開(kāi)放水體脫氮過(guò)程及其影響因素研究進(jìn)展

楊正健，魏辰宇，劉德富，紀(jì)道斌，馬 駿，王從鋒

（1.三峽大學(xué) 三峽水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)湖北省野外科學(xué)觀測(cè)研究站，湖北 宜昌 443002；2.湖北工業(yè)大學(xué) 河湖生態(tài)修復(fù)與藻類(lèi)利用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430068）

1 研究背景

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年中國(guó)廢水（不含農(nóng)村面源污染）總氮排放量為216.46萬(wàn)t，總磷排放量為11.84萬(wàn)t，說(shuō)明中國(guó)氮、磷污染問(wèn)題仍然非常嚴(yán)峻[1]。過(guò)量的氮、磷導(dǎo)致的湖庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化及藻類(lèi)水華問(wèn)題，已對(duì)居民飲水安全和淡水生態(tài)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[2]。在海洋中，近年來(lái)多次報(bào)道的“海洋死亡地帶（Dead zone/Hypoxic area）”問(wèn)題已對(duì)區(qū)域海洋生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重破壞[3]，其主要原因也是河流入海氮、磷污染過(guò)量[4]。因此，如何有效攔截和去除流域內(nèi)的氮、磷污染已成為維護(hù)全球生態(tài)系統(tǒng)平衡的關(guān)鍵，也是當(dāng)前國(guó)際研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。有關(guān)研究表明，入海氮、磷總量實(shí)質(zhì)只占陸域排放總量的20%～30%，說(shuō)明陸域本身是除氮脫磷的主要場(chǎng)所，其河網(wǎng)潛流帶和湖庫(kù)沉積物內(nèi)的生化反應(yīng)被認(rèn)為起到了主要作用[5]。

中國(guó)已建各類(lèi)水庫(kù)近10萬(wàn)座[6]，幾乎遍布所有大小流域。因水庫(kù)改變了河流水文規(guī)律，其物質(zhì)循環(huán)較自然河流有很大差別[7]，由此對(duì)流域氮、磷污染的削減作用目前尚未有明確結(jié)論。本文將系統(tǒng)分析近30年來(lái)開(kāi)放水體脫氮機(jī)制及其影響因素的國(guó)內(nèi)外研究成果，討論水庫(kù)在流域氮削減中的作用，以期為發(fā)掘水庫(kù)的脫氮除污功能、深入認(rèn)識(shí)水庫(kù)的生態(tài)環(huán)境影響提供新的研究思路。

2 開(kāi)放水體典型脫氮機(jī)制

開(kāi)放水體是有別于管道和池罐等相對(duì)封閉的水體而言的，包括河流、水庫(kù)、湖泊、海洋等自然水體，是地球水循環(huán)及其伴生過(guò)程發(fā)生的主要區(qū)域。脫氮（Nitrogen removal）是指流域內(nèi)的有機(jī)或無(wú)機(jī)態(tài)氮最終轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮并進(jìn)入大氣的過(guò)程[8]。因常溫下只有氮?dú)猓∟2）屬于惰性且無(wú)害氣體，故生成氮?dú)獾拿摰^(guò)程被認(rèn)為是最有效的氮負(fù)荷削減過(guò)程，成為目前國(guó)際上關(guān)注的重點(diǎn)[9]。本文所闡述的“開(kāi)放水體脫氮”，主要是指發(fā)生在河流、水庫(kù)、湖泊、海洋等水體中的沉積物、懸浮物的脫氮。在這些水體內(nèi)，目前公認(rèn)的典型脫氮機(jī)制主要包括：①厭氧反硝化（Denitrification）、②厭氧氨氧化（Anaerobic ammonium oxidation）、③好氧反硝化（Aerobic denitrification）、④厭氧甲烷氧化（Anaerobic methane oxidation）等4個(gè)過(guò)程，如圖1所示，其具體反應(yīng)說(shuō)明如下。

圖1 開(kāi)放水體氮循環(huán)及典型脫氮過(guò)程（基于Arrigo[9]成果修改）

厭氧反硝化[9]：在厭氧環(huán)境下，微生物將硝酸鹽逐步轉(zhuǎn)為亞硝酸鹽（NO-2）、一氧化氮（NO）、氧化亞氮（N2O）并最終還原為氮?dú)猓∟2）。

