中科院南京地理湖泊所朱广伟团队WR:反硝化速率降低对太湖氮浓度的进一步下降的挑战

学术   2024-11-14 23:28   江苏  


研究背景

太湖是中国第三大淡水湖,由于其流域内集约的农业和工业活动以及丰富的营养元素,几十年来一直饱受藻华的困扰。2007年以来,太湖为了缓解蓝藻繁殖而导致的湖泊生态系统恶化,实施了氮和磷的双重营养元素减少。与磷(P)浓度相比,湖中氮(N)浓度呈现出相对强劲的下降。然而,湖泊的中氮的去除效率与改善水质关系仍不太清楚,特别是氮浓度降低时反硝化速率(DNR)的变化很少受到关注。现有的研究已经明确了硝酸盐和水温对太湖流域中反硝化的关键作用。因此,考虑到(TN)浓度的降低和各种环境因素,该研究假设太湖的DNR和反硝化除氮量(ANR)随着水质的改善而显著降低。了解DNR的变化、氮去除效率以及湖泊氮浓度与外部负荷和内部循环过程相互作用的关系,对于有效管理氮和控制湖泊藻华至关重要。


研究目的

1、描述太湖氮素浓度和组成的变化;

2、表征湖泊DNR和氮去除量的时空变化特征;

3、探讨氮浓度、外部负荷、湖泊氮去除量与未来减氮工作趋势之间的关系。


研究方法


1、基于文献和实验结果的模型构建,以模拟太湖的N循环过程。

2、使用2007年至2022年的水质和气象观测数据,包括总氮(TN)、溶解总氮(DTN)、硝酸盐等参数。

3、采用Mann-Kendall检验分析时间序列趋势,以揭示N浓度和DNR的变化趋势。

研究结果

Fig1 太湖不同区域不同年份总氮(TN)、溶解总氮(DTN)和硝酸盐的浓度;柱状图表示的是2007年至2022年不同区域的平均值

湖泊所有区域的TN、DTN浓度均显著下降,但下降趋势因湖泊位置而异;其中太湖DTN浓度下降趋势显著。平均DTN浓度由2.44 mgL−1降低到0.83 mgL−1,降幅为66%。ZSB区的下降率最高,为0.22 mgL−1yr−1

Fig2 2007 - 2022年太湖溶解有机碳(DOC)变化

2007 - 2022年太湖溶解有机碳呈现下降趋势,年平均溶解有机碳浓度(DOC)从2007年的7.69 mgL−1下降到2022年的2.93 mgL−1,从空间上看,ZSB和MLB的DOC浓度高于其他区域;

Fig3 2007 - 2022年太湖水温(WT)变化

2008年以来,太湖冬、春季水温均升高了近2℃。

Fig4 2007 - 2022年太湖反硝化速率(DNR)的时空变化

DNR的年下降也因湖泊区域而异。

Fig5 2007 - 2022年太湖反硝化除氮量(ANR)时空变化

ANR呈现明显的下降趋势。在春季最高,冬季最低与DNR一致。在整个研究期间,ANR占年总量的比例在冬季从14%上升到23%,在春季从44%下降到38%,在夏季和秋季没有显著变化。从空间上看,CL和SWB区由于各自面积大,分别去除了整个湖泊总量的28%和23%。ZSB对整个湖泊ANR的去除率为13% ~ 26%,而对湖泊面积的去除率仅为8.2%。在春季和夏季,ZSB区和MLB区ANR分别占全湖的26%和23%。

Fig6 太湖2007年至2022年的N预算。橙色、绿色、蓝色和紫色分别代表ANR、资源提取、流出负荷和湖泊保留

反硝化ANR占外负荷的比例在研究年限内呈下降趋势,2007年到2020年从23.3%下降到4.0%,表明研究期间N的去除效率有所下降。




小结




以上六图结论:根据模型,WT、硝酸盐和DOC浓度的变化共同影响DNR和ANR的降低。预计变暖将促进湖泊和流域通过反硝化作用去除氮。由于流域DNR的增加,在变暖的情况下,下游的N负荷输出减少。2008年以来太湖水温的升高,有利于冬季和早春氮的去除,有利于夏季潜在缺氮。因此,建议春夏两季实施比冬季更严格的N管理,以限制湖中夏季浮游植物的有效N。

