劉曉旭，李暢游，李文寶，趙勝男，甄志磊，劉志嬌，于瑞雪

(1：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018;2：內(nèi)蒙古水務(wù)投資(集團(tuán))有限公司，呼和浩特 010020)

冰封期達(dá)里諾爾湖同位素與營養(yǎng)鹽分布特征及關(guān)系的定量分析*

劉曉旭1，2，李暢游1**，李文寶1，趙勝男1，甄志磊1，劉志嬌1，于瑞雪1

(1：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018;2：內(nèi)蒙古水務(wù)投資(集團(tuán))有限公司，呼和浩特 010020)

以內(nèi)蒙古高原的達(dá)里諾爾湖為研究對象，對其在冰封期湖水不同相態(tài)下總氮(TN)、總磷(TP)濃度以及氫、氧同位素比值的分布特征和定量關(guān)系進(jìn)行初步研究.結(jié)果表明：1) 在冰封期，達(dá)里諾爾湖水體中營養(yǎng)鹽的平均濃度相對較高，已遠(yuǎn)超過國家Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).水體中TN、TP濃度均大于其在對應(yīng)冰體中的濃度，均值分別是對應(yīng)冰體中的9.91、3.11倍，說明低溫冷凍過程對達(dá)里諾爾湖水體中的氮、磷具有濃縮效應(yīng). 而通過與非冰封期的對比發(fā)現(xiàn)，湖冰的排氮效應(yīng)強(qiáng)于磷.2) 冰封期由于結(jié)冰過程中同位素?zé)崃W(xué)分餾明顯，加之貢格爾河的入流補(bǔ)給，使得達(dá)里諾爾湖冰體中的氫、氧同位素比值遠(yuǎn)高于水體中的比值，同時，隨冰層的加深，同位素逐漸偏重.3) 冰封期達(dá)里諾爾湖水體及冰體中，同位素比值與營養(yǎng)鹽濃度均呈顯著負(fù)相關(guān)，水體的相關(guān)性較冰體要好，在冰層中，隨著冰層的加深相關(guān)性越明顯.利用SPSS統(tǒng)計軟件分析發(fā)現(xiàn)同位素比值與營養(yǎng)鹽濃度的相關(guān)關(guān)系顯著，水體中最大相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.991，冰體中達(dá)到0.988；氫同位素(D)與TN、TP濃度的關(guān)系式分別為：TN=-0.2825 δD-6.0083和TP=-0.0805 δD-1.2395，這為研究湖泊營養(yǎng)鹽的時空變化規(guī)律提供新的手段和理論.

氫、氧同位素；氮；磷；冰封期；相關(guān)關(guān)系；達(dá)里諾爾湖

中國寒旱區(qū)的湖泊，不僅是歷史氣候變遷的重要指示器和環(huán)境變化研究的切入點，而且是寒旱區(qū)水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)和不可缺失的構(gòu)成部分.加之氣候和環(huán)境等因素，北方的寒旱區(qū)湖泊具有明顯的地域特性.認(rèn)識和研究寒旱區(qū)湖泊，不僅是服務(wù)國計民生的急需，而且是豐富湖泊學(xué)科內(nèi)容、拓寬學(xué)科領(lǐng)域之必需[1].近年來，人類活動推動了流域氮、磷營養(yǎng)鹽輸移的快速發(fā)展，使浮游藻類異常繁殖，很多淡水湖泊由草型湖泊快速轉(zhuǎn)變?yōu)樵逍秃?，湖泊生態(tài)平衡遭到破壞.因此，研究氮、磷營養(yǎng)鹽對改善湖泊生態(tài)具有重要的意義[2].目前為止，對水體氮(N)、磷(P)、碳(C)、有機(jī)物等研究都是在非冰凍條件下進(jìn)行的，如東湖、巢湖、太湖等湖泊水體富營養(yǎng)化及有機(jī)物污染的研究[3-5]，而冰封期湖泊研究也僅集中在湖泊水位與面積變化的氣候因素分析上[6]，進(jìn)一步對冰封條件下冰體-水體間營養(yǎng)鹽的分布特征及相互關(guān)系的研究則更加少見[7].隨著對穩(wěn)定同位素分餾效應(yīng)認(rèn)識的深入以及同位素分析技術(shù)的發(fā)展，氫、氧同位素作為理想的天然示蹤劑能有效應(yīng)用于湖泊研究中.目前，湖泊氫、氧穩(wěn)定同位素的研究多集中在討論補(bǔ)給關(guān)系[8-10]及同位素質(zhì)量平衡的應(yīng)用上[11-13].湖泊中同位素分餾效應(yīng)有較多體現(xiàn)[14-16]，而湖泊結(jié)冰過程中的分餾效應(yīng)卻涉及的很少.雖然，已有研究利用碳、氮穩(wěn)定同位素技術(shù)指示出外源輸入對生態(tài)系統(tǒng)影響的可行性[17-20]，建立湖水鹽度與同位素的定量關(guān)系式[21]，并探究夏季同位素與各離子的相關(guān)關(guān)系[22-23]，但是對冰封期湖泊同位素水-冰分布特征以及與營養(yǎng)鹽濃度變化之間相互關(guān)系、湖泊水-冰中營養(yǎng)鹽濃度分布特點的研究卻很少.

