农业径流人工湿地的反硝化作用研究Word文件下载.docx
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在农业系统中，农作物对氮肥的使用率只有40%-60%，其余的或者进入了土壤有机质，或者发生反硝化作用，或者作为径流进入了地下水（科菲1997）。
针对日益恶化的水质问题，提出了一些改善方法，这里包括修建森林河岸缓冲区和建设湿地来促进营养物的去除（卡德莱茨和骑士1996，Franklin等人。
2000）。
位于河流附近的湿地和河口被作为重要改善非点源径流的措施。
湿地可以临时和永久性的把氮沉积下来所以可以作为生物地球化学系统（Kadlec和骑士1996）。
通过两个主要生物水生生物和底栖微藻可以除去湿地中的氮，但是这种方法是暂时性的。
只有通过反硝化作用进行的脱氮才是永久性的。
反硝化作用是通过兼性厌氧性细菌是把NO3和NO2转换为N2O和N2（诺里斯1990）。
因此，反硝化作用是湿地氮循环的一个重要组成部分，因为它减少了下游水体的氮负荷量。
到目前为止，许多研究都集中在人工湿地处理城市污水和农业养殖污染方面。
然而，很少研究人工湿地改善农业径流水质的能力（菲普斯和克拉普顿1994，薛等人。
1999）。
人工湿地接收到得农业径流和畜禽养殖废水相比有很大差异。
湿地接收的农业径流通过施肥的时间和降雨量来展示生物地球化学和径流季节水文变化。
不同的污水，湿地的负荷量不同，农业径流氮、磷的负荷量高，而有机物的负荷量少。
很少有研究探讨湿地反硝化速率的短期变化（乔伊和Paerl的1993年，汤普森等人。
1998年）。
由于需要重建沿海湿地的需要，了解控制这个生态系统的养分循环是十分重要的。
在人工湿地中反硝化作用是很关键的，因为它直接控制着脱氮的情况。
1999年,Bachand和Horne2000年,凯西等等杨建军。
2001）。
人工湿地中通常是通过反硝化作用来进行脱氮的，但是这个假设只是一种推测（Crumpton丁晓萍。
1993）。
测量反硝化作用的脱氮情况有一定的困难，常见的问题是难以保证准确率和确定影响反硝化作用的变量有哪些。
很少有数据直接反应了反硝化作用的氮负荷量和人工湿地的反硝化能力。
（菲普斯1994和克朗普顿）。
此外，人工湿地反硝化作用脱氮的影响因素是有限的，这些控制因素包括溶解氧浓度，硝酸盐浓度，有机物浓度，温度和植被覆盖率等等。
虽然有无数的研究都是关于人工湿地反硝化作用去除氮方面的，但是由于方法的差异，以及时空的限制，使得湿地间的研究存在一定挑战。
质量守恒法和乙炔抑制技术是衡量反硝化作用最广泛的使用方法，其次是利用薄膜进样质谱仪对N15进行示踪原子法。
通过内部氮循环的情况利用质量平衡法来估计反硝化作用的速率。
例如,据估计，人工湿地平均每去除64%的总含氮量，湖泊可以去除34%，河流可以去除2%。
这些平衡法可以有效确定湿地对氮的去除率。
虽然这样子的做法可能适合大范围的氮循环系统之间的比较,但是不能作为控制氮含量，保证生态系统长期健康的目标。
对于反硝化作用的速率研究，AIT是一个简单和常用的的方法，但很有可能会低估许多系统中反硝化作用的速率。
实验中使用N15示踪法衡量反硝化作用是复杂的，主要是难以完成对N15O3-andN15H4+的标记。
MIMS法目前被用来估计不同系统中的氮/氩比率，它的优点是可以直接测量氮的去除率，而不需要另外添加氮。
这项技术的缺点是它的平衡是反硝化作用产生的溶解氮和由氮气固定脱去的溶解氮之间的平衡。
本研究采用MIMS方法来确定农业径流通过人工湿地发生反硝化作用后的除氮效果。
具体来说，重点是研究时间和空间的变化对除氮效果的影响，为了更好的了解环境因素对氮去除率的影响。
科学家们建立人工湿地是十分重要的，通过人工湿地量化和了解氮循环，寻求建立长期改善水质的生态系统。
地点描述
人工湿地位于美国东部北卡莱罗纳州的OFG农场，这个农场面积约18220公顷，包括约有5000公顷玉米5000公顷大豆和1600公顷棉花。
