農業(yè)徑流人工濕地的反硝化作用研究

1、農業(yè)徑流人工濕地的反硝化作用研究摘要：人工濕地法是通過脫氮來改善水質的方法，在美國北卡羅萊納洲紐斯河，存在一定的水質問題，有必要減少30%的氮負荷量，OFG是一個位于紐斯河河口較低處的中耕農場，1999年，一個能夠去除地表水中氮磷營養(yǎng)物，沉積物以及病原微生物的人工濕地在OFG建成，濕地的面積為5.1公頃，我們每個月通過薄膜進樣質譜儀測定溶解氮，氧氣，氬氣來確定通過反硝化作用去除的氮,發(fā)現(xiàn)硝酸鹽濃度似乎是控制反硝化率主要因素，我們要考察反硝化速率的時空變化以及處理前與處理后的氮負荷變化。隨著降雨，進水氮負荷增加，反硝化作用增加了4倍。在濕地的進出口多次進行取樣，測定濕地進出口的氮負荷（每日2次）

2、。最終結果表明，濕地接收到的氮負荷為每月1-1,720公斤氮和濕地去除的氮負荷為每月8-81公斤氮，反硝化作用是氮去除的重要機制。關鍵詞:人工濕地反硝化作用脫氮DIN引言在過去的20年，美國北卡羅萊納洲的紐斯河的水質問題有所減少，在很大程度上要歸功于氮負荷的減少（Paerl等1990中，Rudek等人，1991年，paerl1997年）。在全國范圍內，地表水的非點源污染總養(yǎng)分負荷超過65%（奧爾森，1992）。在農村地區(qū)，北卡羅來納州東部的非點源污染比如農業(yè)徑流對水生系統(tǒng)來說是面源污染（科普蘭和灰色Coffey1991,1997）。在農業(yè)系統(tǒng)中，農作物對氮肥的使用率只有40%-60%，其余的或

3、者進入了土壤有機質，或者發(fā)生反硝化作用，或者作為徑流進入了地下水（科菲1997）。針對日益惡化的水質問題，提出了一些改善方法，這里包括修建森林河岸緩沖區(qū)和建設濕地來促進營養(yǎng)物的去除（卡德萊茨和騎士1996，F(xiàn)ranklin等人。2000）。位于河流附近的濕地和河口被作為重要改善非點源徑流的措施。濕地可以臨時和永久性的把氮沉積下來所以可以作為生物地球化學系統(tǒng)（Kadlec和騎士1996）。通過兩個主要生物水生生物和底棲微藻可以除去濕地中的氮，但是這種方法是暫時性的。只有通過反硝化作用進行的脫氮才是永久性的。反硝化作用是通過兼性厭氧性細菌是把NO3和NO2轉換為N2O和N2（諾里斯1990）。因此

4、，反硝化作用是濕地氮循環(huán)的一個重要組成部分，因為它減少了下游水體的氮負荷量。到目前為止，許多研究都集中在人工濕地處理城市污水和農業(yè)養(yǎng)殖污染方面。然而，很少研究人工濕地改善農業(yè)徑流水質的能力（菲普斯和克拉普頓1994，薛等人。1999）。人工濕地接收到得農業(yè)徑流和畜禽養(yǎng)殖廢水相比有很大差異。濕地接收的農業(yè)徑流通過施肥的時間和降雨量來展示生物地球化學和徑流季節(jié)水文變化。不同的污水，濕地的負荷量不同，農業(yè)徑流氮、磷的負荷量高，而有機物的負荷量少。很少有研究探討濕地反硝化速率的短期變化（喬伊和Paerl的1993年，湯普森等人。1998年）。由于需要重建沿海濕地的需要，了解控制這個生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)是

