源头溪流氮磷耦合吸收效应及动力学模拟

源头溪流氮磷耦合吸收效应及动力学模拟
李如忠;许大强;阙凤翔
【摘要】为揭示源头溪流氮磷耦合吸收作用机制,选择NaCl 和NaBr 为保守型示踪剂、KNO3和KH2PO4为添加营养盐,于2017年10月～2018年3月在合肥城郊的2条源头溪流,开展5次由单、双营养盐添加构成的示踪试验,利用TASCC 技术方法,分别以Michaelis-Menten (M-M)方程和双营养耦合吸收曲面模型拟合营养盐吸收动力学过程.结果表明,双添加试验的NO3-N、PO4-P吸收速率均明显高于单添加情形,意味着溪流中NO3-N与PO4-P吸收存在相互促进作用;双营养耦合吸收响应曲面直观展示了氮、磷营养盐不同浓度水平及浓度比情形下吸收速率的演化趋势,诠释了较低浓度水平下溪流 NO3-N(或PO4-P)吸收速率随PO4-P(或NO3-N)可利用量增加而增大的作用机制;两种动力学模型在NO3-N、PO4-P 最大吸收速率拟合结果上均存在不同程度的偏差,其中M-M方程低估了Umax-N和Umax-P,相应幅度分别达3.91％～16.11％、3.23％～23.63％.%Five conservative tracer tests including single nutrient and dual-nutrient injection were conducted to reveal the coupling mechanism of nitrogen and phosphorus uptake in two headwater streams of Ershibu River in the suburb of Hefei, Chaohu Lake Basin, from October 2017 to March 2018. NaCl and NaBr were selected as the conservative tracers; the reactive nutrients were KNO3 and KH2PO4. Based on the TASCC (Tracer Additions for Spiraling Curve Characterization) method, the Michaelis-Menten (M-M) model and the two-substrate M-M response surface model were applied to simulate the kinetics of nutrients uptake. The results showed that the uptake rates of NO3-N and PO4-P in the dual-nutrient injection test were
significantly higher than those obtained in the single nutrient injection test, which implied that mutual promotion between NO3-N and PO4-P for nutrient uptake in the two headwater streams. The dual-nutrient uptake response surfaces presented the evolutionary trends of uptake rates at different concentrations and ratios of nitrogen and phosphorus. Additionally, it also explained the interaction mechanism of NO3-N (or
PO4-P) uptake rate increasing with the increase of the available PO4-P (or NO3-N) at their low concentration. The fitting results of NO3-N and PO4-P maximum uptake rates (Umax-N and Umax-P) obtained by the two kinetic models presented deviations in a certain degree. The parameters of Umax-N and Umax-P were underestimated by the M-M model ranging from
3.91％～16.11％ and 3.23％～23.63％, respectively.
【期刊名称】《中国环境科学》
【年(卷),期】2019(039)002
【总页数】9页(P648-656)
【关键词】源头溪流;氮磷耦合吸收;TASCC;Michaelis-Menten(M-M)方程;响应曲面模型
【作者】李如忠;许大强;阙凤翔
【作者单位】合肥工业大学资源与环境工程学院, 安徽合肥 230009;合肥工业大学资源与环境工程学院, 安徽合肥 230009;合肥工业大学资源与环境工程学院, 安徽合肥 230009
【正文语种】中文
【中图分类】X522
源头溪流是氮磷等营养元素生物地球化学循环过程的重要发生场所[1-3],在流域水环境系统中发挥着重要的生态功能.从20世纪90年代开始,欧美发达国家陆续启动了面向河流系统的养分滞留和循环研究计划,从而推动了小河流养分滞留研究的发展.目前,以溪流为主体的河流养分滞留研究成为环境科学、环境水文地质学、环境水生态学等领域的热点[4-5].总体上,现有针对源头溪流养分吸收能力的研究,大多都是将不同营养盐吸收看作相互独立的作用过程,并以养分螺旋指标直接度量滞留潜力 [6-7],对于吸收过程中营养元素间的相互关系关注较少,为数不多的研究工作也仅是利用统计分析技术进行定性的分析和识别[8],对于生物化学计量关系的关注也不够充分[9].众所周知,生物体需要从外界环境中摄取必需的营养元素以合成生长所需的结构性和功能性生物质组分,从而维持其正常生长.虽然在极小时间尺度上生物体对于营养盐的吸收可能存在非耦合现象[10],但耦合吸收依旧占据绝对主导地位.因此,从耦合吸收角度解析源头溪流氮磷营养盐滞留特征,更具有科学性和合理性.然而,在营养盐耦合吸收过程中,不同营养盐之间可能存在一定的协同或抑制作用,从而最终影响溪流营养盐的吸收或滞留效应,这是环境生态学研究中不容忽视的.因此,如何定量评估溪流养分的耦合吸收潜力,解析耦合吸收过程中不同营养元素(或营养盐)的相互促进或抑制效应,是一个亟待探索的课题[11].
