冰封期烏梁素海不同形態氮、磷和葉綠素a的空間分布特征及其響應關系

許冬雪，李興,2,3*，王勇*，勾芒芒

1. 內蒙古師范大學化學與環境科學學院，內蒙古 呼和浩特 010022；2. 內蒙古師范大學節水農業工程研究中心，內蒙古 呼和浩特 010022；3. 內蒙古自治區環境化學重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010022；4. 內蒙古師范大學地理科學學院，內蒙古 呼和浩特 010022；5. 內蒙古機電職業技術學院水利與土木建筑工程系，內蒙古 呼和浩特 010070

氮和磷是導致水體富營養化的重要因素。根據《2019中國生態環境狀況公報》可知，開展營養狀態監測的107個重要湖泊中，貧營養狀態湖泊、中營養狀態湖泊、輕度營養狀態和中度營養狀態湖泊的占比分別是9.3%、62.6%、22.4%和5.6%，由此可見我國的水體富營養化現狀還十分嚴峻。近年來關于水體富營養化的研究重點集中在富營養化成因、富營養化水質評價、藻類危害、富營養化的防治措施等方面，并且上述研究對象多數不能經歷冰封期。Hampton et al.（2015）在對現有14418篇關于湖泊藻類論文調查后發現，僅 2%的研究對象是處于冰封期的湖泊；而關于冰下溶解有機碳和營養鹽的研究稀少（?zkundakci et al.，2016）。冬季的結冰過程對水體中氮磷等營養元素具有濃縮效應（張巖等，2017），使冰下水體中氮磷濃度增大。因此研究冰封期不同形態氮磷的空間分布特征具有重要意義。

葉綠素a是藻類進行光合作用的重要色素，其濃度可以表征水體中藻類總體含量的高低（郭勁松等，2011）。通過研究葉綠素a的空間分布特征及其與不同形態氮磷營養鹽的響應關系可有助于進一步控制水體浮游藻類的數量，修復水域生態系統。國內外關于葉綠素a與營養鹽關系的研究有很多，如朱廣偉等（2018）研究發現北部太湖水體葉綠素a濃度與總磷、顆粒氮、顆粒磷均呈顯著正相關，與溶解態氮呈負相關。利用大型歐洲數據集分析不同湖泊類型葉綠素與營養鹽之間的關系，發現深層湖泊單位養分葉綠素產量低，低堿度與中堿度淺水湖泊最高，高堿度湖泊居中（Phillips et al.，2008）。在對韓國60個水庫的水質參數進行Pearson相關分析時，Mamun et al.（2020）發現葉綠素a與總磷呈高度正相關（r=0.48，P<0.01），相關性大于葉綠素 a與總氮的相關性（r=0.24，P<0.01）。這些研究集中在無冰期。國內雖有關于冰封期呼倫湖、南海湖、烏梁素海的葉綠素a的空間分布特征及其與營養鹽關系的研究（郭子揚等，2019；楊文煥等，2018；張巖，2012；呂超，2013），但其關于冰封期葉綠素a的研究仍然不夠深入全面。因此深入研究冰封期葉綠素a的空間分布特征及其與不同形態氮、磷的響應關系十分必要。

本文以2020年1月14日冰封期烏梁素海的水質數據為基礎，分析了總氮（TN）、氨態氮（NH4+-N）、硝態氮（NO3?-N)、亞硝態氮（NO2?-N）、總磷（TP）、溶解性總磷(DTP)、葉綠素a（Chl-a）在冰樣和冰下水體的空間分布特征，采用線性回歸的方法分析了上述營養鹽在冰層與冰下水體中與葉綠素a的響應關系，為進一步烏梁素海的生態治理提供理論依據。

1 研究區域概況

烏梁素海位于內蒙古自治區西部巴彥淖爾市烏拉特前旗境內，是內蒙古自治區西部最大的淡水湖泊，中國第八大淡水湖，同時也是全球荒漠化半荒漠地區極為少見的大型多功能草型湖泊（孫鑫等，2019；王鑫磊，2012）。該湖區橫跨 108°43′—108°57′E，縱跨 40°36′—41°03′N。根據 2018 年衛星遙感影像，計算出水域面積約為336.900 km2，蘆葦面積約為220.978 km2，明水面積約為115.923 km2。烏梁素海每年11月開始結冰進入冰封期，翌年3月解凍，冰封期長達5個月。