達(dá)里諾爾湖(簡稱達(dá)里湖)，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市克什克騰旗境內(nèi).本文以內(nèi)蒙古達(dá)里湖為研究對象，通過研究湖泊冰封期總氮(TN)、總磷(TP)以及氫同位素(D)、氧同位素(18O)在冰層和水體中的分布特征，并對冰封期的TN、TP濃度與δD、δ18O的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)分析.將首次通過湖泊冰封期δD、δ18O的分布特征指示湖泊水-冰中營養(yǎng)鹽的分布特點，這將為今后研究湖泊冰封期營養(yǎng)鹽分布的變化規(guī)律提供基礎(chǔ)理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

達(dá)里湖(43°12′～43°24′N，116°24′～116°56′E)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市克什克騰旗西部，南臨浩瀚的渾善達(dá)克沙地，是我國北方典型的旱寒區(qū)湖泊之一.受季風(fēng)性氣候影響，降水主要集中在夏季6-8月，多年平均降雨量為400～500mm，蒸發(fā)量為1500～1600mm.現(xiàn)有水域面積約190km2，且湖水由西向東逐漸變淺，從約12m逐漸減少為1～2m.湖水偏堿性，年平均pH值為8.52，部分河段有時高達(dá)9.82[24].在礦化程度方面，其水體中主要含有Na+與K+等.受湖水pH值等因素影響，湖泊中魚類種群簡單，主要有瓦氏雅羅魚(Leuciscuswaleckii)和鯽魚(Carassiusauratus).克什克騰旗境內(nèi)的貢格爾河、亮子河、沙里河、浩來河4條河流流入達(dá)里湖，河流水量小，泥沙少，達(dá)里湖的水系構(gòu)成比較簡單，便于開展各項科學(xué)研究.

1.2 樣品的采集

根據(jù)達(dá)里湖的面積、水深及入湖河口位置的分布特征，結(jié)合研究目的，本文采用全球定位系統(tǒng)定位，在湖區(qū)布設(shè)10個采樣點(圖1)，并于2012年12月在冰凍的湖面上破冰鉆孔采集冰樣和冰下水樣，測量湖水深和冰的厚度.采集冰樣時，在破冰的過程中盡量保持冰塊完整，收集15、35、65cm處的冰塊到樣品瓶中，采樣前樣品瓶均事先用原水反復(fù)潤洗多次.用深水采樣器采集冰面下和湖底處水樣，并立即用封口膜密封在500ml的聚乙烯瓶中，避免因蒸發(fā)而引起同位素分餾.同位素樣品在測定之前經(jīng)0.45μm的濾膜過濾.

圖1 達(dá)里湖采樣點位置Fig.1 The location of water sampling sites in Lake Dalinuoer

1.3 樣品的分析方法

穩(wěn)定氫、氧同位素比值δD、δ18O采用美國LGR公司LMIA-V2(DLT-100)液態(tài)水同位素分析儀測定(DZ/T 0184.19-1997)，精確度(1σ)：18O/16O優(yōu)于0.1‰，D/H優(yōu)于0.3‰.總氮(TN)、總磷(TP)濃度分別用堿性過硫酸鉀和鉬酸銨消解后，用U-2001紫外可見分光光度計測定(GB 11894-1989)[25].

