烏梁素海冰封期湖泊冰蓋組構(gòu)特征對(duì)污染物分布的影響*

楊 芳，李暢游，史小紅，趙勝男，郝亞洲

（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）

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烏梁素海冰封期湖泊冰蓋組構(gòu)特征對(duì)污染物分布的影響*

楊 芳，李暢游**，史小紅，趙勝男，郝亞洲

（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）

為探究富營(yíng)養(yǎng)化淺水湖泊季節(jié)性冰蓋污染物分布規(guī)律，于2013-2014年冰封期，鉆取烏梁素海湖泊冰蓋冰芯試樣，觀測(cè)冰厚并對(duì)冰芯晶體結(jié)構(gòu)、氣泡含量、污染物濃度（總氮、總磷和CODCr）進(jìn)行分析.結(jié)果表明：冰蓋可分為4層，中間2層冰晶體粒徑較大且氣泡含量較少，為冰蓋熱力生長(zhǎng)區(qū).冰蓋以柱狀晶體居多，粒徑隨深度增加而增加，氣泡含量隨冰蓋密度增加而減少.冰蓋結(jié)構(gòu)特征與污染物分布具有相關(guān)關(guān)系，冰芯密度及氣泡分布與總氮、總磷和CODCr相關(guān)關(guān)系分別為0.8965、0.8718、0.8184，并建立多元回歸模型揭示冰封期湖泊水質(zhì)特征，為季節(jié)性湖泊冰蓋研究及冰封期湖泊水資源規(guī)劃和管理提供理論依據(jù).

污染物分布；冰封期；冰蓋結(jié)構(gòu)；冰體雜質(zhì)；烏梁素海

?2016 by Journal of Lake Sciences

中國(guó)湖泊按照自然環(huán)境、區(qū)域分異和水資源特征，分為東北平原與山地區(qū)、蒙新高原區(qū)、青藏高原區(qū)、東部平原區(qū)和云貴高原區(qū)五大湖區(qū)［1］.蒙新高原區(qū)的烏梁素海地處高緯度地區(qū)，湖泊的冬季冰封時(shí)間長(zhǎng)，冰蓋的生長(zhǎng)將改變湖泊熱交換過程、污染物分布特征及冰下底棲溫度環(huán)境［2］.在污染物濃度較高的淺水湖泊中冰蓋總體積約占全湖總體積的1/2～2/3，季節(jié)性冰蓋既是污染物載體，又是冬季冰下液態(tài)水成為高濃縮狀態(tài)的驅(qū)動(dòng)因素之一［3-4］，因此研究湖冰環(huán)境下污染物的遷移轉(zhuǎn)化過程與湖泊冰芯結(jié)構(gòu)特征，對(duì)于研究湖泊生長(zhǎng)機(jī)制及深入研究寒區(qū)湖泊污染機(jī)理不容忽視.

然而在整個(gè)冰封期中進(jìn)行湖泊冰蓋生長(zhǎng)過程的連續(xù)觀測(cè)非常困難，姜慧琴等［5-6］采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M不同PH值及溫度條件下，烏梁素海水體凍、融過程中營(yíng)養(yǎng)鹽及重金屬的釋放規(guī)律；張巖等［7］通過室外人工池模擬研究烏梁素海冰封期實(shí)際氣溫條件下，冰體生長(zhǎng)特征及污染物遷移規(guī)律.然而模擬實(shí)驗(yàn)忽略了眾多影響因素，結(jié)果勢(shì)必與自然狀態(tài)有一定差距.LePP?ranta認(rèn)為湖泊冰芯樣品組構(gòu)分析可以獲取存儲(chǔ)在冰蓋各層及冰晶體中的冰體生長(zhǎng)過程的信息［2］；Gow和Govoni通過觀測(cè)溫帶季節(jié)性冰蓋的物理和結(jié)構(gòu)特征用于研究冰蓋垂向生長(zhǎng)規(guī)律［8］.Li等通過人工冰和自然冰對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在淡水冰蓋縱向剖面中，冰晶體類型、晶體尺寸、氣泡形狀、氣泡大小及百分含量隨著冰體密度自上而下變化著［9-10］.Shi等在南極海冰研究中，認(rèn)為冰蓋晶體組構(gòu)與熱能散失的關(guān)系對(duì)于冰體物理特征及其鹽度分布有重要意義［11］.因此，本文利用2013-2014年冰封期在內(nèi)蒙古烏梁素海取得的冰芯試樣，首次從冰晶結(jié)構(gòu)、冰密度及污染物分布等方面，分析烏梁素海湖泊冰蓋特征及污染物分布規(guī)律，研究冰封期淺水富營(yíng)養(yǎng)化湖泊冰蓋生長(zhǎng)機(jī)制.