2 材料與方法

2.1 采樣點布置

根據污染物分布、水文條件（流速、流量等）以及環境特征（地理位置等），在烏梁素海布設采樣點如圖1所示。按照采樣點的位置把采樣點分為了南湖區、湖心區和北湖區3個區域。其中南湖區包括出水河口HK、海壕HH、二點ED；湖心區包括旅游區Q10、Q8，大卜洞O10，蘆葦區域N13、大北口DBK；北湖區包括湖泊進水口J11、I12，西大灘L11、北部明水區L15。

圖1 烏梁素海采樣點分布Fig. 1 Distribution map of sampling points in Lake Ulansuhai

2.2 采樣方法

本研究于2020年1月14日在烏梁素海采集冰樣和水樣。采集冰樣時使用冰鉆采集器。根據冰層的實際情況，將冰層按照每層10 cm的厚度分為3—5層（不同采樣點的冰層厚度存在差異）。將分層取的冰樣置于2000 mL塑料瓶內送回實驗室，使其在室溫條件下自然融化后測試。同步采集 1000 mL冰下水體測試。

水質監測是在實驗室中進行測定，監測指標包括總氮（TN）、氨態氮（NH4+-N）、硝態氮（NO3?-N)、亞硝態氮（NO2?-N）、總磷（TP）、溶解性總磷(DTP)、葉綠素a（Chl-a），其測定方法及檢出限如表1所示。

表1 水質檢測方法Table 1 Methods of water quality test

2.3 數據分析

利用Microsoft Excel 2007分析不同形態氮、磷和葉綠素a在冰樣和冰下水體空間分布特征，使用IBM SPSS Statistics 26.0對冰樣中和冰下水體中不同形態氮、磷與葉綠素a的關系進行線性回歸分析，并進行F檢驗。

3 結果與分析

3.1 不同形態氮的空間分布特征

3.1.1 不同形態氮在冰體中的空間分布特征

不同冰層中不同形態氮磷和葉綠素質量濃度的檢測結果如圖2—4所示。通過對不同形態氮的檢測，結果表明：冰樣中TN、NH4+-N、NO3?-N的平均質量濃度范圍分別為 0.478—0.838 mg·L?1，0.010—0.109 mg·L?1和 0.030—0.347 mg·L?1；TN 均值是0.663 mg·L?1。符合《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）中Ⅲ類水質標準限值（1 mg·L?1）。NO2?-N只在采樣點J11和采樣點N13中被檢測到，而且含量均為0.001 mg·L?1，故以下研究不再涉及冰樣中 NO2?-N。冬季冰樣中浮游植物通過光合作用產生氧氣，由于冰蓋的阻礙其不能進入大氣，使得冰樣的氧化性增強，將亞硝態氮氧化為硝態氮。

圖2 北湖區不同冰層中不同形態氮磷和葉綠素分布Fig. 2 Distribution of different forms of nitrogen, phosphorus andchlorophyll-ain different ice layers in the North Lake area

圖3 湖心區不同冰層中不同形態氮磷和葉綠素分布Fig. 3 Distribution of different forms of nitrogen, phosphorus and chlorophyll-a in different ice layers in the central of lake area

圖4 南湖區不同冰層中不同形態氮磷和葉綠素分布Fig. 4 Distribution of different forms of nitrogen, phosphorus and chlorophyll-a in different ice layers in the South Lake area

冰樣中各采樣點不同形態氮平均質量濃度水平分布規律如圖5所示。水平方向上ρ(TN)的分布規律表現為南湖區>湖心區>北湖區，但最高ρ(TN)0.838 mg·L?1出現在湖心區的Q8采樣點，說明TN在水平分布上不均勻。北湖區、南湖區和湖心區NH4+-N的平均質量濃度分別是 0.066、0.045和0.029 mg·L?1。北湖區的ρ(NO3?-N)最大，湖心區次之，南湖區的ρ(NO3?-N)最小，位于北湖區采樣點的ρ(NO3?-N)均超過 0.100 mg·L?1。因此水平方向上，冰樣中TN、NH4+-N、NO3?-N分布規律不一致。秋季蘆葦阻礙水體流動，污染物逐漸積累，冬季微生物分解蘆葦，蘆葦體內氮磷重新釋放到水體，冬季結冰烏梁素海表面污染物保留在冰層中。從北到南蘆葦的面積在逐漸減少，氮磷含量也在降低。烏梁素海南部緊鄰烏拉特前旗，烏梁素海南部人口數量高于中部和北部，所產生的生活污水量較大，故水體有機氮含量高。

