李如忠,許大強(qiáng),闕鳳翔

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源頭溪流氮磷耦合吸收效應(yīng)及動(dòng)力學(xué)模擬

李如忠*,許大強(qiáng),闕鳳翔

(合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

為揭示源頭溪流氮磷耦合吸收作用機(jī)制,選擇NaCl和NaBr為保守型示蹤劑、KNO3和KH2PO4為添加營養(yǎng)鹽,于2017年10月~2018年3月在合肥城郊的2條源頭溪流,開展5次由單、雙營養(yǎng)鹽添加構(gòu)成的示蹤試驗(yàn),利用TASCC技術(shù)方法,分別以Michaelis-Menten (M-M)方程和雙營養(yǎng)耦合吸收曲面模型擬合營養(yǎng)鹽吸收動(dòng)力學(xué)過程.結(jié)果表明,雙添加試驗(yàn)的NO3-N、PO4-P吸收速率均明顯高于單添加情形,意味著溪流中NO3-N與PO4-P吸收存在相互促進(jìn)作用;雙營養(yǎng)耦合吸收響應(yīng)曲面直觀展示了氮、磷營養(yǎng)鹽不同濃度水平及濃度比情形下吸收速率的演化趨勢,詮釋了較低濃度水平下溪流NO3-N(或PO4-P)吸收速率隨PO4-P(或NO3-N)可利用量增加而增大的作用機(jī)制;兩種動(dòng)力學(xué)模型在NO3-N、PO4-P最大吸收速率擬合結(jié)果上均存在不同程度的偏差,其中M-M方程低估了max-N和max-P,相應(yīng)幅度分別達(dá)3.91%~16.11%、3.23%~23.63%.

源頭溪流；氮磷耦合吸收；TASCC；Michaelis-Menten(M-M)方程；響應(yīng)曲面模型

源頭溪流是氮磷等營養(yǎng)元素生物地球化學(xué)循環(huán)過程的重要發(fā)生場所[1-3],在流域水環(huán)境系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的生態(tài)功能.從20世紀(jì)90年代開始,歐美發(fā)達(dá)國家陸續(xù)啟動(dòng)了面向河流系統(tǒng)的養(yǎng)分滯留和循環(huán)研究計(jì)劃,從而推動(dòng)了小河流養(yǎng)分滯留研究的發(fā)展.目前,以溪流為主體的河流養(yǎng)分滯留研究成為環(huán)境科學(xué)、環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)、環(huán)境水生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域的熱點(diǎn)[4-5].總體上,現(xiàn)有針對源頭溪流養(yǎng)分吸收能力的研究,大多都是將不同營養(yǎng)鹽吸收看作相互獨(dú)立的作用過程,并以養(yǎng)分螺旋指標(biāo)直接度量滯留潛力[6-7],對于吸收過程中營養(yǎng)元素間的相互關(guān)系關(guān)注較少,為數(shù)不多的研究工作也僅是利用統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)進(jìn)行定性的分析和識別[8],對于生物化學(xué)計(jì)量關(guān)系的關(guān)注也不夠充分[9].眾所周知,生物體需要從外界環(huán)境中攝取必需的營養(yǎng)元素以合成生長所需的結(jié)構(gòu)性和功能性生物質(zhì)組分,從而維持其正常生長.雖然在極小時(shí)間尺度上生物體對于營養(yǎng)鹽的吸收可能存在非耦合現(xiàn)象[10],但耦合吸收依舊占據(jù)絕對主導(dǎo)地位.因此,從耦合吸收角度解析源頭溪流氮磷營養(yǎng)鹽滯留特征,更具有科學(xué)性和合理性.然而,在營養(yǎng)鹽耦合吸收過程中,不同營養(yǎng)鹽之間可能存在一定的協(xié)同或抑制作用,從而最終影響溪流營養(yǎng)鹽的吸收或滯留效應(yīng),這是環(huán)境生態(tài)學(xué)研究中不容忽視的.因此如何定量評估溪流養(yǎng)分的耦合吸收潛力,解析耦合吸收過程中不同營養(yǎng)元素(或營養(yǎng)鹽)的相互促進(jìn)或抑制效應(yīng),是一個(gè)亟待探索的課題[11].

