岱海冰封期與非冰封期氮磷分布及影響因素差異分析

摘要：為揭示岱海不同時期營養鹽分布特征及與環境因子的響應機制差異，基于2021年1月（冰封期）和5、7、10月（非冰封期）岱海水樣及冰樣的實測數據，運用克里金插值、相關性分析、差異顯著性分析方法，分析岱海氮、磷時空分布特征，探討其與環境因子在冰封期與非冰封期的響應機制。結果表明：岱海水體中總氮（TN）變化趨勢為春季，秋季，夏季，冬季；總磷（TP）變化趨勢為夏季，秋季，春季，冬季。從冬季到次年秋季，水體中氨氮（NH+4-N）和硝態氮（NO-3-N）的平均濃度呈先減少后增加的變化趨勢，而TN、溶解性總磷（DTP）和顆粒態磷（PP）濃度呈先增加后減少的變化趨勢，且夏季濃度最高，以溶解態磷為主。冬季TN濃度呈湖心處高四周低的分布，TP濃度整體分布均勻。除NO-3-N在底層冰中濃度最大外，冰體中TN、TP和NH+4-N均表現為表層冰，底層冰，中層冰。在湖體凍結排鹽作用下，不同形態氮、磷平均分離系數大小依次為NH+4-N＞TP＞TN＞NO-3-N。DTP與水溫全年呈顯著正相關，入冬后溫度降低且外源磷供給減少，而結冰過程中TN濃縮程度高于TP，導致冰下水體的氮磷比增大。不同時期水體中營養鹽與鹽度、葉綠素。的響應存在明顯差異，這一結果受冰蓋阻隔、凍結排鹽、內外源污染以及微生物代謝等多個過程的共同控制。

關鍵詞：岱海；營養鹽；冰封期；非冰封期；水環境因子；凍結排鹽

中圖分類號：X524 文獻標志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）07-1590-09 doi：10.11654/jaes.2023-0633

岱海處于蒙新高原湖區，是我國北方生態安全屏障的重要組成部分。近20年來，岱海生態環境發生了顯著變化，氮、磷等營養鹽長期在湖內積累，湖水濃縮和內源營養鹽釋放是岱海水體高氮、磷的主要原因，年檢測結果顯示全湖水質持續為劣Ⅴ類水平，岱海湖泊濕地面臨著嚴峻的生態風險。

蒙新高原湖區具有明顯的季節特征，其在非冰封期與冰封期間交替轉變。非冰封期湖泊表層水體受太陽直射，環境因子與菌藻生長代謝聯系密切。與非冰封期相比，冰封期湖區處于覆冰環境下，冰蓋阻隔大氣和水體間的物質和能量交換，湖泊冰下水體的熱分層顛倒，進而影響湖泊營養鹽、溶解氧通量及新陳代謝等動態平衡。冰封期溶解氧濃度的補充和消耗與非冰封期不同，對湖泊生態系統的動植物種群和水質變化都有直接或間接的影響。張亮等發現秋冬季日照近岸海域無機氮和活性磷酸鹽的質量濃度均高于春夏季。許冬雪等發現冰封期烏梁素海中營養鹽和葉綠素。集中分布在冰下水體中，且營養鹽對葉綠素。的響應存在不同程度的差異。另外，鹽分的存在亦對水體中氮、磷等營養鹽的賦存特征產生影響。結冰過程中發生濃縮效應會使得冰下水體中營養鹽和鹽的濃度升高。也有研究表明，冰封期鹽分與營養鹽濃度及交換通量呈顯著相關。

綜上所述，不同時期下環境因子會呈現出不同的變化趨勢，因此將兩個時期相結合分析十分必要。相較同緯度的藻型湖泊南海和草型湖泊烏梁素海，岱海屬于深層咸水湖，鹽度已達到12.82‰，水環境問題具有其特殊性。現有研究多集中于各介質中營養鹽分布特征、水質或營養狀態評價、污染源解析等，而關于蒙新高原湖泊尤其是岱海冰體及冰下水體引發的污染物遷移的研究有限，冰封期與非冰封期下營養鹽分布特征及其與環境因子的響應機制差異尚不清晰。為此，本研究于1月（冰封期）和5、7、10月（非冰封期）逐季對岱海采樣，對比氮、磷營養鹽時空分布的差異性，闡明營養鹽與環境因子在冰封期與非冰封期的響應機制差異，為寒區鹽化湖泊環境污染控制提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

