黃河泥沙對(duì)氮遷移轉(zhuǎn)化的影響及環(huán)境效應(yīng)

夏星輝，王君峰，張 翎，張思波

（1.北京師范大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，水沙科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，水環(huán)境模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；2.黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003）

含氮化合物是我國(guó)河流的主要污染物之一，是國(guó)家重點(diǎn)防控污染物。我國(guó)很多河流存在氮污染問(wèn)題，其中氨氮是重要污染指標(biāo)。由于河流與湖泊以及海洋直接相連，我國(guó)河流中含氮化合物含量過(guò)高已經(jīng)導(dǎo)致了許多湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化和鄰近海域的海洋赤潮，嚴(yán)重影響了水生生態(tài)系統(tǒng)健康。河流是陸地-內(nèi)陸水體-海洋連續(xù)系統(tǒng)的重要組成部分，不僅能夠?qū)⒑衔飶年懙剌斔偷胶Ｑ?，而且還是脫氮作用，即將活性含氮化合物轉(zhuǎn)化為非活性氣態(tài)氮（N2和N2O）的重要場(chǎng)所，顯著影響含氮化合物的收支平衡[1-2]。就全球范圍而言，輸入河流的活性態(tài)氮約50%能通過(guò)脫氮作用去除[3]。泥沙普遍存在于全世界河流中，整體來(lái)說(shuō)，我國(guó)河流水少沙多，許多河流具有高泥沙含量的特征，占世界5%的水量輸送了30%的泥沙[4]。根據(jù)2019年《中國(guó)河流泥沙公報(bào)》的數(shù)據(jù)，黃河、海河、遼河、塔里木河和黑河等河流的多年平均含沙量都在1 gL-1以上，其中黃河泥沙含量高達(dá)幾十克每升。河流中的泥沙對(duì)生源要素的遷移、轉(zhuǎn)化具有重要影響[5]。探究泥沙對(duì)氮遷移轉(zhuǎn)化作用的影響對(duì)改善河流氮污染，以及評(píng)估全球變化條件下河流氮循環(huán)在全球氮循環(huán)中的作用等具有重要的理論和實(shí)踐意義。因此，本文以黃河為例，重點(diǎn)闡述河流泥沙對(duì)氮遷移轉(zhuǎn)化作用的影響及環(huán)境效應(yīng)。

1 黃河水體氮的時(shí)空分布特征及來(lái)源

1.1 無(wú)機(jī)氮的含量水平及時(shí)空分布特征筆者在2017年對(duì)黃河進(jìn)行了全流域的采樣分析，結(jié)果表明，黃河干流NO3--N的ρ（N+）為0.02～7.06 mg/L，均值為2.06 mg/L，其中春季濃度高于夏季（p＜0.01）。且隨著水流方向沿程逐漸增加（圖1），源區(qū)（0.78 mg/L）＜上游（2.23 mg/L）＜中游（3.04 mg/L）＜下游（3.30 mg/L）。除潼關(guān)外，黃河干流所有采樣點(diǎn)水體NH4+-N的ρ（N+）均低于0.3 mg/L，且夏季與春季水體差異不顯著（圖1）。潼關(guān)水體NH4+-N的ρ（N+）達(dá)到0.84 mg/L（圖1），這是由于汾河、北洛河、渭河3條河流的NH4+-N的ρ（N+）較高（0.03～9.74 mg/L，均值2.21 mg/L）的支流匯入干流，并在潼關(guān)處匯合，導(dǎo)致潼關(guān)段NH4+-N濃度升高。黃河干流的總?cè)芙庑詿o(wú)機(jī)氮的ρ（N+）為0.07～8.31 mg/L，均值為2.16 mg/L，春季高于夏季。其中NO3--N為干流水體總?cè)芙庑詿o(wú)機(jī)氮的主要形態(tài)，平均占總無(wú)機(jī)氮的91.5%，春季占比為92.2%，夏季占比為90.7%，季節(jié)性差異不明顯。從長(zhǎng)時(shí)間尺度來(lái)看，黃河無(wú)機(jī)氮濃度水平呈下降趨勢(shì)。如1998年觀測(cè)到黃河干流NH4+-N的ρ（N+）為0.9 mg/L[6]，明顯高于現(xiàn)在干流濃度。黃河利津站NH4+-N的ρ（N+）年均水平也從1999年的0.36 mg/L下降為目前的0.11 mg/L，呈顯著的下降趨勢(shì)[7]。

