2020, Vol. 41
水体中超负荷的氮和磷等生源要素会直接引起湖泊水生生态系统初级生产力的异常增加, 进而导致湖泊富营养化的发生[1, 2].湖泊的营养物浓度水平取决于湖泊的形态、水力特征、周围土地利用情况和湖泊所在的地理区域[3].岱海是我国半干早区的一个典型内陆湖, 近年来, 随着自然气候变化和人类活动的影响, 岱海生态环境发生了很大变化, 湖泊水位持续下降, 湖面不断萎缩, 湖泊水质也呈现出明显的恶化趋势, 年水质监测结果显示全湖水质达到劣Ⅴ类水平, 岱海湖泊富营养化程度不断加剧[4, 5].文献[6~10]对岱海流域气候变化进行了分析, 结果表明近50年来, 岱海流域的气候在全球气候变化和区域人类活动的双重影响下, 气温升高, 降水略有减少, 干旱有所加强；文献[11, 12]研究岱海水面面积变化特征, 发现岱海湖面重心从西南向东北方向不断移动, 是自然因素与人类活动共同作用的结果；文献[13~16]研究岱海水质咸化过程发现由于流域内人类活动的加剧, 特别是人口的增加和工农业生产的发展, 截流了大量的低盐度的地表水和地下水, 减少了岱海低盐度水的补给, 同时, 流域内土地高强度的开发利用, 造成土壤盐份淋溶加剧等, 导致了岱海水位及库容量下降, 湖水盐容量降低, 大量的盐份累积于湖体是造成岱海湖水水质咸化的主要原因；文献[17~20]对岱海沉积物中氮磷分布及内源释放进行了研究, 结果表明岱海沉积物中氮和磷浓度较高, 尤其是氮已经对底栖生物群落及生态环境构成了威胁, 同时水体pH、溶解氧水平和扰动等因素均会对内源氮和磷的释放产生一定的影响.
综上, 学者们的研究多集中在岱海气候变化、水域面积减小、水质咸化及沉积物内源释放等方面, 系统地分析岱海水体氮磷时空分布特征的研究较少, 本文以岱海为研究对象, 对其上覆水中氮和磷营养盐的空间分布特征及差异性进行分析, 在半干旱区湖泊富营养化的研究中具有重要的意义.
1 材料与方法 1.1 研究区域概况岱海位于内蒙古自治区乌兰察布市凉城县境内(112°37′20″~112°46′4.05″E, 40°32′27.38″~40°36′37.09″N), 是我国半干旱区一个典型的封闭型内陆湖, 东西长约25 km, 南北宽约10 km, 平均水深约4 m, 湖面面积约55 km2(2018年).流域四周环山, 北部为蛮汉山, 南部为马头山, 中间为断陷盆地.有8条较大的河沟直接汇入岱海, 分别为索岱沟、水草沟、大河沿河(苜花河)、天成河、步量河、土城子河、五号河和弓坝河, 其中只有弓坝河、天成河和大河沿河为常年河流, 其余均为季节性河流, 湖水补给方式主要为降水[21](图 1).
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图 1 采样点分布示意 Fig. 1 Sampling points and location of Daihai Lake |
全湖共设置12个采样点, 其中岱海东、西、南、北分别布置2个采样点, 中部均匀布置4个采样点, 并用GPS进行定位导航, 分别于2018年9月20日(秋季)、2019年2月25日(冬季)、2019年5月5日(春季)、2019年7月10日(夏季)、用有机玻璃采水器采集表层0.5 m处上覆水样品, 水质样品放入2~8℃保温箱中保存, 并在48 h内进行分析测试.
取适量原水经0.45 μm混合纤维素膜过滤, 过滤水用于测定溶解性总氮(DTN)、氨氮(NH4+-N)、硝氮(NO3--N)、溶解性总磷(DTP)和无机磷(IP), 取适量混合均匀的原水样进行总氮(TN)和总磷(TP)的测定.
1.3 样品的测定样品TN、DTN的测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB 11894-89), NH4+-N的测定采用纳氏试剂比色法(GB 7479-87), NO3--N的测定采用紫外分光光度法(HJ/T 346-2007), 由于NO2--N较不稳定且浓度较低, 这里不予考虑, 故溶解性有机氮DON=DTN-NH4+-N-NO3--N, 颗粒态氮PN=TN-DTN；TP、DTP的测定采用过硫酸钾氧化钼酸铵分光光度法(GB 11893-89), IP的测定采用钼酸铵分光光度法(GB 11893-89), 溶解性有机磷DOP=DTP-IP, 颗粒态磷PP=TP-DTP.
