滇池沉积物氮内源负荷特征及影响因素

研究了滇池沉积物间隙水氮浓度垂向分布特征,根据Fick扩散定律定量估算了沉积物-水界面氮扩散通量,并探讨了其影响因素.结果表明:滇池沉积物间隙水溶解性总氮(DTN)主要以氨态氮(NH4+-N)形式存在,占其总量的72.30%,其浓度随深度增加而升高;其次为溶解性有机氮(DON),占其总量的24.59%,其浓度随深度的增加先升高后降低,最后趋于稳定;硝态氮(NO3--N)所占比例较低,浓度随深度的增加而降低.滇池沉积物-水界面NH4+-N扩散通量分布范围为12.73~59.74mg/(m2·d)[均值30.18mg/(m2·d)],全湖年均氨氮释放量为3305.04t,其中草海、外海北部、东北部及南部湖区扩散通量较大,达35mg/(m2·d),全湖呈由北向南逐渐降低的空间分布特征;全湖年均DON释放量为1147.55t,其全湖分布特征与氨氮一致;NO3--N扩散通量分布范围为-2.70~0.27mg/(m2·d)[均值-0.50mg/(m2·d)],总体表现为由上覆水向沉积物扩散.与我国其他湖泊相比,滇池具有较大沉积物氮内负荷,其沉积物-水界面NH4+-N扩散通量较高,对湖泊水体氨氮浓度贡献较大,且其与沉积物总氮、有机质、可交换态氮和可交换态氨氮含量呈显著正相关,即滇池沉积物NH4+-N释放主要受其可交换态氮,特别是可交换态中氨氮含量影响;同时,滇池沉积物DON潜在释放风险也较大,且与沉积物C/N有关.     

水体颗粒物对有机氮转化的影响

以多泥沙河流黄河为例,采用微宇宙实验模拟研究自然水体中有机氮的转化过程和添加人工富集的黄河优势菌种条件下的有机氮转化过程.结果表明,自然水体条件下颗粒物对有机氮的转化有明显的促进作用,转化速率常数随颗粒物含量的增加而增加,用一级动力学拟合有机氮的转化过程发现,当有机氮的初始浓度为5 mg/L,颗粒物含量分别为0、5、10 　g/L时,转化速率常数分别为0.286、0.333、0.538 d^-1,用Logistic模型对硝化过程进行模拟,硝化速率常数K₄分别为0.001 8、0.003 8,0.005 0 L·(d·μmol)^-1.在添加人工富集微生物条件下,微生物初始数量一致,体系有机氮的转化速率常数和硝化速率常数K₄均随颗粒物含量的增加而增加.水体颗粒物对有机氮转化的影响机理是：①颗粒物含量不同的水体其初始微生物数量不同,颗粒物含量越高,微生物数量也越大;②颗粒物对微生物生长有促进作用,微生物亦主要存在于颗粒物表面,且颗粒物的存在使水体有机氮主要存在于颗粒相,有机氮的转化主要发生在水-颗粒物界面;③颗粒物的存在增加了微生物与有机氮的接触几率,促进了有机氮的转化.     

澎溪河消落带典型植物群落根际土壤无机氮形态及氮转化酶活性

三峡库区消落带是典型的生态脆弱带,其土壤N循环因受到植物根际效应和季节性淹水的影响而具有特殊性.本研究以三峡库区一级支流澎溪河消落带为例,选择4种植被(狗牙根、香附子、苍耳以及玉米)覆盖区,采集植物根际、非根际土壤,分析根际土壤与非根际土壤理化性质、无机氮形态以及7种N素转化相关酶,并比较了4种植物根际效应强度,以反映不同植物覆盖对消落带土壤N循环过程的影响.研究表明:供试植物根际土壤pH值均低于非根际,有机质、全氮、全磷含量均高于非根际,表明植物根际对消落带土壤养分有富集作用;4种植物根际土壤硝态氮、铵态氮、亚硝态氮及14d可矿化氮含量均高于非根际,且土壤硝态氮、亚硝态氮以及14d可矿化氮含量呈现香附子＞狗牙根＞苍耳/玉米;总体上根际土壤N转化酶活性高于非根际,且狗牙根和香附子覆盖区脲酶、亚硝酸还原酶、谷氨酰胺酶、脱氢酶显著高于玉米和苍耳覆盖区;蛋白酶、脲酶、谷氨酰胺酶活性与4种N形态均呈显著相关性,是消落带土壤N转化的主要参与酶类;根际效应分析结果香附子和狗牙根对消落带土壤N转化的根际效应强度大于苍耳和玉米,有利于土壤N素的固定和保持.植物根际效应对消落带土壤N素循环的影响可为消落带植被恢复工程中植被选择提供参考,也为改善消落带土壤退化相关研究提供科学支撑.     