圖1 黃河水體NO3--N和NO4+-N的ρ（N+）沿程分布

在對(duì)黃河支流的研究中發(fā)現(xiàn)，25%的采樣點(diǎn)NH4+-N為總?cè)芙庑詿o(wú)機(jī)氮的主要形態(tài)。支流水體總無(wú)機(jī)氮的主要形態(tài)隨季節(jié)變化而改變（圖1），例如，在無(wú)定河的白家川采樣點(diǎn)，春季總無(wú)機(jī)氮87.6%由NO3--N組成，而夏季總無(wú)機(jī)氮中只有11.1%為NO3--N，NH4+-N則為總無(wú)機(jī)氮的主要組成成分。相反，在汾河的河津采樣點(diǎn)，春季總無(wú)機(jī)氮的主要組成為NH4+-N，占比達(dá)到71.9%，而夏季總無(wú)機(jī)氮的主要組成為NO3--N，占比達(dá)到75.8%。這可能是由于支流容易受到周邊人為生產(chǎn)生活的影響，當(dāng)農(nóng)田地表徑流、污水等攜帶不同的氮素進(jìn)入河流時(shí)，河流總無(wú)機(jī)氮的主要組成成分容易發(fā)生改變。與黃河干流一樣，黃河支流的總無(wú)機(jī)氮含量也是春季高于夏季，具有明顯的季節(jié)性差異。對(duì)黃河春季（4—5月）和夏季（7—8月）采樣期間河流流量的分析發(fā)現(xiàn)，兩次采樣期間的流量差異不顯著，其中干流春季流量均值為419 m3/s，夏季均值為392 m3/s；支流春季流量均值為32 m3/s，夏季為33 m3/s。河流中的氮主要來(lái)自點(diǎn)源和非點(diǎn)源，點(diǎn)源隨季節(jié)的變化不大，而非點(diǎn)源與發(fā)生時(shí)間及地表徑流相關(guān)。冬季雨水較少，氮素可能在地表富集，當(dāng)春季春汛開(kāi)始，雨水沖刷地表形成徑流，將地表富集的氮素帶進(jìn)入河道中，因此造成河流春季總無(wú)機(jī)氮含量較高。

表1 黃河及世界其他河流含氮化合物濃度

如表1所示，與世界其他河流相比，黃河源區(qū)NO3--N濃度和NH4+-N濃度處于較低水平，黃河上中下游的NO3--N濃度和NH4+-N濃度略高。這主要是由于源區(qū)受人類(lèi)活動(dòng)影響較小，而黃河上中下游受人類(lèi)活動(dòng)影響較大，尤其是支流污染較為嚴(yán)重，導(dǎo)致較高濃度的含氮化合物匯入黃河干流。部分支流NH4+-N濃度超過(guò)地表水V類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，部分干流河段超地表水Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。由于黃河干流直接與眾多水庫(kù)如小浪底庫(kù)區(qū)相連，干流高濃度的無(wú)機(jī)氮對(duì)水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)可能產(chǎn)生潛在影響。

