（环境工程专业论文）大辽河氮、磷输送平衡研究.pdf

。缝懋大辽河氮、磷输送平衡研究东华大学学位论文原创性声明i i i i i ii i i i i i i i j l m u l i i i i h j i i ii l ly 2 2 7 9 2 14本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。靴敝储铭：骤日期：邯年2 月狮 。缝缴大辽河氮、磷输送平衡研究东华大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口，在年解密后适用本版权书。本学位论文属于不保密毗学位敝货者虢7 黝芝日期：沙眵年拥旃一指导教师签名日期：础年 o黝大辽河氮、磷输送平衡研究啦硼暇”十；一r ：可镯磁输；善业撷槲霹大辽河氮、磷输送平衡研究摘要河流营养盐的输送平衡主要涉及营养盐滞留及沉积物水界面间营养盐交换，二者的平衡关系决定了河流输送过程中营养盐的总量变化，从而影响物质向河口区的输送通量。因此，加强河流输送过程中氮、磷等营养盐平衡研究对于明确氮、磷迁移转化过程，了解氮、磷由陆到海的通量差异具有重要意义。随着全球陆域氮、磷营养盐不断增加，河流氮、磷输送平衡作用越来越引起学者的高度关注，并逐渐成为流域水环境管理工作的重要科学问题。本论文以大辽河为研究对象，通过野外原位实测、室内模拟、( 经验公式) 计算等方法，对大辽河输送过程中氮、磷沉积、水生生物吸收利用效率、氮的反硝化作用以及沉积物水界面溶解性氮、磷的交换通量进行了分步的定量解析，以期确定河流输送过程中氮、磷的主要滞留途径及滞留效率。( 1 ) 大辽河总氮( t n ) 、总磷( t p ) 浓度范围分别介于4 8 0 - 7 5 9 、0 1 7 , - , 0 4 7m g l 之间。其中，溶解性总氮( d t n ) 是总氮( t n ) 的主要赋存形态，所占比例约为8 6 ；而颗粒态磷( p p ) 是总磷( 邛) 的主要赋存形态，所占比例约为6 9 。统计分析显示，大辽河表层水营养盐具有一定的时空差异，其中t n 浓度含量表现为为春季 夏季 秋季，季节间差异显著( 尸 o 0 5 ) ：t p 浓度含量季节分布为秋季显著低于春、夏两季( p 0 0 5 ) 。但在空间分布上t n 、t p 均不存在显著差异( p 0 0 5 ) 。另外，大辽河t n 浓度呈现出明显的垂向分布规律，其变化趋势为表层水( o 5m ) 中层水( 4m ) 底层水( 7m ) ，但差异不显著( 胗o 0 5 ) ，而t p在河流中的垂直分布较为均匀。( 2 ) 根据经验模型，结合大辽河三岔河实测水位、流量数据( 2 0 0 9年数据) 估算，水生植物对大辽河氮、磷的吸收总量的年均值为0 1 。这说明水生植物吸收沉积物中氮、磷，并最终随着植物体的死亡腐解 。缝缴 大辽河氮、磷输送平衡研究 释放到水体，但整体上，水生植物的氮、磷吸收利用不会对大辽河的 氮、磷输送平衡构成显著的影响。 ( 3 ) 对大辽河氮、磷沉积通量的研究结果表明，大辽河输送过程 中3 的氮和1 9 的磷可通过沉积作用而滞留在河道。论文通过室内 模拟试验研究了大辽河沉积物的反硝化脱氮速率，并最终估算了大辽 河反硝化过程的氮损失比例。结果表明，大辽河沉积物的平均反硝化 速率为1 6 4 5m g m 2 d ，由此可消耗大约7 的外源输入氮量。因此， 整体上，反硝化过程和沉积作用分别为氮、磷的主要滞留途径。 ( 4 ) 研究期间，大辽河沉积物水界面n 0 2 - n 、n 0 3 - n 、n h 4 + - n 、 d i n ( n 0 2 - 删4 + - n + n 0 3 - n ) 的交换通量分别介于9 4 3 2 1 0 ( 均值 2 2 7 士0 7 5 ) 、31 7 1 9 3 8 5 ( 均值一1 2 7 7 土2 3 7 4 ) 、1 4 6 6 8 2 4 5 5 ( 均值 2 2 0 9 7 士5 7 2 9 ) 矛口1 5 5 51 5 9 9 1 0 ( 均值9 3 9 2 士6 0 2 5 ) m o l m 2 d 。p 0 4 3 p 交换通量变化范围为0 3 6 - - 4 ) 5 7p , m o l m 卜d ，均值为( o 0 0 - j ：o 0 5 ) l x m o l m 2 d 。整体上，沉积物最终表现为水体n 0 2 - n 、n 0 3 - n 的汇和 n h 4 + - n 、d i n 的释放源。而p 0 4 3 p 基本处于交换平衡状态，考虑到 大辽河河床面积( 3 0k m 2 ) 和氮、磷的入境( 入河) 通量( a n ：5 2 5 万吨 年，耶：o 21 万吨年) 估算得到沉积物水界面氮、磷交换通量与入境 通量的比值 1 ，表明泥水界面的氮、磷交换不会显著影响大辽河氮、 磷的入海总量。 