太湖潛流帶有機(jī)質(zhì)含量對(duì)硝酸鹽還原途徑的影響

李 勇，單雅潔，李 娜，錢佳寧，馮家成，徐 鴻

(1.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098； 2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098; 3.河海大學(xué)水資源高效利用與工程安全國(guó)家工程研究中心，江蘇 南京 210098)

潛流帶作為地表水和地下水之間物質(zhì)和能量交換的活躍過渡區(qū)域，其物理、化學(xué)、生物條件的梯度分布和變化對(duì)氮素的遷移轉(zhuǎn)化和界面釋放產(chǎn)生了重要的影響[1-2]。一般來說，下行流攜帶富含溶解氧和有機(jī)質(zhì)的地表水進(jìn)入潛流帶并與淺層地下水交匯，而上行流則攜帶大量富含硝態(tài)氮、低溶解氧及低有機(jī)質(zhì)的淺層地下水進(jìn)入潛流帶并與界面處地表水體交匯[3-4]。研究顯示，往往深層潛流帶中氨氮含量較高，而富營(yíng)養(yǎng)化的湖泊水體含有豐富的有機(jī)質(zhì)和硝態(tài)氮等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，一旦存在下行流的局部區(qū)域，豐富的有機(jī)質(zhì)和硝態(tài)氮等容易隨著水流進(jìn)入潛流帶，并隨著潛流帶深度的變化而產(chǎn)生不同的物理、化學(xué)、生物變化[5-6]。

眾多研究顯示，潛流帶作為長(zhǎng)期較穩(wěn)定的厭氧場(chǎng)所，對(duì)來自淺層地下水和地表水的硝態(tài)氮具有重要的還原作用，特別是在有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)豐富的淺層潛流帶中，微生物活性相對(duì)較強(qiáng)，容易發(fā)生反硝化作用，使得大量硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮的形式得以去除[7]。一般來說，除了占據(jù)主導(dǎo)地位的反硝化過程外，當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量較低時(shí)，厭氧氨氧化過程會(huì)占據(jù)一定的主導(dǎo)地位；當(dāng)有機(jī)質(zhì)的可用性較高時(shí)，硝酸鹽異化還原成銨(DNRA)過程會(huì)成為硝態(tài)氮還原的重要途徑。富營(yíng)養(yǎng)化湖泊水體中的有機(jī)質(zhì)大多來自自身大型水生植物和浮游動(dòng)植物的分解產(chǎn)物以及通過河道輸入的陸源物質(zhì)等[8-10]，其中腐殖酸是有機(jī)質(zhì)的重要組成部分。江俊武等[11]對(duì)太湖水體的研究顯示，類腐殖質(zhì)對(duì)有色可溶性有機(jī)質(zhì)(CDOM)的貢獻(xiàn)率在9.6%～18.8%之間，特別是太湖的北部和西部等區(qū)域，類腐殖質(zhì)占CDOM的14.6%～18.8%。腐殖酸有較好的還原性，某些硝酸鹽還原菌會(huì)氧化腐殖酸，將其作為氧化還原過程的電子供體[12]。

為進(jìn)一步掌握湖泊潛流帶下行流條件下有機(jī)質(zhì)對(duì)其中硝酸鹽還原的影響，以太湖西部湖區(qū)潛流帶為研究對(duì)象，進(jìn)行室內(nèi)原狀沉積物柱模擬試驗(yàn)，分別設(shè)定腐殖酸與硝酸鹽濃度比值為1∶1以及僅輸入硝酸鹽兩種條件模擬潛流帶下行水流攜帶營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，結(jié)合環(huán)境因子如pH值、Eh值進(jìn)行分析，探索腐殖酸對(duì)硝態(tài)氮還原途徑及氮素在不同深度遷移轉(zhuǎn)化過程的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域及沉積物樣品的采集

