許冬雪，李興,2,3*，王勇*，勾芒芒

1. 內(nèi)蒙古師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022；2. 內(nèi)蒙古師范大學(xué)節(jié)水農(nóng)業(yè)工程研究中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022；3. 內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022；4. 內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022；5. 內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院水利與土木建筑工程系，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070

氮和磷是導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要因素。根據(jù)《2019中國(guó)生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》可知，開(kāi)展?fàn)I養(yǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的107個(gè)重要湖泊中，貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)湖泊、中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)湖泊、輕度營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)和中度營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)湖泊的占比分別是9.3%、62.6%、22.4%和5.6%，由此可見(jiàn)我國(guó)的水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)狀還十分嚴(yán)峻。近年來(lái)關(guān)于水體富營(yíng)養(yǎng)化的研究重點(diǎn)集中在富營(yíng)養(yǎng)化成因、富營(yíng)養(yǎng)化水質(zhì)評(píng)價(jià)、藻類危害、富營(yíng)養(yǎng)化的防治措施等方面，并且上述研究對(duì)象多數(shù)不能經(jīng)歷冰封期。Hampton et al.（2015）在對(duì)現(xiàn)有14418篇關(guān)于湖泊藻類論文調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，僅 2%的研究對(duì)象是處于冰封期的湖泊；而關(guān)于冰下溶解有機(jī)碳和營(yíng)養(yǎng)鹽的研究稀少（?zkundakci et al.，2016）。冬季的結(jié)冰過(guò)程對(duì)水體中氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素具有濃縮效應(yīng)（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(tài)氮磷的空間分布特征具有重要意義。

葉綠素a是藻類進(jìn)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(guò)研究葉綠素a的空間分布特征及其與不同形態(tài)氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的響應(yīng)關(guān)系可有助于進(jìn)一步控制水體浮游藻類的數(shù)量，修復(fù)水域生態(tài)系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)外關(guān)于葉綠素a與營(yíng)養(yǎng)鹽關(guān)系的研究有很多，如朱廣偉等（2018）研究發(fā)現(xiàn)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(guān)，與溶解態(tài)氮呈負(fù)相關(guān)。利用大型歐洲數(shù)據(jù)集分析不同湖泊類型葉綠素與營(yíng)養(yǎng)鹽之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)深層湖泊單位養(yǎng)分葉綠素產(chǎn)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(duì)韓國(guó)60個(gè)水庫(kù)的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行Pearson相關(guān)分析時(shí)，Mamun et al.（2020）發(fā)現(xiàn)葉綠素a與總磷呈高度正相關(guān)（r=0.48，P<0.01），相關(guān)性大于葉綠素 a與總氮的相關(guān)性（r=0.24，P<0.01）。這些研究集中在無(wú)冰期。國(guó)內(nèi)雖有關(guān)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(yíng)養(yǎng)鹽關(guān)系的研究（郭子揚(yáng)等，2019；楊文煥等，2018；張巖，2012；呂超，2013），但其關(guān)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(tài)氮、磷的響應(yīng)關(guān)系十分必要。

本文以2020年1月14日冰封期烏梁素海的水質(zhì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了總氮（TN）、氨態(tài)氮（NH4+-N）、硝態(tài)氮（NO3?-N)、亞硝態(tài)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(yíng)養(yǎng)鹽在冰層與冰下水體中與葉綠素a的響應(yīng)關(guān)系，為進(jìn)一步烏梁素海的生態(tài)治理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

烏梁素海位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西部巴彥淖爾市烏拉特前旗境內(nèi)，是內(nèi)蒙古自治區(qū)西部最大的淡水湖泊，中國(guó)第八大淡水湖，同時(shí)也是全球荒漠化半荒漠地區(qū)極為少見(jiàn)的大型多功能草型湖泊（孫鑫等，2019；王鑫磊，2012）。該湖區(qū)橫跨 108°43′—108°57′E，縱跨 40°36′—41°03′N。根據(jù) 2018 年衛(wèi)星遙感影像，計(jì)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(kāi)始結(jié)冰進(jìn)入冰封期，翌年3月解凍，冰封期長(zhǎng)達(dá)5個(gè)月。

2 材料與方法

2.1 采樣點(diǎn)布置

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

圖1 烏梁素海采樣點(diǎn)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(shí)使用冰鉆采集器。根據(jù)冰層的實(shí)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(diǎn)的冰層厚度存在差異）。將分層取的冰樣置于2000 mL塑料瓶?jī)?nèi)送回實(shí)驗(yàn)室，使其在室溫條件下自然融化后測(cè)試。同步采集 1000 mL冰下水體測(cè)試。

