乌梁素海沉积物中营养盐的垂直分布特征及污染评价*

刘菊梅 肖 振 司万童# 求瑞娟 左小洪 丁欣雨 李彦林 毕 捷

(1.重庆文理学院,重金属废水资源利用重庆市重点实验室,三峡库区河湖生态系统重庆市野外科学观测研究站,重庆 402160;2.内蒙古科技大学生命科学与技术学院,内蒙古 包头 014010)

沉积物是湖泊生态系统的重要组成部分,是湖体营养盐的储存库[1]569。沉积作用受湖泊规模、地质和气候等的影响。当外部环境发生变化,过量的营养盐就会从沉积物中释放出来,通过迁移转化,使湖泊水质不断恶化,从而对生态系统造成威胁[1]572。沉积物中的有机质有外源输入,也有内源积累[2]1758,[3]2;氮、磷是造成水体富营养化的关键因子[4],研究它们的含量及分布情况对湖泊的污染趋势预测及生态修复具有重要的意义。

乌梁素海位于内蒙古巴彦淖尔市,是全球范围内干旱草原及荒漠地区极为少见的大型多功能湖泊。该湖面积较大,物种多样性高[5]2。芦苇在湖区广泛分布,其腐烂分解后沉降至湖底,加剧了湖区碳的内源性积累[6]999。每年有大量未经处理的河套灌区灌溉退水、工业和生活废水排入乌梁素海,导致该湖外源输入的碳、氮、磷过多,营养盐含量及浮游生物数量增加,水生植物和漂浮藻类残体增加,沉积物的堆积加速,使乌梁素海成为世界上沼泽化最快的湖泊之一[7],水环境的持续恶化使该湖富营养化问题更加多元化[8]。目前,很多学者对乌梁素海沉积物环境开展了相关研究,如刘旭等[6]994-998研究了该湖沉积物营养盐的分布特征及固碳能力;杜彩丽等[9]5600-5605调查了该湖表层沉积物中营养盐和重金属的分布特征;姜涛等[10]分析了冰封期该湖营养盐特征。但生长季的营养盐垂直分布特征仍不清楚。

哈素海位于内蒙古呼和浩特市土左旗境内,具有引水灌溉、水产养殖和景观旅游的功能,是内蒙古的主要渔业基地。随着城市化进程的加快,哈素海水质有下降趋势[11]30,[12]。哈素海与乌梁素海相似,以黄河水作为补给水,位于半干旱气候区,是微盐水湖,芦苇为优势挺水植物。乌梁素海是周边区域生产、生活污水排泄的主要通道[2]1755,而哈素海没有明显、长期收纳污水。为此本研究以乌梁素海为研究对象,以哈素海作为对照,研究不同深度沉积物的基本理化性质、全量营养盐、速效营养盐的垂直分布特征和变化规律,采用营养盐污染指数法进行湖泊生态安全评价,旨在为乌梁素海富营养化污染修复提供数据参考。

1 材料和方法

1.1 研究区域概况

本研究以乌梁素海为研究样地,在水生植物生长季,在湖的南部退水区域,从中心向岸边,即由水相至陆相选取了一个样带,选择5个采样点,分别为W1、W2、W3、W4、W5;以哈素海为对照样地,在湖的东部区域选择1个采样点(H),垂直分层采集沉积物(采样点分布见图1,相关信息见表1)。

表1 采样点信息

图1 采样点分布

1.2 样品采集及指标测定

用KCmodAochB型无扰动采样器采集样品,现场将沉积物柱芯以20 cm间隔分层,分为0～20、20～40、40～60 cm的样品。沉积物样品装入自封袋后暂存于冷藏样本箱,带回实验室于-20 ℃保存。用于分析测定的沉积物样品在室内自然风干后,去除石子和动植物残体,碾碎,全部过10目土壤筛,充分混匀后用四分法分成两份,一份用于理化性质和速效营养盐的测定,包括pH、盐度、含水率、粒度、碱解氮、硝态氮、铵态氮、速效磷、速效钾;另一份继续采用四分法分成两份,一份过60目的土壤筛,用于全量营养盐总有机碳(TOC)、总氮(TN)、总磷(TP)的测定;另一份过100目土壤筛,用于总钾(TK)的测定。

