氣體擴(kuò)散系數(shù)法估算水體反硝化速率

李曉寒，嚴(yán)星，夏永秋，顏曉元

（1.中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

反硝化作用是活性氮最終以惰性氮形式離開(kāi)土壤、水體等內(nèi)部生物循環(huán)回到大氣的最主要的自然途徑[1-2]。反硝化過(guò)程主要發(fā)生在厭氧條件下，在微生物的作用下，硝酸鹽被依次轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽、NO、N2O，最后以N2的形式返回到大氣氮庫(kù)中。作為反硝化過(guò)程的主要產(chǎn)物，N2在空氣背景值中的濃度高達(dá)78%，要直接測(cè)定反硝化脫氮速率，需要方法的精度達(dá)到0.1%。準(zhǔn)確測(cè)定反硝化速率，對(duì)于深入理解水體氮循環(huán)過(guò)程及其氮去除機(jī)制具有重要意義。

反硝化速率的估算方法有很多，主要可以分為間接法和直接法。硝酸鹽消失法、乙炔抑制法和15N 平衡法等屬于間接方法。硝酸鹽消失法認(rèn)為水體中減少的硝酸鹽是被反硝化過(guò)程所消耗，因此可以基于系統(tǒng)中硝酸鹽的減少量來(lái)確定反硝化速率，但是由于硝酸鹽還會(huì)被生物吸收或被沉積物固定，因而這種方法會(huì)導(dǎo)致高估反硝化作用。乙炔抑制法是借助乙炔抑制N2O 向N2的轉(zhuǎn)化，通過(guò)測(cè)定N2O 來(lái)間接計(jì)算反硝化速率，然而乙炔在抑制N2O向N2轉(zhuǎn)化的同時(shí)還會(huì)抑制硝化作用，另外乙炔可能會(huì)被微生物當(dāng)作碳源分解利用，從而降低抑制效果，造成反硝化速率被低估[3]。15N 平衡法是通過(guò)加入15N 標(biāo)記的同位素來(lái)示蹤各種氮作用過(guò)程，最后運(yùn)用差減法計(jì)算反硝化作用消耗的氮，一方面人為添加氮源以及同位素的分餾效應(yīng)會(huì)對(duì)反硝化過(guò)程產(chǎn)生影響，另一方面平衡法因涉及多個(gè)過(guò)程的測(cè)定而存在多個(gè)來(lái)源的累計(jì)誤差[4]。

反硝化速率的直接估算方法主要基于N2∶Ar 測(cè)定。Ar 是一種惰性氣體，在水體中的溶解度主要受溫度和鹽度控制，其濃度非常穩(wěn)定。因此，可通過(guò)水體中溶解的N2∶Ar 的增量來(lái)計(jì)算系統(tǒng)中N2的濃度。Kana 等[5]開(kāi)發(fā)的膜進(jìn)樣質(zhì)譜儀（Membrane inlet mass spectrometer，MIMS），測(cè)定N2∶Ar 的誤差小于0.03%，因此該方法可以直接測(cè)定反硝化作用產(chǎn)生的N2。密閉培養(yǎng)法是將采集的原狀沉積物和上覆水在培養(yǎng)柱內(nèi)進(jìn)行密閉培養(yǎng)，在培養(yǎng)期間，反硝化產(chǎn)生的N2在培養(yǎng)柱水體中不斷累積，因此水中N2濃度隨培養(yǎng)時(shí)間的增加便反映了系統(tǒng)的反硝化速率。但這種方法需要在原位采集無(wú)擾動(dòng)的沉積物和上覆水帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行培養(yǎng)，并且在培養(yǎng)、取樣以及補(bǔ)水過(guò)程中都要求培養(yǎng)體系完全密閉，不能有空氣進(jìn)入。因此該方法野外采集原狀沉積物工作量大，實(shí)驗(yàn)要求高，培養(yǎng)取樣過(guò)程也耗時(shí)耗力，無(wú)法反映水力和環(huán)境因子（流速、風(fēng)速等）對(duì)反硝化過(guò)程的影響。氣體擴(kuò)散系數(shù)法是測(cè)定開(kāi)放水體中溶解的N2∶Ar，根據(jù)水-氣界面氣體擴(kuò)散系數(shù)方程計(jì)算出氣體擴(kuò)散系數(shù)，進(jìn)而得到N2的產(chǎn)生速率即反硝化速率。該方法操作簡(jiǎn)單，不受環(huán)境條件限制，而且能反映開(kāi)放環(huán)境如水力和環(huán)境因子對(duì)反硝化速率的影響。氣體擴(kuò)散法的估算結(jié)果取決于水-氣界面氣體擴(kuò)散系數(shù)的獲取。目前，計(jì)算水-氣界面氣體擴(kuò)散系數(shù)的方法有多種，但是選取何種方法確定水-氣界面氣體擴(kuò)散系數(shù)，方法的可靠性如何，以及方法的不確定性如何，對(duì)于這些方面的研究還較少。因此，本研究基于室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，同步使用密閉培養(yǎng)法和氣體擴(kuò)散系數(shù)法，進(jìn)行擴(kuò)散系數(shù)法可靠性評(píng)估與系數(shù)確定方法比選，以及擴(kuò)散系數(shù)法參數(shù)敏感性分析。本研究對(duì)于原位條件下水體反硝化速率的快速、準(zhǔn)確估算具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 氣體擴(kuò)散系數(shù)法

