氮素的生物地球化學(xué)循環(huán)

1、關(guān)于逛蕩河氮的生物地球化學(xué)循環(huán),一、逛蕩河,萊山區(qū)有條逛蕩河，發(fā)源于鳳凰山腳下。它東流經(jīng)過午臺、宋家莊、于家灘等村，北折入黃海。約摸算來，有二十里左右。這是條季節(jié)性河流，汛期和枯水期流量相差較大，導(dǎo)致河床松垮逛蕩，故名“逛蕩河”。,由于近些年的治理工作，逛蕩河整體污染不嚴(yán)重，流域面積小，流程長度短，有的河段水草分布少，有的河段水草分布較多。根據(jù)逛蕩河的自然狀況況，我們可以通過恰當(dāng)?shù)哪M和實測, 并根據(jù)河流水體中水污染物的質(zhì)量平衡原理,可以定量分析水污染物的環(huán)境生物地球化學(xué)過程行為。 在工作初期可以通過當(dāng)?shù)厮至私夤涫幒拥母鞣N水溫參數(shù)，比如寬度，流域狀況等。,二、逛蕩河氮元素生物地球化學(xué)循環(huán),

2、不考慮大氣中氮素的干沉降,并且河流水體無顯著的氣態(tài)有機(jī)氮和氨氮的揮發(fā), 在這種情況下, 河流水體中的氮素從上游流至下游的過程中, 主要的環(huán)境生物- 地球化學(xué)過程行為有沉積物中水溶性有機(jī)氮和氨氮的釋放、 水體懸浮物中有機(jī)氮和氨氮的沉降再懸浮、 水生植物對氮素的吸收吸附、 有機(jī)氮的氨化、 氨氮的硝化、 硝氮的反硝化。,在不考慮沉積物的釋放和懸浮物的沉降再懸浮,總氮減少唯一途徑是反硝化,因此,可以通過恰當(dāng)模擬確定氮素的反硝化量。由于氮素的反硝化唯一前提物是硝氮, 因此可以根據(jù)反硝化量來確定反硝化消耗掉的硝氮量。在確定氮素的反硝化量和反硝化消耗掉的硝氮量后,可以根據(jù)有機(jī)氮和無機(jī)氮質(zhì)量平衡方程, 確定氮

3、素在環(huán)境生物- 地球化學(xué)過程各種行為的定量關(guān)系。,任何進(jìn)入河流水環(huán)境的物質(zhì)都有一個源- 流-匯過程, 環(huán)境物質(zhì)的環(huán)境生物- 地球化學(xué)過程涵蓋了源的部分內(nèi)容及流和匯的全部內(nèi)容。因此, 對水污染的環(huán)境生物- 地球化學(xué)過程展開定量分析至為重要。因此只有定量地分析了各類水污染物環(huán)境生物- 地球化學(xué)過程各部分物質(zhì)變化的絕對量和平均速率,才能了解環(huán)境物質(zhì)的部分來源, 物理生化過程和最終歸宿, 才能為環(huán)境保護(hù)工作提供一個科學(xué)基礎(chǔ)。,水樣的環(huán)境生物- 地球化學(xué)過程模擬。模擬的意義是可以計算反硝化的量。 逛蕩河水生植物較少的河段可以不用考慮植物對氨氮的吸收。在此河段取兩個斷面A和B，分別測量水樣的 NO2- -

4、N、 NO3 -N 及NH3 -N 濃度值。在AB 河段之間,取若干個柱狀沉積物樣品,測量 T N、 NH3 -N、 釋放通量, 取平均值。將上游A 斷面水樣一分為二,一份立即測量或立即固定,另一份進(jìn)行模擬。模擬時室溫與河流水溫相同, 并緩慢振蕩, 使瓶中泥沙始終保持懸浮狀態(tài)。24h 后再測量或固定水生植物生長不顯著的河段。水生植物生長顯著的AB 河段應(yīng)每季測量水生植物的種類和干濕重。此外還有水溫參數(shù)的測量,不考慮水草的氮素的數(shù)據(jù)處理 氮素的環(huán)境生物-地球化學(xué)過程為,沉積物的氨氮釋放、 沉積物總氮(氨氮和有機(jī)氮)釋放、 沉積物- 水界面對氨氮和有機(jī)氮的吸附解吸、 沉積物- 水界面的氨化-硝化-

5、反硝化、 懸浮物中有機(jī)氮和氨氮的沉降再懸浮、 水體中氮素的氨化-硝化-反硝化等過程。首先, 我們確定水流從 A - B, 水體反硝化值，N反硝化。模擬水樣中, 氮素唯一去除途徑是反硝化, 因此根據(jù)模擬水樣中總氮平衡原理, 我們有, N 反硝化 =CA*Q*T-CA24h后*Q*T,考慮水草的 氮素的數(shù)據(jù)處理 水生植物對氮素的作用為,對氨氮硝氮的吸收、對氨氮有機(jī)氮的吸附、 水生植物的反硝化、 水生植物的氨化和硝化等過程。本文中,假設(shè)水生植物氨化硝化產(chǎn)生的氨氮硝氮被植物本身全部吸收或吸附,沒有進(jìn)入水體。,三、湖泊氮素的生物地球化學(xué)循環(huán),湖泊水體中氮素來源較多，可概括為點源、面源和內(nèi)源，已有較多文獻(xiàn)