1.2 硝態(tài)氮的來(lái)源一般河流水體中無(wú)機(jī)氮的主要存在形式是硝態(tài)氮，黃河硝態(tài)氮的含量占總無(wú)機(jī)氮的90%以上，因此一般主要對(duì)河流的硝態(tài)氮進(jìn)行溯源。由于不同來(lái)源的硝態(tài)氮具有不同的δ15N，δ17O和δ18O值，且近年有研究表明大氣沉降來(lái)源的硝態(tài)氮具有不同于陸地來(lái)源的Δ17O值（Δ17O≈δ17O-0.52·δ18O），因此提出了采用硝態(tài)氮三種同位素（δ15N，δ18O，Δ17O）相結(jié)合的方法來(lái)確定其來(lái)源[19]，包括大氣沉降來(lái)源和陸地來(lái)源。由于不同海拔地區(qū)大氣降水中硝酸鹽同位素異常（Δ17O=δ17O—0.52δ18O）可能存在差異，尤其是地處青藏高原的黃河源區(qū)，其Δ17O值可能不同于其他地區(qū)。因此首先分析了黃河源區(qū)大氣降水的硝酸鹽同位素異常值，結(jié)果表明黃河源區(qū)大氣降水硝酸鹽的Δ17O均值為16.3‰[20]，低于文獻(xiàn)報(bào)道的范圍值（20‰～30‰）[21-25]。這可能是由于青藏高原地區(qū)強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射和光化學(xué)活躍的大氣環(huán)境，影響了對(duì)流層大氣中痕量氣體和自由基的分布，改變了大氣硝酸鹽的形成途徑，最終導(dǎo)致雨水樣品中較低的Δ17O觀測(cè)值[20]。

為了解析黃河源區(qū)河水中硝酸鹽的來(lái)源，進(jìn)一步分析了源區(qū)內(nèi)生活污水、動(dòng)物糞便、土壤有機(jī)氮和合成化肥的穩(wěn)定同位素指紋值。根據(jù)這些同位素值，采用SIAR模型定量解析了黃河源區(qū)河水硝酸鹽的來(lái)源。各個(gè)來(lái)源對(duì)河流硝酸鹽的貢獻(xiàn)平均值分別為合成化肥9.3%，動(dòng)物糞便47.2%，生活污水17.7%，土壤有機(jī)氮16.2%，大氣降水9.5%[20]。大氣降水對(duì)源區(qū)河水硝態(tài)氮的貢獻(xiàn)與降雨量的空間分布相一致。在所有的采樣季節(jié)，動(dòng)物糞便對(duì)河流硝酸鹽的貢獻(xiàn)最大，這是因?yàn)榍嗖馗咴貐^(qū)的畜禽養(yǎng)殖模式相對(duì)粗放，大量的牲畜糞便未經(jīng)處理直接暴露于野外環(huán)境，其中的氮素一部分經(jīng)地表徑流進(jìn)入河流，增加了河流系統(tǒng)的氮負(fù)荷。

黃河中下游水體中硝態(tài)氮的氮氧同位素組成分析結(jié)果表明，黃河平水期水體中硝態(tài)氮的Δ17ONO3值為0～1.6‰，表明大氣沉降來(lái)源的硝態(tài)氮占黃河中下游水體硝態(tài)氮總量的0～7%[19]，并且各個(gè)采樣點(diǎn)大氣沉降的貢獻(xiàn)率與當(dāng)?shù)氐慕涤甑葰夂蛱卣飨辔呛?。該結(jié)果也表明中下游大氣降水的貢獻(xiàn)顯著低于源區(qū)。將大氣沉降的貢獻(xiàn)去除后，得到修正的δ15NNO3和δ18ONO3值，結(jié)果表明黃河中下游河水中硝態(tài)氮的陸地來(lái)源主要包括污水的排放和氨氮/尿素類(lèi)化肥的硝化作用產(chǎn)物，并且兩者的貢獻(xiàn)相當(dāng)，與中下游城市密集和農(nóng)業(yè)用地較多的土地利用情況相一致。

圖2 上覆水體中水-懸浮泥沙界面氮轉(zhuǎn)化反應(yīng)