5、十分重要的。在人工濕地中反硝化作用是很關鍵的，因為它直接控制著脫氮的情況。1999年,Bachand和Horne2000年，凱西等等楊建軍。2001）。人工濕地中通常是通過反硝化作用來進行脫氮的，但是這個假設只是一種推測（Crumpton丁曉萍。1993）。測量反硝化作用的脫氮情況有一定的困難，常見的問題是難以保證準確率和確定影響反硝化作用的變量有哪些。很少有數(shù)據(jù)直接反應了反硝化作用的氮負荷量和人工濕地的反硝化能力。（菲普斯1994和克朗普頓）。此外，人工濕地反硝化作用脫氮的影響因素是有限的，這些控制因素包括溶解氧濃度，硝酸鹽濃度，有機物濃度，溫度和植被覆蓋率等等。雖然有無數(shù)的研究都是關于人工

6、濕地反硝化作用去除氮方面的，但是由于方法的差異，以及時空的限制，使得濕地間的研究存在一定挑戰(zhàn)。質量守恒法和乙炔抑制技術是衡量反硝化作用最廣泛的使用方法，其次是利用薄膜進樣質譜儀對N15進行示蹤原子法。通過內部氮循環(huán)的情況利用質量平衡法來估計反硝化作用的速率。例如,據(jù)估計，人工濕地平均每去除64%的總含氮量，湖泊可以去除34%，河流可以去除2%。這些平衡法可以有效確定濕地對氮的去除率。雖然這樣子的做法可能適合大范圍的氮循環(huán)系統(tǒng)之間的比較,但是不能作為控制氮含量，保證生態(tài)系統(tǒng)長期健康的目標。對于反硝化作用的速率研究，AIT是一個簡單和常用的的方法，但很有可能會低估許多系統(tǒng)中反硝化作用的速率。實驗中

7、使用N15示蹤法衡量反硝化作用是復雜的，主要是難以完成對N15O3-andN15H4+的標記。MIMS法目前被用來估計不同系統(tǒng)中的氮/氬比率，它的優(yōu)點是可以直接測量氮的去除率，而不需要另外添加氮。這項技術的缺點是它的平衡是反硝化作用產(chǎn)生的溶解氮和由氮氣固定脫去的溶解氮之間的平衡。本研究采用MIMS方法來確定農業(yè)徑流通過人工濕地發(fā)生反硝化作用后的除氮效果。具體來說，重點是研究時間和空間的變化對除氮效果的影響，為了更好的了解環(huán)境因素對氮去除率的影響。科學家們建立人工濕地是十分重要的，通過人工濕地量化和了解氮循環(huán)，尋求建立長期改善水質的生態(tài)系統(tǒng)。地點描述人工濕地位于美國東部北卡萊羅納州的OFG農場，

8、這個農場面積約18220公頃，包括約有5000公頃玉米5000公頃大豆和1600公頃棉花。主要的施肥是尿素，硝酸銨，和28%的N溶液。一部分農業(yè)徑流流入小溪河流，沿海平原河口和紐斯河河口支流。占地約五公頃的人工濕地接收971公頃田地的農業(yè)徑流。濕地的設計目的是最大限度的通過反硝化作用去除營養(yǎng)物和病原沉積物。共設計了16塊濕地，每個面積為30*20米，相鄰的是深30厘米的同等大小的池塘，三個額外的濕地位于濕地兩端之間的行1和2，3和4，5和6，共有19個濕地。該濕地是1999年的春天通過改造現(xiàn)有的沉淀物的沉沙池得到的，通過調查海拔相鄰的天然濕地建造了該人工濕地的直通系統(tǒng)，間歇性濕地池設計用來試圖

9、最大限度地發(fā)揮潛力，持久性的脫氮。使用這種設計，我們設法增加溶解氧濃度，沉積物的面積，增加水的停留時間，但不會增加海拔的濕地的細胞。土壤中含有氫，優(yōu)質的沙質土中含有豐富的生物。在1999年的夏天，在該區(qū)域種植了四種原生植物物種，包括互化米草，大米，羅斯幼枝，燈芯草。通過反硝化作用之間的差異來研究不同單元格中天然植物的演替，進入濕地后要通過蜿蜒的道路才能到達出口，水的流動率取決于降水，風速和方向。FLgurcI.MapnhomingLocationofcon-stnirtodwetlandcmOpen(.rroundsFarmfrNorth.CaroLijia,USA.方法水質監(jiān)測在該區(qū)域的入口