厭氧氨氧化[8]：在厭氧條件下，微生物以為電子受體，直接將氨氮（NH+4）氧化為氮?dú)猓∟2）。

其中，厭氧反硝化過(guò)程一度被認(rèn)為是自然界最主要的脫氮過(guò)程[9]；后來(lái)逐步研究發(fā)現(xiàn)，厭氧氨氧化廣泛存在于河流、湖泊和海洋沉積物中，其在海洋沉積物脫氮過(guò)程中所占的比例最多可超過(guò)50%[10]。

從上述過(guò)程來(lái)看，厭氧環(huán)境和NO-

3是脫氮發(fā)生的兩個(gè)先決條件，因自然水體中NO-3條件容易滿足，故溶解氧被認(rèn)為是指示脫氮能否發(fā)生的重要指標(biāo)，并將其濃度低于0.5～2.0 mg/L作為氧化與還原環(huán)境的判定條件[11]。Robertson 發(fā)現(xiàn)在溶解氧為5.0 mg/L 的環(huán)境中，某些細(xì)菌也能將NO-3還原為氮?dú)鈁12]，原因是部分微生物能產(chǎn)生某種周質(zhì)硝酸鹽還原酶（P-Nar），可在有氧環(huán)境中促進(jìn)硝酸鹽還原[13]，即為自然水體脫氮的第三類(lèi)過(guò)程③好氧反硝化。后來(lái)，又有人發(fā)現(xiàn)有些微生物在厭氧環(huán)境下能夠利用甲烷（CH4）將硝酸鹽還原為氮?dú)?，即④厭氧甲烷氧化[14]，因該過(guò)程既可消耗甲烷，又能去除硝酸鹽，還不產(chǎn)生亞硝酸鹽，可在削減氮污染的同時(shí)去除溫室氣體，故在近年來(lái)備受?chē)?guó)際學(xué)者關(guān)注。

3 潛流帶與沉積物主要脫氮過(guò)程

目前研究認(rèn)為陸域排放的氮、磷污染有70%～80%是在河流流域內(nèi)被去除的，且主要發(fā)生在河網(wǎng)潛流帶和湖庫(kù)沉積物中[5]?！皾摿鲙В℉yporheic zone）”是指位于溪流或河流河床之下并延伸至河溪邊岸帶的水分飽和的沉積物層，包括側(cè)向潛流帶和垂向潛流帶[15]，如圖2所示。因地表水和地下水在此相互混合并發(fā)生物質(zhì)和能量交換，故潛流帶也被稱(chēng)為地表水-地下水交換帶[16]。研究表明，潛流帶伸展體積是地表水體的數(shù)倍乃至數(shù)百倍[17]，水體自初入河流到最后移出，幾乎全部與潛流帶發(fā)生過(guò)交換[18]。因此，潛流帶是河流中水量交換、溶質(zhì)遷移、新陳代謝和污染物儲(chǔ)存的主要場(chǎng)所，被譽(yù)為河流的肝臟[19]；同時(shí)還是多數(shù)河流生物的棲息地，具有重要的生態(tài)功能[20]。

圖2 流域河網(wǎng)潛流及其物質(zhì)交換帶示意[26]