苦草对水-底泥-沉水植物系统中氮素迁移转化的影响

通过模拟水-底泥-沉水植物(苦草)系统,检测了苦草整个生命周期内总氮及各形态氮含量的变化,以反映N在该系统内的迁移转换.结果表明,在整个研究阶段,空白组和苦草组系统氮含量(水体+底泥+苦草中氮含量)均持续降低,但苦草组(实验始末)氮含量降低幅度明显高于空白组,其中苦草组系统中TN、NH4+-N、NO3--N含量分别减少了41.68%、81.96%、93.34%,分别比空白组提高了11.39%、31.90%、0.28%;苦草组底泥中TN、NH4+-N、NO3--N含量分别减少了43.45%、87.41%、96.50%,分别比空白组提高了13.78%、37.26%、1.68%.苦草的存在促进了底泥氮的释放,显著提升了底泥微生物活性及氮循环菌的数量,从而加快了系统内的氮素循环,并在其生命周期的不同阶段明显改变各形态氮的迁移及转化方式.2012年7~10月,苦草组系统总氮(TN)减少幅度最大,到10月份,水体中氮素含量达到最少.     

微电极测量系统在湖泊沉积物-水界面生物地球化学过程研究中的应用

本文利用微电极测量系统对高原深水型湖泊红枫湖沉积物-水界面O2和H2S的微剖面分布进行了高分辨率研究。结果表明,红枫湖北湖中部和大坝沉积物-水界面扩散边界层厚度约为0.7mm,O2的扩散通量(J)分别为5.80和7.65mmol·m-2·d-1,O2的渗透深度分别为3.6±0.3mm和3.4±0.9mm,H2S的剖面变化主要受沉积物组成、O2消耗速率和硫酸盐还原菌(SRB)分布的影响。微电极测量系统具有原位测定、时空分辨率高、数据可靠性好等优点,在湖泊沉积物-水界面微尺度生物地球化学过程和驱动机制研究方面可发挥重要作用。     

潮滩沉积物-水界面营养盐N、P分布及交换特征

通过2月枯季和8月洪季样品的采集、室内分析和测试,对滨岸带潮滩沉积物孔隙水中营养盐含量的分布、迁移和扩散通量进行了初步研究。结果表明,NH_4~--N和N0_3~--N的平均含量8月洪季比2月枯季低,但是NO_2-N含量在8月份却达到最高,为0.04 mg/L;TP在季节分布上变化不大,8月洪季时含量较高。在空间分布上发现,排污口及大面积围垦对营养盐局部分布的影响较大。营养盐剖面分布总体趋势为NH_4~--N含量随深度增加而增加,NO_3~--N随深度增加而减少,但同时受到沉积速率和污水排放的影响。潮滩沉积物—水界面间无机氮磷的平均扩散通量分别为7.15、-0.53μg/(cm~2·d),因此沉积物是N的输入源,P的汇。同时还发现,污染物的排放能极大地改变该地区的N、P迁移量甚至迁移方向。     