圖5 冰樣中各采樣點不同形態氮平均質量濃度分布Fig. 5 Distribution of the average concentration of different forms of nitrogen in each sampling point in the ice

垂直方向上，TN、NH4+-N、NO3?-N整體分布不均勻。北湖區除采樣點 J11的最高ρ(TN)0.800 mg·L?1出現在下層冰外，其余采樣點的中層冰都檢測到最高ρ(TN)。采樣點J11位于烏梁素海通濟渠、八排干出口處，水流比較大，冰層比較薄，TN的遷移程度大。湖心區采樣點Q8，Q10中層冰的ρ(TN)高于上層冰和下層冰，采樣點O10，N13上層冰的ρ(TN)最高。采樣點O10，N13在Q8，Q10的北部受八排干、九排干等所有排水溝的影響比較大，冰層比較薄，TN的下移程度比冰層較厚的采樣點O10，N13小。DBK距離排水口較遠且周圍蘆葦密集，水流較小，冰層較厚，因此TN集中分布在其中層冰。南湖區中層冰的最高ρ(TN)出現在采樣點HH和ED，下層冰的最高ρ(TN)出現在采樣點 HK。采樣點 HK位于出水口附近，流速較大，冰層較薄。TN在南湖區的分布與NH4+-N在南湖區的分布恰恰相反。北湖區有采樣點 L11和 L15在下層冰有最高ρ(NH4+-N)，最高ρ(NH4+-N)出現在上層冰和中層冰的采樣點分別是J11和I12。湖心區采樣點Q8在上層冰有最高ρ(NH4+-N)0.032 mg·L?1，其余采樣點的最高ρ(NH4+-N)出現在下層冰。結冰初期NH4+-N由冰體遷移到冰下水體。冰下水體浮游植物以硅藻為主，數量較少，導致NH4+-N含量較高。由于冬季氣溫日變化大，烏梁素海處于反復凍融過程中，下層冰相對松散，冰下水體中的NH4+-N遷移至下冰層，下冰層ρ(NH4+-N)高于上冰層和中冰層（楊芳等，2016；王曉云等，2017）。采樣點J11距離八排干和通濟渠的排水口最近，采樣點Q8距離塔布渠的排水口最近。在結冰前這兩個采樣點的ρ(NH4+-N)高于其他采樣點，結冰后在遷移速率相同的條件下，上冰層ρ(NH4+-N)最高。采樣點 I12的冰層較厚，NH4+-N的下移程度小，中層冰ρ(NH4+-N)最高。采樣點 HK位于出水口附近，冰下水體溶解氧含量高，下層冰的氧化性強，其ρ(NH4+-N)低。NH4+-N處在下移過程，中層冰ρ(NH4+-N)高于上層冰。相比之下，烏梁素海冰層中NO3?-N的分布比較有規律。南湖區和湖心區最高ρ(NO3?-N)均出現在上層冰，而北湖區最高ρ(NO3?-N)則出現在下層冰。南湖區和湖心區蘆葦面積小，其與大氣接觸的面積大，水體表面溶解氧含量高，硝化作用比較活躍，導致NO3?-N濃度較高，結冰時NO3?-N被保留在了冰層表面。北湖區距離排水入口近，水流流速大，冰層較薄，NO3?-N 的遷移程度較大。

方差分析表明，冰樣中TN與NH4+-N、NO3?-N存在極顯著差異（P<0.05），NH4+-N與TN存在極顯著差異（P<0.05），NO3?-N與 TN存在極顯著差異（P<0.05），它們之間都通過 0.05顯著性水平檢驗。

