封閉型內陸湖泊夏季氮素賦存特征
——以達里諾爾湖為例

楊 旭，李暢游，李文寶，史小紅，趙勝男，王旭陽

（內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018）

封閉性內陸湖是指處于河流的尾閭或獨自形成的獨立集水區域。中國的內陸湖主要分布在蒙新、甘肅及西藏等內流地區，如青海湖、達里諾爾湖等。因湖泊所處地理位置遠離海洋，氣候干燥，其水量平衡主要表現為以徑流入湖為主要補給水源，以湖面蒸發為主要水量損耗的特點。與開放性湖泊相比，封閉性內陸湖換水周期為無窮大，湖水無出流，使得由外源輸入進湖的污染物常年累積在湖泊中。外加氣候干旱、上游用水量增加等因素的影響，許多內陸湖湖面面積逐漸萎縮，湖水營養鹽濃度逐年濃縮，水質惡化現象日益加劇。對封閉性內陸湖營養鹽展開研究便成為探索其水環境特點，緩解水質惡化的重要入手點，但封閉性內陸湖營養鹽究竟有怎樣的賦存特點？徑流的輸入對湖泊內的氮負荷又會有什么樣的影響？作者以這兩個問題為重點，展開了本次實驗研究。

氮、磷是湖泊內主要的營養鹽。其中氮素不僅是生命體合成蛋白質、核酸以及其他含氮生物大分子的重要元素，更是限制湖泊初級生產力的營養因子[1-2]。湖水中以溶解性無機氮形式存在的含氮化合物主要為氨氮（-N）、硝酸鹽氮（-N）和亞硝酸鹽氮（-N）[3]，無機氮經水生植物吸收轉變為有機氮，水生植物在循環排泄或衰老死亡分解后，體內不同形式的有機氮又被釋放出來，經過菌類的分解作用再次轉化為各種形式的無機氮[4]。因此，無機氮在氮素循環及收支平衡過程中起到至關重要的作用[5]。湖泊沉積物是氮等營養元素的重要貯存庫，上覆水體中的氮素通過吸附、絡合、絮凝、沉降等作用被沉積物接納[5]。沉積物中的氮素也在物理、化學和生物等作用下不斷向上覆水體釋放，成為水體氮素重要來源之一[6-7]。目前國內外學者在湖泊氮素遷移循環機制方面已有大量的研究成果[8-9]，但針對典型封閉型內陸湖泊的分析卻并不全面。達里諾爾湖（以下簡稱“達里湖”）是位于蒙新高原湖區典型的寒旱區封閉性內陸湖泊，內蒙古四大湖泊之一。因受干燥氣候的影響，湖面面積已從1999年的213.54 km2減少到2010年的188.48 km2。湖水營養鹽逐漸濃縮，水質逐年惡化[10-11]。因此，本文以水生生物活動頻繁的夏季為節點，系統地分析了達里湖氮素在上覆水、間隙水、沉積物中的賦存特征。同時對入湖河流的水質展開監測，探討河流的輸入對湖泊內氮負荷的影響。這將對理解氮素在封閉型湖泊賦存特征，以及氮素水污染控制方面提供重要的理論支持。

1 材料與方法

達里湖（43°12′～43°24′N，116°24′～116°56′E，圖1）位于內蒙古自治區赤峰市克什克騰旗西部，海拔1227 m，湖面面積189 km2。湖盆西深東淺，最大深度13 m，平均深度6.44 m。河流補給是達里湖的重要水源之一，每年為達里湖補給水量約0.56億m3（近10年平均監測數據）。流入達里湖的河流共有4條，其中貢格爾河、沙里河屬于永久性河流，亮子河、耗來河屬于間斷性河流。四條河流中補給量最大的是發源于大興安嶺尾脈阿拉燒哈山脈的貢格爾河，總長120 km，由北河口入湖；沙里河發源于經棚西側，流程20 km，先入崗更諾爾湖，再流15 km由南河口入湖；亮子河發源于湖南部的沙丘地帶，由西南部入湖；耗來河發源于西部丘陵，由西部穿經多倫諾爾再流入達里湖[12]。