综合氮、磷的各种滞留过程以及沉积物水界面氮、磷的交换， 大辽河输送过程中约1 0 的氮和1 9 的磷会滞留河道。因此，在未来 近岸水环境治理工作中，必需考虑河流滞留对氮、磷入海通量的影响。 关键字：大辽河：氮、磷；平衡；河流输送 n 大辽河氮、磷输送平衡研究 t h eb a l a n c eo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sd u r i n g t h et r a n d p o r t i o ni nd a l i a or e r a b s t r a c t t h en u t r i e n t st r a n s p o r t a t i o ni nr i v e rm a i n l yi n v o l v e sr e t e n t i o na n dn u t r i e n t se x c h a n g e b e t w e e ns e d i m e n t - w a t e ri n t e r f a c e ( i n t e r n a ll o a d s ) n en u t r i e n t sb a l a n c eo ft h o s ep r o c e s s e s d e t e r m i n e st h en u t r i e n t sb u d g e tt h a te x p o r tt os e a t h e r e f o r e ，i t sn e c e s s a r yt os t u d yt h ec y c l i n g p r o c e s s o fn u t r i e n t sd u r i n gr i v e rt r a n s p o r t i o n ，w h i c hw o u l ds h o wi m p o r t a n tr o l ei nw a t e r m a n o g e m e n t n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s a t t r a c t e dm o r ea n dm o r es c h o l a r s a t t e n t i o nw i t h i n c r e a s e dn u t r i e n t sl o a d si nt e r r e s t r i a le c o s y s t e m 。 1 1 1 i sa r t i c l es t u d i e dt h ed e p o s i t i o n ，a q u a t i cb i o l o g i c a la b s o r p t i o n ，d e n i t r i f i c a t i o na n de x c h a n g e r a t ea c r o s ss e d i m e n ta n dw a t e ri n t e r f a c eo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u si nd a - l i a or i v e rt h r o u g ht h e i n - s i t um e a s u r e d s i m u l a t i o nr e s e a r c ha n de m p i r i c a lm o d e l n l ec o n c l u s i o no fo u rr e s e a r c h i n c l u d e s ： ( 1 ) c o n c e n t r a t i o n so ft o t a ln i t r o g e n ( t n ) ，t o t a lp h o s p h o r u s ( t p ) r a n g ef r o m4 8 0t o7 5 9 ，0 1 7 t oo 4 7m g li nd a - l i a or i v e r , a n dt h ed i s s o l v e dt o t a ln i t r o g e n ( d t n ) i st h em a i nf o r mo ft o t a l n i t r o g e n ( t n ) w i t hp r o p o r t i o no f8 6 ；p a r t i c u l a t ep h o s p h o r u s ( p