2 黃河懸浮泥沙對(duì)氮轉(zhuǎn)化作用的影響

2.1 含氮化合物的水-沙界面過(guò)程懸浮泥沙的主要組分為氧化硅、氧化鋁、氧化鐵、黏土礦物以及其他有機(jī)無(wú)機(jī)物質(zhì)，另外還包括附著在這些礦物上的浮游動(dòng)植物和細(xì)菌真菌，因此，懸浮泥沙是由有機(jī)無(wú)機(jī)物質(zhì)以及生物體組成的聚集體。泥沙上的有機(jī)碳可以被異養(yǎng)微生物好氧代謝，消耗氧氣從而在泥沙表面形成有利于氮轉(zhuǎn)化的好氧—低氧微界面。文獻(xiàn)[26]采用微電極技術(shù)分析了懸浮泥沙附近的氧通量和溶解氧濃度的變化，結(jié)果表明好氧水體的懸浮泥沙上同時(shí)存在好氧和低氧環(huán)境。另外，懸浮泥沙上的有機(jī)碳還可以為反硝化細(xì)菌提供電子供體，促進(jìn)反硝化作用的進(jìn)行，因此在懸浮泥沙-水界面能發(fā)生系列的氮轉(zhuǎn)化過(guò)程，包括硝化作用、反硝化作用、厭氧氨氧化作用、耦合硝化反硝化作用等（圖2）。

2.2 懸浮泥沙含量對(duì)氮轉(zhuǎn)化作用的影響黃河是世界上含沙量最高的河流，其上覆水體可能是黃河氮循環(huán)反應(yīng)的熱區(qū)之一。已有模擬研究表明，懸浮泥沙對(duì)黃河上覆水體有機(jī)氮礦化和硝化反應(yīng)都具有明顯的促進(jìn)作用，且反應(yīng)速率均隨懸浮泥沙含量的增加而顯著升高[27-28]。例如，在模擬實(shí)驗(yàn)體系中，當(dāng)水體含沙量為0、5和10 gL-1時(shí)，有機(jī)氮的一級(jí)降解速率常數(shù)分別為0.286、0.333和0.538 d-1[29]。水體的硝化反應(yīng)可以用Logistic動(dòng)力學(xué)方程擬合，硝化反應(yīng)速率（y）隨懸浮泥沙含量（x）呈冪指數(shù)形式顯著增長(zhǎng)（y=axb，其中a和b是正常數(shù)）；懸浮泥沙濃度為1 gL-1體系的硝化反應(yīng)速率是不含懸浮泥沙體系的2.5 倍[30]。對(duì)法國(guó)Scheldt 河上覆水體進(jìn)行的室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)研究也發(fā)現(xiàn)，潛在硝化反應(yīng)速率的57%～86%由懸浮泥沙附著態(tài)硝化微生物催化完成[31]。懸浮泥沙含量增加對(duì)上覆水體有機(jī)氮礦化和硝化反應(yīng)的促進(jìn)作用主要?dú)w因于隨之而增加的微生物數(shù)量[32-33]，懸浮泥沙能為微生物提供附著床和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)了微生物的生長(zhǎng)。此外，研究還發(fā)現(xiàn)[34]，附著于懸浮泥沙上微生物的反應(yīng)活性要高于自由游離態(tài)微生物，而且水體中大部分微生物存在于懸浮泥沙上，這也是高懸浮泥沙體系中硝化反應(yīng)速率更高的原因之一。

穩(wěn)定同位素示蹤模擬研究表明[5]，黃河上覆含沙水體中15N2的生成速率隨懸浮泥沙含量的增加而增加，表明反硝化速率隨懸浮泥沙濃度的升高而升高。另外，模擬實(shí)際黃河水體（包含上覆水體+懸浮泥沙+沉積物）氮轉(zhuǎn)化的研究發(fā)現(xiàn)，反硝化作用符合邏輯斯蒂動(dòng)力學(xué)模型，并且反硝化動(dòng)力學(xué)常數(shù)隨懸浮泥沙濃度的增加而線性增加[5]。當(dāng)懸浮泥沙濃度為2.5、8、15和20 gL-1時(shí)，由懸浮泥沙存在引起的反硝化分別占體系總反硝化的22%、38%、53%和67%。懸浮泥沙和沉積物中反硝化細(xì)菌數(shù)量均隨懸浮泥沙濃度增加而增加，而且發(fā)現(xiàn)懸浮泥沙上的反硝化細(xì)菌活性是沉積物中反硝化細(xì)菌活性的兩倍。此外，伴隨懸浮泥沙存在而存在的擾動(dòng)環(huán)境（水動(dòng)力條件引起的）促進(jìn)硝態(tài)氮從上覆水向沉積物的傳質(zhì)，從而促進(jìn)了沉積物中的反硝化過(guò)程。以懸浮泥沙濃度8 gL-1為例，懸浮泥沙存在引起體系反硝化速率增加的66%是由懸浮泥沙上發(fā)生的反硝化作用所引起，其余34%是由擾動(dòng)環(huán)境促進(jìn)沉積物中的反硝化作用所引起。進(jìn)一步基于同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)的研究發(fā)現(xiàn)，厭氧氨氧化過(guò)程在黃河上覆好氧水體的懸浮泥沙-水界面也能發(fā)生[35]。對(duì)黃河和長(zhǎng)江水體進(jìn)行的模擬研究發(fā)現(xiàn)，1 gL-1懸浮泥沙將導(dǎo)致河流中的氮去除增加25%～120%，這主要是由于懸浮泥沙的存在促進(jìn)了上覆水體的脫氮過(guò)程，同時(shí)懸浮泥沙上硝化反應(yīng)產(chǎn)生的NO2-和NO3-還能提高沉積物中氮去除過(guò)程的反應(yīng)速率[36]。

