包头南海湖冰封期不同形态氮的空间分布

杨文焕，齐 璐，李卫平，樊爱萍，苗春林，于玲红*

（1.内蒙古科技大学能源与环境学院，包头 014010；2.包头市生态湿地保护管理中心，包头 014010；3.包头黄河国家湿地公园管理，包头 014010）

湖泊为自然界水循环重要组成部分，淡水湖泊为人类活动提供水源，也是水产养殖重要基地。近年来，水环境恶化与水体富营养化严重。氮为评价湖泊水环境质量重要化学指标，反映水体质量优劣，也影响其生态价值。研究水体氮污染状况对优化水产养殖环境及生态保护具重要意义。水环境中氮元素分为无机氮和有机氮两种形式，其中无机氮又以氨氮，硝态氮，亚硝态氮等形式存在[1]。水生植物可在生物体内将无机氮转变为有机氮，而水生生物新陈代谢又在细菌作用下将有机氮转变为无机氮，因此不同形态无机氮含量不仅间接反映水体质量，也在水环境氮循环中起重要作用[2]。在冰封期，一方面由于特殊环境条件及低温冷冻过程对水体中污染物存在浓缩效应，各种形态氮含量呈现不同特点[3]，另一方面，低温和低溶解氧浓度使鱼虾等水生生物生存环境恶化，影响产量。

包头南海湖地处蒙新高原，为中西部寒旱区典型城市湖泊，季节性冰封期使其有不同于其他湖泊特点。李兴等分析内蒙古乌梁素海不同形态氮时空分布[4]，赵海超等探究洱海上覆水不同形态氮时空分布特征[5]，王秋娟等揭示太湖北部三个湖区各形态氮空间分布特征[6]，均属淡水湖泊氮污染研究。冰封期特殊气候环境条件，湖泊氮污染特征研究较少。本研究以包头南海湖为研究对象，通过分析南海湖冰封期不同形态氮空间分布特点，了解南海湖冰封期不同区域氮污染状况，深入探索冰封期氮素水体迁移转化规律，为包头南海湖冰封期氮污染治理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

南海湖位于我国内蒙古自治区包头市东河区（40°30′8″N～40°33′32″N，109°59′2″E～110°2′26″E），以黄河水为补水水源，作为我国中西部干旱与半干旱地区城市湖泊。南接黄河，北依青山，与内蒙古鄂尔多斯市隔河相望，为黄河河道南移后留存河段。湖泊位于中温带，属大陆性季风气候，年均降水量约307.4 mm，年均蒸发量约2 342 mm，年均气温约8.5℃，光照充足，光能资源与渔业资源丰富。渔业养殖是南海湖重点开发核心产业。由于地处高原寒旱区，包头南海湖冰封期从11月至次年3月，长达5个月。

1.2 采样点布设

在南海湖平面空间上以200 m×200 m为单位距离作正方形网格化，在此正方形网格交汇点布设20个采样点，采样点均匀分布于整个湖面。采样点位置使用GPS定位仪定位，具体采样点布设见图1。

图1 采样点布设Fig.1 Sampling sites

综合考量各种因素，将南海湖划分为进水口区、旅游开发区、保护区及出水口区。进水口区为引入黄河入水口处，南海湖定期开闸放水，从黄河补充水源，保证南海湖整体水质和水量相对稳定；旅游开发区位于湖面中心，一座湖心岛位于旅游开发区内，岛内设施完善，游客较多；景区管理处为改善南海湖水质，划定一片区域为保护区；出水口区位于整个湖体东北部地区，与市内河网相连。整个南海湖周边及湖心岛周围伴生有众多类型水草，如芦苇，香蒲等，影响湖水水质。根据功能区域划分，各区域内均匀布设采样点，保证试验准确性。具体分区见表1。

1.3 样品采集

于2017年12月（湖冰已完全冻实）在南海湖不同区域内20个采样点取样，在湖面上破冰钻孔，分别取冰样和冰下水样，尽量保证冰体完整且不受污染，将冰体敲碎，于2 000 mL聚乙烯瓶中密封保存。用柱状采样器取冰下0.5 m和泥上0.5 m处水样混合，保证测量结果可客观反映不同采样点水质，将混合水样于1 000 mL聚乙烯瓶中保存。采样前聚乙烯瓶用去离子水反复清洗，取样后立刻带回实验室，室内自然融化后，立即检测。

1.4 测定项目与方法

本研究检测指标为水温、溶解氧、电导率、盐度、溶解性总固体、pH、氧化还原电位，总氮，氨氮，硝态氮，亚硝态氮。理化指标采用便携式水质检测仪现场检测；不同形态氮含量根据国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》所述方法检测，具体方法见表2。用SX751便携式多参数水质分析仪（购自上海五相仪器仪表有限公司）测定理化指标，采用UV-1200紫外可见分光光度计（购自上海美析仪器有限公司）作不同形态氮检测。