太湖是我國(guó)第三大淡水湖，水面面積2 338 km2，平均水深1.9 m，與219條河流和渠道相連。太湖西北部的海拔高于南部和東部，因此水流通常從西北流向東南[13]。西部湖區(qū)枯水期氮素污染主要來源于農(nóng)用化肥，豐水期以生活污水為主[14]。采用手動(dòng)垂直插入聚乙烯管的方式于太湖西部湖區(qū)采樣點(diǎn)W(119°56′17.30″E，31°10′00″N)采集兩根原狀沉積物柱，其中一根內(nèi)徑15 cm，高45 cm，用于室內(nèi)模擬試驗(yàn)；另一根內(nèi)徑6.5 cm，高60 cm，用于理化性質(zhì)分析，所有樣品冷藏運(yùn)往實(shí)驗(yàn)室并在1周內(nèi)完成理化性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定。

1.2 試驗(yàn)裝置和研究方案

圖1 太湖淺層潛流帶下行流模擬試驗(yàn)裝置(單位：cm)Fig.1 Simulation experimental device of shallow hyporheic zone in Lake Taihu with downwelling hyporheic flow (units: cm)

試驗(yàn)裝置以采集的原狀沉積物柱為基礎(chǔ)，豎直放置，頂端加置上覆水儲(chǔ)存段(高30 cm)和進(jìn)水裝置，底端加置底座和排水收集裝置(圖1)。底端填充5 cm厚的均勻粒徑石英砂并在與沉積物接觸面鋪設(shè)土工布，避免柱內(nèi)沉積物在出水時(shí)受到?jīng)_刷擾動(dòng)。試驗(yàn)裝置頂端和底端分別設(shè)置進(jìn)水口和出水口，采用雙頭蠕動(dòng)泵控制進(jìn)水，保持進(jìn)水速率恒定及上覆水水位穩(wěn)定不變；出水口接厭氧水箱，厭氧水箱設(shè)進(jìn)、出氣口及進(jìn)、出水口，連續(xù)充入乙炔氣體以保持柱中厭氧環(huán)境。在距沉積物頂端向下10.0 cm、22.5 cm和45.0 cm處設(shè)置3個(gè)取樣孔，采用抽濾器采集沉積物中孔隙水樣，并安裝pH電極及Eh電極以測(cè)量柱內(nèi)pH值及氧化還原電位。

試驗(yàn)開始前連續(xù)通入蒸餾水，待原狀沉積物柱中物質(zhì)濃度及環(huán)境條件穩(wěn)定時(shí)，記錄柱上電極讀數(shù)并測(cè)定各個(gè)取水口的相應(yīng)水樣指標(biāo)作為初始值。為保持原狀沉積物柱中條件的一致性，采用同一根原狀沉積物柱并設(shè)定兩個(gè)階段開展試驗(yàn)。階段Ⅰ滲透流速為2.02 cm/d，相應(yīng)的配制溶液①硝態(tài)氮及腐殖酸質(zhì)量濃度分別為4.98 mg/L和5.20 mg/L，持續(xù)時(shí)間為80 d，觀察其中不同深度氮素遷移轉(zhuǎn)化特征；隨后開展階段II試驗(yàn)，先通入蒸餾水約25 d以消除上一階段溶質(zhì)輸入對(duì)原狀沉積物柱的影響，直到各深度各物理化學(xué)指標(biāo)穩(wěn)定后同樣以2.02 cm/d的流速通入硝態(tài)氮質(zhì)量濃度為5.11 mg/L的配置溶液②，持續(xù)時(shí)間為57 d，觀察無腐殖酸伴隨輸入情況下不同深度氮素的運(yùn)移轉(zhuǎn)化情況。為保證進(jìn)水溶質(zhì)濃度穩(wěn)定，每2～3天更換模擬水。