1.4 数据分析上覆水总氮、总磷历史数据参考了相关文献[4, 22, 23], 所有实测指标均做3次平行, 试验结果以3次样品测定的平均值表示(误差范围 < 5%), 相关分析采用皮尔逊(Pearson)相关系数法, 不同季节氮磷时空差异显著性检验采用单因素方差分析(one-way ANOVA), 空间差值采用克里格插值法(Kriging).实验数据采用Excel 2010、Origin 2017、Suffer 14和SPSS 19.0软件进行统计检验、绘图和分析.
2 结果与分析 2.1 岱海上覆水理化参数特征岱海上覆水温度在0.1~25.6℃, 平均值15.6℃；溶解氧(DO)在6.30~8.32 mg·L-1之间, 平均值7.30 mg·L-1, 溶解氧水平较高(表 1)；pH在8.93~8.97之间, 平均值8.95, 呈碱性；电导率在15.74~19.95 mS·cm-1范围内, 平均值17.96 mS·cm-1, 平均矿化度约12.15 g·L-1, 已经达到强矿化水的浓度范围, 岱海上覆水盐碱化程度十分严重.
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表 1 岱海上覆水理化参数 Table 1 Physical and chemical parameters of overlying water in Daihai Lake |
2.2 岱海上覆水氮时空变化特征
岱海上覆水氮、磷季节性差异较明显, 总氮季节变化趋势表现为冬季>夏季>秋季>春季, 冬季高于其它季节, 见图 2；上覆水中总氮在春季、夏季、秋季和冬季的浓度分别为(3.74±0.13)、(4.03±0.34)、(3.74±0.24)和(4.23±0.29)mg·L-1, 全年处于地表水劣Ⅴ类水水平, 总氮污染较严重；冬季水体总氮浓度高是因为湖水结冰, 总氮发生浓缩作用, 对比发现冬季冰中总氮平均浓度在(1.19±0.50)mg·L-1, 不足水体的三分之一, 总氮浓缩程度较强.从不同氮赋存形态来看, 上覆水中主要以溶解态氮为主, 春季、夏季、秋季和冬季占比分别为85.86%、82.78%、86.43%和91.39%, 冬季占比最大, 且各季节均以硝氮为主, 溶解态有机氮次之, 氨氮浓度始终处于较低水平, 全年在0.15~0.27 mg·L-1之间, 平均为(0.21±0.08)mg·L-1, 处于地表水Ⅱ类水水平.
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图 2 岱海上覆水氮浓度季节变化特征 Fig. 2 Seasonal variation characteristics of nitrogen concentration in overlying water |
从历史变化来看, 根据金相灿[22]等学者研究成果, 早在1989年时岱海上覆水中总氮已经达到2.25 mg·L-1, 而且在2006年高兴东[4]的研究中发现, 岱海上覆水总氮浓度为2.28 mg·L-1, 20年间岱海总氮浓度基本保持不变, 但2013年在侯兆洁[23]的研究中, 岱海上覆水总氮浓度上升为3.02 mg·L-1, 而本研究中, 据2019年5月监测数据显示, 岱海总氮浓度高达3.74 mg·L-1, 近10年总氮浓度增加速度较快, 这可能是因为近年来岱海周边农业发展迅速, 化肥使用量明显增长, 大量未被利用的养分通过降雨径流、淋溶和农田灌溉回归水等方式汇入湖泊之中, 另外多年沉积在湖底的底泥营养盐会发生内源释放, 从而导致上覆水中总氮浓度升高.
从空间分布特征来看(图 3), 春季和夏季总氮呈现湖心深水区明显高于周边, 秋季总氮浓度呈自东向西递减的趋势, 而在冬季则呈现南部浅水区高于北部区域的趋势, 可能是因为, 春季夏季周边浅水区生长有沉水植物, 对水质起到了一定的净化作用, 而到了秋季, 植物开始死亡腐烂, 从而造成局部沿岸水质变差, 而到了冬季温度低湖水结冰, 周边浅水区总氮浓缩作用更强, 因而在南部沿岸区总氮浓度较高, 而西北部冬季总氮浓度低是因为有泉水流入.
