李衛(wèi)平，徐靜 ，于玲紅，李興，韓佩江趙忠，井璟

1.內蒙古科技大學能源與環(huán)境學院，內蒙古 包頭 014010；2.安徽馬鋼工程技術集團有限公司設計研究院，安徽 馬鞍山 243000；3.內蒙古師范大學內蒙古節(jié)水農業(yè)工程研究中心，內蒙古 呼和浩特 010022；4.內蒙古巴彥淖爾市河套水務集團有限公司，內蒙古 巴彥淖爾 015000；5.內蒙古巴彥淖爾市環(huán)境監(jiān)測站，內蒙古 巴彥淖爾 015000

浮游植物是水生態(tài)系統(tǒng)的初級生產者，也是整個水生態(tài)系統(tǒng)中物質循環(huán)和能量流動的基礎，同時，還能夠迅速響應水體的營養(yǎng)狀態(tài)變化（韓博平等，2003）。有些浮游植物可以直接用作環(huán)境監(jiān)測的指示生物，而且相對于理化條件而言，其密度、生物量、種類組成和多樣性能更加準確的反映出水體的營養(yǎng)水平（劉紅等，2006）。在湖泊環(huán)境中，營養(yǎng)鹽是影響浮游植物生長的關鍵因素，同時又是導致水體富營養(yǎng)化的主要原因（李文霞和馮海艷，2006；周敏，2012）。以往對營養(yǎng)物質與浮游植物群落結構特征的研究都是在常溫水體條件下進行的，而在冰封條件下，水體和冰體中的營養(yǎng)鹽與浮游植物群落特征的研究尚不多見。因此，本實驗以烏梁素海為研究對象，研究湖水結冰后，營養(yǎng)鹽與浮游植物在冰體和水體中的分布情況，以期為該方向的研究提供理論基礎。

1 研究區(qū)域及方法

1.1 區(qū)域概況與采樣點布設

烏梁素海地處我國內蒙古自治區(qū)境內，位于我國北方干旱半干旱地區(qū)，屬溫帶大陸性氣候，光照輻射強、降水量少、蒸發(fā)強烈，晝夜溫差大，年均降水量約為285 mm，蒸發(fā)量約為2456 mm；冬季寒冷干燥，夏季炎熱少雨，全年平均氣溫約為9.74 ℃，每年的11月至翌年3月為冰封期。湖泊面積現(xiàn)為273 km2，其主要補給水源是河套灌區(qū)的農田退水，湖區(qū)的水動力條件較弱，最大流速為0.28 m·s-1，最小為 0。目前，每年隨農田退水進入烏梁素海的總氮和總磷分別約為3411.58和111.88 t（呂超等，2012；李衛(wèi)平等，2008；徐兆安等，2012），如此大量的營養(yǎng)物質輸入，使得整個湖區(qū)呈Ⅴ類（參考GB 3838—2002地表水環(huán)境質量標準）水質，且呈現(xiàn)富營養(yǎng)化狀態(tài)。根據烏梁素海的水域污染狀態(tài)和進出水位置，本研究共布設了 10個采樣點，見圖1，其中J11為進水口、V3為出水口、L15和S6均為明水區(qū)域、N13為蘆葦區(qū)、Q10為旅游區(qū)，這些采樣點對于冰封期水體的研究具有一定的代表性。湖區(qū)北部為小海子，蘆葦覆蓋大量明水區(qū)域且常年不受人為活動影響，故而不做研究。

1.2 樣品采集與處理

本研究于2012年11月至2013年2月在烏梁素海使用冰柱采集器破冰采樣，將收集到的的冰樣分為3層：表層冰、中層冰、冰—水界面冰，分別置于水桶內，及時送回實驗室，在室溫條件下自然融化，然后測定融水中的 TP、TN、COD和 Chla濃度?，F(xiàn)場監(jiān)測的指標為水深、冰厚和流速；同時，用取水瓶（聚乙烯材料）分別取冰—水界面水、中層水、水—底泥界面水3組水樣，并于12 h內于實驗室分析TP、TN、COD和Chla濃度，測定方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》（國家環(huán)境保護總局，2002）。測試所用標準曲線相關性嚴格達標（r>0.999）所有監(jiān)測指標均做3組平行，取平均值為測定結果。試驗數據用Microsoft Excel 2003進行初步分析和作圖。指標測定方法及采樣時間分別見表1和表2。

浮游植物定量樣品用采水器在現(xiàn)場取 1000 mL水面下0.5 m處的水樣，加入15 mL魯哥試液固定；靜置沉淀24 h，用虹吸管抽掉上清液，余下20～25 mL沉淀物轉入30 mL定量瓶中，并定容至30 mL。將在室溫條件下融化的冰塊作為冰體中的浮游植物定量樣品，取1000 mL，處理步驟同上。鏡檢前將定容后的水樣搖勻，取 0.1 mL于 20 mm×20 mm的浮游生物計數框內，置10×40倍顯微鏡下進行種類鑒定和細胞計數。每個采樣點細胞計數3次，取平均值,浮游植物種類鑒定參考文獻（周鳳霞和陳劍虹，2011；馬放等，2010）進行，由《湖泊富營養(yǎng)化調查規(guī)范》可查得藻類計數計算方法（金相燦和屠清瑛，1990）。