10、和出口進行取樣，ISCO采樣器都裝有速度模塊，可以記錄水流速度和水位差，該儀器可以記錄溫度,溶解氧、酸度、電導率。每0.5小時測得一個數(shù)據(jù)，每兩個月進行一次匯總。在2001，三分之一分類取樣器駐扎在2池收集生理數(shù)據(jù)，同時附加了一個有關探空儀。對每二周數(shù)據(jù)高于24的農場溝流域、入口、20個池塘內濕地、出口、和下游河口區(qū)域，采集水樣進行營養(yǎng)分析，當濕地被水淹沒時，集合地點除了濕地減少至八個池塘內四個上游和下游的區(qū)域以上為止。在高流量期間，分類采樣器（通過編程速度設定點）在5000和10000立方米之間的間隔中收集水樣，用于解決6厘米以下降雨產(chǎn)生的營養(yǎng)負荷問題。將所有水樣用石墨/玻璃纖維過濾器（25

11、毫米）進行過濾，然后通過硝酸二氧化氮分析儀。進入流域的氮源主要來自肥料和大氣沉積，每一年進行一次無機汞和總氮的量化。通過記錄OFG濕地的施肥情況來確定其氮含量，同時在該濕地建立國家大氣沉降程序的數(shù)據(jù)庫。用輔酶數(shù)據(jù)庫中無機氮值乘以30來估算ADN的有機值含量，通過化肥和進入濕地的外部氮源的總氮含量來確定濕地的氮負荷。通過每月兩次高流速的平均值和0.5小時記錄的速度和營養(yǎng)濃度來計算流入和流出濕地的氮負荷量，每個月對氮負荷進行總結。如果有一天進口或出口的數(shù)據(jù)無法提供時，那么這兩個地點的數(shù)據(jù)都將被舍去。通過日負荷的總和來計算月負荷。這個被定義為氮去除率，用百分數(shù)表示。1UnplantB-droemer

12、anus-Ct&dium/arnfficewJS*SjiortimcyriBsumidHSG12P12P10I:miiMCr-iuxa4.1LLi1b-Ff-F1*!*1+RrTTTTrTTTT匚匚匚*$*!InletFigurv2Figure2.SchematicdLagramoftheconstructixlwetLand.WetLandccLh(C)arenumbered.119withcoTrespandiriRponthITJ.Keyshnw?ithespeci.esplantedmcttch.cell.ELckovalIN)andtotalNforcachsnunx;.Unitsf

13、orNarcthousandsofkN呼ram百(HiPk馬N.Thcpcnzcntagcofeachfb:rmofNthatwasAIJN,andthe卩crcntagc：aftheestimatedtotalwatcrahcdNthatalteredthewetlandarcalsoincluded.Datafrom1U00理nd1UUIareincludedndthecropstypesforthewaterahedarcshown.Fertili3*rA卩卩l(xiāng)ied(血理NADNonWatershed(IOkgN)%WrtershodNasADNLiDadtoWetland(lpleg

14、N)%WatershodNTotaltoWetlandDINTNDINTNDINTNDINTNDINTNiOUCISoybean15.0如5.2?12%12%2.14.712%2J1ComLI22IC264.092%2%2.22.82%1%時空變異性總氮去除率減去濕地進出口的氮去除率，部分通過反硝化作用去除的氮如圖5.2000年l2月-200l年3月由于對MIMS的修理，缺乏反硝化作用的數(shù)據(jù)。10H7DW琬2W100ksE-mzjinq口HLI-O-BoqLualdam-33跆*盒盡老臺-1FrMiHLL.FilLIBrkjluw6quJEttszaqdgBrn20(302001通過2000年

15、5月到200l年8月的數(shù)據(jù)計算出了總氮去除率和反硝化作用的氮去除率，這段時期濕地的氮負荷為2.9*103kg,其中91%以NO2+NO3的形式存在，9%以NH4+的形式存在，NO2+NO3的負荷，59%被直接去除，13%通過反硝化作用去除，2000年德脫氮率為10%，2001年的脫氮率為16%。反硝化速率和溫度呈正相關關系，2000和2001年6月的反硝化速率高點分別為3.9+-0.7mgNm_2h_i和9.2+27mgNm_2h_i,2000和2001年的最低點分別為0.7+-0.07mgNm_2h_1和0.7+-0.2mgNm_2h_1。降雨前后的反硝化速率變化和硝酸鹽濃度的相應變化如圖6

