蘆曉峰,郭軼男,,王國曦,姜 霞,王 坤*

呼倫湖流域磷形態(tài)分布及顆粒態(tài)磷的溯源

蘆曉峰1,郭軼男1,2,王國曦2,姜 霞2,王 坤2*

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院,遼寧 沈陽 110866；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院,湖泊水污染治理與生態(tài)修復(fù)技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室,國家環(huán)境保護(hù)湖泊污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012)

選擇呼倫湖研究區(qū)23個點(diǎn)位,調(diào)查呼倫湖流域水體中不同形態(tài)磷的濃度,利用復(fù)合指紋識別技術(shù)解析沉積物顆粒態(tài)磷(PP)來源及不同來源對PP相對貢獻(xiàn).結(jié)果表明:呼倫湖流域水體總磷(TP)濃度范圍為0.04～0.33mg/L,平均值為0.14mg/L,水體中顆粒態(tài)磷(PP)占TP比例范圍為45.79%～92.78%.呼倫湖沉積物PP來源主要為退化草地(34.1%～100.0%)、其次為草地(0%～50.7%)和農(nóng)田(0%～15.2%);烏爾遜河沉積物PP來源主要為退化草地(49.4%～57.1%)和草地(42.9%～50.6%);新開河沉積物PP來源是退化草地(100%);引河濟(jì)湖(人工河) 沉積物PP來源主要是退化草地(83.6%).本研究為呼倫湖流域磷污染的治理及湖泊水環(huán)境的改善提供了理論依據(jù).

呼倫湖；磷；溯源；復(fù)合指紋法

磷是生物生長所需的關(guān)鍵營養(yǎng)元素,也是造成湖泊富營養(yǎng)化和有害藻華爆發(fā)的主要營養(yǎng)因子[1].在自然水體中,磷被分為溶解性磷(DTP)和顆粒態(tài)磷(PP),其中顆粒態(tài)磷(PP)是水體總磷(TP)的主要賦存形式,在我國近海水體及淺水湖泊中占總磷的比例可達(dá)50%以上[2].在營養(yǎng)物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化過程中,部分DTP被泥沙吸附形成PP沉積在湖泊底泥中;當(dāng)存在外界物理化學(xué)擾動或者在生物化學(xué)作用下,沉積物中的磷重新被釋放進(jìn)入水體[3],成為磷素向水體輸出的主要途徑[4-5].研究表明,在切斷外源河流磷輸入后,湖泊底泥中的PP成為水體磷的主要來源[6].

復(fù)合指紋圖譜技術(shù)是研究泥沙來源的有效手段,根據(jù)侵蝕地泥沙組成差異篩選出判別能力最強(qiáng)的指紋識別因子組合,利用復(fù)合指紋模型建立流域沉積物與潛在源地之間的“指紋”連接,定量描述各潛在源地對流域沉積物的貢獻(xiàn)[7].泥沙作為PP輸出的載體,通過復(fù)合指紋識別技術(shù)可以在一定程度上建立PP的輸出與來源之間的對應(yīng)關(guān)系,從而探討不同源地對PP的貢獻(xiàn).已有研究[8]運(yùn)用復(fù)合指紋技術(shù)篩選出最佳指紋組合,分析出三峽庫區(qū)汝溪河支流消落帶泥沙中PP的主要來源是長江干流懸移質(zhì)和汝溪河上游懸移質(zhì).

呼倫湖位于內(nèi)蒙古呼倫貝爾草原腹地,是我國內(nèi)陸高緯度地帶最大的草原型湖泊,對維系呼倫貝爾大草原的生物多樣性及豐富動植物資源起著重要作用[9].但受氣候條件的變化及周邊人類活動的影響,呼倫湖出現(xiàn)面積減小、水位下降、水質(zhì)惡化、水體富營養(yǎng)化等一系列生態(tài)環(huán)境問題[10].呼倫湖水體中的磷常年處于GB3838-2007《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的V類-劣V類水平,是呼倫湖水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵限制性因子[11].

