劉菊梅 肖 振 司萬童# 求瑞娟 左小洪 丁欣雨 李彥林 畢 捷

(1.重慶文理學院,重金屬廢水資源利用重慶市重點實驗室,三峽庫區(qū)河湖生態(tài)系統(tǒng)重慶市野外科學觀測研究站,重慶 402160;2.內(nèi)蒙古科技大學生命科學與技術學院,內(nèi)蒙古 包頭 014010)

沉積物是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,是湖體營養(yǎng)鹽的儲存庫[1]569。沉積作用受湖泊規(guī)模、地質(zhì)和氣候等的影響。當外部環(huán)境發(fā)生變化,過量的營養(yǎng)鹽就會從沉積物中釋放出來,通過遷移轉(zhuǎn)化,使湖泊水質(zhì)不斷惡化,從而對生態(tài)系統(tǒng)造成威脅[1]572。沉積物中的有機質(zhì)有外源輸入,也有內(nèi)源積累[2]1758,[3]2;氮、磷是造成水體富營養(yǎng)化的關鍵因子[4],研究它們的含量及分布情況對湖泊的污染趨勢預測及生態(tài)修復具有重要的意義。

烏梁素海位于內(nèi)蒙古巴彥淖爾市,是全球范圍內(nèi)干旱草原及荒漠地區(qū)極為少見的大型多功能湖泊。該湖面積較大,物種多樣性高[5]2。蘆葦在湖區(qū)廣泛分布,其腐爛分解后沉降至湖底,加劇了湖區(qū)碳的內(nèi)源性積累[6]999。每年有大量未經(jīng)處理的河套灌區(qū)灌溉退水、工業(yè)和生活廢水排入烏梁素海,導致該湖外源輸入的碳、氮、磷過多,營養(yǎng)鹽含量及浮游生物數(shù)量增加,水生植物和漂浮藻類殘體增加,沉積物的堆積加速,使烏梁素海成為世界上沼澤化最快的湖泊之一[7],水環(huán)境的持續(xù)惡化使該湖富營養(yǎng)化問題更加多元化[8]。目前,很多學者對烏梁素海沉積物環(huán)境開展了相關研究,如劉旭等[6]994-998研究了該湖沉積物營養(yǎng)鹽的分布特征及固碳能力;杜彩麗等[9]5600-5605調(diào)查了該湖表層沉積物中營養(yǎng)鹽和重金屬的分布特征;姜濤等[10]分析了冰封期該湖營養(yǎng)鹽特征。但生長季的營養(yǎng)鹽垂直分布特征仍不清楚。

哈素海位于內(nèi)蒙古呼和浩特市土左旗境內(nèi),具有引水灌溉、水產(chǎn)養(yǎng)殖和景觀旅游的功能,是內(nèi)蒙古的主要漁業(yè)基地。隨著城市化進程的加快,哈素海水質(zhì)有下降趨勢[11]30,[12]。哈素海與烏梁素海相似,以黃河水作為補給水,位于半干旱氣候區(qū),是微鹽水湖,蘆葦為優(yōu)勢挺水植物。烏梁素海是周邊區(qū)域生產(chǎn)、生活污水排泄的主要通道[2]1755,而哈素海沒有明顯、長期收納污水。為此本研究以烏梁素海為研究對象,以哈素海作為對照,研究不同深度沉積物的基本理化性質(zhì)、全量營養(yǎng)鹽、速效營養(yǎng)鹽的垂直分布特征和變化規(guī)律,采用營養(yǎng)鹽污染指數(shù)法進行湖泊生態(tài)安全評價,旨在為烏梁素海富營養(yǎng)化污染修復提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究以烏梁素海為研究樣地,在水生植物生長季,在湖的南部退水區(qū)域,從中心向岸邊,即由水相至陸相選取了一個樣帶,選擇5個采樣點,分別為W1、W2、W3、W4、W5;以哈素海為對照樣地,在湖的東部區(qū)域選擇1個采樣點(H),垂直分層采集沉積物(采樣點分布見圖1,相關信息見表1)。

表1 采樣點信息

圖1 采樣點分布

1.2 樣品采集及指標測定

用KCmodAochB型無擾動采樣器采集樣品,現(xiàn)場將沉積物柱芯以20 cm間隔分層,分為0～20、20～40、40～60 cm的樣品。沉積物樣品裝入自封袋后暫存于冷藏樣本箱,帶回實驗室于-20 ℃保存。用于分析測定的沉積物樣品在室內(nèi)自然風干后,去除石子和動植物殘體,碾碎,全部過10目土壤篩,充分混勻后用四分法分成兩份,一份用于理化性質(zhì)和速效營養(yǎng)鹽的測定,包括pH、鹽度、含水率、粒度、堿解氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、速效磷、速效鉀;另一份繼續(xù)采用四分法分成兩份,一份過60目的土壤篩,用于全量營養(yǎng)鹽總有機碳(TOC)、總氮(TN)、總磷(TP)的測定;另一份過100目土壤篩,用于總鉀(TK)的測定。

