河流邊灘硝化反硝化潛力及其影響因素

摘要：探究河流邊灘沉積物硝化反硝化潛力及與沉積物理化性質(zhì)的關(guān)系，可為河流邊灘治理、生態(tài)修復(fù)提供參考依據(jù)。2021 年7 月以夏家寺河邊灘為研究對象，對比研究了順直河道與邊灘沉積物的硝化反硝化潛力，并分析了各環(huán)境因子對其硝化反硝化潛力的影響。結(jié)果表明：（1）邊灘和順直河道沉積物黏粒（clay）、總有機碳（TOC）、NH4+-N、NO2--N、NO3--N含量最大值均出現(xiàn)在表層，且邊灘沉積物各環(huán)境指標的平均值均大于順直河道；（2）邊灘沉積物硝化潛力（1.91±1.61）mg/ （kg?d）大于順直河道（0.70±1.01）mg/ （kg?d）（Plt;0.05），在15 d 培養(yǎng)期內(nèi)硝化潛力隨時間的增加而呈上升趨勢，且各層硝化潛力大小表現(xiàn)為表層gt;中層gt;底層（Plt;0.05），在前10 d 培養(yǎng)期內(nèi)邊灘沉積物硝化活性大于順直河道；（3）邊灘沉積物反硝化潛力（85.99±12.06）mg/ （kg?d）大于順直河道（38.93±30.46）mg/ （kg?d）（Plt;0.05），邊灘和順直河道沉積物反硝化速率分別在培養(yǎng)1、3 d 后達到最大值，反硝化活性分別在6、15 d 達到最大值，10 d 培養(yǎng)期內(nèi)，順直河道沉積物反硝化活性大于邊灘；（4）河道沉積物硝化潛力與ORP、clay、TOC、NH4+-N、NO3--N、TN含量呈顯著正相關(guān)（Plt;0.05），反硝化潛力與TOC、NH4+-N、NO3--N、TN含量呈顯著正相關(guān)（Plt;0.05）。

關(guān)鍵詞：邊灘；沉積物；硝化潛力；反硝化潛力

中圖分類號：X52 文獻標志碼：A 文章編號：1674-3075（2024）03-0086-08

河流可以截留大部分氮素進入地表水和地下水（方婧等，2010）。硝化反硝化反應(yīng)是主導(dǎo)河道氮素循環(huán)的生物地球化學(xué)反應(yīng)（戴源，2019），提高硝化反硝化潛力將加快氮循環(huán)速率，對河流的氮控制及氮負荷的削減具有積極意義。已有研究表明，土壤pH、有機碳、含水率、溫度、鹽分、微生物分布、組成成分等是影響硝化反硝化潛力的重要因素（Sanders amp; Laanbroek，2018；Pinay et al，2000）。通過研究涇河不同河段潛流帶沉積物的反硝化作用，閆玉琴（2018）得出涇河各河段沉積物反硝化作用強烈，且夏季反硝化作用強度大于冬季。戴源（2019）在城市重污染河道中研究了氮素時空分布特征，發(fā)現(xiàn)硝化反硝化潛力與沉積物氮素含量及存在形態(tài)顯著相關(guān)（Plt;0.05）。Imek 等（2002）研究土壤pH對反硝化作用影響時發(fā)現(xiàn)當(dāng)土壤pHlt;6.0時，隨pH值升高，反硝化速率呈線性增加。硝化反硝化在河流沉積物中的發(fā)生位置不同，有研究發(fā)現(xiàn)硝化作用發(fā)生在河流和含水層相互作用最強烈的淺層區(qū)域，反硝化作用發(fā)生在含水層內(nèi)部和氧氣耗盡的河床深處（李勇等，2016；Shuai et al，2017）。

地形地貌也是影響河流硝化反硝化的重要因素。Lautz amp; Fanell（i 2008）在有跌水結(jié)構(gòu)的潛流帶中觀察到硝酸根還原、硫酸鹽還原和錳還原的速率高于河流其他區(qū)域。Klocker 等（2009）采用原位添加外源硝酸鹽、15N 同位素示蹤劑添加等方法以及對反硝化酶進行測定，比對分析了潛流帶生態(tài)修復(fù)工程段和未修復(fù)工程段的硝酸鹽吸收和反硝化速率，結(jié)果表明，生態(tài)修復(fù)工程能增加沉積物潛流水文“連通性”，增加水文停留時間，有助于促進反硝化作用。Gomez-Velez 等（2015）發(fā)現(xiàn)反硝化潛力受河底地形影響很大，由河床形態(tài)驅(qū)動的潛流垂向交換，其反硝化潛力遠遠超過由彎曲河岸驅(qū)動的側(cè)向交換。

河流邊灘一般由泥沙大量淤積形成，其廣泛存在于天然河流連續(xù)彎道、彎道的凸岸及卡口河段的兩側(cè)（倪晉仁和馬藹乃，1998；王梅力等，2015），順直河道在自然河流演變中也常常形成典型的具有犬牙交錯形狀的邊灘地形。順直河道是平面形態(tài)較順直的單一性河道，彎曲系數(shù)一般lt;1.2（施騏等，2020）。邊灘是自然河道的重要組成部分，與順直河道相比，其沉積物硝化反硝化潛力如何，與沉積物理化性質(zhì)關(guān)系如何，這些問題目前還未見系統(tǒng)的研究報道。恢復(fù)邊灘結(jié)構(gòu)是否有利于河流生態(tài)系統(tǒng)脫氮目前尚無定論。因此，本研究以夏家寺河邊灘為研究對象，研究其硝化反硝化潛力及影響因素，為邊灘在河流生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用提供一定的理論支撐。