盐度对湖冰冻结过程中氮磷营养盐排出效应的影响*

张 程，黄文峰，李 瑞，杨惠杰，赵 雯，林战举

(1：长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，西安 710054)(2：长安大学水利与环境学院，西安 710054)(3：中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室，兰州 730000)

我国五大湖区中的蒙新高原湖区、东北平原及山地湖区和青藏高原湖区位于中高纬度或高海拔地区，湖泊面积占我国湖泊总面积70%以上.该区域湖泊基本为季节性结冰湖泊，每年都会经历冰层生长与消融的过程[1-2]，如，青藏高原湖区冰封期甚至可达5-7个月[3].湖冰冻融过程会促使水温结构[4]、水动力条件[5]、光照条件[6]、富营养程度[7-8]、溶解氧[9]等物理、化学环境发生改变，必然驱动浮游植物、细菌群落[10]等生态系统的变化，且与非冰封期有着显著的差异[11].然而由于地理、气候等条件的限制，在淡水湖泊研究领域中，对湖冰及冰封期湖泊环境与生态观测和研究的比例不到5%[12].

湖泊的冻融是一个冰下水体先浓缩后稀释的过程.冻结时会将大部分杂质(如各类溶质、悬浮物等)排入到冰下水体，导致浅水湖泊水体盐分富集，营养盐浓度升高，引发或加剧湖水的富营养化[13-14].例如，张岩等[8]的研究表明冰下水体的富营养化程度高于冰体，并指出结冰对湖泊中的营养盐有浓缩效应；高宁等[15]发现同一湖泊不同深度的冰层内营养盐浓度不同，表层冰体内的营养盐浓度最大；李卫平等[16]发现同一湖泊不同位置的冰体内营养盐浓度有较大差异；于爱鑫等[17]通过室内试验探究了冻结厚度、温度、初始浓度对氮、磷、重金属在冰-水体系中分配模式的影响；Evans等[18]揭示了北极海冰中重金属与冰结构的关系，同时Gough等[19]通过对南极冰柱的观察，也指出片状冰的渗透性低于柱状冰，导致片状冰内盐度大于柱状冰，冰体结构也是影响盐分在冰-水间分配的一个重要因素.

以上研究通过现场取样测试、室内人工冻结等手段探索了冰层冻结是如何影响冰-水体系内盐分分配比例并指出其影响因素，包括水体盐分浓度、冻结温度、冰层结构等.就氮、磷营养盐而言，不同湖泊的取样测试、室内模拟试验所得的冰-水体分离系数(比例)存在很大差异，初始浓度、冻结温度等仍无法完全解释.考虑到海冰内盐度与海冰孔隙率(卤水含量)密切相关，因此，湖水盐度(含盐量)的不同很可能也会影响氮、磷营养冻结排出效率.特别是，大型湖泊盐度空间差异显著，其能否引发结冰后营养盐的空间变化仍不明确.

乌梁素海作为寒旱区具有代表性的浅湖，湖泊面积大，冰封期较长，已有大量研究表明结冰过程对冰封期乌梁素海生化指标影响显著.本文则通过参考内蒙古乌梁素海的营养盐浓度以及冻结温度[20]，开展室内冻结模拟试验，以期探究浓度、盐度等对氮磷营养盐冻结排出效率的影响，并以乌梁素海为例量化冻结过程对其营养盐浓度与结构的影响.本文选取乌梁素海为例，一方面其已有研究成果便于实验结果的验证和直接应用；另一方面，乌梁素海的盐度(极大值)和营养盐浓度范围具有很广的覆盖面，且本文进一步对其扩大(包括向更低和更高的浓度)，具有很强的现实意义，实验结果适用的湖泊范围更大，可为季节性冰封湖泊冬季营养盐变化趋势预测提供参考，并且对乌梁素海生态补水后，湖泊整体盐度变化对冬季排盐效率的影响提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 实验设计