p ) i st h em a i nf o r mo ft o t a l p h o s p h o r u s ( t p ) w i t hp e r c e n t a g eo f6 9 s t a t i s t i c a la n a l y s i ss h o w e dt h a tc o n c e n t r a t i o n so f n i t r o g e na n dp h o s p h o r u si nd a l i a or i v e rs h o w e ds i g n i f i c a n tt e m p o r a lv a r i a t i o n n l es e a s o n a l i t y c h a r a c t e ro ft na n dt pc o n c e n t r a t i o nw a ss p r i n g s u m m e r a n t u m nf j p 0 0 5 ) h o w e v e r , t na n d t ps h o w e dn os i g n i f i c a n t l ys p a t i a ld i f f e r e n c e i na d d i t i o n ，c o n c e n t r a t i o no ft nb u tt ps h o w a p p a r e n t v e r t i c a ld i s t r i b u t i o n p a t t e r n ：s u r f a c ew a t e r ( 0 5m ) m i d d l ew a t e r ( 4m ) o v e r l y i n g w a t e r f e r ( 7m 1 ( 2 ) t h eu pt a k er a t eo ft na n ft pb ya q u a t i cp l a n t se s t i m a t e db a s e do nw a t e rl e v e la n df l o w d a t ai sa b o u t - 0 1 t h i sr e s u l ti n d i c a t e st h a ta q u a t i cp l a n t su pt a k en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sf r o m s e d i m e n t s ，a n df i n a l yn i t r o g e na n dp h o s p h o r u si np l a n t sr e l a s et ow a t e rb o d yw i t ht h ed e a t ho f p l a n t o v e r a l l ，a q u a t i cp l a n t sh a sn os i g n i f i c a n te f f e c to nt h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sb a l a n c e d u r i n gt r a n s p o r t a t i o ni nd a - l i a or i v e r ( 3 ) 3 o fn i t r o g e na n d19 o fp h o s p h o r u sw a sd e p o s i t e dd u r i n gt r a n s p o r t i o n ，r e s p e c t i v e l y 1 1 1 ea v e r a g ed e n i t r i f i c a t i o nr a t e so fs e d i m e n t si nd a l i a or i v e rw a s16 4 5m g m 2 d ，t h u sw ec a n e s t i m a t e dt h a tt h el o s to f n i t r o g e nv i ad e n i t r i f i c a t i o np r o c e s si sa b o u t7 o f t h en i t r o g e nl o a d s ( 4 ) d u r i n gt h es t u d yp e r i o d ，t h ea v e r a g ee x c h a n g ef l u x e so fn 0 2 。