主要的施肥是尿素，硝酸铵，和28%的N溶液。
一部分农业径流流入小溪河流，沿海平原河口和纽斯河河口支流。
占地约五公顷的人工湿地接收971公顷田地的农业径流。
湿地的设计目的是最大限度的通过反硝化作用去除营养物和病原沉积物。
共设计了16块湿地，每个面积为30*20米，相邻的是深30厘米的同等大小的池塘，三个额外的湿地位于湿地两端之间的行1和2，3和4，5和6，共有19个湿地。
该湿地是1999年的春天通过改造现有的沉淀物的沉沙池得到的，通过调查海拔相邻的天然湿地建造了该人工湿地的直通系统，间歇性湿地池设计用来试图最大限度地发挥潜力，持久性的脱氮。
使用这种设计，我们设法增加溶解氧浓度，沉积物的面积，增加水的停留时间，但不会增加海拔的湿地的细胞。
土壤中含有氢，优质的沙质土中含有丰富的生物。
在1999年的夏天，在该区域种植了四种原生植物物种，包括互化米草，大米，罗斯幼枝，灯芯草。
通过反硝化作用之间的差异来研究不同单元格中天然植物的演替，进入湿地后要通过蜿蜒的道路才能到达出口，水的流动率取决于降水，风速和方向。
方法
水质监测
在该区域的入口和出口进行取样，ISCO采样器都装有速度模块，可以记录水流速度和水位差，该仪器可以记录温度,溶解氧、酸度、电导率。
每0.5小时测得一个数据，每两个月进行一次汇总。
在2001，三分之一分类取样器驻扎在2池收集生理数据，同时附加了一个有关探空仪。
对每二周数据高于24的农场沟流域、入口、20个池塘内湿地、出口、和下游河口区域，采集水样进行营养分析，当湿地被水淹没时，集合地点除了湿地减少至八个池塘内四个上游和下游的区域以上为止。
在高流量期间，分类采样器（通过编程速度设定点）在5000和10000立方米之间的间隔中收集水样，用于解决6厘米以下降雨产生的营养负荷问题。
将所有水样用石墨/玻璃纤维过滤器（25毫米）进行过滤，然后通过硝酸二氧化氮分析仪。
进入流域的氮源主要来自肥料和大气沉积，每一年进行一次无机汞和总氮的量化。
通过记录OFG湿地的施肥情况来确定其氮含量，同时在该湿地建立国家大气沉降程序的数据库。
用辅酶数据库中无机氮值乘以30％来估算ADN的有机值含量，通过化肥和进入湿地的外部氮源的总氮含量来确定湿地的氮负荷。
通过每月两次高流速的平均值和0.5小时记录的速度和营养浓度来计算流入和流出湿地的氮负荷量，每个月对氮负荷进行总结。
如果有一天进口或出口的数据无法提供时，那么这两个地点的数据都将被舍去。
通过日负荷的总和来计算月负荷。
这个被定义为氮去除率，用百分数表示。
反硝化作用
2000年的5月至12月和2001年的4月至11月进行反硝化作用的监测，收集6*20cm的沉积物，对每个湿地单元进行采样，随机抽取三个湿地的沉积物，并取一个做空白试验，19号湿地的样本被分为六个部分，三个非植物细胞（1,7,14）和三个灯芯草细胞（2,6,16），共为18和六个空白水（图2）。
控制其中六个测量地点，应选择灯芯草细胞，因为它们有极旺盛的生命力，一旦收集，用橡胶塞进行密封，放置于聚氯乙烯瓶中。
从每个采样点进行水样搜集然后通过电流泵，返回后，在实验室中把核心物中的核心去掉，把它放入特定的水槽中保持恒温（20–28C）.用空气泵对核心持续充氧18小时，在这期间，要使用冷却器使温度保持在10-20度，把核心放在有温度控制的实验室中进行培养，在实验开始阶段，用搅拌棒在核心物上部进行搅拌，把核心管放置在离心机上，转速为14，为了不破坏地表水的表面沉积物，在6个小时的实验中，在实验开始和每间隔2小时，平行取样三个，进行MIMS分析，在进气口，由于重水的作用，水样被取代，在实验过程过程中，每一个核心的总体样本水量不得超过总水量的15%以上，预先给核心盖上盖子，在每一个核心物中吸取50毫升水样，过滤，降温后进行营养分析，在以下的实验中，在每个养分分析的核心中都吸取50毫升的水样。