圖1 達里湖取樣點分布圖Figure 1 Distribution map of sampling points in Dali-Nor Lake

本文根據《湖泊生態系統觀測方法》，針對湖泊現存面積和生態系統特點在湖面上設置了12個具有代表性的采樣點，在四條河流入湖口處分別設置采樣點（圖1）。于2017年7、8、9月分別采集湖水、河水水樣；為研究空間角度上的氮素循環特征，于8月在各樣點采集湖泊上覆水、間隙水、沉積物樣品。考慮B6、C5、C7、D4、E2、E5樣點深度大于湖泊平均深度（6.4 m），且分布于湖區中心以及主要河流進水口處，針對這6個樣點分層采集水體（采樣間隔為1 m·層-1）。以 C5 樣點為例，即分別在 0.5、1.5、2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、7.5、8.5 m水深處取水。實驗共取得74個湖水水樣、12個湖泊間隙水水樣、12個湖泊沉積物水樣和12個河水水樣。水樣的采集：用有機玻璃取水器采集水體，裝入聚乙烯瓶內；沉積物及間隙水的采集：利用彼得森取泥器，采集樣點表層5 cm的沉積物。沉積物樣品帶回實驗室后，4000 r·min-1離心15 min得到上清液，用0.45 μm孔徑的醋酸纖維濾膜過濾獲得沉積物間隙水。剩余沉積物樣品則放置于實驗室內，以4℃條件進行保存，備用。

水體理化指標采用梅特勒-托利多公司生產的多參數水質監測儀進行現場測定。包括：pH值、溶解氧、氧化還原電位、鹽度、電導率等。總氮（TN）采用堿性過硫酸鉀氧化法測定；NO-2-N采用N-（1-萘基）-C光度法測定；NO-3-N采用紫外分光光度法測定；NH+4-N采用納氏試劑法測定；沉積物TN采用凱氏定氮法測定（GB 7173—1987）；-N、-N分別采用納氏試劑分光光度法（HJ 535—2009）、酚二磺酸分光光度法（GB 7480—1987）進行測定。為保證實驗測試的精度，以上實驗每組取3個平行樣本進行重復測定，所得實驗結果相對偏差小于5%，并取三組實驗結果均值為實測值。論文圖表采用Origin 8.0等繪制完成。

2 結果與分析

2.1 湖水、河水水環境特征

表1為7、8、9月湖水、河水理化指標監測結果，個別指標的含量在河湖之間存在明顯差異。其中以鹽度指標差異最為明顯，河水鹽度均值為0.06 mg·L-1，而湖水鹽度均值卻達到1.79 mg·L-1，是河水的30倍；電導率值在河湖之間同樣相差顯著，河水電導率均值為0.12 mS·cm-1，而湖水電導率均值卻達到3.42 mS·cm-1；河水Eh均值-58.24 mV，水體表現為還原性，湖水Eh均值達到-129.61 mV，還原性更為明顯；河湖DO含量相似，7、8、9月份均值分別為6.72、7.00、7.61 mg·L-1，含量呈逐漸升高的趨勢。河水pH均值9.50，湖水pH均值9.93，水體均處于堿化狀態。

2.2 湖泊不同介質氮素賦存特征

湖泊內形態氮在不同介質（上覆水、間隙水、湖泊沉積物）含量的差異，是影響湖泊內氮循環的主要因素之一。達里湖不同介質氮素含量如表2，表層水TN均值為 4.23 mg·L-1，其中-N 均值 1.50 mg·L-1，占TN含量35.5%，是表層水的主導形態氮。-N均值0.29 mg·L-1，僅占TN的6.9%。-N均值0.03 mg·L-1，含量甚微，不足TN的1%；間隙水TN均值7.40 mg·L-1，-N是間隙水中的主導形態氮，均值達到1.37 mg·L-1，-N、-N均值分別為0.41、0.24 mg·L-1，含量相對較低；表層沉積物TN均值 2 809.97 mg·kg-1，-N是沉積物中的主導形態氮，均值127.74 mg·kg-1。-N均值為62.33 mg·kg-1，兩種無機氮占TN含量6.74%。

表1 7、8、9月湖水、河水理化指標監測結果Table 1 Monitoring results of physical and chemical indexes of lake and river in July,August,September

表2 表層水、間隙水、表層沉積物中形態氮含量Table 2 The average concentration of nitrogen species in pore water，overlying water and sediments

