乌梁素海湿地对营养盐的削减效率及其分区研究

毛旭锋, 魏晓燕, 陈 琼, 魏希杰

(1.青海师范大学 生命与地理科学学院, 西宁 810000; 2.青海大学 兽医科学院草原研究所, 西宁 810016)

乌梁素海湿地对营养盐的削减效率及其分区研究

毛旭锋1, 魏晓燕1, 陈 琼1, 魏希杰2

(1.青海师范大学 生命与地理科学学院, 西宁 810000; 2.青海大学 兽医科学院草原研究所, 西宁 810016)

基于乌梁素湖区20个监测点近2 a的监测数据，分析不同介质(水体、植物和底泥)对总氮和总磷的净化过程，构建削减效率指数，核算不同湖区对营养盐的削减效率，通过聚类分析划分削减区。结果显示：水体和植被中N和P营养盐浓度(含量)随着水体流动逐渐扩散降低，而底泥中营养盐分布没有明显规律，浓度最高点出现在距离入水口较远的东南部湖区。 N和P营养盐在水体和植物间的分布呈正相关(N，R2=0.665,p<0.05; P，R2=0.767,P<0.01)，而营养盐在底泥—水体，底泥—植物间的分布未发现明显的相关性。湖区依照营养盐削减效率可划分为2～4个削减区，不同削减区应采用不同控制手段。本研究可为乌梁素海湖泊水体富营养化控制和管理提供科学依据。

营养盐; 削减效率; 分区研究; 乌梁素海

湿地作为地球三大生态系统之一，对维持地区生态安全具有重要的意义[1-2]。湖泊湿地生态系统通过物理、化学和生物过程，将水体中氮、磷等营养盐吸收、转化、沉淀，使水体得以净化[3-5]，这一过程对维持人类水生态和水环境健康十分关键。受水体生物种类和数量、地形、流速等因素的影响，湖泊对营养盐的净化机理十分复杂[6-8]，不少学者对不同地区湖泊的自净过程展开了相关的研究。 多数研究基于湖泊进、出水口水体浓度对比，研究湖泊的净化效果[9-11]；进一步的研究包括对营养盐浓度季节变化来分析湖泊湿地的净化效果[12-13]。 这些研究控制湖泊营养元素、改善富营养化水质具有重要的科学意义。

然而，仅通过对比出入湖口的水质分析水体的自净功能，它属于一种黑箱模型，不能解释营养盐在湖区内削减和变化规律以及湖泊对营养盐的削减特征，难以通过该模型探究营养盐的削减规律。不能分析湖泊湿地对营养盐削减的过程，也就难以支撑湖泊湿地对营养盐和污染物的净化过程和机理研究[14]。分析湖区不同介质(水体、植物和底泥)对营养盐的净化过程，核算不同湖区对营养盐的削减效率，有利于将营养盐削减研究从黑箱模型向过程模型，有助于分析当前我国湖泊普遍富营养化现象，也有利于开展不同湖区的净化效率特征分区，制定精细化、目标化的湖泊恢复措施。

本研究以内蒙古乌梁素海湖泊为例，对湖泊水体、底泥和沉水植物的氮磷浓度进行分析，研究三种介质中营养盐浓度分布的相关性，判断湖泊对营养盐的削减过程和效率，并根据结果对湖泊进行有效分区，为湖库富营养化治理提供科学依据。

1 研究区概况

乌梁素海位于内蒙古自治区巴彦淖尔市乌拉特前旗境内(40°36′—41°03′N，108°43′—108°57′E)(图1)， 湖面高程海拔1 018 m，湖水深度多数区域在0.5～2.5 m之间，近3 a平均水深达到为1.5 m。 乌梁素海现有水域面积285.38 km2，其中芦苇区面积为118.97 km2，明水区面积为111.13 km2，近80%为沉水植物密集区，以龙须眼子菜为优势植物。

乌梁素海的补给水源主要是河套灌区的农田退水，其次是工业废水和生活污水，年入水量约7×108～9×108m3，带入总氮1 088.59 t，总磷65.75 t[14-15]。过量的营养盐流入湖区后，导致水体呈现富营养化现象，藻类和水生植物过量生长，鱼类缺氧死亡现象增多，生态系统结构和功能不断退化。

乌梁素海90%的入水量由湖区西北总排干沟汇入，由湖区南端的水口排出[16]。湖区水体由北向东西和西南方向缓慢流动，平均流速约0.007～0.057 m/s之间[17]。湖区三面环山形似弯月，呈现南北长、东西窄的形状，形成对污染物的狭长削减带[18]。排入湖区的N、P等污染物质，随着水流缓慢流动过程，发生扩散、沉淀、吸附以及植物的吸收等，浓度逐渐降低。水质可由入水口的五类或劣五类水提升至出水口的四类甚至三类水。