各指標測定方法見文獻[5]。含水率用105 ℃恒重法測定;按1 g∶2.5 mL的土水比充分振蕩溶解樣品后,分別用pH計(HACH HQ40D)和烘干殘漬法測定pH、鹽度;粒度用激光衍射粒度儀(Malvern Mastersizer 2000)測定。TOC用重鉻酸鉀外加熱法測定;TN和銨態(tài)氮用凱氏定氮法測定;TP、速效磷用氫氧化鈉堿熔/鉬銻抗比色法測定;堿解氮用堿解擴散法測定;硝態(tài)氮用紫外分光光度法測定;TK用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP6000)測定;速效鉀用乙酸銨浸提/火焰光度法測定。

1.3 評價方法

采用單因素污染指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法[9]5599對氮、磷污染程度進行評價。計算公式為:

Fi=Ci/Cs

(1)

(2)

式中:Fi為因子i的單因子污染指數(shù),Fi大于1表示因子i的含量超過評價標準值;Ci為因子i的實測值,g/kg;Cs為因子i的評價標準值,g/kg,本研究中TN和TP的評價標準值分別取0.55、0.6 g/kg[13];F為綜合污染指數(shù);Faverage為單因子污染指數(shù)平均值(本研究指TN和TP單因子污染指數(shù)的平均值);Fmax為最大單因子污染指數(shù)[9]5599。單因素污染程度和綜合污染程度劃分見表2。

表2 污染程度劃分

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016和SPSS 25.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析,利用one-way ANOVA分析Duncan檢驗進行顯著性差異分析。

2 結果與討論

2.1 沉積物理化性質(zhì)垂直分布特征

由表3可知,兩個湖泊沉積物的pH的平均值均大于7,整體偏堿性。烏梁素海0～20、20～40、40～60 cm深度沉積物鹽度的平均值分別為0.24%、0.15%和0.11%,鹽度平均值垂直向下呈遞減趨勢;表層沉積物(0～20 cm)鹽度由湖中心向湖岸大體呈波動升高趨勢。表層沉積物含水率由湖中心向湖岸大體呈波動下降趨勢,W1顯著高于W2、W4、W5,也顯著高于哈素海(H)。

表3 不同深度沉積物的理化性質(zhì)1)

鹽度作為水體中浮游生物生長的主要調(diào)控因子,對生物體內(nèi)酶的活性、生長代謝及生理生化過程具有重要的影響作用[3]6。由于烏梁素海地處半干旱地區(qū),區(qū)域降水量少,在全球氣候變暖的影響下,蒸發(fā)強度增大,烏梁素海整體的鹽堿度較高。在一定范圍內(nèi),鹽度升高有利于浮游植物的繁殖,造成藻類大量繁殖,從而引起湖泊水體富營養(yǎng)化[14]。在弱堿性和強堿性條件下,沉積物中的氮、磷元素的釋放量明顯提高[5]4。此外,烏梁素海沉積物受沉積作用影響明顯,各采樣點上,黏粒和粉粒占比大體呈垂直向下波動增加趨勢。沉積物粒度的大小間接影響著營養(yǎng)鹽的富集[15]646。而高營養(yǎng)鹽會減緩鹽堿度對耐鹽堿微生物的限制作用,促進耐鹽堿微生物和浮游生物的繁殖[16],有利于碳、氮循環(huán)微生物對碳、氮元素的去除[5]5,提升水質(zhì)。

2.2 沉積物全量營養(yǎng)鹽垂直分布特征

由表4可知,烏梁素海大部分采樣點TN超過1.0 g/kg,表明該湖沉積物中氮含量整體較高。表層沉積物中TOC、TN和TP含量由湖中心向湖岸呈波動下降趨勢,W1的TOC總體高于W2～W5和H。TOC在W3垂直向下顯著遞減(P<0.05),在其他采樣點沒有顯著的垂直變化;TN、TP和TK垂直變化不明顯,TP在W1表層顯著富集(P<0.05),TN和TP在W1表層顯著高于H(P<0.05)。

