冰封期乌梁素海不同形态氮、磷和叶绿素a的空间分布特征及其响应关系

许冬雪，李兴,2,3*，王勇*，勾芒芒

1. 内蒙古师范大学化学与环境科学学院，内蒙古 呼和浩特 010022；2. 内蒙古师范大学节水农业工程研究中心，内蒙古 呼和浩特 010022；3. 内蒙古自治区环境化学重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010022；4. 内蒙古师范大学地理科学学院，内蒙古 呼和浩特 010022；5. 内蒙古机电职业技术学院水利与土木建筑工程系，内蒙古 呼和浩特 010070

氮和磷是导致水体富营养化的重要因素。根据《2019中国生态环境状况公报》可知，开展营养状态监测的107个重要湖泊中，贫营养状态湖泊、中营养状态湖泊、轻度营养状态和中度营养状态湖泊的占比分别是9.3%、62.6%、22.4%和5.6%，由此可见我国的水体富营养化现状还十分严峻。近年来关于水体富营养化的研究重点集中在富营养化成因、富营养化水质评价、藻类危害、富营养化的防治措施等方面，并且上述研究对象多数不能经历冰封期。Hampton et al.（2015）在对现有14418篇关于湖泊藻类论文调查后发现，仅 2%的研究对象是处于冰封期的湖泊；而关于冰下溶解有机碳和营养盐的研究稀少（Özkundakci et al.，2016）。冬季的结冰过程对水体中氮磷等营养元素具有浓缩效应（张岩等，2017），使冰下水体中氮磷浓度增大。因此研究冰封期不同形态氮磷的空间分布特征具有重要意义。

叶绿素a是藻类进行光合作用的重要色素，其浓度可以表征水体中藻类总体含量的高低（郭劲松等，2011）。通过研究叶绿素a的空间分布特征及其与不同形态氮磷营养盐的响应关系可有助于进一步控制水体浮游藻类的数量，修复水域生态系统。国内外关于叶绿素a与营养盐关系的研究有很多，如朱广伟等（2018）研究发现北部太湖水体叶绿素a浓度与总磷、颗粒氮、颗粒磷均呈显著正相关，与溶解态氮呈负相关。利用大型欧洲数据集分析不同湖泊类型叶绿素与营养盐之间的关系，发现深层湖泊单位养分叶绿素产量低，低碱度与中碱度浅水湖泊最高，高碱度湖泊居中（Phillips et al.，2008）。在对韩国60个水库的水质参数进行Pearson相关分析时，Mamun et al.（2020）发现叶绿素a与总磷呈高度正相关（r=0.48，P<0.01），相关性大于叶绿素 a与总氮的相关性（r=0.24，P<0.01）。这些研究集中在无冰期。国内虽有关于冰封期呼伦湖、南海湖、乌梁素海的叶绿素a的空间分布特征及其与营养盐关系的研究（郭子扬等，2019；杨文焕等，2018；张岩，2012；吕超，2013），但其关于冰封期叶绿素a的研究仍然不够深入全面。因此深入研究冰封期叶绿素a的空间分布特征及其与不同形态氮、磷的响应关系十分必要。

本文以2020年1月14日冰封期乌梁素海的水质数据为基础，分析了总氮（TN）、氨态氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3−-N)、亚硝态氮（NO2−-N）、总磷（TP）、溶解性总磷(DTP)、叶绿素a（Chl-a）在冰样和冰下水体的空间分布特征，采用线性回归的方法分析了上述营养盐在冰层与冰下水体中与叶绿素a的响应关系，为进一步乌梁素海的生态治理提供理论依据。

1 研究区域概况

乌梁素海位于内蒙古自治区西部巴彦淖尔市乌拉特前旗境内，是内蒙古自治区西部最大的淡水湖泊，中国第八大淡水湖，同时也是全球荒漠化半荒漠地区极为少见的大型多功能草型湖泊（孙鑫等，2019；王鑫磊，2012）。该湖区横跨 108°43′—108°57′E，纵跨 40°36′—41°03′N。根据 2018 年卫星遥感影像，计算出水域面积约为336.900 km2，芦苇面积约为220.978 km2，明水面积约为115.923 km2。乌梁素海每年11月开始结冰进入冰封期，翌年3月解冻，冰封期长达5个月。