2 結(jié)果

2.1 營養(yǎng)鹽在不同相態(tài)水中濃度的分布

N、P的形態(tài)、濃度、空間分布及季節(jié)性變化規(guī)律主要受湖泊水體輸入和其轉(zhuǎn)化過程的影響，因此湖泊水體內(nèi)N、P形態(tài)和濃度存在著有跡可循的時空變化特征[26-27].通過對水體及不同冰層冰體中的營養(yǎng)鹽濃度(冰體中營養(yǎng)鹽濃度取3個冰層的平均值)進(jìn)行測定，發(fā)現(xiàn)TN或TP濃度在達(dá)里湖水的2種相態(tài)中變化規(guī)律相似，并且2種營養(yǎng)鹽在冰中的濃度明顯低于對應(yīng)其在水中的濃度，TN濃度在冰體-水體2相中的差異尤為明顯(圖2).在水的同一相態(tài)角度觀察，TN和TP濃度的空間變化趨勢基本一致，其濃度出現(xiàn)的極值點也一致.

圖2 達(dá)里湖內(nèi)營養(yǎng)鹽在水的不同相態(tài)中的濃度對比Fig.2 The comparison of nutrient concentrations within ice and water in Lake Dalinuoer

在水體中，TN濃度范圍為3.14～15.14mg/L，各點濃度均值為5.51mg/L；TP濃度范圍為1.10～4.66mg/L，各點濃度均值為2.02mg/L.在冰體中，TN濃度范圍為0.25～1.69mg/L，各點濃度均值為0.57mg/L；TP濃度范圍為0.45～1.15mg/L，各點濃度均值為0.65mg/L.在冰體與水體中，位于達(dá)里湖北部的A7點TN、TP濃度均最高，與其他點相差較大.

2.2 同位素在不同相態(tài)水中比值的分布

由蒸發(fā)、凝聚、降落和徑流等過程所形成的水體，因形成條件不同而具有不同的同位素特征[28].通過對達(dá)里湖不同冰層和水體中的δD、δ18O進(jìn)行測定(圖3)發(fā)現(xiàn)，δD或δ18O在水的2種相態(tài)中變化規(guī)律相似，并且2種同位素在水體中的比值明顯低于對應(yīng)其在冰體中的比值.在湖水的同一相態(tài)角度觀察，δD和δ18O的空間變化趨勢也基本一致，其比值出現(xiàn)的極值點也一致.

圖3 達(dá)里湖內(nèi)同位素在水的不同相態(tài)中的比值對比Fig.3 The comparison of isotope content within ice and water in Lake Dalinuoer

在水體中，δD變化范圍為-62.19‰～-34.99‰，各點均值為-39.04‰；δ18O變化范圍為-5.52‰～-1.21‰，各點均值為-1.89‰.在冰體中，δD變化范圍為-48.49‰～-20.90‰，各點均值為-24.98‰；δ18O變化范圍為-3.50‰～1.35‰，各點均值為0.36‰.位于達(dá)里湖北部的A7點的δD、δ18O均最小，且與其他點相差較大，這一規(guī)律與營養(yǎng)鹽恰好相反.

3 討論

3.1 水體與冰體中營養(yǎng)鹽濃度與同位素比值的分布特征

達(dá)里湖湖泊水體中，TN與TP濃度的空間分布規(guī)律基本相同，δD與δ18O的空間分布規(guī)律也一致，而營養(yǎng)鹽濃度與同位素比值之間呈現(xiàn)相反的分布規(guī)律.位于達(dá)里湖北部的A7點，營養(yǎng)鹽濃度與同位素比值相對其他點均出現(xiàn)明顯差異(圖2，圖3).A7點TN、TP濃度分別為其余采樣點的3.14、2.69倍，δD、δ18O分別比其余點小1.71、5.43倍.A7點靠近北岸旅游景區(qū)，受人為因素影響比較大，污染較重；此處生長有很多水草，冬季水草死亡腐爛釋放N、P[29]，冰封期過低的水溫直接影響到微生物的降解作用，加之表面有冰層的覆蓋，使自然曝氣形成的復(fù)氧過程幾乎完全停止，溶解氧濃度處于最低值；該點冰厚0.92m，水深只有2.08m(表1)，與湖區(qū)其他區(qū)域相比，冰厚相差不大而水深較淺，該點湖水的冷凍濃縮效應(yīng)較大.因此A7點營養(yǎng)鹽濃度明顯高于其他點.同時，通過水樣同位素測試發(fā)現(xiàn)A7點的δD和δ18O非常低，此處為達(dá)里湖的淡水補(bǔ)給河流——貢格爾河的入湖口，該河流對達(dá)里湖的補(bǔ)給量占河流補(bǔ)給總量的75%，較低的貢格爾河水同位素比值是A7點同位素比值較其他采樣點小的主要原因(河水進(jìn)入湖泊后長期蒸發(fā)濃縮，湖水δD、δ18O會明顯高于河水).

