农业河流及其支流中的河流反硝化速率因河流规模和季节的不同而有所差异

《Journal of Geophysical Research: Biogeosciences》：Fluvial Denitrification Rates in an Agricultural River and Its Tributary Vary Due To Size and Season

溪流与河流脱氮作用季节差异及贡献研究。在印第安纳州Tippecanoe河流域，通过开放渠道模型和MIMS技术分析支流Shatto Ditch及其干流不同季节脱氮速率。结果显示：溪流单位面积脱氮速率（春季148.0 mg N m?2 h?1，夏季76.2，秋季65.5）均高于河流（春季5.8，夏季0.95，秋季18.6）；但按河道长度计算，河流脱氮总量在秋季达1116.5 g N km?1 h?1，显著高于溪流。驱动因素主要为NO3?浓度（R2=0.93），河流因更大体积和长度贡献更多氮去除。该研究为农业区水文系统氮管理提供依据。

　　人类活动对自然环境的影响日益加剧，特别是在农业地区，大量氮元素通过地表径流进入河流和溪流，进而对下游水体的水质造成严重影响。氮的过量输入不仅会导致水体富营养化，还可能影响生态系统的健康与功能，进而威胁人类健康、经济活动和生物多样性。在众多氮去除机制中，反硝化作用被认为是一种关键的、永久性的氮去除过程。反硝化作用是指硝酸盐（NO??-N）在微生物的作用下被逐步还原为亚硝酸盐（NO??-N）、一氧化氮（NO）、氧化亚氮（N?O）以及最终的氮气（N?），这一过程在无氧条件下发生，由反硝化细菌完成。反硝化作用是维持氮循环平衡的重要环节，但在大型河流系统中的作用尚不明确，尤其是在不同季节的反硝化速率变化方面。本研究旨在探讨反硝化作用在不同尺度的水体（溪流与河流）以及不同季节对氮去除的贡献差异，以期更全面地理解农业景观中氮的生物地球化学过程，并为改善水体氮负荷提供科学依据。

在农业影响显著的流域中，溪流通常表现出较高的氮浓度和较强的反硝化能力。然而，大型河流由于其更大的水体体积和流速，可能在某些季节展现出更高的氮去除效率。本研究选择了印第安纳州的Tippecanoe河流域及其支流Shatto Ditch作为研究对象，采用开放渠道反硝化方法，结合膜进样质谱（MIMS）技术，对反硝化速率进行了系统测量。研究期间覆盖了春季、夏季和秋季三个季节，分别对溪流和河流进行了36小时的连续采样，以捕捉反硝化过程在不同时间尺度上的动态变化。

研究结果显示，从单位面积（m2）来看，溪流的反硝化速率普遍高于河流。例如，在春季，溪流的反硝化速率为148.0 mg N m?2 h?1，而河流仅为5.8 mg N m?2 h?1；夏季，溪流的反硝化速率是76.2 mg N m?2 h?1，而河流为0.95 mg N m?2 h?1；秋季，溪流的反硝化速率为65.5 mg N m?2 h?1，而河流为18.6 mg N m?2 h?1。这一现象可能与溪流中较高的硝酸盐浓度以及更强的底栖-水体交互作用有关。然而，当以每公里渠道长度为单位进行比较时，河流的氮去除能力则显示出与溪流相当甚至更高的表现。例如，在夏季，溪流的氮去除速率为167.8 g N km?1 h?1，而河流为56.7 g N km?1 h?1；春季，溪流为325.6 g N km?1 h?1，而河流为348.0 g N km?1 h?1；秋季，溪流为144.0 g N km?1 h?1，而河流高达1,116.5 g N km?1 h?1。这种差异表明，尽管溪流在单位面积上的反硝化效率较高，但河流由于其更大的体积和更长的流经路径，可能在整体氮去除方面发挥更为重要的作用。