各指标测定方法见文献[5]。含水率用105 ℃恒重法测定;按1 g∶2.5 mL的土水比充分振荡溶解样品后,分别用pH计(HACH HQ40D)和烘干残渍法测定pH、盐度;粒度用激光衍射粒度仪(Malvern Mastersizer 2000)测定。TOC用重铬酸钾外加热法测定;TN和铵态氮用凯氏定氮法测定;TP、速效磷用氢氧化钠碱熔/钼锑抗比色法测定;碱解氮用碱解扩散法测定;硝态氮用紫外分光光度法测定;TK用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP6000)测定;速效钾用乙酸铵浸提/火焰光度法测定。

1.3 评价方法

采用单因素污染指数法和综合污染指数法[9]5599对氮、磷污染程度进行评价。计算公式为:

Fi=Ci/Cs

(1)

(2)

式中:Fi为因子i的单因子污染指数,Fi大于1表示因子i的含量超过评价标准值;Ci为因子i的实测值,g/kg;Cs为因子i的评价标准值,g/kg,本研究中TN和TP的评价标准值分别取0.55、0.6 g/kg[13];F为综合污染指数;Faverage为单因子污染指数平均值(本研究指TN和TP单因子污染指数的平均值);Fmax为最大单因子污染指数[9]5599。单因素污染程度和综合污染程度划分见表2。

表2 污染程度划分

1.4 数据分析

采用Excel 2016和SPSS 25.0进行数据统计与分析,利用one-way ANOVA分析Duncan检验进行显著性差异分析。

2 结果与讨论

2.1 沉积物理化性质垂直分布特征

由表3可知,两个湖泊沉积物的pH的平均值均大于7,整体偏碱性。乌梁素海0～20、20～40、40～60 cm深度沉积物盐度的平均值分别为0.24%、0.15%和0.11%,盐度平均值垂直向下呈递减趋势;表层沉积物(0～20 cm)盐度由湖中心向湖岸大体呈波动升高趋势。表层沉积物含水率由湖中心向湖岸大体呈波动下降趋势,W1显著高于W2、W4、W5,也显著高于哈素海(H)。

表3 不同深度沉积物的理化性质1)

盐度作为水体中浮游生物生长的主要调控因子,对生物体内酶的活性、生长代谢及生理生化过程具有重要的影响作用[3]6。由于乌梁素海地处半干旱地区,区域降水量少,在全球气候变暖的影响下,蒸发强度增大,乌梁素海整体的盐碱度较高。在一定范围内,盐度升高有利于浮游植物的繁殖,造成藻类大量繁殖,从而引起湖泊水体富营养化[14]。在弱碱性和强碱性条件下,沉积物中的氮、磷元素的释放量明显提高[5]4。此外,乌梁素海沉积物受沉积作用影响明显,各采样点上,黏粒和粉粒占比大体呈垂直向下波动增加趋势。沉积物粒度的大小间接影响着营养盐的富集[15]646。而高营养盐会减缓盐碱度对耐盐碱微生物的限制作用,促进耐盐碱微生物和浮游生物的繁殖[16],有利于碳、氮循环微生物对碳、氮元素的去除[5]5,提升水质。

2.2 沉积物全量营养盐垂直分布特征

由表4可知,乌梁素海大部分采样点TN超过1.0 g/kg,表明该湖沉积物中氮含量整体较高。表层沉积物中TOC、TN和TP含量由湖中心向湖岸呈波动下降趋势,W1的TOC总体高于W2～W5和H。TOC在W3垂直向下显著递减(P<0.05),在其他采样点没有显著的垂直变化;TN、TP和TK垂直变化不明显,TP在W1表层显著富集(P<0.05),TN和TP在W1表层显著高于H(P<0.05)。

