烏梁素海沉積物中營養鹽的垂直分布特征及污染評價*

劉菊梅 肖 振 司萬童# 求瑞娟 左小洪 丁欣雨 李彥林 畢 捷

(1.重慶文理學院,重金屬廢水資源利用重慶市重點實驗室,三峽庫區河湖生態系統重慶市野外科學觀測研究站,重慶 402160;2.內蒙古科技大學生命科學與技術學院,內蒙古 包頭 014010)

沉積物是湖泊生態系統的重要組成部分,是湖體營養鹽的儲存庫[1]569。沉積作用受湖泊規模、地質和氣候等的影響。當外部環境發生變化,過量的營養鹽就會從沉積物中釋放出來,通過遷移轉化,使湖泊水質不斷惡化,從而對生態系統造成威脅[1]572。沉積物中的有機質有外源輸入,也有內源積累[2]1758,[3]2;氮、磷是造成水體富營養化的關鍵因子[4],研究它們的含量及分布情況對湖泊的污染趨勢預測及生態修復具有重要的意義。

烏梁素海位于內蒙古巴彥淖爾市,是全球范圍內干旱草原及荒漠地區極為少見的大型多功能湖泊。該湖面積較大,物種多樣性高[5]2。蘆葦在湖區廣泛分布,其腐爛分解后沉降至湖底,加劇了湖區碳的內源性積累[6]999。每年有大量未經處理的河套灌區灌溉退水、工業和生活廢水排入烏梁素海,導致該湖外源輸入的碳、氮、磷過多,營養鹽含量及浮游生物數量增加,水生植物和漂浮藻類殘體增加,沉積物的堆積加速,使烏梁素海成為世界上沼澤化最快的湖泊之一[7],水環境的持續惡化使該湖富營養化問題更加多元化[8]。目前,很多學者對烏梁素海沉積物環境開展了相關研究,如劉旭等[6]994-998研究了該湖沉積物營養鹽的分布特征及固碳能力;杜彩麗等[9]5600-5605調查了該湖表層沉積物中營養鹽和重金屬的分布特征;姜濤等[10]分析了冰封期該湖營養鹽特征。但生長季的營養鹽垂直分布特征仍不清楚。

哈素海位于內蒙古呼和浩特市土左旗境內,具有引水灌溉、水產養殖和景觀旅游的功能,是內蒙古的主要漁業基地。隨著城市化進程的加快,哈素海水質有下降趨勢[11]30,[12]。哈素海與烏梁素海相似,以黃河水作為補給水,位于半干旱氣候區,是微鹽水湖,蘆葦為優勢挺水植物。烏梁素海是周邊區域生產、生活污水排泄的主要通道[2]1755,而哈素海沒有明顯、長期收納污水。為此本研究以烏梁素海為研究對象,以哈素海作為對照,研究不同深度沉積物的基本理化性質、全量營養鹽、速效營養鹽的垂直分布特征和變化規律,采用營養鹽污染指數法進行湖泊生態安全評價,旨在為烏梁素海富營養化污染修復提供數據參考。

1 材料和方法

1.1 研究區域概況

本研究以烏梁素海為研究樣地,在水生植物生長季,在湖的南部退水區域,從中心向岸邊,即由水相至陸相選取了一個樣帶,選擇5個采樣點,分別為W1、W2、W3、W4、W5;以哈素海為對照樣地,在湖的東部區域選擇1個采樣點(H),垂直分層采集沉積物(采樣點分布見圖1,相關信息見表1)。

表1 采樣點信息

圖1 采樣點分布

1.2 樣品采集及指標測定

用KCmodAochB型無擾動采樣器采集樣品,現場將沉積物柱芯以20 cm間隔分層,分為0～20、20～40、40～60 cm的樣品。沉積物樣品裝入自封袋后暫存于冷藏樣本箱,帶回實驗室于-20 ℃保存。用于分析測定的沉積物樣品在室內自然風干后,去除石子和動植物殘體,碾碎,全部過10目土壤篩,充分混勻后用四分法分成兩份,一份用于理化性質和速效營養鹽的測定,包括pH、鹽度、含水率、粒度、堿解氮、硝態氮、銨態氮、速效磷、速效鉀;另一份繼續采用四分法分成兩份,一份過60目的土壤篩,用于全量營養鹽總有機碳(TOC)、總氮(TN)、總磷(TP)的測定;另一份過100目土壤篩,用于總鉀(TK)的測定。

