九龙江河流—库区系统营养盐与气态氮界面过程与通量

作     者：陈朱虹 

作者单位：厦门大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈能汪

授予年度：2014年

学科分类：08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：河流一库区系统 氮循环 气态氮 通量 九龙江 

摘      要：河流是流域营养盐向海输送的重要通道,梯级电站开发显著改变了河流水文过程和生物地球化学过程。本研究选取亚热带典型河流——九龙江北溪为整体研究对象,以中游西陂电站建设后形成的河流—库区系统为重点研究区域,开展沉积物—水—气界面营养盐、气态氮的立体式综合观测和室内培养实验,并延伸到营养盐入库区前的典型沟渠—水塘—河流连续体(源头水系),对其开展调查和现场培养实验,分析河流—库区系统营养盐和气态氮的相关界面过程和通量,评估气态氮的去除效率。主要研究结论如下： (1)九龙江北溪营养盐浓度和形态的沿程变化主要受流域污染负荷、流量和大坝的综合影响。氮、磷浓度呈现“上游高、下游低的总体分布格局,DIN浓度范围为133-1116μmo1·L-1,平均为331士242μmol·L-1。梯级电站河段对营养盐存在明显的滞留作用。总体上NO3--N为主要形态(占DIN的63士20%),但枯水期上游重污染河段以NH4+-N为主要形态(占DIN的67%)。枯水期DIN浓度高于丰水期(1月3月6月),受水停留时间影响,枯水期的氮污染削减作用明显大于丰水期。梯级电站河段沉积物中的TOC/TN含量和比值较高。沉积物TN与TP含量与表层水营养盐浓度正相关,反映了流域污染向河流输入的结果。 (2)河流—库区系统沿程DIN通过脱氮作用从水体中永久去除,气态氮(N2和N2O)在水体中的分布受流动水团、河道地形和生物地球化学过程的共同影响。AN2、AN20和水—气通量沿河流-水库方向递减。河流区较高的AN2和AN20源自上级大坝释放的低温水团,向下游输送过程中,气态氮向大气逸出,加上支流的稀释,致使湖泊区AN2和AN20降低。湖泊区水柱AN2存在明显的垂向分布,综合室内培养和现场培养结果,推断溶解N2主要来自沉积物—水界面的反硝化作用。结合沉积物理化性质和氮功能菌群丰度信息,推断在水深较深的区域(过渡区下游和湖泊区下游)有强的反硝化作用;和AN2不同,△N20在垂向分布均匀,可能主要来自水柱的硝化作用。温度和DO是导致AN2季节变化的主因,而AN20的季节变化主要受控于DIN浓度。湖泊区沉积物NH4+-N总体表现为释放行为,而NO3--N和NO2--N则表现为吸附行为,反应了沉积物反硝化作用对硝氮的消耗。沉积物营养盐释放通量因季节而变,在库区氮磷循环中有重要作用。 (3)单从西陂库区来看,气态氮去除大约只占湖泊区DIN输入负荷的1%(滞留率),但占总的氮滞留量的85%。相比世界上其他系统,九龙江DIN负荷高,气态氮去除效率较低。尽管N2O产量(占气态氮去除的1%)处于较低水平,水气通量FN20也较低(平均为55.1μmol·(m2·d)-1),但作为温室气体,N2O的饱和度为463±234%(过饱和状态),表明库区是大气N2O的源。