此外，野外實(shí)地觀測(cè)結(jié)果表明，黃河上覆水體硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌和厭氧氨氧化細(xì)菌主要附著于懸浮泥沙上，且細(xì)菌豐度隨泥沙含量的增加呈冪指數(shù)增加[36-37]，這與實(shí)驗(yàn)室模擬研究結(jié)果一致，說(shuō)明黃河實(shí)際水體中懸浮泥沙對(duì)氮轉(zhuǎn)化具有重要的影響。近年來(lái)，有學(xué)者通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)研究北美5條河流的脫氮過(guò)程，發(fā)現(xiàn)上覆水體對(duì)河流總N2產(chǎn)生的貢獻(xiàn)高達(dá)85%[38]。

3 黃河懸浮泥沙對(duì)河流N2O產(chǎn)生和排放的影響

3.1 懸浮泥沙對(duì)河流N2O產(chǎn)生的影響氧化亞氮（N2O）是河流含氮化合物轉(zhuǎn)化作用的重要產(chǎn)物，是一種強(qiáng)效的溫室氣體，其增溫潛勢(shì)是CO2的近300倍[39]。河流每年N2O排放量估計(jì)約為0.03～2.0 Tg[3，18，40-41]，對(duì)全球氣候變化具有不可推卸的責(zé)任。因此，隨著全球氣候變化逐漸加劇，越來(lái)越多的研究關(guān)注河流N2O的源-匯關(guān)系以及N2O產(chǎn)生和排放的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

河流中N2O的凈產(chǎn)生是N2O產(chǎn)生和消耗過(guò)程動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果，涉及到一系列復(fù)雜的氧化還原過(guò)程（圖3）。自然水體中N2O 潛在產(chǎn)生途徑主要有4個(gè)：細(xì)菌/真菌反硝化過(guò)程、自養(yǎng)/異養(yǎng)硝化過(guò)程、硝化微生物的反硝化過(guò)程以及硝酸鹽異化還原為銨（DNRA）過(guò)程，這些過(guò)程主要是由相關(guān)微生物驅(qū)動(dòng)的一系列連續(xù)的生化反應(yīng)。另外，NO2-也可以通過(guò)化學(xué)反硝化產(chǎn)生N2O。其中不完全的反硝化過(guò)程目前被認(rèn)為是全球尺度上河流N2O產(chǎn)生的主要途徑；硝化過(guò)程和硝化微生物的反硝化過(guò)程也是河流產(chǎn)生N2O的重要途徑，二者都要經(jīng)歷氨氧化為羥胺的過(guò)程。目前有關(guān)區(qū)分二者相對(duì)貢獻(xiàn)的研究較少，但研究表明，大尺度上硝化微生物的反硝化過(guò)程相比于硝化過(guò)程可能更為重要。另外，DNRA過(guò)程中N2O可能作為副產(chǎn)物產(chǎn)生，但產(chǎn)生機(jī)理還需要進(jìn)一步探究，其對(duì)河流N2O產(chǎn)生的貢獻(xiàn)尚不明確，值得更加深入的研究[39]。

