烏梁素海葉綠素a的時空分布及其與環(huán)境因子的關(guān)系

蔣鑫艷，李暢游，史小紅，孫標(biāo)，趙勝男，孫馳

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018

浮游植物在湖泊生態(tài)系統(tǒng)中起著能量轉(zhuǎn)換與物質(zhì)循環(huán)的作用（秦伯強等，2011；劉波等，2008；呂喚春等，2003），其中，藻類植物通過葉綠素吸收和傳遞光能進(jìn)行光合作用。葉綠素a（Chl.a）為所有浮游植物均具有的光合色素，常被作為表征水環(huán)境質(zhì)量的水生生物指標(biāo)之一，其含量可以體現(xiàn)及評價水體富營養(yǎng)化狀況，水域內(nèi)源污染、浮游藻類（光能自養(yǎng)浮游植物）過量繁殖必須參考這一參數(shù)（Reynolds，1984；Salmaso et al.，2006；Kruskopf et al.，2006；Katsiapi et al.，2016）。富營養(yǎng)化一直以來是國內(nèi)外湖泊面臨的主要水環(huán)境問題之一（雒文生等，2009），盡管近年來烏梁素海水質(zhì)稍有改善（李紅悅等，2018），但仍不容小覷，其水體質(zhì)量直接影響著當(dāng)?shù)氐乃a(chǎn)養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)和黑鸛等珍稀鳥類的生存環(huán)境；又因該湖區(qū)具有緩沖和自然凈化作用致其出水影響著黃河水質(zhì)，是黃河中上游重要的調(diào)水、蓄水、保水場地，其重要性不言而喻，故研究其污染現(xiàn)狀具有實際指導(dǎo)意義。

烏梁素海是蒙新高原湖泊中重要的科研對象之一，有關(guān)該水域Chl.a開展的研究大多集中在非冰封期，而結(jié)合冬季冰封期分析 Chl.a含量的分布特征及其與環(huán)境因子的相互關(guān)系尚不多見。如張曉晶等（2010）發(fā)現(xiàn)烏梁素海2008年非冰封期Chl.a含量呈夏季＞秋季＞春季，空間分布呈東北高西南低；相關(guān)分析表明Chl.a與生化需氧量、懸浮物、濁度、總磷呈極顯著相關(guān)，與透明度呈極顯著負(fù)相關(guān)；綜合逐步回歸方程表明其主要影響因子為濁度、懸浮物、總磷、總氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮。馮偉瑩等（2013）采用 2006-2010年非冰封期 5-10月烏梁素海監(jiān)測數(shù)據(jù)，對Chl.a含量的時空分布及其與總氮、總磷的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)烏梁素海Chl.a含量呈秋季≈春季＞夏季，空間分布呈北部高于南部，且不同時期 Chl.a含量與氮磷相關(guān)性不同。毛旭鋒等（2015）發(fā)現(xiàn)烏梁素海 2013年Chl.a的含量呈7月＞9月＞5月，這主要與該地區(qū)氣候有關(guān)，空間上Chl.a濃度通常在入湖處最高，出水口最低，其含量變化受多種因子共同影響。

烏梁素海作為中國北方寒旱區(qū)典型湖泊的代表，地處中國北方高緯度地區(qū)。與南方湖泊相比，除自然地理特征具有顯著差異外，該地區(qū)受北溫帶大陸性干旱半干旱氣候影響，四季更迭明顯，冬季寒冷干燥、歷時長。如太湖常年水溫保持在5 ℃以上，冬季溫和濕潤，湖面無結(jié)冰現(xiàn)象（王震等，2014），而烏梁素海于每年10月下旬會進(jìn)入長達(dá)5個月的冰封期，水溫低至-0.3 ℃，冰層厚度可高達(dá)水深的 2/3，阻擋了大氣與水體的物質(zhì)交換。加之冰封期湖水的結(jié)冰與消融過程會對冰下水體的營養(yǎng)鹽分布產(chǎn)生間接作用（張巖等，2011），導(dǎo)致在冰層環(huán)境和冰下水層中出現(xiàn)污染物遷移的現(xiàn)象，進(jìn)而影響湖泊冰封期的生態(tài)系統(tǒng)，使得烏梁素海冰封期水體理化指標(biāo)有別于同時期南方湖泊，僅研究非冰封期烏梁素海水質(zhì)現(xiàn)狀不能代表其整體情況，故對該湖區(qū)冰封時期水體進(jìn)行研究有一定的必要性和實際價值。