在取樣前用針筒將取樣口的水樣抽干，取樣時(shí)打開取樣口的止水夾，使用真空泵對(duì)其進(jìn)行抽氣，將其抽為負(fù)壓后用止水夾夾住抽氣管，靜待約2 h后使用針筒抽出待測(cè)水樣，每次抽取水樣5～10 mL以測(cè)定氮素及腐殖酸濃度。為觀察原狀沉積物柱相對(duì)穩(wěn)定后氮素的主要變化過程，首次取樣時(shí)間在試驗(yàn)開始后第10天，隨后每3～5天取樣一次，每次記錄各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位處的pH值和Eh值。

1.3 分析方法

沉積物粒徑采用全自動(dòng)激光粒度分析儀LS13320測(cè)定；pH值、Eh值分別采用pH電極和Eh電極測(cè)定；沉積物TOC、總氮、硝態(tài)氮和氨氮分別采用HJ 658—2013《土壤有機(jī)碳的測(cè)定 燃燒氧化 滴定法》、HJ 717—2014《土壤質(zhì)量 全氮的測(cè)定 凱式法》、GB/T 32737—2016《土壤硝態(tài)氮的測(cè)定 紫外分光光度法》和HJ 634—2012《土壤 氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮的測(cè)定 氯化鉀溶液提取-分光光度法》測(cè)定。

將沉積物樣品在4 000 r/min條件下離心30 min，取上清液過0.45 μm濾膜后測(cè)定孔隙水中無機(jī)氮的濃度。孔隙水及試驗(yàn)過程中所取水樣的總氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮和氨氮分別采用HJ 636—2012《水質(zhì) 總氮的測(cè)定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》、HJ/T 346—2007《水質(zhì) 硝酸鹽氮的測(cè)定 紫外分光光度法(試行)》、GB/T 5750.5—2006《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法 無機(jī)非金屬指標(biāo)》中的重氮耦合分光光度法和HJ 535—2009《水質(zhì) 氨氮的測(cè)定 納氏試劑分光光度法》測(cè)定；使用UV254快速表征腐殖酸中DOC的濃度，記為DOC254，該方法使用廣泛并能有效代表DOC中有效碳的濃度[15]。

根據(jù)監(jiān)測(cè)深度將原狀沉積物柱分為3層，分別是0～10.0 cm、10.0～22.5 cm、22.5～45.0 cm，計(jì)算各層硝態(tài)氮的還原量、還原速率及氨氮生成量：

(1)

(2)

(3)

使用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，Origin 2018進(jìn)行相關(guān)圖表的繪制。

2 結(jié)果分析

2.1 沉積物基本理化性質(zhì)

太湖西部湖區(qū)孔隙水中TN質(zhì)量濃度隨深度增加而上升，由上層1.69 mg/L逐漸上升到40～60 cm深度的2.92 mg/L；氨氮是無機(jī)氮存在的主要形態(tài)，變化趨勢(shì)與TN相似，隨深度從1.41 mg/L增加到2.17 mg/L；而硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮質(zhì)量濃度相對(duì)較低，平均質(zhì)量濃度分別為0.284 mg/L和0.032 mg/L(圖2(a))。沉積物中，TOC質(zhì)量比隨深度增加從8.22 g/kg升高至14.34 g/kg，平均為11.57 g/kg；TN質(zhì)量比隨深度先升高后降低，均值為2.23 g/kg；氨氮及硝態(tài)氮質(zhì)量比相對(duì)較小，分層特征不明顯，均值分別為0.108 g/kg和0.027 g/kg(圖2(b))。

圖2 太湖西部沉積物及孔隙水中無機(jī)氮垂向分布Fig.2 Inorganic nitrogen vertical distribution in sediment and pore water of the western hyporheic zone of Lake Taihu