反硝化速率的变化与多个环境因子密切相关，其中硝酸盐浓度是最重要的驱动因素之一。研究发现，反硝化速率与硝酸盐浓度之间具有显著的正相关关系（R2 = 0.93），说明硝酸盐的可利用性直接影响了反硝化过程的强度。此外，温度、有机碳（C）的可用性、溶解氧（DO）浓度等因素也对反硝化速率产生影响。在春季，溪流中的硝酸盐浓度最高，反硝化速率也随之达到峰值，这可能与春季农业施肥活动以及降雨带来的径流有关。而在秋季，尽管硝酸盐浓度相对较低，河流的反硝化速率却显著上升，这可能与秋季较高的有机碳输入有关，例如落叶分解和农业废弃物的释放，从而促进了反硝化细菌的活性。

在溪流和河流的对比研究中，研究者发现两者在氮去除过程中扮演了不同的角色。溪流由于其狭窄的渠道和较高的流速，提供了更有利于反硝化反应的物理条件，而河流则因其较大的体积和更长的水体停留时间，能够实现更广泛的氮去除。此外，河流中的水体深度和流速也对反硝化速率产生影响，尤其是在秋季，河流的反硝化速率显著高于溪流，这可能与河流中更高的有机碳输入和更稳定的无氧微环境有关。因此，反硝化过程不仅受到局部环境条件的影响，还受到整个流域尺度的控制因素作用。

研究还指出，反硝化过程在不同季节表现出显著的波动性。这种波动性可能是由于环境条件（如温度、硝酸盐浓度、溶解氧水平、有机碳供应等）的季节性变化所引起的。例如，在春季，溪流的反硝化速率最高，而在秋季，河流的反硝化速率显著上升。这种季节性差异表明，反硝化过程并非静态，而是随着环境条件的变化而动态调整。因此，在制定氮负荷模型和进行氮去除管理时，必须充分考虑季节性变化对反硝化速率的影响。

在方法上，本研究采用了开放渠道反硝化模型与MIMS技术相结合的方式，以更全面地捕捉反硝化过程的贡献。MIMS技术能够同时测量氮气、氧气、氧化亚氮和氩气等气体的浓度变化，从而提供更准确的反硝化速率估算。此外，研究还通过将单位面积的反硝化速率转换为每公里渠道长度的去除能力，使得不同尺度的水体能够在一个统一的框架下进行比较。这种方法不仅提高了数据的可比性，还为未来的氮去除研究提供了新的思路和工具。

通过本研究，我们进一步认识到，溪流和河流在氮去除过程中都具有重要作用，但它们的贡献方式存在显著差异。溪流在单位面积上的反硝化能力更强，而河流在整体氮去除方面可能具有更大的潜力。这一发现对于农业流域的氮污染管理具有重要意义，因为不同尺度的水体可能需要不同的管理策略。例如，在溪流中，可以通过改善底栖环境和提高有机碳供应来增强反硝化能力，而在河流中，则需要关注整个水体的流速、深度和氮浓度变化，以优化氮去除效果。

此外，本研究还强调了反硝化过程在农业流域中可能存在的“泄漏”现象，即部分硝酸盐可能被转化为氧化亚氮（N?O），这种气体不仅是一种重要的温室气体，还可能加剧全球气候变化。因此，未来的研究应更加关注反硝化过程中不完全反应的产物，如N?O的生成及其对环境的影响。这将有助于更全面地评估农业流域对全球氮循环和气候变化的贡献。

总体而言，本研究通过系统的方法，揭示了溪流和河流在氮去除过程中的不同表现，并强调了季节性变化和水体规模对反硝化速率的重要影响。这些发现不仅丰富了我们对淡水生态系统中氮去除机制的理解，还为农业流域的氮污染管理提供了科学依据。通过结合开放渠道代谢模型和MIMS技术，研究者能够更准确地评估反硝化过程的动态变化，为未来的研究和管理实践提供了新的视角和工具。