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

烏梁素海（40°36′～41°03′N，108°43′～108°57′E）位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西部，河套平原東端，烏拉特前旗境內(nèi)，水深1.4～3.1 m，水面面積為283 km2，蘆葦區(qū)占湖面的45.8%～51.5%，是全球范圍內(nèi)同緯度荒漠半荒漠干旱地區(qū)中最大的濕地草型湖泊，也是中國(guó)第八大淡水湖，已列入國(guó)際重要濕地名錄.主要承納來自河套灌區(qū)農(nóng)田退水及周邊村鎮(zhèn)的工業(yè)廢水與生活污水，經(jīng)紅圪卜揚(yáng)水站匯入湖區(qū)，最終由西山咀匯入黃河，其中農(nóng)業(yè)退水?dāng)y帶有大量營(yíng)養(yǎng)鹽一同匯入，加速了烏梁素海的富營(yíng)養(yǎng)化.湖泊所在地區(qū)四季更替明顯，多年平均氣溫為7.3℃，一般從每年11月初進(jìn)入冰封期，到次年3月末至4月初開始融化，約有4～5個(gè)月處于冰層覆蓋階段.多年冰蓋平均厚度為0.63 m.2013年10月24日薄冰初現(xiàn)到2014年4月15日冰蓋開始消融期間，最低氣溫為-20.1℃，整個(gè)冰封期連續(xù)氣溫零度以下共持續(xù)103 d.

1.2采樣方法

出于安全及樣品完整性考慮，根據(jù)多年氣象資料，一般在每年的12月底到1月中旬，即烏梁素海進(jìn)入完全冰封階段，進(jìn)行冬季樣本采集和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作.在烏梁素海主要湖區(qū)布設(shè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（圖1），于2014年1月16日，利用GPS定位系統(tǒng)在湖上確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置進(jìn)行取樣.

在每個(gè)測(cè)點(diǎn)標(biāo)記正北方向，拍照記錄，每間隔2 m鉆取3根完整冰芯試樣（V、H、C）并標(biāo)記正北，H冰芯試樣進(jìn)行水平晶體切片和內(nèi)部氣泡分布分析；V冰芯試樣用作垂向晶體結(jié)構(gòu)切片及宏觀氣泡形態(tài)觀測(cè)；C冰芯試樣作為冰密度測(cè)量及備份.在冷庫(kù)-15℃的條件下，將冰芯以5～7 cm一層進(jìn)行分割，分別制備水平及豎直方向的切片.圖2a為I12縱向切片，將所需斷面貼在略高于0℃的玻璃片上，標(biāo)記該樣品信息，用刨刀將冰樣磨薄至1～2 mm（取決于單層氣泡的厚度）.在黑色背景下觀測(cè)氣泡分布、正交偏光鏡費(fèi)氏臺(tái)下觀測(cè)冰晶結(jié)構(gòu)［12］.第3根冰芯試樣分層后，采用質(zhì)量體積法進(jìn)行密度測(cè)量，融化后進(jìn)行污染物濃度檢測(cè).總氮（TN）濃度采用過硫酸鉀氧化紫外線分光光度法測(cè)定，總磷（TP）濃度采用鉬銻抗分光光度法測(cè)定，化學(xué)需氧量（CODCr）濃度采用密封消解法進(jìn)行測(cè)定［13］.