圖3 氮循環(huán)中N2O產(chǎn)生及消耗途徑（根據(jù)文獻(xiàn)[39]修改）

有關(guān)黃河N2O產(chǎn)生和排放的研究很少，僅有零星研究報(bào)道了小浪底水庫(kù)、下游河段以及黃河入?？谒wN2O的溶存濃度及排放通量[42-44]，其中黃河水體N2O溶存濃度范圍為8.78～59.02 nmol L-1，平均值為19.33 nmol L-1；N2O 排放通量范圍為-0.9～74.7 μmol m-2d-1，平均值為16.14 μmol m-2d-1。與世界其他河流相比，黃河N2O的溶存濃度及排放通量都處于中等水平（表2）。然而，由于目前缺乏對(duì)黃河全河段的研究，導(dǎo)致無(wú)法得到高分辨率數(shù)據(jù)來(lái)闡明N2O排放模式以及進(jìn)行收支核算。另外，這些研究主要是根據(jù)N2O溶存濃度計(jì)算得到擴(kuò)散通量，而缺少?gòu)牟煌瑫r(shí)間、空間尺度對(duì)N2O排放的潛在規(guī)律以及影響機(jī)制的探討。

表2 黃河及世界其他河流N2O濃度及通量

已有模擬實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，黃河上覆含沙水體也可能是N2O的重要來(lái)源。如前所述，水體中的懸浮泥沙促進(jìn)了硝化、反硝化和耦合硝化—反硝化反應(yīng)，這些反應(yīng)產(chǎn)生的N2O釋放量亦隨懸浮泥沙含量的增加而增加[5，36]。另外，泥沙的粒徑也是重要的影響因素，15N同位素示蹤模擬研究發(fā)現(xiàn)，水體中小粒徑泥沙由于具有更大的比表面積，進(jìn)而通過(guò)反硝化作用產(chǎn)生并釋放更多的N2O[45]。但對(duì)于耦合硝化-反硝化作用，N2O的釋放速率并不隨泥沙粒徑的減小而增加。如當(dāng)水體懸浮泥沙濃度為8 gL-1，懸浮泥沙粒徑分別為＜2、2～20、20～50、50～100和100～200 μm時(shí)，由耦合硝化-反硝化作用產(chǎn)生的N2O的ρ（N+）最高排放速率（1.05 μg/（m3·d））出現(xiàn)在50～100 μm泥沙體系中[26]。上述結(jié)果說(shuō)明，與N2的產(chǎn)生相比，影響N2O產(chǎn)生的因素可能更為復(fù)雜?？紤]到N2O排放對(duì)全球增溫的顯著促進(jìn)作用和目前對(duì)河流N2O估算誤差較大[40]，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行系統(tǒng)研究探究河流懸浮泥沙-水界面N2O的產(chǎn)生機(jī)制及其影響因素。

3.2 懸浮泥沙對(duì)河流N2O排放的影響懸浮泥沙不僅影響河流中N2O的產(chǎn)生，而且還影響N2O在水-氣界面的擴(kuò)散。這主要由于高濃度的懸浮泥沙通過(guò)減弱水體的湍流作用從而減小氣體在水-氣界面的傳輸速率（k），影響N2O的水氣交換[58]。有研究發(fā)現(xiàn)，高含沙量的Gironde 河口（大部分高于0.2 gL-1），其k明顯低于其他低含沙量河口（＜0.2 gL-1），并且發(fā)現(xiàn)Gironde河口k值與水體泥沙含量呈負(fù)相關(guān)[34]。懸浮泥沙對(duì)k值的限制主要有兩個(gè)原因：一是懸浮泥沙由于密度差異會(huì)在水體分層，這就像水體由于溫度分層一樣，會(huì)減弱水體的湍流作用；二是當(dāng)懸浮泥沙在水體中碰撞和凝聚時(shí)，會(huì)消耗水體的湍流動(dòng)能（稱為黏滯耗散），也會(huì)減小湍流作用，進(jìn)而減小k值[59]。Abril 等[34]曾經(jīng)研究過(guò)幾個(gè)河口k值與氣象水文因素的關(guān)系，并建立了一個(gè)反映k600（經(jīng)過(guò)施密特?cái)?shù)標(biāo)準(zhǔn)化的k值）與流速、河口面積、懸浮泥沙濃度和流速間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。模型雖然在這幾個(gè)河口地區(qū)得到較好的擬合，但是該模型是否在河口乃至河流具有普適性，以及懸浮泥沙粒徑等理化性質(zhì)是否對(duì)模型有影響仍不清楚。筆者對(duì)黃河主要干支流的分析發(fā)現(xiàn)，k600與懸浮泥沙濃度間的關(guān)系不顯著，說(shuō)明影響k600的因素較為復(fù)雜，值得更深入的研究。