水質(zhì)監(jiān)測(cè)是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行測(cè)定，監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括總氮（TN）、氨態(tài)氮（NH4+-N）、硝態(tài)氮（NO3?-N)、亞硝態(tài)氮（NO2?-N）、總磷（TP）、溶解性總磷(DTP)、葉綠素a（Chl-a），其測(cè)定方法及檢出限如表1所示。

表1 水質(zhì)檢測(cè)方法Table 1 Methods of water quality test

2.3 數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft Excel 2007分析不同形態(tài)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(duì)冰樣中和冰下水體中不同形態(tài)氮、磷與葉綠素a的關(guān)系進(jìn)行線性回歸分析，并進(jìn)行F檢驗(yàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同形態(tài)氮的空間分布特征

3.1.1 不同形態(tài)氮在冰體中的空間分布特征

不同冰層中不同形態(tài)氮磷和葉綠素質(zhì)量濃度的檢測(cè)結(jié)果如圖2—4所示。通過(guò)對(duì)不同形態(tài)氮的檢測(cè)，結(jié)果表明：冰樣中TN、NH4+-N、NO3?-N的平均質(zhì)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(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值（1 mg·L?1）。NO2?-N只在采樣點(diǎn)J11和采樣點(diǎn)N13中被檢測(cè)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(guò)光合作用產(chǎn)生氧氣，由于冰蓋的阻礙其不能進(jìn)入大氣，使得冰樣的氧化性增強(qiáng)，將亞硝態(tài)氮氧化為硝態(tài)氮。

圖2 北湖區(qū)不同冰層中不同形態(tài)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(qū)不同冰層中不同形態(tài)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(qū)不同冰層中不同形態(tài)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(diǎn)不同形態(tài)氮平均質(zhì)量濃度水平分布規(guī)律如圖5所示。水平方向上ρ(TN)的分布規(guī)律表現(xiàn)為南湖區(qū)>湖心區(qū)>北湖區(qū)，但最高ρ(TN)0.838 mg·L?1出現(xiàn)在湖心區(qū)的Q8采樣點(diǎn)，說(shuō)明TN在水平分布上不均勻。北湖區(qū)、南湖區(qū)和湖心區(qū)NH4+-N的平均質(zhì)量濃度分別是 0.066、0.045和0.029 mg·L?1。北湖區(qū)的ρ(NO3?-N)最大，湖心區(qū)次之，南湖區(qū)的ρ(NO3?-N)最小，位于北湖區(qū)采樣點(diǎn)的ρ(NO3?-N)均超過(guò) 0.100 mg·L?1。因此水平方向上，冰樣中TN、NH4+-N、NO3?-N分布規(guī)律不一致。秋季蘆葦阻礙水體流動(dòng)，污染物逐漸積累，冬季微生物分解蘆葦，蘆葦體內(nèi)氮磷重新釋放到水體，冬季結(jié)冰烏梁素海表面污染物保留在冰層中。從北到南蘆葦?shù)拿娣e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(shù)量高于中部和北部，所產(chǎn)生的生活污水量較大，故水體有機(jī)氮含量高。