巢湖流域是我国“三湖三河”水污染治理的重点流域之一,湖泊水体污染和富营养化相当严重,充分利用源头溪流的养分滞留功能,对于实现巢湖外源氮磷负荷削减具有重要的意义.已有研究[12-15]采用养分螺旋原理,对巢湖流域合肥地区的多条源头溪流氮磷滞留潜力进行了评价,并以TASCC技术方法模拟了营养盐吸收的动力学特征[16-17],为小流域氮磷养分负荷的环境管理提供了依据.但由于未能考虑养分吸收
的耦合效应,相关评价结果与溪流真实的养分吸收潜力可能存在出入.从流域水环境管理看,准确评估溪流养分滞留潜力至关重要.为此,需要尽可能清晰、准确地刻画溪流养分耦合吸收效应及其动力学过程,揭示氮磷可利用性对彼此吸收能力的影响,从而深度剖析氮、磷营养盐耦合吸收机制.基于生物体养分吸收的耦合性特征,本研究拟以合肥城郊两条源头溪流为对象,利用营养盐添加示踪试验和TASCC技术,从硝酸盐氮与磷酸盐耦合吸收角度,解析氮磷吸收过程的相互促进或抑制效应,从而更为准确地度量源头溪流氮磷吸收潜力,以期为该地区小尺度河流水系统氮磷负荷削减和调控政策的制定提供依据.
二十埠河流域位于合肥市东北部城区,为巢湖西半湖北侧重要入湖河流—南淝河的主要支流,全长27km,流域面积136km2,年均气温15.7℃,年均降水量约1000mm.流域属典型的江淮低矮丘陵岗地,地势总体平缓.流域上游以农业用地为主,中下游主要为城市建成区或拟建设用地.本研究选定的磨店小溪流(M)和张洼小溪流(Z)均位于二十埠河流域的上部地区,分别处于合肥市的东北部和北部城郊.