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图 3 岱海上覆水TN在春、夏、秋和冬季空间分布特征 Fig. 3 Spatial distribution characteristics of total nitrogen in different seasons |
总磷季节变化趋势表现为夏季>春季>冬季>秋季, 和总氮不同, 总磷夏季高于其它季节.上覆水中总磷在春季、夏季、秋季和冬季的浓度分别为(0.116±0.022)、(0.136±0.014)、(0.094±0.014)和(0.098±0.011)mg·L-1, 春季、夏季处于地表水Ⅴ类水水平, 秋、冬季节稍低达到地表水Ⅳ类标准范围, 与总氮相反, 总磷冬季浓度相对较低, 而冬季冰中总磷浓度平均为0.077 mg·L-1, 也存在一定的浓缩作用, 但总磷的浓缩强度较总氮低, 且此时水体流动性较差, 部分颗粒态磷会随悬浮物沉积于湖底, 从而造成冬季总磷浓度偏低.从不同磷赋存形态来看, 上覆水中磷也是以溶解态为主, 见图 4, 春季、夏季、秋季和冬季占比分别为72.77%、75.14%、77.95%和85.48%, 冬季占比明显高于其它季节, 各季节溶解态有机磷浓度占比例较大且较稳定, 基本维持在(0.086±0.016)mg·L-1, 无机磷浓度全年处于较低水平, 相对而言, 夏季稍高；颗粒态磷浓度在春、夏季明显高于秋、冬季节, 可能是因为春、夏季风浪扰动作用强, 造成底泥再悬浮.
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图 4 岱海上覆水磷浓度季节变化特征 Fig. 4 Seasonal variation characteristics of phosphorus concentration in overlying water |
从历史变化来看, 1989年岱海总磷高达0.22 mg·L-1, 2006年岱海总磷为0.20 mg·L-1, 已经超过地表水Ⅴ类水标准限值, 处于劣Ⅴ类水状态, 而2019年5月本研究监测数据显示, 总磷浓度平均为0.116 mg·L-1, 总磷浓度呈现降低的趋势, 达到地表水Ⅴ类水水平, 有研究表明Ca2+的存在能促进沉积物对磷的吸附作用[24], 而抑制释放作用, 且在碱性和弱酸性条件下, Ca2+促进沉积物中的磷吸附, Ca2+浓度越大沉积物对磷的吸附量越大.本研究中, 岱海水体pH在9左右, 较20世纪90年代有所升高, Ca2+的平均浓度为22.5 mg·L-1, 说明岱海沉积物会表现出一定的磷吸附作用, 且吸附于沉积物中的磷随着岱海面积的萎缩固定在干涸的底泥中, 从而使得水体总磷浓度降低.
从空间分布特征来看(图 5), 不同季节总磷的空间分布特征与总氮相似, 春季、夏季中部深水区总氮浓度高于沿岸浅水区, 秋季湖心和沿岸部分区域出现高值, 冬季则呈现南部湖区高于北部湖区的趋势.
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图 5 岱海上覆水TP在春、夏、秋和冬季空间分布特征 Fig. 5 Spatial distribution characteristics of total phosphorus in different seasons |
岱海是我国位于半干旱区典型内陆湖, 湖水有进无出, 且受地形、气候和人类活动的影响岱海水域面积萎缩严重, 水体盐碱化程度日益加剧, 水生态恶化已成为社会关注的焦点.本次研究所监测的数据中, 水体总氮和总磷的平均值分别为3.93 mg·L-1和0.111 mg·L-1, 总氮常年处于地表水劣Ⅴ类水平, 总磷处于Ⅴ类水平, 近两年在高温天气局部区域出现蓝藻暴发现象, 水体富营养化形势十分严峻.
将岱海与全国其它湖区水体氮磷浓度对比发现(表 2), 岱海水体总氮浓度明显高于其它湖区, 同时高于自治区内的呼伦湖和乌梁素海, 岱海水体总氮已经处于全国较高水平；对于总磷, 虽然从历史变化来看, 岱海水体总磷浓度有降低的趋势, 但在全国湖泊中仍处于中等偏高水平, 总体高于东北湖区和青藏湖区湖泊, 与东部湖区的鄱阳湖、洞庭湖、巢湖和云贵湖区的滇池总磷浓度相近, 不容忽视.