為研究氮素在湖泊不同水層的分布情況，對B6、C5、C7、D4、E2、E5 6個樣點分層采集水樣進行測定（圖2），從圖中可以看出，TN、-N、-N在湖泊內摻混均勻，含量隨水深從淺到深基本保持不變。只有B6、E2、E5樣點的-N從水深1.5 m向下處含量有所波動。除E2點-N-N含量相對上覆水較小外，其余各樣點氮含量均表現為間隙水大于上覆水。

2.3 湖水、入湖河流氮素賦存情況

圖2 達里湖氮素垂向分布圖（mg·L-1）Figure 2 Vertical distribution of nitrogen in Dali-Nor Lake（mg·L-1）

夏季降雨頻繁，河流入湖量增大，作為湖泊與流域生態系統環境連接的重要紐帶和通道，入湖河流水量、水質將直接影響湖泊整體水質情況。研究結果顯示（圖3），達里湖7、8、9月份湖水TN均值4.26 mg·L-1，8月份TN達到最高，含量為4.50 mg·L-1。河流TN均值1.66 mg·L-1，僅占湖水TN的39%。其中沙里河是TN含量最高的河流，均值為2.91 mg·L-1，其次是亮子河1.53 mg·L-1，貢格爾河1.23 mg·L-1，耗來河TN最低，僅有0.98 mg·L-1。根據氮素河道入湖通量算法：氮素輸入量等于河道平均TN濃度與入湖水量乘積[13]。達里湖入湖河流對湖水的年河流補給量為0.56億m3，計算得出每年由入湖河流攜帶入湖的TN量為120 t。

3 討論

圖3 7、8、9月份達里湖及入湖河流氮含量Figure 3 The amount of nitrogen in the river and Dali-Nor Lake in July,August,September

湖泊中氮素的輸入方式主要有三種：地表徑流、地下水、降雨等補給水源流入時攜帶輸入；人為排放污染物的輸入以及湖泊內水生生物的生物固氮作用。由于封閉性內陸湖湖水常年無外泄，外源氮素輸入到湖泊后，通過沉降作用在沉積物中大量富集，沉積物中的氮素又通過風浪擾動、生物作用以及間隙水形成的濃度梯度再次釋放到湖水中。外加氣候干旱等因素的影響，湖泊儲水量逐漸減少，導致湖水中的氮素含量逐漸濃縮。達里湖湖區年平均降水量396.1 mm，年蒸發量1 287.3 mm，蒸發趨勢明顯，湖水TN含量已濃縮致4.26 mg·L-1，超過國家地表Ⅴ類水標準的2倍之多。并且湖水TN、NH+4-N含量均在8月份達到最高值，這主要由人為影響所致。根據達里諾爾國家自然保護區的統計結果顯示，每年8月份南北岸景區旅游人數達到全年最高。兩岸游船和頻繁的人類活動使得過量營養鹽輸入到湖水中，導致湖水TN含量增加。氮素的增加會直接影響到湖水中浮游藻類的賦存情況：在大多數湖泊中，浮游藻類生物量與水體營養鹽濃度變化趨勢一致，隨著水體中氮濃度升高，無論體系中是否有沉水植物存在，都會導致浮游藻類和附著藻類增加[13]。根據前人研究結果顯示，8月份是達里湖浮游植物生物量與豐度最高的月份，尤其是作為富營養化湖泊浮游植物優勢種的藍藻，其比例增加了54.35%[14]。湖水中大量的藻類一方面通過分泌具有生物毒性的物質，對水體造成污染[15]，另一方面也會加劇湖泊出現藻類水華的風險。因此，應對此現象予以重視，避免達里湖8月份出現藍藻水華的風險。頻繁的人類活動使得過量的營養鹽輸入到湖泊中，導致湖泊內浮游植物量升高。而生物量的增加會促進生物固氮作用的發生，大氣中的分子態氮通過生物作用轉化為湖泊所需的氮化物，被動植物吸收利用后代謝分解生成NH3，而后轉變為-N，這便是-N同樣在8月份含量升高的主要原因。湖水中豐富的-N一部分作為湖泊初級生產力直接利用的氮源，另一部分在溶解氧充足的條件下發生硝化反應生成N，最終以有機態形式進入沉積物被保存起來。