磨店小溪流位于学府路西段尽头附近,溪流大致呈东北至西南走向,全长约2.5km.示踪试验段长约140m,位于亚樵路与淮海大道之间.该渠段总体平直,土质护坡,下切深度约0.3~1.4m,水深25~45cm,水面宽度0.8~1.33m,流速10~20cm/s,流量
0.045~ 0.065m3/s.渠道两侧杂草丛生,水中大型水生植物缺乏,水面覆盖度不足30%;渠底沉积物较少,水体NO3-N、PO4-P的平均浓度分别约0.10,0.02mg/L.张洼小溪流位于新蚌埠路与新汴河路交叉口附近,经常受陶冲水库下泄补给影响,为二十埠河二级支流之一,全长约2.3km.示踪试验段长约140m,下切深度约0.2~1.7m,水深26~58cm,水面宽度0.73~1.49m,流速15~30cm/s,流量0.045~0.084m3/s;渠道地貌形态较为复杂,水中鲜有大型水生植物生长;溪水NO3-N、PO4-P平均浓度分别为0.30,0.04mg/L.本研究示踪试验期间,溪流主要理化指标情况见表1. 2017年10月~2018年3月在选定的两条溪流的试验渠段,选择NaCl、NaBr作
为保守型示踪剂,而以KNO3和KH2PO4为添加营养盐,开展5次瞬时投加试验.在示踪试验的前1d,开展溪流背景浓度调查和流量估算,并结合设计浓度峰值,推算示踪剂投加量.为增强模拟结果的可比性,对单、双营养添加试验中对应的同一示踪剂取相同投加量.每次示踪试验均包括单、双营养添加两种情景,其中单添加试验用于刻画和表征非耦合吸收情形的养分吸收效应,双营养盐添加则用于模拟耦合吸收效应.试验过程大致如下:
首先,以NaBr与 KNO3为示踪剂组合,开展单营养添加示踪试验,现场利用溪水将示踪剂充分溶解混合.投加点选在试验渠段上端流速较快、水流集中的浅滩上,并以瞬时投加的方式将混合溶液投入溪流中,在渠段末端利用PVC塑料瓶(100mL)按
1min时间间隔采集水样,并以便携式电导率仪测定各水样电导率,待电导率值平稳回到背景水平后停止采样,获得完整的示踪剂浓度穿透曲线(BTCs).待该试验结束1h 后,再以NaBr与 KH2PO4为示踪剂组合,按同样方式完成瞬时投加示踪试验.
为排除单营养添加试验示踪剂残留干扰,在单营养添加试验结束1h后,再开展双营养盐添加试验.为充分展示氮、磷营养盐浓度及其比值变化带来的影响,考虑采用错时投加的方式,先投加NaCl与 KNO3混合溶液,大约停顿数分钟后,再将NaBr与KH2PO4混合溶液投加至溪流中.水样采集与电导率测定过程,与单营养盐添加试验相同.整个单、双营养盐投加示踪试验持续约4h.示踪试验结束后,在多个断面测定水深、水面宽度和流速等.在实验室,使用离子选择性电极与PXSJ-226型离子计测定Brˉ、Clˉ和NO3-N浓度,PO4-P浓度采用钼酸铵分光光度法测定,每个样品测试过程中均设置3个平行样.两种营养盐投加间隔时间的长短,可根据单营养添加试验中电导率峰值发生时间来确定,即将电导率达到峰值时间的一半作为“错时投加”间隔的时间,从而尽可能拓展两种营养盐浓度比值的变化范围.相应地,5次示踪试验错时时间都在5~7min.
Covino等[18-19]在养分螺旋指标基础上,通过集成养分浓度的动态变化性,提出了
模拟溪流养分吸收特征的TASCC技术方法,并在理论研究中得到较好的应用[16,20-21].该方法将添加营养盐动态吸收速率表示为:
式中:Uadd-X表示添加营养盐X的动态吸收速率,g/ (m2·s);Q表示溪流流
量,m3/s;w表示水面宽度,m;[Xadd]表示添加营养盐X的动态浓度,mg/L;Sw-add-X表示营养盐X动态吸收长度,m.
溪流水体背景条件(也就是真实情景)的河床单位面积营养盐吸收速率定义为:
式中:Uamb-X表示背景条件下营养盐X吸收速率,g/ (m2·s);[Xamb]表示背景条件下营养盐X浓度,mg/L; Sw-amb-X表示背景条件下营养盐X吸收长度,m;Q、w 含义同上.
集成背景浓度和添加浓度共同影响的溪流营养盐X吸收速率表示为:
式中:Utot-X表示营养盐X的总动态吸收速率,g/ (m2·s).
若以Michaelis-Menten (M-M)方程模拟溪流营养盐X的动态吸收过程,则有:
式中:Umax-X表示营养盐X的最大吸收速率,g/(m2·s); C表示营养盐X总动态浓度[X tot],mg/L;Km-X表示半饱和常数,mg/L.
有关Sw-add-X和Sw-amb-X的具体确定方法,可参见文献[18].
