三峡水库富营养化支流在蓄水期间的氮去除动态：来自反硝化速率和溶解氮测量的见解

《Journal of Environmental Sciences》：Nitrogen removal dynamics in a eutrophic-tributary of Three Gorges Reservoir during water impoundment period: Insights from denitrification rates and dissolved N 2 measurements

本研究在三峡库区香溪湾通过测定水体与底泥反硝化速率及溶解过量氮气浓度，揭示了水-泥界面氮去除机制。结果表明，水体反硝化速率（5.16-65.31 nmol/(L·h)）显著高于底泥（2.56-7.75 nmol/(g·h)），且呈现自下游至上游递增趋势。藻类增殖通过提供有机碳基质促进氮去除，但过度生长会导致氮限制抑制反硝化。研究为流域氮负荷调控提供了科学依据。

　　本研究聚焦于三峡水库（TGR）的支流——香溪湾（XXB）的氮去除能力，特别是在水库蓄水期间的水体和沉积物中的反硝化作用。作为三峡水库最大的支流之一，香溪湾在蓄水过程中表现出明显的富营养化特征，同时也面临着藻类过度繁殖带来的生态风险。通过系统分析水体和沉积物中的反硝化速率以及过量溶解氮气（N?）的浓度变化，研究揭示了香溪湾在氮去除方面的潜力和影响因素，为水库流域的氮负荷管理提供了科学依据。

反硝化作用是氮去除的重要途径，能够将有机和无机氮转化为惰性和无毒的氮气（N?），从而减少水体中的氮含量。这一过程不仅对水体的氮循环至关重要，也对缓解水体富营养化和控制藻类爆发具有重要意义。然而，尽管反硝化作用在氮去除中占据关键地位，其在水库中的效率和影响机制仍缺乏深入研究。特别是在水库蓄水期间，由于水体停留时间延长、沉积物面积扩大、水体体积增加以及碳和氮基质浓度上升，反硝化作用的动态变化变得更加复杂。

在香溪湾，研究发现水体和沉积物的反硝化速率均呈现出从下游向上游逐渐增加的趋势。这一现象表明，随着水体向上游流动，氮去除的效率逐步提高，可能与上游区域的环境条件和生态过程有关。具体而言，水体中的反硝化速率范围为5.16至65.31纳摩尔每升每小时（nmol/(L·h)），而沉积物中的反硝化速率则在2.56至7.75纳摩尔每克每小时（nmol/(g·h)）之间。这些数据不仅反映了香溪湾在氮去除方面的潜力，也揭示了反硝化作用在不同空间位置上的差异性。

研究进一步指出，水体中的反硝化速率主要受到溶解有机碳（DOC）、叶绿素a（Chl-a）和浊度等因子的影响，而沉积物中的反硝化速率则与总有机碳、总氮和沉积物孔隙水中的DOC浓度密切相关。这些关键因素的变化，可能与水体中藻类的生长和死亡过程以及悬浮颗粒物的沉降有关。在水库蓄水期间，藻类的繁殖和死亡会显著增加水体中的有机物含量，从而促进反硝化作用的进行。然而，当藻类过度繁殖时，可能会导致氮的过度消耗，从而对反硝化作用产生抑制效应。

此外，研究还关注了过量溶解氮气（ΔN?）的浓度变化。ΔN?浓度的变化范围为1.05至98.97微摩尔每升（μmol/L），这种变化与反硝化速率和氮去除能力的空间分布特征密切相关。ΔN?的浓度波动不仅反映了反硝化作用的动态变化，也揭示了水体中氮去除过程的复杂性。在某些区域，ΔN?的浓度可能达到较高水平，这表明反硝化作用在此区域具有较强的去除能力。然而，在其他区域，ΔN?的浓度较低，可能意味着氮去除的效率受到限制。

在香溪湾的生态系统中，水体和沉积物的反硝化作用共同构成了氮去除的关键机制。水体中的反硝化作用主要依赖于微生物的活动，而沉积物中的反硝化作用则受到沉积物性质和物理化学条件的影响。在水库蓄水期间，由于水流速度的减缓和水体停留时间的延长，沉积物中的反硝化作用可能更加显著。同时，沉积物中的有机物含量和氮浓度也对反硝化速率产生重要影响。因此，研究不仅关注水体和沉积物中的反硝化速率，还通过分析ΔN?的浓度变化，评估了香溪湾在氮去除方面的整体能力。

