水生态修复工程技术要素

水生态修复工程技术要素

一、摘要

近年来，为了减轻有害藻华，许多湖泊通过减少外部氮（N）负荷，显著降低了氮浓度。然而，人们很少注意到湖泊氮去除效率与水质改善之间的关系，尤其是在氮浓度降低时脱氮速率（DNR）的变化。为了解在水质改善下氮去除的效率及其对太湖氮控制目标的影响，本研究基于原位实验结果开发了一个脱氮模型，并利用2007—2022年的长期水质和气象观测数据来估计DNR，并将其与湖泊氮去除量（ANR）联系起来。

经研究发现，太湖总氮（TN）浓度从2007年的3.28 mg/L到2022年下降到1.41 mg/L，并表现出空间异质性。年度平均DNR从45.6 μmol /m² h下降到4.2 μmol /m² h，ANR从11.85×10³ t/yr下降到1.17×10³ t/yr。氮预算分析表明，2007年脱氮去除的氮量占外部负荷的23.3%，但到2022年仅下降到4.0%。因此，随着水质的改善，内部氮循环去除氮的贡献显著减少。值得注意的是，由于气候变暖，冬季ANR占总ANR的比例从2007年的14%增加到2022年的23%。这可能导致春季和夏季氮缺乏，从而限制浮游植物的氮可用性。春季湖中TN浓度小于1.0 mg/L，流入湖区的TN浓度小于1.5 mg/L，有助于控制太湖蓝藻的局部氮限制。本研究揭示了氮去除效率随水质改善而下降的一般规律，这对富营养化湖泊的氮管理具有指导意义。

二、引言

由于人类活动，氮磷过量富集，增加了富营养化和有害藻华风险，导致水生生态系统恶化。卫星观测显示全球湖泊藻华增加，超富营养化湖泊中氮限制更频繁。大量证据证明氮在湖泊生物量生产和蓝藻毒素生产中的关键作用，因此水生生态系统中的 氮受到广泛关注。淡水湖泊是活性氮的有效汇，水—沉积物界面是反硝化的“热点”。太湖是中国第三大淡水湖，一直遭受藻华困扰，实施氮和磷的双重削减后，氮浓度下降更显著，但氮去除效率的贡献和动态仍不清楚。本研究基于实验结果建立反硝化模型，旨在描述太湖氮浓度和组成的动态，表征 DNR 和氮去除量的时空变化，探讨氮浓度、外部负荷、湖泊氮去除量与未来氮减排努力预期趋势之间的关系。

三、主要研究结果

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太湖不同区域的氮浓度显著下降

从2007年到2022年，太湖的总氮（TN）浓度经历了显著下降，从3.28 mg/L降至1.41 mg/L，这一变化反映了太湖整体水质的明显改善。同时，溶解态总氮（DTN）的浓度也从2.44 mg/L降至0.83 mg/L，下降幅度达到66%。此外，硝酸盐浓度也从2007年的0.76 mg/L降至2022年的0.22 mg/L，减少了71%。氮浓度下降的主要驱动因素包括外部负荷的减少和内部氮循环的调整。流域管理措施，如限制农业化肥使用、实施最佳管理实践和加强污水处理厂的处理效率，显著减少了流入湖泊的氮负荷。同时，湖泊内部氮循环过程的调整，如沉积、脱氮和厌氧氨氧化，也在氮浓度的下降中发挥了重要作用。值得注意的是，不同区域的氮浓度下降趋势存在空间异质性，梅梁湾（MLB）和茆山湾（ZSB）区域的TN浓度下降最为显著，而东太湖湾（ELB）区域的下降幅度最小。

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脱氮速率和氮去除量显著下降

研究期间，太湖的年均脱氮速率（DNR）从2007年的45.6μmol/ m² h下降到2022年的4.2 μmol/ m² h，减少了91%。相应地，通过脱氮去除的氮总量（ANR）也从2007年的11.85×10^3 t/yr下降到2022年的1.17×10^3 t/yr，减少了90%。这些数据表明，随着氮浓度的下降，氮去除效率也在降低。

这一显著下降趋势的可能原因包括：

• 氮浓度的下降：随着外部负荷的减少和内部氮循环的调整，太湖的氮浓度整体呈下降趋势。氮浓度的减少直接影响了脱氮过程的底物供应，从而降低了脱氮速率。
• 环境因素的变化：水温、硝酸盐浓度、溶解有机碳（DOC）等环境因素对脱氮速率有重要影响。研究发现，随着水质的改善，这些因素的变化可能导致脱氮速率的下降。
• 微生物活性的变化：脱氮过程主要由微生物驱动，微生物活性的变化也会影响脱氮速率。水质改善可能改变了微生物群落的结构和功能，从而影响了脱氮效率。

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冬季氮去除量比例上升

研究发现，从2007年到2022年，冬季通过脱氮去除的氮量占总氮去除量的比例从14%增加到23%，平均为17%。这一变化可能是由于冬季水温的升高和硝酸盐的充足，这些因素共同促进了冬季脱氮作用的增强。具体来说，水温是调节脱氮速率的关键因素之一。在水温较高的条件下，微生物活性增强，从而促进了脱氮作用的进行。此外，冬季太湖的硝酸盐浓度相对较高，为脱氮过程提供了充足的底物。因此，在冬季，水温的升高和硝酸盐的充足共同促进了脱氮作用的增强，导致氮去除量的增加。

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氮浓度低于1.0 mg/L的区域有助于控制蓝藻水华

在太湖的氮循环过程中，春季和夏季是蓝藻水华高发期。研究发现，当太湖的TN浓度低于1.0 mg/L时，尤其是春季入湖区域的TN浓度低于1.5 mg/L时，这些区域会出现局部氮限制。氮限制可以减少可供蓝藻生长的氮源，从而降低其生长速率和繁殖能力。具体来说，氮限制会影响蓝藻的内在生长速率。实验结果表明，在太湖，当TN浓度低于0.8 mg/L（即DIN < 0.40 mg/L，或DTN < 0.60 mg/L）时，以微囊藻为主的蓝藻水华的生长速率会受到限制。这意味着，在春季和夏季，当TN浓度保持在1.0 mg/L左右时，可以有效地限制蓝藻的生长，从而控制蓝藻水华的发生。

四、结论

本研究深入探讨了太湖氮浓度下降与氮去除效率之间的动态联系，揭示了水质改善与氮循环效率之间错综复杂的相互作用。尽管氮浓度显著降低表明了减少外部负荷的策略是有效的，但氮去除效率的降低却为氮管理带来了新的挑战。这一发现指出，在构建氮管理策略时，必须全面考虑外部负荷的削减和内部氮循环过程的优化。同时，氮去除效率的降低对未来氮循环的预测和管理具有深远的影响。

随着氮浓度的持续下降，氮素限制可能成为太湖生态系统的核心问题，进而影响浮游植物的生长发育和生态系统的整体平衡。因此，预见未来氮循环的变化对于制定长期的氮管理策略，以及应对氮素限制挑战至关重要。总的来说，本研究强调了减少外部负荷在氮管理中的关键作用，并为未来的氮循环预测和管理提供了坚实的科学基础。

参考文献：Kang L, Zhu M, Zhu G, et al. Decreasing denitrification rates poses a challenge to further decline of nitrogen concentration in Lake Taihu, China[J]. Water Research, 2024, 256: 121565.

来源：www.elsevier.com/locate/watres

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