淀等過程，是營養鹽濃度減小的重要原因，體現了湖泊濕地對控制當地氮磷營養鹽的重要作用。

(2) 綜合來看，營養鹽濃度分布情況有一定的規律可循，但也呈現差異性和復雜性，今后湖泊富營養化機理分析及其治理應該結合湖泊的小環境特征進行針對性的分區研究。

(3) 由于受到風向、風速、地形、植被等因素的影響，湖泊各監測點的削減效率呈現非線性的變化。依照營養鹽削減效率可將湖區劃分為若干個削減區，不同削減區應采用不同控制手段。

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ReductionEfficiencyandPartitionoftheUlansuhaiLake

MAO Xu-feng1, WEI Xiao-yan1, CHEN Qiong1, WEI Xi-jie2

(1.CollegeofLifeandGeographySciences,QinghaiNormalUniversity,Qinghai,Xining810000,China;2.GrasslandResearchInstituteofAcademyofAnimalandVeterinarySciences,QinghaiUniversity,Xining810016,China)

This study analyzed the reduction process of total nitrogen and total phosphorus in water, plants and sediment based on nearly 2-year monitoring data from 20 monitoring points in the Ulansuhai Lake. Reduction efficient index was screened to calculate reduction efficiencyof different regions of the lake. Cluster analysis was utilized to regionalize the lake. Results indicated the concentrations of N and P in water and aquatic plants reduced along with water flows; there was no obvious distribution rule with respect to the concentration in sediments and the concentration peak appeared in the southeast region of the lake. Nutrient concentrations between water and aquatic plants had the positive correlation (N,R2=0.565,p<0.05; P,R2=0.867,P<0.01) while there was no obvious correlation of nutrient concentrations between sediments and plants or sediment and water. According to the reduction efficiency, Ulansuhai Lake can be divided into 2 or 4 regions. Different measures should be taken to treat the eutrophic lake. The current research may provide scientific basis for eutrophication control and management of eutrophic lakes.

nutrients; reduction efficient; partition research; the Ulansuhai Lake

2013-10-16

：2013-11-13

中央公益性科研院所專項項目(CAFINT2012C09); 國家科技支撐項目(2011BAC02B03); 自然科學基金項目“由鏈式到網式的湖泊‘水華’生物控制”。

毛旭鋒(1981—),男，江西省鷹潭人，副教授,博士,從事濕地生態過程研究。E-mail:maoxufeng@yeah.net

魏曉燕(1981—),女,青海省西寧人，副教授,從事生態環境管理和民族文化保護研究。E-mail:weixiaoyan4477@163.com

X524

：A

：1005-3409(2014)04-0307-05