本研究于 2014-2017年連續(xù)采集烏梁素海春夏秋三季的表層水體及冰封期冬季的冰下水體，分析 Chl.a含量的時空分布及其與環(huán)境因子之間的關(guān)系，旨在了解生態(tài)恢復(fù)前后的4年間烏梁素海藻類生物量變化及其影響因素，為寒旱灌區(qū)草型淺水湖泊的污染防治提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

烏梁素海，中國第八大淡水湖泊，地理坐標(biāo)40°36′-41°03′N，108°43′-108°57′E，是地球同一緯度的最大濕地，黃河流域最大的淡水湖泊，同時也是全球荒漠半荒漠地區(qū)極為少見的大型多功能草藻型湖泊（王鑫磊，2012）。湖區(qū)庫容量為2.5×108-3.0×108m3，水域整體面積約為305.97 km2，2017年實測平均水深 1.5 m。烏梁素海地處河套灌區(qū)，其所在流域太陽輻射強度大、流域內(nèi)降雨少而蒸發(fā)大。四季更替明顯、氣溫變化差異大，多年平均氣溫為5.2 ℃，每年的1月份為當(dāng)?shù)刈罾湓?，平均氣溫?11-15 ℃之間，全年無霜期為 152 d。湖面開始出現(xiàn)結(jié)冰封凍現(xiàn)象大約在每年 11月，次年 1月下旬冰體厚度達(dá)到最大，3月冰面開始逐漸消融，3月下旬完全解凍融化。

1.2 水樣采集與指標(biāo)測定

選取19個采樣點，采樣位置見圖1，圖中總排干、八排干和九排干渠道是烏梁素海主要入湖河流。采樣時間：2014-2017年的春季（5月）、夏季（6-8月）、秋季（9-11月）、冬季（次年1月）。采樣頻率為每月中下旬。采樣方式為船只采樣，采樣垂向位置在水面以下0.5 m處，其中，冬季樣品為冰下水體。

圖1 監(jiān)測點位布設(shè)Fig. 1 Location of field observation sites

樣品監(jiān)測項目主要包括葉綠素a（Chl.a）、總磷（TP）、溶解無機磷（DIP）、正磷酸鹽（DTP）、總氮（TN）、懸浮物（SS）、水溫（WT）、電導(dǎo)率（EC）、溶解氧（DO）、總?cè)芙庑怨腆w（TDS）、鹽度（Sal）、透明度（SD）、冰層厚度（IT）；其中，Chl.a的測定采用丙酮萃取分光光度法，TP、DIP、DTP采用鉬酸銨分光光度法（GB11893-89），TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB11893-89），SS采用重量法（GB11901-89），其余為現(xiàn)場可測試指標(biāo)。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析方法

利用Excel 2010辦公軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與處理；利用ArcGIS 10.5中反距離權(quán)重法將數(shù)學(xué)函數(shù)與制定變量的點進(jìn)行擬合，繪制氮磷及Chl.a空間分布圖；利用SPSS 19.0分析Chl.a和理化環(huán)境因子的相關(guān)性并建立以Chl.a為因變量的逐步回歸方程。

2 結(jié)果與分析

2.1 烏梁素海Chl.a含量時間分布

對2014-2017年各季節(jié)Chl.a含量取均值分析其季節(jié)分布，結(jié)果如圖2所示，2014年、2015年、2017年冬季冰封期Chl.a含量最高，非冰封期夏秋兩季次之，春季Chl.a含量最低。2016年春夏秋冬四季Chl.a質(zhì)量濃度均值分別為7.672、4.897、4.408、6.869 μg·L-1，全年Chl.a含量處于較低水平，變化趨勢較其他年份更平穩(wěn)，表現(xiàn)為春季最高，冬季冰封期稍次之，這與其他年份所表現(xiàn)出的規(guī)律略有不同。此外，2014-2016年，夏季Chl.a含量大于秋季，2017年則反之。綜上，烏梁素海Chl.a時間分布大致呈冬季冰封期高于非冰封期各季節(jié)。