圖5 冰樣中各采樣點(diǎn)不同形態(tài)氮平均質(zhì)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(qū)除采樣點(diǎn) J11的最高ρ(TN)0.800 mg·L?1出現(xiàn)在下層冰外，其余采樣點(diǎn)的中層冰都檢測(cè)到最高ρ(TN)。采樣點(diǎn)J11位于烏梁素海通濟(jì)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(qū)采樣點(diǎn)Q8，Q10中層冰的ρ(TN)高于上層冰和下層冰，采樣點(diǎn)O10，N13上層冰的ρ(TN)最高。采樣點(diǎn)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(diǎn)O10，N13小。DBK距離排水口較遠(yuǎn)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(qū)中層冰的最高ρ(TN)出現(xiàn)在采樣點(diǎn)HH和ED，下層冰的最高ρ(TN)出現(xiàn)在采樣點(diǎn) HK。采樣點(diǎn) HK位于出水口附近，流速較大，冰層較薄。TN在南湖區(qū)的分布與NH4+-N在南湖區(qū)的分布恰恰相反。北湖區(qū)有采樣點(diǎn) L11和 L15在下層冰有最高ρ(NH4+-N)，最高ρ(NH4+-N)出現(xiàn)在上層冰和中層冰的采樣點(diǎn)分別是J11和I12。湖心區(qū)采樣點(diǎn)Q8在上層冰有最高ρ(NH4+-N)0.032 mg·L?1，其余采樣點(diǎn)的最高ρ(NH4+-N)出現(xiàn)在下層冰。結(jié)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(shù)量較少，導(dǎo)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(fù)凍融過(guò)程中，下層冰相對(duì)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(diǎn)J11距離八排干和通濟(jì)渠的排水口最近，采樣點(diǎn)Q8距離塔布渠的排水口最近。在結(jié)冰前這兩個(gè)采樣點(diǎn)的ρ(NH4+-N)高于其他采樣點(diǎn)，結(jié)冰后在遷移速率相同的條件下，上冰層ρ(NH4+-N)最高。采樣點(diǎn) 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(diǎn) 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(qiáng)，其ρ(NH4+-N)低。NH4+-N處在下移過(guò)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(guī)律。南湖區(qū)和湖心區(qū)最高ρ(NO3?-N)均出現(xiàn)在上層冰，而北湖區(qū)最高ρ(NO3?-N)則出現(xiàn)在下層冰。南湖區(qū)和湖心區(qū)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(dǎo)致NO3?-N濃度較高，結(jié)冰時(shí)NO3?-N被保留在了冰層表面。北湖區(qū)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(guò) 0.05顯著性水平檢驗(yàn)。

3.1.2 不同形態(tài)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(guī)律見(jiàn)圖6。由圖6可知TN、NH4+-N、NO3?-N、NO2?-N都集中分布在北湖區(qū)，并且南湖區(qū)的ρ(TN)要比湖心區(qū)的ρ(TN)高，這與 NO3?-N、NO2?-N 的分布規(guī)律一致。ρ(TN)的均值是2.08 mg·L?1，根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，烏梁素海冰封期水體總氮質(zhì)量濃度超標(biāo) 2.08倍。高值ρ(TN)、ρ(NH4+-N)、ρ(NO3?-N)均出現(xiàn)在采樣點(diǎn) 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(xiàn)在L11采樣點(diǎn)。經(jīng)過(guò)計(jì)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(jī)氮，該結(jié)果與冰樣檢測(cè)結(jié)果一致。研究發(fā)現(xiàn)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(diǎn)不同形態(tài)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(guò)0.05顯著性水平檢驗(yàn)。

3.2 不同形態(tài)磷的空間分布特征

3.2.1 不同形態(tài)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(jiàn)圖7?？偭祝═P）與溶解性總磷（DTP）的質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)一致，由此可見(jiàn)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(zhì)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(diǎn) Q8和采樣點(diǎn) HK 沒(méi)有檢測(cè)到DTP。水平方向上，TP和DTP的分布規(guī)律為北湖區(qū)>湖心區(qū)>南湖區(qū)。采樣點(diǎn)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(qū)的最高ρ(TP)和最高ρ(DTP)均出現(xiàn)在每個(gè)采樣點(diǎn)下層冰。湖心區(qū)O10，Q10，DBK 3個(gè)采樣點(diǎn)下層冰有最高ρ(TP)和最高ρ(DTP)。ρ(TP)和ρ(DTP)在采樣點(diǎn) N13從大到小依次是上層冰，下層冰和中層冰。ρ(TP)在采樣點(diǎn)ED和HK從上到下依次遞減，而ρ(TP)在采樣點(diǎn)HH中層冰最高，最高為0.025 mg·L?1。采樣點(diǎn)ED和HK的最高ρ(DTP)出現(xiàn)在上層冰。

圖7 冰體中各采樣點(diǎn)不同形態(tài)磷平均質(zhì)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(tài)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(shì)。冰下水體中TP和DTP的分布規(guī)律與它們?cè)诒鶚又兴椒较蚍植家?guī)律一致。最大ρ(TP)是0.046 mg·L?1出現(xiàn)在采樣點(diǎn)N13，采樣點(diǎn)I12和采樣點(diǎn)N13的ρ(DTP)是最高的，是0.036 mg·L?1。經(jīng)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(yuǎn)小于冰下水體中TN與冰樣中TN的質(zhì)量濃度之差。

