库滨带土壤释氮负荷模型的构建与田间尺度模拟分析

岸边带生态系统对氮元素的去除机理主要包括化学释放含氮气体过程.植物吸收过程和泥沙截留3方面.其中,土壤反硝化释氮是岸边带系统最为重要的生态功能之一.因此,建立适当的岸边带土壤释氮模型(包括土壤反硝化、硝化和氨挥发过程),对准确评估岸边带生态功能和构建合理的岸边带生态系统具有重要意义.本研究依据岸边带去氮机埋,参照已有的土壤释氮模型研究成果,构建了适用于水库库滨带土壤特性的土壤释氮速率估算模型(简称土壤释氮模型),并以官厅水库库滨带小区为研究对象,对水库库滨带土壤释氮特性进行模拟分析与验证.模型模拟结果表明,在监测期间(6～9月)土壤水分平均含量分别为16.6%、37.3%、43.9%和55.2%的情况下,土壤反硝化释氮速率分别为0、(102.1±59.3)、(169.3±87.6)和(203.2±119.6)mg·m-2·d-1(以N计);硝化速率分别为(233.3±121.4)、(177.9 ±69.3)、(187.7±75.0)和(166.7 ±121.9)mg·m-2· d-1(以N计);氨挥发速率分别为(3.00±1.13)、(2.64±1.01)、(2.76 ±1.04)和(2.51±1.89)mg·m-2·d-1(以N计);总释氮量分别为1.18、33.64、92.50和65.74g(以N计).同时,结合同步监测的实验数据,应用总量平衡法对模拟结果进行了验证.验证结果表明,实验小区土壤释氮量模拟值与实验值的决定系数(R2)为0.83,证明了该模型可有效地应用于水库库滨带区域.     

官厅水库库滨带非点源污染控制效应的遥感分析

选取官厅水库库滨带为研究区域,应用SPOT5遥感数据对其结构进行了解析,建立了高分辨率的Quick Bird遥感数据与SPOT数据的尺度转化关系,对SPOT信息提取结果进行了校核,以提高SPOT卫星对库滨带结构的解译精度;最后结合点上的实验结果对流域尺度上的库滨带的环境效益进行了分析.研究结果表明:(1)官厅水库陆相库滨带的结构不利于非点源污染的防治,应该适当增加林地的比例,同时提高林地、草地的植被覆盖度;(2)按照官厅水库流域非点源区年均TN量为188.1×104 t、TP量为101.2×104 t计算,库岸库滨带对TN、TP的去除率分别为11.6%和0.4%;(3)为了有效地防止官厅水库流域的非点源污染,必须加强水库流域的农业管理和库岸库滨带的科学建设与管理.     

水培植物生态槽对低C/N污水的脱氮研究

选用某污水处理厂的二沉池出水[(TN主要以硝态氮(NO3--N)形式存在)作为研究对象,采取水培植物生态槽进行脱氮试验,着重研究了NO3--N的反硝化过程.结果表明, NO3--N与COD均得到有效去除;生态槽厌氧区水力停留时间(HRT)为10~18h,系统水力负荷为1.33m3/(m3×d),不投外加碳源时,空槽运行NO3--N去除率为10.80%;种植能分泌溶解性有机碳(DOC)的凤眼莲使NO3--N去除率升至15.89%;而硫自养反硝化过程使NO3--N去除率提高至37.80%;投加葡萄糖时,TN与NO3--N的去除率分别达到87.20%和93.21%,出水浓度分别降到2.2,1.04mg/L.     