本文以呼倫湖及其主要入湖河流作為研究對象,探明流域土壤、湖泊(河流)沉積物及水體磷元素空間分布.基于現(xiàn)場調(diào)查和文獻(xiàn)分析確定林地、農(nóng)田、草地和退化草地為呼倫湖流域沉積物顆粒態(tài)磷的來源,利用復(fù)合指紋識別技術(shù)估算不同土地利用類型土壤的相對貢獻(xiàn),揭示了呼倫湖流域沉積物顆粒態(tài)磷的泥沙來源,為呼倫湖流域的綜合治理與生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

呼倫湖(48°33′～49°20′N,116°58′～117°48′E)位于內(nèi)蒙古呼倫貝爾市新巴爾虎右旗、新巴爾虎左旗和滿洲里市扎賚諾爾區(qū)之間,是內(nèi)蒙古最大的湖泊,也是中國第四大淡水湖.呼倫湖湖面面積2086.48km2,平均水深5.33m,湖長93km,蓄水量達(dá)120億m3,地處溫帶大陸性氣候地區(qū),春季炎熱短促,冬季嚴(yán)寒漫長,湖水于11月上旬封冰并于次年5月初解凍,冰封期170～180d,是我國封凍期較長的湖泊[12].呼倫湖的湖水主要來源于海拉爾河、克魯倫河,以及從東部把它與貝爾湖連接起來的烏爾遜河,東北部的新開河是一條吞吐性河流,當(dāng)海拉爾河水大時,河水順著新開河匯入呼倫湖,當(dāng)呼倫湖水量大時,水又順此河流入額爾古納濕地,水少時則成為內(nèi)陸湖.呼倫湖的引河濟(jì)湖(人工河)的運(yùn)行加強(qiáng)了呼倫湖與海拉爾河的水力連通,目前也是呼倫湖水資源補(bǔ)給的重要通道之一[13].

1.2 樣品采集

在研究區(qū)域呼倫湖、克魯倫河、烏爾遜河、新開河和引河濟(jì)湖人工河共設(shè)置23個采樣點(diǎn).克魯倫河布設(shè)K0、K1、K2、K3、K4、K5共6個采樣點(diǎn).采樣點(diǎn)主要土地利用類型為草地,有著明顯牧業(yè)活動,K0為克魯倫河入湖河口;烏爾遜河布設(shè)W0、W1、W2、W3、W4、W5共6個點(diǎn),主要土地利用類型為草地,部分河流沿岸區(qū)域有一定數(shù)量的防護(hù)林帶,有著明顯牧業(yè)活動,W0為烏爾遜河入湖河口;新開河布設(shè) X0、X1、X2、X3、X4共5個點(diǎn),該河流域人類活動較為明顯,附近存在居民區(qū)和農(nóng)田等,X0為新開河入湖河口;引河濟(jì)湖布設(shè)U0、U1、U2 共3個點(diǎn),其主要土地利用類型為退化草地,沙化嚴(yán)重,U0為引河濟(jì)湖入湖河口;呼倫湖布設(shè)H1、H2、H3共3個點(diǎn).

本次樣品采集于2020年11月下旬～12月上旬進(jìn)行,采樣點(diǎn)位置如圖1所示.取0.3m水面下1.5L水樣裝入塑料瓶中,并用抓泥斗采集底泥,同時采岸邊土壤樣品(林地3個、農(nóng)田3個、草地9個、退化草地8個,共23個).所采集樣品及時運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室,全部保存于4℃冰箱中,分析待用.

圖1 研究區(qū)域位置及采樣點(diǎn)分布

審圖號GS(2019)1822

1.3 研究方法

1.3.1 水體磷測定方法 水體的總磷(TP)濃度使用采集的原水樣進(jìn)行測定,測定溶解性總磷(DTP)、無機(jī)磷(IP)濃度需將原水經(jīng)0.45μm的混合纖維濾膜過濾后測定.TP和DTP均采用過硫酸鉀消解鉬銻抗分光光度法測定,對于濾后液不進(jìn)行過硫酸鉀氧化分解而直接進(jìn)行鉬銻抗比色法,得到IP濃度.DOP濃度利用DTP和IP差減法獲得,顆粒態(tài)磷(PP)濃度利用TP和DTP差減法獲得[14].