2.2 模擬試驗(yàn)中氮素垂向分布變化

a.硝態(tài)氮。階段Ⅰ開始時(shí)各層硝態(tài)氮質(zhì)量濃度均持續(xù)升高，第21天時(shí)各層硝態(tài)氮質(zhì)量濃度達(dá)到最大值，隨深度增加分別為2.31 mg/L、1.29 mg/L和0.91 mg/L(圖3(a))。第21—39天原狀沉積物柱內(nèi)硝態(tài)氮質(zhì)量濃度呈下降趨勢(shì)，表層降至1.46 mg/L，而中下層均降至0.5 mg/L左右。39天后上層硝態(tài)氮質(zhì)量濃度仍有降低趨勢(shì)，但相對(duì)較緩，中下層略有升高。深度10.0 cm處硝態(tài)氮質(zhì)量濃度一直高于其余兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，而中下層硝態(tài)氮質(zhì)量濃度差異相對(duì)較小。階段Ⅰ結(jié)束時(shí)，上、中、下層硝態(tài)氮質(zhì)量濃度分別為1.37 mg/L、0.64 mg/L和0.60 mg/L。階段Ⅱ初期3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)硝態(tài)氮質(zhì)量濃度均呈緩慢升高的趨勢(shì)，第138天以后硝態(tài)氮累積速度加快，最終質(zhì)量濃度隨深度增加分別達(dá)到2.46 mg/L、1.71 mg/L和1.42 mg/L。在階段Ⅱ，硝態(tài)氮分層特征較階段Ⅰ更為明顯，呈上層大于中層大于下層。總的來說，在原狀沉積物柱運(yùn)行過程中，各層硝態(tài)氮質(zhì)量濃度變化特征相似，階段Ⅰ硝態(tài)氮質(zhì)量濃度在前21天大幅度上升，后呈降低趨勢(shì)，而階段Ⅱ硝態(tài)氮持續(xù)累積。

圖3 原狀柱內(nèi)不同深度孔隙水中硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮及氨氮質(zhì)量濃度變化Fig.3 Mass concentration variations of nitrate nitrogen, nitrous nitrogen and ammonia nitrogen in pore water at different depths of undisturbed sediment column

b.亞硝態(tài)氮。階段Ⅰ各層初始亞硝態(tài)氮質(zhì)量濃度差異較大，隨著深度增加分別為0.074 mg/L、0.051 mg/L和0.062 mg/L(圖3(b))。初期各層亞硝態(tài)氮均經(jīng)歷了一個(gè)顯著下降的過程，第21天時(shí)降至0.03 mg/L左右；21天后各層質(zhì)量濃度變化幅度相對(duì)較小。上層第21—65天亞硝態(tài)氮質(zhì)量濃度仍呈降低趨勢(shì)，但降低速度減緩，從0.035 mg/L降至0.022 mg/L；第65天后出現(xiàn)了短暫的上升，最終質(zhì)量濃度為0.035 mg/L。而中層亞硝態(tài)氮第25天后出現(xiàn)了較為明顯的累積，階段Ⅰ結(jié)束時(shí)質(zhì)量濃度升高至0.043 mg/L。下層21天后亞硝態(tài)氮質(zhì)量濃度在0.020～0.035 mg/L波動(dòng)變化，最終穩(wěn)定于0.031 mg/L。階段Ⅱ初期(第106—135天)上層及中層亞硝態(tài)氮質(zhì)量濃度均略有升高，而下層呈降低趨勢(shì)。第138天后，3個(gè)深度處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的亞硝態(tài)氮質(zhì)量濃度均呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，且上升速度略快于第106—135天。整體上看，階段Ⅰ前21天亞硝態(tài)氮質(zhì)量濃度急劇降低，21天后各有變化但變化幅度相對(duì)較??；階段Ⅱ亞硝態(tài)氮的變化趨勢(shì)與硝態(tài)氮相似，均出現(xiàn)了較明顯的累積。

