上海城市河岸带土壤反硝化作用研究

发布时间：2020-05-25 06:29

【摘要】：河岸带被认为是去除进入水体(河流、湖泊)N03-的有效“汇”,是截留转化陆源污染物,防止其进入水体的重要屏障。河岸带去除氮(N)素的机制主要有植物吸收、反硝化、微生物固定等方式,其中反硝化作用能将大部分N素永久性去除,被认为是阻止外界N03-进入河流水体的最有效途径。城市河岸带由于受到人类活动的强烈影响和改造,区别于农村、郊区河岸带,土壤的反硝化过程有着其自身的特点。在环境保护部“国家重大水专项”课题、国家自然科学基金项目“沿海城市河岸带氮素截留效率和转化机制研究”和上海市科学技术委员会学科带头人项目“城市河岸带对面源营养盐的生态阻控机理研究”等的支持下,本研究以上海市城市河岸带为主要研究对象,运用多学科(自然地理学、环境地球化学、生物地球化学、环境科学与工程)等综合研究手段,具体采用野外观测、实验室分析和室内模拟相结合的方法,系统研究了上海市河岸带土壤的反硝化速率的时空变化和垂直分布特征,并探讨环境因子对反硝化速率的影响；研究了不同植被类型下土壤反硝化速率的特征差异；通过室内因子模拟实验进一步分析了河岸带土壤反硝化的主要影响因子；初步估算出上海市河岸带土壤由于反硝化作用的N素年平均去除速率。主要结论包括以下几个方面： (1)上海城市河岸带土壤的反硝化速率变化范围是0.07～33.23ngN2O-N·g-1·h-1,由于反硝化作用而产生的年平均N素去除速率为27.51mgN2O-N·kg-1·y-1。从时间角度来说,夏季8月份的平均反硝化速率最高,为6.63ngN2O-N·g-1·h-1;春季4月份和冬季12月份都较低,分别为0.74ngN2O-N·g-1·h-1和0.75ngN2O-N·g-1·h-1。从空间点位来说,农田背景下(PD、JD)的河岸带土壤反硝化速率要高于灌丛(JS、CM)、草地(QP、MH、PT)等植被类型,JD采样点平均反硝化速率最高,为5.10ngN2O-Ng·g-1·h-1, QP采样点平均反硝化速率最低,为0.87ng N2O-N·g-1·h-1。 (2)从垂直分布特征来看,所采集的2-5cm、12～15cm、22～25cm、32～35cm深度的土壤中,表层2-5cm土壤往往具有最大的反硝化速率,且反硝化速率随着土壤深度的增加而逐渐降低。综观上海全年各采样点不同深度平均反硝化速率,表层至底层分别为4.18ngN2O-N·g-1·h-1、2.26ngN2O-N·g-1·h-1、2.19ngN2O-N·g-1·h-1和1.61ngN2O-N·g-1·h-1。表层2-5cm脱N能力占到了整体的41%,其它三个层次脱N能力分别占到22%、21%和16%。 (3)不同植被类型土壤的反硝化速率存在明显差异性。高灌丛、低矮灌丛、草地三种的土壤反硝化速率平均值分别为0.76ngN2O-N·g-1·h-1、0.93ngN2O-N·g-1·h-1、0.54ngN2O-N·g-1·h-1,矮灌丛的平均脱N能力最高,草地则最低,这与上海整体范围内不同植被类型河岸带调查结果一致,均是草地河岸带土壤反硝化速率水平最低。 (4)相关性分析表明,上海城市河岸带土壤反硝化速率与温度、提取态氨氮(NH4+)、提取态硝氮(N03*)含量均呈现正相关关系(p0.01),与含水率呈明显负相关关系(p0.01)。而与pH值、土壤有机碳(SOC)、土壤总氮(STN)、C：N无相关关系。 (5)上海市河岸带土壤培养温度变化于8～30℃,冬春低,夏秋高；土壤pH值在6.70～8.39之间,总体处于中性偏碱水平；土壤含水率在11.58%～60.38%的范围内变化,冬春高、夏秋低；SOC、STN变化范围介于0.22%～2.23%和0.03%-0.18%之间；土壤C：N比的范围是5.69～27.11,平均值为9.84；河岸带土壤提取态NH4+、NO3-含量分别变化于0.03mgN·kg-1～3.98mgN·kg-1和ND～7.03mgN·kg-1,其中QP、MH采样点提取态N03-十分低,甚至超出检测下限。 (6)上海市河岸带采样点PD、JS、JD平均N03-浓度分别为0.68mgN·kg-1、1.31mgN·kg-1、1.33mgN·kg-1,相对来说N浓度较高；而QP、MH、CM平均N03-浓度为0.12mgN·kg-1、0.21mgN·kg-1、0.21mgN·kg-1，N浓度水平相对较低。对于N浓度水平相对较高的城市河岸带(PD和JS),反硝化速率和N03-浓度呈现出显著线性相关关系；对于N浓度水平相对较低的河岸带系统,土壤反硝化速率明显低于其它河岸带,N03--N含量成为制约土壤反硝化速率的主要限制性因子。 (7)对NO3-限制性河岸带系统(QP、MH、CM)在实验室内进行不同入水N03--N浓度的影响模拟表明,原位土壤在自然状态下,没有N03--N输入时,河岸带土壤反硝化过程均处于很微弱的状态；有外源N03--N输入情况下,反硝化速率明显升高,并且温度越高反硝化速率增高幅度越大,模拟实验过程中QP、MH和CM三个点位均在8月份出现了最大反硝化速率,进一步表明温度和N03--N含量是制约河岸带土壤反硝化速率的两大主要因素,两者缺一不可。 (8)可控因子的实验室影响模拟表明：上海市河岸带土壤反硝化过程发生的最佳温度范围为25～35℃,在温度达到40℃以上时,反硝化过程就发生抑制；河岸带土壤反硝化潜力需要一个最佳含水状况,当土壤含水率为25%左右时,反硝化速率出现峰值,含水率过高或过低均能够抑制反硝化过程；NO3--N添加能够明显提升土壤反硝化潜力,但当NO3--N浓度过高时则会对反硝化过程产生抑制；NO3--N添加之后,各时间序列中24h时刻出现了最大反硝化潜力；不同碳(C)源类型对上海河岸带土壤反硝化潜力的影响模拟表明葡萄糖对反硝化潜力提升最为有效,但其被微生物利用发挥作用历时较乙醇和乙酸钠长。甲醇作为只有一个C原子的C源类型,其对反硝化的短期促进作用十分有限；乙醇和乙酸钠这两种C源对河岸带土壤的促进作用则介于葡萄糖和甲醇之间。 (9)上海城市河岸带土壤反硝化潜力巨大,若河岸带的脱N潜力被充分发掘之后,将能在很大程度上缓解城市面源污染中的N素负荷。
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：S153;X144

【参考文献】