巢湖流域是我國“三湖三河”水污染治理的重點(diǎn)流域之一,湖泊水體污染和富營養(yǎng)化相當(dāng)嚴(yán)重,充分利用源頭溪流的養(yǎng)分滯留功能,對于實(shí)現(xiàn)巢湖外源氮磷負(fù)荷削減具有重要的意義.已有研究[12-15]采用養(yǎng)分螺旋原理,對巢湖流域合肥地區(qū)的多條源頭溪流氮磷滯留潛力進(jìn)行了評價(jià),并以TASCC技術(shù)方法模擬了營養(yǎng)鹽吸收的動(dòng)力學(xué)特征[16-17],為小流域氮磷養(yǎng)分負(fù)荷的環(huán)境管理提供了依據(jù).但由于未能考慮養(yǎng)分吸收的耦合效應(yīng),相關(guān)評價(jià)結(jié)果與溪流真實(shí)的養(yǎng)分吸收潛力可能存在出入.從流域水環(huán)境管理看,準(zhǔn)確評估溪流養(yǎng)分滯留潛力至關(guān)重要.為此,需要盡可能清晰、準(zhǔn)確地刻畫溪流養(yǎng)分耦合吸收效應(yīng)及其動(dòng)力學(xué)過程,揭示氮磷可利用性對彼此吸收能力的影響,從而深度剖析氮、磷營養(yǎng)鹽耦合吸收機(jī)制.基于生物體養(yǎng)分吸收的耦合性特征,本研究擬以合肥城郊兩條源頭溪流為對象,利用營養(yǎng)鹽添加示蹤試驗(yàn)和TASCC技術(shù),從硝酸鹽氮與磷酸鹽耦合吸收角度,解析氮磷吸收過程的相互促進(jìn)或抑制效應(yīng),從而更為準(zhǔn)確地度量源頭溪流氮磷吸收潛力,以期為該地區(qū)小尺度河流水系統(tǒng)氮磷負(fù)荷削減和調(diào)控政策的制定提供依據(jù).

1 研究區(qū)概況

二十埠河流域位于合肥市東北部城區(qū),為巢湖西半湖北側(cè)重要入湖河流—南淝河的主要支流,全長27km,流域面積136km2,年均氣溫15.7℃,年均降水量約1000mm.流域?qū)俚湫偷慕吹桶鹆陯彽?地勢總體平緩.流域上游以農(nóng)業(yè)用地為主,中下游主要為城市建成區(qū)或擬建設(shè)用地.本研究選定的磨店小溪流(M)和張洼小溪流(Z)均位于二十埠河流域的上部地區(qū),分別處于合肥市的東北部和北部城郊.

磨店小溪流位于學(xué)府路西段盡頭附近,溪流大致呈東北至西南走向,全長約2.5km.示蹤試驗(yàn)段長約140m,位于亞樵路與淮海大道之間.該渠段總體平直,土質(zhì)護(hù)坡,下切深度約0.3~1.4m,水深25~45cm,水面寬度0.8~1.33m,流速10~20cm/s,流量0.045~ 0.065m3/s.渠道兩側(cè)雜草叢生,水中大型水生植物缺乏,水面覆蓋度不足30%;渠底沉積物較少,水體NO3-N、PO4-P的平均濃度分別約0.10,0.02mg/L.張洼小溪流位于新蚌埠路與新汴河路交叉口附近,經(jīng)常受陶沖水庫下泄補(bǔ)給影響,為二十埠河二級支流之一,全長約2.3km.示蹤試驗(yàn)段長約140m,下切深度約0.2~1.7m,水深26~58cm,水面寬度0.73~1.49m,流速15~30cm/s,流量0.045~0.084m3/s;渠道地貌形態(tài)較為復(fù)雜,水中鮮有大型水生植物生長;溪水NO3-N、PO4-P平均濃度分別為0.30,0.04mg/L.本研究示蹤試驗(yàn)期間,溪流主要理化指標(biāo)情況見表1.