1.5 数据处理

所取水样与冰样均作3次平行试验，平均值为最终结果，相对偏差控制在5%以内。采用ArcGIS软件根据各采样点总氮、氨氮、硝酸-形态氮浓度值空间分布图，以颜色深浅代表浓度。

表1 南海湖功能区划分Table 1 Functional zoning in Nanhai Lake

表2 各种形态氮检测方法Table 2 Methods for thedetermination of water quality indicators

2 结果与分析

2.1 不同形态氮在水中空间分布

南海湖不同形态氮空间分布情况见图2。冰封期水体中总氮含量为2.286～5.988 mg·L-1，氨氮为1.049～3.436 mg·L-1，硝态氮为0.019～0.059 mg·L-1，亚硝态氮为0.016～0.069 mg·L-1。从全湖范围看，其空间分布整体呈东高西低之势，湖泊中心旅游开发区及东北部出水口区污染物浓度较高，进水口区及保护区污染物浓度较低。

图2 不同形态氮空间分布Fig.2 Spatial distribution of different nitrogen forms

由于湖泊西南部区域（进水口区）为引入黄河水入口处，污染物稀释，污染物浓度较低，水质较好，氮浓度也相应较低。湖中心（旅游开发区）由于湖心岛存在，污染物排放难以避免。湖心岛周围水生植物腐烂使氮含量升高。湖泊北岸（NH6及NH9）一带原为入湖排污口，虽现已截流，但附近沉积物中污染物浓度仍较高，影响水体中污染物含量。在湖泊东北部一定区域范围内湿地管理处人为设保护区，采取相应措施（如禁止游船进入等）及修复手段，水质有所改善。

NH20点附近位于湖泊出口处，一方面冬季水生植物腐烂变质水质变差；另一方面由于长年出水，沉积物中污染物质堆积，影响水质。NH19由于水质较差，氮含量较高。浮游植物如藻类等可通过新陈代谢将水环境中无机氮吸收利用，降低水体氮含量[7-8]，但由于冰封期水体温度较低，浮游植物新陈代谢受到抑制[9]，对无机氮吸收有限，间接提高氮含量。

2.2 不同形态氮在冰水体系中空间分布

不同形态氮在冰水体系中空间分布见图3。

总体来说，冰体中各种形态氮含量均小于水体中含量，浓度越大，冰水体系中，同一取样点冰水浓度差距越大。对比分析湖中各点位冰封期水体和冰体各种形态氮浓度可知，总氮、氨氮、硝态氮、亚硝态氮在水体中含量分别是冰体中含量 1.79～3.33 倍 、 1.99～7.05 倍 、 1.31～3.13 倍 、1.41～2.77倍，故迁移效果为氨氮＞总氮＞硝态氮＞亚硝态氮。这是由于冰冻过程存在浓缩效应，污染物由冰体向水体迁移转化，浓度越大，迁移速度越快。湖水在低温环境下结冰，有害物质溶解度降低，从逐渐结冰冰体中析出，形成临界尺寸冰核可能性增强，更利于冰形成。王晓云等研究指出，南海子湿地水体中硝态氮占总氮百分比高于亚硝态氮占总氮百分比，而冰体中亚硝态氮含量占总氮百分比大于硝态氮占总氮百分比[3]，本研究中，冰体中硝态氮含量在总氮中占比为1.1%，冰体中亚硝态氮含量在总氮中占比为1.4%，水体中硝态氮含量在总氮中占比为1.98%，水体中亚硝态氮含量在总氮中占比为1.02%，与王晓云所研究结果吻合。

图3 不同形态氮冰水体系中分布特征Fig.3 Distribution characteristics of different types of nitrogen ice-water system

2.3 影响不同形态氮含量空间分布特征因素分析

试验结果表明，冰封期南海湖氨氮分布趋势与总氮有相似之处，其含量达总氮一半以上，为无机氮主要存在形式。一般意义来讲，氨氮主要来源为工农业废水和生活污水排放。对于冰封期南海湖而言，水生植物腐败变质为氨氮主要来源[9]。在氨化菌作用下，水生植物遗体中有机氮被转化为氨氮，因此在湖泊中水生植物生长密集区域（包括沿岸地区及湖心岛周边地区）氨氮浓度较高。另外，湖心岛中生活垃圾及禽类粪便也增加氨氮浓度。水生植物作用使湖泊氮元素浓度产生重大变化。南海湖属于浅水草型湖泊，每年进入秋冬季，水生植物凋亡，在微生物作用下植物残体被分解，体内氮素释放到水体中[10]。研究指出，在秋冬季水中植物残体中氮元素41%释放进入水体，水体氮含量升高[11-12]。南海湖不仅受工农业和旅游业发展污染危害，多元化污染源使其水环境压力严峻。