硝酸盐的浓度会影响反硝化作用的速率，此外取样湿地前后的降雨情况同样也会影响反硝化作用，在2000年10月和2001年8月进行硝酸盐实验，在实验前至少1-2小时盖上核心物，加入NaNO3浓度为0.7--10.5mg/l的硝酸盐，为了减少湿地的变异性和保证硝酸盐实验的准确性，每天在同一个湿地1平方米的面积上收集16个核心物，在2000年7月，2001年4月和2001年6月，从三个不同地方的降雨情况，分析了影响硝酸盐浓度的因素。
在这些事件中，从两个灯芯草细胞（细胞2,6）和一个无植物细胞（细胞7）中收集核心。
让氮气通过薄膜进样质谱仪，比较水样中氮气，氩气和氧气的精度，氩是衡量氮气和氧气变化的示踪原子，MIMS主要采用硅胶膜界面控制水流量和干扰气体。
MIMS方法测得的是净溶解气体流量，而不能具体测量消耗和生成了多少氮气，在这项研究中，反硝化作用被定义为从沉积物中释放出的净氮气流量。
从三个复制的核心中通过氮浓度的改变来计算反硝化作用，潜伏期为6小时，防止消耗超过25%-30%的初始氧浓度，三个样品用MIMS法进行分析，用24个样本和恒温水对仪器进行校准，每月计算出反硝化作用除氮量，通过在实验室培养的核心物来测量反硝化速率，通过核心物植物细胞的速率来推测踪总体速率，在第4排没有反硝化作用的数据，是通过第3排和第5排的数据平均得到的，在进行数据的正确性和均匀性分析之前，要进行方差分析和线性回归分析。
结果
物理和化学参数
湿地的盐度范围为0-10个百分点，平均为1.3个百分点。
有大量的昼夜和季节变化，平均为8mg/l,介于0-13mg/l,全年水温4-34度，夏季和冬季的平均水温分别为26度和12度，pH值平均为6.9。
氮是在肥料中十分重要，每满一年对AND进行一次研究，在2000年，运用氮肥较低的豆科植物，估计有13%的总氮进入流域，在2001年，种植玉米需要的氮肥比豆科植物多，估计只有2%的总氮进入了流域，每年进入湿地的肥料和AND只有很小比例的总氮进入流域。
导入和导出湿地的溶解无机氮的总负荷如图32000年5月-2001年11月，总量的负载，85%以NO3和NO2的形式存在，其余的为NH4+，在这期间离开湿地的AND由75%的NO2和NO3和25%的NH4+组成，总共加载的DIN，有53％的二氧化氮、硝酸和3.5％的NH4被去除。
2000年10月，因维修原因，数据无法进行收集。
每月对湿地进行两次硝酸盐浓度的测量，在整个研究过程中，高强度的降雨过后，要进行更密集的监测。
湿地中亚硝酸盐/硝酸盐的浓度范围从不到21.0毫克，越是出口的位置，养分含量越低，这里不包括强烈的东北季风造成水流反向流动和营养丰富的水通过出口进入。
2000年春季和夏季，因为湿地周围领域，种植大豆没有施加氮肥，所以NO2+NO3的浓度低于0-1.0mg/l,从2000年的秋季开始施肥，同时2001年4，5月的降水使富含硝酸盐的径流进入了湿地，2001年6月，由于化肥泄露的原因，导致高浓度的无机氮进入了湿地。
时空变异性
总氮去除率减去湿地进出口的氮去除率，部分通过反硝化作用去除的氮如图5.2000年12月-2001年3月由于对MIMS的修理，缺乏反硝化作用的数据。
通过2000年5月到2001年8月的数据计算出了总氮去除率和反硝化作用的氮去除率，这段时期湿地的氮负荷为2.9*103kg，其中91%以NO2+NO3的形式存在，9%以NH4+的形式存在，NO2+NO3的负荷，59%被直接去除，13%通过反硝化作用去除，2000年德脱氮率为10%，2001年的脱氮率为16%。
反硝化速率和温度呈正相关关系，2000和2001年6月的反硝化速率高点分别为3.9+-0.7mgNm_2h_1和9.2+-2.7mgNm_2h_1，2000和2001年的最低点分别为0.7+-0.07mgNm_2h_1和0.7+-0.2mgNm_2h_1。
降雨前后的反硝化速率变化和硝酸盐浓度的相应变化如图6，降雨过后，反硝化速率明显提高，在每个时期，硝酸盐浓度的柱状图至少增加2.8mgL_1，湿地的硝酸盐负荷量最大的时候2001年6月，浓度超过21mg/l,原因是上游农场的肥料流入湿地，经过抽样调查，反硝化速率的平均值为19.6+-6.3mgNm_2h_1,比降雨前大了5倍。
