雅鲁藏布江含氮化合物的多介质迁移转化及环境响应机制

Nitrogen cycling processes in rivers in the plateau are closely related to its unique hydrodynamic and ecological environment, and are influenced by the runoff variation. However, the knowledge in the transportation and transformation of nitrogen and the controlled mechanism in rivers in plateau is limited. The aim of this research is to study the processes of transportation and transformation of nitrogenous compounds in Yarlung Zangbo River and the response to environmental changes through in situ and simulation experiments. The main sources and change characteristics of nitrogenous compounds should be identified first by investigating the occurrence and levels of nitrogenous compounds in the water/suspended particles/sediment in the river and combining stable isotope analysis. Then the release, adsorption, desorption and microbial transformation of nitrogenous compounds in the multiphase systems will be determined to clarify their transportation and transformation rules and to associate with environmental variables. At last, the effects of environmental variables on the transportation and transformation of nitrogen will be performed under flowing water, and the interactions between the nitrogen changes and hydrodynamic, water quality and/or environmental variables will be analyzed to explore the response mechanism to the environment. The above results could provide scientific basis for clarifying the nitrogen cycling processes with environmental variation in plateau rivers and are of great significance to protect water environment and to guarantee water ecological security in the plateau.

高原河流的氮循环过程与其独特的水动力和生态环境密切相关，同时受径流变化的影响，然而现阶段对高原河流生源氮素迁移转化过程及受控机制仍不清楚。本项目以世界上海拔最高的大河—雅鲁藏布江为研究区域，采用野外现场试验和室内模拟试验相结合的方法，研究含氮化合物的迁移转化过程及其对环境变化的响应。首先分析含氮化合物在河流水/悬浮颗粒物/沉积物等多相介质中的赋存状态和水平，结合稳定同位素分析，解析其主要来源及演变规律。然后研究不同含氮化合物在多相体系中的释放迁移、吸附解吸及微生物转化过程，阐明其迁移转化规律及其与环境因子的关系。在此基础上，研究动水条件下不同环境因子对不同形态氮素迁移转化过程的影响，阐明氮素变化与水动力、水质及环境要素之间的动态交互关系，揭示其环境响应机制。成果可为解析变化环境下高原河流氮循环过程提供科学依据，同时对高原水环境保护与水生态安全保障具有重要意义。

水体中生源氮素的变化直接影响流域生态环境，而高原河流的氮循环过程与其独特生境密切相关。本项目以雅鲁藏布江为研究区域，首先分析了含氮化合物在河流多相介质中的赋存水平和时空变化规律，发现溶解性有机氮是含氮化合物的主要成分，而NH4+-N和NO3--N是溶解性无机氮的主要存在形式，枯水期总氮的浓度高于丰水期，沿程呈现下降趋势。利用灰色关联分析法解析了生源氮素变化与环境因子的关系，识别出DO、EC、水温、pH是高原河流氮素变化的主导环境因子，源解析发现水体中的NO3--N主要来自降雨及肥料、土壤有机氮以及污水和粪便。然后采用实验室模拟方法，研究了雅江典型断面NH4+-N的迁移规律，沉积物中NH4+-N的释放行为符合一级动力学方程，吸附行为符合准二级动力学模型。受雅江沉积物NH4+-N本底含量较低影响，NH4+-N理论最大吸附量远大于平原河网地区，粒径和温度对NH4+-N的吸附行为影响最大，而NH4+-N的解吸行为受水动力影响。采用15N同位素配对技术和乙炔抑制法，研究了雅江沉积物-水界面含氮化合物的微生物转化过程，结合高通量测序技术分析了细菌群落的分类组成和多样性，发现反硝化作用是雅江去除硝酸盐的主要过程，nirS-反硝化菌是反硝化作用的重要驱动因子，高海拔河流的脱氮过程由环境因素（温度、pH、DO等）和大坝建设通过塑造功能微生物共同调节。利用流速渐变环形水槽，模拟研究高原环境不同水动力条件下含氮化合物在河流多相体系的变化过程，建立了一维水动力-弥散-吸附-转化数学模型，模型对氮素迁移转化过程预测效果较好，误差在10%以内。高原河流共存的PPCPs抑制了硝化、反硝化过程，增加了N2O释放，其对氮素转化过程的交互影响揭示了高海拔河流复合污染的潜在风险。研究成果有助于深入理解高原河流生源物质生物地球化学循环，可为变化环境下高原河流的水污染控制和水生态安全保障提供理论基础和科学支撑。