实验所用的冻结容器为聚丙烯塑料圆筒(直径8 cm，桶高33 cm)，塑料圆筒筒壁和底部采用4 cm铝箔保温棉包裹，顶部开口，制成单向导冷反应器，确保溶液从上至下冻结(图1).冻结前，将所配置的溶液注入圆筒内，溶液深度为19 cm，而后放置于温度为-10℃(乌梁素海1月平均气温)的冰柜中冻结.当顶部冰层厚度达到4～5 cm(约200 g)后取出圆筒，上下翻转至桶内水体均匀混合后，将冰块取出、称重，放入密封聚乙烯塑料自封样品袋中，隔光条件下待其自然融化；同时采集冰下水样；将融水、冰下水样一同测定溶质浓度.

图1 实验模具图(a：模具示意图；b：冻结之前实拍图；c：冻结之后(取下保温棉)实拍图)

表1 不同母液浓度下冻结实验组别

乌梁素海水质为微咸水，冬季总溶解性固体(TDS)达到了820 mg/L，矿化度为2990 mg/L，主要阴离子为Cl-，主要阳离子为Na+[21].故选取NaCl来配制不同盐度(含盐量)的母液，以探究盐度变化对营养盐迁移的影响.盐度选择与试验分组见表2，此时氮磷营养盐浓度选择为冬季乌梁素海的平均浓度.

表2 不同盐度下冻结实验组别*

1.2 指标测定

首先利用标准溶液配置出已知浓度的标准溶液组，预处理之后测量在相应波长下的吸光度，绘制吸光度-浓度标准曲线；待冰样融化并达到室温后，和下层水样以及母液一同检测吸光度.每个样品检测3次，标准差小于5%.

1.3 数据处理

将冰样、水样以及母液吸光度代入标准曲线公式，换算出相应的浓度值.本研究采用分离系数K来表示冻结时冰-水界面营养盐的迁移效率，将分离系数定义为冰体中营养盐浓度与正冻水体中营养盐浓度的比值，即:

(1)

式中,Ci为冰体中营养盐浓度，Cw(0)和Cw(t)分别为冻结前、后水体中营养盐浓度.在冰体的生长过程中，营养盐不断地被排入冰下水体，致使冰下水体中浓度不断升高.上述定义采用冻结前后液体营养盐浓度的平均值作为母液浓度，尽量消除了冻结过程中冰下溶液营养盐浓度增加的影响.

1.4 误差分析

为了准确评价上述化合物挥发、水解对实验结果的可能影响，我们测量和对比冻结前、后冰-水体系的溶质总质量，发现所有实验组冻结前、后溶质总质量变化极小，实验误差在溶质总质量的5%以内，对试验和计算结果的影响可以忽略.

2 结果与分析

2.1 母液浓度对冰内营养盐浓度与分离系数的影响

当未添加氯化钠进行单一组分冻结时，冰体中营养盐浓度随母液浓度的增加呈微弱增加，初始母液浓度对冰体内营养盐浓度的影响并不显著.但冰下水体中的营养盐由于冻结分离的富集作用，其浓度会稍大于冻结之前母液中营养盐浓度.从冰-水体系来看，分离系数作为冰水盐分浓度的比值，在分子(冰内浓度)变化不大的情况下，分母(水体浓度)显著增加，其值便随着母液浓度的增加而减小.

图2 母液营养盐浓度对冻结排出的影响

2.2 盐度对冰内营养盐浓度与分离系数的影响

图3 氯化钠浓度对营养盐在冰水体系中分布的影响

图4 母液分离系数随母液盐度的变化

可见，当湖水中盐度(或含盐量)增大时，氮磷营养盐的冻结分离系数会增大，排入水体中的比例便降低.这主要是因为水体盐度升高时，冰内未冻水(卤水泡或卤水通道)会增加，冰体内包裹的营养盐总量或浓度便会增加.将所冻冰样(约4.5 cm厚)放置于黑色背景下拍照，可以直观看出，氯化钠浓度较低时，冻结的冰体通透，透明度高，仅有零星气泡分布；随着氯化钠浓度增加，冰体内卤水泡数量也随之增加，透明度降低，冰体逐渐变为乳白色(图5).