6、進(jìn)行了相關(guān)報道 湖泊生態(tài)系統(tǒng)中氮素的輸出方式有三種首先，藻類、高等水生植物、底棲動物等將氮素轉(zhuǎn)化為自身生物量，經(jīng)人工撈取或收獲后離開湖泊生態(tài)系統(tǒng)其次，氮素以氣體(如N20、N2等)形式退出湖泊系統(tǒng)再次，氮素通過沉積作用進(jìn)入沉積物并固定下來,氮素在沉積物一水界面的交換 氮素在沉積物一水界面的交換是水體中氮素遷移轉(zhuǎn)化的主要過程之一，對湖泊的營養(yǎng)狀態(tài)和水質(zhì)都有要影響。進(jìn)人沉積物的氮素主要是有機(jī)氮,它在沉積物中的濃度主要依賴于初級生產(chǎn)力,并和有機(jī)碳強(qiáng)烈相關(guān),氮素在湖泊生態(tài)系統(tǒng)食物鏈中的遷移轉(zhuǎn)化。湖泊中的動物、植物、微生物等構(gòu)成湖泊生態(tài)系統(tǒng)的食物鏈，各種生物通過同化吸收或選擇性捕食，使得氮素在營養(yǎng)級中自

7、下而上進(jìn)行傳遞。選擇東太湖和梅梁灣的底泥和水體構(gòu)建微宇宙進(jìn)行硝化一反硝化作用研究。本實驗中發(fā)現(xiàn)，在太湖藻型湖區(qū)和草型湖區(qū)的沉積物和水體中都進(jìn)行了劇烈的硝化作用，且藻型湖區(qū)的硝化作用進(jìn)行程度強(qiáng)于草型湖區(qū)湖泊的營養(yǎng)狀態(tài)影響其生態(tài)結(jié)構(gòu)；食物鏈中的生態(tài)群落組成同樣也會影響氮素的生物地球化學(xué)循環(huán)本實驗中藻型湖區(qū)的營養(yǎng)水平異于草型湖區(qū)，其相對應(yīng)的微生物生態(tài)結(jié)構(gòu)的差異性必然會影響硝化作用、反硝化作用等進(jìn)程,湖泊氮素的生物地球化學(xué)循環(huán)中微生物參與的重要過程 在氮素的生物地球化學(xué)循環(huán)過程中，生物轉(zhuǎn)化比非生物轉(zhuǎn)化更重要微生物是氮循環(huán)的驅(qū)動泵，一方面使氮循環(huán)不被中斷，另一方面維持生態(tài)系統(tǒng)的氮素平衡在沒有人為活動干擾

8、的湖泊中，微生物在氮素的輸入和向大氣釋放過程中起著非常重要的作用。例如硝化反硝化，固氮作用，氨化作用。,主要研究方法,同位素標(biāo)記15N示蹤技術(shù)。15N標(biāo)記的化合物可計算氮素在食物網(wǎng)中進(jìn)行的遷移和轉(zhuǎn)化速率、測定硝化速率等。 分子生物學(xué)技術(shù)。隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)的發(fā)展，各種分子生物學(xué)工具越來越廣泛地應(yīng)用于微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的研究，使得人們能夠突破這些限制，在基因水平研究微生物的群落結(jié)構(gòu)以及環(huán)境變化所帶來的影響 建立人工生態(tài)系統(tǒng)。為了便于控制實驗條件，建立人工生態(tài)系統(tǒng)如中宇宙、微宇宙等來模擬自然界中氮素的遷移轉(zhuǎn)化，還可以與微型傳感器等其他技術(shù)聯(lián)用來檢測氮素流通量。,在對湖泊中氮素循環(huán)的研究中確定其中

9、氮素的輸出與輸入，及不同因素的影響，從而確定氮素在循環(huán)中的數(shù)量關(guān)系，確定實際測量中所采取的取樣時間，測量方法。在實際操作中，要考慮生物對氮素生物地球化學(xué)循環(huán)的影響。取樣點具有代表性，采用模擬的方法確定氮素的輸出量。,長江流域氮的生物地球化學(xué)循環(huán)及其對輸送無機(jī)氮的影響,研究地點與方法 選擇長江大通站為控制站點進(jìn)行定量計算和研究。大通站(東經(jīng)117。37，北緯30。46)。位于安徽省貴池市梅龍鎮(zhèn)，是長江潮汐的影響上界，不受潮汐影響。該站點是中國水文監(jiān)測網(wǎng)的重要站點之一，其流域集水面積171106km2，約占整個長江流域面積的95，徑流量約占整個長江徑流量的90%，基本代表長江的輸送情況。長江流域氮