氣體在水-氣界面的交換通量由氣體的擴(kuò)散速率和氣體在水中的實(shí)際溶解度與理論溶解度的差值決定，因此N2的擴(kuò)散通量可由如下公式表示：

式中：FN2指N2在水-氣界面的擴(kuò)散通量，mg·m-2·h-1（以N2計(jì)，下同）；kN2指N2的擴(kuò)散速率，cm·h-1；cwater指水中溶解的N2濃度，mg·L-1；cequal指水-氣平衡時(shí)理論上水中溶解的N2濃度，mg·L-1，可以根據(jù)采樣點(diǎn)的水溫和鹽度計(jì)算[6]。

kN2與k600有如下關(guān)系：

SCN2=1 970.7-131.45×T+4.139×T2-0.052 106×T3式中：k600是20 ℃下CO2的擴(kuò)散系數(shù)，cm·h-1；SCN2和600分別是淡水中N2和CO2的施密特?cái)?shù)，屬于無(wú)量綱參數(shù)，氣體的施密特?cái)?shù)是關(guān)于水體溫度（T，℃）的三次函數(shù)[7]；n是 施 密 特 系 數(shù)，當(dāng) 風(fēng) 速 小 于3.6 m·s-1時(shí)，n=2/3，否則，n=1/2[8]。目前常用于估算k600的模型主要是kwind-current類(lèi)型，如表1 所示，即模型中既包含風(fēng)速又包含水力參數(shù)（流速、水深）。不同模型的參數(shù)不同，對(duì)氣體擴(kuò)散通量的估算也存在一定差異，因此本研究比較并標(biāo)定了表中的3種氣體擴(kuò)散系數(shù)模型。

表1 氣體擴(kuò)散系數(shù)模型Table 1 Gas diffusion coefficient model

在u10不易獲取的情況下，可以通過(guò)水面上方1 m處的風(fēng)速u(mài)1（m·s-1）進(jìn)行換算[12]。

1.2 密閉培養(yǎng)法

密閉培養(yǎng)法是將無(wú)擾動(dòng)的原狀沉積物與上覆水在密閉的培養(yǎng)體系中進(jìn)行培養(yǎng)。其原理是隨著培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，反硝化的最終產(chǎn)物N2不斷累積，短時(shí)間內(nèi)水體中N2濃度線性增加，因此將水中N2的濃度與時(shí)間進(jìn)行線性回歸可得到Y(jié)=aX+b，其中斜率a即表示水中N2濃度的變化速率，再結(jié)合培養(yǎng)柱的橫截面積與上覆水體積，即可準(zhǔn)確計(jì)算出水體的反硝化速率[13]。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 開(kāi)放培養(yǎng)

為了應(yīng)用氣體擴(kuò)散系數(shù)法，需要測(cè)定開(kāi)放體系內(nèi)上覆水中溶解的N2濃度。在南京市江寧區(qū)秦淮河段（31.87°N，118.86°E）采集0~10 cm 表層沉積物，帶回實(shí)驗(yàn)室后將沉積物充分混合均勻，然后分裝到培養(yǎng)柱中（PVC，內(nèi)徑8 cm、外徑9 cm、高度27 cm），培養(yǎng)柱底部用橡膠塞密封，每根培養(yǎng)柱中的底泥高度約為10 cm。用KNO3配制濃度為0、1、2、4、6 mg·L-1（以N 計(jì)，下同）的硝酸鹽溶液，作為培養(yǎng)體系的上覆水，上覆水的深度為15 cm。每個(gè)濃度3 個(gè)平行，共15 根培養(yǎng)柱放在水浴培養(yǎng)箱中并維持水溫恒定。將培養(yǎng)柱敞口靜置在培養(yǎng)箱中預(yù)培養(yǎng)一天兩夜，使培養(yǎng)體系達(dá)到平衡狀態(tài)。培養(yǎng)體系穩(wěn)定后取第一個(gè)水樣作為0 h的樣品，然后分別在第2、4、6、8小時(shí)取樣，每次取3個(gè)重復(fù)水樣。