1.3.2 沉積物與土壤基本理化性質(zhì)和重金屬測定 沉積物與土壤樣品置于冷凍干燥機(jī)冷干2～3d,凍干后壓碎、翻動,剔除石塊、植物根莖等雜物,用木棒研壓后通過60目土壤篩.土壤和沉積物中的總碳(TC)和總氮(TN)采用元素分析儀(Elemental Analyzer, vario EL Cube)測定;重鉻酸鉀氧化-分光光度法(HJ 615-2011)測定土壤和沉積物中的有機(jī)碳(OC);H2O2-HNO3-HF消解土壤和沉積物后,使用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-OES, PerkinElmer OPTIMA8300)測定P、K、Na、Ca、Mg、Cu、Pb、Zn、Mn等金屬元素.

1.3.3 復(fù)合指紋分析法 (1)復(fù)合指紋因子篩選利用Kruskal-Wallis H檢驗(yàn)篩選可用于研究區(qū)域泥沙來源的指紋識別因子.這種方法的零假設(shè)是所有泥沙來自于同一源地,將Hcacl值與卡方檢驗(yàn)結(jié)果(Hcritical)相比,當(dāng)Hcacl>Hcritical時,則零假設(shè)被拒絕,表明該因子可以區(qū)別泥沙來源,若Hcad< Hcritical時,則不能拒絕零假設(shè),不符合指紋因子的篩選條件.

式中:s為源地秩和;n為源地樣本個數(shù);為所有源地樣本數(shù)量總和.

基于多元判別分析找到最佳復(fù)合指紋組合[15].其主要判別依據(jù)為Wilks'Lambda值,每步以Wilks'Lambda的概計量最小的進(jìn)入判別函數(shù),λ如下式可得:

式中:SSerror為組內(nèi)離差平方和;SSstreat為組間離差平方和.多元判別分析復(fù)合指紋因子判別率大于80%的可以作為最佳復(fù)合指紋因子組合.

(2)源地泥沙貢獻(xiàn)度分析利用多元混合模型,建立不同源地土壤與沉積泥沙中最佳指紋因子的定量關(guān)系,得到各泥沙源地泥沙貢獻(xiàn)百分比[16].模型函數(shù)如下:

將得出貢獻(xiàn)率的泥沙樣品做擬合優(yōu)度(GOF)檢驗(yàn),一般認(rèn)為當(dāng)GOF大于0.8時,最優(yōu)化混合模型計算結(jié)果可信[17].公式如下:

式(3)和(4)中:es為殘差平方和;ssi為研究對象沉積泥沙中指紋識別因子的濃度;P為泥沙源地的泥沙貢獻(xiàn)百分比;C為泥沙源地中指紋識別因子的平均濃度;為泥沙源地數(shù)量;為指紋識別因子的數(shù)量.

(3)源地顆粒態(tài)磷(PP)貢獻(xiàn)度計算查閱文獻(xiàn)和水文資料確定不同研究區(qū)土壤顆粒態(tài)磷(PP)輸出系數(shù).再結(jié)合之前監(jiān)測和處理的數(shù)據(jù),計算得出不同源地土壤顆粒態(tài)磷(PP)貢獻(xiàn)比,計算公式如下[18]:

式中:L為泥沙源地土壤PP貢獻(xiàn)率;R為泥沙源地土壤PP輸出系數(shù);為泥沙源地土壤TP平均濃度;P為用地類型的泥沙貢獻(xiàn)率;為泥沙源地個數(shù).

1.4 數(shù)據(jù)分析

本文采用Excel 2010和SPSS 16.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計,采樣點(diǎn)空間分布圖利用Arcgis 10.6進(jìn)行繪制和提取,其它分布圖利用Origin 2019b進(jìn)行繪制.

2 結(jié)果與討論

2.1 呼倫湖流域土地利用類型及土壤基本理化性質(zhì)

如表1,土壤TP濃度與土地利用方式有關(guān),4種土地利用類型土壤中TP濃度平均值由大到小依次為農(nóng)田(969mg/kg)、草地(656mg/kg)、林地(552mg/kg)、退化草地(444mg/kg).由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中人為活動向土壤中輸入磷導(dǎo)致農(nóng)田土壤TP濃度最高,而退化草地土地沙化嚴(yán)重,對營養(yǎng)元素儲存能力較弱,容易水土流失,導(dǎo)致土壤TP濃度最低0.呼倫湖4種土地利用類型土壤中TN、TC、OC濃度平均值由大到小均依次為草地、林地、農(nóng)田、退化草地.草地和林地TC(35.5和24.5mg/kg)、OC(29.6和25.6mg/kg)的平均濃度顯著高于農(nóng)田和退化草地TC(22.5和18.1mg/kg)、OC(22.4和19.9mg/kg)的平均濃度;草地土壤TN濃度平均值最高,達(dá)2687mg/kg,而退化草地土壤TN濃度平均值最低,僅為1469mg/kg.土壤TC、OC以及TN的主要來源是植物地上部分的凋落物及地下根系,隨著人為開發(fā)利用和過度畜牧,土壤中的有機(jī)質(zhì)濃度逐漸降低,且導(dǎo)致土壤TN流失[19-20].