受湖泊中不同水深、流速和水生植物疏密程度的影響，采樣點(diǎn)的冰芯結(jié)構(gòu)存在差異，但總體上，冰蓋的結(jié)構(gòu)可分為表層（初冰層）、中層、近底層和底層.I12點(diǎn)的水深和流速為全湖平均水平，水生植物較少，冰芯較完整，在本文中可以代表整個(gè)湖泊冰蓋的基本特征，因此以I12點(diǎn)為例描述烏梁素海冰蓋內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征.

圖1　烏梁素海采樣點(diǎn)示意Fig.1 Distribution of samPling sites of Lake Ulansuhai

2　結(jié)果

2.1冰蓋中污染物垂向分布特征

對(duì)烏梁素海3組冰芯試樣的污染物進(jìn)行分析，由于各采樣點(diǎn)的冰蓋厚度不同，按每5 cm為一層進(jìn)行劃分的層數(shù)就不同，為了能夠更清晰地反映冰蓋中污染物的垂向分布特征，以每個(gè)冰芯試樣厚度為其單位厚度，將不同深度的污染物濃度折算成冰蓋厚度百分比對(duì)應(yīng)的污染物濃度.圖3為烏梁素海冰芯試樣中TN、TP和CODCr濃度垂向分布.不同采樣點(diǎn)的各污染物濃度垂向變化有所差異，總體上隨著深度的增加呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì).表層（0～2.5%）和底層（85%～100%）的污染物濃度較大，中層（2.5%～50%）及近底層（50%～85%）冰體中的污染物濃度較低.

圖2　I12冰芯縱向及水平向晶體剖面和水平晶體C-軸方位分布Fig.2 Vertical and horizontal crystal Profiles and crystal C-section of I12 ice core

2.2冰蓋內(nèi)部組構(gòu)特征

2.2.1冰晶體類型和晶體尺寸分析 I12點(diǎn)的冰芯試樣H全長(zhǎng)39 cm，按每5 cm一層取水平剖面，其中I12-1 為0.2 cm處，為該點(diǎn)冰蓋首層剖面，共制作9個(gè)水平切片.I12-H冰芯試樣水平剖面晶體粒徑分布見表1.表層（I12-1）即初冰層，晶粒較細(xì)碎，為多邊形，晶體平均粒徑為9.60 mm，最大粒徑為14.79 mm，都為整個(gè)冰芯最小值；I12-2、I12-3、I12-4代表冰芯中層，結(jié)合I12點(diǎn)的冰芯試樣V的縱向剖面（圖2a），隨著冰蓋厚度的增加，晶體結(jié)構(gòu)以柱狀冰為主，冰晶體粒徑有所增加，平均粒徑為20.25 mm，冰芯試樣最大粒徑為29.94 mm；I12-5、I12-6、I12-7、I12-8為冰芯試樣近底層，冰晶體粒徑呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，平均粒徑為16.52 mm，冰芯試樣最大粒徑為24.05 mm；I12-9為冰芯試樣底層，冰晶體顆粒尺寸突增且個(gè)數(shù)減少，平均粒徑為29.08 mm，最大粒徑為34.02 mm.

表1　I12-H冰芯試樣水平剖面晶體粒徑分布Tab.1 Crystal size distribution in horizontal section of Point I12

晶體C-軸特征可以體現(xiàn)冰蓋的光學(xué)特征和物理性質(zhì).將I12-H的水平切片置于費(fèi)氏旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，讀取方位角和傾角，投影后繪制在Schmidt等面積正交網(wǎng)格上，得到C-軸的組構(gòu)圖［14］.如圖2c所示，I12-1-H和I12-2-H的晶體C-軸大致為環(huán)形分布，呈現(xiàn)隨機(jī)分布規(guī)律，為各向同性材料，在I12-3-H～I(xiàn)12-4-H平面內(nèi)稍有優(yōu)勢(shì)取向，屬于平面內(nèi)定向分布，方向?yàn)镹NW-SSE，因此冰蓋的中層為各向異性材料，上層、近底層及底層為各向同性材料.

