基于双稳定同位素和同位素异构体技术研究鄱阳湖边缘蚌湖N2O产生的生物地球化学机制

Poyang Lake is a shallow lake of water carrying type, its biogeochemical cycle of nitrogen mainly occurs at the edge buffering lake areas. Therefore, studying the mechanism of nitrification and denitrification of N2O production at the edge lake areas is helpful to realize nitrogen cycle process of Poyang Lake by. In this study, the mechanism and impact factors of nitrification and denitrification of N2O production in Bang Lake- the edge of Poyang Lake will be researched by systematically studying dual isotopes (δ18O, δ15Nbulk) and isotopologues (δ15Nα, δ15Nβ) of N2O under different hydrologic condition in different seasons and combining inorganic nitrogen isotopes of water in the lake and simulated experiment of nitrification and denitrification processes in laboratory. And N2O production in the two processes will be estimated by using isotopic mass equilibrium principle.The effect and contribution of edge buffering lake areas will be evaluated briefly on nitrogen cycle and N2O emission in Poyang Lake. The research results of this project may provide scientific proof for the water quality protection and ecology environment recovery of Poyang Lake.

鄱阳湖是一过水性浅水湖泊，其湖泊内部氮的生物地球化学循环主要发生在边缘缓水湖区，因此研究边缘湖区N2O产生的硝化和反硝化作用机理有助于对鄱阳湖氮循环过程的认识。本研究拟通过其一边缘湖区蚌湖在不同水文条件不同月份N2O的双稳定同位素组成（δ18O、δ15Nbulk）和同位素异构体（δ15Nα、δ15Nβ）的系统研究，结合水体无机氮的同位素数据和室内硝化反硝化模拟实验，探讨蚌湖N2O产生的硝化和反硝化作用机理及其影响因素，再利用稳定同位素质量平衡原理，估算各过程所产生的N2O比例，简要评价边缘缓水湖区在鄱阳湖氮循环以及N2O释放中的作用与贡献。本研究成果可以为鄱阳湖的水质保护及生态环境恢复研究提供科学依据。

鄱阳湖的水位全年变幅很大，边缘湖区是水位上涨扩散而成的水域，对于这种边缘类型湖泊氮的生物地球化学循环研究较少。边缘湖区水流相对缓慢，污染物来源广泛而复杂，相对较弱的水交换能力有利于营养元素和污染物的蓄积，有机质的矿化作用（氨化作用），硝化作用与反硝化作用在各种水位条件下都可能发生。利用有机质δ13C、δ15N和C/N，无机氮δ15NH4+和δ15NO3−及N2O的δ15Nα和δ15Nβ示踪表明：悬浮颗粒有机质在春夏的水位上涨和丰水期主要来源于河流运输的土壤有机质，湖内水生浮叶植物有一定贡献，表层沉积物对春季也有一定贡献；秋季退水后悬浮颗粒有机质主要来源于藻类，表层沉积物有一定贡献；冬春季枯水期悬浮颗粒有机质主要来源于表层沉积物，候鸟粪肥对冬季悬浮颗粒有机质有较大贡献。δ15NH4+ 和 δ15NO3− 在不同水位表现明显差异，春季涨水期δ15NH4+ 最正为1.1‰ ~ 12.4‰，是河水带来的畜禽和城市污水；夏季丰水期δ15NH4+ 最负为-27‰ ~ -7‰，表现为雨水来源，秋季为-5‰ ~ -1‰，明显升高，是湖内较强的硝化作用的结果；冬季水位最低，δ15NH4+ 为-7.8‰~ 5.2‰，候鸟栖息有一定影响。δ15NO3−春夏季为最正0.1‰ ~ 5.9‰，表现为农业来源；秋季最负为-12.7‰ ~ -0.1‰，结合δ15NH4+，表现为湖内较强的硝化作用；冬季为-7.5‰~ -0.9‰，湖内主要表现为氨化作用。水-气界面的N2O浓度在不同季节没有明显差异，范围在324~340 ppb。δ15Nbulk-N2O在夏季范围较大为-3.2~9.5‰，均值为5.2‰；其他季节范围1.4~9.3‰之间，均值在5.8~6.2‰没有明显差异。δ18O-N2O在夏季范围为3.1~5.8‰，秋冬季略升高为4~6.2‰。δ15Nα-N2O和δ15Nβ-N2O变化趋势与δ15NH4+类似，在夏季丰水期最低，秋冬季升高，其SP值（SP=δ15Nα-δ15Nβ）在各季节范围为7.7~13.9‰，不在文献中明显的硝化或反硝化作用的SP值范围内，可能是湖泊受各种环境影响的综合反映。总之，N2O的各种同位素值在不同季节的变化趋势类似于它的前体NH4+的同位素变化，故认为此边缘湖泊N2O主要由硝化作用产生。本研究为这种洪泛类型湖泊的氮污染治理提供科学依据。