表1 呼倫湖流域土地利用類型及土壤基本理化性質(zhì)

2.2 呼倫湖流域沉積物基本理化性質(zhì)

呼倫湖及主要出入湖河流沉積物基本理化性質(zhì)分布如表2.呼倫湖湖區(qū)及四條河流采樣點(diǎn)沉積物TP濃度平均值由大到小依次為呼倫湖、新開河、克魯倫河、烏爾遜河、引河.沉積物TN濃度平均值由大到小依次為新開河、烏爾遜河、克魯倫河、引河、呼倫湖;沉積物TC濃度平均值由大到小依次為新開河、克魯倫河、烏爾遜河、呼倫湖、引河;沉積物OC濃度平均值由大到小依次為新開河、克魯倫河、烏爾遜河、引河、呼倫湖.新開河作為吞吐性河流,在呼倫湖收縮期時湖水水位下降,向呼倫湖補(bǔ)給供水,新開河由北向南流向呼倫湖,接納了流域內(nèi)的生活污水和牲畜糞便,導(dǎo)致河流沉積物碳、氮濃度偏高.烏爾遜河和克魯倫河沿岸有明顯的牧業(yè)活動,沉積物碳、氮濃度也會相對較高.

表2 呼倫湖流域沉積物基本理化性質(zhì)

2.3 呼倫湖流域水體磷形態(tài)分布

如圖2,呼倫湖湖區(qū)及四條河流采樣點(diǎn)水體總磷(WTP)濃度平均值由大到小依次為引河、克魯倫河、呼倫湖、烏爾遜河、新開河.呼倫湖各采樣點(diǎn)WIP、DOP、PP、WTP濃度分布如圖3.呼倫湖所有采樣點(diǎn)的WTP濃度的變化范圍為0.04～0.33mg/L,平均值為0.14mg/L,最大值出現(xiàn)在引河的U0點(diǎn)位,最小值出現(xiàn)在烏爾遜河的W4點(diǎn)位和新開河的X0點(diǎn)位,顯著超過地表水富營養(yǎng)化總磷標(biāo)準(zhǔn)(0.1mg/L)的采樣點(diǎn)高達(dá)15個,說明呼倫湖流域有較高的水體富營養(yǎng)化風(fēng)險.本研究結(jié)果與張博等[11]2019年冬季于呼倫湖流域所測得的WTP濃度(0.09～0.36mg/L)結(jié)果類似,但明顯低于于海峰等[9]于2011～2020年的測試值(0.13～0.60mg/L),主要原因可能是由于呼倫湖水質(zhì)季節(jié)性差異顯著,TP濃度春夏高于秋冬,且于海峰等的觀測時間跨度長,流域自然與社會條件發(fā)生了變化.

圖2 呼倫湖及主要入湖河流WTP濃度

各采樣點(diǎn)的PP濃度范圍在0.02～0.24mg/L,最大值在呼倫湖湖區(qū)的W0點(diǎn)位,最小值在烏爾遜河的W4點(diǎn)位,PP在TP的占比范圍為45.79%～92.78%,平均值為72.59%,可以說明呼倫湖各采樣點(diǎn)中磷以顆粒態(tài)為主,溶解于水體中的磷占少部分.DOP的濃度范圍在0.003～0.3mg/L,最大值在呼倫湖的H1點(diǎn)位,最小值在克魯倫河的K0和新開河的X0點(diǎn)位.IP濃度在各個采樣點(diǎn)中變化很大,濃度范圍為0.004～ 0.164mg/L,IP濃度顯著超過地表水富營養(yǎng)化的標(biāo)準(zhǔn)(0.03mg/L)的點(diǎn)位有5個.各個采樣點(diǎn)中IP與DOP的比值范圍在0.03～8.5之間,表明呼倫湖水質(zhì)的磷指標(biāo)變異很大,部分水體中磷的礦化程度高.