潛流帶內(nèi)氮素運(yùn)移轉(zhuǎn)化過(guò)程一直是國(guó)際研究的熱點(diǎn)，甚至有人認(rèn)為河流中50%以上的脫氮過(guò)程都發(fā)生在潛流帶中[21]。研究表明，潛流帶脫氮過(guò)程主要取決于溫度、硝態(tài)氮濃度、有機(jī)碳濃度以及沉積物層的非均質(zhì)性，其中有機(jī)碳濃度是關(guān)鍵因素[22]。潛流帶水體交換可通過(guò)改變上述條件而影響脫氮過(guò)程。例如，地表水向下運(yùn)動(dòng)為潛流帶提供了溶氧，而地下水則為潛流帶提供了厭氧環(huán)境，好養(yǎng)與厭氧交替出現(xiàn)加速了潛流帶有機(jī)質(zhì)的快速分解[23]。對(duì)氮素而言，在溶氧充足的地表水中一般以硝酸鹽的形式存在，而在厭氧的地下水中則以氨氮為主要形態(tài)[19]。當(dāng)?shù)乇硭當(dāng)y帶硝酸鹽進(jìn)入潛流帶后，經(jīng)沉積物顆粒的吸附、反硝化及厭氧氨氧化[22]，硝態(tài)氮得以還原為氮?dú)?，或被潛流帶表層的藻?lèi)、植物利用而被移出水體[24]。潛流帶水流交換還可通過(guò)控制地表水與地下水的混合比例和其在潛流帶中的反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)短，進(jìn)而影響潛流帶中有氧和厭氧環(huán)境及溫度的分布[25]。

對(duì)于湖庫(kù)或海洋，水體脫氮?jiǎng)t被認(rèn)為主要發(fā)生在一層很薄的沉積物-上覆水界面上[27]。因湖庫(kù)或海洋等沉積物較厚、顆粒粒徑較小，且水體垂向運(yùn)動(dòng)相對(duì)較弱，在沉積物內(nèi)難以形成明顯的水流通道，含有溶氧和硝酸鹽的上覆水很難直接進(jìn)入沉積物內(nèi)部，只能在沉積物表層以擴(kuò)散為主的方式進(jìn)行交換[28]。因此，雖然沉積物內(nèi)部富含有機(jī)質(zhì)和微生物并處于厭氧環(huán)境，但因硝酸鹽濃度極低而無(wú)法發(fā)生脫氮反應(yīng)，但上覆水?dāng)U散進(jìn)入的溶解氧和硝酸鹽剛好在沉積物-上覆水界面與沉積物中的氨氮相遇，溶解氧很快消耗并形成厭氧環(huán)境[29]。大量研究已在湖庫(kù)、平原河流或海洋沉積物表層中找到了反硝化、厭氧氨氧化以及厭氧甲烷氧化的證據(jù)[30]。

4 水體及其懸浮顆粒脫氮過(guò)程

溶解氧極小層（Oxygen minimum zone，OMZ）是目前已知的開(kāi)放水體脫氮最可能發(fā)生的區(qū)域[31]。OMZ是指分層水體中存在的溶解氧消耗遠(yuǎn)大于補(bǔ)給的某層水體，深水水庫(kù)及海洋中時(shí)有發(fā)生[32]。因水溫和鹽度等因素的影響會(huì)使分層水體的某層密度突然增大，阻斷了上部溶氧向下傳輸；同時(shí)，上層真光層產(chǎn)生的藻類(lèi)等有機(jī)質(zhì)也因該層水體密度驟增而無(wú)法下沉。高濃度有機(jī)質(zhì)和低溶氧補(bǔ)給，很容易導(dǎo)致該層內(nèi)溶氧濃度驟降，OMZ隨即形成[31，33]。例如，Thamdrup等[34]發(fā)現(xiàn)雖然OMZ上層水體溶氧可超過(guò)250 μmol/L，但在OMZ 層中心區(qū)域溶氧最低可為10 nmol/L；而當(dāng)溶解氧低于25 μmol/L 時(shí)硝酸鹽還原開(kāi)始發(fā)生，當(dāng)溶解氧低于20 μmol/L 時(shí)厭氧氨氧化開(kāi)始發(fā)生[35]。同時(shí)，因OMZ 層內(nèi)有機(jī)碳充足，厭氧氨氧化在該層內(nèi)可不受碳源限制而成為主要的脫氮過(guò)程，厭氧反硝化發(fā)生概率反而較小[36]。因此，OMZ層剛好形成了一個(gè)非常適合脫氮的環(huán)境，有人估算在海洋OMZ內(nèi)，每年以厭氧氨氧化而產(chǎn)生的氮?dú)饪偭考s為0.8～1.5億t[37]，不到海洋總體積1%的OMZ 層貢獻(xiàn)了整個(gè)海洋脫氮總量的30%～50%，意義非常重大[38]。