- n ，n 0 3 - n ，n h 4 + = na n d d i n ( n 0 2 - n + n h 4 + - n + n 0 3 - n ) i ns e d i m e n t w a t e ri n f e r f a c ew e r e r a n g ef r o m - 9 4 3t o2 1 0 ( a v e r a g e ：1 2 4 7 + 2 3 7 4 ) ，3 1 7 7 9t o3 8 5 ( a v e r a g e ：1 2 7 7 + 2 3 7 4 ) ，1 4 6 6t o8 2 4 5 5 ( a v e r a g e ：2 2 0 9 7 4 - 5 7 2 9 ) a n d - 1 5 5 5 lt o5 9 9 1 0 ( a v e r a g e ：9 3 9 24 - 6 0 2 5 ) i _ t m o l m z d ，r e s p e c t i v e l y p 0 4 3 pe x c h a n g e f l u x e sw e r er a n g e d 0 3 6t o0 5 7l a m o l m z d ，t h em e a nv a l u ew a s ( 0 0 04 - 0 0 5 ) i _ t m o l m z d t h e r e f o r e ，s e d i m e n ta c t sa ss i n k so fn 0 2 - na n dn 0 3 - - n ，a n ds o u r c eo fn i - 1 4 + - na n dd i n a n d t h ep 0 4 3 pe x c h a n g ef l u sw a sb a s i cb a l a n c e t a k i n gt h er i v e rb e da r e a ( 3 0k m 2 ) i n t oa c c o u n t ，i ti s i i i j 皇季乏荸 大辽河氮、磷输送平衡研究 e s t i m a t e dt h el e s st h a nl o fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sl o a d sw a sc o n s u m e d t h u s e x c h a n g ef l u x o fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sd u r i n gt h et r a n s p o r t i o nh a sn os i f n i f i c a n ti n f l u e n c ei nn u t r i e n t sb u d g e t i i ld a l i a or i v e r i n t e g r a t i n gr e t e n t i o np r o c e s sa sw e l la ss e d i m e n t - w a t e ri n t e r f a c ee x c h a n g eo fn i t r o g e na n d p h o s p h o r u s ，i ti se s t i m a t e dt h a ta b o u t10 o ft h en i t r o g e na n d19 o f t h ep h o s p h o r u sl o a d si nt h e d a - l i a or i v e rw o u l db er e t e n t e di nt h er i v e r t h e r e f o r e ，i tw a sn e c e s s a r yt oc o n s i d e rt h ei m p a c to f r e t e n t i o nr a t eo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u si n t oc o n s i d e r a t i o ni nt h e f u t u r em a n a g e m e n to fc o a s t a l w a t e r k e yw o r d ：d a l i a or i v e r n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s ，b a l a n c e ，r i v e rt r a n s p o r t i o n 0 缝继大辽河氮、磷输送平衡研究目录目蜀毛。