3 讨论

3.1 盐度影响下的冻结排盐过程分析

水溶液在冻结时，往往未达到水盐的共晶点，因此仅有水分子相互缔结形成冰体析出，营养盐逐渐向下排入到冰水界面，此界面的营养盐浓度高于下层水体[22].冰水界面处的液体是直接接触到冰体的部分，此处营养盐溶液的浓度将直接关系到冰体中营养盐的浓度.在冻结速率(单位时间冰体的冻结厚度)相同的条件下，母液中营养盐浓度的升高，冰体排盐通量(单位时间内经单位面积的冰-水界面向水体排出盐分的质量)也随之增加，在冰水界面处的营养盐浓度也就越高，与下层水体的浓度差也就越大[23].通过菲克扩散定律可知，浓度差越大，其扩散速率也就越大，因此高浓度母液冰水界面中的营养盐会更快扩散到下层水体，而低浓度母液冰水界面中的营养盐扩散速率较慢，更容易在界面处富集[24]，由此导致冰水界面处营养盐浓度有“向中看齐”的趋势，冰体内的营养盐浓度会比较稳定(图2)[25].因此，冰体中营养盐浓度的确会随着母液中营养盐浓度的升高而升高，但冰体营养盐浓度的升高速率显著低于母液营养盐浓度的升高速率.

冻结排盐过程较为复杂，除受环境温度(冻结速率)、母水浓度、冰层微观结构的影响外，本文实验结果证实水体中营养盐形态和水体盐度(含盐量)也是重要影响因素.水体盐度较高时，其冻结过程应与微咸水、海冰冻结类似.本文实验中模具四周和底部包裹的保温棉确保了在溶液表面率先形成过冷层，进而形成冰晶体覆盖整个液面[30].随后冰晶体向下生长，呈现出不规则的树枝状，“树枝”相互连接形成冰片，冰片之间包裹着狭长的卤水泡.张皓兴研究表明卤水泡的体积与母液盐度呈正相关关系[31].本文最大盐度设置为3000 mg/L，对母液冰点的影响可以忽略，但在冻结过程中，冰晶尖端析出的盐分会在冰晶尖端之间的未冻区形成一个高盐度的狭小区域，该区域冰点远低于周围低盐度区域，便以未冻卤水泡或卤水通道的形式封闭于冰晶体间.当母液的盐度越大，在冰晶尖端富集浓缩的作用就越明显，也更容易形成卤水泡.图5照片直观地显示出随母液盐度的增加，冰样内因卤水泡数量和体积的增加而变得更加不透明，卤水泡的增加直接导致冰体内营养盐浓度和分离系数的增加(图3、4).

图5 冰体透明度随母液盐度的变化

3.2 盐度变化对结冰条件下乌梁素海营养盐动态的影响

图6 不同冻结比例湖泊冰下水体营养盐浓度(盐度设为2500 mg/L)

在氮磷营养盐浓度不变的情况下，湖水盐度变大也会引起冰体内营养浓度升高，进而使得冻结分离系数变大，改变营养盐在冰水体系中的分布.根据全栋等[33]的研究，乌梁素海不同位置盐度差异较大，从北部芦苇区940 mg/L至湖区中部、南部2020 mg/L不等，变化超过1000 mg/L，年际间盐度变化也超过500 mg/L.乌梁素海多年冬季冰盖的质量约占湖水总质量的25%[8]，假设各类氮磷营养盐浓度在整个湖泊均匀分布，湖水盐度的增加将会阻碍营养盐向冰下水体迁移，留在冰内的营养盐增加，使得冰下水体由于结冰造成的营养盐富集情况得到缓解(图7).盐度对冻结分离系数的影响表明，乌梁素海盐度的时空差异也必然是冬季营养盐富集程度空间和年际差异的主要原因.