2 材料与方法

2.1 采样点布置

根据污染物分布、水文条件（流速、流量等）以及环境特征（地理位置等），在乌梁素海布设采样点如图1所示。按照采样点的位置把采样点分为了南湖区、湖心区和北湖区3个区域。其中南湖区包括出水河口HK、海壕HH、二点ED；湖心区包括旅游区Q10、Q8，大卜洞O10，芦苇区域N13、大北口DBK；北湖区包括湖泊进水口J11、I12，西大滩L11、北部明水区L15。

图1 乌梁素海采样点分布Fig. 1 Distribution map of sampling points in Lake Ulansuhai

2.2 采样方法

本研究于2020年1月14日在乌梁素海采集冰样和水样。采集冰样时使用冰钻采集器。根据冰层的实际情况，将冰层按照每层10 cm的厚度分为3—5层（不同采样点的冰层厚度存在差异）。将分层取的冰样置于2000 mL塑料瓶内送回实验室，使其在室温条件下自然融化后测试。同步采集 1000 mL冰下水体测试。

水质监测是在实验室中进行测定，监测指标包括总氮（TN）、氨态氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3−-N)、亚硝态氮（NO2−-N）、总磷（TP）、溶解性总磷(DTP)、叶绿素a（Chl-a），其测定方法及检出限如表1所示。

表1 水质检测方法Table 1 Methods of water quality test

2.3 数据分析

利用Microsoft Excel 2007分析不同形态氮、磷和叶绿素a在冰样和冰下水体空间分布特征，使用IBM SPSS Statistics 26.0对冰样中和冰下水体中不同形态氮、磷与叶绿素a的关系进行线性回归分析，并进行F检验。

3 结果与分析

3.1 不同形态氮的空间分布特征

3.1.1 不同形态氮在冰体中的空间分布特征

不同冰层中不同形态氮磷和叶绿素质量浓度的检测结果如图2—4所示。通过对不同形态氮的检测，结果表明：冰样中TN、NH4+-N、NO3−-N的平均质量浓度范围分别为 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《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中Ⅲ类水质标准限值（1 mg·L−1）。NO2−-N只在采样点J11和采样点N13中被检测到，而且含量均为0.001 mg·L−1，故以下研究不再涉及冰样中 NO2−-N。冬季冰样中浮游植物通过光合作用产生氧气，由于冰盖的阻碍其不能进入大气，使得冰样的氧化性增强，将亚硝态氮氧化为硝态氮。

图2 北湖区不同冰层中不同形态氮磷和叶绿素分布Fig. 2 Distribution of different forms of nitrogen, phosphorus andchlorophyll-ain different ice layers in the North Lake area

图3 湖心区不同冰层中不同形态氮磷和叶绿素分布Fig. 3 Distribution of different forms of nitrogen, phosphorus and chlorophyll-a in different ice layers in the central of lake area

图4 南湖区不同冰层中不同形态氮磷和叶绿素分布Fig. 4 Distribution of different forms of nitrogen, phosphorus and chlorophyll-a in different ice layers in the South Lake area

冰样中各采样点不同形态氮平均质量浓度水平分布规律如图5所示。水平方向上ρ(TN)的分布规律表现为南湖区>湖心区>北湖区，但最高ρ(TN)0.838 mg·L−1出现在湖心区的Q8采样点，说明TN在水平分布上不均匀。北湖区、南湖区和湖心区NH4+-N的平均质量浓度分别是 0.066、0.045和0.029 mg·L−1。北湖区的ρ(NO3−-N)最大，湖心区次之，南湖区的ρ(NO3−-N)最小，位于北湖区采样点的ρ(NO3−-N)均超过 0.100 mg·L−1。因此水平方向上，冰样中TN、NH4+-N、NO3−-N分布规律不一致。秋季芦苇阻碍水体流动，污染物逐渐积累，冬季微生物分解芦苇，芦苇体内氮磷重新释放到水体，冬季结冰乌梁素海表面污染物保留在冰层中。从北到南芦苇的面积在逐渐减少，氮磷含量也在降低。乌梁素海南部紧邻乌拉特前旗，乌梁素海南部人口数量高于中部和北部，所产生的生活污水量较大，故水体有机氮含量高。