圖2 2014-2017年Chl.a濃度季節(jié)變化Fig. 2 Seasonal variation of Chl.a concentration in 2014-2017

取各年 Chl.a濃度均值分析其年際變化趨勢及年內(nèi)變化范圍，結(jié)果見表 1，2014-2017年各年Chl.a質(zhì)量濃度均值分別為25.157、9.846、5.270、14.521 μg·L-1，2014-2016 年 Chl.a 含量呈逐年遞減趨勢，但2017年又稍有回升。其中，2014年最高、最低、平均 Chl.a含量均高于其他年份，2015年、2017年Chl.a含量變化范圍基本一致，2016年Chl.a含量（30.917 μg·L-1）峰值遠(yuǎn)低于其他年份。

表1 2014-2017年Chl.a濃度年際變化Table 1 Annual variation of Chl.a concentration in 2014-2017

2.2 烏梁素海Chl.a含量空間分布

以經(jīng)度 40°57′30″和 40°53′30″為界限，將烏梁素海分為湖北區(qū)、湖心區(qū)和湖南區(qū)三部分，具體劃分見圖1。湖北區(qū)各測點（J11等）處于排干入湖處，灌區(qū)90%以上的補給水源經(jīng)總排干匯入（楊志巖等，2009a；楊志巖等，2009b），主要承接上游黃河補水、生活污水和農(nóng)田退水，其中農(nóng)田灌溉退水?dāng)y帶著大量的化肥、農(nóng)藥等污染物，以致該區(qū)水體透明度較差，氮磷濃度高，富營養(yǎng)化程度嚴(yán)重；湖心區(qū)包括蘆葦區(qū)、沉水植物密集區(qū)及其周圍的明水域，水體較澄清；湖南區(qū)水質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)良，僅有極少量水體排入，其出水最終匯入黃河，從而影響黃河水質(zhì)。

對不同湖區(qū)各季節(jié) Chl.a含量取均值分析其空間維度變化，圖3結(jié)果表明：2014年（除秋季外）、2015年、2017年夏秋冬三季Chl.a含量從湖北到湖南逐漸降低，春季為湖北區(qū)＞湖南區(qū)＞湖心區(qū)；2016年湖心區(qū)與湖南區(qū)Chl.a含量空間變化差異不大，但同年夏秋兩季Chl.a含量呈湖北區(qū)略低于湖南區(qū)。此外，除2016年秋季外，2014-2017年各季節(jié)Chl.a濃度峰值均出現(xiàn)于湖北區(qū)監(jiān)測點。綜上，湖北區(qū)Chl.a含量對全湖區(qū)貢獻(xiàn)最大，湖心區(qū)次之，湖南區(qū)較低。

2.3 冰封期烏梁素海Chl.a與TN、TP含量的空間變化及冰層厚度分布

通過反距離權(quán)重法IDW 擬合插值，對烏梁素海冬季冰封期Chl.a、TN、TP進(jìn)行空間變異性分析，以了解烏梁素海冰封期富營養(yǎng)化現(xiàn)狀和變化趨勢。圖4結(jié)果表明：2014-2017年冰封期Chl.a含量空間分布呈現(xiàn)出由湖北區(qū)向湖南區(qū)逐漸遞減的現(xiàn)象，這與圖5、圖6所示同時期氮磷營養(yǎng)鹽空間分布規(guī)律相似，可見Chl.a含量空間分布一定程度上受TN、TP含量的控制。

圖3 2014-2017年Chl.a質(zhì)量濃度空間變化Fig. 3 Spatial variation of Chl.a concentration from 2014 to 2017

圖4 2014-2017年冰封期Chl.a的IDW插值圖Fig. 4 IDW interpolation of Chl.a concentration distribution during ice-sealed period in 2014-2017

