太湖梅梁灣北部河口區(qū)水土保持脫氮過程研究

太湖梅梁灣北部河口區(qū)水土保持脫氮過程研究

氮是湖泊生態(tài)系統(tǒng)中重要的養(yǎng)分限制因素。這種養(yǎng)分的增加將不可避免地影響水生生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和水生生物的組成。因此，氮元素的水平直接影響內(nèi)陸湖泊環(huán)境的安全。許多湖泊產(chǎn)生了嚴(yán)重的氮污染。例如，自20世紀(jì)70年代末以來(lái)，太湖開始發(fā)生嚴(yán)重的氮污染。近年來(lái)，隨著氮脫硅研究的發(fā)展，對(duì)其機(jī)制提出了許多假設(shè)。例如，反硝化脫氮、反硝化反硝化、反硝化脫氮和厭氧氨酸氧化（anammox）。反硝化和反硝化過程中所需的亞硝酸鹽主要來(lái)自沉積物中的氨氮，而反硝化和反硝化過程中所需的亞硝酸鹽主要來(lái)自上部水域。厭氧氨氧化是指氨氮在缺氧條件下通過硝化作用生成的氮（nh4-；nh2o）。氨鹽和亞硝酸鹽可以同時(shí)去除。國(guó)外對(duì)厭氧氨化過程的研究非常成熟，但對(duì)湖泊研究的報(bào)道很少。由于氮?dú)獾谋镜字禈O高,因此脫氮過程的研究進(jìn)展一定程度上取決于氮?dú)鉁y(cè)定手段的改進(jìn).常見的幾種研究方法有:質(zhì)量平衡法(Mass-balanceApproach)、乙炔抑制法(AcetyleneInhibitionTechnique)、硝態(tài)氮損耗法(DisappearanceofNitrate)、孔隙水的硝態(tài)氮進(jìn)入沉積物的釋放速率、含有15N的硝態(tài)氮稀釋法(NitrateDilution)、N2產(chǎn)量法(DirectmeasurementofN2production)和同位素配對(duì)技術(shù)(IsotopePairingTechnique)等.質(zhì)量平衡法是根據(jù)氮的輸入與輸出量估算反硝化速率,這在大多數(shù)情況下很難取得準(zhǔn)確的輸入輸出量,結(jié)果可信度低.乙炔抑制法利用一定濃度的乙炔抑制劑使反硝化過程停留在N2O階段,根據(jù)N2O的產(chǎn)量估算反硝化速率.這是最簡(jiǎn)單的方法但也有其缺點(diǎn):(1)乙炔抑制了耦合硝化-反硝化過程,(2)在硝態(tài)氮濃度很低或硫化物存在時(shí)會(huì)影響N2O還原酶活性,(3)N2O擴(kuò)散到沉積物深層會(huì)還原成N2等,這些都會(huì)導(dǎo)致低估反硝化速率.硝態(tài)氮的損耗并非只有反硝化過程,它還可以還原為氨氮,所以測(cè)定硝態(tài)氮損耗的方法會(huì)高估反硝化速率.計(jì)算孔隙水的硝態(tài)氮進(jìn)入沉積物的釋放速率法與測(cè)定硝態(tài)氮損耗法存在同樣的問題.15N標(biāo)記的硝態(tài)氮稀釋法也忽視了耦合硝化-反硝化過程和生物同化作用.直接測(cè)定N2產(chǎn)量法則由于N2的本底值很高,需要非常高精度的儀器,且無(wú)法區(qū)分不同的反硝化過程.同位素配對(duì)技術(shù)是將15NO3-指示劑加入到沉積物上覆水中,15NO3-指示劑與上覆水中原有的14NO3-混合并進(jìn)入到表層沉積物中.這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于它可以同時(shí)揭示耦合與非耦合硝化-反硝化反應(yīng)的比例和速率.