硝化作用为产生硝态氮主要过程。溶解氧浓度、温度、BOD、氨氮浓度、pH、硝化细菌和亚硝化菌数量等均会对硝化作用产生影响[13]。由图2可知，硝态氮空间分布特征在冰封期，植物遗体在细菌作用下分解，水中溶解氧被大量消耗，在增强反硝化作用同时减弱硝化作用，较低温度也抑制硝化作用，南海湖硝态氮浓度下降[14]。在水生植物密度较高区域（也为氨氮浓度较高区域），有机氮浓度较高，BOD浓度较高，异养型微生物快速繁殖，硝化菌在快速繁殖异养菌竞争下无法获得必需营养物质，使硝化反应减弱[15]。另外，较高氨氮浓度也会抑制硝化反应[16]。亚硝态氮为硝化反应与反硝化反应中间产物，硝化反应时，对于硝化菌来说最适宜pH为8.0～8.5，当pH＞8.5时，硝化菌受抑制，对反硝化菌影响较小[17]。试验检测结果显示在硝态氮浓度较低区域，pH较高，可从侧面解释在硝态氮浓度较低区域，亚硝态氮浓度往往较高原因。冰封期缺氧条件也使反硝化作用更易进行，有利于亚硝态氮积累。另外，氨氮浓度也影响亚硝态氮浓度。

3 讨论

从氮循环方面考虑，氨在有氧条件下经硝化作用，不断脱氢氧化，生成亚硝态氮、硝态氮，给南海湖水体带来富营养化问题。硝态氮、氨氮、亚硝态氮三者在总氮中所占比例不同，彼此间通过各种生化作用相互转化，其含量变化存在内在联系，因此通过分析3种形态氮变化规律可研究水体氮循环及富营养化问题。

虽然不同形态氮之间相互转化机理基本相同，但由于环境条件及水利条件差异，不同水域不同形态氮相互转化差异较大。以西湖为例，尤爱菊在研究西湖氮污染特征时，将旅游业带来污染作为主要立足点[11]。马培等在研究河流反硝化过程及其在河流氮循环与氮去除中作用时，将径流污染，岸边影响等作为重要研究内容[7]。本研究由于湖面状况影响因素较多，因而需考虑多方面影响。既有岸边水生植物因素，也有入湖河流影响，还有旅游区干扰，成分较为复杂。

南海湖氨氮含量最高，硝态氮浓度和亚硝态氮浓度较低。硝态氮和亚硝态氮经硝化作用产生，主要受水体中溶解氧、pH值和温度影响。通过各种形态氮浓度分布图可知，南海湖湖心岛周围区域，植被覆盖区域及出口区反硝化作用和氨化作用强烈，水体呈还原状态，明显高于入水口区域及保护区，营养化程度高，水质恶化严重。亚硝态氮和氨氮含量较高区域，水生植物密集，腐败变质严重，溶解氧消耗较多，加之在冰封期水体无法得到大气复氧，溶解氧含量较低，增强反硝化作用，亚硝态氮浓度升高。南海湖冰封期总氮，氨氮及亚硝态氮空间分布趋于一致，硝态氮空间分布与其相反。

氮污染将直接冲击南海湖渔业生产。低温降低鲤鱼窒息点，低溶解氧浓度使鲤鱼生存环境极度恶化。影响鱼类生存另一个重要因素为氨氮含量，沈成钢等分析氨态氮在低温下对鱼急性毒性时指出，水体中氨氮流经鱼类等水生生物时，进入其体内细胞，过多氨氮使鱼类排泄负担加重，血氨浓度急剧升高，pH浓度上升，需在酸性环境下才能发挥作用的酶被抑制，血液氧气运输受严重阻碍，可造成鱼类窒息死亡[18]。另外，水生生物渗透性在高氨氮环境中会急剧下降，内部离子浓度显著降低，制约其正常生长。

本研究仅从各种形态氮空间分布上，探讨包头南海湖冰封期氮污染特征，并未分析和探索深层次原因。氮存在形式转化与微生物作用密不可分，在冰封期，由于温度和溶解氧变化，微生物种类和作用方式也不同，有待进一步探索和研究。

4 结论

a.包头南海湖冰封期水中总氮含量为2.286～5.988 mg·L-1，氨氮为1.049～3.436 mg·L-1，硝态氮为0.019～0.059 mg·L-1，亚硝态氮0.016～0.069 mg·L-1。氨氮含量最高，可达总氮50%以上，硝态氮浓度和亚硝态氮浓度较低。冰体中各种形态氮含量均小于水体中含量，浓度越大，冰水体系中，同一取样点冰水浓度差距越大。

b.湖心岛周围区域，植被覆盖区域及出口区反硝化作用和氨化作用强烈，水体呈还原状态，明显高于入水口区域及保护区富营养化程度高，水质恶化严重。总氮，氨氮及亚硝态氮空间分布趋于一致，硝态氮空间分布与其相反。由于冰封期水体结冰过程中存在浓缩效应，污染物由冰体向水体中迁移转化，浓度越大，迁移速度越快。其中，硝态氮迁移浓缩效应强于亚硝态氮。

c.包头南海湖冰封期氮污染主要由污染物排放及水生植物腐败造成。在强调经济快速发展同时，南海湖不可避免被人为破坏，水体逐步呈现富营养化，水产养殖受冲击，冰封期氮污染问题亟待解决。

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