Mitigation of nitrogen pollution in vegetated ditches fed by nitrate-rich spring waters

富含硝酸鹽泉水供水的植被溝渠中氮污染的緩解

來源：Agriculture, Ecosystems and Environment, Volume 243, 2017, Pages 74-82

《農業、生態系統與環境》第243卷，2017年，第74-82頁

 

摘要

摘要闡述了在滲透性土壤中，農業過量硝酸鹽垂直運輸并積累在含水層中，但通過地下水運動返回地表污染水體。假設植被溝渠可以緩解富含硝酸鹽泉水中的氮污染，并作為緩沖系統保護下游水體免受富營養化。通過結合河段尺度方法（N2開放通道法、N預算）和實驗室沉積物核心培養（底棲N通量、同位素配對）以及植物N吸收估計，研究顯示植被條件下的氮去除率更高。反硝化是主要途徑，植物吸收占比較小。植被提供微生物生長界面，促進硝酸鹽還原。

 

研究目的

研究旨在量化由富含硝酸鹽地下水供水的溝渠中的氮去除，特別是在存在和缺乏挺水植被的情況下，并評估植被對反硝化等過程的影響，為溝渠網絡管理提供依據以減少氮污染。

 

研究思路

研究在意大利北部“泉帶”區域選擇兩個相鄰溝渠（V有植被，U無植被），在植物生長周期關鍵階段（春、夏、秋）進行采樣。使用N2開放通道法測量河段尺度反硝化，結合無機氮物種質量平衡和沉積物核心培養測量底棲通量。同時估計植物N吸收，比較不同條件下氮去除效率。

 

測量的數據及研究意義

1 N2生產速率：數據來自圖2和圖4，顯示植被溝渠（V）的N2生產速率（38-84 mmol N m?2 d?1）高于無植被溝渠（U）（12-45 mmol N m?2 d?1）。研究意義在于直接證明反硝化是氮去除的主導機制，植被通過提供厭氧微環境和有機碳促進微生物活動。

 

 

2 NO3-去除率：數據來自圖2和表2，植被溝渠的NO3-去除率更高（最高2.5 mmol N m?2 h?1），且與N2生產正相關。研究意義是驗證河段尺度氮質量平衡，顯示植被增強氮凈化能力，對流域管理有實際應用價值。

 

3 植物N吸收：數據來自文本計算（基于覆蓋率和生長率），植被溝渠中植物吸收貢獻較小（5-21%）。研究意義是闡明植物吸收不是主要途徑，突出微生物過程的重要性，指導管理重點。

4 沉積物特性與通量：數據來自表1和圖3，植被溝渠沉積物有機質含量高（4.22%），O2消耗和N2通量更高。研究意義是揭示植被改善沉積物條件，支持反硝化，為生態工程提供參數。

 

 

 

結論

1 植被溝渠的氮去除率顯著高于無植被溝渠，反硝化是主要途徑。

2 水滯留時間和植被覆蓋是促進氮去除的關鍵因素，夏季低流量時效率最高。

3 管理溝渠網絡時應保留植被，增加水滯留時間，以增強氮凈化能力。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense電極（OX-500微傳感器）測量沉積物核心培養中的溶解氧濃度，數據用于計算底棲O2通量（圖3）。研究意義在于提供高精度、實時的O2動態測量，幫助量化沉積物-水界面的氧氣消耗，從而評估反硝化所需的厭氧條件。這些數據驗證了植被溝渠中更高的O2消耗（2.66 mmol O2 m?2 h?1），表明微生物活動旺盛，支持反硝化速率計算。此外，電極測量與同位素配對技術結合，確保了反硝化路徑的準確性，為河段尺度模型提供實驗室驗證，增強研究結果的可靠性。