氧化沟不同A/O分区对脱氮效果影响的模拟实验研究

采用3种不同曝气模式的模拟氧化沟分别形成2、4、7个缺氧-好氧(A/O)分区,研究了3种工况下氧化沟的脱氮方式和脱氮效果.结果表明,在好氧缺氧区体积比例相同的条件下,A/O分区越多,则好氧区平均DO浓度越小,硝化菌活性越低,在2、7个4、A/O分区的3种工况下的硝化菌活性分别为4.80、和3.73mg·g·h4.65-1-1;A/O分区少,则每一分区的缺氧段和好氧段长,进水后反硝化菌利用的有机物就多,在好氧区中的有机物就少,用于硝化的DO量多,从而硝化和脱氮效果好.试验中3种工况的总氮平均去除率分别为60.14%、47.93%、57%,出水总氮平均浓度分别为17.01、22.17和27.92mg·L-1.在氧化沟工艺中,氮的去除途径主要是缺氧反硝化及同步硝化反硝化(SND).分区多,则主要通过同步硝化反硝化脱氮;分区少,则以缺氧反硝化脱氮为主,这是由于碳源限制致使同步硝化反硝化的脱氮效率比缺氧反硝化低.     

小流域农业面源氮污染时空特征及与土壤呼吸硝化关系分析

土壤呼吸与硝化特性是控制土壤生态系统中氮素转化和面源氮流失的关键因子,也是土壤氮循环的重要组成部分.选取位于巢湖北部的柘皋河流域作为案例研究区,应用BaPS技术测定林地和农田土壤呼吸、硝化和反硝化特性,运用SWAT模型分析农业面源氮污染输出的时空特征,并初步探讨土壤呼吸和硝化特性与农业面源氮污染的相互作用关系.结果表明,由于土地利用和施肥量的变化,1996~2012年间的年均和月均面源氮污染负荷明显大于1980~1995年间的模拟结果,不同月份的面源氮污染输出负荷均存在显著性差异,月均氮负荷受降雨量影响密切.1996~2012年流域面源总氮流失平均负荷为10.40 kg·hm-2,明显大于1980~1995年的8.10 kg·hm-2,方差分析表明两个时期面源总氮流失负荷的空间分布存在一定的差异.林地的呼吸速率远大于农田的呼吸速率.农田较高的总硝化速率和反硝化速率导致土壤氮库中的氮素减少,从而在一定程度上使得面源氮污染的输出负荷减小.农田土壤的总硝化速率大于反硝化速率,导致农田硝态氮的面源污染流失量增加,而有机氮的流失量有所减少.因此,土壤呼吸与硝化特性的研究有利于从土壤生物学角度深入分析土壤氮循环,对农业面源氮污染的防治具有重要的理论和现实意义.     

Fe3+对MBBR系统脱氮途径及关键酶性能影响分析

为考察Fe³⁺对移动床生物膜系统（Moving-bed Biofilm Reactor, MBBR）脱氮途径及相关酶活性的影响,以15 ℃下长期运行的移动床生物膜为研究对象,确定Fe³⁺的最佳投加浓度,在此基础上,启动运行MBBR1（添加 Fe³⁺）与MBBR2（不添加Fe³⁺）,对比分析了两反应器脱氮性能、相关酶活性、微生物群落结构及脱氮途径.结果表明,添加10 mg·L^-1 Fe³⁺的MBBR1与MBBR2相比,氨氧化、亚硝酸盐氧化、硝酸盐还原及亚硝酸盐还原的速率分别增加了75%、3%、10%和6%,氨单加氧化酶（Ammonia Monooxygenase, AMO）、羟胺氧化酶（Hydroxylamine Oxidoreductase, HAO）、亚硝酸盐氧化酶（Nitrite Oxidoreductase, NXR）、硝酸盐还原酶（Nitrate Reductase, NAR）和亚硝酸盐还原酶（Nitrite Reductase, NIR）的活性分别增加了10%、13%、2%、108%和3%,总氮去除率提高了11.17%.Illumina MiSeq测序结果表明,MBBR1中Nitrosomonas与Thauera相对丰度均高于MBBR2,NOB相对丰度接近.模型计算结果显示,MBBR1主要脱氮途径为同步短程硝化反硝化,而MBBR2主要脱氮途径为全程硝化反硝化.综上,Fe³⁺可通过影响脱氮过程中关键酶活性及生物群落结构,强化MBBR系统同步短程硝化反硝化能力以提高MBBR系统脱氮性能.     