岱海（40°29＇40°37＇N，112°33＇-112°46＇E）位于內蒙古自治區烏蘭察布市涼城縣東部岱海盆地中央（圖1），是內蒙古第三大內陸湖，屬咸水湖，呈不規則長橢圓形，坡度呈中間低四周高的分布，湖面水位平均海拔1 224.1 m，湖泊面積約48 km2，平均水深為4m。岱海流域常年盛行西南風，冬季嚴寒漫長，夏季炎熱短促，多年平均年降水量為413.7 mm，多年平均水面蒸發量為953.3 mm，日照時數最高可達2 936.9h，多年平均氣溫為5℃。每年11月初進入冰封期，冰封期長達100-130 d，累積負積溫為610-800℃·d，冰體厚度可達30-60 cm。冰封期水體平均鹽度為14.21‰，凍結前平均鹽度為12.76‰。

1.2 樣品采集與測定方法

岱海采樣點按照《水環境監測規范》（SL 219-2013）規定的湖泊監測斷面原則布設，以6 km2為控制單元將岱海湖區劃分為9個網格分區，結合岱海入湖河流的位置，在每個分區中心設置采樣點，共布設9個采樣點（圖1）。本研究分別于2021年1月3日（冬季）、5月16日（春季）、7月15日（夏季）和10月15日（秋季）進行取樣。非冰封期（春季、夏季和秋季）使用有機玻璃采水器采集表層0.5 m以下水樣，取樣前所有容器用蒸餾水沖洗，取樣時再用湖水反復潤洗3次，水樣置于1L聚乙烯廣口采樣瓶內。冰封期（冬季）采樣時利用油鋸對冰體進行切割，沿40 cm×40 cm的正方形邊框垂直將冰蓋四周鋸斷，將冰體取出并測定冰厚。以平均冰厚為依據將冰層分為3層：冰層表面10 cm為表層冰；10-20 cm為中層冰；20-40 cm為底層冰。各層冰樣分割切碎后分別置人2L聚乙烯廣口采樣瓶中保存，待水體穩定后繼續采集冰體下0.5 m水體。水體pH、溶解氧（DO）、水溫（T）和鹽度（Sal）等指標在取樣現場通過多參數水質儀（HAN-NA-HI98194）測定并記錄。之后將所有樣品放人0-4℃保溫箱中避光保存，在48 h內帶回實驗室檢測。總氮（TN）、氨氮（NH+4-N）、硝態氮（NO-3-N）、亞硝態氮（NO-3-N）、總磷（TP）、溶解性總磷（DTP）、葉綠素。（Chl.a）、化學需氧量（CODCr）的測定參照《水和廢水監測分析方法》（第四版）。顆粒態磷（PP）濃度為TP濃度與DTP濃度的差值。其中NO--N全年濃度較低（小于0.05 mg·L-1）且不穩定，因此不予考慮。冰樣采用重力融冰裝置融化后對其TN、NH+4-N、NO-3-N和TP進行測定，測試方法同上。

1.3 數據處理

使用Excel 2021對數據初步整理；采用ArcGIS10.8軟件Geostatistical Analyst模塊及克里金二次插值法（Kriging）繪制氮、磷空間分布圖；使用SPSS 26.0經方差齊性檢驗后作Duncan差異顯著性分析（P＜0．05）；相關系數熱圖和其他圖表的繪制通過Origin2022實現。

2 結果與分析

2.1 不同季節岱海水體中氮、磷營養鹽分布特征

岱海水體中TN和TP濃度時空分布特征如圖2所示。冬季湖心深水區TN濃度顯著高于湖岸四周淺水區，DH4點TN濃度達到最高值，為4.84 mg·L-1；春季TN空間濃度差異縮小，呈自西向東遞減的趨勢；隨時間推移夏季TN濃度下降，時空分布整體相對均勻；秋季南北岸TN濃度略低，呈現向湖中遞增的趨勢。與TN時空分布不同，冬季和秋季TP在區域內整體呈均勻分布，其中冬季TP濃度明顯低于其他季節，最低達到0．10 mg·L-1。春季湖泊東西方向上的DHI和DH6點的TP濃度升高，呈現向湖中心擴散的趨勢，夏季該變化趨勢加強，DH7點TP濃度達到最高值，為0.36mg·L-1。