達(dá)里湖冰體中營養(yǎng)鹽濃度及同位素比值的變化規(guī)律不僅與水體中的變化規(guī)律相似，而且出現(xiàn)的極值點也吻合，這說明結(jié)冰時水體并沒有受到太大的擾動.

表1 達(dá)里湖各采樣點冰厚及水深

營養(yǎng)鹽在水體和冰體中的濃度表現(xiàn)出明顯差異(圖4).水體中TN、TP濃度均值分別為5.51、2.02mg/L，冰體中TN、TP濃度均值分別為0.57、0.65mg/L，水體中TN、TP濃度均大于其在對應(yīng)冰體中的濃度，分別是其對應(yīng)冰體中的9.91、3.11倍.這表明營養(yǎng)鹽濃度水體高于冰體，湖水中的營養(yǎng)鹽在結(jié)冰過程中由冰體向水體遷移[30].結(jié)晶學(xué)理論認(rèn)為，在過冷過程中，水體表層溫度聚冷，使該層的營養(yǎng)鹽溶解度降低，隨著溫度下降，部分營養(yǎng)鹽快速析出，增大形成臨界尺寸冰核的可能性，促使水體異相成核并加快冰層的形成[31-33].水分子濃度遠(yuǎn)低于整個液相中的水分子濃度，營養(yǎng)鹽的分子濃度則遠(yuǎn)高于整個液相中的營養(yǎng)鹽分子濃度.在濃度差的推動下，液相中的水分子向固液界面處擴(kuò)散，固液界面處的營養(yǎng)鹽分子向液相擴(kuò)散[34].張巖等[35]運(yùn)用固-液相平衡理論、結(jié)晶學(xué)理論和熱力學(xué)理論對呼倫湖冰封期污染特性進(jìn)行過分析，本研究發(fā)現(xiàn)，這種低溫冷凍過程對水體污染物的濃縮效應(yīng)在達(dá)里湖也有明顯體現(xiàn).通過與呼倫湖的對比發(fā)現(xiàn)，呼倫湖水體中的TN、TP濃度均值分別是其對應(yīng)冰體中的3.14、2.20倍，而達(dá)里湖水體與冰體的TN、TP濃度差值遠(yuǎn)大于呼倫湖，表明春季達(dá)里湖比呼倫湖更容易暴發(fā)藻類水華.此外，達(dá)里湖的TN濃度最高為15.14mg/L，TP濃度最高為4.66mg/L，已經(jīng)遠(yuǎn)超過國家V類水標(biāo)準(zhǔn)[36]，達(dá)里湖的水生態(tài)治理亟待關(guān)注.

TN在水體中的濃度是其對應(yīng)冰體中的9.91倍，比TP濃度水體-冰體倍數(shù)高3倍.表現(xiàn)為結(jié)冰過程中，冰體對N的影響要高于P.為證明此現(xiàn)象，對非冰封期的TN、TP濃度進(jìn)行測定，發(fā)現(xiàn)達(dá)里湖冰封期水體中的TN濃度要大于非冰封期，而TP濃度基本與夏季保持一致，說明結(jié)冰過程中，湖水的排N效應(yīng)強(qiáng)于P.

圖4 達(dá)里湖水體與冰體中營養(yǎng)鹽濃度及同位素比值分布示意Fig.4 The distribution characteristics of nutrient concentrations and isotope content within water and ice in Lake Dalinuoer

表2 冰封期達(dá)里湖δD、δ18O與TN、TP濃度的相關(guān)性分析

Tab.2 The correlation analysis between δD，δ18O and TN， TP concentrations during the freeze-up period in Lake Dalinuoer

