基于涡度相关法SWI的N2O通量及其水动力影响研究

摘要

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5.15~495.93 umol.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7.08~1982.75umol.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8.04~3385.75umol.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8.27~5359.34 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67.48~24736.00 umol.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76.64~35879.54 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0.03~0.12m/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0.20~0.35m/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2.56~5.86×10-10m2.s-1；平均速度介于0.03~0.12m/s之间，底泥尚未悬浮时为1.04~1.81×10-7m2.s-1；当水体平均扰动速度在0.20~0.35m/s之间时，为1.04~2.52×10-6m2.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0.01~0.14m/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0.18~0.37m/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40.673~337.463mg/kg，NO3--N的减少范围为1.021~5.343 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。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.3 研究目的与内容

2 材料与方法

2.1 三峡库区及御临河概况

2.2 采样及样品处理

2.3 实验装置

2.4 数据处理

2.5 实验安排

3 SWI的N2O通量结果分析

3.1 不同水动力条件下SWI的N2O通量

3.2 本章小结

4 SWI的N2O通量与垂直涡动扩散系数规律分析

4.1 N2O通量稳态检验

4.2 不同水动力条件下N2O通量分析

4.3 N2O垂直涡动扩散

4.4 本章小结

5 沉积物-水界面N2O产生机制研究

5.1 底泥中氮赋存形态的分析

5.2 底泥微生物分析

5.3 本章小结

6 结论与建议

6.1 结论

6.2 建议

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文

B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目