間隙水作為沉積物氮素釋放的重要平臺，其氮素含量直接影響著上覆水氮濃度和沉積物-水界面氮交換過程[18]。尤其在夏季，沉積物溫度升高，生物活性增強，促使冬季滯留在沉積物中的氮大量釋放[19]。本次研究結果顯示12個樣點間隙水TN、-N和-N含量在上覆水、間隙水、沉積物中有明顯的濃度差，說明達里湖存在氮素內源釋放的可能性。其中-N在間隙水和上覆水含量差異最為明顯。這是由于-N主要來自于硝化反應時-N氧化成-N的中間產物，沉積物表面有大量硝化細菌，是湖泊中硝化反應發生最主要和最強烈的地方[20]，使大量的-N進入到間隙水中。但因-N本身不穩定且易轉化成其他形態氮，在向上覆水釋放的過程中會發生氮形態的轉化，導致上覆水-N明顯低于間隙水；相反的，達里湖間隙水-N質量濃度略低于上覆水，因此-N在水-沉積物界面以吸附狀態為主。

由于達里湖湖水無外泄，輸入到湖泊中的氮素日益累積在湖底沉積物中，使得表層沉積物TN均值已達到2 809.97 mg·kg-1。根據加拿大安大略省環境和能源部按生態毒性效應指定的沉積物質量評價指南評估[7]，達里湖沉積物TN已高出550 mg·kg-1的最低級別生態毒性效應標準值，對底棲生物及生態環境構成了威脅。根據其他學者研究結果可知，封閉性內陸湖岱海沉積物TN含量為1640 mg·kg-1[21]，我國最大的內陸高原咸水湖青海湖沉積物TN含量為1740 mg·kg-1[20]。相比之下，達里湖沉積物TN已處于偏高水平。沉積物可交換態氮（-N、-N和-N）是水-沉積物界面發生遷移轉化最主要最活躍的形態氮，但因-N不穩定且易轉化為其他形態氮，所以本文以-N-N之和來計算可交換態氮值。達里湖表層沉積物可交換態氮占TN含量6.74%。同樣在蒙新高原湖區的岱海和呼倫湖沉積物可交換態氮占TN的百分比分別為1.0%和4.3%[22]。對比可知，達里湖沉積物可交換態氮占TN比份相對較高，沉積物氮素遷移能力較強。

本次研究結果顯示，四條入湖河流TN均值只占湖水TN含量的39%，而-N含量卻是湖水的2倍。從三個方面對該現象進行解釋：首先，由于內陸湖泊補給水量較小，水力停留時間長，蒸發作用明顯，使得湖水逐漸濃縮，相比之下河流水體始終處于流動更換的狀態，這是導致湖水與河水TN含量相差較大的原因之一；其次，徑流中的氮素主要與區域環境及土地利用類型有著密切的關系，達里湖周圍主要以自然形成的流域景觀為主，無大型工農業基地。湖泊北岸與東岸分別與錫林郭勒草原和貢格爾草原相鄰，畜牧業是該地區的主要經濟支撐。在放牧過程中，家畜通過采食、踐踏和排泄糞便等影響草地土壤狀況和營養狀態。有關研究表明，隨著放牧強度的增加，表層土壤有機質和TN含量會明顯減少，TN礦化率升高，導致土壤中-N逐漸累積[23]。在自然土壤系統發生的浸溶作用下，使得進入徑流的氮形態與該區域土地的氮素賦存特征趨于一致性。所以-N便成為入湖河流的主導形態氮；最后，因夏季湖泊內生物量豐富，-N作為最易被生物獲取的氮形態，被湖泊內的生物大量消耗，使得湖水-N含量較低。

總體來看，作為封閉性內陸湖泊的達里湖，其氮素賦存特征為：上覆水TN含量高，-N是上覆水的主導形態氮，TN及各形態氮含量在不同深度水層摻混均勻，無明顯的分層現象。沉積物TN含量較高且氮素遷移能力較強。TN、-N、-N表現為由沉積物到上覆水的釋放狀態，而-N則以上覆水到沉積物的吸附狀態為主。河流的輸入對湖水TN含量有稀釋作用，但會增加湖水-N的負荷。

4 結論

（3）作為封閉性內陸湖泊的達里湖，其氮素賦存特征為：上覆水TN含量高-N是上覆水的主導形態氮，TN及各形態氮含量在不同深度水層摻混均勻，無明顯的分層現象。沉積物TN含量較高且氮素遷移能力較強。TN、-N、-N表現為由沉積物到上覆水的釋放狀態，而-N則以上覆水到沉積物的吸附狀態為主。