图7 盐度对营养盐富集的影响(n为冻结后、冻结前水体中营养盐浓度的比值)

除氮磷营养盐浓度外，氮磷比也是影响藻类、大型植物、微生物生理过程的关键因子.例如，对藻类而言，当氮磷比大于7.2时为磷营养限制，当氮磷比小于7.2时为氮限制[34].以乌梁素海为例，根据本文实验结果可以推算冻结过程中冰下水体无机氮磷比的变化过程(图8)，发现随着水体冻结，湖水氮磷比不断增加.但湖水盐分变化也会改变氮磷比(图9)：当盐度增加时，冰体中无机氮盐浓度的增加幅度显著大于正磷酸盐，这也就使得无机氮盐在水体中的浓缩效应小于正磷酸盐，从而降低氮磷比.就乌梁素海而言，其冬季的叶绿素浓度显著高于其他季节，并且叶绿素浓度与总磷、冰层厚度呈极显著正相关关系[35]；硅藻是结冰期最主要的浮游植物，占比超过40%[36]，而在非冰封期绿藻则是最优势的种群[37].结冰过程会造成氮磷浓度不断增加(图6)、氮磷比也逐渐升高(图8)，进一步加剧了磷营养盐限制，这也可能是乌梁素海冬季浮游生物丰度锐减的原因之一[38]；而硅藻相较于其他藻类粒径更小，更有利于在长时间磷营养盐限制限制的情况下生存，因此冻结排盐效应也应该是促成硅藻成为冰封期优势种群的一个原因[39].

图8 不同冻结比例湖泊冰下水体氮磷比(盐度设为2500 mg/L)

图9 盐度对冰下水体氮磷比的影响

自然状态下，结冰期乌梁素海营养盐的变化动态受到众多因素的影响，包括生物和微生物代谢、底泥的吸收或释放、冰层冻结浓缩或融化稀释等，但冰封期外源输入或输出可以忽略.可见，冰封期乌梁素海水体营养盐的动态变化是上述过程共同作用的实时结果.目前而言，上述各过程对营养盐分别贡献多少仍不知晓.本文通过设计室内试验，并根据实验结果计算出结冰过程对乌梁素海N、P营养盐浓度和结构变化的贡献.也就是明确了冰层冻结浓缩或融化稀释这一过程对营养盐动态的影响.其它过程对营养盐变化的贡献是多少以及如何预测冰封期乌梁素海营养盐的浓度变化，未来还需要开展大量的现场、室内和理论分析工作.

需要指出的是，以上为方便论述，仅以乌梁素海为例，但本文试验结果和计算方法可普遍应用于评价结冰、融化过程对浅湖营养条件的影响，包括营养盐浓度、无机氮组成、氮磷结构等的变化.特别是因湖泊生态环境治理或人为污染造成营养盐浓度、盐度(含盐量)发生改变，也会改变营养盐的冻结分离系数，进一步引起结冰湖泊环境的变化.

4 结论

1)冰内营养盐浓度和冻结分离系数受母液营养盐浓度和盐度的影响.母液营养盐浓度越高，冰内营养盐越高，冻结分离系数减小；母液盐度越高，冰内营养盐越高，冻结分离系数越高，盐度的影响主要跟冰内未冻卤水泡的含量有关.

2)横向对比发现，3种不同形态无机氮营养盐的冻结分离系数存在显著差异，其中氨氮的分离系数最大，硝酸盐氮次之，亚硝酸盐氮最小；3种形态氮冻结分离的差异性必然引起冰封湖泊无机氮素组成与结构的变化.

3)以乌梁素海为例，基于本文实验结果的计算表明，结冰过程不仅会导致冰下水体氮磷营养盐浓度大幅度增加，还会改变其无机氮构成、氮磷比，加剧水体的磷营养盐限制，影响浮游植物生物量和种群结构的变化.

致谢:长安大学水与环境实验中心提供实验设备和测试技术，内蒙古农业大学乌梁素海湿地生态系统国家观测站提供了现场采样和监测的技术与后勤支持，在此一并感谢！