3.1.2 不同形態氮在冰下水體中的空間分布特征

氮在冰下水體中的空間分布規律見圖6。由圖6可知TN、NH4+-N、NO3?-N、NO2?-N都集中分布在北湖區，并且南湖區的ρ(TN)要比湖心區的ρ(TN)高，這與 NO3?-N、NO2?-N 的分布規律一致。ρ(TN)的均值是2.08 mg·L?1，根據《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）中Ⅲ類水質標準，烏梁素海冰封期水體總氮質量濃度超標 2.08倍。高值ρ(TN)、ρ(NH4+-N)、ρ(NO3?-N)均出現在采樣點 J11，分別為5.750、1.425、3.420 mg·L?1。NO2?-N 的最高含量0.044 mg·L?1出現在L11采樣點。經過計算可以知道ρ(NH4+-N)、ρ(NO3?-N)、ρ(NO2?-N)之和小于ρ(TN)，故水體中除了NH4+-N、NO3?-N、NO2?-N外還有部分有機氮，該結果與冰樣檢測結果一致。研究發現冰下水體中ρ(TN)是冰樣中ρ(TN)的3.14倍，因此冰封期烏梁素海水體中的氮主要分布在冰下水體中。

圖6 冰下水體中各采樣點不同形態氮分布Fig. 6 Distribution of different forms of nitrogen in each sampling points in subglacial water

方差分析表明，冰下水體中 TN與 NH4+-N、NO2?-N存在極顯著差異（P<0.05），與NO3?-N存在顯著差異（P<0.05），NH4+-N與TN存在極顯著差異（P<0.05），NO3?-N 與 TN、NO2?-N 存在極顯著差異（P<0.05），NO2?-N 與 TN、NO3?-N 存在極顯著差異（P<0.05），它們之間都通過0.05顯著性水平檢驗。

3.2 不同形態磷的空間分布特征

3.2.1 不同形態磷在冰體中空間分布特征

冰樣中總磷與溶解性總磷的水平分布見圖7?？偭祝═P）與溶解性總磷（DTP）的質量濃度變化趨勢一致，由此可見烏梁素海的磷化合物主要是溶解性總磷?？偭祝═P）與溶解性總磷（DTP）的平均質量濃度范圍分別是 0.012—0.089 mg·L?1和0.000—0.075 mg·L?1，均值是 0.039 mg·L?1和 0.027 mg·L?1，且采樣點 Q8和采樣點 HK 沒有檢測到DTP。水平方向上，TP和DTP的分布規律為北湖區>湖心區>南湖區。采樣點L15有最高ρ(TP)0.089 mg·L?1和最高ρ(DTP)0.075 mg·L?1。垂直方向上北湖區的最高ρ(TP)和最高ρ(DTP)均出現在每個采樣點下層冰。湖心區O10，Q10，DBK 3個采樣點下層冰有最高ρ(TP)和最高ρ(DTP)。ρ(TP)和ρ(DTP)在采樣點 N13從大到小依次是上層冰，下層冰和中層冰。ρ(TP)在采樣點ED和HK從上到下依次遞減，而ρ(TP)在采樣點HH中層冰最高，最高為0.025 mg·L?1。采樣點ED和HK的最高ρ(DTP)出現在上層冰。

圖7 冰體中各采樣點不同形態磷平均質量濃度分布Fig. 7 Distributionof the average concentration of different forms of phosphorus in each sampling point in ice sample

3.2.2 不同形態磷在冰下水體中空間分布特征

圖8是總磷與溶解性總磷在冰下水體的變化趨勢。冰下水體中TP和DTP的分布規律與它們在冰樣中水平方向分布規律一致。最大ρ(TP)是0.046 mg·L?1出現在采樣點N13，采樣點I12和采樣點N13的ρ(DTP)是最高的，是0.036 mg·L?1。經比較冰下水體中ρ(TP)大于冰樣中ρ(TP)，但二者僅相差 0.011 mg·L?1，遠小于冰下水體中TN與冰樣中TN的質量濃度之差。

圖8 冰下水體中各采樣點不同形態磷的分布Fig. 8 Distribution of different forms of phosphorus in each sampling point in subglacial water

