鄱阳湖水体悬浮物对水柱反硝化的影响

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悬浮物参与下的水柱反硝化是水体脱氮过程的重要环节之一。由于悬浮物与水体之间存在好氧-缺氧-厌氧的微界面,悬浮物往往成为水柱反硝化的热点区域,与沉积物-水界面的反硝化过程以及其他生物膜等反硝化过程一起,共同贡献了水体对氮的去除过程。但是,由于水体的好氧性,悬浮物参与下的水柱反硝化往往被忽视,导致对其的研究十分匮乏。  悬浮物对水柱反硝化的贡献到底有多大,其主要影响因素是什么,是完整回答一个湖泊生态系统对氮的去除机制和能力的重要环节,忽视这一部分反硝化作用,往往导致对生态系统氮的去除功能的低估,尤其是对悬浮物浓度较高的一些高浊度水体。鄱阳湖作为为数不多的通江湖泊,受流域输沙和湖内挖沙影响巨大,而且在枯水期鄱阳湖上下游水力落差大,湖内流速高,水动力扰动作用强,因此,鄱阳湖水体悬浮物含量可高达3 g·L-1,并呈现明显的冬春季高于夏秋季,入江水道尾闾区及采砂区高于开敞湖区等典型特点。但是,悬浮物参与下的鄱阳湖水柱反硝化,其强度如何,对鄱阳湖水体氮的去除能力多大,其影响因素怎样等,目前均不甚明了。  本论文以鄱阳湖悬浮物参与下的水柱反硝化为主要研究内容,采用乙炔抑制法,选择两种不同的悬浮物类型,研究不同模拟条件下悬浮物的反硝化潜力和过程。并选择鄱阳湖水域15个水柱季度采样点(夏季冬季均增加9个湿地采样点),培养研究了悬浮物参与下鄱阳湖水体反硝化的时空变化特征,并对鄱阳湖水体悬浮物影响因素进行了统计学手段分析和进一步的室内模拟试验。结果表明:  1.厌氧与好氧环境下的水体悬浮物均可以产生反硝化作用,反硝化动力学曲线均符合逻辑斯谛模型。反硝化产物N2O和呼吸作用产物CO2的累积浓度随培养时间均呈现“慢-快-慢”的变化特征。相同悬浮物浓度下,好氧培养与厌氧培养相比,N2O累积浓度达到极限值的时间更长,且累积浓度最大值较低。条件实验表明,作为反硝化抑制剂的乙炔浓度随时间缓慢降低,但培养结束时仍能充分抑制N2O向N2还原。  2.河道砂性沉积物再悬浮的模拟试验表明,悬浮物与硝酸盐浓度是控制水柱反硝化最关键的两个因素。硝酸盐浓度>5mg·L-1时,好氧培养反硝化速率与悬浮物浓度呈正相关(p<0.001)。在硝酸盐底物浓度充足条件下,悬浮物沉积物浓度增加100mg·L-1,反硝化速率增加约0.21μmolN2O·L-1·d-1。悬浮物浓度>1g·L-1,悬浮沉积物好氧培养反硝化速率与硝酸盐浓度呈线性正相关(p<0.001),硝酸盐浓度增加1mg·L-1,反硝化速率增加约0.25μmolN2O·L-1·d-1。而悬浮物浓度很低的条件下,反硝化速率与硝酸盐浓度未表现出相关性(p>0.05)。  3.鄱阳湖各常规采样点四个季度水体悬浮物反硝化速率均值分别为(0.58±0.33)μmol N·L-1·d-1,(0.29±0.07)μmol N·L-1·d-1,(0.25±0.05)μmol N·L-1·d-1,(0.52±0.20)μmol N·L-1·d-1,春季最高,秋季最低。蝶形洼地与半封闭湾区悬浮物反硝化速率夏季与冬季均比常规采样点低,冬季稍高,夏季冬季均值为(0.12±0.0072)μmol N·L-1·d-1。从区域来看,北半湖入江水道悬浮物反硝化速率均高于上游湖区和中部开敞湖区,特别是与入江口的采样点受长江影响悬浮物反硝化速率非常高。蝶形洼地和半封闭湾区水体反硝化速率最低。  4.鄱阳湖水体悬浮物反硝化速率与水体硝酸盐(p<0.01)、悬浮物浓度(p<0.05)、总磷(p<0.01,单独季节不相关)浓度、悬浮物黏粒百分比(p<0.05)呈显著正相关,与水体有机碳、悬浮物烧失量、悬浮物砂粒百分比呈负相关(p≤0.05)。夏秋季鄱阳湖较低的硝酸盐浓度是悬浮物反硝化速率主要限制因素,而硝酸盐浓度较高的春季((1.18±0.48)mg·L-1)和冬季((1.52±0.33)mg·L-1)反硝化速率表现为与悬浮物浓度呈正相关(春季p<0.05,冬季p<0.01)。溶解态有机碳或悬浮物有机碳含量高的蝶形洼地,低硝酸盐水平可能是悬浮物反硝化速率的主要限制因素。  5.鄱阳湖悬浮物参与下的水柱反硝化脱氮量达(9407±6177)t/a,占鄱阳湖年平均氮输入量约2.4%~11.5%。与鄱阳湖沉积物的年脱氮量约为(7203±3666)t相当,说明鄱阳湖水体悬浮物反硝化对氮素的净去除起到重要作用。
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