湿地的反硝化速率和硝酸盐的浓度有关系，例如，2001年8月，细胞1–2,6–7,14–16的硝酸盐浓度有显著的差异，入口处细胞1和2浓度为2.9mg/l，细胞6和7浓度为1.1mg/l,出口处细胞14和16浓度为0.3mg/l,反硝化速率同样也是这种趋势。
此实验研究了反硝化速率和硝酸盐浓度的关系。
结果显示它们有一定的相关性，通过另外的实验来计算反硝化速率的动态平衡，饱和速率是10mgNm_2h_1。
讨论
在这项研究中，监测了湿地中氮的保留和去除，反硝化作用在除氮方面作了很大的贡献，建立湿地是为了更好的进行反硝化作用，在硝酸盐浓度低的时候，湿地的反硝化作用会发生脉冲回应，这是一个至关重要的功能，在大型降雨过后会有大量的氮流入湿地，此时的湿地起到了一个营养过滤器的作用，最佳的管理方法是，少给农田和土壤施肥，减少进入湿地的氮肥料，这些数据表明，建造湿地，结合最好的管理做法，可以有效地增加农业径流的质量。
湿地的脱氮就像组合的脱氮，植物和藻类发生同化作用固定在土壤有机质中或进入地下水。
使用质量平衡的方法，进入湿地的DIN就不会离开湿地。
硝酸盐是湿地中大部分的氮负荷，通过它可以计算湿地中氮的去除量。
在研究期间，湿地通过反硝化作用去除的硝酸盐比例有所增加，湿地的持续发展和建立，就像一个稳定的有机物池，通过回收的氮来一直使它保持饱和的状态，湿地作为一个除营养物的工具，提高反硝化作用的时间是十分重要的。
硝酸盐的浓度往往对应着反硝化速率的空间变化，在出口处往往减少，生物除氮和反硝化作用会导致湿地中的硝酸盐浓度减少，反硝化作用是湿地氮循环系统的一个重要组成部分，在降雨前后进行采样抽查，结果显示在DIN高负荷的时候，反硝化速率增加了1-4倍，反硝化速率的增加可以回应硝酸盐的脉冲，实验证实了除硝酸盐之外，我们计算的ks值也和硝酸盐含量相似，低亲和力的反硝化细菌不会受硝酸盐浓度的控制，湿地中的反硝化细菌会回应高负荷的DIN的反硝化速率。
在两年研究中，湿地反硝化作用的最大速率在夏天最小速率在秋天，在其他研究中发现也是同样情况，湿地中夏季温度在20-25度的时候反硝化作用去除DIN是最有效的，说明了在秋冬季节，温度低于15度的时候，会限制微生物的活动和气体的扩散。
虽然该湿地建设的时间不长，但是我们希望它能长时间的控制脱氮，进一步研究反硝化作用的进展。
构建湿地可以去除更多的氮，水生植物能够增加沉积物中的溶解氧浓度，可以促进微生物的反硝化作用。
本研究中的反硝化速率类似于其他湿地，每月监测到的灯芯草和植物的平均数据与本研究相似，汤普森等人发现了位于湿地下游的灯芯草的平均电位数据。
在目前研究的人工湿地中，AIT法和N15示踪法都能够很好的测量反硝化速率。
同样的，我们要把测量数据和计算数据进行对比，后来发现，碳的积累可能会导致反硝化速率的改变。
总结
本研究结果表明，构建湿地能够有效降低农业径流中的硝酸盐浓度，反硝化作用在建立氮去除系统中是十分重要的，添加硝酸盐在降雨后进行抽样分析，结果表明，如柱状图表显示随着硝酸盐浓度的增加，反硝化作用也发生相应的变化，地点和季节性的温度变化都会导致DIN浓度的变化，这些都会影响反硝化速率。
这项研究显示出了湿地中反硝化作用时空变异的重要性。
了解了反应速率和反应机制，能够估计人工湿地的除氮能力，并确保人工湿地长期的脱氮效果。
致谢
作者忠心感谢提供开放合作的农场。
非常感谢乔西拉夫丁和paer及其提供的实验室，以及两位匿名评论人对该论文的修改。
这一项目的资金来自于清洁水管理信托基金，运输中心与环境奖学金，和美国环保局等，由于该研究描述的是美国地区环境保护署的STAR计划，它没有受到任何环保局的审查，因此不一定反映该机构的意见，该机构也并没有正式认可这方面的推断。
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