3.3 葉綠素a的空間分布特征

3.3.1 葉綠素a在冰體中空間分布特征

冰樣中 Chl-a的平均質量濃度范圍是 1.053—4.198 mg·L?1，均值是1.707 mg·L?1。水平方向上ρ(Chl-a)的分布規律是北湖區 (2.455 mg·L?1)>湖心區 (1.407 mg·L?1)>南湖區 (1.210 mg·L?1)。最高ρ(Chl-a)和最低ρ(Chl-a)出現在采樣點 L11和 Q8。垂直方向上，北湖區采樣點J11、L11和L15的中層冰中檢測到各采樣點的最高ρ(Chl-a)，并且ρ(Chl-a)在采樣點L11和L15的變化趨勢一致。ρ(Chl-a)在采樣點I12的分布規律是下層冰最高，其次是上層冰和中層冰。湖心區DBK、Q10和O10的ρ(Chl-a)從上到下逐漸增加；N13和Q8中層冰的ρ(Chl-a)最高。南湖區采樣點ED的ρ(Chl-a)從上到下先增加后減少再增加；HH采樣點的下層冰ρ(Chl-a)最高；ρ(Chl-a)在上層冰最低的采樣點是HK。

3.3.2 葉綠素a在冰下水體中的空間分布特征

冰下水體中 Chl-a的質量濃度范圍是 1.530—12.280 mg·L?1，均值是 7.870 mg·L?1。北湖區的ρ(Chl-a)最低是 4.773 mg·L?1，其次是湖心區 9.223 mg·L?1，南湖區的ρ(Chl-a)最高是 9.760 mg·L?1。最高ρ(Chl-a)和最低ρ(Chl-a)的采樣點分別是南湖區的 HH 和北湖區的J11。葉綠素a在冰樣和冰下水體的分布情況見圖9。與冰樣相比較，冰下水體中ρ(Chl-a)更大，是其4.6倍。采樣點之間的ρ(Chl-a)變化幅度更大。

圖9 葉綠素a在冰樣和冰下水體中的分布Fig. 9 Distribution of chlorophyll-a in ice sample and subglacial water

方差分析表明，冰樣中葉綠素a與冰下水體中葉綠素a存在極顯著差異（P<0.05），冰樣葉綠素a與冰下水體中葉綠素a之間通過0.05顯著性水平檢驗。

3.4 不同形態氮磷對葉綠素a的響應

運用SPSS 26.0軟件中的線性回歸方法建立了冰封期烏梁素海冰樣和冰下水體中葉綠素a與不同形態氮磷的線性回歸方程，結果如表2和表3所示。線性回歸方程中的數據來源于烏梁素海冰樣與冰下水體的 12組監測數據，其中冰體中污染物監測數據采用的是平均質量濃度值。

表2 冰體中葉綠素a與不同形態氮磷的線性回歸方程Table 2 Linear regression equation of chlorophyll a and different forms of nitrogen and phosphorus in ice sample

表3 冰下水體中葉綠素a與不同形態氮磷的線性回歸方程Table 3 Linear regression equation of chlorophyll a and different forms of nitrogen and phosphorus in subglacial water

3.4.1 冰體中不同形態氮磷對葉綠素a的響應

由表2可知冰樣中Chl-a與TN的線性回歸方程的相關系數r為0.615，說明該模型可以很好反映Chl-a與TN之間的關系，并且經F檢驗，方差分析F值的顯著性水平P=0.033，小于 0.05，表明回歸在 0.05水平下顯著。Chl-a與 NH4+-N、NO3?-N、TP、DTP均呈現出正相關的關系，經F檢驗，方差分析F值的顯著性水平均表現為P>0.2，表明回歸在0.05水平下不顯著。由此可知，總氮是影響冰樣中葉綠素a分布的主要因素。

3.4.2 冰下水體中不同形態氮磷對葉綠素a的響應

由表3可知冰下水體中Chl-a與TN（r=0.758，P=0.004）、NH4+-N（r=0.553，P=0.062）、NO3?-N（r=0.658，P=0.020）、NO2?-N（r=0.647，P=0.023）均為負相關。經F檢驗，其中TN是極顯著負相關，NO3?-N、NO2?-N 是顯著負相關。相關系數r均在0.5以上，說明線性回歸方程很好反映冰下水體中Chl-a與不同形態氮之間的關系。冰下水體中Chl-a與 TP（r=0.178，P=0.580）正相關，與 DTP（r=0.184，P=0.567）負相關，相關性均不顯著。該結果表明氮營養鹽對冰封期冰下水體中浮游植物的影響比磷營養鹽大，Huang et al.（2012）在研究冰封期長春公園景觀湖水體中營養鹽和葉綠素a的相互關系時得到了相同的結果。