太湖流域典型河网水体氮磷负荷及迁移特征

对西太湖流域典型河道水体及沉积物氮磷含量进行分析,利用原柱样培养实验测定了沉积物-水界面氮磷交换通量及需氧量(SOD),并探讨他们之间的关系,结果表明:研究区域河道水体和沉积物氮磷总体含量水平较高,水体TN和TP平均含量分别为4.12mg/L和0.16mg/L,沉积物TN和TP平均含量分别为1658.76mg/kg和712.25mg/kg, NO₃^--N为水体无机氮的主要存在形态,NH₄⁺-N为沉积物无机氮的主要存在形态.沉积物需氧量(SOD)区域间差异较大,大体呈现西、南部区域较高,北部区域较低的特征;沉积物-水界面各无机氮磷交换通量分别为:NH₄⁺-N为-188.08~329.45mg/(m²·h),均值为13.05mg/(m²·h);NO₃^--N为-118.68~42.86mg/(m²·h),均值-28.09mg/(m²·h);NO₂^--N为-18.37~-4.81mg/(m²·h);均值-8.22mg/(m²·h);溶解性活性磷(SRP)为-10.94~10.58mg/(m²·h),均值1.34mg/(m²·h). NH₄⁺-N整体表现为由沉积物向上覆水释放,且与沉积物有机质(LOI)呈极显著正相关,SRP交换通量与沉积物中TP和TDP均显著正相关,表明NH₄⁺-N的释放与沉积物有机质的分解有关,SRP释放主要受沉积物TP和TDP影响.总体看,西部区域点位沉积物及水体氮磷污染最为严重,氮磷交换通量也较大,在区域内又表现为下游入湖口 > 上游的特征,表明人类活动对太湖流域典型河网氮磷水平及迁移转化特征影响较大.     

巢湖水域四溴双酚A的多介质迁移与归趋模拟

运用Ⅲ级逸度模型,模拟并研究了不同水动力条件下四溴双酚A（TBBPA）在巢湖水-沉积物系统中各环境相的浓度、储量以及相间的迁移通量.结果表明：TBBPA在水相、再悬浮颗粒相和沉积物相中的模拟计算浓度与实测平均浓度吻合度较高,验证了模型的有效性,并通过灵敏度分析探讨了模拟关键参数.当系统达到平衡时,沉积物是TBBPA最大的储库（占系统总储量86%以上）.同时,由于较强的水动力条件会改变系统再悬浮特征以及降解半衰期等关键参数,进而降低了各环境相中TBBPA的浓度值,增加了水相和再悬浮颗粒相中的储量比例,并增加了水体-再悬浮颗粒、沉积物-再悬浮颗粒的相间交换通量.此外,TBBPA在巢湖水-沉积物系统中损失的主要途径为沉积物相的降解（占入湖总量87%以上）.     

原水水质对输水管道硝化作用形成的影响

采用配制水样模拟Ⅱ类、Ⅲ类和劣Ⅴ类地表水,利用管道模拟反应器研究不同原水水质条件下输水管道中硝化作用的形成及对输水水质的影响.结果表明:原水中氨氮(NH4+-N)及溶解氧(DO)含量对NH4+-N去除均有一定影响,DO充足时,去除率随原水中NH4+-N含量的增加而增加,DO浓度低时,DO成为影响NH4+-N去除的主要因素;原水NH4+-N含量对运行初期NO2--N积累有重要影响,NH4+-N含量越高,NO2--N积累量越大,随着生物膜的成熟,影响作用逐渐减弱;反应器中AOB数量主要受原水NH4+-N浓度的影响,随NH4+-N浓度升高而增加;NOB数量受NH4+-N和DO浓度的双重影响,DO含量低会抑制NOB活性,使NOB数量减少,导致NO2--N积累;输水管道中的硝化作用是水中及生物膜中硝化细菌共同作用的结果,但生物膜中硝化细菌存在水平高,其硝化作用占主导地位.     

高效好氧反硝化细菌的筛选及脱氮特性的研究

由焦化废水生化处理站曝气池驯化后的活性污泥分离纯化得到三株好氧反硝化细菌,通过脱硝酸盐氮对比实验得到一株高效好氧反硝化细菌F10分别在不同温度(20-40℃)、pH(5.5-8.0)、C/N比(白糖与KNO3质量比1.0-2.0)、焦化废水COD(500-1 000mg/L)稀释液的条件下确定好氧反硝化优势菌脱氮的最佳...     