近年來(lái)，越來(lái)越多的學(xué)者發(fā)現(xiàn)富氧水體中的懸浮顆粒也可強(qiáng)化水體脫氮，例如，Xia等[39]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)在富氧水體中加入懸沙能夠強(qiáng)化水體脫氮；Bianchi等[40]在富氧水中的懸浮顆粒物內(nèi)檢測(cè)到了厭氧微生物和厭氧甲烷氧化產(chǎn)物。除懸沙外，浮游植物（藻類(lèi)）等顆粒也被證明可促進(jìn)水體脫氮，例如，Eriksson 等[41]發(fā)現(xiàn)加入浮游植物的水體比未加入的脫氮效率要高；Naqvi等[42]研究發(fā)現(xiàn)水體浮游植物的存在可誘發(fā)水體厭氧甲烷氧化反應(yīng)。研究表明，如果考慮海洋藻類(lèi)顆粒對(duì)脫氮的影響，每年海洋脫氮總量估算將要增加一倍以上[40]。

相較于潛流帶、沉積物和OMZ層等特定的脫氮區(qū)域，顆粒物因不具備穩(wěn)定的好氧、厭氧環(huán)境而無(wú)法用經(jīng)典脫氮機(jī)制進(jìn)行解釋?zhuān)又苯佑^測(cè)數(shù)據(jù)的匱乏，一度成為科學(xué)爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。理論分析認(rèn)為，懸浮藻類(lèi)顆?？紫堵士蛇_(dá)99%[43]，其內(nèi)部有足夠的空間供微生物、氣體和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)富集[44]。Bianchi等[40]指出懸浮藻類(lèi)顆粒內(nèi)部可能發(fā)生固氮、脫氮、脫硫等多種反應(yīng)；還有證據(jù)表明只有在最嚴(yán)格厭氧環(huán)境才可產(chǎn)生的甲烷也可在懸浮藻類(lèi)顆粒內(nèi)產(chǎn)生[45]，這說(shuō)明懸浮顆粒物內(nèi)部結(jié)構(gòu)與生物地球化學(xué)過(guò)程可能非常復(fù)雜。Klawonn 等[46]采用15N示蹤方法證實(shí)懸浮藻類(lèi)顆粒內(nèi)確實(shí)存在復(fù)雜的生物地球化學(xué)過(guò)程，并給出了一個(gè)內(nèi)外物質(zhì)交換與脫氮過(guò)程的理論模式：①懸浮藻類(lèi)顆粒內(nèi)壁區(qū)域有機(jī)氮迅速礦化形成氨氮，其一小部分消耗溶氧并轉(zhuǎn)化成硝酸鹽，使得顆粒內(nèi)部核心區(qū)處于厭氧環(huán)境；②擴(kuò)散進(jìn)入的一部分硝酸鹽在厭氧環(huán)境下通過(guò)反硝化和厭氧氨氧化還原成氮?dú)?，另一部分則異化還原成氨；③顆粒核心區(qū)因溶氧極低而形成絕對(duì)厭氧環(huán)境，可能發(fā)生脫硫反應(yīng)和產(chǎn)甲烷反應(yīng)；④在懸浮顆粒內(nèi)形成了溶氧和硝酸鹽等氧化劑自外向內(nèi)逐漸降低，而氨氮、氮?dú)?、甲烷、硫化氫等還原產(chǎn)物逐漸升高的梯度分布模式，如圖3所示。

圖3 懸浮藻類(lèi)顆粒及其內(nèi)部氮循環(huán)示意[46]