表1 示蹤試驗(yàn)期間溪流主要理化指標(biāo)

注:編號M1、M2分別對應(yīng)于磨店小溪流2017-10-23、2017-11-09開展的2次示蹤試驗(yàn);Z1、Z2、Z3分別對應(yīng)于張洼小溪流2018-01-11、2018-03-09、2018-03-23開展的3次示蹤試驗(yàn)(下同).

2 材料與方法

2.1 示蹤試驗(yàn)方案

2017年10月~2018年3月在選定的兩條溪流的試驗(yàn)渠段,選擇NaCl、NaBr作為保守型示蹤劑,而以KNO3和KH2PO4為添加營養(yǎng)鹽,開展5次瞬時(shí)投加試驗(yàn).在示蹤試驗(yàn)的前1d,開展溪流背景濃度調(diào)查和流量估算,并結(jié)合設(shè)計(jì)濃度峰值,推算示蹤劑投加量.為增強(qiáng)模擬結(jié)果的可比性,對單、雙營養(yǎng)添加試驗(yàn)中對應(yīng)的同一示蹤劑取相同投加量.每次示蹤試驗(yàn)均包括單、雙營養(yǎng)添加兩種情景,其中單添加試驗(yàn)用于刻畫和表征非耦合吸收情形的養(yǎng)分吸收效應(yīng),雙營養(yǎng)鹽添加則用于模擬耦合吸收效應(yīng).試驗(yàn)過程大致如下:

首先,以NaBr與 KNO3為示蹤劑組合,開展單營養(yǎng)添加示蹤試驗(yàn),現(xiàn)場利用溪水將示蹤劑充分溶解混合.投加點(diǎn)選在試驗(yàn)渠段上端流速較快、水流集中的淺灘上,并以瞬時(shí)投加的方式將混合溶液投入溪流中,在渠段末端利用PVC塑料瓶(100mL)按1min時(shí)間間隔采集水樣,并以便攜式電導(dǎo)率儀測定各水樣電導(dǎo)率,待電導(dǎo)率值平穩(wěn)回到背景水平后停止采樣,獲得完整的示蹤劑濃度穿透曲線(BTCs).待該試驗(yàn)結(jié)束1h后,再以NaBr與 KH2PO4為示蹤劑組合,按同樣方式完成瞬時(shí)投加示蹤試驗(yàn).

為排除單營養(yǎng)添加試驗(yàn)示蹤劑殘留干擾,在單營養(yǎng)添加試驗(yàn)結(jié)束1h后,再開展雙營養(yǎng)鹽添加試驗(yàn).為充分展示氮、磷營養(yǎng)鹽濃度及其比值變化帶來的影響,考慮采用錯(cuò)時(shí)投加的方式,先投加NaCl與 KNO3混合溶液,大約停頓數(shù)分鐘后,再將NaBr與 KH2PO4混合溶液投加至溪流中.水樣采集與電導(dǎo)率測定過程,與單營養(yǎng)鹽添加試驗(yàn)相同.整個(gè)單、雙營養(yǎng)鹽投加示蹤試驗(yàn)持續(xù)約4h.示蹤試驗(yàn)結(jié)束后,在多個(gè)斷面測定水深、水面寬度和流速等.在實(shí)驗(yàn)室,使用離子選擇性電極與PXSJ-226型離子計(jì)測定Brˉ、Clˉ和NO3-N濃度,PO4-P濃度采用鉬酸銨分光光度法測定,每個(gè)樣品測試過程中均設(shè)置3個(gè)平行樣.兩種營養(yǎng)鹽投加間隔時(shí)間的長短,可根據(jù)單營養(yǎng)添加試驗(yàn)中電導(dǎo)率峰值發(fā)生時(shí)間來確定,即將電導(dǎo)率達(dá)到峰值時(shí)間的一半作為“錯(cuò)時(shí)投加”間隔的時(shí)間,從而盡可能拓展兩種營養(yǎng)鹽濃度比值的變化范圍.相應(yīng)地,5次示蹤試驗(yàn)錯(cuò)時(shí)時(shí)間都在5~7min.