烏梁素海是蒙新高原典型的寒旱區(qū)湖泊，2014-2017年冬季冰封期的冰層厚度平均值為 0.449 m，冰層厚度范圍為0.249-0.73 m，冰下水體平均水溫0.93 ℃，水溫范圍為-0.30-3.70 ℃。冰層厚度通過對氮磷等養(yǎng)分產(chǎn)生作用而間接影響浮游植物生長及Chl.a水平。圖7所示為冰封期冰層厚度分布：時間上，冰層厚度受當(dāng)年冬季氣溫影響，2014-2016年逐年下降，2017年又大幅回升；空間上，冰層厚度分布呈湖北區(qū)＞湖心區(qū)＞湖南區(qū)。結(jié)合圖2、圖 4、圖 7，冰層厚度時空分布規(guī)律與冬季冰封期Chl.a含量時空分布具有高度一致性。

2.4 烏梁素海Chl.a含量與環(huán)境因子的關(guān)系

受水生態(tài)系統(tǒng)本身復(fù)雜性的影響，水體中各理化因子會對 Chl.a含量產(chǎn)生直接或間接的作用，且不同理化因子的作用程度也不盡相同；與此同時，Chl.a含量的變化也會對環(huán)境因子產(chǎn)生一定反作用。故利用SPSS統(tǒng)計分析軟件對Chl.a與有關(guān)環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析和逐步回歸分析。其中，冬季冰封期 Chl.a含量時空分布與冰層厚度時空分布規(guī)律相一致，故考慮在冬季引入冰層厚度指標(biāo)進(jìn)行分析。

圖5 2014-2017年冰封期TN的IDW插值圖Fig. 5 IDW interpolation of TN concentration distribution during ice-sealed period in 2014-2017

表2 Chl.a與環(huán)境因子的相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis of Chl.a and the related environmental factor

對四季及多年 Chl.a和各項環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，可以揭示指標(biāo)間共同變化的一致性程度。由表2相關(guān)性分析結(jié)果，在非冰封期春季，Chl.a與TP、TN、SS呈極顯著正相關(guān)，與SD呈極顯著負(fù)相關(guān)；在夏季，Chl.a與TP、DIP、DTP、TN呈極顯著正相關(guān)，與EC、TDS、Sal、SD呈極顯著負(fù)相關(guān)，可見夏季浮游植物的生長受多項環(huán)境理化因子共同作用；在秋季，Chl.a與TP、DTP、WT呈極顯著正相關(guān)，與TDS呈顯著正相關(guān)，與SD呈極顯著負(fù)相關(guān)；在冬季冰封期，Chl.a與 TP、冰層厚度呈極顯著正相關(guān)，與TDS呈顯著正相關(guān)；多年Chl.a與營養(yǎng)鹽TP、DIP、DTP、TN呈不同程度的相關(guān)性，且與TP的相關(guān)性最為顯著，同時與TDS、DO也有顯著的正相關(guān)性。如圖8所示，2014-2017年冬季冰下水體中TDS、DO均大于其他季節(jié)。

對 Chl.a和各項環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行多元線性回歸分析，通過逐步篩選建立函數(shù)控制關(guān)系，以期明確各回歸方程的共同環(huán)境理化因子有SD和DO；冰封期冬季有冰層厚度、EC及營養(yǎng)鹽TN、TP、DTP入選回歸方程；建立的多年回歸方程只有TP和DO入選。

圖6 2014-2017年冰封期TP的IDW插值圖Fig. 6 IDW interpolation of TP concentration distribution during ice-sealed period in 2014-2017

圖7 2014-2017年冰封期冰層厚度分布圖Fig. 7 Distribution of ice thickness during ice-sealed period in 2014-2017

3 討論

3.1 烏梁素海Chl.a含量時間分布

圖8 2014-2017年TDS、DO濃度季節(jié)變化Fig. 8 Seasonal variation of TDS and DO concentrations in 2014-2017

表3 Chl.a與環(huán)境因子的逐步回歸方程Table 3 The stepwise regression equation of Chl.a and the related environmental factors