5 開(kāi)放水體脫氮影響因素

決定開(kāi)放水體脫氮過(guò)程及效率的主要因素主要包括溶解氧（DO）、碳氮比、硝酸鹽濃度、溫度和pH值。研究表明，微生物作用下的生物地球化學(xué)反應(yīng)過(guò)程應(yīng)該滿足“氧化還原分級(jí)（Redox tower）”原理[47]，即從絕對(duì)氧化到絕對(duì)還原環(huán)境，依次將發(fā)生氧化反應(yīng)（消耗氧氣）、脫氮反應(yīng)（硝酸鹽被還原為氮?dú)猓l(fā)酵（產(chǎn)生乙酸）、金屬氧化物還原反應(yīng)（鐵、錳等還原）、脫硫反應(yīng)（硫氧化物還原為硫化氫）和產(chǎn)甲烷反應(yīng)，因此，溶解氧被認(rèn)為是決定脫氮是否發(fā)生的關(guān)鍵環(huán)境因子。一般認(rèn)為，溶解氧在一定范圍內(nèi)脫氮效率不受影響，但當(dāng)其下降到某一閾值時(shí)反硝化脫氮活性急劇上升[48]。雖不同種屬的厭氧反硝化菌具有不同的耐氧閾值，但大部分反硝化細(xì)菌在溶解氧低于0.50 mg/L時(shí)才產(chǎn)生反應(yīng)[11]。

因大多數(shù)的具有脫氮功能的微生物均為異養(yǎng)菌，故碳氮比很大程度上決定了微生物的脫氮速率。例如，Joo等[49]研究指出碳氮比越高越有利于厭氧反硝化菌的生物脫氮；而Kim等[50]又認(rèn)為C/N為8 時(shí)反硝化活性最高；Bernat等[51]還發(fā)現(xiàn)細(xì)菌可以利用某些細(xì)胞內(nèi)碳作為碳源進(jìn)行反硝化，為低碳氮比污廢水的生物處理提供了一種新的途徑。

硝酸鹽作為脫氮的基礎(chǔ)物質(zhì)，其濃度也與脫氮效率有一定關(guān)系。Hasegawa 等[52]指出硝酸鹽濃度與反硝化速率成正比；諸多研究也表明反硝化速率在硝酸鹽較低的環(huán)境中受到抑制，并隨著硝酸鹽的增加而增加[53]。

溫度通過(guò)影響微生物酶的活性來(lái)影響微生物的代謝速率，Herrman 等[54]指出在沉積物環(huán)境中，25℃下的反硝化速率是8℃下的2倍；王弘宇等[55]發(fā)現(xiàn)一般厭氧反硝化菌在25～35℃的溫度范圍內(nèi)具有很高的脫氮效率。

pH值主要通過(guò)引起細(xì)胞膜上的電荷的變化來(lái)決定微生物生長(zhǎng)進(jìn)而影響脫氮速率。一般中性及偏堿性有利于反硝化的進(jìn)行，在酸性和強(qiáng)堿條件下菌株生長(zhǎng)狀況差[56]。此外，某些金屬離子（如鐵、鎂、鈣等）也可以影響細(xì)菌的脫氮活性[57]。

顆粒大小和水動(dòng)力條件能夠相互作用并影響懸浮顆粒的脫氮效率。顆粒大小可影響懸浮顆粒與周?chē)w的物質(zhì)交換通量，進(jìn)而決定顆粒內(nèi)溶解氧分布梯度和脫氮過(guò)程[58]。已有研究表明，在高溶氧環(huán)境下，只有在直徑大于1 mm的懸浮顆粒內(nèi)才會(huì)出現(xiàn)厭氧環(huán)境而發(fā)生脫氮；當(dāng)溶氧低于25 μmol/L時(shí)，該直徑閾值可為0.1 mm[46]；此外，不同顆粒大小還可通過(guò)影響顆粒的上浮或下沉速度而改變其在水中的滯留時(shí)間來(lái)決定脫氮效率[59]。水動(dòng)力條件雖不能直接影響懸浮顆粒的脫氮過(guò)程，但其在決定懸浮顆粒大小、形態(tài)、內(nèi)部物質(zhì)梯度分布上能起到關(guān)鍵作用。例如，目前備受關(guān)注的藻類(lèi)絮凝體（Algae aggregation）、海洋雪（Marine snow）等都是在靜止分層水體中產(chǎn)生的，而在垂向混合較強(qiáng)的水體中一般不會(huì)形成較大的懸浮顆粒[60]。還有研究表明，即使水體環(huán)境相同，不同紊流下懸浮顆粒物內(nèi)部溶氧梯度分布也存在顯著差異[61]。此外，水體微動(dòng)力結(jié)構(gòu)還可通過(guò)改變懸浮顆粒的運(yùn)動(dòng)、聚集和漂浮特征來(lái)影響其脫氮過(guò)程[62]。