2.2 營養(yǎng)鹽吸收動(dòng)力學(xué)模型

Covino等[18-19]在養(yǎng)分螺旋指標(biāo)基礎(chǔ)上,通過集成養(yǎng)分濃度的動(dòng)態(tài)變化性,提出了模擬溪流養(yǎng)分吸收特征的TASCC技術(shù)方法,并在理論研究中得到較好的應(yīng)用[16,20-21].該方法將添加營養(yǎng)鹽動(dòng)態(tài)吸收速率表示為:

式中:add-X表示添加營養(yǎng)鹽的動(dòng)態(tài)吸收速率,g/ (m2·s);表示溪流流量,m3/s;表示水面寬度,m;[add]表示添加營養(yǎng)鹽的動(dòng)態(tài)濃度,mg/L;w-add-X表示營養(yǎng)鹽動(dòng)態(tài)吸收長度,m.

溪流水體背景條件(也就是真實(shí)情景)的河床單位面積營養(yǎng)鹽吸收速率定義為:

式中:amb-X表示背景條件下營養(yǎng)鹽吸收速率,g/ (m2·s);[amb]表示背景條件下營養(yǎng)鹽濃度,mg/L;w-amb-X表示背景條件下營養(yǎng)鹽吸收長度,m;、含義同上.

集成背景濃度和添加濃度共同影響的溪流營養(yǎng)鹽吸收速率表示為:

式中:tot-X表示營養(yǎng)鹽的總動(dòng)態(tài)吸收速率,g/ (m2·s).

若以Michaelis-Menten (M-M)方程模擬溪流營養(yǎng)鹽的動(dòng)態(tài)吸收過程,則有:

式中:max-X表示營養(yǎng)鹽的最大吸收速率,g/(m2·s);表示營養(yǎng)鹽總動(dòng)態(tài)濃度[tot],mg/L;m-X表示半飽和常數(shù),mg/L.

有關(guān)w-add-X和w-amb-X的具體確定方法,可參見文獻(xiàn)[18].

Piper等[11]通過對描述兩種營養(yǎng)鹽限制情形微生物生長模型的修正,提出了刻畫雙營養(yǎng)鹽耦合吸收過程的三維動(dòng)力學(xué)曲面模型,即:

式中:N、P分別表示NO3-N、PO4-P總動(dòng)態(tài)濃度,mg/L;m-N、m-P分別表示NO3-N、PO4-P半飽和常數(shù),mg/L.

2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel軟件處理動(dòng)態(tài)螺旋指標(biāo)及相關(guān)數(shù)據(jù)并繪制圖表;利用Origin軟件開展溪流營養(yǎng)鹽吸收的M-M方程模擬;采用MATLAB軟件模擬溪流中雙營養(yǎng)鹽耦合吸收動(dòng)力學(xué)過程.