Piper等[11]通过对描述两种营养盐限制情形微生物生长模型的修正,提出了刻画双营养盐耦合吸收过程的三维动力学曲面模型,即:
式中:CN、CP分别表示NO3-N、PO4-P总动态浓度,mg/L;Km-N、Km-P分别表示NO3-N、PO4-P半饱和常数,mg/L.
采用Excel软件处理动态螺旋指标及相关数据并绘制图表;利用Origin软件开展溪流营养盐吸收的M-M方程模拟;采用MATLAB软件模拟溪流中双营养盐耦合吸收动力学过程.
根据示踪试验获得的保守示踪剂和添加营养盐浓度穿透曲线及水力参数信息,利用式(1)~(3)计算单、双营养盐添加试验中NO3-N或PO4-P的总吸收速率Utot-X,
进而绘制相应的Utot-N~[NO3-Ntot]或Utot-P~[PO4-Ptot]关系曲线.图1为
M1和Z3的2次典型示踪试验中,营养盐总动态吸收速率Utot-X与总动态浓度[X tot]对应关系及其95%置信水平的拟合效果.可以看出,无论是NO3-N还是PO4-P,单、双添加试验对应的营养盐吸收速率水平都存在显著的差异性,而且都表现为双营养添加试验的模拟结果明显高于单营养添加,其他3次示踪试验结果亦如此,表明溪流中NO3-N(或PO4-P)可利用性的增加对于PO4-P(或NO3-N)吸收有促进作用.Gibson等[8]在对美国纽约地区16条山地溪流的研究中,发现NO3-N吸收速率与PO4-P背景浓度呈正相关性,即较高的PO4-P浓度促进了NO3-N吸收,这与本研究结论相一致.因此,可以推断,将氮、磷营养盐吸收看作相互独立作用过程的传统评价方法,可能低估了溪流养分滞留潜力.
5次示踪试验中,氮、磷营养盐动态吸收模拟结果的判定系数R2处于0.90~0.99范围,平均值达0.97,且均满足P<0.0001,表明模拟效果令人满意.从样本点数据的分布情况和95%置信水平区间大小来看,5次双营养盐添加试验的PO4-P样本点数据几乎全部处于95%置信区间,而NO3-N则有较多的样本点处于95%置信区间边缘,致使NO3-N模拟的95%置信水平区间较PO4-P稍宽一些.总的来看,双营养添加试验中2条源头溪流NO3-N或PO4-P吸收速率均呈现出低浓度时升值较为迅速,而后逐步趋稳的变化态势.
利用M-M模型拟合溪流营养盐动态吸收过程,最大吸收速率Umax-X和半饱和常数Km-X,见表2.可以看出,无论是NO3-N还是PO4-P,双营养盐添加的Umax-X 均较对应的单添加试验明显提升,其中Umax-N提升幅度为15.38%~81.25%(均值为59.04%),Umax-P提升幅度为15.38%~127.78%(均值为84.53%),意味着PO4-P吸收潜力提升幅度相对更大,但这是否具有一般规律性,可能还需要对不同用地类型、不同营养水平溪流水体的广泛分析和研究加以证实.
总体上,在Uamb-X和Umax-X方面,张洼小溪流与磨店小溪流大体相当.生态系统
中,较低的Km-X值往往意味着生物对养分X有较高水平的亲合力,或者说生物对养分X较为敏感[11].本研究中,无论是Km-N还是Km-P,两条溪流的双营养盐添加试验均明显低于单营养盐添加情形,表明耦合吸收提高了生物对于氮磷营养盐的亲和力,使得营养盐吸收速率加快,并在相对较低的浓度状态达到更高水平的最大吸收速率.因此,可以认为溪流中NO3-N(或PO4-P)可利用性的提高,增大了PO4-P(或
NO3-N)的生物吸收效应.