本論文結(jié)合同位素配對(duì)技術(shù)和膜接口質(zhì)譜儀(MembranceInletMassSpectrometry,MIMS)測(cè)定同位素反硝化產(chǎn)物的方法來(lái)測(cè)定反硝化速率,并區(qū)分不同的反硝化途徑.即通過膜接口裝置將溶解性氣體轉(zhuǎn)化為氣體形態(tài),直接進(jìn)入質(zhì)譜在線測(cè)定水樣中氮?dú)?利用測(cè)定出的氮?dú)馔凰禺a(chǎn)物與同位素配對(duì)法計(jì)算出耦合和非耦合的反硝化以及Anammox脫氮速率,具有測(cè)定速度快、所需樣品量少、測(cè)定靈敏度和精度高的特點(diǎn).1材料和方法1.1研究區(qū)的選擇太湖是一個(gè)富營(yíng)養(yǎng)化的大型淺水湖泊,受北部梁溪河、閭江等河道輸入和無(wú)錫市的影響,位于太湖北部的梅梁灣屬于富營(yíng)養(yǎng)化程度較高的藻型湖區(qū),由于入湖污染主要來(lái)自梅梁灣北部,并向南逐漸稀釋擴(kuò)散,水體及沉積物存在自然梯度,其中北部因接近入湖河口,其沉積物氮磷濃度高于梅梁灣開敞湖區(qū).因此,選擇梅梁灣內(nèi)3個(gè)樣點(diǎn)及梅梁灣外1個(gè)樣點(diǎn)作為對(duì)比研究(圖1),并便于與已有研究比較.其中梅梁灣內(nèi)由北向南設(shè)置0#、1#、3#點(diǎn),灣外設(shè)置7#點(diǎn).樣點(diǎn)具體經(jīng)緯度見表1.1.2樣品采集和處理2008年12月在各樣點(diǎn)采集樣品,用有機(jī)玻璃柱狀采樣器(內(nèi)徑為77mm)采集每個(gè)樣點(diǎn)的3個(gè)柱樣并現(xiàn)場(chǎng)切表層2cm,放入自封袋混合保存,小心帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行樣品分析.另采集4根未擾動(dòng)柱樣柱樣深度不低于10cm,柱樣上端保留原上覆水樣,兩端用橡皮塞塞緊后垂直放置,盡量無(wú)擾動(dòng)的運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室;同步采集上覆水25L,用多參數(shù)水質(zhì)測(cè)定儀(YSI6600V2,美國(guó))測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)上覆水基本理化參數(shù)(表1).1.3柱樣流動(dòng)培養(yǎng)和分析方法實(shí)驗(yàn)室內(nèi)垂直放置采集的柱樣,打開上端橡皮塞,用注射器沿著管壁盡量無(wú)擾動(dòng)的注滿上覆水,放置在與現(xiàn)場(chǎng)水溫一致的水浴鍋中過夜,去除運(yùn)輸過程中短暫密封造成的水體溶解氧下降等因素.用溶解氧微電極系統(tǒng)(Presens,德國(guó))測(cè)定不同樣點(diǎn)的溶解氧侵蝕深度.該系統(tǒng)由測(cè)定主機(jī)、光線溶解氧微電極、高分辨率三維控制器三部分組成.溶解氧微電極為針式,針尖直徑可細(xì)至40μm,反應(yīng)時(shí)間1s以內(nèi),測(cè)定時(shí)不消耗氧.三維控制器垂直分辨率理論上可達(dá)到20μm.測(cè)完溶解氧侵蝕深度后,對(duì)上述柱樣進(jìn)行無(wú)頂空流動(dòng)培養(yǎng).進(jìn)水管距表層泥約1cm,進(jìn)水管低于出水管,通過蠕動(dòng)泵將進(jìn)水以恒定的流速(1ml/min)泵入柱樣中,使流動(dòng)培養(yǎng)的進(jìn)出水循環(huán)形成垂直及水平方向的混合水流,使上覆水充分混合,并通過持續(xù)流動(dòng)保持上覆水中離子濃度穩(wěn)定.