包頭南海湖冰封期不同形態(tài)氮的空間分布

楊文煥，齊 璐，李衛(wèi)平，樊愛萍，苗春林，于玲紅*

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，包頭 014010；2.包頭市生態(tài)濕地保護管理中心，包頭 014010；3.包頭黃河國家濕地公園管理，包頭 014010）

湖泊為自然界水循環(huán)重要組成部分，淡水湖泊為人類活動提供水源，也是水產(chǎn)養(yǎng)殖重要基地。近年來，水環(huán)境惡化與水體富營養(yǎng)化嚴(yán)重。氮為評價湖泊水環(huán)境質(zhì)量重要化學(xué)指標(biāo)，反映水體質(zhì)量優(yōu)劣，也影響其生態(tài)價值。研究水體氮污染狀況對優(yōu)化水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境及生態(tài)保護具重要意義。水環(huán)境中氮元素分為無機氮和有機氮兩種形式，其中無機氮又以氨氮，硝態(tài)氮，亞硝態(tài)氮等形式存在[1]。水生植物可在生物體內(nèi)將無機氮轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C氮，而水生生物新陳代謝又在細菌作用下將有機氮轉(zhuǎn)變?yōu)闊o機氮，因此不同形態(tài)無機氮含量不僅間接反映水體質(zhì)量，也在水環(huán)境氮循環(huán)中起重要作用[2]。在冰封期，一方面由于特殊環(huán)境條件及低溫冷凍過程對水體中污染物存在濃縮效應(yīng)，各種形態(tài)氮含量呈現(xiàn)不同特點[3]，另一方面，低溫和低溶解氧濃度使魚蝦等水生生物生存環(huán)境惡化，影響產(chǎn)量。

包頭南海湖地處蒙新高原，為中西部寒旱區(qū)典型城市湖泊，季節(jié)性冰封期使其有不同于其他湖泊特點。李興等分析內(nèi)蒙古烏梁素海不同形態(tài)氮時空分布[4]，趙海超等探究洱海上覆水不同形態(tài)氮時空分布特征[5]，王秋娟等揭示太湖北部三個湖區(qū)各形態(tài)氮空間分布特征[6]，均屬淡水湖泊氮污染研究。冰封期特殊氣候環(huán)境條件，湖泊氮污染特征研究較少。本研究以包頭南海湖為研究對象，通過分析南海湖冰封期不同形態(tài)氮空間分布特點，了解南海湖冰封期不同區(qū)域氮污染狀況，深入探索冰封期氮素水體遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，為包頭南海湖冰封期氮污染治理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

南海湖位于我國內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市東河區(qū)（40°30′8″N～40°33′32″N，109°59′2″E～110°2′26″E），以黃河水為補水水源，作為我國中西部干旱與半干旱地區(qū)城市湖泊。南接黃河，北依青山，與內(nèi)蒙古鄂爾多斯市隔河相望，為黃河河道南移后留存河段。湖泊位于中溫帶，屬大陸性季風(fēng)氣候，年均降水量約307.4 mm，年均蒸發(fā)量約2 342 mm，年均氣溫約8.5℃，光照充足，光能資源與漁業(yè)資源豐富。漁業(yè)養(yǎng)殖是南海湖重點開發(fā)核心產(chǎn)業(yè)。由于地處高原寒旱區(qū)，包頭南海湖冰封期從11月至次年3月，長達5個月。

1.2 采樣點布設(shè)

在南海湖平面空間上以200 m×200 m為單位距離作正方形網(wǎng)格化，在此正方形網(wǎng)格交匯點布設(shè)20個采樣點，采樣點均勻分布于整個湖面。采樣點位置使用GPS定位儀定位，具體采樣點布設(shè)見圖1。

圖1 采樣點布設(shè)Fig.1 Sampling sites

綜合考量各種因素，將南海湖劃分為進水口區(qū)、旅游開發(fā)區(qū)、保護區(qū)及出水口區(qū)。進水口區(qū)為引入黃河入水口處，南海湖定期開閘放水，從黃河補充水源，保證南海湖整體水質(zhì)和水量相對穩(wěn)定；旅游開發(fā)區(qū)位于湖面中心，一座湖心島位于旅游開發(fā)區(qū)內(nèi)，島內(nèi)設(shè)施完善，游客較多；景區(qū)管理處為改善南海湖水質(zhì)，劃定一片區(qū)域為保護區(qū)；出水口區(qū)位于整個湖體東北部地區(qū)，與市內(nèi)河網(wǎng)相連。整個南海湖周邊及湖心島周圍伴生有眾多類型水草，如蘆葦，香蒲等，影響湖水水質(zhì)。根據(jù)功能區(qū)域劃分，各區(qū)域內(nèi)均勻布設(shè)采樣點，保證試驗準(zhǔn)確性。具體分區(qū)見表1。

