乌梁素海盐分在冰-水-沉积物间的分布及迁移特征*
姜 涛，张 生**，赵胜男，史小红，孙 标，刘 禹，田伟东，杜丹丹
【摘 要】 盐分是参与湖泊物质循环的重要成分之一，湖泊盐度增加对湖泊生态系统健康造成了严重的威胁. 乌梁素海总溶解性固体(TDS)和盐度均处于较高的水平，为揭示盐分在冰-水-沉积物中的分布及迁移规律，冰封期在乌梁素海7个采样点采集冰、冰下水和不同深度沉积物样品，分析样品的TDS、Na+和Cl-浓度，得到各自在冰-水间浓度的比值，即分配系数K，并对水-沉积物界面Na+和Cl-的扩散通量进行估算. 结果显示，TDS、Na+和Cl-在冰-水中分配系数K的均值分别为0.02、0.03和0.01，表明在湖水结冰形成冰盖的过程中，随着冰晶的析出，TDS、Na+和Cl-逐渐在水体中浓缩，水体中Na+和Cl-在浓度梯度驱动力作用下，向沉积物间隙水中扩散，估算其扩散通量均值分别为-229和-676 mg/(m2·d). 总之，湖水在冻结过程中，由于冰晶的析出，盐分向冰下水体中迁移，使得盐分浓度在冰下水体中浓缩增加，继而向沉积物中迁移，对湖泊水生态环境构成胁迫. 【期刊名称】湖泊科学 【年(卷),期】2024(031)004 【总页数】7
【关键词】 冰封期；乌梁素海；盐分；分布；迁移；扩散通量
*国家自然科学基金项目(51569019,51509133,51669022,51339002)、内蒙古自然科学基金项目(2016MS0406)和国家重点基础研究发展计划(2017YFE0114800)联合资助. 2024-10-09收稿；2024-01-10收修改稿. 姜涛(1993～)，女，硕士研究生；E-mail: 2697910344@qq.com.
近年来由于气候变暖和人类活动的双重影响，对湖泊生态系统的健康造成了严重的威胁，湖泊盐度增加是其中面临的生态环境问题之一[1-2]. 总溶解性固体(TDS)是指在水中溶解的各类有机物或无机物的总称. 其主要成分有钾离子、钙离子、钠离子、镁离子、碳酸根离子、碳酸氢根离子、硝酸根离子和氯离子. 由于乌梁素海湖泊地处半干旱地区，该区域降水稀少、地表径流补给不丰、蒸发强度超过湖水的补给量[3]，因此TDS浓度高是该区域湖泊最主要的污染特征[4-5]. 乌梁素海湖水中TDS的主要成分是Na+和Cl-[6]，湖泊水体属于[Cl]NaⅢ型水[7]. 天然湖泊中，Na+和Cl-主要来源于岩石的风化、溶解以及火山喷发. 然而随着工农业的发展，大量废水排入湖泊，造成湖泊环境发生一系列变化，水体中Na+和Cl-浓度增加，加剧湖泊的盐化程度，进而影响鱼类等生长，阻碍渔业的发展[8].
乌梁素海冰封期时间较长，冰冻厚度较大，根据冷冻浓缩原理，在湖水结冰过程中，随着冰晶的析出，污染物逐渐在冰下水体中浓缩，甚至累积于湖底沉积物中，加重来年非冰封期湖泊内源污染[9]. 由于自然结冰温度的变化及不同溶质的平衡温度有所差异等因素的影响，污染物在冰体中会有不同程度的残留. 沉积物是各种污染物及其相互作用的载体，既可作为污染物的“源”通过扩散作用向上覆水体中释放污染物，又可作为污染物的“汇”富集水体中的污染物[10]. 水-沉积物界面是环境中水体和沉积物之间的转换区[11]，沉积物间隙水是水-沉积物界面中物质交换的主要媒介，沉积物孔隙是上覆水体和沉积物之间进行物质交换的重要场所[12]. 揭示冰封期乌梁素海冰-水、水-沉积物界面盐分的分布特征和迁移特征，有助于更好地认识乌梁素海的水环境变化过程. 本文以乌梁素海为研究对象，测定了冰封期冰体、水体与沉积物的理化性质，
分析冰体、水体与沉积物间隙水中TDS、Na+和Cl-量，利用Fick第一定律估算了水-沉积物界面Na+和Cl-的扩散通量，明确盐分在冰-水、水-沉积物界面的迁移过程，以期为冰封期湖泊化学环境变化的研究及盐化治理提供数据支撑和科学依据.
1 材料与方法
1.1 研究区概况
乌梁素海(40°36′～41°03′N，108°43′～108°57′E)位于内蒙古巴彦淖尔市乌拉特前旗境内，中国八大淡水湖之一，是黄河流域最大的湖泊，也是内蒙古高原干旱区最典型的浅水草型湖泊. 湖区是南北走向，北宽南窄，湖面平均高程为1018.5 m. 多年平均降水量为224 mm，多年平均蒸发量为1502 mm. 多年平均气温为7.3℃，一般从每年11月初进入冰封期，到次年3月末至4月初开始融化，约有4～5个月处于冰层覆盖阶段，冰封期长达100～130 d，累积负积温为610～800℃·d，多年冰盖平均厚度为0.63 m[9]. 1.2 样品的采集
综合考虑安全性、可操作性、取样的难易程度及乌梁素海的水动力学特征，于2024年2月1日在乌梁素海湖区的7个采样点进行冰样、水样和沉积物的采集工作(图1). 冰样采用自制冰芯取样器(专利号：ZL201120253762.4)采集，水样采用自制多功能采水器(专利号：ZL201020680966.1)采集，沉积物采用自制的真空柱状取泥器进行采集. 采集冰-水界面以上10 cm厚度冰样1层，在每个采样点5 cm深度上采集水样1层，沉积物采集深度为25 cm，每5 cm作为1个样层，共采集5层. 冰样于常温避光融化后测定，水样置于4℃保温箱中保存，24 h内将分割后的沉积物样品以4000转/min离心20 min，取上清
乌梁素海盐分在冰-水-沉积物间的分布及迁移特征