2.4 呼倫湖流域土地利用類型對沉積物及水體磷的影響

研究表明,呼倫湖流域沉積物磷主要通過周圍土壤顆粒物輸入[21].如圖4顯示,呼倫湖流域土壤TP與沉積物TP呈顯著的正相關(guān)關(guān)系,但整個流域無論是土壤TP還是沉積物TP與呼倫湖流域水體磷之間相關(guān)性均不顯著.以土壤和沉積物基本理化指標(biāo)以及水體磷形態(tài)作為主成分分析因子,對23個采樣點(diǎn)進(jìn)行聚類分析.結(jié)果顯示主成分因子在X軸上的占比為55.2%,在Y軸上的占比為20.7%.未受干擾土壤樣點(diǎn)區(qū)(草地+林地)和受干擾土壤樣點(diǎn)區(qū)(退化草地+農(nóng)田)在95%的置信區(qū)間內(nèi)能被顯著區(qū)分開.其中,未受干擾區(qū)域樣點(diǎn)的主要聚類成分因子為呼倫湖流域沉積物和土壤基本理化性質(zhì);而受干擾區(qū)域樣點(diǎn)的主要聚類成分因子為水體中不同磷形態(tài).相關(guān)性分析也表明,在呼倫湖流域未受干擾區(qū)域土壤TP、沉積物TP與WTP、DOP以及PP呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系;而受干擾區(qū)土壤TP、沉積物TP與WTP呈顯著正相關(guān)關(guān)系.這表明土地退化是呼倫湖流域水體磷主要影響因素(圖6、圖7).部分研究顯示,呼倫湖流域土地沙化嚴(yán)重,水土流失嚴(yán)重導(dǎo)致大量營養(yǎng)鹽輸入水體是導(dǎo)致水體磷濃度偏高的主要原因[22][23].

圖4 呼倫湖流域不同類型采樣點(diǎn)主成分分析

圖5 退化草地土壤和未受干擾土壤有機(jī)碳和土壤總磷的擬合

有機(jī)質(zhì)作為土壤重要理化指標(biāo),對沉積物和水體磷累積和形態(tài)有重要影響[24-25].在呼倫湖流域,未受干擾區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)與沉積物磷和有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)關(guān)系,但和水體WTP、PP及DOP呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖7).表明未受干擾區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)可能是沉積物有機(jī)質(zhì)和磷的主要來源,土壤有機(jī)質(zhì)的賦存有效減少了土壤磷向水體的輸移.已有研究證實(shí),土壤有機(jī)質(zhì)能有效緩解土壤沙化,減少土壤磷流失,增加土壤磷賦存[26][27].通過對呼倫湖流域土壤有機(jī)碳(SOC)和土壤TP擬合發(fā)現(xiàn),在未受干擾區(qū)(草地+林地)隨著土壤有機(jī)碳減少,土壤磷流失速度逐漸加快;而在受干擾區(qū)(退化草地),SOC濃度與TP濃度呈線性擬合.主要原因可能是土壤有機(jī)質(zhì)中本身富含磷元素,同時能促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成,有效貯存磷營養(yǎng)鹽;而當(dāng)土壤有機(jī)質(zhì)流失時,土壤大團(tuán)聚體分解朝沙化趨勢發(fā)展,貯存的磷營養(yǎng)鹽迅速流失,少量的磷元素主要通過有機(jī)質(zhì)貯存[28].如圖5顯示,兩條擬合線在SOC濃度為14.07mg/kg處相交,表明當(dāng)呼倫湖流域SOC低于14.07mg/kg時,可以認(rèn)為土壤退化,對磷營養(yǎng)鹽的貯存能力逐漸減弱.