取樣時(shí)，用移液槍吸取表層的水樣轉(zhuǎn)移到頂空瓶（12 mL，Labco Limited，英國(guó)）中，使水樣在頂空瓶瓶口形成頂空，然后立即擰緊蓋子密封。用移液槍取樣過(guò)程中注意不要吸入空氣，將水樣轉(zhuǎn)移到頂空瓶的過(guò)程中也盡量不要充入空氣，以免污染水樣。如果所取樣品不能在2 h 內(nèi)測(cè)定，則要在頂空瓶注入水樣之前用移液槍深入瓶中加入100 μL 飽和ZnCl2溶液，用于抑制微生物活性。

1.3.2 密閉培養(yǎng)

密閉培養(yǎng)所用培養(yǎng)柱尺寸、底泥和上覆水均與開(kāi)放培養(yǎng)一致，樣品在培養(yǎng)桶中預(yù)培養(yǎng)一天兩夜使培養(yǎng)體系達(dá)到平衡狀態(tài)，每個(gè)濃度下設(shè)置3 個(gè)平行，與開(kāi)放培養(yǎng)同時(shí)在第0、2、4、6、8 小時(shí)取樣，每次樣品取3個(gè)重復(fù)。不同于開(kāi)放培養(yǎng)的是，密閉培養(yǎng)需要保證在培養(yǎng)期間柱內(nèi)無(wú)氣體交換，因此需要用密封蓋將培養(yǎng)柱密封，密封以及取樣的過(guò)程中也要注意避免柱內(nèi)產(chǎn)生氣泡。

具體培養(yǎng)和取樣方法參照李曉波等[13]的方法。

1.3.3 環(huán)境理化因子測(cè)定

在開(kāi)始取樣前用HQ301 直接測(cè)定培養(yǎng)柱中上覆水的pH、水溫、鹽度等指標(biāo)，同時(shí)取水樣用于后續(xù)測(cè)定NO-3-N、NH+4-N。

沉積物剔除石塊等雜物后混勻，并取樣測(cè)定pH、NO-3-N、NH+4-N、TN 和TC。沉積物風(fēng)干后過(guò)2 mm 孔徑篩，按照水土比2.5∶1振蕩并靜置后測(cè)定pH，NO-3-N、NH+4-N 采用2 mol·L-1KCl 浸提沉積物后測(cè)定，TN 和TC在沉積物風(fēng)干研磨過(guò)100目篩后測(cè)定。

pH 采用pH 計(jì)測(cè)定，NO-3、NH+4采用流動(dòng)分析儀測(cè)定，TN 和TC 采用CNS 元素分析儀測(cè)定。沉積物的部分理化性質(zhì)見(jiàn)表2。

表2 沉積物的基本理化性質(zhì)Table 2 Basic physical-chemical properties of the sediment

1.4 水體中溶解N2的測(cè)定

水 中 溶解N2的 濃 度 由MIMS（Bay Instruments，Easton，MD，美國(guó)）直接測(cè)定。MIMS 主要由蠕動(dòng)泵、恒溫水浴、液氮冷阱、四極桿質(zhì)譜管、信號(hào)收集器、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成[5]。待測(cè)水樣沿進(jìn)樣管在蠕動(dòng)泵的作用下穿過(guò)水浴調(diào)節(jié)裝置，經(jīng)過(guò)溫度平衡后進(jìn)入真空系統(tǒng)并與半透膜接觸。水樣中的部分氣體透過(guò)半透膜進(jìn)入四極質(zhì)譜管，首先在電離裝置作用下進(jìn)行離子化，而后不同質(zhì)量的離子經(jīng)過(guò)振蕩電場(chǎng)分離后進(jìn)入檢測(cè)器。蠕動(dòng)泵可以將水樣以穩(wěn)定的速度輸入到進(jìn)樣系統(tǒng)中，恒溫水浴可以快速調(diào)節(jié)低溫保存的水樣至實(shí)際取樣時(shí)的溫度，液氮冷阱可以去除水蒸氣、CO2、CH4等低分子有機(jī)化合物，以防對(duì)待測(cè)氣體產(chǎn)生干擾。MIMS通過(guò)測(cè)定水樣N2∶Ar來(lái)計(jì)算水樣中N2的濃度，其精度可達(dá)到0.03%。水樣中N2濃度的計(jì)算公式如下：