3 結(jié)果與分析

3.1 營養(yǎng)鹽吸收速率的差異性

根據(jù)示蹤試驗(yàn)獲得的保守示蹤劑和添加營養(yǎng)鹽濃度穿透曲線及水力參數(shù)信息,利用式(1)~(3)計(jì)算單、雙營養(yǎng)鹽添加試驗(yàn)中NO3-N或PO4-P的總吸收速率tot-,進(jìn)而繪制相應(yīng)的tot-N~[NO3-Ntot]或tot-P~[PO4-Ptot]關(guān)系曲線.圖1為M1和Z3的2次典型示蹤試驗(yàn)中,營養(yǎng)鹽總動(dòng)態(tài)吸收速率tot-X與總動(dòng)態(tài)濃度[tot]對應(yīng)關(guān)系及其95%置信水平的擬合效果.可以看出,無論是NO3-N還是PO4-P,單、雙添加試驗(yàn)對應(yīng)的營養(yǎng)鹽吸收速率水平都存在顯著的差異性,而且都表現(xiàn)為雙營養(yǎng)添加試驗(yàn)的模擬結(jié)果明顯高于單營養(yǎng)添加,其他3次示蹤試驗(yàn)結(jié)果亦如此,表明溪流中NO3-N(或PO4-P)可利用性的增加對于PO4-P(或NO3-N)吸收有促進(jìn)作用.Gibson等[8]在對美國紐約地區(qū)16條山地溪流的研究中,發(fā)現(xiàn)NO3-N吸收速率與PO4-P背景濃度呈正相關(guān)性,即較高的PO4-P濃度促進(jìn)了NO3-N吸收,這與本研究結(jié)論相一致.因此,可以推斷,將氮、磷營養(yǎng)鹽吸收看作相互獨(dú)立作用過程的傳統(tǒng)評價(jià)方法,可能低估了溪流養(yǎng)分滯留潛力.

圖1 95%置信水平的營養(yǎng)鹽動(dòng)態(tài)吸收過程模擬

5次示蹤試驗(yàn)中,氮、磷營養(yǎng)鹽動(dòng)態(tài)吸收模擬結(jié)果的判定系數(shù)2處于0.90~0.99范圍,平均值達(dá)0.97,且均滿足<0.0001,表明模擬效果令人滿意.從樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)的分布情況和95%置信水平區(qū)間大小來看,5次雙營養(yǎng)鹽添加試驗(yàn)的PO4-P樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)幾乎全部處于95%置信區(qū)間,而NO3-N則有較多的樣本點(diǎn)處于95%置信區(qū)間邊緣,致使NO3-N模擬的95%置信水平區(qū)間較PO4-P稍寬一些.總的來看,雙營養(yǎng)添加試驗(yàn)中2條源頭溪流NO3-N或PO4-P吸收速率均呈現(xiàn)出低濃度時(shí)升值較為迅速,而后逐步趨穩(wěn)的變化態(tài)勢.

利用M-M模型擬合溪流營養(yǎng)鹽動(dòng)態(tài)吸收過程,最大吸收速率max-和半飽和常數(shù)m-,見表2.可以看出,無論是NO3-N還是PO4-P,雙營養(yǎng)鹽添加的max-均較對應(yīng)的單添加試驗(yàn)明顯提升,其中max-N提升幅度為15.38%~81.25%(均值為59.04%),max-P提升幅度為15.38%~127.78%(均值為84.53%),意味著PO4-P吸收潛力提升幅度相對更大,但這是否具有一般規(guī)律性,可能還需要對不同用地類型、不同營養(yǎng)水平溪流水體的廣泛分析和研究加以證實(shí).

總體上,在amb-和max-方面,張洼小溪流與磨店小溪流大體相當(dāng).生態(tài)系統(tǒng)中,較低的m-值往往意味著生物對養(yǎng)分有較高水平的親合力,或者說生物對養(yǎng)分較為敏感[11].本研究中,無論是m-N還是m-P,兩條溪流的雙營養(yǎng)鹽添加試驗(yàn)均明顯低于單營養(yǎng)鹽添加情形,表明耦合吸收提高了生物對于氮磷營養(yǎng)鹽的親和力,使得營養(yǎng)鹽吸收速率加快,并在相對較低的濃度狀態(tài)達(dá)到更高水平的最大吸收速率.因此,可以認(rèn)為溪流中NO3-N(或PO4-P)可利用性的提高,增大了PO4-P(或NO3-N)的生物吸收效應(yīng).