图5 冰样中各采样点不同形态氮平均质量浓度分布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整体分布不均匀。北湖区除采样点 J11的最高ρ(TN)0.800 mg·L−1出现在下层冰外，其余采样点的中层冰都检测到最高ρ(TN)。采样点J11位于乌梁素海通济渠、八排干出口处，水流比较大，冰层比较薄，TN的迁移程度大。湖心区采样点Q8，Q10中层冰的ρ(TN)高于上层冰和下层冰，采样点O10，N13上层冰的ρ(TN)最高。采样点O10，N13在Q8，Q10的北部受八排干、九排干等所有排水沟的影响比较大，冰层比较薄，TN的下移程度比冰层较厚的采样点O10，N13小。DBK距离排水口较远且周围芦苇密集，水流较小，冰层较厚，因此TN集中分布在其中层冰。南湖区中层冰的最高ρ(TN)出现在采样点HH和ED，下层冰的最高ρ(TN)出现在采样点 HK。采样点 HK位于出水口附近，流速较大，冰层较薄。TN在南湖区的分布与NH4+-N在南湖区的分布恰恰相反。北湖区有采样点 L11和 L15在下层冰有最高ρ(NH4+-N)，最高ρ(NH4+-N)出现在上层冰和中层冰的采样点分别是J11和I12。湖心区采样点Q8在上层冰有最高ρ(NH4+-N)0.032 mg·L−1，其余采样点的最高ρ(NH4+-N)出现在下层冰。结冰初期NH4+-N由冰体迁移到冰下水体。冰下水体浮游植物以硅藻为主，数量较少，导致NH4+-N含量较高。由于冬季气温日变化大，乌梁素海处于反复冻融过程中，下层冰相对松散，冰下水体中的NH4+-N迁移至下冰层，下冰层ρ(NH4+-N)高于上冰层和中冰层（杨芳等，2016；王晓云等，2017）。采样点J11距离八排干和通济渠的排水口最近，采样点Q8距离塔布渠的排水口最近。在结冰前这两个采样点的ρ(NH4+-N)高于其他采样点，结冰后在迁移速率相同的条件下，上冰层ρ(NH4+-N)最高。采样点 I12的冰层较厚，NH4+-N的下移程度小，中层冰ρ(NH4+-N)最高。采样点 HK位于出水口附近，冰下水体溶解氧含量高，下层冰的氧化性强，其ρ(NH4+-N)低。NH4+-N处在下移过程，中层冰ρ(NH4+-N)高于上层冰。相比之下，乌梁素海冰层中NO3−-N的分布比较有规律。南湖区和湖心区最高ρ(NO3−-N)均出现在上层冰，而北湖区最高ρ(NO3−-N)则出现在下层冰。南湖区和湖心区芦苇面积小，其与大气接触的面积大，水体表面溶解氧含量高，硝化作用比较活跃，导致NO3−-N浓度较高，结冰时NO3−-N被保留在了冰层表面。北湖区距离排水入口近，水流流速大，冰层较薄，NO3−-N 的迁移程度较大。

方差分析表明，冰样中TN与NH4+-N、NO3−-N存在极显著差异（P<0.05），NH4+-N与TN存在极显著差异（P<0.05），NO3−-N与 TN存在极显著差异（P<0.05），它们之间都通过 0.05显著性水平检验。