式中：fC為校正因子；（[N2]/[Ar]）Sa、（[N2]/[Ar]）St分別表示樣品、標(biāo)準(zhǔn)水樣中N2∶Ar的實(shí)測(cè)值；（[N2]/[Ar]）E、[Ar]E分別表示標(biāo)準(zhǔn)水樣中N2∶Ar、Ar濃度的理論值。

1.5 參數(shù)敏感性分析

本研究旨在理解由擴(kuò)散系數(shù)模型估算的N2通量對(duì)輸入的各環(huán)境變量的敏感性。敏感性分析分為局部敏感性分析（Local sensitivity analysis，LSA）和全局敏感性分析（Global sensitivity analysis，GSA），常用于模型參數(shù)不確定性分析。LSA 是在保持其他條件不變情況下，改變某個(gè)特定參數(shù)來(lái)進(jìn)行敏感性分析[14]，而GSA 是同時(shí)改變?nèi)繀?shù)來(lái)研究全局所有因素的影響[15]。在本研究中，應(yīng)用蒙特卡洛模擬法分別產(chǎn)生水溫、鹽度、流速、水深、風(fēng)速5 個(gè)參數(shù)的隨機(jī)數(shù)，進(jìn)行LSA。蒙特卡洛模擬法是在每個(gè)因子的分布范圍內(nèi)隨機(jī)取值，從而產(chǎn)生一系列隨機(jī)數(shù)。各因子的分布和變異基于太湖流域多年觀測(cè)數(shù)據(jù)。其中，水溫?cái)?shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)分別來(lái)源于中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站和國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心的相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)，流速、水深和鹽度的數(shù)據(jù)來(lái)源于已發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)[16-18]。上述5個(gè)參數(shù)均屬于環(huán)境變量，可認(rèn)為其均服從正態(tài)分布。以收集到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)確定了各參數(shù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差（表3），隨后用蒙特卡洛法進(jìn)行了1 000次模擬。

表3 蒙特卡洛模擬所需參數(shù)的變化范圍Table 3 Range of parameters in Monte Carlo analysis

在本研究中，敏感性的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)為無(wú)偏百分比差異（Unbiased percent difference，UPD，D），具體計(jì)算方法如下：

式中：N為模擬次數(shù)；xi指第i次模擬時(shí)模型計(jì)算的結(jié)果；y指N次模擬計(jì)算結(jié)果的均值。

1.6 統(tǒng)計(jì)方法

本研究中數(shù)據(jù)分析均使用Excel 進(jìn)行，繪圖使用OriginPro 2022完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣體擴(kuò)散系數(shù)法的可靠性

如圖1 所示，3 種氣體擴(kuò)散系數(shù)模型估算出的水體反硝化速率均與上覆水中NO-3-N 的濃度呈正相關(guān)，并且用米氏方程能夠很好地?cái)M合反硝化速率與反應(yīng)底物（NO-3-N）濃度之間的關(guān)系（R2=0.994 6，P<0.01），米氏常數(shù)為1.42。反硝化作用是反硝化菌在無(wú)氧條件下，將NO-3-N 作為電子受體完成呼吸作用以獲得能量的過(guò)程，屬于微生物過(guò)程，因此反硝化速率與NO-

圖1 不同氣體擴(kuò)散系數(shù)法估算的反硝化速率對(duì)NO-3-N濃度的響應(yīng)關(guān)系Figure 1 Relationship between denitrification rates estimated by different gas diffusion coefficient methods and NO-3-N concentration