4 討論

4.1 氮和磷的空間分布及影響因素

水方平向冰樣中TN、NH4+-N、NO3?-N分布不一致，NH4+-N、NO3?-N 的最高濃度均出現在北湖區，并且ρ(TP)和ρ(DTP)的分布規律為北湖區>湖心區>南湖區。冰下水體中，北湖區ρ(TN)、ρ(NH4+-N)、ρ(NO3?-N)、ρ(NO2?-N)、ρ(TP)和ρ(DTP)比南湖區和湖心區高。烏梁素海進水口位于北湖區西側。每年秋季上游農田排水、含氮量高的工業污水、含磷量高的生活污水等通過八排干、通濟渠、長濟渠等排入烏梁素海，故進水口處氮磷濃度要明顯高于其他監測點。同時北湖區蘆葦分布廣泛，一方面在秋季阻礙水體流動，導致氮磷和其他污染物逐漸開始積累，一直持續到冬季（杜丹丹等，2019），冬季結冰烏梁素海表面污染物被留在了冰層中。另一方面蘆葦死亡后，體內的部分N、P會重新釋放到水體中，導致水體N、P含量較高（吳怡等，2013）。伴隨著冬季烏梁素海開始結冰，污染物從冰體遷移到冰下水體中，TP和DTP在冰下水體中水平方向的分布規律與其在冰體中一致，而TN、NH4+-N、NO3?-N、NO2?-N 有所差異，烏梁素海冰體和冰下水體中蛋白質等有機氮含量高，冬季溫度低，水體微生物數量少，硝化和反硝化作用緩慢。冰體中從北到南NH4+-N與NO3?-N之和在TN所占比例依次減小，說明從北到南冰體中有機氮的含量在逐漸增加，原因是烏梁素海南湖區和湖心區附近的村莊和人口多，剛進入冬季時，村民把機氮含量較高的污水排入到烏梁素海，使其在未被分解前就被保留在了冰層中。冰下水體中南湖區的溫度高于湖心區與北湖區，硝化作用較強烈，導致ρ(NH4+-N)較低，ρ(NO3?-N)和ρ(NO2?-N)較高。

垂直方向上，67%的采樣點中層冰有最高ρ(TP)，NH4+-N集中分布在下層冰，最高ρ(NO3?-N)出現在上層冰。這與呂超（2013）對烏梁素海冰體內營養鹽垂直分布特征的研究結果不同。呂超只研究了烏梁素海湖心區和北湖區冰體內營養鹽的垂直分布特征，沒有研究烏梁素海南湖區冰體內營養鹽垂直分布特征。近年來國家的環境保護意識逐漸提升，政府采取措施關閉了烏梁素海周圍的污染型企業，并治理了烏梁素海，改善了烏梁素海的水質。隨著與八排干、通濟渠等排水口之間距離不同，流速不同，不同采樣點處冰層厚度也不同，TN在冰層的下移程度也不同。冰層下方的水體溫度低，浮游植物量少，對NH4+-N的利用少，使得ρ(NH4+-N)相對較高。冬季氣溫日變化大，烏梁素海處于反復凍融過程，下層冰相對松散，故水體中的NH4+-N可遷移至下冰層，從而使其濃度高于上冰層與中冰層。冬季結冰前烏梁素海表面與大氣接觸，水體表面溶解氧含量較高，硝化作用比較活躍，導致NO3?-N濃度較高，結冰時NO3?-N被保留在了冰層表面。

下冰層有最大ρ(TP)和ρ(DTP)的采樣點，占比均為58.3%，說明冰樣中磷集中分布在下冰層。下冰層溫度高于上冰層和中冰層，冰層中氫鍵間作用力較小，空隙較大，冰下水體中TP和DTP進入冰樣中，使得下冰層中 TP和 DTP濃度較高（于玲紅等，2013）。