1.3 樣品采集

于2017年12月（湖冰已完全凍實）在南海湖不同區(qū)域內(nèi)20個采樣點取樣，在湖面上破冰鉆孔，分別取冰樣和冰下水樣，盡量保證冰體完整且不受污染，將冰體敲碎，于2 000 mL聚乙烯瓶中密封保存。用柱狀采樣器取冰下0.5 m和泥上0.5 m處水樣混合，保證測量結(jié)果可客觀反映不同采樣點水質(zhì)，將混合水樣于1 000 mL聚乙烯瓶中保存。采樣前聚乙烯瓶用去離子水反復(fù)清洗，取樣后立刻帶回實驗室，室內(nèi)自然融化后，立即檢測。

1.4 測定項目與方法

本研究檢測指標(biāo)為水溫、溶解氧、電導(dǎo)率、鹽度、溶解性總固體、pH、氧化還原電位，總氮，氨氮，硝態(tài)氮，亞硝態(tài)氮。理化指標(biāo)采用便攜式水質(zhì)檢測儀現(xiàn)場檢測；不同形態(tài)氮含量根據(jù)國家環(huán)境保護總局《水和廢水監(jiān)測分析方法》所述方法檢測，具體方法見表2。用SX751便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀（購自上海五相儀器儀表有限公司）測定理化指標(biāo)，采用UV-1200紫外可見分光光度計（購自上海美析儀器有限公司）作不同形態(tài)氮檢測。

1.5 數(shù)據(jù)處理

所取水樣與冰樣均作3次平行試驗，平均值為最終結(jié)果，相對偏差控制在5%以內(nèi)。采用ArcGIS軟件根據(jù)各采樣點總氮、氨氮、硝酸-形態(tài)氮濃度值空間分布圖，以顏色深淺代表濃度。

表1 南海湖功能區(qū)劃分Table 1 Functional zoning in Nanhai Lake

表2 各種形態(tài)氮檢測方法Table 2 Methods for thedetermination of water quality indicators

2 結(jié)果與分析

2.1 不同形態(tài)氮在水中空間分布

南海湖不同形態(tài)氮空間分布情況見圖2。冰封期水體中總氮含量為2.286～5.988 mg·L-1，氨氮為1.049～3.436 mg·L-1，硝態(tài)氮為0.019～0.059 mg·L-1，亞硝態(tài)氮為0.016～0.069 mg·L-1。從全湖范圍看，其空間分布整體呈東高西低之勢，湖泊中心旅游開發(fā)區(qū)及東北部出水口區(qū)污染物濃度較高，進水口區(qū)及保護區(qū)污染物濃度較低。

圖2 不同形態(tài)氮空間分布Fig.2 Spatial distribution of different nitrogen forms

由于湖泊西南部區(qū)域（進水口區(qū)）為引入黃河水入口處，污染物稀釋，污染物濃度較低，水質(zhì)較好，氮濃度也相應(yīng)較低。湖中心（旅游開發(fā)區(qū)）由于湖心島存在，污染物排放難以避免。湖心島周圍水生植物腐爛使氮含量升高。湖泊北岸（NH6及NH9）一帶原為入湖排污口，雖現(xiàn)已截流，但附近沉積物中污染物濃度仍較高，影響水體中污染物含量。在湖泊東北部一定區(qū)域范圍內(nèi)濕地管理處人為設(shè)保護區(qū)，采取相應(yīng)措施（如禁止游船進入等）及修復(fù)手段，水質(zhì)有所改善。

NH20點附近位于湖泊出口處，一方面冬季水生植物腐爛變質(zhì)水質(zhì)變差；另一方面由于長年出水，沉積物中污染物質(zhì)堆積，影響水質(zhì)。NH19由于水質(zhì)較差，氮含量較高。浮游植物如藻類等可通過新陳代謝將水環(huán)境中無機氮吸收利用，降低水體氮含量[7-8]，但由于冰封期水體溫度較低，浮游植物新陳代謝受到抑制[9]，對無機氮吸收有限，間接提高氮含量。