3-N 濃度之間符合米氏方程的關(guān)系。由此也說(shuō)明氣體擴(kuò)散系數(shù)法估算出的反硝化速率能夠用于估算水體的反硝化速率。

2.2 結(jié)果比較

在氣體擴(kuò)散系數(shù)法與密閉培養(yǎng)法的比較中（圖2）可以發(fā)現(xiàn)，3 種擴(kuò)散系數(shù)法與密閉培養(yǎng)法測(cè)定的水體反硝化速率之間均有顯著的線性關(guān)系（R2=0.776 7，P<0.05），但斜率各不相同，BO04、CL07 和Xia21 的斜率分別為2.44、1.22 和0.59，究其原因是由于模型結(jié)構(gòu)和系數(shù)差異造成的。本研究中，3 個(gè)模型中風(fēng)速的系數(shù)以及BO04 和Xia21 中水深和流速的系數(shù)均是由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合分析而來(lái)，可認(rèn)為是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，而CL07中水深和流速的系數(shù)是依據(jù)熱力學(xué)原理推導(dǎo)出來(lái)的。由此可認(rèn)為，CL07 屬于半經(jīng)驗(yàn)半機(jī)理模型，BO04 與Xia21 屬于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。另外，雖然經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南禂?shù)都是通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析的方法歸納得到，但在分析過(guò)程中所用數(shù)據(jù)集不同，得到的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)也會(huì)有所不同。也正因?yàn)槿绱?，雖然3 種模型納入的因子一樣，但模型結(jié)構(gòu)和系數(shù)迥異，導(dǎo)致估算出的結(jié)果也存在較大差異。

進(jìn)一步比較了3 種氣體擴(kuò)散系數(shù)模型的反硝化估算結(jié)果與密閉培養(yǎng)法的測(cè)定結(jié)果，如圖3 所示，BO04 和CL07 的反硝化速率估算結(jié)果分別為46.51~266.42 μmol·m-2·h-1和23.28~133.33 μmol·m-2·h-1，相較于密閉培養(yǎng)法測(cè)定結(jié)果（24.55~91.20 μmol·m-2·h-1）均較大。而Xia21 估算的反硝化速率（11.30~64.70 μmol·m-2·h-1）相比于密閉培養(yǎng)法測(cè)定結(jié)果較小。結(jié)合圖2中3種氣體擴(kuò)散系數(shù)法與密閉培養(yǎng)法估算的水體反硝化速率擬合方程的斜率，本研究認(rèn)為CL07 和Xia21 的估算結(jié)果均較為接近密閉培養(yǎng)法的測(cè)定結(jié)果，但其結(jié)果分別偏高和偏低。

圖3 不同擴(kuò)散模型與密閉培養(yǎng)法估算反硝化速率的結(jié)果對(duì)比Figure 3 Comparison of denitrification rates estimated by different coefficient diffusion models and MIMS-based method

2.3 氣體擴(kuò)散系數(shù)法的參數(shù)敏感性分析

本文所選的3 種氣體擴(kuò)散系數(shù)模型都納入了水深、流速和風(fēng)速3 個(gè)參數(shù)，同時(shí)水溫和鹽度是決定氣體施密特?cái)?shù)的參數(shù)，因此用擴(kuò)散系數(shù)模型估算反硝化速率的不確定性取決于以上5 個(gè)參數(shù)的敏感性。以下選擇CL07模型進(jìn)行參數(shù)敏感性分析。

參數(shù)敏感性分析結(jié)果表明，氣體擴(kuò)散系數(shù)模型對(duì)鹽度的變化幾乎不敏感（UPD=0.03%），而對(duì)風(fēng)速的變化最為敏感（UPD=12.13%），其次比較敏感的參數(shù)是流速和水溫，UPD 分別為9.49%和9.42%，對(duì)水深也有一定的敏感性，UPD 為6.24%。因此在應(yīng)用氣體擴(kuò)散系數(shù)法估算水體反硝化速率時(shí)，風(fēng)速、流速和水溫是3 個(gè)最重要的環(huán)境因子，其準(zhǔn)確性影響著模型的估算精度。水體溫度不僅可以通過(guò)影響微生物活性從而直接對(duì)反硝化速率產(chǎn)生影響，而且水體溫度變化會(huì)改變N2在水體中的理論溶解度，導(dǎo)致水體中N2的飽和度發(fā)生變化，在用擴(kuò)散系數(shù)法估算反硝化速率時(shí)會(huì)間接影響估算結(jié)果。水體的流動(dòng)一方面有助于硝酸鹽底物向底泥補(bǔ)充以促進(jìn)反硝化作用，另一方面也會(huì)使水體溶解氧量增多，破環(huán)水體底部的厭氧環(huán)境從而抑制反硝化作用，因此水體流速對(duì)水體反硝化有著至關(guān)重要的作用。風(fēng)速是影響氣體在水-氣界面擴(kuò)散的重要物理因素，是氣體擴(kuò)散系數(shù)模型中最重要的環(huán)境因子。

