烏梁素海濕地對營養(yǎng)鹽的削減效率及其分區(qū)研究

毛旭鋒, 魏曉燕, 陳 瓊, 魏希杰

(1.青海師范大學(xué) 生命與地理科學(xué)學(xué)院, 西寧 810000; 2.青海大學(xué) 獸醫(yī)科學(xué)院草原研究所, 西寧 810016)

烏梁素海濕地對營養(yǎng)鹽的削減效率及其分區(qū)研究

毛旭鋒1, 魏曉燕1, 陳 瓊1, 魏希杰2

(1.青海師范大學(xué) 生命與地理科學(xué)學(xué)院, 西寧 810000; 2.青海大學(xué) 獸醫(yī)科學(xué)院草原研究所, 西寧 810016)

基于烏梁素湖區(qū)20個監(jiān)測點近2 a的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析不同介質(zhì)(水體、植物和底泥)對總氮和總磷的凈化過程，構(gòu)建削減效率指數(shù)，核算不同湖區(qū)對營養(yǎng)鹽的削減效率，通過聚類分析劃分削減區(qū)。結(jié)果顯示：水體和植被中N和P營養(yǎng)鹽濃度(含量)隨著水體流動逐漸擴(kuò)散降低，而底泥中營養(yǎng)鹽分布沒有明顯規(guī)律，濃度最高點出現(xiàn)在距離入水口較遠(yuǎn)的東南部湖區(qū)。 N和P營養(yǎng)鹽在水體和植物間的分布呈正相關(guān)(N，R2=0.665,p<0.05; P，R2=0.767,P<0.01)，而營養(yǎng)鹽在底泥—水體，底泥—植物間的分布未發(fā)現(xiàn)明顯的相關(guān)性。湖區(qū)依照營養(yǎng)鹽削減效率可劃分為2～4個削減區(qū)，不同削減區(qū)應(yīng)采用不同控制手段。本研究可為烏梁素海湖泊水體富營養(yǎng)化控制和管理提供科學(xué)依據(jù)。

營養(yǎng)鹽; 削減效率; 分區(qū)研究; 烏梁素海

濕地作為地球三大生態(tài)系統(tǒng)之一，對維持地區(qū)生態(tài)安全具有重要的意義[1-2]。湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)通過物理、化學(xué)和生物過程，將水體中氮、磷等營養(yǎng)鹽吸收、轉(zhuǎn)化、沉淀，使水體得以凈化[3-5]，這一過程對維持人類水生態(tài)和水環(huán)境健康十分關(guān)鍵。受水體生物種類和數(shù)量、地形、流速等因素的影響，湖泊對營養(yǎng)鹽的凈化機(jī)理十分復(fù)雜[6-8]，不少學(xué)者對不同地區(qū)湖泊的自凈過程展開了相關(guān)的研究。 多數(shù)研究基于湖泊進(jìn)、出水口水體濃度對比，研究湖泊的凈化效果[9-11]；進(jìn)一步的研究包括對營養(yǎng)鹽濃度季節(jié)變化來分析湖泊濕地的凈化效果[12-13]。 這些研究控制湖泊營養(yǎng)元素、改善富營養(yǎng)化水質(zhì)具有重要的科學(xué)意義。

然而，僅通過對比出入湖口的水質(zhì)分析水體的自凈功能，它屬于一種黑箱模型，不能解釋營養(yǎng)鹽在湖區(qū)內(nèi)削減和變化規(guī)律以及湖泊對營養(yǎng)鹽的削減特征，難以通過該模型探究營養(yǎng)鹽的削減規(guī)律。不能分析湖泊濕地對營養(yǎng)鹽削減的過程，也就難以支撐湖泊濕地對營養(yǎng)鹽和污染物的凈化過程和機(jī)理研究[14]。分析湖區(qū)不同介質(zhì)(水體、植物和底泥)對營養(yǎng)鹽的凈化過程，核算不同湖區(qū)對營養(yǎng)鹽的削減效率，有利于將營養(yǎng)鹽削減研究從黑箱模型向過程模型，有助于分析當(dāng)前我國湖泊普遍富營養(yǎng)化現(xiàn)象，也有利于開展不同湖區(qū)的凈化效率特征分區(qū)，制定精細(xì)化、目標(biāo)化的湖泊恢復(fù)措施。

本研究以內(nèi)蒙古烏梁素海湖泊為例，對湖泊水體、底泥和沉水植物的氮磷濃度進(jìn)行分析，研究三種介質(zhì)中營養(yǎng)鹽濃度分布的相關(guān)性，判斷湖泊對營養(yǎng)鹽的削減過程和效率，并根據(jù)結(jié)果對湖泊進(jìn)行有效分區(qū)，為湖庫富營養(yǎng)化治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