l第一章绪论41 1 引言41 2 河流氮、磷滞留研究现状一51 2 1 河流输送过程中氮、磷的主要滞留途径51 2 2 河流氮、磷滞留影响因素一1 01 2 3 河流氮、磷滞留研究方法一l l1 2 4 河流氮、磷滞留效率研究实例1 31 3 河流沉积物水界面营养的交换通量131 3 1 沉积物水界面营养盐交换过程1 31 3 2 沉积物水界面营养盐交换通量影响因素1 41 3 3 沉积物水界面营养盐交换通量研究方法l51 3 4 沉积物水界面氮、磷交换研究实例1 61 4 本文研究目的与研究内容l71 4 1 研究目的171 4 2 研究内容17第二章研究方案l92 1 研究区域概况l92 1 1 大辽河流域与水系概况1 92 1 2 大辽河污染现状2 l2 2 技术路线2l2 3 研究方法2 22 3 1 氮、磷沉积滞效率研究一2 22 3 2 水生植物利用研究一2 32 3 3 氮的反硝化脱氮速率研究2 32 3 4 沉积物水界面营养盐交换通量研究2 42 4 样品的采集2 52 。4 。1 采样点设置2 52 4 2 样品采集2 62 5 分析方法2 72 6 数据分析2 8第三章大辽河氮、磷时空分布特征2 9 。缝懋 大辽河氮、磷输送平衡研究 3 1 大辽河水质现状分析2 9 3 1 1 大辽河水体氮浓度时空变化2 9 3 1 2 大辽河水体磷浓度时空变化3 0 3 1 - 3 其它水质参数时空变化3 2 3 2 大辽河不同水层氮、磷浓度差异3 3 3 2 1 大辽河不同水层氮浓度差异一3 3 3 2 2 大辽河不同水层磷浓度差异3 5 3 3 大辽河沉积物理化性状分析3 7 3 3 1 大辽河沉积物粒度分布3 7 3 3 2 大辽河沉积物有机物、总氮、总磷含量3 8 3 4 观测断面氮、磷输送通量3 9 3 5 小结与讨论4 1 3 5 1 小结4 1 3 5 2 讨论4 1 第四章大辽河氮、磷滞留效率研究4 3 4 1 大辽河氮、磷沉积效率估算4 3 4 2 大辽河水生植物氮、磷利用率估算4 5 4 3 大辽河反硝化氮损失比例4 6 4 3 1 室内培养研究结果4 6 4 3 2 经验模型估算法4 7 4 4 小结与讨论4 7 4 4 1 小结4 7 4 4 2 讨论4 8 第五章大辽河沉积物水界面营养盐交换通量5 0 5 1 沉积物间隙水氮、磷浓度5 0 5 2 大辽河上覆水氮、磷浓度5 0 5 3 沉积物水界面溶解性氮、磷交换通量5 1 5 3 1 沉积物水界面溶解性氮交换通量5 2 5 3 2 沉积物水界面溶解性磷交换通量5 3 5 4 交换通量与影响因素分析5 4 5 5 小结与讨论5 5 5 5 1 小结5 5 5 5 2 讨论5 6 第六章结论与展望5 8 6 1 结论5 8 大辽河氮、磷输送平衡研究 6 2 展望5 9 参考文献6 0 发表论文及参与课题情况一6 7 o 缝懋 大辽河氮、磷输送平衡研究 第一章绪论 1 1 引言 氮、磷等营养物质是生物地球化学循环的物质基础，同时又是引起水体富营 养化的主要元素【1 1 。人类活动与全球变化的共同作用导致陆地系统氮、磷负荷趋 于饱和 2 3 1 ，陆域氮、磷过剩造成的水体富营养化已成为全球普遍关注的问题。 河流是陆地与海洋的联系枢纽。氮、磷等生源要素从陆地向海洋的河流运移是全 球或区域生物地球化学循环的重要组成部分，同时也是造成近海水域富营养化的 直接因素。据估算，全球范围内河流每年约输送4 8 5 9t g 氮及1 4t g 磷进入海洋 系统【4 】，海洋系统作为氮、磷营养盐最终的“汇”，其水环境质量与陆源氮、磷 负荷的响应机制通过河流输送而实现，因此河流物质输送通量研究备受关注p 酬。 如国际地圈生物圈计划( i g b p ) 委员会分别于1 9 9 0 年和1 9 9 2 年提出的全球海洋通 量联合研究( j g o f s ) 矛f l 海岸带陆海相互作用( l o i c z ) 研究计划均把河流向河v i 及 沿岸海洋物质通量作为基本行动目标i 7 j 。 河流是物质和能量的输送通道，也是各种生物地球化学过程的活跃发生场 【8 】。陆源物质进入河道后受生物、物理以及化学等过程的影响发生形态或者总量 变化，这些过程广义上被称为河流营养盐的输送平衡。河流营养盐的输送平衡主 要涉及两方面研究内容，即营养盐滞留及沉积物水界面间营养盐交换，二者的 平衡关系决定了河流输送过程中营养盐的总量变化，从而影响物质向河口区的输 送通量。因此，加强河流输送过程中氮、磷等营养盐平衡研究对于明确氮、磷迁 移转化过程，了解氮、磷由陆到海的通量差异具有重要意义。随着全球陆域氮、 磷营养盐不断增加，河流氮、磷输送平衡作用越来越引起学者的高度关注，并逐 渐成为流域水环境管理工作的重要科学问题【9 j 。 目前，我国在水环境治理和管理工作上往往只关注氮、磷等营养盐的发生和 输出，而轻视河流输送过程中氮、磷的迁移转化及平衡关系研究，或者只进行简 化处理【1 0 j ，这与把“陆河海”作为整体进行研究的理念相脱节。