Fig7 基于内氮去除效率的不同氮输入浓度下太湖氮素分布格局(a) 2007;(b) 2022;(c)TN分布的理想情景

2007年以后,太湖水质呈现明显改善

Fig8 不同湖泊和水库反硝化速率(DNR)与硝酸盐浓度的关系

DNR与硝酸盐浓度呈线性相关


总结

结果表明,太湖DNR和N去除率随硝态氮总浓度的降低而显著降低,具有季节性特征。当湖泊呈贫营养状态时,湖泊通过反硝化去除N的效率趋于下降。也就是说,水质改善的情况下,氮的去除效率下降,这对富营养化湖泊的氮管理具有指导意义而太湖氮的进一步减少也将越来越依赖于外部负荷的减少。硝酸盐和气候变暖的共同作用导致ANR在冬季增加,这种持续的趋势可能最终导致春夏氮的限制,从而减轻蓝藻藻华的风险。



来源:Shi Group投稿、合作、转载、进群,请添加小编微信Environmentor2020!环境人Environmentor是环境领最大的学术公号,拥有20W+活跃读者。由于微信修改了推送规则,请大家将环境人Environmentor加为星标,或每次看完后点击页面下端的“在看”,这样可以第一时间收到我们每日的推文!环境人Environmentor现有综合群、期刊投稿群、基金申请群、留学申请群、各研究领域群等共20余个,欢迎大家加小编微信Environmentor2020,我们会尽快拉您进入对应的群。



往期推荐


年度热点文章Top10(2023年)
哈工大任南琪院士团队谢国俊课题组、重庆大学陈一课题组合作ES&T封面:亚硝酸盐依赖型厌氧甲烷氧化细菌的生态位分化机制
见证一个新领域的崛起——密苏里大学肖峰团队/北京师范大学李阳团队一篇承上启下的ES&T
ES&T社论:ES&T对材料类稿件的基本期望以及此类稿件应该如何体现其环境相关性
哈尔滨工业大学马军院士团队孙志强副教授ES&T、WR等:非自由基高级氧化净水技术系列研究成果
同济大学关小红团队ES&T封面:电化学氧化生成的Fe(IV)/Fe(V)可在近中性条件下选择性去除水中的有机污染物
同济大学关小红团队ES&T:一种可以轻松区分SO4•-与HO•并实时量化高级氧化技术中的SO4•-的新方法
哈工大任南琪院士团队贺诗欣课题组Nature Water:集太阳能脱盐、发电和作物灌溉功能于一体的综合系统
哈工大(深圳)任南琪院士团队路璐、深圳先进院高翔Nat. Sustain. :工业废水中多污染物协同原位生物转化合成高值化学品
中科院生态环境研究中心曲久辉院士团队Science Advances:揭示脱水合在离子选择性膜分离中的作用机制
可持续视野SH|哈尔滨工业大学任南琪院士团队:海绵城市建设方案的评估与优化
学术招聘
美国范德堡大学环境工程研究生项目招生 (博士硕士)
加州大学河滨分校化学与环境工程系门玉洁课题组招收博士生(或博士后)
香港城市大学能源与环境学院Dr. Sam H. Y. HSU课题组招聘博士
美国圣母大学环境分子与合成生物学实验室拟招收2名全奖博士生
瑞典斯德哥尔摩大学和瑞士Eawag联合招聘全奖博士生(环境方向)
北京大学环境科学与工程学院赵华章教授团队招聘博士
学术资讯
耶鲁大学Julie B. Zimmerman教授出任ES&T主编
贝勒大学Bryan W. Brooks教授出任ES&T Letters主编
韩国科学院院士Wonyong Choi将出任ACS ES&T Engineering创刊主编
CEJ Advances创刊 | 潘丙才教授任主编,四位华人学者任副主编
ACS对话 | ACS ES&T Engineering创刊副主编马军院士
专访:Environmental Science & Ecotechnology 主编团队


扫描二维码,快速入群~

环境人Environmentor
分享环境领域内学术进展、热点资讯、招聘信息
 最新文章