c.氨氮。階段Ⅰ各層氨氮初始質(zhì)量濃度較高，在0.73～0.99 mg/L之間(圖3(c))。第21—48天上層氨氮質(zhì)量濃度穩(wěn)定在0.32 mg/L左右，中層在0.41～0.58 mg/L之間波動(dòng)，下層穩(wěn)定在0.68 mg/L。第48天后各層氨氮質(zhì)量濃度快速下降，中上層第55天后均保持在0.15 mg/L左右，而下層在55天后仍呈下降趨勢(shì)，最終穩(wěn)定在0.20 mg/L。階段Ⅱ沉積物中各層氨氮質(zhì)量濃度相對(duì)穩(wěn)定，維持在0.01～0.17 mg/L之間。整體上，階段Ⅰ各層氨氮質(zhì)量濃度呈降低趨勢(shì)，深度45.0 cm處的氨氮質(zhì)量濃度一直高于其余兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，階段Ⅱ各層氨氮質(zhì)量濃度均保持在0.17 mg/L以下。

2.3 模擬試驗(yàn)中pH值、Eh值和HA變化

a.pH值。原狀沉積物柱上層pH值略高于中下層(圖4(a))。階段Ⅰ前期(第0—21天)各層pH值較為穩(wěn)定，其變化幅度均小于0.1。第21—28天各層pH值出現(xiàn)了一定程度的升高，中層上升趨勢(shì)最為明顯，增加了0.20。第28天后上層pH值在第48—55天出現(xiàn)了大幅度上升，而中下層一直保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)且pH值均在7左右。階段Ⅱ第106—131天各層pH值相對(duì)穩(wěn)定，第131天后均出現(xiàn)下降趨勢(shì)，下層變化幅度最大。在同時(shí)輸入硝酸鹽和腐殖酸的階段Ⅰ，pH值呈升高趨勢(shì)，在僅輸入硝酸鹽的階段Ⅱ，pH值呈下降趨勢(shì)。

圖4 原狀柱內(nèi)不同深度孔隙水的pH值、Eh值、DOC254變化Fig.4 Variations of pH, Eh and DOC254 in pore water at different depths of undisturbed sediment column

b.Eh值。模擬柱中初始Eh值較高(283～290 mV)，階段I初期各深度Eh值急劇下降，在第21天時(shí)下降至約-300 mV(圖4(b))。第21天后Eh值趨于穩(wěn)定，其中上層(10.0 cm處)穩(wěn)定于-300 mV上下；中層(22.5 cm處)Eh值前期下降幅度最大，至第28天時(shí)達(dá)到-456 mV，隨后趨勢(shì)平穩(wěn)；而下層(45.0 cm處)Eh值在第21天后仍有繼續(xù)下降的趨勢(shì)并最終達(dá)到-387 mV。階段II中，3個(gè)深度的監(jiān)測(cè)點(diǎn)處Eh值變化幅度相對(duì)較小，其中深度10 cm和22.5 cm處基本保持了階段I延續(xù)的Eh值并有較小幅度的上升，而深度45.0 cm處Eh值在第106—115天內(nèi)有相對(duì)較大幅度的上升，在第115天后趨于穩(wěn)定并接近深度10.0 cm處的Eh值?？傮w上，在同時(shí)輸入硝酸鹽和腐殖酸的階段I試驗(yàn)中，Eh值在前期21天內(nèi)有大幅度下降，隨后維持相對(duì)穩(wěn)定，而在僅輸入硝酸鹽的階段II中，Eh值基本維持相對(duì)穩(wěn)定且有微小上升的趨勢(shì)。另外，各深度處Eh值趨勢(shì)穩(wěn)定后22.5 cm處表現(xiàn)出最大的還原性。