水相指標(biāo)x/‰y/(mg/L)相關(guān)系數(shù)相關(guān)系數(shù)(剔除A7點)水體δDTN-0.989**-0.568TP-0.977**-0.866**δ18OTN-0.991**-0.710*TP-0.978**-0.809**冰體15cmδDTN-0.181-0.398TP-0.640*-0.325δ18OTN-0.083-0.114TP-0.591-0.32535cmδDTN-0.571-0.558TP-0.783**-0.446δ18OTN-0.585-0.315TP-0.787**-0.42265cmδDTN-0.988**-0.370TP-0.976**-0.421δ18OTN-0.949**-0.769**TP-0.961**-0.642*水體及冰體δDTN-0.876**-0.969**TP-0.892**-0.953**δ18OTN-0.865**-0.962**TP-0.883**-0.948**

*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，**表示在0.01水

相似的，達(dá)里湖同位素比值在冰體-水體中也呈顯著差異(圖4).水體中各點δD的平均值為-39.03‰，δ18O的平均值為-1.89‰；冰體中各點δD的平均值為-24.98‰，δ18O的平均值為0.36‰.水體中δD、δ18O均小于其在冰體中的比值，這一現(xiàn)象恰好與營養(yǎng)鹽冰體-水體中的濃度特征相反.對15、35、65cm不同厚度冰層的同位素比值進(jìn)行分析，表明3層冰體中的δD平均值分別為-26.20‰、-24.60‰、-24.13‰，δ18O平均值分別為0.13‰、0.37‰、0.59‰.其中，A7點的δD垂向分布分別為-50.22‰、-47.72‰、-47.53‰，δ18O分別為-3.84‰、-3.42‰、-3.23‰.由于A7點同位素比值的特殊性，剔除A7點，各點冰層中垂向δD平均值分別為-23.53‰、-22.03‰、-21.53‰，δ18O平均值分別為0.57‰、0.79‰、1.01‰.分析顯示，隨著冰層深度的增加同位素逐漸偏重.進(jìn)入冬季，由于湖水表面的熱量損失，當(dāng)湖水溫度下降至結(jié)冰點時，進(jìn)一步冷卻會導(dǎo)致湖水過冷卻形成冰晶并形成薄冰層.隨著固體冰蓋表面熱量交換，在冰蓋空隙中的水，將會從水表面向下結(jié)冰，這種熱力生長將會超過冰蓋的起始厚度而繼續(xù)向下發(fā)展[37].這個過程中的同位素?zé)崃W(xué)分餾，導(dǎo)致較輕的同位素不斷運(yùn)移到冰下水體中，中重同位素富集在冰中，隨著冰的生長，冰層加厚，同位素分餾繼續(xù)，越深層冰中富集的同位素越重.其中，分餾系數(shù)的大小與結(jié)冰速度、冰體結(jié)構(gòu)以及平衡點有關(guān).進(jìn)一步，在冰封期，貢格爾河仍以小流量流入達(dá)里湖，為湖泊水體帶入了較輕的同位素.同時，在冬季存在著直接來自湖面的微弱蒸發(fā)，也對冰體-水體中同位素比值有一定影響.這些作用使得冰封期冰體中的同位素比值高于水體，且在冰層中隨著冰厚加大，富集的同位素越重.

3.2 同位素比值與營養(yǎng)鹽濃度的相關(guān)性分析

對達(dá)里湖水體和冰體的測定結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，水體和冰體中營養(yǎng)鹽濃度和同位素比值在湖泊不同位置都有顯著差異，且同一位置同位素比值與營養(yǎng)鹽濃度呈顯著負(fù)相關(guān).由于受到河水輸入的影響，A7點冰體和水體中的δD、δ18O較其余采樣點明顯偏負(fù)，其余采樣點之間δD、δ18O變化范圍都比較小.因此，剔除A7點對營養(yǎng)鹽濃度與同位素比值的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析(表2).

對冰封期達(dá)里湖的水體及冰體的同位素比值與營養(yǎng)鹽濃度用SPSS統(tǒng)計軟件做相關(guān)分析和顯著性分析，發(fā)現(xiàn)在冰體中，同位素比值與營養(yǎng)鹽濃度呈一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，且隨著冰層加深相關(guān)性增強(qiáng).在65cm的冰層中相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.988，剔除A7點后達(dá)到0.769.在水體中，同位素比值與營養(yǎng)鹽濃度的相關(guān)性較冰體更好，均在0.01水平(雙側(cè)檢驗)上顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.97以上，剔除A7點后，相關(guān)系數(shù)基本達(dá)到0.7以上.對水體與冰體的數(shù)據(jù)共同作相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，營養(yǎng)鹽濃度與同位素比值呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.8以上，剔除A7點后相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.9以上.通過比較發(fā)現(xiàn)δD與營養(yǎng)鹽濃度的相關(guān)關(guān)系比δ18O要好，可以得到δD與TN、TP濃度的關(guān)系分別為TN=-0.2825 δD-6.0083和TP=-0.0805 δD-1.2395.