贫营养好氧反硝化菌株的脱氮特性及氮/碳平衡分析

针对生物法处理贫营养水源水存在脱氮效率不高,脱氮过程电子转移不清楚等问题,以具有高效脱氮功能的贫营养好氧反硝化菌Acinetobacter junii ZMF5为研究对象,探究了菌株脱氮性能、环境适应性及反硝化过程中的电子转移.结果表明:①菌株ZMF5具有高效的异养硝化和好氧反硝化能力,氨氮和硝氮去除速率分别为0.211 mg·(L·h)^-1和0.236 mg·(L·h)^-1,并且在反应过程中无中间产物的累积;②通过氮素去除率以及菌株生长动力学分析,菌株ZMF5对不同类型的碳源均有一定的利用效果,在低C/N、低pH、低温的条件下仍表现出较好的氮去除性能;③氮平衡分析可知,比起碳水化合物羧酸盐化合物更能促进好氧反硝化过程的发生,使菌株脱氮途径发生变化,转化为气态氮(38.81%)的比例大于同化作用的氮(29.81%);④碳平衡分析可得,在反硝化过程中大部分碳源用于电子供体,而用于硝氮还原的电子较少,不同类型的碳源通过不同的还原势、电子供体的丰度和分子量来调节电子向硝酸盐呼吸链的转移.琼氏不动杆菌(Acinetobacter junii ZMF5...     

模拟氮沉降对森林土壤有机物淋溶的影响

在重庆铁山坪马尾松林内施加与大气氮沉降量相当的硝酸铵(NH4NO3)和硝酸钠(NaNO3),研究氮沉降加倍对土壤溶液可溶性有机物浓度的影响,分析氮沉降对森林土壤碳库的潜在作用.2005年起为期5a的现场观测表明,施氮后凋落物层土壤溶液的可溶性有机碳(DOC)浓度和通量在起初2a内与对照样区相比有明显升高,但之后反而降低.施氮还会降低凋落物层土壤溶液的DOC与DON(可溶性有机氮)比值,以及矿质土壤上层的DOC浓度,但对矿质土壤下层的DOC淋溶通量几乎没有影响.总体来看,在试验期内氮沉降对土壤碳库无显著影响,但土壤有机物可能有从富碳有机物向富氮有机物转化的趋势,氮沉降的成分(NH4+和NO3-)对土壤有机物的影响则没有明显差异.     

水库沉积物贫营养型好氧反硝化菌(Pseudomonas sp.)分离及其对微污染水体脱氮效率分析

为探究深水水库沉积物微生物功能特征及利用价值,于2019年在实验室对小湾水库表层沉积物微生物进行了驯化分离,并分析了其中一株细菌的脱氮效率.结果表明,分离出的细菌XW731经鉴定属于假单胞菌属（Pseudomonas sp.）,是一种贫营养型好氧反硝化菌;在分别以NH₄⁺-N、NO₃^--N和NO₂^--N为唯一氮源时,该菌对NH₄⁺-N、NO₃^--N和NO₂^--N去除率分别为33.6%、68.5%和9.1%;以NH₄⁺-N和NO₃^--N为氮源时,对NH₄⁺-N和NO₃^--N去除率分别为66.4%、89.6%,同步硝化反硝化能力更强.将该菌投加到两种城市微污染水体后测试表明,该菌对城市河道水体的NH₄⁺-N和NO₃^--N去除率分别为38.3%和42.4%,对城市降雨水体的NH₄⁺-N和NO₃^--N去除率分别为22.2%和7.7%.     