3.1.2 不同形态氮在冰下水体中的空间分布特征

氮在冰下水体中的空间分布规律见图6。由图6可知TN、NH4+-N、NO3−-N、NO2−-N都集中分布在北湖区，并且南湖区的ρ(TN)要比湖心区的ρ(TN)高，这与 NO3−-N、NO2−-N 的分布规律一致。ρ(TN)的均值是2.08 mg·L−1，根据《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中Ⅲ类水质标准，乌梁素海冰封期水体总氮质量浓度超标 2.08倍。高值ρ(TN)、ρ(NH4+-N)、ρ(NO3−-N)均出现在采样点 J11，分别为5.750、1.425、3.420 mg·L−1。NO2−-N 的最高含量0.044 mg·L−1出现在L11采样点。经过计算可以知道ρ(NH4+-N)、ρ(NO3−-N)、ρ(NO2−-N)之和小于ρ(TN)，故水体中除了NH4+-N、NO3−-N、NO2−-N外还有部分有机氮，该结果与冰样检测结果一致。研究发现冰下水体中ρ(TN)是冰样中ρ(TN)的3.14倍，因此冰封期乌梁素海水体中的氮主要分布在冰下水体中。

图6 冰下水体中各采样点不同形态氮分布Fig. 6 Distribution of different forms of nitrogen in each sampling points in subglacial water

方差分析表明，冰下水体中 TN与 NH4+-N、NO2−-N存在极显著差异（P<0.05），与NO3−-N存在显著差异（P<0.05），NH4+-N与TN存在极显著差异（P<0.05），NO3−-N 与 TN、NO2−-N 存在极显著差异（P<0.05），NO2−-N 与 TN、NO3−-N 存在极显著差异（P<0.05），它们之间都通过0.05显著性水平检验。

3.2 不同形态磷的空间分布特征

3.2.1 不同形态磷在冰体中空间分布特征

冰样中总磷与溶解性总磷的水平分布见图7。总磷（TP）与溶解性总磷（DTP）的质量浓度变化趋势一致，由此可见乌梁素海的磷化合物主要是溶解性总磷。总磷（TP）与溶解性总磷（DTP）的平均质量浓度范围分别是 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，且采样点 Q8和采样点 HK 没有检测到DTP。水平方向上，TP和DTP的分布规律为北湖区>湖心区>南湖区。采样点L15有最高ρ(TP)0.089 mg·L−1和最高ρ(DTP)0.075 mg·L−1。垂直方向上北湖区的最高ρ(TP)和最高ρ(DTP)均出现在每个采样点下层冰。湖心区O10，Q10，DBK 3个采样点下层冰有最高ρ(TP)和最高ρ(DTP)。ρ(TP)和ρ(DTP)在采样点 N13从大到小依次是上层冰，下层冰和中层冰。ρ(TP)在采样点ED和HK从上到下依次递减，而ρ(TP)在采样点HH中层冰最高，最高为0.025 mg·L−1。采样点ED和HK的最高ρ(DTP)出现在上层冰。

图7 冰体中各采样点不同形态磷平均质量浓度分布Fig. 7 Distributionof the average concentration of different forms of phosphorus in each sampling point in ice sample

3.2.2 不同形态磷在冰下水体中空间分布特征

图8是总磷与溶解性总磷在冰下水体的变化趋势。冰下水体中TP和DTP的分布规律与它们在冰样中水平方向分布规律一致。最大ρ(TP)是0.046 mg·L−1出现在采样点N13，采样点I12和采样点N13的ρ(DTP)是最高的，是0.036 mg·L−1。经比较冰下水体中ρ(TP)大于冰样中ρ(TP)，但二者仅相差 0.011 mg·L−1，远小于冰下水体中TN与冰样中TN的质量浓度之差。

图8 冰下水体中各采样点不同形态磷的分布Fig. 8 Distribution of different forms of phosphorus in each sampling point in subglacial water