Fig 6 Heatmap of the correlation between soil basic properties, sediments basic properties and water phosphorus in the undisturbed area of Hulun Lake Basin

(a)未受干擾區(qū)域 (b)受干擾區(qū)域

2.5 呼倫湖沉積物磷來源解析

2.5.1 最佳復(fù)合指紋因子組合的確定 本研究以Na、Al、K、Cr、Mn、Fe、Cu、Zn、Cd、Sn、Pb作為各類源地土壤待選指紋因子進(jìn)行初步篩選(表S1;表S2);基于Kruskal-Wallis H[15]檢驗(yàn)后,Na、Al、K、Cd的P值小于0.05,其通過檢驗(yàn),可作為初步篩選的指紋因子.經(jīng)多元判別分析,指紋因子累積判別率最高的組合為K和Cd,分別達(dá)68.2%和100.0%,因此作為識別泥沙來源的最佳指紋因子組合,并通過判別函數(shù)預(yù)測土壤樣品,全部判別正確.利用多元混合模型,建立不同源地土壤與沉積泥沙中最佳指紋因子的定量關(guān)系,得到各泥沙源地泥沙貢獻(xiàn)百分比[16],烏爾遜河采樣點(diǎn)W2、W3、W4,新開河采用點(diǎn) X1、X3、X4,克魯倫河采樣點(diǎn) K1、K3、K4、K5,引河采樣點(diǎn)U2及呼倫湖采樣點(diǎn) H1、H3、W0、X0、U0的沉積物樣品源地泥沙貢獻(xiàn)擬合優(yōu)度(GOF)值小于0.8,未通過檢驗(yàn).

2.5.2 呼倫湖流域不同源地土壤對沉積物磷的貢獻(xiàn) 對通過GOF檢驗(yàn)的采樣點(diǎn)計算沉積物源地土壤貢獻(xiàn)率(表3).四種潛在源地土壤泥沙貢獻(xiàn)比從高到低依次為退化草地(73.2%)、草地(20.3%)、林地(3.4%)和農(nóng)田(3.1%).草地和退化草地為研究區(qū)域的主要用地類型,退化草地與其他土地用地相比極易產(chǎn)生風(fēng)蝕和水蝕,從而對河流沉積物影響很大.烏爾遜河沉積物(點(diǎn)位W5、W1)的泥沙主要來源于草地和退化草地,草地貢獻(xiàn)度為34.7% ～ 42.1%,退化草地貢獻(xiàn)度為57.9% ～ 65.3%;呼倫湖沉積物(點(diǎn)位H2)泥沙來源主要是退化草地,貢獻(xiàn)度達(dá)100.0%,可能與當(dāng)?shù)夭莸赝嘶瘜?dǎo)致的水土流失有關(guān);新開河沉積物點(diǎn)位X0位于出河口,泥沙來源主要是退化草地(40.3%)和草地(42.4%),點(diǎn)位X2泥沙主要來源為退化草地,貢獻(xiàn)度為100%;引河沉積物(點(diǎn)位U1)沉積物泥沙主要來源于退化草地(75.8%)和農(nóng)田(18.7%).

基于文獻(xiàn)和水文資料調(diào)研,呼倫湖流域林地、農(nóng)田、草地、退化草地土壤顆粒態(tài)磷輸出系數(shù)分別為54%、14%、68%及87%[29-30],對應(yīng)土壤總磷平均濃度分別為552mg/kg、969mg/kg、656mg/kg和444mg/kg(表3);由公式(3)計算得出不同源地土壤對呼倫湖流域沉積物磷貢獻(xiàn)(表3).

4種潛在源地土壤對沉積物磷貢獻(xiàn)比從高到低為退化草地(70.7%)、草地(24.7%)、農(nóng)田(1.5%)、林地(3.1%).烏爾遜河沉積物磷主要來源于草地和退化草地,草地貢獻(xiàn)度為42.9%～50.6%,退化草地貢獻(xiàn)度為49.4%～57.1%;新開河沉積物磷主要來源為退化草地,貢獻(xiàn)度為100%;引河沉積物磷主要來源為退化草地(83.6%)和農(nóng)田(9.2%),還有少量來源于林地(3.5%)和草地(3.8%);呼倫湖沉積物磷來源主要為退化草地,貢獻(xiàn)度為50.7%～100%.樊才睿等[31][32]研究表明,在相同降雨強(qiáng)度下,呼倫湖流域退化草地水土流失最為嚴(yán)重,流失的TP濃度要遠(yuǎn)高于其他土地利用類型,且以PP為主,這與本文研究結(jié)果一致.

總體上,退化草地對于河流(湖泊)沉積物以及沉積物磷的貢獻(xiàn)最高,分別為73.2%和70.7%;盡管農(nóng)田中土壤TP濃度最高,但由于用地類型總體占比較小,對于呼倫湖流域沉積物及沉積物磷的貢獻(xiàn)度最小.