從時間變化來看，岱海TN平均濃度的季節變化趨勢表現為春季＞秋季＞夏季＞冬季，平均濃度依次分別為（4.36±0.26）、（4.13±0.16）、（3.87±0.07）mg·L-1和（3.64±0.84）mg·L-1（圖3a）。總體來看，冬季至秋季NO-3-N和NH+4-N的平均濃度均呈先減小后增加的變化趨勢，其中：秋季NO-3-N平均濃度顯著高于其他季節（P＜0.05），而春季和夏季無顯著差異（P＞0.05）；冬季NH+4-N平均濃度顯著高于其他季節（P＜0．05），較春、夏和秋季分別增加96.5%、259. 1%和101.7%。TP季節變化趨勢表現為夏季＞秋季＞春季＞冬季，平均濃度依次分別為（0.22±0.07）、（0.15±0.02）、（0.14±0.04）mg·L-1和（0.11±0.02）mg·L-1（圖3b），且秋、冬季和春季間無顯著差異（P＞0．05）。DTP和PP的總體變化趨勢與TP相近，隨時間推移呈先增加后減小變化，其中夏季DTP濃度顯著高于其他季節（P＜0．05），而其他季節間DTP無顯著差異（P＞0．05）；PP在全年均無顯著變化（P＞0.05），平均濃度為0.06 mg·L-1。不同形態磷中DTP占水體TP的50%以上，表明磷在水體中以溶解態為主。

2.2 冰體中氮、磷營養鹽時空分布特征

如圖4所示，冰封期冰體中TN、NH+4-N和TP的平均濃度在垂直方向上總體表現為表層冰＞底層冰＞中層冰，其中56%的采樣點中NH4-N和TP的最高濃度出現在表層冰，而中層冰和底層冰之和僅占44%。冰體中NO-3-N表現為底層冰（0.52 mg·L-1）表層冰（0.50 mg·L-1）＞中層冰（0.46 mg·L-1）。高濃度NO-3-N點在中層冰和底層冰的占比達到22%和44%。冰體中TN和TP的平均濃度分別為1.64 mg·L-1和0.08mg·L-1，冰下水體中TN和TP的濃度是冰體內的2.2倍和1.5倍。

為表示湖體凍結時冰—水界面營養鹽的遷移效率，將冰體中營養鹽濃度與正凍水體中營養鹽濃度的比值定義為分離系數。岱海各采樣點氮、磷營養鹽的分離系數如表1所示，大小依次為NH+4-N（0.51）＞TP（0.48）＞TN（0.43）＞NO-3-N（0.37）。不同形態氮中，NH+4-N分離系數在0．33-0.86之間，西南湖域（DH8）分離系數達到最高值；TN和NO-3-N分離系數的范圍分別為0.34-0.61和0.25-0.71，其中DH7點的TN分離系數和DH3點的NO-3-N分離系數最高。TP分離系數在0.26-0.86之間。各營養鹽的偏態系數平均為1.45，呈正偏分布。NO-3-N變異性最高，TP次之，TN最低，表明NO-3-N在冰—水界面的遷移效率差異較大。

2.3 冰封期與非冰封期氮、磷營養鹽與環境因子的響應關系

岱海冰封期與非冰封期氮、磷營養鹽與水環境因子（DO、鹽度、水溫、葉綠素a、pH、CODCr）的相關性分析如圖5所示。冰封期水體中葉綠素。與NH+4-N、TP、DTP、溫度和CODCr呈顯著（P＜0.05）或極顯著（P＜0.01）負相關，但與TN、鹽度和DO呈正相關，其中葉綠素a與鹽度（P＜0．05）和DO（P＜0.01）相關性顯著。CODCr和溫度與NH+4-N呈極顯著正相關（P＜0.01）。TP與鹽度呈極顯著負相關，但與CODc，呈極顯著正相關（P＜0.01）。DO與NH+4-N （P＜0.05）和溫度（P＜0.01）呈顯著負相關，但與N03-N呈顯著正相關（P＜0．05）。除CODCr外，非冰封期葉綠素。與其他水質因子的相關關系均與冰封期相反，且相關性減弱。TN與DO、CODCr、pH和鹽度均呈顯著（P＜0．05）或極顯著（P＜0.01）正相關；鹽度與NO-3-N和TP呈正相關，其中與NO-3-N相關性顯著（P＜0．05）。綜上，冰封期氮磷營養鹽受水環境因子影響顯著。