c.DOC254。使用DOC254表示HA濃度。原狀沉積物柱內(nèi)下層初始DOC254質(zhì)量濃度明顯高于中上層(圖4(c))。隨著腐殖酸的輸入，階段Ⅰ前期(第0—25天)上層及中層DOC254質(zhì)量濃度均有所上升，而下層變化相對(duì)較小，保持在11.3 mg/L左右。第25天后各層DOC254質(zhì)量濃度均呈降低趨勢(shì)，最終各層DOC254質(zhì)量濃度在2.33～3.32 mg/L之間，在此期間，中層DOC254質(zhì)量濃度與其他兩層相比相對(duì)較低。階段Ⅱ初期中上層較為平穩(wěn)，基本延續(xù)了階段Ⅰ末期的質(zhì)量濃度，而下層呈降低趨勢(shì)。第131天后3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處DOC254質(zhì)量濃度波動(dòng)變化，隨深度增加最終質(zhì)量濃度分別為4.32 mg/L、3.32 mg/L和2.33 mg/L?？傮w上，階段Ⅰ中上層DOC254質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，而下層初始質(zhì)量濃度較高，初期變化不大，第21天后呈降低趨勢(shì)；階段Ⅱ各層DOC254質(zhì)量濃度在1.34～6.31 mg/L波動(dòng)，平均為3.32 mg/L。

3 討 論

腐殖酸的輸入一方面為潛流帶營(yíng)造了適宜發(fā)生硝酸鹽還原的環(huán)境，另一方面提高了硝酸鹽還原速率。在腐殖酸輸入初期，有機(jī)質(zhì)的輸入促進(jìn)了潛流帶中還原環(huán)境的形成[16]，原狀沉積物柱內(nèi)氧化還原電位快速降低。第0—21天內(nèi)，柱內(nèi)呈弱氧化環(huán)境且具有較高的初始氨氮質(zhì)量濃度。在此期間，硝態(tài)氮持續(xù)累積，而氨氮質(zhì)量濃度大幅度降低，可能發(fā)生了硝化作用與厭氧氨氧化。硝化作用多發(fā)生在有氧的沉積物表層，氨氮質(zhì)量濃度較高時(shí)，硝化速率相對(duì)較快。陳國(guó)元[17]在研究太湖竺山灣沉積物硝化作用時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著NH3-N質(zhì)量濃度從0.05 mg/L增加到0.85 mg/L，氨氧化速率從(4.58±0.62)mg/(L·d)升高至(28.16±2.27)mg/(L·d)。在相對(duì)較高的氨氮質(zhì)量濃度下，沉積物也具有較高的厭氧氨氧化潛力。羅躍輝等[18]在對(duì)太湖西部湖區(qū)沉積物厭氧氨氧化潛在速率的研究中發(fā)現(xiàn)，厭氧氨氧化速率和孔隙水氨氮質(zhì)量濃度表現(xiàn)出相似的季節(jié)變化特征，隨著氨氮質(zhì)量濃度從1.02 mg/L(春季)升高至3.16 mg/L(秋季)，厭氧氨氧化速率從6.57 μmol/(kg·h)升高至10.11 μmol/(kg·h)。另外，原狀沉積物柱中還伴有硝酸鹽還原過程，見表1。第21天以后柱內(nèi)呈還原環(huán)境，Eh值在-200 mV以下適宜硝酸鹽還原反應(yīng)的發(fā)生[19-20]。