3.3 叶绿素a的空间分布特征

3.3.1 叶绿素a在冰体中空间分布特征

冰样中 Chl-a的平均质量浓度范围是 1.053—4.198 mg·L−1，均值是1.707 mg·L−1。水平方向上ρ(Chl-a)的分布规律是北湖区 (2.455 mg·L−1)>湖心区 (1.407 mg·L−1)>南湖区 (1.210 mg·L−1)。最高ρ(Chl-a)和最低ρ(Chl-a)出现在采样点 L11和 Q8。垂直方向上，北湖区采样点J11、L11和L15的中层冰中检测到各采样点的最高ρ(Chl-a)，并且ρ(Chl-a)在采样点L11和L15的变化趋势一致。ρ(Chl-a)在采样点I12的分布规律是下层冰最高，其次是上层冰和中层冰。湖心区DBK、Q10和O10的ρ(Chl-a)从上到下逐渐增加；N13和Q8中层冰的ρ(Chl-a)最高。南湖区采样点ED的ρ(Chl-a)从上到下先增加后减少再增加；HH采样点的下层冰ρ(Chl-a)最高；ρ(Chl-a)在上层冰最低的采样点是HK。

3.3.2 叶绿素a在冰下水体中的空间分布特征

冰下水体中 Chl-a的质量浓度范围是 1.530—12.280 mg·L−1，均值是 7.870 mg·L−1。北湖区的ρ(Chl-a)最低是 4.773 mg·L−1，其次是湖心区 9.223 mg·L−1，南湖区的ρ(Chl-a)最高是 9.760 mg·L−1。最高ρ(Chl-a)和最低ρ(Chl-a)的采样点分别是南湖区的 HH 和北湖区的J11。叶绿素a在冰样和冰下水体的分布情况见图9。与冰样相比较，冰下水体中ρ(Chl-a)更大，是其4.6倍。采样点之间的ρ(Chl-a)变化幅度更大。

图9 叶绿素a在冰样和冰下水体中的分布Fig. 9 Distribution of chlorophyll-a in ice sample and subglacial water

方差分析表明，冰样中叶绿素a与冰下水体中叶绿素a存在极显著差异（P<0.05），冰样叶绿素a与冰下水体中叶绿素a之间通过0.05显著性水平检验。

3.4 不同形态氮磷对叶绿素a的响应

运用SPSS 26.0软件中的线性回归方法建立了冰封期乌梁素海冰样和冰下水体中叶绿素a与不同形态氮磷的线性回归方程，结果如表2和表3所示。线性回归方程中的数据来源于乌梁素海冰样与冰下水体的 12组监测数据，其中冰体中污染物监测数据采用的是平均质量浓度值。

表2 冰体中叶绿素a与不同形态氮磷的线性回归方程Table 2 Linear regression equation of chlorophyll a and different forms of nitrogen and phosphorus in ice sample

表3 冰下水体中叶绿素a与不同形态氮磷的线性回归方程Table 3 Linear regression equation of chlorophyll a and different forms of nitrogen and phosphorus in subglacial water

3.4.1 冰体中不同形态氮磷对叶绿素a的响应

由表2可知冰样中Chl-a与TN的线性回归方程的相关系数r为0.615，说明该模型可以很好反映Chl-a与TN之间的关系，并且经F检验，方差分析F值的显著性水平P=0.033，小于 0.05，表明回归在 0.05水平下显著。Chl-a与 NH4+-N、NO3−-N、TP、DTP均呈现出正相关的关系，经F检验，方差分析F值的显著性水平均表现为P>0.2，表明回归在0.05水平下不显著。由此可知，总氮是影响冰样中叶绿素a分布的主要因素。

3.4.2 冰下水体中不同形态氮磷对叶绿素a的响应

由表3可知冰下水体中Chl-a与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）均为负相关。经F检验，其中TN是极显著负相关，NO3−-N、NO2−-N 是显著负相关。相关系数r均在0.5以上，说明线性回归方程很好反映冰下水体中Chl-a与不同形态氮之间的关系。冰下水体中Chl-a与 TP（r=0.178，P=0.580）正相关，与 DTP（r=0.184，P=0.567）负相关，相关性均不显著。该结果表明氮营养盐对冰封期冰下水体中浮游植物的影响比磷营养盐大，Huang et al.（2012）在研究冰封期长春公园景观湖水体中营养盐和叶绿素a的相互关系时得到了相同的结果。

