Evaluation of in situ simulated dredging to reduce internal nitrogen flux across the sediment-water interface in Lake Taihu, China

為減少太湖沉積物-水界面內氮通量而進行的原位模擬疏浚評價

來源：Environmental Pollution 214 (2016) 866-877

 

論文總結

一、論文摘要

本論文通過為期一年的原位模擬疏浚實驗，評估了疏浚對太湖沉積物-水界面氮通量的影響。摘要指出，疏浚后孔隙水中無機氮濃度降低，沉積物氮動員減少。具體而言，疏浚使NH?-N擴散通量顯著降低78.2%（p < 0.01），而NO?-N通量增加58%（p < 0.01）。氮分餾實驗表明，疏浚后沉積物中氮的含量和活性普遍下降。高通量測序顯示細菌群落相對豐度減少30%，硝化螺旋菌（Nitrospira）豐度增加，但硫桿菌（Thiobacillus）、固醇桿菌（Sterolibacterium）等反硝化相關菌群豐度降低。疏浚減少氮釋放的主要原因是沉積物氮流動性降低、有機質礦化潛力下降及細菌豐度減少。總體而言，疏浚能有效控制沉積物氮釋放，但需關注其對NO?-N和NO?-N去除的潛在負面影響。

二、研究目的

本研究的主要目的包括：

 

評估疏浚效果：定量分析疏浚對沉積物-水界面氮通量的影響，特別是NH?-N、NO?-N和NO?-N的擴散通量變化。

揭示機制：通過氮分餾和細菌群落結構分析，闡明疏浚影響氮遷移和再生的生物地球化學機制。

 

指導實踐：為太湖等富營養化湖泊的疏浚修復工程提供科學依據，優化內源氮污染控制策略。

 

三、研究思路

研究采用原位模擬與多指標結合的系統思路：

 

實驗設計：在太湖月亮灣設置疏浚（移除表層25 cm沉積物）和未疏浚對照處理，各6個重復，進行為期一年的湖底培養（2013年8月至2014年8月）。

采樣與測量：

 

月度監測：使用Rhizon孔隙水采樣器每月采集沉積物不同深度（0.5–9 cm）孔隙水，測定NH?-N、NO?-N、NO?-N濃度。

通量計算：基于菲克第一定律計算氮擴散通量，考慮孔隙度和擴散系數。

沉積物性質：實驗結束后分析沉積物pH、孔隙度、灼失量（LOI）、鐵含量、酸揮發性硫化物（AVS）等（Table 1）。

 

氮分餾：測定可交換態氮（IEF-N）、碳酸鹽結合態氮（CF-N）、鐵錳氧化物結合態氮（IMOF-N）和有機硫化物結合態氮（OSF-N）的含量（Fig. 6）。

 

微生物分析：通過高通量測序分析表層沉積物（0–1 cm）細菌群落結構（Fig. 7、Fig. 8）。

 

 

 

關鍵工具應用：使用丹麥Unisense微電極測量沉積物-水界面的溶解氧（DO）、pH和氧化還原電位（Eh）剖面（Fig. 2），以評估疏浚對氧化還原環境的影響。

 

四、測量數據及研究意義（注明來源）

本研究測量了多類數據，其來源和意義如下：

 

孔隙水氮濃度剖面（來自Fig. 3）：

 

數據：Fig. 3顯示疏浚后孔隙水NH?-N濃度顯著降低（約222%），NO?-N和NO?-N濃度輕微升高；NH?-N濃度隨深度增加，而NO?-N和NO?-N分布不規則。

 

研究意義：這些剖面直接反映疏浚對氮遷移的抑制效應，NH?-N降低源于有機質減少，NO?-N升高可能與氧化條件增強促進硝化有關，突出了疏浚對氮形態轉化的選擇性影響。

 

氮擴散通量（來自Fig. 4）：

 

數據：Fig. 4表明疏浚使NH?-N通量降低458%，NO?-N和NO?-N通量分別降低235%和179%；疏浚沉積物從氮“源”向“匯”轉變。

 