6 水庫(kù)對(duì)流域脫氮貢獻(xiàn)的研究展望

河流筑壩形成水庫(kù)可引起河流水動(dòng)力的改變，進(jìn)而改變河流原有的物質(zhì)場(chǎng)、能量場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)和生物場(chǎng)[7]，必然對(duì)流域脫氮過(guò)程產(chǎn)生顯著影響。以三峽水庫(kù)為例，蓄水發(fā)電后，水庫(kù)干流與支流庫(kù)灣呈現(xiàn)出完全不同的水體類(lèi)型和水環(huán)境狀態(tài)：干流流速較大，水體垂向摻混較強(qiáng)，懸浮顆粒以外源泥沙和有機(jī)碎屑為主[63]；支流庫(kù)灣卻因分層異重流的影響，呈現(xiàn)出時(shí)空差異顯著的特殊分層狀態(tài)，并由此誘發(fā)不同種類(lèi)的藻類(lèi)水華現(xiàn)象[64]，懸浮顆粒以藻類(lèi)顆粒為主。對(duì)比建庫(kù)前后入庫(kù)、出庫(kù)總氮變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，在2003年以前，三峽庫(kù)區(qū)污水年排放量與出庫(kù)（三峽壩址以下南津關(guān)）水體總氮濃度變化趨勢(shì)基本一致，呈正相關(guān)（圖4（a））；三峽水庫(kù)蓄水后，雖然國(guó)家在三峽庫(kù)區(qū)修建了大量污水處理廠，但因現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)下污水廠尾水氮、磷含量較地表水仍然很高；加之庫(kù)區(qū)處于經(jīng)濟(jì)社會(huì)加速發(fā)展時(shí)期，污水排放總量持續(xù)增加，理論上三峽水庫(kù)出庫(kù)水體總氮濃度也應(yīng)該逐漸升高；但是，實(shí)際監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，三峽庫(kù)區(qū)污水年排放量確實(shí)在逐年升高，但出庫(kù)水體總氮濃度卻基本維持不變（圖4（b）），這說(shuō)明三峽水庫(kù)顯著降低了向下游輸送的氮污染負(fù)荷，但相關(guān)削減機(jī)制尚需進(jìn)一步探究。

圖4 三峽庫(kù)區(qū)污水年排放量和出庫(kù)水體總氮濃度變化

此外，世界海洋“死亡地帶”[3]分布也可間接證實(shí)中國(guó)水庫(kù)可能會(huì)影響我國(guó)入海氮負(fù)荷。目前海洋“死亡地帶”已增至500余處，總面積達(dá)到450萬(wàn)km2，并還在快速蔓延[4]。雖然在中國(guó)部分海域已有“死亡地帶”的報(bào)道[65]，但其發(fā)生次數(shù)和面積較其它海域明顯要少，說(shuō)明中國(guó)河流入海營(yíng)養(yǎng)鹽通量可能還未達(dá)到“死亡地帶”頻發(fā)的水平，這與中國(guó)近年來(lái)污染排放總量較高的現(xiàn)實(shí)并不一致[1]。中國(guó)河流建有大小不一的水庫(kù)，總數(shù)接近10 萬(wàn)座；水庫(kù)因影響了河流水文過(guò)程，進(jìn)而改變流域氮、磷循環(huán)[7]，圖4所示的結(jié)果與上述推測(cè)基本吻合，說(shuō)明入?？诘⒘孜廴九c水庫(kù)建設(shè)可能存在一定關(guān)系，但水庫(kù)建設(shè)后究竟能降低入海口多少氮通量，尚需進(jìn)一步研究。