4 讨论

4.1 氮和磷的空间分布及影响因素

水方平向冰样中TN、NH4+-N、NO3−-N分布不一致，NH4+-N、NO3−-N 的最高浓度均出现在北湖区，并且ρ(TP)和ρ(DTP)的分布规律为北湖区>湖心区>南湖区。冰下水体中，北湖区ρ(TN)、ρ(NH4+-N)、ρ(NO3−-N)、ρ(NO2−-N)、ρ(TP)和ρ(DTP)比南湖区和湖心区高。乌梁素海进水口位于北湖区西侧。每年秋季上游农田排水、含氮量高的工业污水、含磷量高的生活污水等通过八排干、通济渠、长济渠等排入乌梁素海，故进水口处氮磷浓度要明显高于其他监测点。同时北湖区芦苇分布广泛，一方面在秋季阻碍水体流动，导致氮磷和其他污染物逐渐开始积累，一直持续到冬季（杜丹丹等，2019），冬季结冰乌梁素海表面污染物被留在了冰层中。另一方面芦苇死亡后，体内的部分N、P会重新释放到水体中，导致水体N、P含量较高（吴怡等，2013）。伴随着冬季乌梁素海开始结冰，污染物从冰体迁移到冰下水体中，TP和DTP在冰下水体中水平方向的分布规律与其在冰体中一致，而TN、NH4+-N、NO3−-N、NO2−-N 有所差异，乌梁素海冰体和冰下水体中蛋白质等有机氮含量高，冬季温度低，水体微生物数量少，硝化和反硝化作用缓慢。冰体中从北到南NH4+-N与NO3−-N之和在TN所占比例依次减小，说明从北到南冰体中有机氮的含量在逐渐增加，原因是乌梁素海南湖区和湖心区附近的村庄和人口多，刚进入冬季时，村民把机氮含量较高的污水排入到乌梁素海，使其在未被分解前就被保留在了冰层中。冰下水体中南湖区的温度高于湖心区与北湖区，硝化作用较强烈，导致ρ(NH4+-N)较低，ρ(NO3−-N)和ρ(NO2−-N)较高。

垂直方向上，67%的采样点中层冰有最高ρ(TP)，NH4+-N集中分布在下层冰，最高ρ(NO3−-N)出现在上层冰。这与吕超（2013）对乌梁素海冰体内营养盐垂直分布特征的研究结果不同。吕超只研究了乌梁素海湖心区和北湖区冰体内营养盐的垂直分布特征，没有研究乌梁素海南湖区冰体内营养盐垂直分布特征。近年来国家的环境保护意识逐渐提升，政府采取措施关闭了乌梁素海周围的污染型企业，并治理了乌梁素海，改善了乌梁素海的水质。随着与八排干、通济渠等排水口之间距离不同，流速不同，不同采样点处冰层厚度也不同，TN在冰层的下移程度也不同。冰层下方的水体温度低，浮游植物量少，对NH4+-N的利用少，使得ρ(NH4+-N)相对较高。冬季气温日变化大，乌梁素海处于反复冻融过程，下层冰相对松散，故水体中的NH4+-N可迁移至下冰层，从而使其浓度高于上冰层与中冰层。冬季结冰前乌梁素海表面与大气接触，水体表面溶解氧含量较高，硝化作用比较活跃，导致NO3−-N浓度较高，结冰时NO3−-N被保留在了冰层表面。

下冰层有最大ρ(TP)和ρ(DTP)的采样点，占比均为58.3%，说明冰样中磷集中分布在下冰层。下冰层温度高于上冰层和中冰层，冰层中氢键间作用力较小，空隙较大，冰下水体中TP和DTP进入冰样中，使得下冰层中 TP和 DTP浓度较高（于玲红等，2013）。