圖8 冰下水體中各采樣點(diǎn)不同形態(tài)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(zhì)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(guī)律是北湖區(qū) (2.455 mg·L?1)>湖心區(qū) (1.407 mg·L?1)>南湖區(qū) (1.210 mg·L?1)。最高ρ(Chl-a)和最低ρ(Chl-a)出現(xiàn)在采樣點(diǎn) L11和 Q8。垂直方向上，北湖區(qū)采樣點(diǎn)J11、L11和L15的中層冰中檢測(cè)到各采樣點(diǎn)的最高ρ(Chl-a)，并且ρ(Chl-a)在采樣點(diǎn)L11和L15的變化趨勢(shì)一致。ρ(Chl-a)在采樣點(diǎn)I12的分布規(guī)律是下層冰最高，其次是上層冰和中層冰。湖心區(qū)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(qū)采樣點(diǎn)ED的ρ(Chl-a)從上到下先增加后減少再增加；HH采樣點(diǎn)的下層冰ρ(Chl-a)最高；ρ(Chl-a)在上層冰最低的采樣點(diǎn)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(zhì)量濃度范圍是 1.530—12.280 mg·L?1，均值是 7.870 mg·L?1。北湖區(qū)的ρ(Chl-a)最低是 4.773 mg·L?1，其次是湖心區(qū) 9.223 mg·L?1，南湖區(qū)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(diǎn)分別是南湖區(qū)的 HH 和北湖區(qū)的J11。葉綠素a在冰樣和冰下水體的分布情況見(jiàn)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(diǎn)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(guò)0.05顯著性水平檢驗(yàn)。

3.4 不同形態(tài)氮磷對(duì)葉綠素a的響應(yīng)

運(yùn)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(tài)氮磷的線性回歸方程，結(jié)果如表2和表3所示。線性回歸方程中的數(shù)據(jù)來(lái)源于烏梁素海冰樣與冰下水體的 12組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其中冰體中污染物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用的是平均質(zhì)量濃度值。

表2 冰體中葉綠素a與不同形態(tài)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(tài)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(tài)氮磷對(duì)葉綠素a的響應(yīng)

由表2可知冰樣中Chl-a與TN的線性回歸方程的相關(guān)系數(shù)r為0.615，說(shuō)明該模型可以很好反映Chl-a與TN之間的關(guān)系，并且經(jīng)F檢驗(yàn)，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(xiàn)出正相關(guān)的關(guān)系，經(jīng)F檢驗(yàn)，方差分析F值的顯著性水平均表現(xiàn)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(tài)氮磷對(duì)葉綠素a的響應(yīng)

