The interplay between transport and reaction rates as controls on nitrate attenuation in permeable,streambed sediments

傳輸速率和反應速率之間的相互作用作為控制可滲透的河床沉積物中硝酸鹽衰減

來源：J. Geophys. Res.Biogeosci., 120, 1093–1109,

 

摘要內容

這篇論文指出，人為固氮活動嚴重干擾了全球氮循環，河流是氮去除的重要場所。以往研究多關注淺層沉積物或潛流交換路徑，而本研究針對地下水補給的河流河段，使用15N技術量化了深達1米的河床沉積物中的原位硝酸鹽去除速率。結合詳細的水文測量，研究發現硝酸鹽主要通過反硝化作用去除，且總體上，上涌地下水中的硝酸鹽去除受水通量（而非反應速率）控制（Damk?hler數<1），但在兩個生物地球化學熱點區域例外。深層沉積物與淺層沉積物同樣是重要的硝酸鹽匯。

研究目的

本研究旨在探究在滲透性河床沉積物中，硝酸鹽消耗的空間變異性（特別是深度分布）；研究控制硝酸鹽消耗的因素，利用Damk?hler數探討停留時間（水文控制）和生物地球化學控制的相互作用；并評估深層（>10厘米）河床沉積物作為硝酸鹽匯的重要性。

研究思路

研究采用現場原位測量與多參數結合的策略：

 

站點選擇與采樣：在英國利斯河一個200米長的地下水補給河段，設置9個點位（A-I），每個點位包含深度為20、50和100厘米的測壓管集群，并配備多級孔隙水采樣器（目標深度10、20、30、50和100厘米）。

水文與地球化學表征：測量垂直水力梯度、飽和導水率以計算水通量和停留時間；采集孔隙水分析氯化物、硝酸鹽、溶解氧、DOC、Fe(II)、甲烷等參數；使用丹麥Unisense溶解氧微電極現場測量孔隙水溶解氧濃度。

原位過程速率測量：向多級采樣器注入15N標記的硝酸鹽溶液，通過監測產生的29N2和30N2計算反硝化速率。

 

數據整合：利用氯化物濃度劃分水文設置（強上涌、潛流交換流、水平流），計算Damk?hler數，并結合水停留時間估算不同深度沉積物的硝酸鹽去除量。

 

測量數據及研究意義（注明數據來源）

 

孔隙水化學數據（氯化物、硝酸鹽、溶解氧、DOC）：

 

數據內容：氯化物剖面（圖1c）顯示存在孔隙水上涌、地表水下滲和水平流；硝酸鹽濃度在深層沉積物（100厘米）最高（平均311±182 μM），并向河床表面降低（表2）；溶解氧濃度普遍不飽和，隨深度增加而降低（表2）；DOC濃度無顯著深度差異。

研究意義：氯化物數據界定水文路徑，硝酸鹽和溶解氧分布揭示上涌地下水在運移過程中被消耗的潛力，DOC數據反映有機質來源。

 

 

 

數據來源：圖1c、表2、圖3a-f。

 

原位反硝化速率：

 

數據內容：反硝化速率范圍廣（25至>17,000 nmol 15N-N2 L?1 h?1），通常隨深度增加而降低，但在水平流路徑下例外；強上涌區速率最低（表3，圖3g-h）。

研究意義：直接量化微生物去除硝酸鹽的潛力，顯示反硝化不僅發生在淺層，也持續于深層沉積物。

 

數據來源：表3、圖3g-h。

 

N2O產生與反硝化完整性：

 

數據內容：反硝化多以N2為主，但部分樣品N2O積累最高達51%；15N在N2和N2O庫中的標記比例無顯著差異（圖4a）。

研究意義：表明反硝化是主要途徑，厭氧氨氧化貢獻可忽略；N2O積累提示溫室氣體風險。

 

數據來源：圖4a-b。

 

Damk?hler數（DaN）：

 

數據內容：大部分DaN值<1（中位數=0.14），表明硝酸鹽輸出受運輸控制；僅在位點A和G的深層沉積物中DaN>1（圖5）。

研究意義：定量區分水文（停留時間）和生物地球化學（反應速率）對硝酸鹽衰減的相對重要性。

 

數據來源：圖5。

 

深度積分硝酸鹽去除量：

 

數據內容：考慮停留時間后，深層沉積物（10-100厘米）貢獻約81%的硝酸鹽去除（表5）。

研究意義：強調必須同時考慮反應速率和水文運輸，僅基于速率會低估深層沉積物的作用。

 

數據來源：表5。

 

結論

 

反硝化是硝酸鹽去除的主要途徑，在有機碳貧乏的滲透性沉積物中可發生至1米深，速率與農業河流相當。

硝酸鹽衰減主要受運輸控制（DaN<1），即水通量/停留時間是限制因素；僅在生物地球化學熱點（如潛流交換或水平流區域）由反應速率控制（DaN>1）。

深層沉積物（>10厘米）是重要硝酸鹽匯，深度積分法顯示超80%去除發生在10-100厘米深度。

 

潛流交換流和水平流通過提供有機碳，維持反硝化作用，而事件性水流（如洪水）可能臨時改變化學環境。

 

詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量出來的數據有什么研究意義

本研究中使用丹麥Unisense公司生產的Clark型氧微電極（型號OX100，尖端直徑100μm）測量了孔隙水中的溶解氧濃度，這些數據的研究意義如下：

 

提供原位、高時間分辨率的氧化還原狀態指標：Unisense微電極能夠快速、直接地在現場測量孔隙水中的O?濃度（方法部分2.2.1）。數據顯示孔隙水通常為氧不飽和狀態（平均約空氣飽和度的49%），且濃度隨深度變化（表2）。這為判斷沉積物微環境氧化還原狀態提供了關鍵證據，直接揭示了沉積物表層的氧化層厚度和缺氧區分布。

揭示反硝化過程的微環境耐受性：即使在孔隙水溶解氧濃度較高（>200 μM，約60%空氣飽和度）的情況下，仍檢測到顯著的反硝化活性（最高達3249 nmol 15N-N2 L?1 h?1）。這表明反硝化可以在有氧沉積物內的缺氧微地點發生，支持了微生物活動在微觀尺度創造還原微環境的觀點。

關聯水文路徑與生物地球化學過程：溶解氧數據與其他參數（如Fe(II)、CH4）結合，幫助識別不同水文地球化學區域。例如，強上涌區沉積物具有較高中位O?濃度（圖3f），與氧化性硝酸鹽來源一致；而反硝化熱點（位點A和G）與低O?環境相關。Unisense數據將特定水文路徑（如水平流）與孔隙水化學變化（如O?降低）動態聯系，解釋了其對反硝化的促進作用。

 

支持Damk?hler數分析的解釋：溶解氧剖面作為背景信息，幫助理解為何大部分河段硝酸鹽衰減受運輸控制（DaN<1）。普遍有氧條件限制了反硝化菌群大規模發展，導致反應速率相對較低，從而使水停留時間成為關鍵控制因素。

 

總之，Unisense氧微電極提供的高分辨率原位數據，不僅是描述沉積物化學狀態的工具，更是連接水文運輸與微生物過程的關鍵橋梁。其測量結果直接支撐了對硝酸鹽衰減機制的解釋，深化了對滲透性河床中氮循環復雜性的理解。