为定量刻画不同浓度水平下,双添加试验情形的营养盐吸收速率增幅变化特征,拟对NO3-N和PO4-P自背景浓度至饱和浓度范围内,各设置一组浓度梯度,分别计算单、双营养盐添加试验情形中该营养盐相应的吸收速率Utot-X.不妨将NO3-N浓度梯度取值为0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.7,0.9,1.2,1.5和2.0mg/ L,而将PO4-P浓度梯度设
定为0.02,0.03,0.06,0.10, 0.15,0.20,0.30,0.40,0.60和0.80mg/L.于是,根据表2
中Umax-N和Km-N、Umax-P和Km-P等参数信息,利用式(4)计算各浓度水平
相应的单、双添加情形Utot-N和Utot-P.在此基础上,再按下式计算相应的营养盐吸收速率增量和相对增加幅度,即
式中:△Utot-X表示单、双营养盐添加试验情形中营养盐X的吸收速率增
量,g/(m2·s);Utot-X(单)表示单营养盐添加试验情形中营养盐X的吸收速
率,g/(m2·s); Utot-X(双)表示双营养盐添加试验情形中营养盐X的吸收速
率,g/(m2·s);R表示营养盐X吸收速率的相对增加幅度,%.
根据△Uto t-X和相应的R计算结果,分别绘制耦合吸收情形营养盐吸收速率增幅与
浓度关系曲线,见图2.可以看出,5次试验中NO3-N和PO4-P的吸收速率增量均表现出随浓度升高而逐渐增大并逐渐趋缓的变化特点,其中处于冬季的Z1吸收速率增量偏低,相应的NO3-N最大增量不足0.01mg/(m2·s), PO4-P最大增量也仅为
0.028mg/(m2·s),其他4次试验的NO3-N、PO4-P增量的变化范围分别为
0.015~ 0.11,0.005~0.13mg/(m2·s).
就吸收速率的相对增加幅度R而言,5次试验中NO3-N、PO4-P最大相对增加幅度均发生在背景浓度水平阶段,而后随浓度升高而逐步减小并趋缓.显然, Z1试验的NO3-N和PO4-P 相对增幅均最小,其中NO3-N仅为25%~44%,其他4次试验则处于87%~179%;PO4-P的相对增加幅度约为48%~91%,其他4次试验则处于98%~166%范围.
针对Z1试验表现出的显著差异性,笔者认为可能与此次试验处于严寒冬季有关.由于试验当天溪流水温仅为2.7℃,与生物活动的最适宜温度(16~30℃)相差甚远[22],致使溪流中生物过程及相关的物理化学过程受到抑制,氮磷营养盐吸收的耦合作用也相应减弱,从而导致营养盐吸收速率增量和相对增加幅度双双走低.
由双营养添加试验中水样NO3-N、PO4-P浓度等数据,利用TASCC技术方法[19],计算得到[NO3-Ntot]和[PO4-Ptot],进而计算出相应的Utot-N和Utot-P.若以式(5)的双营养耦合吸收曲面模型拟合样本点数据信息,则可得到三维动力学模拟结果.例如,图3为M1和Z3的2次双营养添加试验的耦合吸收动力学模拟效果.可以看出,由拟合得到的响应曲面,直观展示了吸收速率Utot-X随NO3-N、PO4-P浓度水平及其不同浓度比例变化的空间演化态势,这是传统的两维曲线模拟技术无法比拟的.
大体上,NO3-N吸收速率Utot-N响应曲面受NO3-N和PO4-P浓度水平的共同控制,吸收曲面主要沿其浓度升高方向抬升,且在较低PO4-P浓度区间范围内,响应曲面出现了较为明显的卷曲,表明溪流中NO3-N吸收受到NO3-N和PO4-P可利用性的共同影响,吸收速率随两者可利用量的升高而增大,并且在较低浓度范围内PO4-P显著影响NO3-N的吸收速率.类似地,PO4-P吸收响应曲面也明显受到NO3-N与PO4-P共同限制作用,但来自PO4-P浓度的控制作用似乎更强一些,尤其是在极低浓度区间范围内.同样,其他3次试验也展现出相似的变化特征.