柱樣用與現(xiàn)場(chǎng)溫度一致的恒溫水浴培養(yǎng)(7℃),由于樣點(diǎn)透明度均小于水深,因此流動(dòng)培養(yǎng)在避光條件下進(jìn)行.流動(dòng)培養(yǎng)的柱樣作兩種處理,其中兩根柱樣的進(jìn)水為原位采集的湖水(對(duì)照實(shí)驗(yàn)),另兩根柱樣的進(jìn)水中加入Na15NO3并使最終濃度達(dá)到100μmol/L(添加同位素實(shí)驗(yàn)).表層沉積物樣烘干碾磨過篩,用過硫酸鉀法測(cè)定總氮、總磷,燒失法測(cè)定有機(jī)物含量(LOI)(表2).1.4可溶性氣體含量的測(cè)定用注射器小心采集進(jìn)水樣品,在無(wú)氣泡產(chǎn)生情況下充分溢流并裝滿細(xì)長(zhǎng)的溶解性氣體采集管,出水樣品直接溢流收集,收集的樣品立即用膜接口質(zhì)譜儀測(cè)定溶液中可溶性氣體的量,主要測(cè)定指標(biāo)為28N2,29N2,30N2和氧氣.另收集12ml進(jìn)、出水樣品,經(jīng)0.45μm醋酸纖維濾膜過濾后,用流動(dòng)注射分析儀(Skalar-SA1000)測(cè)定NO3-和NH4+濃度.1.5dna釋放速率沉積物中反硝化作用發(fā)生所需的NO3-可能來(lái)自上覆水(Dw)或來(lái)自沉積物中的硝化作用(Dn).這兩種過程都可以通過同位素配對(duì)技術(shù)來(lái)測(cè)定.將15NO3-加入到上覆水中,加入的15NO3-與上覆水和沉積物表層中原有的14NO3-混合.由這些硝酸鹽產(chǎn)生的反硝化產(chǎn)物——N2的分子量有28,29,30.N2的釋放速率(r29,r30):式中,Cn、Cn,o為第n次取樣時(shí)出水及進(jìn)水中氮?dú)夂?mg/L);V為蠕動(dòng)泵流速(ml/min);S為柱樣中水-沉積物界面面積(m2);60,24為時(shí)間換算因子.通過生成的29N2,30N2,計(jì)算利用15NO3-而發(fā)生的反硝化量D15:利用未標(biāo)記的14NO3-產(chǎn)生的反硝化量D14:沉積物中總的反硝化量Dtot:通過以上的結(jié)果計(jì)算Dn,Dw速率:式中,ε代表培養(yǎng)試驗(yàn)中15NO3-的豐度,下標(biāo)a和b表示添加同位素之后和之前.計(jì)算厭氧氨氧化(Anammox)速率:式中,Atot代表Anammox過程生成28N2,29N2的總通量,A28代表Anammox過程生成28N2的通量.2結(jié)果與討論2.2梅梁灣北部地區(qū)單次最佳東道國(guó)儲(chǔ)區(qū)dw值的比較梅梁灣內(nèi)3個(gè)樣點(diǎn)和灣外開敞湖區(qū)反硝化脫氮的方式不同(圖2).梅梁灣內(nèi)樣點(diǎn)耦合(Dn)、非耦合反硝化(Dw)速率平均值分別為19.68±6.51μmol/(m2·h)(0#、1#及3#平均值,下同)和16.69±6.04μmol/(m2·h),灣外開敞湖區(qū)則為3.65±4.29μmol/(m2·h)(7#,下同)和12.87±18.20μmol/(m2·h).梅梁灣北部河口區(qū)0#的沉積物溶解氧侵蝕深度最小,因而Dw最大(圖3).且氧氣侵蝕深度空間上表現(xiàn)為灣內(nèi)淺開敞湖區(qū)深,因此Dn占總脫氮速率的比值也表現(xiàn)為開敞湖區(qū)高(69.96%)而灣內(nèi)低(3個(gè)點(diǎn)平均值39.53%),而Dw的比值則是灣內(nèi)(3個(gè)點(diǎn)平均值47.21%)高于開敞湖區(qū)(19.85%),也即梅梁灣北部反硝化所需的硝酸鹽主要來(lái)自上覆水中,南部反硝化所需的硝酸鹽主要來(lái)自沉積物中氨氮的硝化作用.