2014年、2015年和2017年烏梁素海Chl.a含量的季節(jié)變化表現(xiàn)為冬季冰封期＞夏秋兩季＞春季。這與南方湖泊研究有所差異：如王震等（2014）發(fā)現(xiàn)太湖 Chl.a含量季節(jié)分布規(guī)律總體呈現(xiàn)夏季＞秋冬兩季＞春季；張光貴（2016）發(fā)現(xiàn)洞庭湖Chl.a含量總體呈現(xiàn)出夏季＞秋季＞冬季＞春季的分布。這主要是由于河套灌區(qū)氣候特征、湖水自身水質(zhì)、植物生長周期、以及非冰封期農(nóng)田澆灌退水等綜合因素導(dǎo)致。春夏秋三季分別是浮游植物的生長期、旺盛期和成熟衰亡期，Chl.a含量的變動大致遵循其生長周期規(guī)律。內(nèi)蒙古春季因多風(fēng)沙而素有“風(fēng)季”之稱，多風(fēng)天氣使得該淺水湖受到頻繁交換與擾動，給浮游植物生長帶來不利影響。此外，河套灌區(qū)春澆的農(nóng)田退水雖攜帶大量氮磷等營養(yǎng)元素進(jìn)入湖體，但因浮游植物處于生長適應(yīng)期，對營養(yǎng)元素的需求利用處于較低水平，故表征藻類數(shù)量的 Chl.a含量低于其他季節(jié)。夏季雨水充沛、溫度適宜、日照時間長，處于生長旺盛期的浮游生物充分利用了春澆滯留的營養(yǎng)元素，數(shù)量大幅增加；進(jìn)入秋季，隨著溫度的降低，浮游植物進(jìn)入成熟期開始衰亡，數(shù)量減少，但2017年出現(xiàn)秋季Chl.a含量略大于夏季的現(xiàn)象，可能與該年秋季氮磷入湖量有關(guān)，這也正體現(xiàn)了湖泊水生態(tài)的復(fù)雜性。冬季冰封期烏梁素海 Chl.a含量高于其他時期，其一是由于秋季浮游植物的衰老引起對養(yǎng)分吸收的滯后，與此同時，大型水生植物的枯萎凋亡加劇了冬季水體中的氮磷等營養(yǎng)鹽含量的升高；其二，結(jié)冰封凍是導(dǎo)致當(dāng)年冰封期Chl.a含量大于非冰封期的重要原因。此外，隨著次年春季天氣回暖，冰體逐漸解凍消融，其融水會對營養(yǎng)鹽及Chl.a含量起到一定的稀釋作用，使冬季Chl.a含量仍處于較高水平。至于2016年春季 Chl.a含量稍高于冬季冰封期，可能是因為冬季采樣期間，受到當(dāng)時氣溫影響，冰體仍處于生長初期階段，冰層厚度并未達(dá)到峰值，TN、TP和Chl.a等營養(yǎng)鹽的遷移排出受到暫時性抑制。綜上，近 4年來，冬季烏梁素海水體更易發(fā)生富營養(yǎng)化。

以水環(huán)境指示性指標(biāo) Chl.a為媒介識別烏梁素海水環(huán)境的季節(jié)變化狀況，發(fā)現(xiàn)治理期間 2014-2016年葉綠素a呈逐年遞減趨勢，但2017年又略有回升，說明對湖內(nèi)圍網(wǎng)養(yǎng)殖的控制起到了作用，該水域的生態(tài)治理修復(fù)工作取得了一定成效，故應(yīng)繼續(xù)合理管控漁業(yè)養(yǎng)殖作業(yè)。基于冰封期水體富營養(yǎng)化總體上較其他時期嚴(yán)重這一現(xiàn)象，可以說明冰封期不失為更合適的治理期，故建議水環(huán)境保護(hù)工作者對冬季的水環(huán)境污染防治加以重視，可以考慮在封凍前打撈衰敗的草藻，封凍后適當(dāng)加大生態(tài)補給水量。

3.2 烏梁素海Chl.a含量空間分布

藻類細(xì)胞通過獲取和儲存棲息地底部或游離態(tài)的養(yǎng)分供自身在水體中生長所需（Grover，2017），在其生長環(huán)境條件得到一定程度滿足時，氮磷等營養(yǎng)鹽是否充沛就成為種群生長繁殖和數(shù)量多寡的主要控制因素。種群隨機運動與營養(yǎng)鹽的擴散速率相同，使得水體中氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)在不同區(qū)域的變動引起以其為食的浮游藻類生長繁殖出現(xiàn)相應(yīng)變動。