TN、NH4+-N、NO3?-N、NO2?-N、TP 和 DTP在冰下水體的濃度高于其在冰層中的濃度，其原因為，（1）水體中氮磷的溶解度與溫度有關，隨溫度的升高而升高，而冰下水體的溫度高于冰層中的溫度，所以冰下水體中氮磷濃度大于冰層中氮磷濃度（呂超，2013）。（2）冰體在冰層形成過程中對不同形態的氮磷有排斥作用，導致它們由冰層遷移至冰下水體（李衛平等，2014）。（3）沉積物向上覆水體釋放氮磷。冰封期內冰體溫度≤0 ℃，冰下水體溫度在 0—4 ℃。袁軼君等（2020）采用室內模擬實驗的方法探究了溫度對鄱陽湖的沉積物氮向上覆水體釋放過程的影響，發現5 ℃時鄱陽湖沉積物可以向上覆水體緩慢釋放 NH4+-N、NO3?-N 和溶解性總氮（TDN-N）。因此，沉積物的釋放也是導致冰封期烏梁素海冰下水體氮磷含量高的重要原因。

降水是也是影響水體中氮磷含量的重要因素。研究表明，在降雨過程中大量含有溶解無機營養鹽的淡水排入水體，導致水體中溶解無機氮和磷酸鹽的含量升高（Meng et al.，2017）。Nomura et al.（2011）對Saroma-ko瀉湖中的含氮化合物進行了研究，發現冰層上部高濃度的 NH4+-N、NO3?-N 和NO2?-N 主要是由于降雪造成的。冬季大氣中的氮磷化合物吸附在雪花上，伴隨降雪落到冰面。由于氣溫日變化較大，降雪在冰層頂部發生融化-凍結循環形成雪冰。雪冰中的氮磷化合物便進入到了冰層中，從而增加了冰體中氮磷的濃度。

硝化與反硝化作用可以影響冰下水體中的ρ(NH4+-N)、ρ(NO3?-N)與ρ(NO2?-N)。硝化作用是一個消耗氧氣和銨，提供硝酸的過程；反硝化作用是將硝酸鹽逐步還原為二氧化氮，去除水體中的氮的過程（Cavaliere et al.，2019；Wang et al.，2019）。Soued et al.（2015）在研究加拿大的 Saguenay地區 N2O的匯和排放中發現，由于硝化作用，冰下產生并積累了一定含量的N2O，導致冬季水體中NH4+、NO3?的濃度是全年最高的。通過利用美國 5個湖泊（Allequash，Big Muskellunge，Crystal，Sparkling和Trout Lakes）30年冬季湖沼學數據發現，冬季硝酸鹽含量隨著結冰天數在冰下水柱中積累，硝酸鹽積累的原因不是外部輸入而是硝化作用（Powers et al.，2017）。

沉積物在冬季氮循環過程中發揮著重要作用，沉積物向上覆水體釋放氮的同時也在吸收氮。據報道烏梁素海結冰后，沉積物中氮的含量明顯增加，在八排干、通濟渠附近TN含量增加了0.64倍，其余地方增加了2.7—3.7倍，殘余氮導致了TN的積累（Yang et al.，2019）。

溫度，結冰厚度，氮磷濃度是影響氮磷在冰體和水體間遷移的重要因素。（1）冰體中冰晶的核密度、分枝形狀和粒徑等是由溫度決定的。當溫度過低時，冰晶在產生枝狀分枝的基礎上，產生更高級的分枝，不同形態氮磷便被困于枝狀冰晶和枝狀冰晶產生的空隙中，從而影響其在冰樣與冰下水體中的分布（于愛鑫，2020）。（2）隨著結冰厚度的增加，大氣與水體間的熱交換在不斷減弱，冰的生長速率減小，不同形態氮磷有充足的時間由冰樣遷移至冰下水體，新形成的冰樣中氮磷濃度減少（于愛鑫等，2020）。（3）水體中氮磷濃度越高，其粘度系數越大，擴散系數越小，在結冰過程中，冰晶碰撞概率升高，氮磷更容易被留在冰體中。隨著氮磷濃度的增加，雖然冰樣中氮磷濃度較高，但是由冰樣遷移至冰下水體的氮磷濃度更高，導致冰下水體濃度升高（高寧，2018）。

4.2 葉綠素a的空間分布及影響因素

通過分析得出葉綠素a在冰樣中水平分布規律為北湖區>湖心區>南湖區，原因是農民采用漫灌方式灌溉農田，將土壤中的氮、磷、有機質等物質通過排水溝輸送至烏梁素海，這些排水溝位于烏梁素海的北部，所以秋季烏梁素海北部氮磷含量過高，浮游植物數量較大，冬季結冰時這些浮游植物沒有被分解便保留在了冰層中。冰下水體中葉綠素a的分布規律與其在冰樣中完全相反。冰下水體中烏梁素海南湖區的溫度較高，冰層較薄，陽光透過率相對較高，浮游植物的生物量較大，導致葉綠素a含量高。

