水动力扰动对太湖反硝化作用及脱氮通量的影响

Denitrification is a key nitrogen removal process in lakes. It can alleviate nitrogen loading and plays an important role in the nitrogen budget. High frequency hydrodynamic disturbance is characteristic of shallow lakes and can affect nutrient cycling. We hypothesize that hydrodynamic disturbances will affect oxidation-reduction conditions and denitrification bacteria community in surface sediments and lead to high resuspended organic particle in water column, which will affect denitrification in water column and sediment of lake. High frequency hydrodynamic process monitoring and field simulations will be conducted to study the effects of hydrodynamic disturbances on the vertical distribution of denitrification and nitrate concentrations in sediments. We will use microelectrodes and 15N stable isotope tracers to measure denitrification rates in sediments. The influence of resuspended organic particle on denitrification rate in water column will be explored. Weekly monitoring of denitrification will be conducted in Meiliang Bay for one year to determine temporal variation of denitrification rates and identify factors controlling nitrogen removal processes and rates, such as physical/meteorological, hydrodynamics, and water quality. Spatial variations in rates will be measured, and the contribution of denitrification to total nitrogen removal in the lake will be evaluated.

反硝化脱氮是湖泊氮素循环转化的关键过程，对于减轻湖泊氮污染，调节湖泊氮负荷的收支平衡具有重要作用。频繁的水动力扰动是大型浅水湖泊的主要特征之一，对营养盐的循环转化过程具有重要影响。本项目以太湖为研究对象，通过野外高频观测和模拟实验，采用微电极技术研究不同扰动条件下沉积物溶解氧侵蚀深度、反硝化层的迁移、底泥硝酸盐的垂向分布规律，采用分子生物学手段研究水动力扰动对水体和沉积中微生物群落结构的影响；运用原位箱法和15N同位素示踪技术研究不同扰动强度和扰动模式对水-沉积物界面耦合和非耦合反硝化过程的影响及机制，探讨风浪过程中悬浮颗粒物作为微生物载体对水柱中反硝化速率的影响；另外通过在典型湖区开展每周一次的高频定点监测，细致刻画反硝化速率在一年中的变化过程、分析影响因素，并结合水动力条件和生境条件不同的湖区反硝化速率的季节测定，评估太湖全湖的反硝化脱氮能力。

反硝化脱氮是湖泊氮素循环转化的关键过程，对于减轻湖泊氮污染，调节湖泊氮负荷的收支平衡具有重要作用。频繁的水动力扰动是大型浅水湖泊的主要特征之一，对营养盐的循环转化过程具有重要影响。本项目以太湖为研究对象，通过野外高频观测和模拟实验，利用膜接口质谱仪和15N同位素示踪技术研究了不同扰动强度和扰动模式对水-沉积物面耦合和非耦合反硝化过程的影响及机制；开展了风浪过程中悬浮颗粒物对水柱中反硝化速率的影响实验；比较了蓝藻水华和湖泊沉积物对反硝化脱氮的影响；并通过模拟实验研究了湖泊对外源氮输入的截留能力，评估了全湖反硝化的脱氮能力。经过4年的研究，圆满完成了项目计划书中的工作内容，达到了项目预期研究目标。主要研究结果如下：风浪扰动促进湖泊沉积物硝化-反硝化耦合作用的发生，有利于湖泊的脱氮过程；在风浪过程中，湖泊沉积物进入水体，以悬浮颗粒物为介质的微环境导致反硝化作用可以在好氧的水柱中发生，促进了水体氮素的损失；蓝藻水华的生长与降解加快了氮素的转化过程，导致氮素通过硝化-反硝化耦合过程从水体脱除；湖泊沉积物是反硝化作用发生的主要区域，但蓝藻水华堆积会加速氮素从水体去除；模拟实验结果显示在湖泊沉积物存在情况下，外源输入的氮有50%被反硝化作用从水体生态系统中脱出；利用质量平衡方法估算了太湖的氮素收支，发现50-70%的外源氮负荷会被湖泊截留，其中80%是反硝化脱氮的贡献。研究结果加深了对湖泊氮素循环过程的认识，对湖泊和流域的氮素管理及蓝藻水华的治理具有重要意义。