4 黃河水沙條件變異對(duì)氮轉(zhuǎn)化作用的影響及環(huán)境效應(yīng)

4.1 河流水沙條件變異特征河流水沙條件包括來(lái)水來(lái)沙量、來(lái)水來(lái)沙組成及過(guò)程、流量、流速、水深、懸浮泥沙的含量、粒徑和組成、沉積物的厚度、粒徑和組成等特征。世界河流平均泥沙含量約為0.42 gL-1，其中各個(gè)地區(qū)和各條河流之間的差異很大。由于水土保持和水利工程以及氣候變化的影響，世界河流的輸沙量在近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)均存在減小的趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)的懸浮泥沙含量也在降低，我國(guó)尤為顯著[60]。根據(jù)《中國(guó)河流泥沙公報(bào)》的數(shù)據(jù)，長(zhǎng)江的泥沙含量由1952年以來(lái)的多年平均值0.41 gL-1下降至2005—2018的多年平均值0.15 gL-1。與長(zhǎng)江相比，黃河泥沙含量下降更為顯著，由1952年以來(lái)的多年平均值29 gL-1下降至2005—2018的多年平均值7.6 gL-1。黃河水沙條件變異不僅表現(xiàn)為泥沙含量的變化，其他水沙條件如泥沙的粒徑和組成，溶解性有機(jī)質(zhì)的含量和組成，沉積物的厚度、粒徑和組成，河流的水深和流量以及其他水文水環(huán)境因素等都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。

另外，河流水沙條件變異還會(huì)影響泥沙的沉降和再懸浮作用。沉降和再懸浮是泥沙在上覆水體和沉積相之間的遷移轉(zhuǎn)換方式。小顆粒懸浮泥沙在水體中碰撞聚集，最終在重力的作用下沉降成為沉積物；而外部擾動(dòng)（水流沖擊，風(fēng)力擾動(dòng)和生物擾動(dòng)等）會(huì)使沉積泥沙所受切應(yīng)力高于再懸浮臨界切應(yīng)力，重新進(jìn)入水體中。沉降-再懸浮過(guò)程會(huì)改變水體中泥沙的理化性質(zhì)，如黃河小浪底水庫(kù)的調(diào)水調(diào)沙措施引起泥沙的再懸浮和沉降過(guò)程對(duì)下游河段懸浮泥沙的濃度和粒徑以及有機(jī)碳含量產(chǎn)生了顯著影響[61]。