表2 營養(yǎng)鹽背景吸收速率及M-M模型擬合參數(shù)

3.2 耦合吸收速率增幅的變化性

為定量刻畫不同濃度水平下,雙添加試驗(yàn)情形的營養(yǎng)鹽吸收速率增幅變化特征,擬對NO3-N和PO4-P自背景濃度至飽和濃度范圍內(nèi),各設(shè)置一組濃度梯度,分別計(jì)算單、雙營養(yǎng)鹽添加試驗(yàn)情形中該營養(yǎng)鹽相應(yīng)的吸收速率tot-.不妨將NO3-N濃度梯度取值為0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.7,0.9,1.2,1.5和2.0mg/ L,而將PO4-P濃度梯度設(shè)定為0.02,0.03,0.06,0.10, 0.15,0.20,0.30,0.40,0.60和0.80mg/L.于是,根據(jù)表2中max-N和m-N、max-P和m-P等參數(shù)信息,利用式(4)計(jì)算各濃度水平相應(yīng)的單、雙添加情形tot-N和tot-P.在此基礎(chǔ)上,再按下式計(jì)算相應(yīng)的營養(yǎng)鹽吸收速率增量和相對增加幅度,即

式中:△tot-X表示單、雙營養(yǎng)鹽添加試驗(yàn)情形中營養(yǎng)鹽的吸收速率增量,g/(m2·s);tot-X(單)表示單營養(yǎng)鹽添加試驗(yàn)情形中營養(yǎng)鹽的吸收速率,g/(m2·s);tot-X(雙)表示雙營養(yǎng)鹽添加試驗(yàn)情形中營養(yǎng)鹽的吸收速率,g/(m2·s);表示營養(yǎng)鹽吸收速率的相對增加幅度,%.

根據(jù)△tot-X和相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果,分別繪制耦合吸收情形營養(yǎng)鹽吸收速率增幅與濃度關(guān)系曲線,見圖2.可以看出,5次試驗(yàn)中NO3-N和PO4-P的吸收速率增量均表現(xiàn)出隨濃度升高而逐漸增大并逐漸趨緩的變化特點(diǎn),其中處于冬季的Z1吸收速率增量偏低,相應(yīng)的NO3-N最大增量不足0.01mg/(m2·s), PO4-P最大增量也僅為0.028mg/(m2·s),其他4次試驗(yàn)的NO3-N、PO4-P增量的變化范圍分別為0.015~ 0.11,0.005~0.13mg/(m2·s).

就吸收速率的相對增加幅度而言,5次試驗(yàn)中NO3-N、PO4-P最大相對增加幅度均發(fā)生在背景濃度水平階段,而后隨濃度升高而逐步減小并趨緩.顯然, Z1試驗(yàn)的NO3-N和PO4-P 相對增幅均最小,其中NO3-N僅為25%~44%,其他4次試驗(yàn)則處于87%~179%;PO4-P的相對增加幅度約為48%~91%,其他4次試驗(yàn)則處于98%~166%范圍.

針對Z1試驗(yàn)表現(xiàn)出的顯著差異性,筆者認(rèn)為可能與此次試驗(yàn)處于嚴(yán)寒冬季有關(guān).由于試驗(yàn)當(dāng)天溪流水溫僅為2.7℃,與生物活動(dòng)的最適宜溫度(16~30℃)相差甚遠(yuǎn)[22],致使溪流中生物過程及相關(guān)的物理化學(xué)過程受到抑制,氮磷營養(yǎng)鹽吸收的耦合作用也相應(yīng)減弱,從而導(dǎo)致營養(yǎng)鹽吸收速率增量和相對增加幅度雙雙走低.

3.3 耦合吸收效應(yīng)的動(dòng)力學(xué)曲面模擬

由雙營養(yǎng)添加試驗(yàn)中水樣NO3-N、PO4-P濃度等數(shù)據(jù),利用TASCC技術(shù)方法[19],計(jì)算得到[NO3-Ntot]和[PO4-Ptot],進(jìn)而計(jì)算出相應(yīng)的tot-N和tot-P.若以式(5)的雙營養(yǎng)耦合吸收曲面模型擬合樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)信息,則可得到三維動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果.例如,圖3為M1和Z3的2次雙營養(yǎng)添加試驗(yàn)的耦合吸收動(dòng)力學(xué)模擬效果.可以看出,由擬合得到的響應(yīng)曲面,直觀展示了吸收速率tot-X隨NO3-N、PO4-P濃度水平及其不同濃度比例變化的空間演化態(tài)勢,這是傳統(tǒng)的兩維曲線模擬技術(shù)無法比擬的.