研究意義：通量變化量化了疏浚的凈減排效果，但NO?-N通量相對增加暗示反硝化削弱，對湖泊脫氮潛力有重要啟示。

 

沉積物性質（來自Table 1和Fig. 2）：

 

數據：Table 1顯示疏浚后沉積物總氮（TN）降低66%，有機質（LOI）減少，孔隙度增加；Fig. 2中疏浚點DO滲透深度更深（8 mm vs. 2 mm），Eh值升高。

 

研究意義：理化性質變化解釋通量差異：高孔隙度促進擴散，但低TN和有機質限制礦化源；氧化環境增強（DO、Eh升高）利于硝化但抑制反硝化。

 

氮分餾與形態分布（來自Fig. 5、Fig. 6和Table 2）：

 

 

數據：Fig. 5顯示疏浚后TN和NH?-N含量下降；Fig. 6中IMOF-N和OSF-N為主要形態，疏浚后各形態氮含量降低；Table 2相關性分析表明氮形態與pH、LOI、Fe顯著相關。

 

研究意義：分餾數據揭示氮穩定性變化，疏浚后惰性氮（如OSF-N）比例增加，表明氮釋放風險降低，但鐵錳氧化物結合氮（IMOF-N）減少可能影響氮吸附容量。

 

細菌群落結構（來自Fig. 7、Fig. 8）：

 

數據：Fig. 7顯示疏浚后變形菌門（Proteobacteria）豐度下降，硝化螺旋菌門（Nitrospira）增加244%；Fig. 8中反硝化菌（如Thiobacillus）豐度降低。

 

研究意義：群落演變從微生物機制解釋氮轉化：硝化菌富集促進NO?-N生成，反硝化菌減少削弱NO?-N去除，說明疏浚可能改變氮循環路徑。

 

五、研究結論

本研究主要結論如下：

 

疏浚有效減少氮釋放：疏浚通過移除富氮表層沉積物，顯著降低NH?-N通量（78.2%），但對NO?-N和NO?-N通量影響較小，甚至可能因氧化條件增強而增加。

機制多維度：氮通量變化由沉積物性質（如有機質減少）、氮形態穩定性（惰性氮增加）和微生物群落（硝化增強、反硝化減弱）共同驅動。

 

管理啟示：疏浚可作為控制內源氮污染的有效手段，但需警惕其可能削弱反硝化作用，長期需結合其他措施以維持氮平衡。

 

六、丹麥Unisense電極測量數據的詳細研究意義

本研究中使用丹麥Unisense微電極測量的數據具有關鍵研究意義：

 

高分辨率氧化還原梯度量化：Unisense微電極以毫米級垂直分辨率實時測量了沉積物-水界面的DO、pH和Eh剖面（Fig. 2）。數據顯示疏浚后DO滲透深度從2 mm增至8 mm，Eh值升高，直接證實疏浚創造了更氧化的環境。這種高精度測量避免了傳統取樣擾動，為理解氮形態轉化（如NH?-N氧化為NO?-N）提供了物理化學基礎。

關聯環境條件與氮轉化：DO和Eh剖面與氮通量顯著相關（如DO升高對應NO?-N增加），揭示了氧化還原電位對硝化/反硝化平衡的調控作用。例如，疏浚點深層氧滲透可能抑制反硝化，導致NO?-N積累，解釋了通量數據中的矛盾現象。

支持機制闡釋：微電極數據與微生物結果耦合（如Nitrospira富集），證實氧化條件促進硝化過程，而反硝化菌減少與缺氧微環境喪失一致。這從微尺度驗證了疏浚通過改變氧化還原狀態影響氮循環功能群。

 

技術優勢與應用價值：Unisense電極的原位連續測量提供了時間動態數據，彌補了月度取樣的不足。在管理層面，這些數據可用于優化疏浚深度（如確保氧化層不破壞反硝化區），為湖泊修復提供精準調控參數。

 

總之，丹麥Unisense電極數據不僅是環境條件的記錄工具，更是連接疏浚工程與氮生物地球化學響應的橋梁，通過量化氧化還原梯度，提升了我們對人為擾動下沉積物氮循環的預測能力。