湖北區(qū) Chl.a含量對全湖區(qū)貢獻(xiàn)最大，湖心區(qū)次之，湖南區(qū)較低。這與以往研究結(jié)果相一致，如毛旭鋒等（2015）發(fā)現(xiàn)烏梁素海 Chl.a濃度空間分布呈由西北向東南方向降低，僅少數(shù)監(jiān)測點位隨流動過程逆向升高。在非冰封期（夏秋兩季），由于人類生產(chǎn)活動的干預(yù)，大量氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)從湖北區(qū)的排干進(jìn)入，途經(jīng)整個湖區(qū)后再到湖區(qū)南端的烏毛計排出時，由于沿途有浮游藻類、蘆葦?shù)却笮退参锏奈胀徒到廪D(zhuǎn)化，使得夏秋兩季烏梁素海Chl.a含量空間分布大體呈湖北區(qū)＞湖心區(qū)＞湖南區(qū)。冬季冰封期Chl.a含量空間分布與夏秋兩季一致，但原因有所不同：冬季人為活動影響減弱，補給水源主要為地下水，其次為污廢水，入流量少，造成的擾動小，從而表征藻類數(shù)量的 Chl.a出現(xiàn)同于水體中內(nèi)源性氮磷養(yǎng)分的軌跡變化。

春季Chl.a含量空間分布區(qū)別于其他三季，表現(xiàn)為湖北區(qū)＞湖南區(qū)＞湖心區(qū)。首要影響因素為氮磷營養(yǎng)鹽水平，故湖北區(qū)Chl.a含量最大。其次是風(fēng)力作用和水動力條件：春季烏梁素海氣候干燥、風(fēng)沙大，風(fēng)速表現(xiàn)為湖心區(qū)＞湖南區(qū)＞湖北區(qū)，直接影響水流速度同步變化；外加烏梁素海春澆時期，湖北區(qū)、湖心區(qū)承接排干入水，對水體造成的擾動較湖南區(qū)強烈。兩者同時作用致使湖心區(qū)浮游藻類未能及時、充分吸收氮磷營養(yǎng)鹽，而湖南區(qū)藻類具有相對優(yōu)勢，直接體現(xiàn)為湖南區(qū)Chl.a含量大于湖心區(qū)。

研究發(fā)現(xiàn)，Chl.a峰值及其較高含量幾乎全部出現(xiàn)于湖北區(qū)，而較低水平的Chl.a含量多分布于湖南區(qū)，故烏梁素海是具有明顯空間異質(zhì)性的草藻型湖泊。需要說明的是，總排干入湖口處一些監(jiān)測點位Chl.a之所以出現(xiàn)異常高含量，是因為烏梁素海位于河套灌區(qū)的末端，直接承接上游總排干、八排干渠道來水的外源污染，與湖中心相較而言有著不可忽視的人類生產(chǎn)活動的影響，使得浮游藻類的生長受到一定程度的干擾，最終體現(xiàn)為Chl.a含量的特殊變動。

此外，2014-2017年湖北區(qū)Chl.a含量遞減趨勢明顯，可見水域源頭治理成效顯著，這與近年來相關(guān)單位對湖北區(qū)入湖處的污染控制有著密不可分的關(guān)系。