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(fù)相關(guān)。經(jīng)F檢驗(yàn)，其中TN是極顯著負(fù)相關(guān)，NO3?-N、NO2?-N 是顯著負(fù)相關(guān)。相關(guān)系數(shù)r均在0.5以上，說(shuō)明線性回歸方程很好反映冰下水體中Chl-a與不同形態(tài)氮之間的關(guān)系。冰下水體中Chl-a與 TP（r=0.178，P=0.580）正相關(guān)，與 DTP（r=0.184，P=0.567）負(fù)相關(guān)，相關(guān)性均不顯著。該結(jié)果表明氮營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)冰封期冰下水體中浮游植物的影響比磷營(yíng)養(yǎng)鹽大，Huang et al.（2012）在研究冰封期長(zhǎng)春公園景觀湖水體中營(yíng)養(yǎng)鹽和葉綠素a的相互關(guān)系時(shí)得到了相同的結(jié)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(xiàn)在北湖區(qū)，并且ρ(TP)和ρ(DTP)的分布規(guī)律為北湖區(qū)>湖心區(qū)>南湖區(qū)。冰下水體中，北湖區(qū)ρ(TN)、ρ(NH4+-N)、ρ(NO3?-N)、ρ(NO2?-N)、ρ(TP)和ρ(DTP)比南湖區(qū)和湖心區(qū)高。烏梁素海進(jìn)水口位于北湖區(qū)西側(cè)。每年秋季上游農(nóng)田排水、含氮量高的工業(yè)污水、含磷量高的生活污水等通過(guò)八排干、通濟(jì)渠、長(zhǎng)濟(jì)渠等排入烏梁素海，故進(jìn)水口處氮磷濃度要明顯高于其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)。同時(shí)北湖區(qū)蘆葦分布廣泛，一方面在秋季阻礙水體流動(dòng)，導(dǎo)致氮磷和其他污染物逐漸開(kāi)始積累，一直持續(xù)到冬季（杜丹丹等，2019），冬季結(jié)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(nèi)的部分N、P會(huì)重新釋放到水體中，導(dǎo)致水體N、P含量較高（吳怡等，2013）。伴隨著冬季烏梁素海開(kāi)始結(jié)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(guī)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(zhì)等有機(jī)氮含量高，冬季溫度低，水體微生物數(shù)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(shuō)明從北到南冰體中有機(jī)氮的含量在逐漸增加，原因是烏梁素海南湖區(qū)和湖心區(qū)附近的村莊和人口多，剛進(jìn)入冬季時(shí)，村民把機(jī)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(qū)的溫度高于湖心區(qū)與北湖區(qū)，硝化作用較強(qiáng)烈，導(dǎo)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(diǎn)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(xiàn)在上層冰。這與呂超（2013）對(duì)烏梁素海冰體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)鹽垂直分布特征的研究結(jié)果不同。呂超只研究了烏梁素海湖心區(qū)和北湖區(qū)冰體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)鹽的垂直分布特征，沒(méi)有研究烏梁素海南湖區(qū)冰體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)鹽垂直分布特征。近年來(lái)國(guó)家的環(huán)境保護(hù)意識(shí)逐漸提升，政府采取措施關(guān)閉了烏梁素海周圍的污染型企業(yè)，并治理了烏梁素海，改善了烏梁素海的水質(zhì)。隨著與八排干、通濟(jì)渠等排水口之間距離不同，流速不同，不同采樣點(diǎn)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(duì)NH4+-N的利用少，使得ρ(NH4+-N)相對(duì)較高。冬季氣溫日變化大，烏梁素海處于反復(fù)凍融過(guò)程，下層冰相對(duì)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(jié)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(dǎo)致NO3?-N濃度較高，結(jié)冰時(shí)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(diǎn)，占比均為58.3%，說(shuō)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(jìn)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?yàn)椋?）水體中氮磷的溶解度與溫度有關(guān)，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(guò)程中對(duì)不同形態(tài)的氮磷有排斥作用，導(dǎo)致它們由冰層遷移至冰下水體（李衛(wèi)平等，2014）。（3）沉積物向上覆水體釋放氮磷。冰封期內(nèi)冰體溫度≤0 ℃，冰下水體溫度在 0—4 ℃。袁軼君等（2020）采用室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)的方法探究了溫度對(duì)鄱陽(yáng)湖的沉積物氮向上覆水體釋放過(guò)程的影響，發(fā)現(xiàn)5 ℃時(shí)鄱陽(yáng)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(dǎo)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(guò)程中大量含有溶解無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽的淡水排入水體，導(dǎo)致水體中溶解無(wú)機(jī)氮和磷酸鹽的含量升高（Meng et al.，2017）。Nomura et al.（2011）對(duì)Saroma-ko瀉湖中的含氮化合物進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)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(fā)生融化-凍結(jié)循環(huán)形成雪冰。雪冰中的氮磷化合物便進(jìn)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(gè)消耗氧氣和銨，提供硝酸的過(guò)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(guò)程（Cavaliere et al.，2019；Wang et al.，2019）。Soued et al.（2015）在研究加拿大的 Saguenay地區(qū) N2O的匯和排放中發(fā)現(xiàn)，由于硝化作用，冰下產(chǎn)生并積累了一定含量的N2O，導(dǎo)致冬季水體中NH4+、NO3?的濃度是全年最高的。通過(guò)利用美國(guó) 5個(gè)湖泊（Allequash，Big Muskellunge，Crystal，Sparkling和Trout Lakes）30年冬季湖沼學(xué)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，冬季硝酸鹽含量隨著結(jié)冰天數(shù)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(huán)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，沉積物向上覆水體釋放氮的同時(shí)也在吸收氮。據(jù)報(bào)道烏梁素海結(jié)冰后，沉積物中氮的含量明顯增加，在八排干、通濟(jì)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(dǎo)致了TN的積累（Yang et al.，2019）。

溫度，結(jié)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(dāng)溫度過(guò)低時(shí)，冰晶在產(chǎn)生枝狀分枝的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生更高級(jí)的分枝，不同形態(tài)氮磷便被困于枝狀冰晶和枝狀冰晶產(chǎn)生的空隙中，從而影響其在冰樣與冰下水體中的分布（于愛(ài)鑫，2020）。（2）隨著結(jié)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(zhǎng)速率減小，不同形態(tài)氮磷有充足的時(shí)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(ài)鑫等，2020）。（3）水體中氮磷濃度越高，其粘度系數(shù)越大，擴(kuò)散系數(shù)越小，在結(jié)冰過(guò)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(dǎo)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(guò)分析得出葉綠素a在冰樣中水平分布規(guī)律為北湖區(qū)>湖心區(qū)>南湖區(qū)，原因是農(nóng)民采用漫灌方式灌溉農(nóng)田，將土壤中的氮、磷、有機(jī)質(zhì)等物質(zhì)通過(guò)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(guò)高，浮游植物數(shù)量較大，冬季結(jié)冰時(shí)這些浮游植物沒(méi)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(guī)律與其在冰樣中完全相反。冰下水體中烏梁素海南湖區(qū)的溫度較高，冰層較薄，陽(yáng)光透過(guò)率相對(duì)較高，浮游植物的生物量較大，導(dǎo)致葉綠素a含量高。