3 討論

在原位狀態(tài)下，水體反硝化過(guò)程受多種因素影響，而目前只有氣體擴(kuò)散系數(shù)法能夠?qū)崿F(xiàn)原位直接估算水體的反硝化速率。以往的研究表明，NO-3濃度和水溫是水體反硝化的主要控制因子。例如Zhao 等[19]構(gòu)建的反硝化速率預(yù)測(cè)模型納入了水溫和NO-3-N 濃度兩項(xiàng)參數(shù)，模型的解釋率達(dá)到了85%。一方面，NO-3是反硝化作用的底物，高濃度的NO-3有利于反硝化的發(fā)生；另一方面，隨著水體溫度升高，微生物活性增強(qiáng)，進(jìn)而促進(jìn)了反硝化作用。此外，其他的生物化學(xué)因子，如溶解氧（DO）[19]、pH 和氧化還原電位（ORP）[20]也會(huì)通過(guò)影響硝化-反硝化耦合過(guò)程來(lái)影響水體反硝化速率。近年來(lái)，越來(lái)越多的研究強(qiáng)調(diào)水力因子（如流速、流量、水深、水力停留時(shí)間等）在水體反硝化過(guò)程中的重要作用。Guo 等[21]通過(guò)主成分分析研究發(fā)現(xiàn)水力因子（流速、流量）對(duì)太湖流域的氮去除貢獻(xiàn)率達(dá)到14%。Alexander等[22]在墨西哥灣的研究表明，從小河流到大河流，隨著河道水深增加，水體的氮去除速率減小。Marce等[23]將已發(fā)表文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，分析發(fā)現(xiàn)水力停留時(shí)間可以解釋硝酸鹽去除的22%~48%。以上研究都表明，原位環(huán)境下影響水體反硝化速率的因素多且機(jī)制復(fù)雜，而密閉培養(yǎng)法不能反映水力和環(huán)境因子對(duì)反硝化過(guò)程的影響，因此估算結(jié)果存在很大的不確定性。氣體擴(kuò)散系數(shù)法則很好地彌補(bǔ)了這一缺陷，通過(guò)在原位直接估算水體的反硝化速率從而能夠更加真實(shí)地定量反硝化過(guò)程。因此該方法可以在大尺度上高頻率地進(jìn)行水體反硝化速率的估算[24-25]。

但值得注意的是，因?yàn)橛绊憵怏w在水-氣界面擴(kuò)散的因素復(fù)雜，所以關(guān)于在原位條件下估算氣體擴(kuò)散速率的最佳模型尚未達(dá)成共識(shí)[26-27]，并且不同擴(kuò)散系數(shù)方程估算出的反硝化速率存在明顯差異（圖3）。與本研究的結(jié)果不同，Yang等[28]比較了10種氣體擴(kuò)散系數(shù)方程估算的k600，結(jié)果顯示CL07 的估算結(jié)果約是BO04估算結(jié)果的2.5倍，這說(shuō)明了即使相同的氣體擴(kuò)散系數(shù)方程在不同研究條件下估算出的結(jié)果也會(huì)存在差異。因此在不同情境下應(yīng)用氣體擴(kuò)散系數(shù)法進(jìn)行反硝化速率的估算時(shí)，要根據(jù)實(shí)地環(huán)境條件對(duì)模型進(jìn)行標(biāo)定，從而選擇合適的氣體擴(kuò)散系數(shù)方程。

4 結(jié)論

BO04、CL07和Xia21 3種氣體擴(kuò)散方程均能很好地表征反硝化速率對(duì)硝態(tài)氮濃度的響應(yīng)關(guān)系。在本試驗(yàn)條件下，CL07和Xia21的估算結(jié)果均接近密閉培養(yǎng)法的測(cè)定結(jié)果。通過(guò)對(duì)CL07方程進(jìn)行參數(shù)敏感性分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速、流速和水溫是最為敏感的3 個(gè)因子，無(wú)偏百分比差異分別達(dá)到了12.13%、9.49% 和9.42%。總之，氣體擴(kuò)散系數(shù)法估算水體反硝化速率具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，為區(qū)域尺度原位條件下水體反硝化速率的快速、準(zhǔn)確估算提供了方法基礎(chǔ)。