水体-沉积物界面氧通量的产生机理及影响机制

Oxygen fluxes in water-sediment interface (SWI)directly affects the spatial distribution of oxygen in the sediments, and then determines the transformation and energy transfer of various substances in sediments; Oxygen fluxes in SWI is influenced by hydrodynamic conditions and micro-sectional structural properties of sediments. The typical secondary river of the Three Gorges Reservoir will be selected as the research object, Joint Acoustic Doppler flow field testing technology and microelectrode technology to build a non-invasive eddy-correlation technique; Explore ways and laws of the oxygen transfer in the SWI, research the potential mechanisms of oxygen flux to sediment partition；Analyze the influence mechanism of hydrodynamic conditions and sediment composition on SWI oxygen flux; obtain important kinetic parameters, and form mechanism model of SWI oxygen flux between hydrodynamic conditions and sediment micro-sectional characteristics. Further research will reveal the mechanism of mass and energy transfer on SWI, theoretical breakthrough about migration and transformation mechanism of matter and energy in sediments will be made. Provide important theoretical basis and technical support for the remediation of contaminated sediments in water. It has important academic significance and application prospects.

水体-沉积物界面（SWI）的氧通量大小直接影响沉积物中氧的空间分布，继而决定了沉积物中各种物质的形态转化及能量传递过程；SWI中的氧通量大小受到水动力条件、沉积物的微剖面结构特性的影响。选择三峡库区典型次级河流为研究对象，联合声学多普勒流场测试技术与微电极测试技术，构建非侵入式涡度相关原位测试方法；探索氧在SWI中的传质途径及规律，深入挖掘氧通量的大小对沉积物分区的潜在作用机理；剖析水动力条件以及沉积物微剖面特性对SWI氧通量的影响机制，获得其重要的动力学参数，最终形成SWI中氧通量与水动力条件以及沉积物微剖面特性之间的机理模型。研究成果将进一步揭示SWI中物质及能量的传质机理及规律，在沉积物中物质与能量的迁移转化机理方面取得理论突破，为水体沉积物的污染修复提供重要的理论基础和技术支撑，具有重要的学术意义和应用前景。

溶解氧是水生态系统中最基础的元素，与其他参数相比，溶解氧更能反映水生态系统中新陈代谢的情况。沉积物是水体中物质与能量代谢的重要场所，它包含众多的微生物种群以及各种化合物，氧环境决定了物质在沉积物中的赋存形态与最终归趋。沉积物中的溶解氧主要来源于上覆水体的传递，沉积物和水体中的微生物利用氮源，产生各种副产物，包括气体氧化亚氮（N2O），而沉积物-水界面（sediment-water interface，SWI）是氧和N2O传递发生的重要区域。论文采用涡度相关法，测试了不同水体水动力条件下SWI氧和N2O通量，探索了水动力条件对SWI氧和N2O通量的影响。基于测得的通量结果，结合沉积物氧剖面分析和沉积物氧利用速率以及实验前后Fe2+、Mn2+、有机质质量分数的变化，计算了沉积物生物耗氧量与化学耗氧量，探究了沉积物耗氧机制，建立了水体水动力条件对SWI氧通量与沉积物耗氧量之间的响应关系，获得了SWI氧通量产生机制。结合底泥中氮元素主要包括总氮（TN）、氨氮（AN）、硝态氮（NO3--N）和亚硝态氮（NO2--N）之间的迁移转化，探究了N2O的产生和释放机制。同时利用高通量测序技术对装置内沉积物进行测试，从微生物分子生物学的角度分析了沉积物中可能消耗溶解氧和产生N2O的相关功能菌的信息。