表1 實驗監(jiān)測項目及方法Table 1 The monitoring project and methods of test

表2 采樣時間Table 2 Sampling times

式中：N為藻類密度，104cell·mL-1；A為浮游生物計數框面積，mm2；Ac為計數面積，即視野面積×視野數，mm2；Vw為l L水樣經沉淀濃縮后的樣品體積，mL；V為計數框體積，mL；n為計數所得藻類的個數。

運用浮游植物優(yōu)勢度Y來分析烏梁素海冰封期浮游植物群落結構特征，將優(yōu)勢度Y＞0.02的藻類定為優(yōu)勢種。各參數計算公式如下：

式中：ni為第i種浮游植物的的數量；N為浮游植物總數量；fi為第i種浮游植物在所采樣品中出現(xiàn)的頻率。

2 結果與分析

2.1 營養(yǎng)鹽的分布特征

2.1.1 冰體分析

現(xiàn)場監(jiān)測結果顯示，湖水自2012年11月初開始結冰，11月至12月為湖冰的快速生長期，湖冰厚度在翌年1月份達到最大，厚度在0.22～0.74 m之間，之后開始緩慢消融。其中，湖中心的冰體最厚，為0.74 m，湖區(qū)的南部和北部較薄。這是因為烏梁素海自北向南有總排干、通濟渠等灌渠和排水溝與湖體相連，使得西部湖區(qū)水體的流動性較大，冰體厚度相對于東部湖區(qū)較小。

從時間分布上看：冰層中的營養(yǎng)鹽含量整體呈下降的趨勢。這是由于在結冰過程中，冰體會自動排除雜質，以保持其純度（姜慧琴，2011；高紅杰等，2008），被排除的營養(yǎng)鹽由冰體逐漸遷移進入水體（圖2）。

冰體中營養(yǎng)鹽的垂向分布規(guī)律為：在冰體形成期，表層冰＞冰水界面冰≥中層冰。這是由烏梁素海特殊的氣候條件所致，晝夜溫差大使得湖水在結冰初期處于反復的凍融過程，白天溫度較高，冰體融化時會釋放原本被凍結在體內的營養(yǎng)鹽，由于湖區(qū)水動力條件較弱，被釋放的營養(yǎng)鹽大多停留在冰水界面層；夜晚溫度降低時，營養(yǎng)鹽被再次凍結，如此反復使得該時期的冰體表層營養(yǎng)鹽含量較高（張巖，2012；傅鑫廷，2009）。冰層厚度穩(wěn)定后，冰體中的營養(yǎng)鹽自上而下逐漸遷移進入水體，導致中、下層冰體中的營養(yǎng)鹽含量略大于表層（圖3）。

2.1.2 水體分析

烏梁素海湖泊冰封期各采樣點的水深均在0.28～2.45 m之間，其平均值為1.20 m，其中，湖泊的南部和北部水深較深，而其冰厚度值較?。缓吹闹胁縿t與之相反，這表明水深和冰厚存在較好的負相關性。這可以從熱力學角度和湖冰的形成機理上加以解釋：在受冷面積一定的條件下，單位時間內作用于一定受冷面積上的冷能是相同的，而等量的冷能要通過冰體的冷傳導作用到冰下水體中，從而增加冰層厚度。而較淺的水體在獲得相同冷能時溫度的降低更為明顯，從而冰厚的增加較深水體要快。但是，在上層獲取冷能的同時，下層水體也在獲得大地所傳導的等量熱能，同理，較淺的水體在獲得相同熱能時溫度也會明顯升高，但在冰體的生長過程中，冷能的傳導起主要作用，最終導致水深和冰厚存在較好的負相關性（姜慧琴，2011）。

從圖4中不難發(fā)現(xiàn)，在湖水的結冰過程中，被排斥而無法進入冰體的營養(yǎng)鹽大多活躍在冰水界面水中；水底泥界面水受到水與底泥之間的營養(yǎng)鹽交換作用影響（Cho等，2002），故而水體中的營養(yǎng)鹽含量垂向分布規(guī)律為：冰水界面水＞水底泥界面水≥中層水。從時間分布上看：冰水界面水的營養(yǎng)鹽含量無明顯變化，中層和水底泥界面水營養(yǎng)鹽含量呈上升趨勢（圖5）。

2.2 浮游植物結構及其分布特征

表3 烏梁素海冰體和水體中的藻類密度Table 3 The number of algae in Lake Wuliangsuhai water and ice 104個·mL-1