烏梁素海位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市烏拉特前旗境內(nèi)(40°36′—41°03′N，108°43′—108°57′E)(圖1)， 湖面高程海拔1 018 m，湖水深度多數(shù)區(qū)域在0.5～2.5 m之間，近3 a平均水深達(dá)到為1.5 m。 烏梁素?，F(xiàn)有水域面積285.38 km2，其中蘆葦區(qū)面積為118.97 km2，明水區(qū)面積為111.13 km2，近80%為沉水植物密集區(qū)，以龍須眼子菜為優(yōu)勢植物。

烏梁素海的補(bǔ)給水源主要是河套灌區(qū)的農(nóng)田退水，其次是工業(yè)廢水和生活污水，年入水量約7×108～9×108m3，帶入總氮1 088.59 t，總磷65.75 t[14-15]。過量的營養(yǎng)鹽流入湖區(qū)后，導(dǎo)致水體呈現(xiàn)富營養(yǎng)化現(xiàn)象，藻類和水生植物過量生長，魚類缺氧死亡現(xiàn)象增多，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能不斷退化。

烏梁素海90%的入水量由湖區(qū)西北總排干溝匯入，由湖區(qū)南端的水口排出[16]。湖區(qū)水體由北向東西和西南方向緩慢流動，平均流速約0.007～0.057 m/s之間[17]。湖區(qū)三面環(huán)山形似彎月，呈現(xiàn)南北長、東西窄的形狀，形成對污染物的狹長削減帶[18]。排入湖區(qū)的N、P等污染物質(zhì)，隨著水流緩慢流動過程，發(fā)生擴(kuò)散、沉淀、吸附以及植物的吸收等，濃度逐漸降低。水質(zhì)可由入水口的五類或劣五類水提升至出水口的四類甚至三類水。

2 研究方法

2.1 營養(yǎng)鹽空間分布規(guī)律研究

對湖區(qū)布設(shè)的20個監(jiān)測點(圖1)，于2012年5—10月以及2013年4—10月連續(xù)對水體、底泥和水生植物樣品總氮(TN)、總磷(TP)濃度進(jìn)行監(jiān)測分析。TN用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，TP用鉬酸銨分光光度法測定。以入水口為坐標(biāo)原點建立坐標(biāo)軸建立三維坐標(biāo)系統(tǒng)，x軸和y軸分別為距離原點的水平距離和垂直距離，z為營養(yǎng)鹽濃度(mg/L)或百分百濃度(%)，采用Suffer三維制圖軟件描述不同監(jiān)測點的濃度。同時，采用SPSS軟件對相同監(jiān)測點水體、底泥和水生植物種營養(yǎng)鹽濃度的相關(guān)性進(jìn)行分析，進(jìn)一步分析營養(yǎng)鹽的分布規(guī)律。

2.2 營養(yǎng)鹽空間削減效率及其分區(qū)研究

建立削減效率(E)(mg/L·km)的計算公式，判斷不同湖區(qū)對營養(yǎng)鹽的削減效率，如公式(1)所示。

(1)

采用Suffer三維制圖軟件描述不同監(jiān)測點的削減效率，采用聚類分析方法對不同湖區(qū)營養(yǎng)鹽空間削減效率大小進(jìn)行分析， 判斷不同削減效率下的湖泊分區(qū)，以期對湖泊富營養(yǎng)化治理提供精確化建議。

圖1 烏梁素海區(qū)監(jiān)測點分布

3 結(jié)果與分析

3.1 營養(yǎng)鹽濃度分布規(guī)律結(jié)果

營養(yǎng)鹽濃分布圖如圖2所示?？傮w而言，水體中營養(yǎng)鹽分布呈現(xiàn)由西北向東南減小的趨勢較為明顯?？偟獫舛扔蛇M(jìn)水口處最高的4.16mg/L下降至出水口附近的1.56mg/L，削減率達(dá)到61.5%；少數(shù)監(jiān)測點出現(xiàn)營養(yǎng)濃度隨流動過程逆向增高的趨勢，如監(jiān)測點10和監(jiān)測點15的總氮濃度分別達(dá)到2.56mg/L和2.43mg/L，接近甚至高于監(jiān)測點4的2.47mg/L，這可能與該監(jiān)測點的相對封閉地形有關(guān)。總磷濃度由最大0.231mg/L下降至出水口的0.067mg/L，削減率達(dá)到70.9%，高于對總氮的消減率。與總氮濃度分布類似，總磷也有少數(shù)監(jiān)測點出現(xiàn)營養(yǎng)濃度隨流動過程逆向增高的趨勢。如監(jiān)測點11附近的總磷濃度甚至高于監(jiān)測點3的濃度，且與監(jiān)測點10的位置也十分接近。由此可見，營養(yǎng)鹽濃度總體隨著水流方向不斷減小，但由于受地形、流速和小環(huán)境特征等因素的影響，部分湖區(qū)濃度分布還存在復(fù)雜性，應(yīng)結(jié)合不同湖區(qū)的特征分析。