TN、NH4+-N、NO3−-N、NO2−-N、TP 和 DTP在冰下水体的浓度高于其在冰层中的浓度，其原因为，（1）水体中氮磷的溶解度与温度有关，随温度的升高而升高，而冰下水体的温度高于冰层中的温度，所以冰下水体中氮磷浓度大于冰层中氮磷浓度（吕超，2013）。（2）冰体在冰层形成过程中对不同形态的氮磷有排斥作用，导致它们由冰层迁移至冰下水体（李卫平等，2014）。（3）沉积物向上覆水体释放氮磷。冰封期内冰体温度≤0 ℃，冰下水体温度在 0—4 ℃。袁轶君等（2020）采用室内模拟实验的方法探究了温度对鄱阳湖的沉积物氮向上覆水体释放过程的影响，发现5 ℃时鄱阳湖沉积物可以向上覆水体缓慢释放 NH4+-N、NO3−-N 和溶解性总氮（TDN-N）。因此，沉积物的释放也是导致冰封期乌梁素海冰下水体氮磷含量高的重要原因。

降水是也是影响水体中氮磷含量的重要因素。研究表明，在降雨过程中大量含有溶解无机营养盐的淡水排入水体，导致水体中溶解无机氮和磷酸盐的含量升高（Meng et al.，2017）。Nomura et al.（2011）对Saroma-ko泻湖中的含氮化合物进行了研究，发现冰层上部高浓度的 NH4+-N、NO3−-N 和NO2−-N 主要是由于降雪造成的。冬季大气中的氮磷化合物吸附在雪花上，伴随降雪落到冰面。由于气温日变化较大，降雪在冰层顶部发生融化-冻结循环形成雪冰。雪冰中的氮磷化合物便进入到了冰层中，从而增加了冰体中氮磷的浓度。

硝化与反硝化作用可以影响冰下水体中的ρ(NH4+-N)、ρ(NO3−-N)与ρ(NO2−-N)。硝化作用是一个消耗氧气和铵，提供硝酸的过程；反硝化作用是将硝酸盐逐步还原为二氧化氮，去除水体中的氮的过程（Cavaliere et al.，2019；Wang et al.，2019）。Soued et al.（2015）在研究加拿大的 Saguenay地区 N2O的汇和排放中发现，由于硝化作用，冰下产生并积累了一定含量的N2O，导致冬季水体中NH4+、NO3−的浓度是全年最高的。通过利用美国 5个湖泊（Allequash，Big Muskellunge，Crystal，Sparkling和Trout Lakes）30年冬季湖沼学数据发现，冬季硝酸盐含量随着结冰天数在冰下水柱中积累，硝酸盐积累的原因不是外部输入而是硝化作用（Powers et al.，2017）。

沉积物在冬季氮循环过程中发挥着重要作用，沉积物向上覆水体释放氮的同时也在吸收氮。据报道乌梁素海结冰后，沉积物中氮的含量明显增加，在八排干、通济渠附近TN含量增加了0.64倍，其余地方增加了2.7—3.7倍，残余氮导致了TN的积累（Yang et al.，2019）。

温度，结冰厚度，氮磷浓度是影响氮磷在冰体和水体间迁移的重要因素。（1）冰体中冰晶的核密度、分枝形状和粒径等是由温度决定的。当温度过低时，冰晶在产生枝状分枝的基础上，产生更高级的分枝，不同形态氮磷便被困于枝状冰晶和枝状冰晶产生的空隙中，从而影响其在冰样与冰下水体中的分布（于爱鑫，2020）。（2）随着结冰厚度的增加，大气与水体间的热交换在不断减弱，冰的生长速率减小，不同形态氮磷有充足的时间由冰样迁移至冰下水体，新形成的冰样中氮磷浓度减少（于爱鑫等，2020）。（3）水体中氮磷浓度越高，其粘度系数越大，扩散系数越小，在结冰过程中，冰晶碰撞概率升高，氮磷更容易被留在冰体中。随着氮磷浓度的增加，虽然冰样中氮磷浓度较高，但是由冰样迁移至冰下水体的氮磷浓度更高，导致冰下水体浓度升高（高宁，2018）。

4.2 叶绿素a的空间分布及影响因素

通过分析得出叶绿素a在冰样中水平分布规律为北湖区>湖心区>南湖区，原因是农民采用漫灌方式灌溉农田，将土壤中的氮、磷、有机质等物质通过排水沟输送至乌梁素海，这些排水沟位于乌梁素海的北部，所以秋季乌梁素海北部氮磷含量过高，浮游植物数量较大，冬季结冰时这些浮游植物没有被分解便保留在了冰层中。冰下水体中叶绿素a的分布规律与其在冰样中完全相反。冰下水体中乌梁素海南湖区的温度较高，冰层较薄，阳光透过率相对较高，浮游植物的生物量较大，导致叶绿素a含量高。