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表 2 岱海与五大湖区主要湖泊水体近年总氮和总磷平均浓度对比 Table 2 Average content of total nitrogen and phosphorus in the main lakes of the five great lakes in recent years |
3.2 岱海水体氮、磷形态赋存特征分析
结合岱海水体氮、磷及其形态的时空变化特征, 可以看出岱海水体总氮、总磷在空间分布上保持一致, 各形态氮、磷空间分布上也无明显的差异性(图 6), 且总氮、总磷均以溶解态为主.水体中DTN占TN的百分比在82.78%~91.39%之间, 平均为86.61%, 两者之间呈显著的正相关(r=0.83, P＜0.01), 另外PN与TN也存在一定的相关性, 但相比于DTN和TN, 相关系数小得多；水体中DTP占TP的百分比在72.77%~85.48%之间, 平均为77.84%, 水体中DTP与TP、PP与TP均呈显著正相关, 相关系数分别为0.93和0.83, 相关性系数均较大, 说明通过各种途径进入水中的DTP是岱海水体磷的主要贡献者, 其次是悬浮颗粒物吸附态的磷和浮游生物态的磷.
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图 6 岱海上覆水氮和磷不同赋存形态相关性分析 Fig. 6 Correlation analysis of different occurrence forms of nitrogen and phosphorus in overlying water |
综上可知, 岱海水体中氮和磷转化机制存在一定的差异性, 通常情况下水中氮的去除通过反硝化作用在厌氧(DO < 3 mg·L-1)环境中将水体中的氮转化为气态氨脱离水体, 而在本次调查研究中, 岱海水体中溶解氧水平并不低, 一般在7 mg·L-1左右, 因而水中的氮素很难发生反硝化作用, 而随着岱海水域面积减小, 水中氮势必发生浓缩；另一方面影响水中氮浓度水平的就是底泥内源释放, 然而随着岱海水域面积的减少, 大面积沉积物裸露于空气中干化, 沉积物内源释放量也会随之减少, 当浓缩的强度高于内源释放减少的强度时, 水体总氮就会表现出增加的现象, 这可能是近年岱海水体总氮增加的原因之一.对于磷而言, 易与钙结合形成钙磷沉积于底泥中, 随着水面减少, 内源释放量也在减少, 当磷的沉积作用大于释放作用时, 水中磷就会呈现降低的趋势.
3.3 冰封对岱海水体氮、磷赋存特征的影响每年的11月岱海水面开始结冰进入冰封期, 一直持续到次年4月开始融化, 冰封期长达半年.从图 7可以看出冰封对总氮的影响较大, 冰封期的总氮和溶解性总氮均高于非冰封期, 这主要是因为岱海水体因结冰而发生浓缩作用；对于磷而言, 既存在浓缩作用又存在沉积作用, 颗粒态磷更容易发生沉积, 从而导致冰封期总磷稍低于非冰封期, 而溶解性总磷无明显变化.由此可见, 冰封对岱海水体总氮浓度的影响较大.
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图 7 冰封期非和冰封期氮磷浓度对比 Fig. 7 Comparison of nitrogen and phosphorus concentrations in icebound and non-icebound periods |
岱海为农牧交错带尾闾湖, 湖泊本身没有出流, 使得入湖外源污染物长期积累于湖内, 加之湖内藻类和水草等大量生长, 随季节消亡后腐烂于湖底, 导致内源污染相对较为严重.因此在防治岱海水质恶化时需着重考虑控制内源污染, 加强底泥污染的范围、深度、污染程度和释放通量的调查, 摸清底泥中污染物的蓄积量, 结合工程可行性、必要性制定内源治理和生态修复方案.
4 结论(1) 岱海水体总氮浓度在3.29~4.99 mg·L-1之间, 平均值为(3.93±0.33)mg·L-1, 常年处于地表水劣Ⅴ类水平, 受冰封影响冬季总氮明显高于其它季节, 空间上因季节的变化存在一定的差异.
(2) 岱海水体总磷浓度在0.063~0.163 mg·L-1之间, 平均值为(0.111±0.023)mg·L-1, 处于地表水Ⅴ类水平, 在夏季的浓度明显高于其它季节, 空间分布随季节变化而不同.
(3) 岱海上覆水中氮和磷均以溶解态为主, 溶解态氮在春季、夏季、秋季和冬季上覆水总磷中占比分别为85.86%、82.78%、86.43%和91.39%, 平均为86.62%, 主要以硝态氮形态存在；溶解态磷在春季、夏季、秋季和冬季上覆水总磷中占比分别为72.77%、75.14%、77.95%和85.48%, 平均为77.84%, 且溶解性有机磷占主导.
(4) 与五大湖区主要湖泊水体近年总氮、总磷平均浓度比较, 岱海水体总氮和总磷均值已处于较高水平, 湖水浓缩和内源营养盐释放是造成水体高总氮和总磷的主要原因, 建议结合工程措施进行内源治理和生态修复, 以防止岱海水质继续恶化.
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