3 討論

3.1 水體及冰體中氮、磷營養鹽時空分布的差異性

從空間分布來看，岱海冬季湖心深水區TN濃度到湖岸四周淺水區呈遞減趨勢。岱海湖底呈中間低四周高的分布，湖心區水較深，冰層覆蓋下受擾動影響小且易形成厭氧環境，進而湖心區內源釋放強度大于淺水區。春季TN呈自西向東遞減的趨勢，這可能是受點源污染和氣候的共同影響。湖西高值區DH3臨近岱海旅游區碼頭，旅游業發展增加了營養鹽的排放，而岱海流域常年盛行西風，冰蓋消融后水體更易受風浪擾動，引起上下水體強烈摻混，促進沉積物顆粒懸浮及營養鹽釋放，并使高值區向其余水域均勻擴散。從時間變化來看，岱海秋冬季水體中NO-3-N和NH+4-N濃度較春夏季更高，秋冬季水生植物殘體在沉積物表面被微生物礦化分解，在氨化和硝化細菌作用下水體中有機氮轉化為NH+4-N和NO-3-N。岱海冬季DO居全年最高，平均濃度為14 mg·L-1，不易對硝化作用產生限制，Soued等在研究加拿大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的N2O，從而導致冬季水體中NH+4-N和NO-3-N的濃度在全年最高。此外，冰封期冰蓋形成過程中會發生凍結排鹽效應，冰中的鹽分遷移至冰下水體而促使水體中鹽度升高。異化硝酸鹽還原在高鹽環境中更受青睞，從而加快沉積物中NH+4-N的釋放。而氨氧化和亞硝酸鹽氧化速率會受到鹽度的抑制，隨鹽度升高抑制程度增強，進而使NH+4-N濃度保持較高水平，這也是冬季水體中NH+4-N濃度顯著高于其他季節的重要原因之-（P＜0．05）。

岱海冰體中TN、NH+4-N和TP在垂直方向上的分布規律為表層冰＞底層冰＞中層冰，冰封初期，冰體與大氣熱交換作用顯著，冰生長速率較快，析出的氮、磷營養鹽未及時向冰下遷移便被俘獲在冰體內，底層冰結構松散，空隙較大，水體中的營養鹽可以再次遷移回冰體底層，使冰體內輪廓線呈“C”字型，這與于玲紅等對烏梁素海的研究結果相似。然而，本研究中NO-3-N在底層冰中占比最大，這一結果受多種因素共同影響。封凍初期光照能穿透冰層，冰下依然可以進行光合作用。岱海DO接近飽和甚至過飽和狀態，NO-2-N易被氧化為NO-3-N而使底層冰中NO-3-N濃度偏高。另外，張程等通過室內實驗發現NO-3-N較NH+4-N和PO3-4-P分離系數更小，證明NO-3-N受自身遷移性影響而更易富集于底層冰中。岱海TN和TP的分離系數分別為0.43和0.48，高于呼倫湖的0.32和0.45，這可能是由于岱海湖水鹽度遠高于呼倫湖（2.5‰），冰內產生更多的鹵水通道，增大了營養鹽從水體到冰體的通量，表現為分離系數更大。對岱海前期檢測得出冰封前（2020年10月）氮磷比為20.7，冰封期（2021年1月）氮磷比升高至31.9，相較于岱海冰生長期，冰封期冰下水體鹽度增大，凍結比例上升致使氮磷比增加占主要地位。因此，在凍結排鹽效應下冰下水體中氮、磷濃度增大，而氮磷比同時增加也將加劇磷營養鹽限制，這一過程可能促使冰封期岱海浮游生物豐度及含量較低。

3.2 冰封期與非冰封期氮磷營養鹽與環境因子的響應差異分析

本研究中，非冰封期水體中鹽度與TN、NO-3-N、TP、DTP均呈正相關性。然而，冰封期冰下水體中鹽度與NH+4-N、NO-3-N、TP呈負相關性。非冰封期營養鹽濃度一般考慮受內源釋放的影響，而在冰封期營養鹽濃度同時受冰體凍結排鹽效應的疊加影響。查干湖冰封期NH+4-N的交換通量隨鹽度增大而增大，而在冰—水界面，鹽度升高反而減少了營養鹽在冰下水體中的富集。冰封期鹽度與NO-3-N相關性不顯著，其可能與沉積物中鹽分升高有關。硝化菌在中等鹽度（10‰-20‰）下代謝最佳，鹽度超過20‰表現為抑制作用。岱海沉積物中鹽度在豐水期可達到21.54‰，1月岱海同時處于枯水期和冰封期，在凍結排鹽作用下水體進一步咸化，鹽分繼而遷移至沉積物中，使硝化作用受到抑制。此外，冰封期氮代謝相關細菌活性降低，釋放到水體中的氮、磷含量降低，春季融冰期的凍結濃縮作用逐漸解除，且隨著溫度升高硝化菌開始恢復活性，因此，在非冰封期NO-3-N與鹽度呈顯著正相關關系，同時NH+4-N濃度呈減少趨勢。岱海湖面蒸發量可占到總排泄量的85.26%，這使得水體鹽度和總溶解固體升高，從而增大了非冰封期鹽化作用對水體化學指標的貢獻率。