圖3 營養(yǎng)鹽耦合吸收三維動(dòng)力學(xué)模擬

大體上,NO3-N吸收速率tot-N響應(yīng)曲面受NO3-N和PO4-P濃度水平的共同控制,吸收曲面主要沿其濃度升高方向抬升,且在較低PO4-P濃度區(qū)間范圍內(nèi),響應(yīng)曲面出現(xiàn)了較為明顯的卷曲,表明溪流中NO3-N吸收受到NO3-N和PO4-P可利用性的共同影響,吸收速率隨兩者可利用量的升高而增大,并且在較低濃度范圍內(nèi)PO4-P顯著影響NO3-N的吸收速率.類似地,PO4-P吸收響應(yīng)曲面也明顯受到NO3-N與PO4-P共同限制作用,但來自PO4-P濃度的控制作用似乎更強(qiáng)一些,尤其是在極低濃度區(qū)間范圍內(nèi).同樣,其他3次試驗(yàn)也展現(xiàn)出相似的變化特征.

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn),正常情況下水體NO3-N濃度達(dá)到0.5mg/L時(shí),生物對NO3-N的吸收達(dá)到飽和狀態(tài)[19,23];PO4-P濃度達(dá)0.1mg/L時(shí),生物對PO4-P的吸收也將趨于飽和[24].本研究2條源頭溪流NO3-N和PO4-P濃度(表1)均未達(dá)到生物吸收飽和程度,因而對于添加營養(yǎng)鹽表現(xiàn)出了較好的吸收響應(yīng).由圖3可以看出,2條溪流中NO3-N對PO4-P吸收效應(yīng)的影響似乎都強(qiáng)于PO4-P對于NO3-N吸收的影響,其他3次試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)了類似情況.一般認(rèn)為,生物對碳、氮、磷養(yǎng)分需求的化學(xué)計(jì)量約為100:5:1.本研究的2條溪流[NO3-N]:[PO4-P]比值介于3.33~13.50范圍(均值為7.53),即便不考慮氨氮影響,水體中生物可利用性氮、磷之比也已經(jīng)超過了5:1,致使PO4-P顯得有些不夠充分,添加PO4-P后溪流tot-P表現(xiàn)出明顯上升態(tài)勢或許與這一因素有關(guān).

表3 營養(yǎng)鹽耦合吸收動(dòng)力學(xué)參數(shù)

由式(5)擬合得到的雙營養(yǎng)添加試驗(yàn)耦合吸收動(dòng)力學(xué)參數(shù),見表3.可以看出,若對NO3-N吸收響應(yīng)曲面進(jìn)行擬合,則m-P對應(yīng)于相對較低的PO4-P濃度水平;同樣,在對PO4-P吸收響應(yīng)曲面進(jìn)行擬合時(shí),m-N也對應(yīng)于相對較低的NO3-N濃度.總之,溪流中NO3-N、PO4-P吸收受到相互作用的影響,且兩者吸收速率均因彼此可利用量的增加而呈現(xiàn)不同程度的上升態(tài)勢.