表3記錄了烏梁素海冰封期10個采樣點的藻類密度。在冰體的形成和生長時期，由于大氣和水之間的熱量傳遞作用，一部分藻類以漂浮的狀態(tài)懸浮在水體表面，之后隨著水體的結冰過程，漂浮在水體表面的藻類被凍結在冰體中，從而使得冰體中的藻類密度逐漸上升（Matsuo和Sasyo，1981；龔乃虎，1999；Knight，1979；徐立沖等，1997）；之后隨著冰層厚度的增加，開始形成較大體積而藻類密度較少的冰晶體，使得冰體中的藻類密度趨于穩(wěn)定。水體中的藻類密度整體呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，一方面是由于冰封期水體的營養(yǎng)物質充足，藻類開始大量繁殖生長；另一方面又由于冬季水溫較低，藻類的生長和繁殖受到了一定的限制，這也是冬季湖泊不宜暴發(fā)水華的原因之一。

此次調查共檢出浮游植物7門67屬105種（含變種），隸屬于綠藻門、硅藻門、藍藻門、裸藻門、金藻門、隱藻門以及甲藻門，未檢測出黃藻門，這是因為黃藻門主要是淡水產浮游藻類，尤其喜歡在較清潔的水體中生長，而烏梁素海的現(xiàn)有水質達不到其生長繁殖要求。鏡檢結果顯示，冰封期烏梁素海水體和冰體中的藻類均以綠藻門和硅藻門為主，其中綠藻門有23屬35種，占總種數的33.3%；硅藻門 16屬 28種，占總種數的 26.7%；藍藻門 13屬19種，占總種數的18.1%；裸藻門5屬10種，占總種數的9.5%；甲藻門5屬8種，占總種數的7.6%；金藻門3屬3種，占總種數的2.9%；隱藻門2屬2種，占總種數的1.9%。綠藻門和硅藻門在浮游植物群落結構組成中處于優(yōu)勢地位，表明冰封期烏梁素海浮游植物種類組成呈綠藻—硅藻型，各采樣點浮游植物種類組成存在差異，但均以綠藻和硅藻種數最多，藍藻次之，這是因為藍藻喜高溫，通常在 20 ℃以上的水體中大量生長繁殖，而冰封期水體溫度在0.5～6 ℃之間波動，該溫度不適宜藍藻生長。烏梁素海冰封期優(yōu)勢藻類種類組成見表4。

2.3 冰體和水體的對比分析

圖 6為烏梁素海冰封期營養(yǎng)鹽和藻類密度的時間變化曲線。從時間分布上看，冰封期水體中的TN、TP、COD含量和藻類密度均呈上升趨勢，且明顯高于冰體中的含量，其中，水體和冰體中的TN質量濃度均值分別為2.076和1.255 mg·L-1，即水體中的TN是冰體中的1.65倍；TP質量濃度均值分別為0.875和0.361 mg·L-1，水體是冰體中的2.42倍；COD含量均值分別為 88.56和 28.83 mg·L-1，水體是冰體中的 3.07倍；藻類密度均值分別為3.145和1.64×106cell·L-1，水體是冰體中的1.92倍；該現(xiàn)象可以說明，在冰層的形成和生長過程中，冰體對TN、TP、COD和浮游植物均有不同程度的排斥作用，其中以 COD為最強；而其造成的直接結果就是TN、TP、COD和浮游植物由冰體逐步遷移至水體。

表4 烏梁素海冰封期優(yōu)勢藻類種類組成Table 4 The species composition of dominant algea during icebound season in Wuliangsuhai Lake

3 結論及建議

3.1 結論

通過對冰封期烏梁素海的冰體和水體進行研究，得出的結論如下：

1）冰封期烏梁素海的冰厚介于0.22～0.74 m之間，水深在0.28～2.45 m之間，且水深和冰厚存在較好的負相關性。

2）在冰體的形成和生長過程中，營養(yǎng)鹽和浮游植物逐漸從冰層遷移至水體中，使得冰封期水體中的營養(yǎng)鹽和浮游植物的含量均大于冰體中的，結冰過程使得湖泊水體的富營養(yǎng)化狀態(tài)惡化。

3）水體中 TN、TP、COD的濃度和浮游植物密度分別是冰體中的 1.85、2.42、3.07、1.29倍，這說明冰體對各污染物均有不同程度的排斥效應，其中以 COD最強；同時，也說明湖冰對有機物的排斥效應要高于其對無機物的。

4）烏梁素海冰封期浮游植物結構包括綠藻、硅藻等7門67屬105種（含變種），其中以綠藻、硅藻種類數量居多，分別占總種數的 33.3%和26.7%，這表明冰封期烏梁素海浮游植物種類組成呈綠藻—硅藻型。

3.2 建議

1）由于湖水在結冰過程中，營養(yǎng)鹽和浮游植物逐漸從冰層遷移至水體中，從而加劇了湖泊水體的富營養(yǎng)化狀態(tài)，因此，冰封期湖泊的治理更加刻不容緩。

2）由于湖冰對污染物有不同程度的排斥效應，針對這一特點，可將其利用于降低有機物含量的相關研究中。例如，郝利娜和張維佳（2007）通過室內冷凍實驗，證明了冷凍凈化法能去除生活污水中80%的COD和90%的NH3-N。

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