不同氮浓度冲击对颗粒污泥脱氮过程中N2 O产生量的影响

采用好氧-缺氧SBR污水生物处理系统,考察不同进水NH4+-N浓度冲击对同步硝化反硝化型颗粒污泥脱氮过中N2O的释放规律和脱氮效果的影响.结果表明,当进水NH4+-N浓度分别从稳定的30 mg·L-1突然提高到40、60和80 mg·L-1时,氨氮去除率从80.04%降至61.40%、39.65%和31.02%,但氨氮的去除量变化不大,都在25 mg·L-1左右;另外,N2O产生量受进水NH4+-N冲击较小,在4个不同的进水NH4+-N浓度下,典型周期N2O产生量分别为3.019、3.489、3.271和3.490 mg·m-3,而且N2O释放速率都在0.004 5 mg·(m3·min)-1左右.同步硝化反硝化型颗粒污泥系统的好氧阶段和缺氧阶段均有N2O产生.不同的NH4+-N浓度冲击下,同步硝化反硝化型颗粒污泥系统对NH4+-N的去除量没有变化,但由于进水NH4+-N浓度的提高引起系统脱氮率显著下降.     

河岸缓冲区氮素截留研究进展

河岸缓冲区对氮素的有效截留以阻止其进入河流已得到广泛的认可,是美国资源局所认可的一种最佳管理措施。总结河岸缓冲区中氮素截留的主要机制、影响因素及缓冲区的管理原则。最主要截留机制为反硝化作用与植物吸收,相应的最主要影响因素是缓冲区的水文特征。为达到较好的氮素截留效率,必须重建退化的缓冲区、保护缓冲区的完整性与不受干扰,并与其他流域管理措施相结合。     

赤泥强化型河岸带模拟系统对再生水中磷去除效果的研究

为了探讨不同比例赤泥施入量对再生水磷去除效果的影响以及植物在再生水净化过程的作用,利用赤泥中富含钙、铁、铝等金属氧化物对磷具有较强吸附性能的特点,构建了室内赤泥强化型河岸带模拟系统.结果表明,赤泥最适施入质量分数为2.5%～5.0%,此时TP去除率为82%～76%,出水磷浓度约为0.22～0.29 mg/L,SRP/TP比值为74%～75%.当赤泥施入量为2.5%时,相比无植物系统,有植物系统的磷净化效率提高了4%,约为86%,出水磷浓度为0.17mg/L.这些结果表明赤泥可以适当比例直接掺混于河岸带的土壤中,这为其提高对再生水中磷的去除能力提供了一种新途径.     

河岸带中荆三棱的生长特性及其腐烂规律研究

为了了解在河岸带生态恢复中植物的生长及其作用,在中试规模上对河岸带中的荆三棱进行了1 a研究.荆三棱在不同水深区域的生长高度与密度表明荆三棱对水深的耐受性不强,更适合于在浅水域生长.秋季收割与不收割的对比表明秋季收割有利于荆三棱第2年的生长与发芽.荆三棱生物量及其中的N、P在地上、地下的分布表明地下荆三棱的生物量比地上多大约55％,地下荆三棱生物固定的N、P总量分别大约比地上荆三棱生物固定的N、P总量多50％和126％.在河岸带通过收割荆三棱可以分别带走荆三棱所固定的全部N、P的40.5％和30.6％.地上荆三棱经过130 d的浸泡,其重量损失率有27.10%, TN、TP的损失分别为40.80%和76.80%.浸泡植物释放出的污染物基本没有积累现象.     

生物炭添加对太湖滨岸带土壤氮矿化和淋失特征的影响

滨岸带土壤的氮矿化改变了氮元素的迁移和利用效率,与水体富营养化控制息息相关,而土地利用导致的土壤性质差异使得氮的固持和运移能力不同.因此,以太湖西部沿岸3种土地利用类型的土壤(林地、草地和耕地)为研究对象,通过培养实验和土柱淋溶实验,探究不同生物炭添加(0％、1％和5％)条件下滨岸带土壤氮矿化量的动态变化和淋失特征.结...     