表3 呼倫湖流域不同源地土壤對沉積物及沉積物磷的貢獻(xiàn)

3 結(jié)論

3.1 呼倫湖水體總磷(WTP)濃度范圍為0.05～ 0.34mg/L,平均值為0.14mg/L,顯著超過地表水富營養(yǎng)化總磷標(biāo)準(zhǔn)(0.1mg/L),呼倫湖流域水體中的磷主要以顆粒態(tài)(PP)形式存在.呼倫湖流域水體總磷(WTP)濃度平均值由大到小依次為引河、克魯倫河、呼倫湖、烏爾遜河、新開河.

3.2 呼倫湖流域農(nóng)田土壤總磷濃度最高,達(dá)969mg/kg,退化草地總磷濃度最低,為444mg/kg;流域沉積物總磷濃度平均值由大到小依次為呼倫湖、新開河、克魯倫河、烏爾遜河、引河.

3.3 土壤有機(jī)質(zhì)流失導(dǎo)致的土地退化造成呼倫湖流域土壤磷流失,并影響水體磷濃度和形態(tài)分布,當(dāng)有機(jī)碳濃度低于14.07mg/kg時,可以認(rèn)為土壤退化,降低了對磷營養(yǎng)鹽的貯存能力.

3.4 呼倫湖流域沉積物磷主要來源于周圍不同源地土壤輸入,整個流域沉積物磷和土壤磷呈顯著正相關(guān)關(guān)系.呼倫湖流域退化草地對于河流(湖泊)沉積物以及沉積物磷的貢獻(xiàn)率最高,分別為73.2%和70.7%,其次是草地對河流(湖泊)沉積物及沉積物磷的貢獻(xiàn)率為20.3%和24.7%;盡管農(nóng)田土壤磷濃度最高,但由于用地類型總體占比較小,對于呼倫湖流域沉積物磷的貢獻(xiàn)度最小,僅為1.5%.

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Distribution characteristics of various forms of phosphorus and the traceability of phosphorus in particulate form in Hulun Lake basin.

LU Xiao-feng1, GUO Yi-nan1,2, WANG Guo-xi2, JIANG Xia2, WANG Kun2*

(1.College of Water Conservancy, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China；2.National Engineering Laboratory for Lake Pollution Control and Ecological Restoration, State Environment Protection Key Laboratory for Lake Pollution Control, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China)., 2023,43(9)：4810～4818

In this paper, we selected 23 sites in the Hulun Lake area to analyze the concentration of different phosphorus forms in the sediments of Hulun Lake and its inlet and outlet rivers. The composite fingerprint identification technology was then used to explore the sources of particulate phosphorus (PP) and the relative contributions of different sources. Results showed that the total phosphorus (TP) concentration in Hulun Lake Basin ranged from 0.04 to 0.33mg/L, with an average of 0.14mg/L. The proportions of PP to TP was 45.79% ～ 92.78%. The main source of PP in Hulun Lake sediments was degraded grassland (34.1%～100.0%), followed by grassland (0%～50.7%) and farmland (0%～15.2%). Degraded grassland was also the main source of PP in the sediments of Urson River (49.4%～57.1%), Xinkai River (artificial river, 100%) and Yinhejihu River (artificial river, 83.6%). Grassland contributed an additional 42.9%～50.6% of PP in the Urson River sediments. This study provides a theoretical basis for the control of phosphorus pollution in the Hulun Lake Basin and the improvement of the lake water environment.

Hulun Lake；phosphorus；traceability；composite fingerprinting method

X524

A

1000-6923(2023)09-4810-09

蘆曉峰(1981-),男,遼寧沈陽人,副教授,博士,主要從事水土環(huán)境與生態(tài)工程研究.發(fā)表論文40余篇.13654906041@163.com.

蘆曉峰,郭軼男,王國曦,等.呼倫湖流域磷形態(tài)分布及顆粒態(tài)磷的溯源 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2023,43(9):4810-4818.

Lu X F, Guo Y N, Wang G X, et al. Distribution characteristics of various forms of phosphorus and the traceability of phosphorus in particulate form in Hulun Lake basin [J]. China Environmental Science, 2023,43(9):4810-4818.

2023-02-08

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目(2022YFC3204000)

* 責(zé)任作者, 高級工程師, wangkun@craes.org.cn