4.3 不同形态氮磷对叶绿素a的响应

线性回归分析表明冰样与冰下水体中Chl-a与TP、DTP没有明显的相关性，冰样中Chl-a与TN（r=0.615，P=0.033）显著负相关，冰下水体中Chl-a与 TN（r=0.758，P=0.004）极显著负相关，说明TN是影响冰封期乌梁素海Chl-a分布的主要因素。这与其他人关于冰封期乌梁素海Chl-a的研究有所差异，蒋鑫艳等（2019）在对2014—2017年Chl-a和各项环境指标进行相关性分析后，得到冬季冰封期Chl-a与TP（r=0.351）在0.01水平下呈极显著正相关的结论。

据报道，浮游植物直接优先利用NH4+-N合成自身细胞所需的氨基酸等物质，并抑制细胞吸收NO3−-N、NO2−-N（赵旭德等，2018）。但该研究在用线性回归方法分析冰样与冰下水体中叶绿素a与不同形态氮磷之间关系后，发现冰样与冰下水体中Chl-a与NH4+-N没有明显的相关性，反而冰下水体中 Chl-a 与 NO3−-N（r=0.658，P=0.020）、NO2−-N（r=0.647，P=0.023）显著负相关。原因可能是叶绿素a与不同形态氮磷之间的关系与浮游植物的种类有关。Domingues et al.（2011）通过利用Guadiana河口的浮游植物种群的富集实验发现，浮游植物对铵的偏好具有群体特异性，蓝藻仅依赖铵作为氮源，硅藻偏爱硝酸盐。因此推测冰封期乌梁素海的浮游植物群落结构以硅藻为主，李兴等（2018）对乌梁素海冰封期浮游藻类分布特征的研究证明了该观点。

5 结论

（1）对于不同形态的氮，冰样中水平方向上北湖区出现高值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出现在湖心区；垂直方向上TN、NH4+-N、NO3−-N整体分布不均匀，TN、NH4+-N、NO3−-N集中分布在中层冰、下层冰和上层冰。由于乌梁素海的进水口在北湖区，冰下水体中北湖区的ρ(TP)、ρ(NH4+-N)、ρ(NO3−-N)、ρ(NO2−-N)均出现高值。

（2）无论是在冰样中还是在冰下水体中，TP和 DTP的分布规律均一致，均为北湖区>湖心区>南湖区。采样点中58.3%的最高ρ(TP)和ρ(DTP)出现在下冰层。

（3）冰样中水平方向Chl-a的分布与TP和DTP相同，垂直方向最高ρ(Chl-a)出现在中层冰和下层冰的采样点的数量占所有采样点数量的41.6%。在采样点HK中层冰和下层冰检测到相同浓度的叶绿素a。冰下水体中 Chl-a的质量浓度范围是 1.530—12.280 mg·L−1，均值为7.870 mg·L−1。北湖区的ρ(Chl-a)最低，其次是湖心区，南湖区的ρ(Chl-a)最高。

（4）线性回归分析表明冰层和冰下水体中不同形态氮、磷对叶绿素a的响应存在不同程度的差异。其中冰样中 Chl-a与 TN显著相关（r=0.615，P=0.033），Chl-a与 NH4+-N、NO3−-N、TP和DTP都呈现出正相关的关系，相关性依次是0.391、0.393、0.168、0.243，经F检验，相关性均不显著。冰下水体中 Chl-a与 TN（r=0.758，P=0.004）极显著负相关，与 NO3−-N（r=0.658，P=0.020）、NO2−-N（r=0.647，P=0.023）显著负相关。Chl-a与NH4+-N的相关性系数是0.553，经F检验，相关性不显著。Chl-a与TP、DTP的相关性系数均小于0.2且不显著。