藻源性黑水团环境效应:对水-沉积物界面氮磷变化的驱动作用

利用自制的静态模拟实验装置,通过连续抽取间隙水来研究藻细胞沉降在沉积物表面后对水-沉积物界面处的N、P变化的驱动作用及影响效果.结果表明,藻细胞沉降后,在50 min内就完全消耗掉水-沉积物界面处的溶解氧,同时水体出现严重的发黑、发臭现象;形成的厌氧、强还原环境,使得死亡的藻细胞在界面处发生强烈的厌氧矿化作用,界面处的水溶性PO34--P、NH 4+-N在实验的第2 d开始向上覆水中扩散,含量不断增加.至实验结束时(实验第8 d),界面处PO34--P、NH 4+-N的含量分别达到4.00 mg/L、39.45 mg/L,分别为同期对照实验样柱中的10倍和241倍(对照样柱中的PO43--P、NH 4+-N的含量分别为0.42 mg/L、0.16 mg/L).藻细胞的厌氧矿化加剧了氮磷营养盐向上覆水的扩散,在加重水体营养盐含量的同时,也为藻华的再次发生提供了物质基础.     

太湖北部三个湖区各形态氮的空间分布特征

通过对太湖北部竺山湾、梅梁湾和贡湖上覆水、间隙水和表层沉积物中各形态氮含量的分析,探讨了其中各形态氮的空间分布特征,计算了沉积物-水界面氨氮(NH4+-N)的扩散通量,并对上覆水、间隙水和沉积物中各形态氮进行了相关性分析.结果表明,空间上,上覆水、间隙水和沉积物中,NH4+-N的平均浓度为竺山湾>梅梁湾>贡湖的分布趋势;NO3--N在上覆水和沉积物中为贡湖>梅梁湾>竺山湾的分布趋势,但间隙水中梅梁湾>贡湖>竺山湾;TN在上覆水、间隙水和沉积物中的分布与NH4+-N相似.NH4+-N在竺山湾、梅梁湾和贡湖的平均扩散通量分别为1009.27μmol/(m2×d)、49.35μmol/(m2×d)和3.14μmol/(m2×d).相关性分析表明:上覆水、间隙水、表层沉积物之间NH4+-N存在相关性.     

底泥中氮的主要迁移转化过程及其转化模型的研究

研究了NO_3~--N,NH_4~+-N在底泥中的扩散、吸附以及NO_3~--N的反硝化等过程.结果表明,在泥-水界面间,NH_4~+-N主要向上浮水中扩散,NO_3~--N主要向间隙水中扩散.扩散到间隙水中的NO_3~--N45％被吸附,30％因反硝化作用而失掉,其反硝化速率常数在7—11cm层最大.氮的吸附速率常数在表层最大.建立了间隙水中NO_3~--N和NH_4~+-N的转化模型,并计算了氮在泥-水界面间的扩散量,计算结果与实测结果基本相符.     

珠江口三维水质与底泥耦合模型的验证及应用

基于一维河网与三维河口耦合水动力模型,建立了可描述珠江口水体-底泥中营养盐动态变化的三维水质-底泥模型,利用1999年和2006年夏季观测数据对模型进行了验证,在此基础上,模拟分析了珠江口主要水质因子和底泥营养盐通量的分布特征,以及底泥通量对珠江口营养盐输入的贡献.验证结果表明,模型能较好地反映出水体和底泥中的营养盐及溶解氧浓度的时空分布特征,各水质因子的模拟值与观测值的相对误差均小于38%;另外,底泥营养盐通量的模拟值与文献报道的实测结果较为接近,表明模型能合理地刻画出底泥主要生化过程及通量变化特征.模拟结果显示,夏季珠江口氨氮(NH_4~+-N)和活性磷酸盐(PO_4~(3-)-P)通量主要从底泥向水体输送,底泥是水体氮磷元素的源,而硝态氮和亚硝态氮(NO_3~-+NO_2~-,NO23)的通量输送方向则与之相反,底泥呈现“汇”的效应;底泥营养盐通量主要从河口向外海递减,伶仃洋NH_4~+-N、NO23、PO_4~(3-)-P的通量变化范围分别为0.24~8.88、-10.06~-0.14、-0.37~0.41 mmol·m~(-2)·d~(-1),珠江口近海的通量变化范围分别为-0.01~4.14、-1.45~0.68、-0.12~0.09 mmol·m~(-2)·d~(-1).整体而言,底泥营养盐通量对珠江口营养盐输入有明显贡献,夏季经底泥释放进入水体的NH_4~+-N和PO_4~(3-)-P最大相当于陆源总氮、总磷输入量的12%和22%.     