比如，目前在 估算氮、磷入海通量时常通过连续观测河流入海口氮、磷浓度和流量进行计算。 但由于河流入海口通常受潮汐影响而使得通量结果具有较大误差。且这种方法既 不能反映人类活动影响下陆域氮、磷输出对入海通量的影响，也没有考虑河流输 送过程中元素的迁移转化过程。反过来，基于流域尺度氮、磷负荷量的入海通量 估算，虽然能够由多种模型实现( 0 ns w a t 、m o n e r i s 、g l o b a l n w e s 等模型) ， 且能够对陆源氮、磷的负荷与结构进行详细解析，但这种方法在氮、磷河流输送 环节上往往只进行简单的模拟和估算，因而入海通量估算结果也值得商榷。因此， o 醯懋 大辽河氮、磷输送平衡研究 两种通用方法均不能很好的反映河流输送环节对氮、磷等营养盐入海通量的意 义，导致目标水体环境容量与流域污染物限排总量的不对称，从而给我国水环境 治理工作带来障碍。因而，河流氮、磷的输送平衡问题成为以后我国水环境治理 工作中亟待加强的重要研究课题。 氮、磷等营养盐从陆域产生到入海涉及到复杂的生物地球化学过程，此过程 可大致用“源场汇 的研究思路进行概括。作为氮、磷迁移的中间环节，即河 流输送主要涉及两方面内容：河流滞留及沉积物水界面交换。二者的平衡关系 决定了河流输送过程中氮、磷总量变化，从而影响入海通量。河流输送过程中氮、 磷的主要迁移转化途径主要有沉积作用、水生生物利用、氮的反硝化作用，及溶 解性氮、磷沉积物水界面的交换( 图1 ) 。其中，沉积、水生生物利用、氮的反硝 化作用为氮、磷的滞留过程，而溶解性氮、磷在沉积物水界面的交换过程通常被 认为是氮、磷的内源贡献源。因此，河流输送过程中氮、磷总量平衡变化的计算 过程可理解为：陆源输入量河道滞留量+ 河流内源贡献量。本文在下面章节对氮、 磷滞留和交换的研究现状分别进行了综述。 ：刁。 反磷化 繁每量毒 图l 河流输送过程中氮、磷主要迁移转化过程 1 2 河流氮、磷滞留研究现状 1 2 1 河流输送过程中氮、磷的主要滞留途径 水体“滞留”概念初步形成于v o l l e n w e i d e r ，而准确提出此概念的是 d i l l o n 1 2 】。这些学者指出，所谓“滞留”是指河川、湖治、水库以及滨岸湿地等 水体中发生的一些物理、化学、生物过程将营养盐永久地去除或者临时地存储， 从而延缓营养盐从流域向河口区的输送过程f 1 3 1 。陆源氮、磷输入河流后同样发 生滞留，氮的主要滞留途径有：沉积、生物利用、反硝化过程：磷的主要滞留途 径为沉积和生物利用【1 4 1 5 1 。 ( 1 ) 氮、磷沉积作用 大辽河氮、磷输送平衡研究 沉积包括物理沉积、化学沉积和机械沉积。河流发生沉积作用有三个主要场 所：一是河流汇入其它相对静止的水体处，如河流入海、入湖以及支流入主流处； 二是河床纵剖面坡度由陡变缓处：一般来说河流中、下游地势较平坦，沉积作用 明显；三是河流的凸岸，由单向环流侵蚀凹岸，其产生的碎屑在凸岸沉积。 河流输送过程中氮、磷沉积受多种因素影响，为了尽量揭示沉积量与影响因 子的相关性，目前多采用现场原位测定方法进行研究。如，沿河在不同水生植物 类型区、不同沉积物组成区定点原位连续测定表层沉积物氮、磷含量，根据测定 时段内同一点位不同时刻表层沉积物氮、磷浓度差确定沉积量。同时，利用此方 法可将氮、磷沉积量与流速、流量、浊度、水深等参数进行相关分析，识别影响 沉积量的主要环境因子。 为了保证可操作性，不少学者对此方法进行了改进。如，将有机玻璃桶底部 铺装滤纸并沉入河底，一段时间后将有机玻璃筒提出水面，测定滤纸沉积物中氮、 磷含量，以确定沉积量。由于河流输送过程中氮、磷在某个时段内不一定发生沉 降，有可能在多种因素的影响下发生再悬浮过程，即某时段内氮、磷的沉积量可 能为负值。因此，此种改进方法的弊端在于不能定量分析由再悬浮过程造成的沉 积物氮、磷损失。 ( 2 ) 水生生物吸收利用 首先，植物及其枯枝败叶层形成了一个自然生物过滤器，促进了悬浮物的物 理过滤过程，而且为微生物的生长提供更多的附着面积。其次，植物的正常生理 活动需要各种营养物质，植物可以直接从水和沉积物中吸收氮、磷等营养盐。 从长远来看，水生生物的吸收利用对河流中氮、磷只是起暂时储存作用，对河流 氮、磷通量没有太大影响。但暂时存储一般占氮、磷滞留量2 0 左右。 氮、磷的生物利用过程涉及到十分复杂的过程，很难用实测方法进行定量研 究，因此，学者们多借用模型法对此进行估算。但由于不同模型的开发理念不同， 其应用范围的差异也比较大。