2.2.2冰芯氣泡特征 冰芯氣泡含量不僅可以影響冰蓋的導(dǎo)熱系數(shù)，而且從一定程度上改變了冰下水體與冰上大氣的導(dǎo)熱通道和形式［15］.同時(shí)由于空氣的折射率不同于純水，導(dǎo)致光的折射、反射、散射途徑改變，使得進(jìn)入冰下水體的日照強(qiáng)度和輻射總量減弱，影響水生生物的生長(zhǎng)［16］，所以氣泡含量是冰蓋重要的物理特征.對(duì)冰芯試樣縱向切片在正常光照射下進(jìn)行拍照，如圖3，借鑒李志軍等［12］的冰晶體圖像分析方法，得到氣泡數(shù)據(jù)，I12冰芯試樣縱向剖面氣泡特征見表2，可將0～5 cm層視為表層，該層氣泡稀疏且等效直徑變化范圍較大；5～20 cm位于冰芯試樣中層，氣泡較少且較細(xì)??；20～32 cm位于冰芯試樣近底層，氣泡含量明顯增加，垂向?qū)訝罘植?，其氣泡等效直徑較大；32～39 cm層為冰芯試樣底層，氣泡較大且出現(xiàn)層狀分布.整個(gè)冰芯氣泡平均含量為0.158%～8.050%，平均等效直徑為0.324 mm，最大可達(dá)9.961 mm.

2.2.3密度特征 密度也是反映冰蓋結(jié)構(gòu)特征的重要參數(shù)，天然淡水冰蓋是純冰晶、氣泡和雜質(zhì)包裹體的混合物，故其密度隨其內(nèi)部各組分含量變化而變化［17］.全湖冰蓋密度在垂向上變化趨勢(shì)較一致.

圖3　冰芯內(nèi)總氮、總磷、CODCr濃度垂向分布Fig.3 Distribution of total nitrogen，total PhosPhorus and CODCrconcentrations along vertical direction in ice cores

表2　I12冰芯試樣縱向剖面氣泡特征Tab.2 Gas bubble characteristic in vertical section of I12 ice core

由于各采樣點(diǎn)的冰厚度不一，為方便橫向比較，以每個(gè)冰芯厚度為其單位厚度，將不同深度的密度折算成冰厚百分比對(duì)應(yīng)的密度（圖4）.表層冰芯密度較小，變化范圍為0.79～0.93 g/cm3，平均值為0.86 g/cm3；中層密度稍有增大，在0.88～0.96 g/cm3之間變動(dòng)，平均值為0.91 g/cm3；近底層密度較均勻，變化范圍為0.87～0.94 g/cm3，平均值為0.90 g/cm3；底層部密度較大，在0.86～0.96 g/cm3之間變動(dòng)，平均值為0.91 g/cm3.

圖4　冰蓋垂向密度變化Fig.4 Ice density changes along vertical direction in ice core

3　討論

每年10月末至11月中旬烏梁素海迎來第一次大幅度降溫，夜間湖水表層結(jié)冰，若遇次日晴暖，白天即可融化.直至12月初，日間溫度也降至零度以下，由于日間的陽(yáng)光照射和湖水?dāng)_動(dòng)，部分初冰發(fā)生融化或碎裂，但已處于過冷狀態(tài)，若遇夜間溫度驟降，初次冰蓋就此形成，全湖平均為1.3 cm.此時(shí)冰晶體發(fā)育不完全，所形成的冰蓋晶體粒徑較?。?4］.然而這層冰蓋改變了湖水與大氣的熱量交換過程，也阻斷了風(fēng)對(duì)于冰下水體的擾動(dòng)，隨著低溫的持續(xù)，冰晶體在較為穩(wěn)定的環(huán)境中開始生長(zhǎng)，晶粒尺寸顯著增加；由于受到相鄰晶體水平方向上的擠壓限制，晶體選擇向下延伸［18］，此時(shí)形成的冰蓋多為柱狀冰，主要以熱力生長(zhǎng)為主，為冰體主要生長(zhǎng)區(qū)［19］.

