浅水开放水域构建湿地中同化过程主导昼夜无机氮循环的机制研究

本文揭示了浅水单元过程开放水域(UPOW)构建湿地中光暗交替对氮循环的关键影响。研究发现湿地水体溶解氧(DO)呈现50-250%的日波动，NO3?和NH3+4浓度呈反向昼夜变化，通过15N同位素示踪证实了反硝化(DNRA)与厌氧氨氧化(anammox)的昼夜差异，建立了包含氮光同化(photoassimilation)的过程模型，为优化人工湿地脱氮效能提供理论依据。

　　

亮点

浅水开放水域构建湿地(UPOW)的设计特征是无水生植物的浅水柱(约30厘米)，通过最大化阳光照射实现高效水处理。这种系统形成以硅藻为主的生物膜(biomat)，具有显著的昼夜生物地球化学循环特征。

昼夜湿地地球化学

UPOW湿地设计通过无水生植物的浅水柱最大化阳光照射(Jasper等,2014b)。配合充足的营养负荷，这导致水柱初级生产力对溶解氧(DO)浓度产生强烈影响——在峰值日照期间出现相对于大气平衡的过饱和状态，并伴随高pH值(图2,3,S2)。高生产力之后是夜间高呼吸作用，导致DO消耗和pH下降。

对硝酸盐动态的影响

NO₃^?浓度与δ¹⁵N-[NO₃^?]呈现昼夜反相关关系(图2C,D)，表明白天以光同化(photoassimilation)为主导的NO₃^?吸收。同位素质量平衡模型显示，白天NO₃^?去除量的85-95%通过光同化途径完成。

生物膜过程

含¹⁵N-NO₂^?的原位柱培养显示，黑暗中亚硝酸盐产生和反硝化速率相近(分别为6.6和7.2 μmol L^?1 d^?1)，但在光照下均降低82-84%。夜间厌氧氨氧化(anammox)和异化硝酸盐还原为铵(DNRA)的联合速率几乎等于反硝化速率。

意义与结论

本研究表明光营养在UPOW构建湿地无机氮归宿中扮演多重角色(图10)。除了产生O₂和可降解有机碳外，NO₃^?光同化直接去除水中的NO₃^?。夏季生产力受昼夜光暗循环深刻影响，导致水柱物理和地球化学组成的重大波动。昼夜变化通过硅藻的垂直迁移和DNRA呼吸作用进一步复杂化，这些因素通过氮气(N₂)的形式"短路"了氮的去除过程。