水溫是影響沉積物中有機物代謝的重要因素之一，適宜溫度下微生物活性增強，從而促進草源有機質分解。冰封期與非冰封期水溫和DTP均呈顯著正相關，預示岱海磷濃度受溫度影響較大，岱海四季氣溫變化顯著，1月份氣溫最低，平均氣溫- 12.2℃。這也使得冬季TP濃度在全年處于較低水平。非冰封期水溫升高，DO飽和度及濃度降低，生物活動增強導致界面間耗氧增強，厭氧條件加速了Fe3+還原成Fe2+、Mn4+還原成Mn2+，促使磷載荷增加，沉積物呈磷源狀態。磷對浮游植物生長有促進作用，而Chl．a是反映水中藻類現存量的重要指標。本研究中冰封期Chl.a和TP表現為顯著負相關，非冰封期時則表現為正相關，這可能是因岱海冰封期TP濃度均低于非冰封期。另外，岱海周邊農田中的化肥可通過淋溶、滲透等途徑以地表徑流的形式進入水體，岱海以季節性河流為主，入冬后逐漸斷流，陸地徑流輸入的磷供給減少，增強了冰封期磷限制作用，進而使Chl.a與磷呈負相關。水體中營養鹽濃度并不總是與藻類的增殖呈正比，而是表現出非常復雜的關系。岱海冰封期Chl.a和NH+4-N呈顯著負相關，非冰封期Chl．a和NH+4-N呈正相關，原因之一是浮游植物的生長狀況導致營養鹽濃度變動，藻類生長對氮的吸收利用不同步。從能量消耗角度看，浮游生物優先利用以NH+4-N為主的營養形態，合成自身細胞所需的氨基酸等物質，并抑制對NO-3-N和NO2-N的吸收。

4 結論

（1）岱海表層水體中TN濃度的變化趨勢為春季＞秋季＞夏季＞冬季，平均濃度在3.64-4.36 mg·L-1之間；TP濃度變化趨勢為夏季＞秋季＞春季＞冬季，平均濃度在0．11-0.22 mg·L-1之間，且秋、冬季和春季無顯著差異。秋、冬季NO-3-N和NH+4-N濃度顯著高于春、夏季。不同季節中磷以溶解態為主，TP和DTP濃度變化趨勢相似，在夏季達到最高值。從水平分布上看，TN和TP差異明顯，冬季TN湖心處濃度較周邊淺水區更高，其他季節TN總體呈均勻分布；TP在春季和夏季表現為向湖心擴散趨勢，而冬季和秋季基本呈均勻分布。

（2）冰體中TN、TP和NH+4-N在垂直方向上的濃度變化為表層冰＞底層冰＞中層冰，而NO-3-N富集于底層冰中。在湖體凍結排鹽作用下，岱海不同形態氮磷分離系數大小依次為NH+4-N＞TP＞TN＞NO-3-N，其中TN和TP的分離系數平均分別為0.43和0.48，表明結冰過程中TN濃縮程度高于TP，進而提高了冰下水體的氮磷比。

（3）營養鹽和其他環境因子在不同時期有著相反的相關性。冰封期水體中Chl．a和NH+4-N、TP呈顯著負相關，非冰封期Chl．a和NH+4-N、TP呈正相關。冰封期水體中鹽度與NH+4-N、NO-3-N、TP呈負相關性，非冰封期鹽度與TN、NO-3-N、TP、DTP呈正相關性，這一結果受冰蓋阻隔、凍結排鹽、內外源污染以及微生物代謝的共同作用。DTP與水溫呈顯著正相關，季節性溫度及入湖河流流量變化，共同影響了冰封期和非冰封期的TP濃度。

（責任編輯：李丹）

基金項目：內蒙古科技大學科研啟動專項；黃河流域內蒙古段復雜河湖環境治理技術應用與示范（2021GG0410）；內蒙古自治區高等 學校科學技術研究項目（NJZY23087）