非耦合硝化-反硝化(Dw)所需的NO3-來(lái)自上覆水的擴(kuò)散,因此上覆水硝酸鹽的濃度及交換速率都可能會(huì)影響反硝化速率.將二者與Dw值做Pearson相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),上覆水NO3-濃度與Dw顯著相關(guān)(P<0.05,r=0.997),而硝酸鹽釋放速率對(duì)Dw的影響并不顯著(P>0.05,r=-0.896).因此,在NO3-含量高的梅梁灣北部地區(qū)的Dw值最高,同時(shí)也可以知道,在NO3-含量高的冬春季節(jié)Dw值要高于夏秋季.耦合硝化-反硝化(Dn)所需的NO3-來(lái)自沉積物間隙水中NH4+的硝化作用,但是經(jīng)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)間隙水中NH4+的濃度并不制約著Dn(P>0.05),說(shuō)明耦合反硝化過程并不僅僅取決于氨氮底物的濃度,更受沉積物硝化層的硝化作用強(qiáng)弱制約.2.3反硝化和anammox過程的影響因子梅梁灣水土界面Anammox(A28)的速率由北向南依次為:7.50±2.21μmol/(m2·h),3.13±3.13μmol/(m2·h),6.34±4.84μmol/(m2·h),2.05±2.90μmol/(m2·h).Anammox過程在整個(gè)脫氮過程中所占的比率范圍由北向南依次為14%、12%、14%和11%,均超過10%.許多文獻(xiàn)報(bào)道海洋中沉積物的厭氧氨氧化脫氮在反硝化過程中所占的比例最多可超過50%,對(duì)海洋氮的去除起到很重要的作用.但對(duì)湖泊而言,由于沉積物中往往并不缺乏有機(jī)碳,因此以氨氮為電子供體、硝酸鹽為電子受體的Anammox過程與有機(jī)碳作為電子供體的反硝化過程競(jìng)爭(zhēng)時(shí),并不能獲得優(yōu)勢(shì),這一點(diǎn)與海洋沉積物低有機(jī)碳含量的特點(diǎn)有很大差異.但本研究通過同位素示蹤的方式至少證實(shí)了太湖沉積物中較高的氨氮水平下厭氧氨氧化過程的發(fā)生.Anammox過程的影響因子很多,如:水深、溫度、有機(jī)質(zhì)等.梅梁灣北部和南部樣點(diǎn)在上覆水硝酸鹽濃度和沉積物性質(zhì)等的差異都很明顯,這些因素都可能會(huì)影響反硝化和Anammox過程.根據(jù)Rysgaard的研究,海洋中水深、NO3-濃度及鹽度對(duì)Anammox的影響最顯著,尤其是NO3-的濃度(P<0.0001).然而,如將本研究中梅梁灣各樣點(diǎn)的厭氧氨氧化速率與各參數(shù)做Pearson相關(guān)性分析(表3),結(jié)果發(fā)現(xiàn)對(duì)于太湖梅梁灣而言,上覆水NO3-濃度對(duì)厭氧氨氧化速率影響并不顯著,反而是反硝化速率對(duì)其影響顯著(P<0.0001),反硝化速率越高厭氧氨氧化速率也越高.Rysgaard的研究也表明,當(dāng)Anammox過程所需的NO2-由反硝化細(xì)菌生成,那么反硝化速率與Anammox速率之間可以產(chǎn)生一定得相關(guān)性.2.4原位的反硝化速率同位素配對(duì)技術(shù)的建立基于四點(diǎn)假設(shè):一是添加的15NO3-不會(huì)干擾原位的NO3-的反硝化過程,有研究表明,15NO3-濃度在10-400μmol/L時(shí)不會(huì)產(chǎn)生干擾現(xiàn)象.