2 研究方法

2.1 营养盐空间分布规律研究

对湖区布设的20个监测点(图1)，于2012年5—10月以及2013年4—10月连续对水体、底泥和水生植物样品总氮(TN)、总磷(TP)浓度进行监测分析。TN用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，TP用钼酸铵分光光度法测定。以入水口为坐标原点建立坐标轴建立三维坐标系统，x轴和y轴分别为距离原点的水平距离和垂直距离，z为营养盐浓度(mg/L)或百分百浓度(%)，采用Suffer三维制图软件描述不同监测点的浓度。同时，采用SPSS软件对相同监测点水体、底泥和水生植物种营养盐浓度的相关性进行分析，进一步分析营养盐的分布规律。

2.2 营养盐空间削减效率及其分区研究

建立削减效率(E)(mg/L·km)的计算公式，判断不同湖区对营养盐的削减效率，如公式(1)所示。

(1)

采用Suffer三维制图软件描述不同监测点的削减效率，采用聚类分析方法对不同湖区营养盐空间削减效率大小进行分析， 判断不同削减效率下的湖泊分区，以期对湖泊富营养化治理提供精确化建议。

图1 乌梁素海区监测点分布

3 结果与分析

3.1 营养盐浓度分布规律结果

营养盐浓分布图如图2所示。总体而言，水体中营养盐分布呈现由西北向东南减小的趋势较为明显。总氮浓度由进水口处最高的4.16mg/L下降至出水口附近的1.56mg/L，削减率达到61.5%；少数监测点出现营养浓度随流动过程逆向增高的趋势，如监测点10和监测点15的总氮浓度分别达到2.56mg/L和2.43mg/L，接近甚至高于监测点4的2.47mg/L，这可能与该监测点的相对封闭地形有关。总磷浓度由最大0.231mg/L下降至出水口的0.067mg/L，削减率达到70.9%，高于对总氮的消减率。与总氮浓度分布类似，总磷也有少数监测点出现营养浓度随流动过程逆向增高的趋势。如监测点11附近的总磷浓度甚至高于监测点3的浓度，且与监测点10的位置也十分接近。由此可见，营养盐浓度总体随着水流方向不断减小，但由于受地形、流速和小环境特征等因素的影响，部分湖区浓度分布还存在复杂性，应结合不同湖区的特征分析。

对水生植物体内N/P含量的分析结果显示，入水口植物内N/P百分比含量最高，分别达到了4.4%和3.8%；而出水口沉水植物的N/P百分比含量降低较为明显，仅分别为1.4%和1.3%。相关研究结果显示，沉水植物地上和地下部分都可以从环境中吸收营养[19]，水体中营养盐浓度可能对水生植物体内的营养盐浓度有一定的影响。

与水体和水生植物浓度分布不同的是，底泥中氮磷浓度分布没有明显的趋势。一个共同的特征是，N/P浓度的高点未出现在入水口附近，而是在监测点13,14和15附近。可能是入水口附近水流速度较大，泥沙被冲入湖区后，在上述区域形成逐渐沉积；加上该区域由于水流缓慢，水中杂质、腐败植物沉积于此，导致底泥中N、P浓度偏高。

图2 乌梁素海水体、底泥和水生植物中的氮磷浓度分布

为进一步分析水体、沉水植物和底泥之间浓度是否存在相关性，我们对三者之间进行了相关性分析，结果如表1所示。水体和植被体中N/P浓度存在一定的正相关性，二者的相关系数分别为0.767和0.665，分别在0.01和0.05水平上相关；相关研究表明，沉水植物可有效吸收水体中氮磷营养盐浓度[20]，可见植物体内营养盐浓度也受水体N/P营养盐浓度影响。虽然沉水植物地上和地下部分都可以从环境中吸收营养盐，结合本案例研究推测沉水植物受到水体营养盐的浓度影响更大。一般而言，水体浓度高可能引起底泥的营养盐浓度也较高，但由于水体的流动性、地形等其他因素的影响，导致水体营养盐浓度和底泥营养盐浓度部分规律并不一致[21-22]，本案例中并未发现明显的相关性。

表1 乌梁素海不同介质中N/P浓度相关性分析

3.2 营养盐空间削减效率及其分区结果

由于底泥中营养盐浓度分布没有明显的规律，本研究仅绘制了水体和植物氮磷营养盐削减效率分布情况，如图3和图4所示。水体TN的削减效率随着距离的增大呈现减小的趋势。进水口附近的2、3和4号监测点是削减效率最高的地区，三处的削减效率分别达到0.68，0.70，1.03 mg/(L·km)。到监测点5以后迅速下降到0.4 mg/(L·km)以下，而到监测点14以后，削减效率减小至0.20 mg/(L·km)以下。但总体维持在较高的削减效率[0.10 mg/(L·km)以上]。水体中TP的削减效率高值区同样位于监测点2—4附近，上述区域的削减效率均在0.04 mg/(L·km)以上。随着水体继续流动，监测点5—10削减效率下降至0.30 mg/(L·km)，而随后继续下降至0.02 mg/(L·km)以下，到出水口的削减效率下降至最低值0.009 mg/(L·km)。对比水体中TN的削减效率和TP的削减效率可以发现，整个湖区水体对TN削减效率的维持高于TP的削减效率，对TN削减效率下降幅度约为48.8%，远高于TP 81.6%的下降幅度。