16、,降雨過后,反硝化速率明顯提高，在每個時期，硝酸鹽濃度的柱狀圖至少增加2.8mgL_1,濕地的硝酸鹽負荷量最大的時候2001年6月，濃度超過21mg/l，原因是上游農場的肥料流入濕地，經(jīng)過抽樣調查，反硝化速率的平均值為19.6+-6.3mgNm_2h_1，比降雨前大了5倍。濕地的反硝化速率和硝酸鹽的濃度有關系，例如，2001年8月，細胞1-2,6-7,14-16的硝酸鹽濃度有顯著的差異，入口處細胞1和2濃度為2.9mg/l，細胞6和7濃度為1.1mg/l,出口處細胞14和16濃度為0.3mg/l,反硝化速率同樣也是這種趨勢。ug?LTiming/LocationofDenitrificatio

17、nMeasurements厶inRetationtoNitrateGoncentrstion*2D0Q20D1HJQBQD此實驗研究了反硝化速率和硝酸鹽濃度的關系。結果顯示它們有一定的相關性，通過另外的實驗來計算反硝化速率的動態(tài)平衡，飽和速率是10mgNm_2h1。L科IMOkRumovad口MEvfittrHltfdTM_討論在這項研究中，監(jiān)測了濕地中氮的保留和去除，反硝化作用在除氮方面作了很大的貢獻，建立濕地是為了更好的進行反硝化作用，在硝酸鹽濃度低的時候，濕地的反硝化作用會發(fā)生脈沖回應，這是一個至關重要的功能，在大型降雨過后會有大量的氮流入濕地，此時的濕地起到了一個營養(yǎng)過濾器的作用，最佳

18、的管理方法是，少給農田和土壤施肥，減少進入濕地的氮肥料，這些數(shù)據(jù)表明，建造濕地，結合最好的管理做法，可以有效地增加農業(yè)徑流的質量。濕地的脫氮就像組合的脫氮，植物和藻類發(fā)生同化作用固定在土壤有機質中或進入地下水。使用質量平衡的方法，進入濕地的DIN就不會離開濕地。硝酸鹽是濕地中大部分的氮負荷，通過它可以計算濕地中氮的去除量。在研究期間，濕地通過反硝化作用去除的硝酸鹽比例有所增加，濕地的持續(xù)發(fā)展和建立，就像一個穩(wěn)定的有機物池，通過回收的氮來一直使它保持飽和的狀態(tài)，濕地作為一個除營養(yǎng)物的工具，提高反硝化作用的時間是十分重要的。Mrtrm*LogandEnlififlwl如nFigure7.Spati

19、aLchang-Kofden.itrifiicationratc?iin.thewetland.oLLdbarsrepresentnitrogen,fiuxandhatchedbarsrepresentnitrateconrantrahfwi.ErrorbarsareFitandarderror.E硝酸鹽的濃度往往對應著反硝化速率的空間變化，在出口處往往減少，生物除氮和反硝化作用會導致濕地中的硝酸鹽濃度減少，反硝化作用是濕地氮循環(huán)系統(tǒng)的一個重要組成部分，在降雨前后進行采樣抽查，結果顯示在DIN高負荷的時候，反硝化速率增加了1-4倍，反硝化速率的增加可以回應硝酸鹽的脈沖，實驗證實了除硝酸鹽之外，我們計算的ks值也和硝酸鹽含量相似，低親和力的反硝化細菌不會受硝酸鹽濃度的控制，濕地中的反硝化細菌會回應高負荷的DIN的反硝化速率。在兩年研究中，濕地反硝化作用的最大速率在夏天最小速率在秋天，在其他研究中發(fā)現(xiàn)也是同樣情況，濕地中夏季溫度在20-25度的時候反硝化作用去除DIN是最有效的，說明了在秋