3.3 冰封期烏梁素海Chl.a含量與冰層厚度的關(guān)系

烏梁素海冰封期與非冰封期 Chl.a含量的時空分布有區(qū)別于其他湖泊的獨特性（田偉東等，2016；黃慧琴等，2016；朱廣偉等，2018；錢昊鐘等，2013），尤其是冰封時期。烏梁素海冰封期Chl.a含量空間分布與氮磷空間分布特征有很強烈的同步性，由北向南呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，表明Chl.a與氮磷有一定空間相關(guān)性。這是由于藻類植物通過吸收同化氮磷等營養(yǎng)鹽后開始快速生長（李暢游等，2005；肖博文等，2015；Popova et al.，2010），營養(yǎng)鹽的分布會直接影響浮游植物在水體中的種群數(shù)量分布（Grover，2017）：這是由于蒙新高原冰封期獨特的氣候原因及風(fēng)力作用，冰層表面并未有大量積雪覆蓋，冰層雖厚但透明而潔凈，使得在白天靠近冰層的冰下水體能夠接受一定程度和時間的光照，為浮游藻類的生長繁殖創(chuàng)造了光照條件；其次，雖然冬季氣溫不適宜微生物生長，但厚實的冰層實則為冰下水體的浮游藻類提供了保溫屏障，緩解了惡劣天氣的影響（韓知明等，2017）；再之，氮磷等營養(yǎng)鹽在靠近冰層的冰下水體中濃縮富集，給浮游藻類生長繁殖提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，加之由蘆葦和草藻的殘體轉(zhuǎn)化而成的腐殖質(zhì)在分解時，釋放出的養(yǎng)分也可供給浮游藻類吸收利用，釋放出的二氧化碳可加強其光合作用。因此，冬季浮游植物并未出現(xiàn)大量衰敗消亡之勢。加之冬季冰蓋層對外界風(fēng)力作用的阻隔導(dǎo)致水動力減弱，且匯入水量驟減、水體流動緩慢，使得營養(yǎng)鹽停留時間長、水質(zhì)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，故Chl.a含量空間分布與營養(yǎng)鹽分布一致。

此外，對于冬季冰封期Chl.a高含量集中在湖北區(qū)（特別是入湖口）附近的現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)冰層厚度空間分布、氮磷營養(yǎng)鹽空間分布與Chl.a含量空間分布規(guī)律大體一致，即冰層越厚，水體中 Chl.a、TN和TP含量也越高，僅從感官上可以明顯看到冰下水體顏色較渾濁，與潔凈冰層對比明顯。這是緣于冰封期低溫冷凍過程會引起冰下水體中的污染物產(chǎn)生濃縮效應(yīng)，進(jìn)而出現(xiàn)氮磷營養(yǎng)鹽、無機物等由冰層向冰下水體遷移排出的現(xiàn)象。張巖等（2011）從結(jié)晶學(xué)和熱力學(xué)角度探討了湖泊結(jié)冰過程中污染物的遷移機理及特征，發(fā)現(xiàn)冰體生長期間，伴隨著冰層厚度的增加，Chl.a、TN和TP由冰層逐漸向水層遷移，在水體中不斷聚集蓄存，使得冰下水層中Chl.a、TN和TP的含量分別是其對應(yīng)冰層中的1.64、2.06、1.50倍（張巖等，2011）。由表2可知，冰層厚度對 Chl.a含量的貢獻(xiàn)最大，其相關(guān)系數(shù)為0.419，有著間接的正向促進(jìn)作用，這進(jìn)一步佐證了冰封期Chl.a含量空間分布與冰層厚度關(guān)系密切。

綜上，結(jié)冰過程會對冰下水體的營養(yǎng)鹽分布產(chǎn)生間接作用，即污染物由冰體內(nèi)部向水體轉(zhuǎn)移，故冰封期水體凍結(jié)過程會促使冰下水體的富營養(yǎng)化愈加嚴(yán)重，水質(zhì)狀況惡化。由結(jié)冰引起的湖泊水深下降會影響水域環(huán)境承載力，進(jìn)一步加重湖泊冰下水體富營養(yǎng)；湖面覆蓋的大量厚而密集的積冰，不僅阻礙了大氣復(fù)氧，而且抑制了水體流動與交換，進(jìn)一步加劇了冰下水體水環(huán)境的惡化程度。通過對冬季污染物遷移特性的了解，發(fā)現(xiàn)烏梁素海冬季富營養(yǎng)化的原因與其他季節(jié)有所不同，水域保護(hù)工作者在進(jìn)行治理時應(yīng)對冰層厚度的影響給予一定重視。

3.4 烏梁素海Chl.a含量與TN、TP等理化環(huán)境因子的關(guān)系

基于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002），發(fā)現(xiàn)冰封期TN含量超過Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)；冰封期TP含量在Ⅲ類到Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)之間，且其變幅同于冰封期Chl.a年際變化趨勢，表明Chl.a含量受TP影響更顯著。