奎河河水入渗对河岸带地下水氨氮和硝酸盐氮浓度的影响

为研究不同水文期河水与河岸带地下水的水量补给关系,以及河水中的氮污染物对河岸带近岸地下水水质的影响,选取了安徽省宿州市杨庄乡的奎河断面作为研究对象,基于氢氧同位素示踪技术、末端元混合模型、Pearson相关性分析和多元线性回归方法,分析河水、上游潜水等补给源对近岸含水层的ρ（NH₄+-N）和ρ（NO₃--N）的影响,并构建河岸带地下水氮浓度预测模型.结果表明:①平水期至丰水期期间河水与地下水的补给来源主要为大气降水,河水始终补给河岸带地下水,其中,河水对潜水层及弱承压层的补给率分别为10.87%~49.74%和0~19.78%.②空间分布上,ρ（NH₄+-N）和ρ（NO₃--N）均表现为河水>近岸潜水>近岸弱承压水,且在地下水中均呈现由河流向两岸递减的关系.③近岸潜水层与弱承压层的ρ（NH₄+-N）均随着河水和上游潜水ρ（NH₄+-N）贡献量的增加而升高,近岸潜水层的ρ（NO₃--N）随着河水和上游潜水ρ（NH₄+-N）贡献量的增加而升高.④相比于ρ（NO₃--N）,多元线性回归模型更能准确地预测近岸潜水层与弱承压层ρ（NH₄+-N）在ORP、ρ（DO）、河水ρ（NH₄+-N）贡献量,以及上游潜水ρ（NH₄+-N）和ρ（NO₃--N）贡献量综合影响下的变化趋势.研究显示,河水与上游潜水的线性混合是造成河岸带地下水氮污染的重要途径,河流氮污染防治措施将为河岸带地下水水质提供重要保障.      

三峡库区淹没消落区土壤氮素形态及分布特征

利用分级浸取分离法对三峡水库腹心地带(巫山-重庆主城区段)淹没消落区土壤中的不同形态氮含量进行了测定,并对各形态氮之间及氮形态与土壤理化特征之间的相关性进行了分析.结果表明:研究区域内,淹没消落区土壤全氮(TN)含量在676.0~1769.7 mg·kg^-1之间,均值为1182.3 mg·kg^-1,TN主要由可转化态氮(TF-N)和非可转化态氮(NTF-N)组成,占TN的百分比分别为46.3%、53.7%;消落区土壤中TF-N组分在适宜的环境条件下会成为水体的二次污染源,其对水体富营养化的影响不容忽视.淹没消落区土壤弱酸可浸取态氮(WAEF-N)、有机态和硫化物结合态氮(OSF-N)在TF-N中占的比例较高,分别为47.3%、33.9%,表明WAEF-N和OSF-N直接影响着淹没消落区土壤TF-N的含量;从各形态氮含量及相对含量的变化范围来看,均表现为WAEF-N>OSF-N>铁锰氧化态氮(IMOF-N)>离子交换态氮(IEF-N).相关性分析结果表明,TN与NTF-N的相关性显著(p<0.01),与IMOF-N及OSF-N含量之间也具有显著相关性(p<0.05),表明TN的增加主要来自NTF-N,其次是IMOF-N及OSF-N;TF-N与WAEF-N、OSF-N之间显著正相关(p<0.01), 与IMOF-N也具有显著相关性(p<0.05),表明TF-N的增加主要来源于这3种形态的氮.TN与有机质(SOM)之间显著正相关(p<0.01),TF-N、OSF-N与SOM之间也呈正相关关系(p<0.05),表明它们可能具有相似的来源或SOM的输入对消落区土壤氮形态的分布有一定的影响.     

三峡消落带适生植物根系活动调控土壤养分与细菌群落多样性特征

植物通过根系分泌修饰根际土壤微环境.从植物根系-土壤-微生物三者密切关联的根际土壤微环境角度,研究三峡消落带植被修复重建后根部土壤微生态动态特征,对于认识和评估消落带退化土壤环境的生态修复工作具有重要意义.从三峡库区忠县石宝寨汝溪河消落带植被修复示范基地采集人工植被中4种优势植物落羽杉(Taxodium distichum)、立柳(Salix matsudana)、狗牙根(Cynodon dactylon)和牛鞭草(Hemarthria altissima)的根际与非根际土壤,探究其根际与非根际土壤的养分含量与酶活性差异,同时通过高通量测序进行细菌群落多样性分析,以阐明三峡消落带不同物种逆境胁迫下的生长适应性以及养分利用策略.结果表明:①三峡库区消落带4种适生植物根系活动导致根际与非根际土壤养分含量产生显著差异,主要表现为根际土壤有机质、全氮、碱解氮以及有效磷的显著富集,而钾素在不同物种间的根际效应变化趋势并不一致;②蔗糖酶、脲酶以及酸性磷酸酶在4种适生植物中均表现出正向根际效应(R/S>1),但由于不同物种生理特征的差异,不同物种根系活动对3种土壤酶的激活效应存在差异;③高通量...     

