山丘区沟渠反硝化脱氮效率与影响机理研究

The characteristics of the ditch in the Hilly area are different from the ditch in floodplain, such as geomorphological variability, hydrological process, and vegetation distribution. The oxidation-deoxidize condition in sediment could be influenced significantly by these characteristics. So, sediment denitrification in the ditch could be influenced according to the changing of oxidation-deoxidize condition. But the influenced mechanisms on sediment denitrification in the Hilly area ditch have not been well documented. So, we proposed to conduct this research on sediment denitrification mechanism in the Hilly area ditch. In this proposal, sediment denitrification in ditch will be determined in situ in the Sichuan Basin using N-15 isotope pairing technique (IPT). Artificial rain experiments will be carried out in order to find out the responding mechanism between wet-humid alternation process and sediment denitrification. The coupling mechanism between sediment denitrification and vegetation distribution will be studied through the determination of sediment denitrification in situ. The correlation between environmental factors and sediment denitrification, such as temperature, gradient of ditch, and rainfall, will be studied. Therefore, basic scientific supports will be provided for both nitrogen pollution controlling and environmental protection in the Hilly area.

山丘区沟渠地形、水文过程与植被空间分布特征与平原地区有明显不同，这些特征能显著影响沉积物的氧化还原环境，可能对沟渠反硝化脱氮效率有较大影响，但相关机理研究缺乏。针对该问题，利用N-15同位素配对技术（IPT），结合人工模拟降雨试验，研究山丘区沟渠反硝化脱氮的效率，查明山丘区沟渠反硝化脱氮效率对干湿交替过程的响应机理，揭示植被空间分布与沟渠反硝化作用的耦合机理，弄清驱动山丘区沟渠反硝化脱氮效率的关键环境因子，为山丘区水体氮素污染治理和环境保护提供科学依据。

山丘区沟渠地形、水文过程与植被空间分布特征与平原地区有明显不同，这些特征能显著影响沉积物的氧化还原环境，可能对沟渠反硝化脱氮效率有较大影响，但相关机理研究缺乏。针对该问题，研究山丘区沟渠反硝化脱氮的效率，查明山丘区沟渠反硝化脱氮效率对干湿交替过程的响应机理，揭示植被空间分布与沟渠反硝化作用的耦合机理，弄清驱动山丘区沟渠反硝化脱氮效率的关键环境因子。结果发现：（1）水田沟渠、旱地沟渠、居民区沟渠沉积物反硝化速率分别为84.2 µg N m-2 h-1、247.4 µg N m-2 h-1、660.1 µg N m-2 h-1。居民区沟渠反硝化速率最高。（2）干湿交替对自然沟渠反硝化速率影响显著，间歇滞水最有利于沟渠沉积物通过反硝化作用脱氮，而长期淹水环境并不利于沟渠反硝化脱氮。间歇滞水区、干湿交替区、常年淹水区反硝化速率分别为203.8 µg N m-2 h-1、147.5 µg N m-2 h-1、73.2 µg N m-2 h-1。（3）有植被沟渠沉积物反硝化速率显著高于无植被沟渠。不同植物反硝化速率的大小顺序为：石菖蒲>美人蕉>铜钱草>再力花>水竹>狐尾藻>水蜡烛 >茭白。不同植物反硝化速率与反硝化功能基因nirK、nirS、nosZ拷贝数之间相关系数分别为0.51、0.73、0.73（P<0.05）。（4）农业源头沟渠沉积物反硝化速率出现明显季节变化的原因可能与降雨、施肥密切相关。温度也是影响反硝化作用的重要因素，沟渠反硝化速率随着温度的增加而增长。（5）沟渠水体的DO浓度与反硝化速率呈显著负相关（P＜0.01）。沟渠水体NO3-_N浓度与反硝化速率呈显著正相关（P＜0.01），沟渠水体TN浓度也与反硝化速率具有显著正相关性（P＜0.05）。沟渠沉积物TOC含量与反硝化速率呈显著相关性（P＜0.01），说明沟渠沉积物TOC含量越高，越有利于反硝化过程。探明自然沟渠反硝化速率及其影响机理对提高生态沟渠反硝化脱氮效率，减控农业面源氮素污染具有重要意义，研究结果可以为长江上游农业面源污染生态防治方略提供科学依据。