各指標測定方法見文獻[5]。含水率用105 ℃恒重法測定;按1 g∶2.5 mL的土水比充分振蕩溶解樣品后,分別用pH計(HACH HQ40D)和烘干殘漬法測定pH、鹽度;粒度用激光衍射粒度儀(Malvern Mastersizer 2000)測定。TOC用重鉻酸鉀外加熱法測定;TN和銨態氮用凱氏定氮法測定;TP、速效磷用氫氧化鈉堿熔/鉬銻抗比色法測定;堿解氮用堿解擴散法測定;硝態氮用紫外分光光度法測定;TK用電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP6000)測定;速效鉀用乙酸銨浸提/火焰光度法測定。

1.3 評價方法

采用單因素污染指數法和綜合污染指數法[9]5599對氮、磷污染程度進行評價。計算公式為:

Fi=Ci/Cs

(1)

(2)

式中:Fi為因子i的單因子污染指數,Fi大于1表示因子i的含量超過評價標準值;Ci為因子i的實測值,g/kg;Cs為因子i的評價標準值,g/kg,本研究中TN和TP的評價標準值分別取0.55、0.6 g/kg[13];F為綜合污染指數;Faverage為單因子污染指數平均值(本研究指TN和TP單因子污染指數的平均值);Fmax為最大單因子污染指數[9]5599。單因素污染程度和綜合污染程度劃分見表2。

表2 污染程度劃分

1.4 數據分析

采用Excel 2016和SPSS 25.0進行數據統計與分析,利用one-way ANOVA分析Duncan檢驗進行顯著性差異分析。

2 結果與討論

2.1 沉積物理化性質垂直分布特征

由表3可知,兩個湖泊沉積物的pH的平均值均大于7,整體偏堿性。烏梁素海0～20、20～40、40～60 cm深度沉積物鹽度的平均值分別為0.24%、0.15%和0.11%,鹽度平均值垂直向下呈遞減趨勢;表層沉積物(0～20 cm)鹽度由湖中心向湖岸大體呈波動升高趨勢。表層沉積物含水率由湖中心向湖岸大體呈波動下降趨勢,W1顯著高于W2、W4、W5,也顯著高于哈素海(H)。

表3 不同深度沉積物的理化性質1)

鹽度作為水體中浮游生物生長的主要調控因子,對生物體內酶的活性、生長代謝及生理生化過程具有重要的影響作用[3]6。由于烏梁素海地處半干旱地區,區域降水量少,在全球氣候變暖的影響下,蒸發強度增大,烏梁素海整體的鹽堿度較高。在一定范圍內,鹽度升高有利于浮游植物的繁殖,造成藻類大量繁殖,從而引起湖泊水體富營養化[14]。在弱堿性和強堿性條件下,沉積物中的氮、磷元素的釋放量明顯提高[5]4。此外,烏梁素海沉積物受沉積作用影響明顯,各采樣點上,黏粒和粉粒占比大體呈垂直向下波動增加趨勢。沉積物粒度的大小間接影響著營養鹽的富集[15]646。而高營養鹽會減緩鹽堿度對耐鹽堿微生物的限制作用,促進耐鹽堿微生物和浮游生物的繁殖[16],有利于碳、氮循環微生物對碳、氮元素的去除[5]5,提升水質。

2.2 沉積物全量營養鹽垂直分布特征

由表4可知,烏梁素海大部分采樣點TN超過1.0 g/kg,表明該湖沉積物中氮含量整體較高。表層沉積物中TOC、TN和TP含量由湖中心向湖岸呈波動下降趨勢,W1的TOC總體高于W2～W5和H。TOC在W3垂直向下顯著遞減(P<0.05),在其他采樣點沒有顯著的垂直變化;TN、TP和TK垂直變化不明顯,TP在W1表層顯著富集(P<0.05),TN和TP在W1表層顯著高于H(P<0.05)。