3.4 動(dòng)力學(xué)模型模擬結(jié)果的比較

利用表2、表3最大吸收速率max-擬合結(jié)果,計(jì)算M-M方程和雙營養(yǎng)耦合吸收曲面模型擬合結(jié)果的差值△max-及偏差程度△max-X/耦合max-,見表4.可以看出,M-M方程擬合結(jié)果均小于對應(yīng)的雙營養(yǎng)耦合吸收曲面模型,其中max-N低估了3.91%~16.11%(平均值10.47%),max-P低估了3.23%~23.63%(平均值14.77%),即兩種動(dòng)力學(xué)模型在max-P擬合結(jié)果上偏差稍大一些.事實(shí)上,從數(shù)學(xué)表達(dá)式上看,傳統(tǒng)M-M方程僅是針對一種營養(yǎng)鹽吸收過程的模擬,未考慮其它營養(yǎng)鹽的干擾和影響,因此在數(shù)學(xué)上只存在一個(gè)自變量;而雙營養(yǎng)耦合吸收曲面模型則是存在N、P兩個(gè)自變量.相應(yīng)地,耦合吸收作用機(jī)制下的營養(yǎng)鹽吸收動(dòng)力學(xué)模擬,需要綜合考慮氮、磷營養(yǎng)鹽的共同影響,倘若以傳統(tǒng)的M-M方程模擬耦合吸收情形,則由于數(shù)學(xué)模型自身的限制性,只能忽略某一營養(yǎng)鹽影響,致使評估結(jié)果與真實(shí)狀況的出入加大.相比而言,雙營養(yǎng)耦合吸收曲面模型由于將參與耦合吸收的兩種營養(yǎng)鹽同時(shí)作為控制變量,從理論上講,其動(dòng)力學(xué)擬合結(jié)果應(yīng)該更為貼近真實(shí)狀況.

表4 兩種動(dòng)力學(xué)模型的Umax擬合結(jié)果比較

有必要指出的是,在對單、雙營養(yǎng)鹽投加的養(yǎng)分吸收速率差異性和吸收速率增幅變化性的初步分析中,依舊借助M-M模型進(jìn)行擬合,主要是基于這種處理有利于計(jì)算結(jié)果的直接對比,從而可以顯著增強(qiáng)耦合吸收作用可能更有利于營養(yǎng)鹽滯留能力提升的說服力.實(shí)際研究中,需要根據(jù)具體的營養(yǎng)鹽吸收情形,有針對性的選擇合適的動(dòng)力學(xué)模型,從而克服因模型本身缺陷而產(chǎn)生的評估偏差,以進(jìn)一步提高評估結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性.

4 結(jié)論

4.1 根據(jù)傳統(tǒng)M-M方程的模擬結(jié)果,無論是NO3-N還是PO4-P,雙營養(yǎng)鹽添加情形的最大吸收速率max-均較對應(yīng)的單添加試驗(yàn)明顯提升,而半飽和常數(shù)m-則明顯下降,表明溪流氮磷營養(yǎng)鹽對彼此的吸收或滯留效應(yīng)具有促進(jìn)作用.

4.2 耦合吸收模擬表明,溪流中NO3-N、PO4-P吸收受到彼此相互作用的影響,而且NO3-N(或PO4-P)可利用量的增加可以明顯提升PO4-P(或NO3-N)吸收和滯留能力.

4.3 耦合吸收曲面模型可以定量刻畫氮磷吸收速率隨NO3-N、PO4-P濃度及其比值大小變化的動(dòng)態(tài)演化態(tài)勢,并直觀展示溪流養(yǎng)分吸收中NO3-N與PO4-P濃度的共同限制性特征,因此適合于養(yǎng)分耦合吸收效應(yīng)的動(dòng)態(tài)模擬研究.

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Coupling uptake kinetics and mechanism of nitrogen and phosphorus in headwater streams.

LI Ru-zhong*, XU Da-qiang, QUE Feng-xiang

(School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)., 2019,39(2)：648~656

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 KNO3and 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 (max-Nandmax-P) obtained by the two kinetic models presented deviations in a certain degree. The parameters ofmax-Nandmax-Pwere underestimated by the M-M model ranging from 3.91%~16.11% and 3.23%~23.63%, respectively.

headwater stream；coupling uptake of nitrogen and phosphorus；TASCC；Michaelis-Menten (M-M) model；response surface model

X522

A

1000-6923(2019)02-0648-09

李如忠(1970-),男,安徽蚌埠人,教授,博士,主要從事水環(huán)境保護(hù)與修復(fù)機(jī)制研究.發(fā)表論文140余篇.

2018-07-02

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51579061)

* 責(zé)任作者, 教授, lrz1970@163.com