根据相关文献,正常情况下水体NO3-N浓度达到0.5mg/L时,生物对NO3-N的吸
收达到饱和状态 [19,23];PO4-P浓度达0.1mg/L时,生物对PO4-P的吸收也将趋于饱和[24].本研究2条源头溪流NO3-N和PO4-P浓度(表1)均未达到生物吸收饱和程度,因而对于添加营养盐表现出了较好的吸收响应.由图3可以看出,2条溪流中NO3-N对PO4-P吸收效应的影响似乎都强于PO4-P对于NO3-N吸收的影响,其他3次试验也发现了类似情况.一般认为,生物对碳、氮、磷养分需求的化学计量约为100:5:1.本研究的2条溪流[NO3-N]:[PO4-P]比值介于3.33~13.50范围(均值为7.53),即便不考虑氨氮影响,水体中生物可利用性氮、磷之比也已经超过了5:1,致使PO4-P显得有些不够充分,添加PO4-P后溪流Utot-P表现出明显上升态势或许与这一因素有关.
由式(5)拟合得到的双营养添加试验耦合吸收动力学参数,见表3.可以看出,若对
NO3-N吸收响应曲面进行拟合,则Km-P对应于相对较低的PO4-P浓度水平;同样,在对PO4-P吸收响应曲面进行拟合时,Km-N也对应于相对较低的NO3-N浓度.总之,溪流中NO3-N、PO4-P吸收受到相互作用的影响,且两者吸收速率均因彼此可利用量的增加而呈现不同程度的上升态势.
利用表2、表3最大吸收速率Umax-X拟合结果,计算M-M方程和双营养耦合吸收曲面模型拟合结果的差值△Umax-X及偏差程度△Umax-X/耦合Umax-X,见表4.可以看出,M-M方程拟合结果均小于对应的双营养耦合吸收曲面模型,其中Umax-N低估了3.91%~16.11%(平均值10.47%),Umax-P低估了3.23%~23.63%(平均值14.77%),即两种动力学模型在Umax-P拟合结果上偏差稍大一些.事实上,从数学表达式上看,传统M-M方程仅是针对一种营养盐吸收过程的模拟,未考虑其它营养盐的干扰和影响,因此在数学上只存在一个自变量C;而双营养耦合吸收曲面模型则是存在CN、CP两个自变量.相应地,耦合吸收作用机制下的营养盐吸收动力学模拟,需要综合考虑氮、磷营养盐的共同影响,倘若以传统的M-M方程模拟耦合吸收情形,则由于数学模型自身的限制性,只能忽略某一营养盐影响,致使评估结果与真实
状况的出入加大.相比而言,双营养耦合吸收曲面模型由于将参与耦合吸收的两种营养盐同时作为控制变量,从理论上讲,其动力学拟合结果应该更为贴近真实状况.
有必要指出的是,在对单、双营养盐投加的养分吸收速率差异性和吸收速率增幅变化性的初步分析中,依旧借助M-M模型进行拟合,主要是基于这种处理有利于计算结果的直接对比,从而可以显著增强耦合吸收作用可能更有利于营养盐滞留能力提升的说服力.实际研究中,需要根据具体的营养盐吸收情形,有针对性的选择合适的动力学模型,从而克服因模型本身缺陷而产生的评估偏差,以进一步提高评估结果的科学性和准确性.
4.1 根据传统M-M方程的模拟结果,无论是NO3-N还是PO4-P,双营养盐添加情形的最大吸收速率Umax-X均较对应的单添加试验明显提升,而半饱和常数Km-X 则明显下降,表明溪流氮磷营养盐对彼此的吸收或滞留效应具有促进作用.
4.2 耦合吸收模拟表明,溪流中NO3-N、PO4-P吸收受到彼此相互作用的影响,而且NO3-N(或PO4-P)可利用量的增加可以明显提升PO4-P(或NO3-N)吸收和滞留能力.
4.3 耦合吸收曲面模型可以定量刻画氮磷吸收速率随NO3-N、PO4-P浓度及其比值大小变化的动态演化态势,并直观展示溪流养分吸收中NO3-N与PO4-P浓度的共同限制性特征,因此适合于养分耦合吸收效应的动态模拟研究.
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