Chl.a與環(huán)境因子的相關(guān)性分析表明，非冰封期春夏兩季Chl.a水平受氮磷營養(yǎng)鹽共同作用。其中春季Chl.a含量與表征營養(yǎng)水平的TN的相關(guān)性最顯著，TP稍次之，即表明春季氮鹽對浮游植物生長繁殖的控制更突出。夏季則與其反之，Chl.a水平受磷鹽主控；在秋冬兩季，Chl.a含量與TP顯著相關(guān)，與TN無相關(guān)性，表明磷鹽的影響占主導(dǎo)作用；以多年水平來看，Chl.a含量與TP的相關(guān)性最顯著，磷鹽控制作用更大，但同時發(fā)現(xiàn)各年冬季冰下水體TN含量均高于其他季節(jié)。冬季TDS含量高表明冰下水體積累了大量溶解態(tài)的有機和無機養(yǎng)分。

結(jié)合逐步回歸方程分析入選因子，非冰封期春夏秋三季，SD與Chl.a呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.467、-0.371、-0.359，這是因為水體透明度低會使浮游藻類光合作用降低、生長速率減慢，反之，水體透明度亦會因為藻類植物大量繁殖而降低。四季DO與Chl.a呈正相關(guān)關(guān)系但并不顯著，相關(guān)系數(shù)為0.193、0.128、0.120、0.198，這是因為存在著多種因素綜合影響。在春夏秋三季，除了浮游藻類光合作用釋放氧氣外，表層水體與大氣接觸，氧氣交換迅速使得水汽交接界面的溶解氧處于動態(tài)平衡，且水溫對溶解氧有一定的調(diào)節(jié)作用；至于冬季，厚實冰層的覆蓋使得自然曝氣形成的大氣復(fù)氧過程受到限制，故DO處于過飽和狀態(tài)則可能與水體中的氧氣在低溫條件下溶解度較高以及浮游植物進(jìn)行的光合作用有關(guān)。不同于本研究，張曉晶等（2010）發(fā)現(xiàn) 2008年烏梁素海非冰封期所有監(jiān)測點Chl.a含量與DO呈顯著負(fù)相關(guān)，這可能取決于當(dāng)時水域環(huán)境狀況。

4 結(jié)論

烏梁素海是時空異質(zhì)性較大的草藻型富營養(yǎng)化湖泊。時間上，2014年、2015年和2017年冰封期烏梁素海Chl.a含量高于非冰封期，即冬季＞夏秋兩季＞春季，冬季水域更易發(fā)生富營養(yǎng)化；2014-2016年Chl.a含量呈逐年遞減趨勢，2017年又稍有回升，可見水域環(huán)境狀況整體上有所改善，水體自凈能力得到逐步恢復(fù)。空間上，夏秋冬三季 Chl.a含量表現(xiàn)為湖北區(qū)＞湖心區(qū)＞湖南區(qū)，春季為湖北區(qū)＞湖南區(qū)＞湖心區(qū)。

冰封期烏梁素海Chl.a與TN、TP具有一定的空間相關(guān)性。Chl.a含量空間分布受營養(yǎng)鹽水平、冰層厚度、水動力學(xué)特征等因素綜合影響，且湖北區(qū)冰層越厚，對Chl.a和氮磷營養(yǎng)鹽在冰下水體中的富集效果也越強烈。今后對烏梁素海的研究應(yīng)加深對冰封期各水質(zhì)指標(biāo)變異規(guī)律的了解，以期更好地進(jìn)行該時期水域富營養(yǎng)化防控，實現(xiàn)水環(huán)境生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。

結(jié)合相關(guān)性和回歸分析，四季Chl.a含量受氮磷營養(yǎng)鹽不同程度的控制，總體上多年 Chl.a含量與 TP的相關(guān)性最顯著，多元回歸方程為YChl.a=58.896XTP+0.762XDO+1.873。非冰封期春夏秋三季，入選回歸方程的共同環(huán)境理化因子有SD和DO；冰封期冬季，冰層厚度對Chl.a含量的影響最顯著，其相關(guān)系數(shù)為0.419。