對水生植物體內(nèi)N/P含量的分析結(jié)果顯示，入水口植物內(nèi)N/P百分比含量最高，分別達(dá)到了4.4%和3.8%；而出水口沉水植物的N/P百分比含量降低較為明顯，僅分別為1.4%和1.3%。相關(guān)研究結(jié)果顯示，沉水植物地上和地下部分都可以從環(huán)境中吸收營養(yǎng)[19]，水體中營養(yǎng)鹽濃度可能對水生植物體內(nèi)的營養(yǎng)鹽濃度有一定的影響。

與水體和水生植物濃度分布不同的是，底泥中氮磷濃度分布沒有明顯的趨勢。一個共同的特征是，N/P濃度的高點未出現(xiàn)在入水口附近，而是在監(jiān)測點13,14和15附近?？赡苁侨胨诟浇魉俣容^大，泥沙被沖入湖區(qū)后，在上述區(qū)域形成逐漸沉積；加上該區(qū)域由于水流緩慢，水中雜質(zhì)、腐敗植物沉積于此，導(dǎo)致底泥中N、P濃度偏高。

圖2 烏梁素海水體、底泥和水生植物中的氮磷濃度分布

為進(jìn)一步分析水體、沉水植物和底泥之間濃度是否存在相關(guān)性，我們對三者之間進(jìn)行了相關(guān)性分析，結(jié)果如表1所示。水體和植被體中N/P濃度存在一定的正相關(guān)性，二者的相關(guān)系數(shù)分別為0.767和0.665，分別在0.01和0.05水平上相關(guān)；相關(guān)研究表明，沉水植物可有效吸收水體中氮磷營養(yǎng)鹽濃度[20]，可見植物體內(nèi)營養(yǎng)鹽濃度也受水體N/P營養(yǎng)鹽濃度影響。雖然沉水植物地上和地下部分都可以從環(huán)境中吸收營養(yǎng)鹽，結(jié)合本案例研究推測沉水植物受到水體營養(yǎng)鹽的濃度影響更大。一般而言，水體濃度高可能引起底泥的營養(yǎng)鹽濃度也較高，但由于水體的流動性、地形等其他因素的影響，導(dǎo)致水體營養(yǎng)鹽濃度和底泥營養(yǎng)鹽濃度部分規(guī)律并不一致[21-22]，本案例中并未發(fā)現(xiàn)明顯的相關(guān)性。

表1 烏梁素海不同介質(zhì)中N/P濃度相關(guān)性分析

3.2 營養(yǎng)鹽空間削減效率及其分區(qū)結(jié)果

由于底泥中營養(yǎng)鹽濃度分布沒有明顯的規(guī)律，本研究僅繪制了水體和植物氮磷營養(yǎng)鹽削減效率分布情況，如圖3和圖4所示。水體TN的削減效率隨著距離的增大呈現(xiàn)減小的趨勢。進(jìn)水口附近的2、3和4號監(jiān)測點是削減效率最高的地區(qū)，三處的削減效率分別達(dá)到0.68，0.70，1.03 mg/(L·km)。到監(jiān)測點5以后迅速下降到0.4 mg/(L·km)以下，而到監(jiān)測點14以后，削減效率減小至0.20 mg/(L·km)以下。但總體維持在較高的削減效率[0.10 mg/(L·km)以上]。水體中TP的削減效率高值區(qū)同樣位于監(jiān)測點2—4附近，上述區(qū)域的削減效率均在0.04 mg/(L·km)以上。隨著水體繼續(xù)流動，監(jiān)測點5—10削減效率下降至0.30 mg/(L·km)，而隨后繼續(xù)下降至0.02 mg/(L·km)以下，到出水口的削減效率下降至最低值0.009 mg/(L·km)。對比水體中TN的削減效率和TP的削減效率可以發(fā)現(xiàn)，整個湖區(qū)水體對TN削減效率的維持高于TP的削減效率，對TN削減效率下降幅度約為48.8%，遠(yuǎn)高于TP 81.6%的下降幅度。