二是來(lái)自水柱中的NO3-所產(chǎn)生的反硝化(Dwtot)隨NO3-濃度的增高而顯現(xiàn)增加.三是添加的15NO3-同時(shí)標(biāo)記于水柱與沉積物中.四是添加15NO3-后,在水土界面會(huì)建立一個(gè)穩(wěn)定的NO3-濃度梯度.為了驗(yàn)證本添加實(shí)驗(yàn)并沒有影響原位的反硝化過程,比較兩者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖4).經(jīng)單因素方差分析表明,添加同位素后與不添加同位素(控制組)的計(jì)算結(jié)果無(wú)顯著差異(P>0.05),因此用同位素添加示蹤的方法獲取的反硝化結(jié)果能比較真實(shí)的反映原位反硝化速率,同時(shí)提供了不同反硝化過程的信息,有助于深入理解不同反硝化過程對(duì)湖泊脫氮過程的貢獻(xiàn).3原位反硝化速率(1)梅梁灣內(nèi)水土界面的反硝化速率高于灣外開敞湖區(qū),且由于沉積物溶解氧侵蝕深度和上覆水NO3-濃度的差異,導(dǎo)致梅梁灣內(nèi)以非耦合硝化-反硝化脫氮方式為主,灣外開敞湖區(qū)以耦合硝化-反硝化脫氮方式為主.(2)太湖梅梁灣Anammox過程占總的脫氮速率的11%-14%,分析Anammox的各個(gè)影響因素發(fā)現(xiàn),梅梁灣反硝化速率對(duì)其影響顯著.(3)通過比較添加與不添加同位素的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,添加同位素示蹤的方法獲取的反硝化結(jié)果能比較真實(shí)的反映原位反硝化速率.rn=(Cn-Cn,o)V/S×60×24D15=r29+2×r30D14=D15r29/(2×r30)Dtot=D15+D14Dn=Dtot-D15/εDw=D15/ε×(1-ε)ε=([NO3-]a-[NO3-]b)/[NO3-]aAtot=[r29+2×(1-ε-1)r30]εA28=Atot(1-ε)通過MIMS測(cè)定樣品中氮?dú)饧捌渫凰亟M分,并計(jì)算各點(diǎn)的脫氮速率.總反硝化速率(D14=Dn+Dw)在0#點(diǎn)最強(qiáng),速率為46.36±13.26μmol/(m2·h)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差,下同),1#反硝化速率為22.45±20.52μmol/(m2·h),3#為40.30±29.71μmol/(m2·h),7#最弱為16.34±22.74μmol/(m2·h),總體表現(xiàn)為梅梁灣北部反硝化速率(3個(gè)點(diǎn)的反硝化速率均值為36.37μmol/(m2·h))高于灣外開敞湖區(qū)(圖2).梅梁灣北部上覆水NO3-濃度表現(xiàn)為北部高南部低(表2),但3#情況略有特殊,與該點(diǎn)沉積物溶解氧侵入深度、沉積物耗氧量等物化性質(zhì)有關(guān)(詳見2.2節(jié)),且與上覆水硝酸鹽濃度有緊密聯(lián)系.通過反硝化速率與上覆水硝酸鹽含量的回歸分析發(fā)現(xiàn),反硝化速率與上覆水NO3-濃度顯著相關(guān)(P<0.05).即上覆水NO3-濃度越高,提供給反硝化的底物也越多,相應(yīng)的反硝化速率越高.2.1開敞區(qū)空氣侵蝕形成機(jī)制一般認(rèn)為,溶解氧消失的位置是反硝化層的上界面,就是說(shuō)溶解氧侵入深度等于反硝化層深度,也等于沉積物硝化層厚