已有研究發(fā)現(xiàn)，夏季內(nèi)蒙古河套平原湖泊的氫、氧同位素組成與離子濃度、礦化度等水化學(xué)指標(biāo)存在顯著相關(guān)性[22]，由于夏季湖泊蒸發(fā)過程中存在明顯的同位素分餾[38]，相應(yīng)的離子濃度也濃縮增大，使得水體水化學(xué)指標(biāo)與同位素比值呈正相關(guān)關(guān)系.在塔吉克斯坦湖泊水體中也發(fā)現(xiàn)了相似的相關(guān)性[23].冰封期的達(dá)里湖，由于冰體的冷凍濃縮效應(yīng)導(dǎo)致冰下水體中營養(yǎng)鹽濃度升高，同時，結(jié)冰過程的同位素?zé)崃W(xué)分餾使得中重同位素富集在冰中.因此，在湖水靜止且分布均勻條件下，結(jié)冰厚度越大的區(qū)域，冰下水體中的同位素比值越負(fù)，營養(yǎng)鹽濃度越大，冰下水體的氫、氧同位素比值與營養(yǎng)鹽濃度存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，且相較冰體來說相關(guān)性更好.在冰生長過程中，由于同位素分餾作用，隨著冰厚增加同位素越來越富集，由于冰生長速率與能量梯度作用下營養(yǎng)鹽在冰體內(nèi)部遷移，導(dǎo)致營養(yǎng)鹽隨冰厚增加濃度越來越小[39]，因此冰體中也存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，且結(jié)冰厚度越深相關(guān)關(guān)系越明顯.利用同位素比值與營養(yǎng)鹽濃度在冰-水以及冰體中的反相關(guān)關(guān)系，不僅可以嘗試以環(huán)境同位素來指示N、P的變化趨勢及分布情況，同時拓展了氫、氧同位素比值作為水體示蹤劑的用途[40]，對預(yù)測水質(zhì)變化、進(jìn)行水質(zhì)評價及達(dá)里湖的生態(tài)治理具有重要意義.

4 結(jié)論

通過對達(dá)里湖內(nèi)營養(yǎng)鹽濃度和氫、氧同位素比值在水的不同相態(tài)中的變化規(guī)律進(jìn)行研究，利用統(tǒng)計學(xué)方法，得到冰封期達(dá)里湖水的不同相態(tài)中營養(yǎng)鹽濃度和氫、氧同位素比值的變化特征以及它們之間的定量關(guān)系，具體結(jié)論如下：

1) 冰封條件下，達(dá)里湖水體中TN、TP濃度均值分別為5.51、2.02mg/L，分別是其對應(yīng)冰體中TN(0.57mg/L)和TP(0.65mg/L)濃度均值的9.91、3.11倍，湖水中污染物在結(jié)冰過程中由冰體向水體遷移，表明低溫冷凍過程對達(dá)里湖水體中的N、P有濃縮效應(yīng).通過與非冰封期對比分析可知，達(dá)里湖冰封期水體中的N濃度要大于非冰封期，而P濃度基本與夏季保持一致，說明結(jié)冰過程中，冰體的排N效應(yīng)強(qiáng)于P.

2) 在與呼倫湖的對比后發(fā)現(xiàn)，達(dá)里湖營養(yǎng)鹽的平均濃度遠(yuǎn)高于呼倫湖，且湖內(nèi)營養(yǎng)鹽濃度已遠(yuǎn)超過國家Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).貢格爾河的入湖口處受人為影響嚴(yán)重，加之工業(yè)污水與生活廢水的排入造成污染，嚴(yán)重影響整個湖泊的水質(zhì).達(dá)里湖地區(qū)的水環(huán)境不應(yīng)只靠夏季湖水的自凈能力，水生態(tài)治理亟待解決.

3) 冰封條件下，達(dá)里湖冰體中δD、δ18O均值分別為-24.98‰、0.36‰，高于其在水體中的對應(yīng)均值(分別為-39.03‰和-1.89‰)，結(jié)冰過程中的同位素?zé)崃W(xué)分餾導(dǎo)致中重同位素富集在冰中，同時，貢格爾河的入流補(bǔ)給和冬季冰面微弱的蒸發(fā)影響使得達(dá)里湖冰體中的同位素比值高于水體.