白洋淀底泥化学性质在芦苇生境下的变化

于2004年6月对白洋淀底泥进行了调查采样.化学分析的结果表明,底泥中氮、磷、有机质含量较高.重金属铜、锌、镉、铅呈现出不同程度的污染.通过原状土柱试验探讨了底泥在较长时间里发生的物质转变和演化规律,土柱内不同的pH值、C/N、灌水量对底泥演化的影响.结果表明,在pH值为7.3、C/N为12:1、灌水量为80L条件下处理有利于芦苇对底泥的无害化处理.     

灌溉与施氮对黑河中游新垦沙地农田土壤硝态氮动态的影响

研究了黑河中游绿洲边缘区新垦沙地农田不同灌溉量(分别为估算春小麦生育期需水量的0.6、0.8、1.0倍)和不同施氮量(0、140、221和300kg·hm-2)对春小麦不同生育期土壤硝态氮含量及分布动态的影响.结果表明,施氮量为硝态氮淋溶的决定因素,土壤剖面中硝态氮的含量随着施氮量的增加而增加,当施氮量在0～140kg·hm-2之间时,硝态氮的淋溶较为缓慢,而在221～300kg·hm-2范围时硝态氮的含量显著增加,这表明当施氮量高于221kg·hm-2时易引起硝态氮的淋溶.收获期土壤的硝态氮含量明显低于开花期,且硝态氮存在显著差异的土层深度变浅.在综合4个施氮处理的情况下,不同灌溉处理同一土层土壤硝态氮的含量无显著差异(p<0.05),这一结果表明灌溉量对春小麦生育期土壤硝态氮淋溶过程的影响要小于施氮量.不同灌溉处理同一土层土壤硝态氮含量的差异因施氮水平的不同而异,多数情况下,低灌溉处理(I0.6)与中等灌溉处理(I0.8)的土壤硝态氮含量高于高灌溉处理(I1.0),同时具有显著硝态氮含量差异的土层深度随施氮量的增加而递增,说明随着灌水量的减少硝态氮向下淋溶量也相应下降.     

太湖草型湖区沉积物再悬浮对水体营养盐的影响

再悬浮过程中沉积物对水体营养盐的内源贡献是湖泊,特别是浅水湖泊富营养化研究中的重要问题.采用原位沉积物柱样和原状上覆水的Y型扰动装置,被用来研究常规风情下太湖草型湖区沉积物的再悬浮和沉降过程对水体营养盐负荷的影响.结果表明,小风和中风的再悬浮过程导致水体氨氮和磷酸根磷含量显著下降,单位面积水柱含量最大变化量分别为-0.140 g·m-2和-1.59 mg·m-2;大风条件下,水体氨氮含量下降幅度很小,磷酸盐则出现明显增加趋势,最大增量为0.81mg·m-2.再悬浮过程之后的沉降过程中,中、小风条件的水体氨氮含量变小,大风条件的含量没有明显变化.磷酸根磷含量在中、小风条件下与风浪前差别较小,大风条件的含量则明显增大,最大增量为1.36 mg·m-2.因此,沉积物的再悬浮过程和沉降过程对上覆水体的营养盐动态负荷都产生重要影响.与太湖无植被湖区的研究结果对比说明,水生植物的存在对风浪作用下沉积物与上覆水的物质交换有一定的抑制作用.     