圖3 烏梁素海水體削減效率分布

圖4 烏梁素海植被削減效率分布

與水體營養(yǎng)鹽削減規(guī)律類似，植物對TN和TP的削減效率高點也在監(jiān)測點2—4附近。例如，對TN的平均削減效率在上述地區(qū)達(dá)到0.23 %/km，對TP的平均削減效率也達(dá)到的0.09 %/km。與水體不同的是，經(jīng)過上述地區(qū)后，削減效率在監(jiān)測點5—10處并未迅速下降，TN的平均削減效率仍保持在0.07 %/km，而TP的平均削減效率下降略快，但也保持在0.03 %/km左右。

隨后監(jiān)測點11—20對TN的削減效率一直維持在0.04 %/km左右，而對TP的削減效率也保持在0.015 %/km左右。相比水體營養(yǎng)鹽削減效率而言，植物對營養(yǎng)鹽削減效率分布較為均衡，這也與植物體內(nèi)鹽含量相對穩(wěn)定的有關(guān)。

為科學(xué)合理的對湖泊進(jìn)行富營養(yǎng)化研究和治理，采用聚類分析方法，根據(jù)水體中營養(yǎng)削減效率湖區(qū)對營養(yǎng)鹽分區(qū)，分區(qū)結(jié)果如表2所示。

表2 烏梁素海湖泊分區(qū)結(jié)果

根據(jù)聚類分析結(jié)果，如果按照削減效率將湖泊分為2區(qū)，則監(jiān)測點2—4為高效削減區(qū)，其他地區(qū)為中效削減區(qū)；如果將烏梁素海劃分為3個區(qū)，監(jiān)測點2—3為高效削減區(qū)，監(jiān)測點4—6為中效削減區(qū)，監(jiān)測點7—20為低效削減區(qū)；如果將烏梁素海劃分為4個區(qū)，監(jiān)測點2—3為高效削減區(qū)，監(jiān)測點4—5為中效削減區(qū)，監(jiān)測點6—11為低效削減區(qū)，監(jiān)測點12—20為極低效削減區(qū)。對于不同效率的削減區(qū)，應(yīng)采取不同的物理、化學(xué)和生物修復(fù)方法治理湖泊富營養(yǎng)化。如對于高效削減區(qū)，由于營養(yǎng)鹽濃度短時間、小范圍內(nèi)迅速從高值到低值，容易對水生動植物造成負(fù)面影響，應(yīng)注重動植物的生態(tài)保護(hù)和修復(fù)；而對于低效削減區(qū)，應(yīng)結(jié)合環(huán)境特征適當(dāng)采用物理、化學(xué)和生物恢復(fù)技術(shù)，如水道疏通、底泥疏浚等方式提高湖泊濕地對營養(yǎng)鹽的削減效率。

4 結(jié) 論

在試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)的支持下，對烏梁素海湖泊營養(yǎng)鹽的削減和凈化過程進(jìn)行過程分析，研究湖區(qū)不同介質(zhì)(水體、植物和底泥)對營養(yǎng)鹽的凈化過程，核算不同湖區(qū)對營養(yǎng)鹽的削減效率，將有利于將營養(yǎng)鹽削減研究從黑箱模型向過程模型，有利于開展不同湖區(qū)的凈化效率特征分區(qū)，制定精細(xì)化、目標(biāo)化的湖泊恢復(fù)措施。通過本次研究，初步得到以下幾個結(jié)論：

(1) 水體和植被對營養(yǎng)鹽的吸收、分解和轉(zhuǎn)化過程以及營養(yǎng)鹽的擴(kuò)撒、沉淀等過程，是營養(yǎng)鹽濃度減小的重要原因，體現(xiàn)了湖泊濕地對控制當(dāng)?shù)氐谞I養(yǎng)鹽的重要作用。

(2) 綜合來看，營養(yǎng)鹽濃度分布情況有一定的規(guī)律可循，但也呈現(xiàn)差異性和復(fù)雜性，今后湖泊富營養(yǎng)化機(jī)理分析及其治理應(yīng)該結(jié)合湖泊的小環(huán)境特征進(jìn)行針對性的分區(qū)研究。

(3) 由于受到風(fēng)向、風(fēng)速、地形、植被等因素的影響，湖泊各監(jiān)測點的削減效率呈現(xiàn)非線性的變化。依照營養(yǎng)鹽削減效率可將湖區(qū)劃分為若干個削減區(qū)，不同削減區(qū)應(yīng)采用不同控制手段。

[1] 梁春玲,谷勝利.南四湖濕地生態(tài)系統(tǒng)能值分析與區(qū)域發(fā)展[J].水土保持研究,2012,19(2):185-188.