4.3 不同形態(tài)氮磷對(duì)葉綠素a的響應(yīng)

線性回歸分析表明冰樣與冰下水體中Chl-a與TP、DTP沒(méi)有明顯的相關(guān)性，冰樣中Chl-a與TN（r=0.615，P=0.033）顯著負(fù)相關(guān)，冰下水體中Chl-a與 TN（r=0.758，P=0.004）極顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)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(guān)于冰封期烏梁素海Chl-a的研究有所差異，蔣鑫艷等（2019）在對(duì)2014—2017年Chl-a和各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)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(guān)的結(jié)論。

據(jù)報(bào)道，浮游植物直接優(yōu)先利用NH4+-N合成自身細(xì)胞所需的氨基酸等物質(zhì)，并抑制細(xì)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(tài)氮磷之間關(guān)系后，發(fā)現(xiàn)冰樣與冰下水體中Chl-a與NH4+-N沒(méi)有明顯的相關(guān)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(fù)相關(guān)。原因可能是葉綠素a與不同形態(tài)氮磷之間的關(guān)系與浮游植物的種類有關(guān)。Domingues et al.（2011）通過(guò)利用Guadiana河口的浮游植物種群的富集實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，浮游植物對(duì)銨的偏好具有群體特異性，藍(lán)藻僅依賴銨作為氮源，硅藻偏愛(ài)硝酸鹽。因此推測(cè)冰封期烏梁素海的浮游植物群落結(jié)構(gòu)以硅藻為主，李興等（2018）對(duì)烏梁素海冰封期浮游藻類分布特征的研究證明了該觀點(diǎn)。

5 結(jié)論

（1）對(duì)于不同形態(tài)的氮，冰樣中水平方向上北湖區(qū)出現(xiàn)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(xiàn)在湖心區(qū)；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(jìn)水口在北湖區(qū)，冰下水體中北湖區(qū)的ρ(TP)、ρ(NH4+-N)、ρ(NO3?-N)、ρ(NO2?-N)均出現(xiàn)高值。

（2）無(wú)論是在冰樣中還是在冰下水體中，TP和 DTP的分布規(guī)律均一致，均為北湖區(qū)>湖心區(qū)>南湖區(qū)。采樣點(diǎn)中58.3%的最高ρ(TP)和ρ(DTP)出現(xiàn)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(xiàn)在中層冰和下層冰的采樣點(diǎn)的數(shù)量占所有采樣點(diǎn)數(shù)量的41.6%。在采樣點(diǎn)HK中層冰和下層冰檢測(cè)到相同濃度的葉綠素a。冰下水體中 Chl-a的質(zhì)量濃度范圍是 1.530—12.280 mg·L?1，均值為7.870 mg·L?1。北湖區(qū)的ρ(Chl-a)最低，其次是湖心區(qū)，南湖區(qū)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(tài)氮、磷對(duì)葉綠素a的響應(yīng)存在不同程度的差異。其中冰樣中 Chl-a與 TN顯著相關(guān)（r=0.615，P=0.033），Chl-a與 NH4+-N、NO3?-N、TP和DTP都呈現(xiàn)出正相關(guān)的關(guān)系，相關(guān)性依次是0.391、0.393、0.168、0.243，經(jīng)F檢驗(yàn)，相關(guān)性均不顯著。冰下水體中 Chl-a與 TN（r=0.758，P=0.004）極顯著負(fù)相關(guān)，與 NO3?-N（r=0.658，P=0.020）、NO2?-N（r=0.647，P=0.023）顯著負(fù)相關(guān)。Chl-a與NH4+-N的相關(guān)性系數(shù)是0.553，經(jīng)F檢驗(yàn)，相關(guān)性不顯著。Chl-a與TP、DTP的相關(guān)性系數(shù)均小于0.2且不顯著。