表4 不同深度沉积物中全量营养盐的质量浓度

2.3 沉积物速效营养盐垂直分布特征

由表5可知,乌梁素海沉积物中的碱解氮、速效磷在W1表层显著富集,速效磷在W1垂直向下显著递减(P<0.05);铵态氮在W3表层显著富集,硝态氮在W3垂直向下显著递减,且在W1各层显著高于W2。整体上,碱解氮、速效磷、铵态氮和硝态氮在乌梁素海湖中心(W1)显著高于哈素海(H)。此外,碱解氮、铵态氮和硝态氮在TN中平均占比(质量占比)分别为3.63%、60.82%和0.58%,可见铵态氮为乌梁素海沉积物中无机氮的主导形态。

表5 不同深度沉积物中速效营养盐的质量浓度1)

结合2.2节可知,乌梁素海从湖中心向湖岸的TOC、TN和TP表层含量呈波动下降趋势;TP、碱解氮和速效磷在W1表层富集明显,TOC、铵态氮和硝态氮在W3表层富集明显。推测原因如下:一,W1和W3水较深(1.5 m),水深增加强化沉积物稳定性和黏粒的沉积,有利于有机质以及微生物代谢产物的堆积[15]650。二,可能是湖滨、湖岸的芦苇、香蒲等大型挺水植物对营养盐的吸收和利用及湖滨植物缓冲带对外源营养盐的削减[17-18],导致湖滨、湖岸含量比湖中低。

由表6可见,各营养盐均与含水率显著正相关;TK与黏粒和粉粒显著正相关,与砂粒和盐度极显著负相关;TOC、TK、碱解氮和铵态氮与pH显著负相关;其他营养盐与pH的相关性不显著。TOC与营养盐均极显著正相关,TN与TP极显著正相关。这暗示了碳与氮、磷、钾,氮与磷可能直接相关,且盐碱性环境和砂粒含量越高,TK越容易从沉积物中释放出来。

表6 相关性分析1)

自然条件下,磷通常是湖泊生态系统的限制性因子,速效磷是湖泊沉积物中能够被植物吸收的主要磷组分[19-20],控制着湖泊的初级生产力水平。乌梁素海湖区内的N/P(质量比)大约介于1.24～4.21,各采样点的N/P<7,表明氮可能是此区域的限制性营养盐[11]30;由于TOC与TN、TP均极显著正相关,因此控制乌梁素海农业氮、磷废水的排入也有利于减少碳的积累[6]999。同时,植物根际微环境的好氧条件,也会促进碳循环、氨氧化微生物的繁殖[5]1,进而影响有机质和氮的含量。因此,微生物和水生植物联合治理是修复湖泊生态系统的重要方向之一。

2.4 营养盐污染评价

由图2可知,哈素海各层沉积物中的TN单因子污染指数均值为2.73,TN处于重度污染状态;TP单因子污染指数均值为1.13,TP处于中度污染状态;综合污染指数均值为2.37,综合污染处于重度污染状态。乌梁素海从湖中心到湖岸5个采样点各层沉积物中TN单因子污染指数均值为3.16,变异系数为48.65%,整体上处于重度污染状态;TP单因子污染指数均值为1.01,变异系数为10.86%,整体上处于中度污染状态;综合污染指数均值为2.68,变异系数为45.42%,整体上处于重度污染状态,且从湖中心向湖岸,氮、磷污染程度呈波动下降趋势,且氮污染比哈素海严重,磷污染与哈素海相比差异不明显。与前人研究[9]5601相比,各指数均呈降低趋势,但整体上乌梁素海营养盐污染严重,仍面临潜在生态风险。

图2 营养盐污染指数

3 结论与建议

1) 除TK和速效钾,乌梁素海湖中心表层沉积物各营养盐含量明显高于哈素海,且表层TOC、TN和TP含量从湖中心向湖岸呈波动下降趋势;TP、碱解氮和速效磷在W1表层富集,TOC、铵态氮和硝态氮在W3表层富集;所有营养盐均与TOC极显著正相关。

2) 乌梁素海沉积物中TN处于严重污染状态,TP处于中度污染状态,相比哈素海存在较高的富营养化风险。

3) 氮为该区域的限制性营养盐,为有效防控乌梁素海富营养化程度的加剧,应加强控制TOC和氮的外源输入。