4.3 不同形態氮磷對葉綠素a的響應

線性回歸分析表明冰樣與冰下水體中Chl-a與TP、DTP沒有明顯的相關性，冰樣中Chl-a與TN（r=0.615，P=0.033）顯著負相關，冰下水體中Chl-a與 TN（r=0.758，P=0.004）極顯著負相關，說明TN是影響冰封期烏梁素海Chl-a分布的主要因素。這與其他人關于冰封期烏梁素海Chl-a的研究有所差異，蔣鑫艷等（2019）在對2014—2017年Chl-a和各項環境指標進行相關性分析后，得到冬季冰封期Chl-a與TP（r=0.351）在0.01水平下呈極顯著正相關的結論。

據報道，浮游植物直接優先利用NH4+-N合成自身細胞所需的氨基酸等物質，并抑制細胞吸收NO3?-N、NO2?-N（趙旭德等，2018）。但該研究在用線性回歸方法分析冰樣與冰下水體中葉綠素a與不同形態氮磷之間關系后，發現冰樣與冰下水體中Chl-a與NH4+-N沒有明顯的相關性，反而冰下水體中 Chl-a 與 NO3?-N（r=0.658，P=0.020）、NO2?-N（r=0.647，P=0.023）顯著負相關。原因可能是葉綠素a與不同形態氮磷之間的關系與浮游植物的種類有關。Domingues et al.（2011）通過利用Guadiana河口的浮游植物種群的富集實驗發現，浮游植物對銨的偏好具有群體特異性，藍藻僅依賴銨作為氮源，硅藻偏愛硝酸鹽。因此推測冰封期烏梁素海的浮游植物群落結構以硅藻為主，李興等（2018）對烏梁素海冰封期浮游藻類分布特征的研究證明了該觀點。

5 結論

（1）對于不同形態的氮，冰樣中水平方向上北湖區出現高值ρ(NH4+-N)0.109 mg·L?1和ρ(NO3?-N)0.347 mg·L?1，高值ρ(TP)0.838 mg·L?1出現在湖心區；垂直方向上TN、NH4+-N、NO3?-N整體分布不均勻，TN、NH4+-N、NO3?-N集中分布在中層冰、下層冰和上層冰。由于烏梁素海的進水口在北湖區，冰下水體中北湖區的ρ(TP)、ρ(NH4+-N)、ρ(NO3?-N)、ρ(NO2?-N)均出現高值。

（2）無論是在冰樣中還是在冰下水體中，TP和 DTP的分布規律均一致，均為北湖區>湖心區>南湖區。采樣點中58.3%的最高ρ(TP)和ρ(DTP)出現在下冰層。

（3）冰樣中水平方向Chl-a的分布與TP和DTP相同，垂直方向最高ρ(Chl-a)出現在中層冰和下層冰的采樣點的數量占所有采樣點數量的41.6%。在采樣點HK中層冰和下層冰檢測到相同濃度的葉綠素a。冰下水體中 Chl-a的質量濃度范圍是 1.530—12.280 mg·L?1，均值為7.870 mg·L?1。北湖區的ρ(Chl-a)最低，其次是湖心區，南湖區的ρ(Chl-a)最高。

（4）線性回歸分析表明冰層和冰下水體中不同形態氮、磷對葉綠素a的響應存在不同程度的差異。其中冰樣中 Chl-a與 TN顯著相關（r=0.615，P=0.033），Chl-a與 NH4+-N、NO3?-N、TP和DTP都呈現出正相關的關系，相關性依次是0.391、0.393、0.168、0.243，經F檢驗，相關性均不顯著。冰下水體中 Chl-a與 TN（r=0.758，P=0.004）極顯著負相關，與 NO3?-N（r=0.658，P=0.020）、NO2?-N（r=0.647，P=0.023）顯著負相關。Chl-a與NH4+-N的相關性系數是0.553，經F檢驗，相關性不顯著。Chl-a與TP、DTP的相關性系數均小于0.2且不顯著。