冰體凍結(jié)過程中，初冰往往在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)完成，湖水由液相轉(zhuǎn)化為固相時(shí)，溶解在液相中的氣體來不及逃逸，形成氣泡鑲嵌在冰體內(nèi)［20］，由于形成環(huán)境與降水，湖面風(fēng)浪的擾動(dòng)，湖水溫度的不穩(wěn)定等因素的影響，表層的氣體細(xì)小繁多，分布雜亂；中層冰體由于已由表層冰蓋阻隔了大部分大氣環(huán)境變化的影響［21］，冰體在相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境中生長(zhǎng)，只受到光照、氣溫及水溫變化的影響，如果生長(zhǎng)緩慢，冰晶完整發(fā)育，氣泡及污染物濃度較低.基底層冰晶延續(xù)中層，主要以柱狀冰為主，但此時(shí)冰蓋已有一定厚度，具有隔熱作用，加之液態(tài)水濃度增大，冰點(diǎn)下降，冰蓋生長(zhǎng)較慢，污染物濃度顯著下降.底層是冰蓋與液態(tài)水的接觸面，冰蓋結(jié)構(gòu)相對(duì)松散，所含污染物濃度較高.

3.1冰蓋密度與氣泡分布特征分析

冰蓋氣泡與密度分布是冰體結(jié)構(gòu)最直觀的2個(gè)參數(shù).空氣密度遠(yuǎn)小于純冰，所以天然冰的密度與氣泡含量呈反比.如圖5（a）所示，I12冰芯縱向剖面氣泡分布與垂向量密度變化具有相反的趨勢(shì).然而二者并不是顯著的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，這是由于氣泡的產(chǎn)生受初始?xì)怏w溶解量、水溫、微生物作用、液態(tài)水流流速及底棲生物產(chǎn)氣作用等多種因素的影響.在這些因素共同作用下，冰蓋生長(zhǎng)中夾帶的氣泡呈現(xiàn)隨著冰厚的增大而增多的趨勢(shì).在近底層區(qū)域出現(xiàn)大氣泡的層狀分布，間隔為1.5～2.5 cm，這是晝夜氣溫與光照交替變化共同作用的結(jié)果.

3.2冰蓋結(jié)構(gòu)和冰中污染物分布特征分析

污染物在冰體中的遷移不僅受冰生長(zhǎng)速率的影響，還會(huì)受到冰體內(nèi)部物理、化學(xué)和生物過程的影響.不同深度上氣泡含量不僅影響冰蓋垂向密度變化，氣泡的成因、光學(xué)作用和與晶體共存方式也使得污染物分布與密度變化呈現(xiàn)出緊密的相關(guān)性.

圖5　冰蓋密度與氣泡含量垂向分布（a）及密度與各污染物濃度垂向分布趨勢(shì)對(duì)比（b）Fig.5 Density and bubble Percentage distribution（a）and each Pollutant concentration distribution comPared with density changes along vertical direction in ice core

從I12點(diǎn)的TN、TP及CODCr在冰蓋中的垂向濃度分布可以看出（圖5），各污染物濃度與密度變化呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，對(duì)污染物濃度和冰體密度及氣泡含量分別做回歸分析，發(fā)現(xiàn)污染物濃度與冰蓋密度呈二次函數(shù)關(guān)系，與氣泡含量呈一次函數(shù)關(guān)系，污染物濃度分布受兩者共同影響，二者不獨(dú)立，所以建立方程形式如下：

式中，C為污染物濃度（mg/L），ρ為冰體密度（g/cm3）；Va為冰體氣泡含量（%）；a、b、c、d、e為擬合系數(shù).