[2] 管新建,齊雪艷,吳澤寧,等.東居延海生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值的能值分析[J].水土保持研究,2012,19(5):253-256.

[3] Ostroumov S A. An aquatic ecosystem: A large-scale diversified bioreactor with the function of water self-purification function[J]. Doklady Biological Sciences,2000,374(1):514-516.

[4] Ostroumov S A. Polyfunctional role of biodiversity in processes leading to water purification: Current conceptualizations and concluding remarks[J]. Hydrobiologia,2002,469(1):203-204.

[5] Ostroumov S A. On the biotic self-purification of aquatic ecosystems: Elements of the theory [J]. Doklady Biological Sciences,2004,396(1):206-211.

[6] 趙永宏,鄧祥征,戰(zhàn)金艷,等.我國湖泊富營養(yǎng)化防治與控制策略研究進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2010,33(3):92-98.

[7] 王學(xué)雷,劉興土,吳宜進(jìn).洪湖水環(huán)境特征與湖泊濕地凈化能力研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報:理學(xué)版,2009,49(2):217-220.

[8] 黃玉潔,張銀龍,李海東,等.太湖人工恢復(fù)濕地區(qū)植物群落建植對沉積物中氮、磷空間分布的影響[J].水土保持研究,2011,18(5):161-165.

[9] 南楠,張波,李海東,等.洪澤湖濕地主要植物群落的水質(zhì)凈化能力研究[J].水土保持研究,2011,18(1):228-235.

[10] 韓向紅,楊持.呼倫湖自凈功能及其在區(qū)域環(huán)境保護(hù)中的作用分析[J].自然資源學(xué)報,2002,17(6):684-690.

[11] 任瑞麗,劉茂松,章杰明,等.過水性湖泊自凈能力的動態(tài)變化[J].生態(tài)學(xué)雜志,2007,26(8):1222-1227.

[12] 金國花,謝冬明,鄧紅兵,等,鄱陽湖水文特征及湖泊納污能力季節(jié)性變化分析[J].江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2011,33(3):388-393.

[13] 許磊,李華,陳英旭,等.南太湖地區(qū)小型淺水湖泊自凈能力季節(jié)變化研究[J].環(huán)境科學(xué),2010,31(4):924-930.

[14] 毛旭鋒,崔麗娟,李勝男,等.烏梁素海水體營養(yǎng)鹽削減的空間變化規(guī)律研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2012,11(26):116-121.

[15] 李暢游,劉廷璽,高瑞忠,等.烏梁素海富營養(yǎng)化主控因子年季變化分析及綜合評價[J].水文,2004,24(3):14-17.

[16] 李衛(wèi)平,李暢游,任波.烏梁素海氮磷營養(yǎng)元素分布特征及地球化學(xué)環(huán)境分析[J].山西水利科技,2008,29(2):14-16.

[17] 李興,勾芒芒.內(nèi)蒙古烏梁素?！包S苔”暴發(fā)初探及防治對策[J].環(huán)境工程,2010,28(6):28-30.

[18] 李興,李暢游,李衛(wèi)平,等.內(nèi)蒙古烏梁素海不同形態(tài)氮的時空分布[J].湖泊科學(xué),2009,21(6):885-890.

[19] 王紅衛(wèi),季民.沉睡植物川蔓藻的生態(tài)學(xué)特征及其對環(huán)境變化的相應(yīng)[J].植物生理學(xué)通訊,2006,23(1):98-107.

[20] 吳振斌,邱東茹,賀鋒,等.沉水植物重建對富營養(yǎng)水體氮磷營養(yǎng)鹽水平的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2003,14(8):1351-1353.

[21] 張曉晶,李暢游,張生,等.內(nèi)蒙古烏梁素海富營養(yǎng)化與環(huán)境因子的相關(guān)分析[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2010,33(7):125-133.

[22] 張曉晶,李暢游,張生,等.烏梁素海表層沉積物營養(yǎng)鹽的分布特征及環(huán)境意義[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2010,29(9):1770-1776.

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專項項目(CAFINT2012C09); 國家科技支撐項目(2011BAC02B03); 自然科學(xué)基金項目“由鏈?zhǔn)降骄W(wǎng)式的湖泊‘水華’生物控制”。

毛旭鋒(1981—),男，江西省鷹潭人，副教授,博士,從事濕地生態(tài)過程研究。E-mail:maoxufeng@yeah.net

魏曉燕(1981—),女,青海省西寧人，副教授,從事生態(tài)環(huán)境管理和民族文化保護(hù)研究。E-mail:weixiaoyan4477@163.com

X524

：A

：1005-3409(2014)04-0307-05