大亚湾滨海湿地沉积物间隙水无机氮分布特征及其沉积物-水界面交换通量

为探讨大亚湾滨海湿地沉积物间隙水中无机氮的时空分布规律及其环境效应,于2017年3月（枯水期）和8月（丰水期）分别采集了大亚湾湿地3个断面的沉积柱,测定了间隙水中无机氮含量并对其在沉积物-水界面交换进行了实验室培养实验。结果发现,滨海湿地近岸上覆水中氮营养盐含量远高于大亚湾水体平均值,说明近岸人类活动对湿地生态系统中氮含量的影响较为严重,河流输送是其来源的主要途径。间隙水中NH₄-N、NO₃-N和NO₂-N的平均含量分别为:770.60、7.63和7.39 μmol/L,其中NH₄-N是DIN的主要组分,约占DIN的85.82%~99.67%。室内培养实验发现,NH₄-N、NO₃-N和NO₂-N的界面交换通量平均值分别为0.09、-0.18和0.36 mmol/（m2·d）,不同断面下DIN的交换速率存在明显差异。整体上,DIN的交换通量在枯水期约为0.41 mmol/（m2·d）,湿地沉积物表现为上覆水DIN的源;而丰水期沉积物则成为DIN的汇,其平均通量约为-0.23 mmol/（m2·d）。对照实验结果表明,灭菌之后NH₄-N、NO₃-N和NO₂-N的平均交换通量均有所降低,相比于原始组分别降低了76.5%、23.7%和50.3%,说明微生物在氮的转化中起到了非常重要的作用。     

蓝藻暴发对巢湖表层沉积物氮磷及形态分布的影响

以巢湖表层沉积物及上覆水体为对象,于蓝藻暴发前(4月)和蓝藻暴发期(7月)采集水样及沉积物样品,分析了氮磷及其形态赋存特征,并探讨了沉积物氮磷及其形态与蓝藻暴发的关系.结果发现,蓝藻暴发时,巢湖表层沉积物总磷减少,总氮增加,同时削弱了磷在空间上分布的异质性.从氮磷形态来看,蓝藻暴发未造成巢湖表层沉积物氮形态(NH4+-N、NO3--N和Org-N)含量和比例的明显波动,但却造成了活性磷(弱吸附态磷和铁铝结合态磷之和)含量及比例的下降,钙结合态磷(Ca-P)以及有机磷(OP)含量及比例增加,生物有效性磷(AAP)的含量的减小.相关性分析表明,上覆水中叶绿素a(Chl-a)的浓度与铁铝结合态磷(Fe/Al-P)以及有机磷(OP)的含量显著相关(P<0.05),却与氮形态(铵态氮,硝态氮和有机氮)相关性不显著.巢湖沉积物磷(Fe/Al-P及AAP)对巢湖水体蓝藻暴发具有促进作用,而氮及其形态对蓝藻暴发作用较弱.     

Nutrient exchange and release experiment and its simulation study in lake water-sediment interface

The sediment distributed and insolated under lake was collected for experiments. The nutrient layer distribution conditions of sampled sediment and its physical and chemical characteristics were analyzed to simulate and assess the influence degree to lake water quality. Based on the dynamic water exchanging experiments the nutrient release process in sediment and influence mechanism to substance exchanging on water-sediment interface was studied, and the correlation between the changing content of total phosphors and total nitrogen in sediment and covered water were analyzed for setting up a simulation model. At the same time the influence degree is explained in detail. The experimental results indicated that even if clean water without nutrient contents was used for water exchangement so as to decrease pollution or prevent eutrophication, however owing to the vertical nutrient distribution in lake sediment, it will lead to the increasing release amount greatly especially when the organic nutrient contained in sediment turns into inorganic status because of isolation. Besides the release process of total phosphate （TP） and total nitrogen （TN） were modeled and each nutrient＇s exchanging equation at interface caused by covered water nutrient concentration changing was set up. According to the simulating prediction, TP and TN content of cover water will also sustain a steady higher level in a long period. The nutrient release amount of sediment is not only affected by the covered water concentration but also connects with accumulative time. The experiments provide the fundamental theoretical and practical basis for taking ecological restoration project. And research is helpful to prevent or restore lake eutrophication.