研究发现，水体中的反硝化速率在上游区域显著高于中下游区域，这可能与上游区域的环境条件更为适宜有关。例如，上游区域的水温、溶解氧和浊度等参数可能对反硝化微生物的活性产生积极影响。此外，沉积物中的反硝化速率同样在上游和中游区域显著高于下游区域，这可能与沉积物中有机碳和氮的含量较高有关。这些结果表明，香溪湾在蓄水期间的氮去除能力具有显著的空间异质性，且主要集中在上游和中游区域。

值得注意的是，研究还强调了藻类在反硝化过程中的重要作用。藻类不仅能够作为反硝化细菌的载体，还能够提供额外的有机物质，促进反硝化作用的进行。然而，藻类的过度繁殖可能会导致氮的过度消耗，从而对反硝化作用产生抑制效应。因此，控制和管理藻类的生长，对于维持香溪湾的氮去除能力具有重要意义。通过减少藻类的过度繁殖，可以有效提高水体和沉积物中的氮去除效率，从而降低富营养化和藻类爆发的风险。

本研究的另一个重要发现是，水体和沉积物中的氮去除能力与有机物的含量密切相关。在水库蓄水期间，由于水流速度的减缓和水体停留时间的延长，水体和沉积物中的有机物含量显著增加。这种增加可能促进了反硝化微生物的活性，从而提高了氮去除的效率。然而，当有机物的含量过高时，可能会导致氮的过度消耗，进而对水体的氮平衡产生不利影响。因此，研究不仅关注有机物的含量变化，还探讨了其对氮去除过程的潜在影响。

为了全面评估香溪湾的氮去除能力，研究采用了多种方法，包括反硝化速率的测定和ΔN?的原位监测。通过这些方法，研究团队能够准确地捕捉到水体和沉积物中氮去除过程的动态变化。此外，研究还结合了水体和沉积物的理化性质以及生物因子的分析，进一步揭示了氮去除过程的复杂性和多样性。这些数据的综合分析不仅有助于理解香溪湾的氮去除机制，也为水库流域的氮负荷管理提供了科学依据。

研究还指出，水库的建设与运行对氮循环过程产生了显著影响。三峡水库的蓄水导致水体停留时间延长、沉积物面积扩大以及水体体积增加，这些变化可能促进了氮的去除。然而，这种促进作用并非在所有区域都表现一致，而是受到多种环境因素的制约。例如，在某些区域，由于水体流动的限制和有机物的过度积累，氮去除的效率可能受到抑制。因此，研究不仅关注氮去除的潜力，还探讨了其在不同环境条件下的表现差异。

在实际应用中，研究结果可以为水库流域的氮管理提供重要的参考。通过了解水体和沉积物中反硝化作用的空间分布特征，可以更有针对性地制定氮负荷控制措施。例如，在反硝化作用较强的区域，可以加强氮去除的监测和管理，以确保氮的去除效率。而在反硝化作用较弱的区域，则需要采取其他措施，如控制藻类的生长、优化水体流动等，以提高氮去除的总体能力。

此外，研究还强调了水库蓄水期间水体和沉积物中氮去除过程的动态变化。由于水体和沉积物的物理化学条件不断变化，反硝化作用的效率也可能随之波动。因此，对氮去除过程的长期监测和动态分析显得尤为重要。通过建立完善的监测体系，可以及时掌握氮去除的变化趋势，为水库的生态管理和水质保护提供科学支持。

在生态保护方面，研究结果对于维护水库流域的水体健康具有重要意义。氮的过度积累可能导致水体富营养化，进而引发藻类爆发、水体缺氧等生态问题。通过提高氮的去除效率，可以有效缓解这些问题，从而保障水库生态系统的稳定性和可持续性。此外，研究还指出，防止和控制藻类的过度繁殖是提高氮去除能力的关键措施之一。因此，在水库管理中，需要加强对藻类生长的监测和调控，以减少其对氮去除过程的负面影响。

综上所述，本研究通过对香溪湾蓄水期间水体和沉积物中反硝化速率和ΔN?浓度的系统分析，揭示了该区域在氮去除方面的潜力和影响因素。研究结果表明，反硝化作用在水体和沉积物中均表现出显著的空间异质性，且受到多种环境因子的共同影响。通过优化水库管理措施，如控制藻类生长、改善水体流动等，可以进一步提高氮去除的效率，从而保障水库生态系统的健康和可持续发展。