4.2 水沙條件變異對(duì)氮轉(zhuǎn)化過(guò)程的影響及環(huán)境效應(yīng)河流水沙條件的上述變化必將對(duì)河流（包括上覆水體和沉積相）氮轉(zhuǎn)化作用產(chǎn)生顯著的影響。當(dāng)沉積物再懸浮時(shí)，會(huì)破壞營(yíng)養(yǎng)元素在沉積物-水界面的分配平衡，加速沉積物氨氮、有機(jī)氮和有機(jī)碳等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的釋放，進(jìn)一步促進(jìn)上覆水體的氮循環(huán)過(guò)程。Ma等[42]對(duì)黃河河口的研究發(fā)現(xiàn)，泥沙再懸浮會(huì)使沉積物孔隙水中的氨氮迅速釋放到水體中，加速水體氮轉(zhuǎn)化，從而釋放更多的N2O。另外，再懸浮過(guò)程還會(huì)使沉積物中的顆粒態(tài)有機(jī)氮暴露于水體有氧環(huán)境下，加快有機(jī)氮的礦化，向水體釋放氨氮[62]。同時(shí)，有機(jī)氮的礦化通常會(huì)伴隨異養(yǎng)微生物對(duì)有機(jī)碳的分解，消耗水體的溶解氧，創(chuàng)造低氧環(huán)境，有利于反硝化等過(guò)程的進(jìn)行[63]。當(dāng)懸浮泥沙發(fā)生沉降時(shí)，水體中懸浮泥沙減少，這將降低上覆水體中的氮轉(zhuǎn)化速率；對(duì)于沉積物，由水體沉降的泥沙粒徑較小，這些小顆粒泥沙沉降到沉積物表面會(huì)影響沉積物的通透性，進(jìn)而影響O2和NO3-的穿透深度，最終影響沉積物中的氮轉(zhuǎn)化過(guò)程[64]。對(duì)黃河水體的模擬研究發(fā)現(xiàn)，河流泥沙的存在狀態(tài)（沉積狀態(tài)、懸浮狀態(tài)、沉積-懸浮狀態(tài)交替存在）能顯著影響有機(jī)氮降解和氨氮硝化作用。當(dāng)泥沙以沉積狀態(tài)存在時(shí)，其對(duì)有機(jī)氮降解和氨氮硝化的影響最??；而當(dāng)泥沙以懸浮狀態(tài)存在時(shí)其對(duì)含氮化合物轉(zhuǎn)化作用的促進(jìn)作用最大[5，30]。在自然條件下，沉積物的再懸浮和沉降過(guò)程經(jīng)常同時(shí)交替發(fā)生，因此需要結(jié)合具體情況考慮二者的綜合影響。

沉降-再懸浮過(guò)程還會(huì)對(duì)氮循環(huán)微生物產(chǎn)生影響。懸浮泥沙在河流流動(dòng)過(guò)程中循環(huán)發(fā)生沉淀-懸浮過(guò)程，這將會(huì)增大懸浮泥沙在河流的滯留時(shí)間，促進(jìn)世代時(shí)間較長(zhǎng)的氮循環(huán)微生物（如硝化和厭氧氨氧化微生物）的增長(zhǎng)，從而會(huì)提高相應(yīng)氮轉(zhuǎn)化過(guò)程的速率。此外，當(dāng)懸浮泥沙沉淀于沉積物表層時(shí)，沉積物相對(duì)缺氧的環(huán)境會(huì)促進(jìn)沉淀泥沙上厭氧氮轉(zhuǎn)化微生物的繁殖，這可能會(huì)在其重新懸浮時(shí)提高氮去除過(guò)程的速率。

雖然室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)已證實(shí)河流上覆含沙好氧水體能發(fā)生各種氮轉(zhuǎn)化作用，部分野外觀測(cè)結(jié)果也印證了模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，說(shuō)明懸浮泥沙-水界面氮循環(huán)過(guò)程對(duì)河流氮的遷移轉(zhuǎn)化具有重要意義。但目前研究仍多停留在模擬實(shí)驗(yàn)階段，缺乏野外觀測(cè)結(jié)果，研究較少涉及懸浮泥沙-水界面的存在對(duì)實(shí)際河流氮轉(zhuǎn)化作用的貢獻(xiàn)，有關(guān)河流上覆水體對(duì)某河段、整條河流以及整個(gè)流域氮循環(huán)脫氮作用的貢獻(xiàn)基本處于未知狀態(tài)。尤其是在氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的雙重作用下，河流水沙條件變異對(duì)氮循環(huán)和溫室氣體N2O排放會(huì)有怎樣的影響，目前仍不清楚，需要開(kāi)展系統(tǒng)深入的研究。黃河氮污染嚴(yán)重，亟需進(jìn)一步開(kāi)展泥沙含量變化對(duì)氮遷移轉(zhuǎn)化以及河流水質(zhì)的影響研究。