较为典型的模型由s c h u l z 1 6 】等考虑到河流级别、河 流长度、流速、氮、磷在河流中的吸收长度等因素，开发的用于估算由河流氮、 磷生物利用率( 定义为氮、磷生物利用量占输入总量的l g n ) 的模型，并且模型结 果能与同位素实测结果较好吻合。改模型计算公式为： r = l - 0 5 l 7 y 。3 0 “ ( 1 1 ) 式中：r 为氮、磷生物利用占输入总量比例( ) ；l 为河流长度( m ) ；y 为常数一 般取9 6 7 ：s o 为河流级别：u 为流速( m s ) 。 但这种模型只适用于小的溪流，对于大中型河流无法使用。比如，当河流长 度l 为1 0 0m ，流速u 为o 5m s ，河流级别s o 为级河流时( s o = 2 ) ，计算得到 r = 0 6 9 ；但当河流长度l 调整为1 0 0k m 时则r = i 。表明，这种方法不具有普遍 大辽河氮、磷输送平衡研究 应用价值。 s c h u l z1 1 7 1 等的研究表明，水生植物吸收利用氮、磷的比例可达到河流输入总 量的2 0 ，这与他人报导的氮、磷生物利用总量相当。表明，氮、磷在河流中的 生物吸收过程以水生植物利用为主。因此，可用水生植物氮、磷利用量来代替河 流输送过程中氮、磷的生物利用总量。具体计算过程如下： r = 0 0 0l5 k m l c s i n ( ( m + 6 1 ) 3 0 ) ( 1 - 2 ) 式中：r 为氮、磷的水生植物利用率：l 为河流长度( k m ) ；m 为月份代表的 数字，一月m = l ，十二月m = 1 2 。c 为水生植物对河床的覆盖率： c = 0 0l56cm d ( 1 3 ) 式中：d ( c m ) 为河流实际水位与理论水位的差值，该参数反映了河流由水生 植物带来的水位变化。其中，理论水位值由实测水位与流量的回归方程得到。 该模型由s c h u l z 1 7 】等人对9 年逐月实测水生植物氮、磷利用量进行回归分析 得到，并且模型的估算误差 1 。该模型考虑到河流长度、水位及水生植物的丰 度( 定义为水生植物对河床的覆盖率) ，且模型最大的优势是可以反映氮、磷水生 植物利用的季节变化。 ( 3 ) 反硝化过程 反硝化细菌在缺氧或厌氧条件下，还原硝酸盐，释放出分子态氮( n 2 ) 或一氧 化二氮0 n 1 2 0 ) 的过程如式( 1 4 ) 。反硝化是氮素营养盐“滞留”特有的途径，在河 流氮素营养盐滞留过程中起到关键作用。反硝化最终产物是n 2 ，因其为惰性气 体，且植物不能吸收利用，故人们一开始是以脱氮作用认识反硝化过程，又因脱 氮作用最终释放到大气，可降低河流输送过程中氮负荷，并最终大大减少输入到 湖泊、海洋的氮。目前，人们已经把反硝化作用作为氮素在河流中的主要滞留过 程进行研究。 2 n 0 3 一2 n 0 2 。_ 2 n o _ n 2 0 _ n 2( 1 4 ) 大量研究表明，河流生态系统中大约1 5 - 3 0 的氮素可通过反硝化作用得以 去除；7 0 以上的河流三角洲、滩涂中的氮素可被反硝化作用去除；海岸带、近 海海域约2 3 的氮素可由反硝化作用去除【1 8 ，1 9 】。另外，反硝化过程的中间产物 为温室气n 2 0 ；有研究估算，全球范围内每年约9 的氮素通过反硝化过程变为 n 2 0 释放到大气，加速全球变暖进程。因此，反硝化研究成为目前全球关注的热 点问题。而我国有关河流反硝化研究才刚刚起步，研究成果十分有限。 人们对反硝化的研究最初是以w i j l e ra n dd e l w i c h e 2 0 】为首的学者对反硝化速 率进行研究，但当时只局限于反硝化速率初步研究探讨，出校较为成熟的的研究 方法：如室内培养方法，利用氮素平衡及同位素技术的研究1 2 l j 则主要出现在2 0 世纪6 0 年代。然而经过半个世纪的研究发展，乙炔抑制法【2 2 】、n 2 通量法【2 3 】与 0 缝缴 大辽河氮、磷输送平衡研究 m i m s ( m e m b r a n ei n l e tm a s ss p e c t r o m e t 呵) 测定法等较为精确的方法被人们所 应用，且应用较为广泛( 图2 ) 。反硝化发生场所主要发生在厌氧条件，故虽然河 流水体中发生反硝化包括河流水体和沉积物，但由于沉积物是反硝化的主要场 所，故目前对反硝化的研究大都集中在沉积物中，现对目前主要的反硝化研究方 法进行介绍。 图2 反硝化速率测定方法使用统计表 ( a ) n 2 通量法( n 2f l u x ) 2 5 】 原理：直接测定反硝化作用的最终产物n 2 。 图3 n 2 通量法示意图 反硝化脱氮速率计算方法为： ds=c n2 xv ( a t ) ( 1 - 5 ) 式中：c n 2 为测定时刻上覆水n 2 浓度( m o l l ) ；v 为培养柱上覆水体积( l ) ； a 为沉积物表面积( m 2 ) ；t 为培养时间( h ) 。 ( b ) 乙炔抑制法【2 6 , 2 7 。缝缝 大辽河氮、磷输送平衡研究 原理：沉积物反硝。砩入砜啪肭嘣转化过程 c 2 i i 2 饱和河水 乙 图4 乙炔抑制法示意图 反硝化脱氮速率计算方法为： d s = c n 2 0 x v ( a t ) ( 1 6 ) 式中：c n 2 0 为测定时刻上覆水n 2 0 浓度( m o l l ) ；v 为培养柱上覆水体积 ( l ) ；a 为沉积物表面积( m 2 ) ；t 为培养时间( h ) 。 ( c ) n 0 3 削减法( n 0 3 r e d u c t i o n ) 2 8 l 原理：c 1 ( n 0 3 。) 一反硝化消耗n 0 3 一_ c 2 ( n 0 3 ) 浓度差c c l ( n 0 3 ) 图5n 0 3 削减法示意图 反硝化速率计算方法为： ds = v ac ( a t ) ( 卜7 ) 式中：v 为培养柱上覆水体积( l ) ；a 为沉积物表面积( m 2 ) ；t 为培养 时间( h ) c 为测定时刻上覆水n 0 3 浓度( m o l l ) ；。 9 。缝懋 大辽河氮、磷输送平衡研究 ( d ) 同位素示踪法( i s o t o p el a b e l ) 2 9 】 原理：测定反硝化作用的主要产物n 2 、n 2 0 ； 经过一系列迁移转化后，n 2 的组成成分包括：2 8 n 2 、2 9 n 2 、3 0 n 2 ；n 2 0 的组 成成分包括： 2 s n 2 0 、2 9 n 2 0 、3 0 n 2 0 。由此可确定两种反硝化过程：硝化反硝 化耦合过程产物：【2 n 2 】+ 2 9 n 2 0 ；非耦合硝化反硝化过程产物： 3 0 n 2 】+ 【3 哨2 0 】。 图6 同位素示踪法示意图 反硝化速率计算原理同上。 ( e ) 模型估算法 s e i t z i n g e r l 3 0 1 等人根据美国东北部1 6 条河流的流域面积和模拟的l d e 。( 取值 范围0 1 ) 值进行线性相关分析得到：。 l d 。n = c ln ( a ) - d ( r2 = 0 88 )( 1 - 8 ) 式中：l d 。为河流输送过程中通过反硝化损失的氮的比例；a 为流域面积，c 和d 为校正系数，分别等于0 0 6 0 5 和0 0 4 4 3 。模型规定，当估算的l d e n 0 6 5 时，取值0 6 5 此经验模型经常用来估算无 实测历史的河流反硝化脱氮速率。 近年来，全球范围内流域的营养盐负荷不断增加【3 1 ，3 2 1 ，营养盐通过河流输送 引起的海水富营养化问题己成为各国政府高度关注的课题。陆源氮、磷在河流输 送过程中可通过滞留作用而削减，从而降低河流氮、磷负荷及入海通量，这对于 污染河流修复、近海水域污染及富营养化控制等具有重要意义。因此，自2 0 世 纪8 0 年代以来，河流氮、磷滞留研究逐渐成为国际生物地球化学领域的重点研 究内容【3 3 】。 1 2 2 河流氮、磷滞留影响因素 影响河流氮、磷输送的主要过程为：初级生产消耗_ 死亡后营养盐再生、沉 积物_ 水界面循环、脱氮反应、颗粒物沉积等。这些过程与河流水体中营养盐滞 留直接相关【3 3 】。从现有的研究结果看，影响河流、氮、磷滞留过程的因素主要分 1 0 。缝懋 大辽河氮、磷输送平衡研究 为非生物( 流速、流量、温度、溶解氧等) 和生物因素( 沉水植物、浮游植物、挺水 植物) 两大类 3 4 - 3 6 】。综合他人的研究成果，非生物因素对河流氮、磷滞留的影响 可大致概括为：( 1 ) 流速：低流速使氮、磷具有更长的沉积时间，因而增加滞留 速率；( 2 ) 流量：流量增加往往伴随流速和径流过水断面积的增大，氮、磷滞留 时间反而降低，因此流量与氮、磷滞留量往往负相关。( 3 ) 温度：生物吸收速率 与温度呈对数关系，温度通过影响生物群落的新陈代谢速率、吸附解吸过程从 而影响氮、磷滞留；( 4 ) 氧化还原条件：厌氧条件下磷与f e 2 + 不易结合发生沉积， 而富氧条件下f e 2 + 易被氧化成f e ”形成难溶于水的磷酸盐而沉积【37 1 。另外，厌氧 条件下氮更易发生反硝化过程，从而增加氮的滞留量。 氮、磷的生物利用涉及到复杂的生物地球化学过程，因此，生物因素对河流 氮、磷滞留的影响较为复杂。研究表明，大型水生植物影响水流状况和物理、化 学条件，如大型水生植物生长的河道斑块内流速较小，沉积物颗粒较细，氮、磷 滞留量较大：而小型水生植物生长的河道斑块内流速较高，沉积物颗粒较大，氮、 磷滞留时间较短，氮、磷滞留量偏小【3 引。生物因素对氮、磷的滞留体现出更明显 的季节变化规律。如生长季节，浮游动植物和挺水植物大量吸收无机氮和磷，增 加氮、磷