10、的生物地球化學(xué)循環(huán)的計算基于長江大通站所控制的流域面積，流域內(nèi)各省(市)所屬面積占各省總面積,的比例進(jìn)行加權(quán)轉(zhuǎn)化，并假定氨循環(huán)的各計算因子在各省是按面積平均分配的。具體計算方法是將各省所在長江流域的面積除以各省總面積，再乘以相應(yīng)指標(biāo)因子，最后各省因子之和為長江流域總和。長江流域各省組成及各省所屬面積占各省總面積的比例見表1。,研究方法 氮在流域內(nèi)的生物地球化學(xué)循環(huán)包括氮的輸入、輸出，和氮在流域內(nèi)的平衡(即氮在流域內(nèi)的儲存)。氮的輸入量=無機(jī)化肥施用氮總量+生物固氮量+大氣沉降氮量；氮的輸出量=氮反硝化量+氨氨揮發(fā)量+河流徑流輸出氮量。氮的平衡=氮的輸入量氮的輸出量=氮的儲存=氮在土壤中的累積+

11、氮在糞便中的累積+氮的其它累積(包括地下水+地表水+森林等)。在此假定流域內(nèi)的糧食輸入等于輸出。本文利用氮的這種生物地球化學(xué)循環(huán)模型來探討長江流域近30年來(1 9681 997年)氮的生物地球化學(xué)循環(huán)過程與變化趨勢，及其對長江溶解態(tài)無機(jī)氮輸送的影響。,氮的輸入：氮在流域內(nèi)的輸入包括無機(jī)化肥施用氮、生物固氮和大氣沉降氮。無機(jī)化肥施用氮是最主要的輸入因素。無機(jī)化肥施用氮是最主要的輸入因素，所采用的相關(guān)數(shù)據(jù)來自中國統(tǒng)計年鑒，其中普遍施用的尿素約占化肥施用總量的386，施用的碳銨約占化肥施用總量的55。所有肥料均按照氮的含量折算成純氮。,氮輸入的另一因素是生物固氮量，包括植物固氮和微生物固氮2部分。

12、 物固氮量=作物種植面。大氣沉降氮量是氮輸入的另一來源，每年大氣干沉降氮量約占大氣濕沉降氮量(降水沉降氮量)的一半，可通過計算濕沉降氮量來得到大氣沉降氮量。濕沉降氮量=年均降水量。,氮的輸出：氮在流域內(nèi)的輸出包括氮的反硝化、氨氮揮發(fā)和河流徑流輸出氮。可設(shè)定年均氮肥施用量的5為反硝化的估計值，這與一般反硝化量計算中所采用的平均數(shù)據(jù)是大體相近的。氣態(tài)氨揮發(fā)可分為2部分：施用化肥氨揮發(fā)和生產(chǎn)化肥氨揮發(fā)。平均氣態(tài)氨揮發(fā)量的計算采用的是王文興等人的研究方法一目，即將主要人為源分為3類：畜禽源、化肥施用源和人類糞便源，根據(jù)各地區(qū)氮肥施用量及各種氮肥的百分比組成，即可算得各地區(qū)氮肥施用的揮發(fā)量。在氮的輸出中

13、，河流往流輸出溶解態(tài)無機(jī)氮量一年平均徑流量年平均無機(jī)氮濃度。,氮的循環(huán)：氮在流域內(nèi)的循環(huán)主要通過下列途徑，即農(nóng)作物從土壤中通過收獲輸出氮，經(jīng)過人和動物的食物鏈，轉(zhuǎn)化為糞便，糞便再通過施肥回到土壤中。其中假定50的糞便通過施肥返回到土壤中，25通過降水徑流輸出，25仍然以糞便形式儲存在流域內(nèi)。,有關(guān)各種作物產(chǎn)量的數(shù)據(jù)均取自中國統(tǒng)計年鑒。農(nóng)作物從農(nóng)田輸出氮量由如下公式可以得出：農(nóng)作物輸出氮量一農(nóng)作物產(chǎn)量X氮的含量。 在農(nóng)作物輸出氮中，農(nóng)作物產(chǎn)量包括籽粒和秸稈，各種作物的氮含量列于表2。糞便中的含氮量由如下公式可以得：糞便含氮量一人和動物數(shù)量單個人和動物的糞便量糞便含氮量。,總結(jié),對某個生態(tài)系統(tǒng)中氮素的生物地球化學(xué)循環(huán)的研究，首先要清楚氮素在此系統(tǒng)中發(fā)生的主要反應(yīng)。氮循環(huán)主要涉及固氮作用 、硝化作用和反硝化作用三個過程。根據(jù)其自然狀況分析氮素的輸出與輸入，根據(jù)質(zhì)量守恒定律建立等式。,在對氮素循環(huán)的研究中，還可以充分利用新技術(shù)進(jìn)行跟蹤。 宏基因組學(xué)通過直接從環(huán)境樣品中提取全部微生物的DNA,構(gòu)建宏基因組文庫，