表4 不同深度沉積物中全量營養(yǎng)鹽的質(zhì)量濃度

2.3 沉積物速效營養(yǎng)鹽垂直分布特征

由表5可知,烏梁素海沉積物中的堿解氮、速效磷在W1表層顯著富集,速效磷在W1垂直向下顯著遞減(P<0.05);銨態(tài)氮在W3表層顯著富集,硝態(tài)氮在W3垂直向下顯著遞減,且在W1各層顯著高于W2。整體上,堿解氮、速效磷、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮在烏梁素海湖中心(W1)顯著高于哈素海(H)。此外,堿解氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮在TN中平均占比(質(zhì)量占比)分別為3.63%、60.82%和0.58%,可見銨態(tài)氮為烏梁素海沉積物中無機氮的主導形態(tài)。

表5 不同深度沉積物中速效營養(yǎng)鹽的質(zhì)量濃度1)

結合2.2節(jié)可知,烏梁素海從湖中心向湖岸的TOC、TN和TP表層含量呈波動下降趨勢;TP、堿解氮和速效磷在W1表層富集明顯,TOC、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮在W3表層富集明顯。推測原因如下:一,W1和W3水較深(1.5 m),水深增加強化沉積物穩(wěn)定性和黏粒的沉積,有利于有機質(zhì)以及微生物代謝產(chǎn)物的堆積[15]650。二,可能是湖濱、湖岸的蘆葦、香蒲等大型挺水植物對營養(yǎng)鹽的吸收和利用及湖濱植物緩沖帶對外源營養(yǎng)鹽的削減[17-18],導致湖濱、湖岸含量比湖中低。

由表6可見,各營養(yǎng)鹽均與含水率顯著正相關;TK與黏粒和粉粒顯著正相關,與砂粒和鹽度極顯著負相關;TOC、TK、堿解氮和銨態(tài)氮與pH顯著負相關;其他營養(yǎng)鹽與pH的相關性不顯著。TOC與營養(yǎng)鹽均極顯著正相關,TN與TP極顯著正相關。這暗示了碳與氮、磷、鉀,氮與磷可能直接相關,且鹽堿性環(huán)境和砂粒含量越高,TK越容易從沉積物中釋放出來。

表6 相關性分析1)

自然條件下,磷通常是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的限制性因子,速效磷是湖泊沉積物中能夠被植物吸收的主要磷組分[19-20],控制著湖泊的初級生產(chǎn)力水平。烏梁素海湖區(qū)內(nèi)的N/P(質(zhì)量比)大約介于1.24～4.21,各采樣點的N/P<7,表明氮可能是此區(qū)域的限制性營養(yǎng)鹽[11]30;由于TOC與TN、TP均極顯著正相關,因此控制烏梁素海農(nóng)業(yè)氮、磷廢水的排入也有利于減少碳的積累[6]999。同時,植物根際微環(huán)境的好氧條件,也會促進碳循環(huán)、氨氧化微生物的繁殖[5]1,進而影響有機質(zhì)和氮的含量。因此,微生物和水生植物聯(lián)合治理是修復湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要方向之一。

2.4 營養(yǎng)鹽污染評價

由圖2可知,哈素海各層沉積物中的TN單因子污染指數(shù)均值為2.73,TN處于重度污染狀態(tài);TP單因子污染指數(shù)均值為1.13,TP處于中度污染狀態(tài);綜合污染指數(shù)均值為2.37,綜合污染處于重度污染狀態(tài)。烏梁素海從湖中心到湖岸5個采樣點各層沉積物中TN單因子污染指數(shù)均值為3.16,變異系數(shù)為48.65%,整體上處于重度污染狀態(tài);TP單因子污染指數(shù)均值為1.01,變異系數(shù)為10.86%,整體上處于中度污染狀態(tài);綜合污染指數(shù)均值為2.68,變異系數(shù)為45.42%,整體上處于重度污染狀態(tài),且從湖中心向湖岸,氮、磷污染程度呈波動下降趨勢,且氮污染比哈素海嚴重,磷污染與哈素海相比差異不明顯。與前人研究[9]5601相比,各指數(shù)均呈降低趨勢,但整體上烏梁素海營養(yǎng)鹽污染嚴重,仍面臨潛在生態(tài)風險。

圖2 營養(yǎng)鹽污染指數(shù)

3 結論與建議

1) 除TK和速效鉀,烏梁素海湖中心表層沉積物各營養(yǎng)鹽含量明顯高于哈素海,且表層TOC、TN和TP含量從湖中心向湖岸呈波動下降趨勢;TP、堿解氮和速效磷在W1表層富集,TOC、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮在W3表層富集;所有營養(yǎng)鹽均與TOC極顯著正相關。

2) 烏梁素海沉積物中TN處于嚴重污染狀態(tài),TP處于中度污染狀態(tài),相比哈素海存在較高的富營養(yǎng)化風險。

3) 氮為該區(qū)域的限制性營養(yǎng)鹽,為有效防控烏梁素海富營養(yǎng)化程度的加劇,應加強控制TOC和氮的外源輸入。