從理論分析來(lái)看，對(duì)沉積物及潛流帶而言，水庫(kù)化延長(zhǎng)了河流水停留時(shí)間，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)沉積，且水體中的生物耗氧過(guò)程造成溶解氧的降低；水庫(kù)通過(guò)對(duì)泥沙的異化沉積作用，將原河流潛流帶的泵吸交換和沖淤交換逐漸轉(zhuǎn)化為湖泊型生物交換和毛細(xì)滲透，并將潛流帶物質(zhì)補(bǔ)給模式由水平輸運(yùn)為主型轉(zhuǎn)化為以垂向沉積和擴(kuò)散為主型[66]，如圖5所示，這些改變都有利于增大沉積物厭氧區(qū)域并促進(jìn)沉積物的脫氮。對(duì)于水體而言，水庫(kù)造成的水流減緩、水體滯留時(shí)間增長(zhǎng)、水體垂向成層、浮游植物增多甚至水華發(fā)生等都可能影響水體脫氮過(guò)程，進(jìn)而對(duì)流域氮、磷循環(huán)的產(chǎn)生影響[7]。

圖5 河流型與湖泊型氮循環(huán)過(guò)程差異示意

因上述有關(guān)水庫(kù)強(qiáng)化水體脫氮機(jī)制的理論分析目前尚未有直接證據(jù)，為回答“較自然河流，水庫(kù)建設(shè)究竟是強(qiáng)化了脫氮作用還是降低了環(huán)境自?xún)袅Γ俊边@一問(wèn)題，建議開(kāi)展如下方面的研究工作。

（1）出入庫(kù)氮形態(tài)持續(xù)觀測(cè)及氮負(fù)荷平衡計(jì)算。選擇大、中、小等典型水庫(kù)，在入庫(kù)、出庫(kù)及庫(kù)內(nèi)設(shè)置關(guān)鍵性控制斷面，對(duì)水體、沉積物和大氣沉降中的總氮、無(wú)機(jī)氮、有機(jī)氮持續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)；計(jì)算各斷面的不同形態(tài)氮輸出通量和沉積物氮儲(chǔ)存量；開(kāi)展水庫(kù)氮負(fù)荷平衡計(jì)算，確定水庫(kù)氮的輸入、輸出和滯留等總量。

（2）水庫(kù)不同載體脫氮機(jī)制原位研究方法構(gòu)建。因受大氣高濃度氮的影響，以“氮?dú)狻睘槊摰苯幼C據(jù)的脫氮機(jī)制原位研究非常困難；加之水庫(kù)的水動(dòng)力條件和地球化學(xué)過(guò)程非常復(fù)雜，特別是大型水庫(kù)水體較深，沉積物和深層水體的溶解態(tài)、氣態(tài)氮研究就更為困難；水-氣界面氮?dú)忉尫磐恳惨蚴艿酱髿庥绊懚y以直接觀測(cè)。因此，構(gòu)建水庫(kù)沉積物、水體、懸浮物及水-氣界面的脫氮機(jī)制及界面交換過(guò)程研究方法對(duì)于研究“水庫(kù)脫氮”至關(guān)重要。

（3）水庫(kù)脫氮機(jī)制及氮移出通量研究。開(kāi)展不同水庫(kù)沉積物、水體、懸浮物等載體內(nèi)的脫氮過(guò)程及影響因素研究，闡明水庫(kù)不同載體內(nèi)發(fā)生厭氧反硝化、好養(yǎng)反硝化、厭氧氨氧化、厭氧甲烷氧化或其它新的脫氮機(jī)制的環(huán)境條件，科學(xué)闡明“水庫(kù)強(qiáng)化脫氮”的主要機(jī)制；同時(shí)以“氮?dú)狻弊鳛橹苯幼C據(jù)，研究溶解態(tài)、氣泡態(tài)氮在水庫(kù)不同載體和界面間的交換、運(yùn)移和逸出過(guò)程及通量。

（4）自然河流與水庫(kù)脫氮效率對(duì)比研究。尋求可與水庫(kù)開(kāi)展對(duì)比研究的自然河流，開(kāi)展河流沉積物、水體及懸浮物脫氮機(jī)制、效率及氮逸出通量研究，并與水庫(kù)脫氮機(jī)制及效率進(jìn)行對(duì)比，確定水庫(kù)對(duì)流域氮循環(huán)的影響機(jī)制，并對(duì)比分析水庫(kù)對(duì)氮的攔截作用和強(qiáng)化脫氮效率。