湿地演替带氮循环对地表－地下水位协同变化的响应机制研究

Eutrophication in wetlands is a common problem of water environment in the present-day world. Nitrogen is one of the main causes of wetland eutrophication, which is actively cycled by ammonification, nitration and denitrification in wetlands. The succession zone of wetlands is pioneer zone of wetlands, where surface water and groundwater intensively interact with each other and water tables vary coordinately. It is the first to be affected by eutrophication so that the exertion of its functions will be lost. Therefore, it is necessary to study the response mechanisms of nitrogen cycle to the coordinated variation of surface water and groundwater table in succession zone of wetlands. This project focuses on the West Dongting Lake, and the surface water and groundwater water table in its succession zone will be monitored for two hydrologic years to reveal the coordinated variation. Meanwhile, soil and water samples will be collected to test the main forms of occurrence and concentration of nitrogen. The rate of main processes of nitrogen cycle will also be measured. The nitrogen cycle characteristics will be discussed by the results. Finally, the mathematical model of nitrogen cycle and coordinated variation of water table will be developed to reveal the response mechanisms and predict the spatial and temporal distribution law of nitrogen contaminants in the succession zone of wetlands. The results will provide a theoretical basis and technical support for the recovery of wetland functions and the control on eutrophication of wetlands.

湿地富营养化是当今世界面临的水环境共性问题。氮素是引起湿地富营养化的主要因子之一，其通过氨化、硝化和反硝化等转化过程在湿地中进行着活跃的循环。演替带是湿地地表水和地下水交互作用强烈的区域，两者水位协同发生变化。作为湿地系统的先锋地带，演替带会首当其冲地受到湿地富营养化的影响，而目前湿地演替带氮循环对地表－地下水位协同变化的响应机制尚不清楚。本项目拟以西洞庭湖湿地为研究对象，在其演替带对地表水和地下水位进行为期两个水文年的连续监测，揭示演替带地表－地下水位协同变化的规律；同时采集土样和水样，测定氮素主要赋存状态和浓度，并测定氮循环主要过程的速率，探讨氮在地表－地下水位协同变化影响下的循环特征，揭示其响应机制及控制因子。在此基础上建立氮循环过程与地表－地下水位协同变化的数学模型，并通过数值模拟预测氮在湿地演替带的时空分布规律，为恢复湿地演替带净化功能和控制湿地富营养化问题提供理论基础和支持。

湿地地表水体富营养化会破坏演替带的生态环境并通过地表水和地下水的交互作用引发区域性的地下水环境问题。氮循环作为湿地生态系统中重要的子系统，对湿地富营养化有重要影响。目前湿地氮循环的研究主要集中在湿地地表水体和表层沉积物中，对演替带中氮的赋存状态和迁移转化机理研究较少。演替带中氧化还原电位（Eh）变化特征与水位变化关系以及与氮素赋存状态的关系有待进一步研究和探讨。本研究以洞庭湖区湿地演替带为研究对象，采用野外取样、现场与室内试验、理论分析、数值模拟等方法相结合，在收集大量监测资料和实地考察的基础上，通过对试验数据的分析和研究，得出了一些重要的规律性认识，主要结论如下： . 1. 湿地演替带剖面Eh变化特征与剖面深度有关，随剖面深度增大Eh在一定范围内逐渐减小。丰水期演替带未被地表水淹没时地下水Eh值较高，演替带被淹没时地下水Eh值较低；枯水期地下水埋深较大，地下水Eh值一般较低；平水期地下水Eh值处于枯水期和丰水期之间。. 2. 地下水Eh和pH决定了地下水中三氮比例，三氮赋存状态随Eh和pH的变化而变化。NH4+大量存在于-500mV<Eh<+300mV、pH<9.23的地下水环境中；NO3-在Eh>+400mV环境中可大量存在；而NO2-存在的范围是-200mV<Eh<+400mV。澧水和沅水演替带地下水Eh范围为-381mV~+193mV之间，pH处于6-8之间，NH4+在演替带地下水是主要的存在形式。. 3. 地表水中NO3-浓度占三氮总量的70%-90%，浓度较低，地表水受污染程度较轻。地下水中NH4+浓度占三氮总量的50%-90%，浓度较高，地下水受NH4+污染较严重。. 4. 硝化和反硝化是演替带中氮素主要生物化学转化过程，氮素淋失、NH3挥发和N2O排放是主要的物理迁移过程。氮素在演替带内的迁移转化过程主要受演替带环境因素驱动，包括Eh、pH、温度、降雨量、土地利用方式等，其中Eh是最主要的驱动因子，各个因子协同作用驱动氮素在演替带内发生迁移转化。. 本研究建立了湿地演替带Eh变化剖面，丰富了湿地演替带Eh系列量测数据资料，得出了Eh变化特征；建立了演替带Eh和氮赋存形态特征的对应关系。结合土壤和地下水理化特性，揭示了氮在演替带中迁移转化的主要途径与驱动因子，为湿地水环境管理者提供了理论依据和技术支持。