水位变化对湖泊(水库)消落带生态环境影响的研究进展

消落带是水域生态系统与陆地生态系统的交替控制地带,具有生物的多样性、人类活动的频繁性和生态系统的脆弱性等特征。水位变化是影响湖泊特别是湖泊消落带生态系统主导因素,水位变化的频度、大小、持续时间等因素对消落带水-陆交换过程有重要的影响。本文回顾了近年来水位变化影响研究的基本概况,分析了水位变化对消落带物理因子、植物、动物、生物地球化学过程的影响,并讨论了国内外的研究趋势以及存在的问题。     

水位波动和植被恢复对三峡水库消落带土壤原核微生物群落结构的交互影响

水库消落带是典型的生态脆弱敏感区.水位波动是影响消落带土壤环境的主要因素,植被恢复是消落带土壤保育的重要手段.然而,在水库消落带中,水位波动和植被恢复对土壤微生物群落结构的交互影响尚不清楚.为此,选取三峡水库消落带中不同水位高程的撂荒草地和人工林地为研究对象,利用16S rRNA高通量测序技术探究土壤原核微生物群落组成和多样性,并探讨驱动土壤原核微生物群落结构的主要环境因子.结果表明,消落带的低水位高程中土壤原核微生物α多样性最高,其中163 m高程的Pielou_e指数、Shannon指数和Simpson指数显著高于168 m高程,Chao1指数和Shannon指数显著高于173 m高程.但撂荒草地和人工林地的土壤菌群α多样性并无显著差异.同时,水位波动和植被恢复均对土壤原核微生物的群落组成产生显著影响,不同样地中生物标志物类别具有明显差异.值得注意的是,植被恢复模式差异对土壤原核微生物群落结构的影响强于水位波动.此外,层次分割结果显示土壤pH是三峡水库消落带土壤原核微生物群落结构变化的主要驱动因子.以上结果可深化对水库消落带土壤微生物群落结构的认识,并为水库消落带生态系统的恢复重建提供科学参考.     

三峡库区消落带落羽杉人工林土壤细菌群落结构多样性及动态变化

消落带是连接陆地与水域的交错地带,具有重要的生态功能,其适生木本植物的种植对消落带土壤的生物地球化学循环起着重要的作用.为探究适生植物对三峡库区消落带环境的适应机制,采用高通量测序技术对消落带退水后适生植物落羽杉(Taxodium distichum)不同生长时期(T1:5月、 T2:7月和T3:9月)的土壤细菌群落组成及多样性进行研究,同时采用PICRUSt2对细菌功能进行预测.结果表明,土壤pH值、硝态氮、铵态氮、土壤蔗糖酶、磷酸酶和脲酶等理化指标随时间变化显著(P<0.05);土壤细菌多样性、丰富度和结构也随时间变化而变化,除Chao1以外,根际土壤细菌的α多样性均表现为：T1>T2>T3,非根际土壤细菌α多样性则表现为：T3>T1>T2. RDA分析表明,影响细菌群落的理化指标主要有土壤pH值、脲酶、铵态氮和硝态氮.所有土壤样本中共检测到细菌60门,其中以变形菌门和酸杆菌门为优势细菌门.根据PICRUSt2预测,代谢是落羽杉土壤细菌群落中普遍存在的基本功能,与C、 N和P有关的各代谢途径存在一定的时间差异.以上研究结果有助于加深对三峡消落带植被修复...