在形成還原環(huán)境后，伴隨著腐殖酸的輸入，各深度處硝態(tài)氮質(zhì)量濃度持續(xù)降低，第39天后趨于穩(wěn)定，第21—80天原狀柱中平均硝態(tài)氮還原速率為0.230 μg/(cm3·d)。在僅輸入硝酸鹽的情況下，硝態(tài)氮及亞硝態(tài)氮均出現(xiàn)累積現(xiàn)象。階段Ⅱ前期(第106—138天)由于柱中仍有階段Ⅰ殘存的腐殖酸作為硝酸鹽還原的電子供體，硝酸鹽累積速度較緩，平均硝酸鹽還原速率相對(duì)較高，為0.172 μg/(cm3·d)。而第138天后柱中硝態(tài)氮增長(zhǎng)速度相對(duì)較快，柱中平均硝態(tài)氮還原速率降至0.155 μg/(cm3·d)，表明停止輸入腐殖酸后，電子供體的減少降低了硝態(tài)氮還原速率?？蝶惥甑萚21]在太湖環(huán)湖河流的研究表明，對(duì)于富氮水體(硝態(tài)氮質(zhì)量濃度大于1.41 mg/L)而言，水體中DOC的質(zhì)量濃度與沉積物反硝化潛力存在較為緊密的相關(guān)關(guān)系，DOC是反硝化潛力的主要限制因素。楊麗標(biāo)等[22]在對(duì)黃河沉積物反硝化速率的研究中發(fā)現(xiàn)，在不另外加氮源的情況下，添加碳源使上覆水有機(jī)碳質(zhì)量濃度為2.4 mg/L時(shí)，反硝化速率比原水提高了64.3%，表明有機(jī)碳的輸入對(duì)硝酸鹽還原有明顯的促進(jìn)作用。

表1 各階段中硝酸鹽還原量和還原速率及不同還原途徑貢獻(xiàn)的估算

隨著下行水流的滲入，硝態(tài)氮的還原量逐層遞減，上層是硝酸鹽還原的主要場(chǎng)所。對(duì)于階段Ⅰ而言，上層硝態(tài)氮還原量約占原狀沉積物柱總還原量的83.1%，中層占15.9%，硝酸鹽還原主要發(fā)生在中上層。隨著深度的增加，各深度硝態(tài)氮質(zhì)量濃度降低，深度22.5 cm處的平均質(zhì)量濃度較低，為0.69 mg/L，未給下層提供充足的硝酸鹽，因此下層雖然氧化還原電位較低，且有充足的DOC作為電子供體，但對(duì)硝酸鹽還原貢獻(xiàn)相對(duì)較小，其硝態(tài)氮還原量約為總還原量的1%。

相比階段Ⅰ，階段Ⅱ下層硝態(tài)氮還原量占還原總量的比例增加，為5.4%，這可能是因?yàn)橄跛猁}還原速率減小，導(dǎo)致22.5 cm處硝態(tài)氮質(zhì)量濃度略高，給下層硝酸鹽還原提供了反應(yīng)底物，但潛流帶中上層還原的硝酸鹽仍占還原總量的94.6%。Shelley等[23]在研究英國(guó)Rother河的一條支流時(shí)發(fā)現(xiàn)，在沉積物60 cm深度以下，硝酸鹽還原活性較低，硝態(tài)氮的還原速率小于1 μmol/h，而在較淺沉積物(0～40 cm)中，硝酸鹽還原活性明顯增強(qiáng)且波動(dòng)較大，硝態(tài)氮的還原速率在0～17 μmol/h之間，總體上硝酸鹽還原總量以及反硝化作用強(qiáng)度隨著深度增加而顯著減少。Lansdown等[24]對(duì)英國(guó)Leith河流的潛流帶(5～86 cm)進(jìn)行研究，結(jié)果顯示，最大的反硝化活性為5.9 nmol/(g·h)(以氮計(jì))，出現(xiàn)在深度5～10 cm，且隨深度增加明顯減弱，也表明潛流帶表層具有較高的硝酸鹽還原潛力。