表4 不同深度沉積物中全量營養鹽的質量濃度

2.3 沉積物速效營養鹽垂直分布特征

由表5可知,烏梁素海沉積物中的堿解氮、速效磷在W1表層顯著富集,速效磷在W1垂直向下顯著遞減(P<0.05);銨態氮在W3表層顯著富集,硝態氮在W3垂直向下顯著遞減,且在W1各層顯著高于W2。整體上,堿解氮、速效磷、銨態氮和硝態氮在烏梁素海湖中心(W1)顯著高于哈素海(H)。此外,堿解氮、銨態氮和硝態氮在TN中平均占比(質量占比)分別為3.63%、60.82%和0.58%,可見銨態氮為烏梁素海沉積物中無機氮的主導形態。

表5 不同深度沉積物中速效營養鹽的質量濃度1)

結合2.2節可知,烏梁素海從湖中心向湖岸的TOC、TN和TP表層含量呈波動下降趨勢;TP、堿解氮和速效磷在W1表層富集明顯,TOC、銨態氮和硝態氮在W3表層富集明顯。推測原因如下:一,W1和W3水較深(1.5 m),水深增加強化沉積物穩定性和黏粒的沉積,有利于有機質以及微生物代謝產物的堆積[15]650。二,可能是湖濱、湖岸的蘆葦、香蒲等大型挺水植物對營養鹽的吸收和利用及湖濱植物緩沖帶對外源營養鹽的削減[17-18],導致湖濱、湖岸含量比湖中低。

由表6可見,各營養鹽均與含水率顯著正相關;TK與黏粒和粉粒顯著正相關,與砂粒和鹽度極顯著負相關;TOC、TK、堿解氮和銨態氮與pH顯著負相關;其他營養鹽與pH的相關性不顯著。TOC與營養鹽均極顯著正相關,TN與TP極顯著正相關。這暗示了碳與氮、磷、鉀,氮與磷可能直接相關,且鹽堿性環境和砂粒含量越高,TK越容易從沉積物中釋放出來。

表6 相關性分析1)

自然條件下,磷通常是湖泊生態系統的限制性因子,速效磷是湖泊沉積物中能夠被植物吸收的主要磷組分[19-20],控制著湖泊的初級生產力水平。烏梁素海湖區內的N/P(質量比)大約介于1.24～4.21,各采樣點的N/P<7,表明氮可能是此區域的限制性營養鹽[11]30;由于TOC與TN、TP均極顯著正相關,因此控制烏梁素海農業氮、磷廢水的排入也有利于減少碳的積累[6]999。同時,植物根際微環境的好氧條件,也會促進碳循環、氨氧化微生物的繁殖[5]1,進而影響有機質和氮的含量。因此,微生物和水生植物聯合治理是修復湖泊生態系統的重要方向之一。

2.4 營養鹽污染評價

由圖2可知,哈素海各層沉積物中的TN單因子污染指數均值為2.73,TN處于重度污染狀態;TP單因子污染指數均值為1.13,TP處于中度污染狀態;綜合污染指數均值為2.37,綜合污染處于重度污染狀態。烏梁素海從湖中心到湖岸5個采樣點各層沉積物中TN單因子污染指數均值為3.16,變異系數為48.65%,整體上處于重度污染狀態;TP單因子污染指數均值為1.01,變異系數為10.86%,整體上處于中度污染狀態;綜合污染指數均值為2.68,變異系數為45.42%,整體上處于重度污染狀態,且從湖中心向湖岸,氮、磷污染程度呈波動下降趨勢,且氮污染比哈素海嚴重,磷污染與哈素海相比差異不明顯。與前人研究[9]5601相比,各指數均呈降低趨勢,但整體上烏梁素海營養鹽污染嚴重,仍面臨潛在生態風險。

圖2 營養鹽污染指數

3 結論與建議

1) 除TK和速效鉀,烏梁素海湖中心表層沉積物各營養鹽含量明顯高于哈素海,且表層TOC、TN和TP含量從湖中心向湖岸呈波動下降趨勢;TP、堿解氮和速效磷在W1表層富集,TOC、銨態氮和硝態氮在W3表層富集;所有營養鹽均與TOC極顯著正相關。

2) 烏梁素海沉積物中TN處于嚴重污染狀態,TP處于中度污染狀態,相比哈素海存在較高的富營養化風險。

3) 氮為該區域的限制性營養鹽,為有效防控烏梁素海富營養化程度的加劇,應加強控制TOC和氮的外源輸入。