地下水补给区与排泄区潜流带氮迁移转化的对比研究

There are significant differences between recharge and discharge areas about dissolved oxygen, temperature gradient, redox conditions, hydro-biogeochemical conditions as well as the direction and velocity of vertical groundwater flow. However, the condition differences between recharge and discharge areas have not been paid enough attention to nitrogen transport and transformation through the hyporheic zone of surface water-groundwater interactions. Jianghan plain is chosen as the main research area for this project. Based on regional groundwater flow system analysis, field investigation and monitoring, field and indoor experiments, and numerical modelling will be conducted in selected typical recharge and discharge areas. With help of hydrodynamic field and temperature tracing, and typical components or elements, the interaction between surface water and groundwater will be determined. Microbial metagenomic 16S rDNA and the functional gene will be sequenced and analyzed for nitrogen transformation bacteria. In the meanwhile, 15N-nitrate will be used for tracing the nitrogen transformation. Numerical models of nitrogen transport and transformation combined the microbial processes will be established to reveal the biogeochemical behavior and microbial mechanism of nitrogen transport and transformation between surface-water and groundwater in the representative areas of recharge and discharge. The project is of significance on theory and practical application to assess nitrogen input and output of a groundwater system, determine the nitrogen cycle flux across the surface-water and groundwater interface, prevent or repair nitrogen pollution of groundwater and surface water.

地下水流系统补给区与排泄区的溶解氧、温度梯度、氧化还原、水文生物地球化学等条件以及地下水的垂向渗流速度和方向显著不同。但是，目前关于地表水-地下水相互作用的潜流带中氮素迁移转化研究，却没有对补给区与排泄区影响氮转化的这些条件差异予以足够的重视。本项目以江汉平原为研究区，在区域地下水流系统分析的基础上，选择典型补给区和排泄区，开展野外调查和监测、室内外实验和数值模拟，采用水动力场、温度示踪、特征化学组分、微生物种群等信息分析地下水-地表水的相互作用关系，开展微生物宏基因组16S rDNA测序与分析，采用15N示踪氮转化过程，建立考虑微生物作用下的饱和-非饱和流氮迁移转化的数值模型，揭示典型地段地表水-地下水转化的潜流带氮迁移转化的生物地球化学行为和微生物作用机理。本项目对于准确评估地下水系统中氮的输入和输出、确定地下水-地表水界面氮通量，以及地下水和地表水氮污染防治或修复具有重要意义。

地下水流系统补给区与排泄区的溶解氧、温度梯度、氧化还原、水文生物地球化学等条件以及地下水的垂向渗流速度和方向显著不同。但关于地表水-地下水相互作用的潜流带中氮素迁移转化研究，却没有足够重视补给区与排泄区这些影响氮素转化的条件差异。本项目在系统分析江汉平原区域地下水流模式的基础上，选择仙桃市沙湖镇通顺河和京山市宋河镇泉水河的河岸带和潜流带，开展野外调查、监测采样、实验和数学模拟；采用水动力场、特征化学组分、氮氧同位素示踪、微生物群落结构（16SrRNA）与功能的定性和定量分析，和系列水流-微生物-氮素迁移转化耦合的数值模拟，研究潜流带氮迁移转化的生物地球化学行为和微生物作用机理。查明了两个研究区背景条件和河水-地下水转化关系。获得了沙湖镇通顺河河岸带土壤呼吸、硝化和反硝化速率，以及温室气体释放速率数据，揭示了该河岸潜流带微生物群落结构、功能及其与氮素迁移转化的关系。提出了辅助利用铵离子δ15N判别硝化作用的方法，为氮素来源识别提供了新的同位素证据；发现区域地下水补给区（宋河镇泉水河流域）地下水氮素转化过程以硝化作用和土壤有机氮矿化作用为主。通过土柱实验揭示了河流持续补给和排泄地下水过程中有机碳对硝态氮去除效果的影响规律。建立潜流带水流-溶质运移-生物生长的耦合模型，揭示了生物堵塞作用对氮素迁移转化的影响；提出新的参数Da*指示潜流带硝态氮源汇功能，评估生物生长对硝态氮源汇功能的影响；发展了非均质潜流带中厌氧微区的形成条件。提出了一个新的不规则河岸几何条件下河流与地下水相互作用半解析模型，以及不规则河岸边界条件下河流与倾斜含水层相互作用的新半解析模型。其成果可为评估地下水流系统和潜流带氮循环和温室气体排放，以及地下水和地表水氮污染防治与修复提供理论依据。