用2根較長(zhǎng)冰芯I12（9層）和J11（11層）的冰結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)與TN、TP和CODCr進(jìn)行二元回歸，得到回歸方程，相關(guān)系數(shù)分別為0.8965、0.8718和0.8184（圖6）.冰蓋在形成過程中，將冰層污染物排入湖泊水體，造成冰下水體污染物濃縮，利用擬合方程結(jié)合冰厚及冰蓋結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)可以對(duì)冰體排除污染物總量及冰蓋對(duì)冰下水體污染物濃縮作用進(jìn)行更精確地量化分析.

圖6　冰結(jié)構(gòu)特征與污染物垂向變化關(guān)系擬合圖及擬合方程Fig.6 Surface fitting for the relation between ice structure characteristics and the Pollutant vertical distributions and their fitting equation

4　結(jié)論

通過對(duì)2013-2014年湖泊冰蓋冰芯物理結(jié)構(gòu)及污染物濃度分布進(jìn)行研究，以蒙新高原區(qū)的烏梁素海為研究對(duì)象，分析冰封期湖泊冰蓋物理結(jié)構(gòu)特征，從物理特征的角度闡述冰蓋中污染物分布規(guī)律，為今后寒區(qū)湖泊污染物運(yùn)移過程研究提供新思路.

冰蓋污染物濃度垂向分布與冰體結(jié)構(gòu)特征具有較好的相關(guān)關(guān)系，結(jié)合入湖水量、水質(zhì)、冰厚及建立的多元回歸模型，可以預(yù)測(cè)冰蓋在生長(zhǎng)過程中冰下水環(huán)境的水質(zhì)狀況，為冬季湖泊水環(huán)境監(jiān)測(cè)及水資源調(diào)控方案制定提供了一定的理論依據(jù).

與其他地區(qū)的湖泊相比，季節(jié)性冰蓋對(duì)于高緯度地區(qū)湖泊的生態(tài)過程具有特殊的影響作用［22］.冬季冰蓋浮于液態(tài)水之上，減少湖水熱能的散失，卻也影響光照、阻隔大氣與冰下水環(huán)境氣體交換，未來深入研究湖泊冰蓋的光學(xué)特征，熱通量等將有助于進(jìn)一步闡明冰蓋對(duì)于湖泊生態(tài)過程的影響.

致謝：感謝“河、湖、濕地水環(huán)境保護(hù)與修復(fù)技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)”的各位老師和同學(xué)在野外采樣工作及論文完成過程中所給予的無私幫助.

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Lmpact of seasonaL ice structure characteristics on ice cover impurity distributions in Lake ULansuhai

YANG Fang，LI Changyou**，SHI Xiaohong，ZHAO Shengnan&HAO Yazhou
（Inner Mongolia Agricultural University，College of Water Conservancy and Civil Engineering，Hohhot 010018，P.R.China）

Investigation and analysis of ice core on Lake Ulansuhai from ice season of 2013 to 2014，observational Parameter included ice thickness，examination of ice crystal tyPe and bubble structure contributing to the ice cover，measurements of total nitrogen（TN），total PhosPhorus（TP）and chemical oxygen demand（CODCr）.The Preliminary analyses were as follows：the ice cores were divided into four layers.The two middle layers were the mainly thermal ice growth areas.The ice cover was consisted of columnar-crystal ice for the most Part，and the crystal size increased with the ice-cover dePth and the gas content decreased with the increase of density.The content of contaminates（TN，TP，CODCr）were significantly correlated with density and gas content（rTN= 0.8965，rTP=0.8718 and rCODCr=0.8184），and we resPectively established the multiPle regression equation to reveal the lake water quality characteristics in frozen Period.It Provides theory basis for seasonal ice-cover study and water resources Planning and management in ice season.

Nutrient distributions；ice season；ice crystal structure；ice imPurities；Lake Ulansuhai

10.18307/2016.0226

*國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（51339002）和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51269017，51169017）聯(lián)合資助.2016-01-05收稿；2016-01-11收修改稿.楊芳（1986～），女，博士研究生；E-mail：ffff.yyyy@sina.com.

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；E-mail：nndlichangyou@163.com.