鄱阳湖边缘湖区沉积物反硝化作用的氮氧同位素地球化学研究

The slow-water zones of the Poyang Lake margin are the main accumulating areas of nitrogen loads. Strong nitrogen biogeochemical processes also often occurred here. This project intends to use isotope geochemistry, environmental geochemistry and environmental microbiology research methods to explore sediments denitrification reaction mechanism of Poyang lake edge district. By measuring nitrogen and oxygen isotopic composition of NO3- and N2O, δ15Nα and δ15Nβ of N2O, and oxygen isotopic composition of H2O in sediment stratification and porewater samples, combining the quantity and activity of denitrifying bacteria, we want to infer the spatial and temporal variations of denitrification occurred, then to frame nitrification-denitrification interface in lake sediments and analyze its reliability. Analyzing the relation of DO, organic C and other physical and chemical parameters, we will investigate the influence factors of denitrification reaction. On this basis, we plan to evaluate the contribution of sediment denitrification to the removal of nitrogen load of Poyang lake.

鄱阳湖边缘缓水区是鄱阳湖氮负荷的主要汇集区，将发生强烈的氮的生物地球化学作用。本项目拟运用同位素地球化学、环境地球化学和环境微生物学的研究手段，以蚌湖为例探讨鄱阳湖边缘湖区沉积物中反硝化反应的作用机理。通过测定沉积物分层样品及其孔隙水中NO3-和N2O氮、氧同位素组成、N2O同位素异构体δ15Nα 和δ15Nβ、H2O氧同位素等参数，结合反硝化细菌数量和活性纵深变化规律，推断出反硝化作用发生的时空变化规律，圈定湖泊沉积物中硝化-反硝化界面并分析其可靠性。分析DO、有机碳等理化参数对反硝化作用的影响，探讨反硝化反应发生的影响因素，从而系统阐明蚌湖沉积物中反硝化反应的作用机理。在此基础上，简要评价沉积物反硝化作用对鄱阳湖水体氮负荷去除的贡献。

湖泊富营养化已成为我国目前面临的最为严重的水环境问题之一，作为水体初级生产力可能的限制性营养元素，氮的过量输入对湖泊富营养化具有不容忽视的促进作用，作为氮生物地球化学循环过程中的关键步骤，反硝化作用可有效去除湖泊中富集的氮营养。本项目运用了同位素地球化学、环境地球化学和环境微生物学的研究手段，以蚌湖为例探讨鄱阳湖边缘湖区沉积物中反硝化反应的作用机理，并进行了多次的野外采样和分析。项目对湖泊沉积物不同季节和不同垂向深度沉积物孔隙水N2O和NO3-含量及沉积物溶解氧的分布、不同形态氮含量、有机碳含量、C/N比以及反硝化细菌数量和活性等进行了研究，表现为蚌湖底层有机质含量低，溶解氧侵蚀深度在 3 mm 左右；沉积物TN含量整体上在0-6cm处呈上升趋势，6 cm 后，总体呈递减趋势，NH4+-N在沉积物中的含量变化范围在 3.12-28.05 μg/g 之间，随深度增加而增加，NO3--N范围为 0.12-5.26 μg/g，含量较低；不同区域孔隙水中TN的变化与沉积物TN分布相一致，孔隙水NH4+-N含量在 0.21-2.56 mg/L 之间，显著高于上覆水，孔隙水NO3--N含量范围为 0.15-0.42 mg/L，低于上覆水；在7-12 cm 处反硝化作用最强，最大到达25.12 μmol•m-2h-1，14 cm后反硝化作用明显降低，反硝化反应的主要影响因素有溶解氧的浓度、有机质的含量、以及厌氧微生物的数量；硝化作用主要集中在 6 cm 深度，反硝化作用主要发生在 7-12 cm，硝化-反硝化作用界面处于 6~12 cm 之间；反硝化时间主要集中在枯水期，枯水期蚌湖反硝化细菌数量变化范围为 120.00-1300.00MPN·100mL，远高于丰水期，且在水平空间分布上存在差异，反硝化菌群落结构在垂向分布上显著改变。项目揭示了鄱阳湖边缘缓水区湖泊沉积物反硝化反应的纵深和季节性变化规律，同时本项目成果有助于为准确理解沉积物氮素地球化学循环提供前提，以及为鄱阳湖水质管理、水环境恢复提供科学的理论依据。在本项目的资助下，毕业6名硕士研究生；发表论文 8篇，其中SCI论文4篇，EI论文1篇，北大中文核心论文3篇。