4) 在冰封期，由于冰體冷凍濃縮效應(yīng)與同位素?zé)崃W(xué)分餾效應(yīng)，使得湖水同位素比值與營養(yǎng)鹽濃度呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系；在冰生長速率與能量梯度導(dǎo)致營養(yǎng)鹽在冰體內(nèi)部遷移的共同作用下伴隨同位素分餾效應(yīng)，使得冰體中存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，且隨著冰層加深，相關(guān)關(guān)系越顯著.水體中的相關(guān)關(guān)系較冰體更好，冰體中相關(guān)系數(shù)最大達(dá)到0.988，水體中達(dá)到0.991，冰體與水體相關(guān)關(guān)系均達(dá)0.8以上.得到δD與TN、TP濃度的關(guān)系，分別為TN=-0.2825 δD-6.0083和TP=-0.0805 δD-1.2395.利用這個關(guān)系，同位素示蹤劑可以成為一種證明和預(yù)測營養(yǎng)鹽在冰-水、冰體中變化趨勢的評價手段，對水質(zhì)監(jiān)測和評價都具有重要的應(yīng)用價值.

致謝：感謝達(dá)里諾爾國家級自然保護(hù)區(qū)生態(tài)旅游有限公司在采樣過程中給予的大力幫助.

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The distribution and relationship of isotope and nutrient during freeze-up period in the Lake Dalinuoer：A quantitative approach

LIU Xiaoxu1，2， LI Changyou1， LI Wenbao1， ZHAO Shengnan1， ZHEN Zhilei1， LIU Zhijiao1& YU Ruixue1

(1：CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering，InnerMongoliaAgriculturalUniversity，Hohhot010018，P.R.China2：InnerMongoliaWaterIndustryInvestment(GHroup)LimitedCompany，Hohhot010020，P.R.China)

This study aims at understanding the distribution characteristic and the correlativity of total nitrogen (TN),total phosphorus (TP) , hydrogen isotope(D)and oxygen isotope(18O)in ice layer and water during the freeze-up period in Lake Dalinuoer of Inner Mongolia. The results show that: 1)The Lake Dalinuoer water with high content of nutrient is even worse than the fifth level of water quality(Chinese standard) during freeze-up period. The concentrations of TN and TP in water are higher than those of in ice layer above the water during the freeze-up period. They are 9.91 times and 3.11 times in water higher than those of the ice layer， respectively. It is caused by the process of concentration effect on nitrogen and phosphorus when the lake water freezes up. It can be found that the interception content of nitrogen is relatively higher than phosphorus in the ice layer，comparing with the unfrozen period.2)The effect of thermodynamic isotope fractionation and the inflow supplies of Gongger River together make that isotope content in ice much larger in water during freeze-up period. The isotope content is increasing from the top ice to the bottom one. 3) The content of isotopic and nutrient appeares significantly negative correlation during the freeze-up period. The correlation relationship in water is stronger than that in ice, and bottom ice stronger than the top one. It was found that the closest correlation coefficients is 0.991 in lake water, and 0.988 in ice, calculated by SPSS software. The quantitative relationship between the content of isotope and nutrient (eg. the relationship function: TN=-0.2825δD-6.0083 and TP=-0.0805δD-1.2395) will provide a new method for studying temporal and spatial variation of nutrient content in the lake.

Hydrogen and oxygen isotope; nitrogen; phosphorus; freeze-up period; correlation relationship; Lake Dalinuoer

J.LakeSci.(湖泊科學(xué))， 2015， 27(6)： 1159-11167

DOI 10.18307/2015.0622

?2015 byJournalofLakeSciences

*國家自然科學(xué)基金重點項目(51339002)、國家自然科學(xué)基金項目(51469025)、內(nèi)蒙古自治區(qū)重大科技項目(20091408)、內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項目(2012MS0615)和西部地區(qū)博士后人才資助計劃項目(2014M562495XB)聯(lián)合資助.

2014-09-26收稿；2015-03-09收修改稿.

劉曉旭(1991～)，女，碩士研究生；E-mail：15848130960@163.com.

**通信作者；E-mail：nndlichangyou@163.com.