基于涡度相关法SWI的N2O通量及其水动力影响研究

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河流中的氮负荷因为废水和农业径流的输入日益增加,沉积物和水体中的微生物利用氮源,产生各种副产物,包括气体氧化亚氮(N2O),而N2O以其巨大的增温潜能越来越受到社会关注。此外,沉积物-水界面(SWI)作为水体与沉积物之间物质与能量交换的重要通道,对N2O通量的贡献不容忽视。影响SWI的N2O通量的因素有很多,本文主要利用涡度相关技术,探索水动力条件对SWI的N2O通量的影响,研究流速与N2O垂直涡动扩散系数之间的关系。同时,结合底泥中氮元素主要包括总氮(TN)、氨氮(AN)、硝态氮(NO3--N)和亚硝态氮(NO2--N)之间的迁移转化和底泥中细菌多样性,进一步探究N2O的产生和释放机制。研究得出的主要结论如下:1静止状态时(0±0.01m/s)SWI的N2O通量(绝对值)的范围为5.15495.93umol.m-2.h-1,平均值为118.86 umol.m-2.h-1;流速为0.03±0.02m/s时,N2O通量范围为7.081982.75umol.m-2.h-1,平均值为700.38 umol.m-2.h-1;流速为0.07±0.02m/s时,N2O通量范围为8.043385.75umol.m-2.h-1,平均值为1485.45umol.m-2.h-1;流速为0.12±0.02m/s时,N2O通量范围为8.275359.34 umol.m-2.h-1,平均值为2302.85umol.m-2.h-1;流速为0.20±0.02m/s时,N2O通量范围为67.4824736.00umol.m-2.h-1,平均值为10953.82umol.m-2.h-1;流速为0.30±0.02m/s时,N2O通量范围为76.6435879.54 umol.m-2.h-1,平均值为17848.96umol.m-2.h-1;流速为0.35±0.02m/s时,平均通量30151.88 umol.m-2.h-1。2不同程度的水动力条件对SWI的N2O通量的影响是非常显著的。总体上,随着平均流速的增加,SWI的N2O通量增大。静止状态时的N2O通量最小;当速度在0.030.12m/s之间时,底泥尚未悬浮,通量随着流速的增加而缓慢增加;当平均速度达到0.20m/s时,底泥开始大量悬浮,流速在0.200.35m/s这个阶段内的N2O通量增加迅速。3平均周期为30min的N2O的垂直涡动扩散系数在静止状态时为2.565.86×10-10m2.s-1;平均速度介于0.030.12m/s之间,底泥尚未悬浮时为1.041.81×10-7m2.s-1;当水体平均扰动速度在0.200.35m/s之间时,为1.042.52×10-6m2.s-1。整体上随着流速的增加,水体紊动程度增加,垂直涡动扩散系数也增加,流速和垂直涡动扩散系数之间呈显著的正相关。当流速介于0.010.14m/s之间(底泥尚未悬浮)时,流速和垂直涡动扩散系数存在较好的线性相关关系,其关系可用y=39.980x+0.970,R2=0.969来描述。当流速在0.180.37m/s之间时,底泥大量悬浮,流速和扩散系数之间没有显著的线性关系。4实验前后底泥中TN和NO3--N含量都在减少,各组实验前后TN的减少量不等,减少范围为40.673337.463mg/kg,NO3--N的减少范围为1.0215.343 mg/kg。NO2--N含量实验后比实验前相对增多,NH4+-N含量实验前后有增有减。5底泥中的细菌多样性较为丰富,细菌中占主导地位的门主要有变形菌门Proteobacteria,拟杆菌门Bacteroidetes和绿弯菌门Chloroflexi等。此外,主要有还检测到了硝化螺菌门Nitrospira和浮霉菌门Planctomycetes。硝化螺旋菌门Nitrospira是主要的亚硝酸盐氧化菌,浮霉菌门Planctomycetes中的很多细菌属于厌氧氨氧化菌。在可能产生N2O的细菌中,主要检测到了氨氧化菌(137条基因序列)、亚硝酸盐氧化菌(111条基因序列)、反硝化菌(43条基因序列)、厌氧氨氧化菌(7条基因序列)和好氧反硝化细菌(259条基因序列)。自三峡水库建成后,水库调度引起的水位和流速周期性的变化势必对N2O等温室气体的产生和排放产生影响。论文通过室内模拟试验,探究不同水动力条件(主要是流速)对SWI的N2O通量的影响,旨在为三峡库区温室气体的控制做贡献。
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