图3 乌梁素海水体削减效率分布

图4 乌梁素海植被削减效率分布

与水体营养盐削减规律类似，植物对TN和TP的削减效率高点也在监测点2—4附近。例如，对TN的平均削减效率在上述地区达到0.23 %/km，对TP的平均削减效率也达到的0.09 %/km。与水体不同的是，经过上述地区后，削减效率在监测点5—10处并未迅速下降，TN的平均削减效率仍保持在0.07 %/km，而TP的平均削减效率下降略快，但也保持在0.03 %/km左右。

随后监测点11—20对TN的削减效率一直维持在0.04 %/km左右，而对TP的削减效率也保持在0.015 %/km左右。相比水体营养盐削减效率而言，植物对营养盐削减效率分布较为均衡，这也与植物体内盐含量相对稳定的有关。

为科学合理的对湖泊进行富营养化研究和治理，采用聚类分析方法，根据水体中营养削减效率湖区对营养盐分区，分区结果如表2所示。

表2 乌梁素海湖泊分区结果

根据聚类分析结果，如果按照削减效率将湖泊分为2区，则监测点2—4为高效削减区，其他地区为中效削减区；如果将乌梁素海划分为3个区，监测点2—3为高效削减区，监测点4—6为中效削减区，监测点7—20为低效削减区；如果将乌梁素海划分为4个区，监测点2—3为高效削减区，监测点4—5为中效削减区，监测点6—11为低效削减区，监测点12—20为极低效削减区。对于不同效率的削减区，应采取不同的物理、化学和生物修复方法治理湖泊富营养化。如对于高效削减区，由于营养盐浓度短时间、小范围内迅速从高值到低值，容易对水生动植物造成负面影响，应注重动植物的生态保护和修复；而对于低效削减区，应结合环境特征适当采用物理、化学和生物恢复技术，如水道疏通、底泥疏浚等方式提高湖泊湿地对营养盐的削减效率。

4 结 论

在试验监测数据的支持下，对乌梁素海湖泊营养盐的削减和净化过程进行过程分析，研究湖区不同介质(水体、植物和底泥)对营养盐的净化过程，核算不同湖区对营养盐的削减效率，将有利于将营养盐削减研究从黑箱模型向过程模型，有利于开展不同湖区的净化效率特征分区，制定精细化、目标化的湖泊恢复措施。通过本次研究，初步得到以下几个结论：

(1) 水体和植被对营养盐的吸收、分解和转化过程以及营养盐的扩撒、沉淀等过程，是营养盐浓度减小的重要原因，体现了湖泊湿地对控制当地氮磷营养盐的重要作用。

(2) 综合来看，营养盐浓度分布情况有一定的规律可循，但也呈现差异性和复杂性，今后湖泊富营养化机理分析及其治理应该结合湖泊的小环境特征进行针对性的分区研究。

(3) 由于受到风向、风速、地形、植被等因素的影响，湖泊各监测点的削减效率呈现非线性的变化。依照营养盐削减效率可将湖区划分为若干个削减区，不同削减区应采用不同控制手段。

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ReductionEfficiencyandPartitionoftheUlansuhaiLake

MAO Xu-feng1, WEI Xiao-yan1, CHEN Qiong1, WEI Xi-jie2

(1.CollegeofLifeandGeographySciences,QinghaiNormalUniversity,Qinghai,Xining810000,China;2.GrasslandResearchInstituteofAcademyofAnimalandVeterinarySciences,QinghaiUniversity,Xining810016,China)

This study analyzed the reduction process of total nitrogen and total phosphorus in water, plants and sediment based on nearly 2-year monitoring data from 20 monitoring points in the Ulansuhai Lake. Reduction efficient index was screened to calculate reduction efficiencyof different regions of the lake. Cluster analysis was utilized to regionalize the lake. Results indicated the concentrations of N and P in water and aquatic plants reduced along with water flows; there was no obvious distribution rule with respect to the concentration in sediments and the concentration peak appeared in the southeast region of the lake. Nutrient concentrations between water and aquatic plants had the positive correlation (N,R2=0.565,p<0.05; P,R2=0.867,P<0.01) while there was no obvious correlation of nutrient concentrations between sediments and plants or sediment and water. According to the reduction efficiency, Ulansuhai Lake can be divided into 2 or 4 regions. Different measures should be taken to treat the eutrophic lake. The current research may provide scientific basis for eutrophication control and management of eutrophic lakes.

nutrients; reduction efficient; partition research; the Ulansuhai Lake

2013-10-16

：2013-11-13

中央公益性科研院所专项项目(CAFINT2012C09); 国家科技支撑项目(2011BAC02B03); 自然科学基金项目“由链式到网式的湖泊‘水华’生物控制”。

毛旭锋(1981—),男，江西省鹰潭人，副教授,博士,从事湿地生态过程研究。E-mail:maoxufeng@yeah.net

魏晓燕(1981—),女,青海省西宁人，副教授,从事生态环境管理和民族文化保护研究。E-mail:weixiaoyan4477@163.com

X524

：A

：1005-3409(2014)04-0307-05