反硝化是潛流帶硝酸鹽還原的主要途徑。在腐殖酸和硝酸鹽同時(shí)輸入的情況下，原狀沉積物柱內(nèi)形成穩(wěn)定的還原環(huán)境，特別是在第21天后，反硝化作用對(duì)硝酸鹽還原的貢獻(xiàn)率約為90.0%；在僅輸入硝酸鹽的情況下，反硝化作用對(duì)硝酸鹽還原的貢獻(xiàn)率為97.3%。Meghdadi等[25]使用同位素分餾分析法估算旱季Ghezel Ozan River潛流帶反硝化的貢獻(xiàn)率為73.8%，也表明潛流帶中反硝化作用對(duì)硝酸鹽還原具有較高的貢獻(xiàn)。有機(jī)質(zhì)質(zhì)量濃度較高時(shí)，原狀沉積物柱內(nèi)可能發(fā)生了DNRA作用，隨著有機(jī)質(zhì)質(zhì)量濃度的降低，DNRA作用減弱。21～48 d柱中DOC254平均質(zhì)量濃度為6.92 mg/L(圖4(c))，DOC254與硝態(tài)氮平均質(zhì)量濃度的比值為6.95，DNRA作用占總硝酸鹽還原的14.0%。由于反硝化作用大量消耗碳源，48 d后DOC254質(zhì)量濃度進(jìn)一步減少，48～80 d平均質(zhì)量濃度為4.79 mg/L，DOC254與硝態(tài)氮平均質(zhì)量濃度的比值為5.40(表1)，DNRA作用對(duì)硝酸鹽還原的貢獻(xiàn)率降至4.5%。而階段Ⅱ停止輸入腐殖酸，DOC254平均質(zhì)量濃度為3.32 mg/L，DOC254與硝態(tài)氮平均質(zhì)量濃度的比值為2.98，DNRA對(duì)硝酸鹽還原的貢獻(xiàn)率進(jìn)一步降低，為2.7%。溶解性有機(jī)質(zhì)的濃度是DNRA的重要影響因素，Li等[26]對(duì)中國(guó)南部岷江河口的研究表明，DOC是DNRA的最佳預(yù)測(cè)因子，可以解釋63%的DNRA方差。Salk等[27]在對(duì)Shaws海灣沉積物硝酸鹽還原途徑的研究中發(fā)現(xiàn)高C/N摩爾比的環(huán)境更適合DNRA的發(fā)生。因此，在C/N摩爾比相對(duì)較低的階段Ⅰ后期(DOC254質(zhì)量濃度減少)和階段Ⅱ(無外源有機(jī)質(zhì)輸入且硝酸鹽不斷累積)，DNRA受到了一定的抑制。

4 結(jié) 論

a.表層沉積物中豐富的有機(jī)質(zhì)為硝酸鹽還原過程提供了充足的電子供體。硝態(tài)氮伴隨腐殖酸隨下行水流進(jìn)入潛流帶及其對(duì)照試驗(yàn)表明，有機(jī)質(zhì)對(duì)硝酸鹽還原具有重要的促進(jìn)作用，在有機(jī)質(zhì)不充分的條件下(即無腐殖酸伴隨輸入)硝酸鹽還原速率降低了26.4%，且出現(xiàn)了硝酸鹽累積現(xiàn)象。

b.湖泊表層沉積物是氮素還原的重要場(chǎng)所，是湖泊水體環(huán)境中氮素循環(huán)的重要過程。室內(nèi)原狀沉積物柱模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在有機(jī)質(zhì)和硝態(tài)氮源充足的條件下，淺層沉積物(0～22.5 cm)對(duì)硝酸鹽還原的貢獻(xiàn)達(dá)99.0%，而深層沉積物(22.5～45.0 cm)對(duì)其貢獻(xiàn)相對(duì)較小。即使是有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較低的條件下，淺層沉積物(0～22.5 cm)硝酸鹽還原仍占還原總量的約94.6%。

c.硝酸鹽還原途徑隨著有機(jī)質(zhì)和氮素含量及氧化還原環(huán)境而變化。室內(nèi)原狀沉積物柱模擬試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在有機(jī)質(zhì)和硝態(tài)氮源相對(duì)豐富的條件下，反硝化作用是沉積物中硝酸鹽還原的主要途徑，約占總還原的90%，而DNRA作用對(duì)硝酸鹽還原的貢獻(xiàn)相對(duì)較小(5.4%～14.0%)，且隨腐殖酸濃度的降低而減少(平均為2.7%)。