2.2 不同形態(tài)氮在冰水體系中空間分布

不同形態(tài)氮在冰水體系中空間分布見圖3。

總體來說，冰體中各種形態(tài)氮含量均小于水體中含量，濃度越大，冰水體系中，同一取樣點冰水濃度差距越大。對比分析湖中各點位冰封期水體和冰體各種形態(tài)氮濃度可知，總氮、氨氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮在水體中含量分別是冰體中含量 1.79～3.33 倍 、 1.99～7.05 倍 、 1.31～3.13 倍 、1.41～2.77倍，故遷移效果為氨氮＞總氮＞硝態(tài)氮＞亞硝態(tài)氮。這是由于冰凍過程存在濃縮效應(yīng)，污染物由冰體向水體遷移轉(zhuǎn)化，濃度越大，遷移速度越快。湖水在低溫環(huán)境下結(jié)冰，有害物質(zhì)溶解度降低，從逐漸結(jié)冰冰體中析出，形成臨界尺寸冰核可能性增強，更利于冰形成。王曉云等研究指出，南海子濕地水體中硝態(tài)氮占總氮百分比高于亞硝態(tài)氮占總氮百分比，而冰體中亞硝態(tài)氮含量占總氮百分比大于硝態(tài)氮占總氮百分比[3]，本研究中，冰體中硝態(tài)氮含量在總氮中占比為1.1%，冰體中亞硝態(tài)氮含量在總氮中占比為1.4%，水體中硝態(tài)氮含量在總氮中占比為1.98%，水體中亞硝態(tài)氮含量在總氮中占比為1.02%，與王曉云所研究結(jié)果吻合。

圖3 不同形態(tài)氮冰水體系中分布特征Fig.3 Distribution characteristics of different types of nitrogen ice-water system

2.3 影響不同形態(tài)氮含量空間分布特征因素分析

試驗結(jié)果表明，冰封期南海湖氨氮分布趨勢與總氮有相似之處，其含量達總氮一半以上，為無機氮主要存在形式。一般意義來講，氨氮主要來源為工農(nóng)業(yè)廢水和生活污水排放。對于冰封期南海湖而言，水生植物腐敗變質(zhì)為氨氮主要來源[9]。在氨化菌作用下，水生植物遺體中有機氮被轉(zhuǎn)化為氨氮，因此在湖泊中水生植物生長密集區(qū)域（包括沿岸地區(qū)及湖心島周邊地區(qū)）氨氮濃度較高。另外，湖心島中生活垃圾及禽類糞便也增加氨氮濃度。水生植物作用使湖泊氮元素濃度產(chǎn)生重大變化。南海湖屬于淺水草型湖泊，每年進入秋冬季，水生植物凋亡，在微生物作用下植物殘體被分解，體內(nèi)氮素釋放到水體中[10]。研究指出，在秋冬季水中植物殘體中氮元素41%釋放進入水體，水體氮含量升高[11-12]。南海湖不僅受工農(nóng)業(yè)和旅游業(yè)發(fā)展污染危害，多元化污染源使其水環(huán)境壓力嚴(yán)峻。

硝化作用為產(chǎn)生硝態(tài)氮主要過程。溶解氧濃度、溫度、BOD、氨氮濃度、pH、硝化細菌和亞硝化菌數(shù)量等均會對硝化作用產(chǎn)生影響[13]。由圖2可知，硝態(tài)氮空間分布特征在冰封期，植物遺體在細菌作用下分解，水中溶解氧被大量消耗，在增強反硝化作用同時減弱硝化作用，較低溫度也抑制硝化作用，南海湖硝態(tài)氮濃度下降[14]。在水生植物密度較高區(qū)域（也為氨氮濃度較高區(qū)域），有機氮濃度較高，BOD濃度較高，異養(yǎng)型微生物快速繁殖，硝化菌在快速繁殖異養(yǎng)菌競爭下無法獲得必需營養(yǎng)物質(zhì)，使硝化反應(yīng)減弱[15]。另外，較高氨氮濃度也會抑制硝化反應(yīng)[16]。亞硝態(tài)氮為硝化反應(yīng)與反硝化反應(yīng)中間產(chǎn)物，硝化反應(yīng)時，對于硝化菌來說最適宜pH為8.0～8.5，當(dāng)pH＞8.5時，硝化菌受抑制，對反硝化菌影響較小[17]。試驗檢測結(jié)果顯示在硝態(tài)氮濃度較低區(qū)域，pH較高，可從側(cè)面解釋在硝態(tài)氮濃度較低區(qū)域，亞硝態(tài)氮濃度往往較高原因。冰封期缺氧條件也使反硝化作用更易進行，有利于亞硝態(tài)氮積累。另外，氨氮濃度也影響亞硝態(tài)氮濃度。

3 討論

從氮循環(huán)方面考慮，氨在有氧條件下經(jīng)硝化作用，不斷脫氫氧化，生成亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮，給南海湖水體帶來富營養(yǎng)化問題。硝態(tài)氮、氨氮、亞硝態(tài)氮三者在總氮中所占比例不同，彼此間通過各種生化作用相互轉(zhuǎn)化，其含量變化存在內(nèi)在聯(lián)系，因此通過分析3種形態(tài)氮變化規(guī)律可研究水體氮循環(huán)及富營養(yǎng)化問題。

雖然不同形態(tài)氮之間相互轉(zhuǎn)化機理基本相同，但由于環(huán)境條件及水利條件差異，不同水域不同形態(tài)氮相互轉(zhuǎn)化差異較大。以西湖為例，尤愛菊在研究西湖氮污染特征時，將旅游業(yè)帶來污染作為主要立足點[11]。馬培等在研究河流反硝化過程及其在河流氮循環(huán)與氮去除中作用時，將徑流污染，岸邊影響等作為重要研究內(nèi)容[7]。本研究由于湖面狀況影響因素較多，因而需考慮多方面影響。既有岸邊水生植物因素，也有入湖河流影響，還有旅游區(qū)干擾，成分較為復(fù)雜。

南海湖氨氮含量最高，硝態(tài)氮濃度和亞硝態(tài)氮濃度較低。硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮經(jīng)硝化作用產(chǎn)生，主要受水體中溶解氧、pH值和溫度影響。通過各種形態(tài)氮濃度分布圖可知，南海湖湖心島周圍區(qū)域，植被覆蓋區(qū)域及出口區(qū)反硝化作用和氨化作用強烈，水體呈還原狀態(tài)，明顯高于入水口區(qū)域及保護區(qū)，營養(yǎng)化程度高，水質(zhì)惡化嚴(yán)重。亞硝態(tài)氮和氨氮含量較高區(qū)域，水生植物密集，腐敗變質(zhì)嚴(yán)重，溶解氧消耗較多，加之在冰封期水體無法得到大氣復(fù)氧，溶解氧含量較低，增強反硝化作用，亞硝態(tài)氮濃度升高。南海湖冰封期總氮，氨氮及亞硝態(tài)氮空間分布趨于一致，硝態(tài)氮空間分布與其相反。

氮污染將直接沖擊南海湖漁業(yè)生產(chǎn)。低溫降低鯉魚窒息點，低溶解氧濃度使鯉魚生存環(huán)境極度惡化。影響魚類生存另一個重要因素為氨氮含量，沈成鋼等分析氨態(tài)氮在低溫下對魚急性毒性時指出，水體中氨氮流經(jīng)魚類等水生生物時，進入其體內(nèi)細胞，過多氨氮使魚類排泄負擔(dān)加重，血氨濃度急劇升高，pH濃度上升，需在酸性環(huán)境下才能發(fā)揮作用的酶被抑制，血液氧氣運輸受嚴(yán)重阻礙，可造成魚類窒息死亡[18]。另外，水生生物滲透性在高氨氮環(huán)境中會急劇下降，內(nèi)部離子濃度顯著降低，制約其正常生長。

本研究僅從各種形態(tài)氮空間分布上，探討包頭南海湖冰封期氮污染特征，并未分析和探索深層次原因。氮存在形式轉(zhuǎn)化與微生物作用密不可分，在冰封期，由于溫度和溶解氧變化，微生物種類和作用方式也不同，有待進一步探索和研究。

4 結(jié)論

a.包頭南海湖冰封期水中總氮含量為2.286～5.988 mg·L-1，氨氮為1.049～3.436 mg·L-1，硝態(tài)氮為0.019～0.059 mg·L-1，亞硝態(tài)氮0.016～0.069 mg·L-1。氨氮含量最高，可達總氮50%以上，硝態(tài)氮濃度和亞硝態(tài)氮濃度較低。冰體中各種形態(tài)氮含量均小于水體中含量，濃度越大，冰水體系中，同一取樣點冰水濃度差距越大。

b.湖心島周圍區(qū)域，植被覆蓋區(qū)域及出口區(qū)反硝化作用和氨化作用強烈，水體呈還原狀態(tài)，明顯高于入水口區(qū)域及保護區(qū)富營養(yǎng)化程度高，水質(zhì)惡化嚴(yán)重?？偟钡皝喯鯌B(tài)氮空間分布趨于一致，硝態(tài)氮空間分布與其相反。由于冰封期水體結(jié)冰過程中存在濃縮效應(yīng)，污染物由冰體向水體中遷移轉(zhuǎn)化，濃度越大，遷移速度越快。其中，硝態(tài)氮遷移濃縮效應(yīng)強于亞硝態(tài)氮。

c.包頭南海湖冰封期氮污染主要由污染物排放及水生植物腐敗造成。在強調(diào)經(jīng)濟快速發(fā)展同時，南海湖不可避免被人為破壞，水體逐步呈現(xiàn)富營養(yǎng)化，水產(chǎn)養(yǎng)殖受沖擊，冰封期氮污染問題亟待解決。

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