河流湿地原位反硝化潜力测算及脱氮热点识别取得进展
河流湿地是承接上游来水并向下游河湖输送的重要过水通道,也是含氮污染物发生反硝化脱氮等生物地球化学反应的热区。近些年来，随着我国大力推进湿地生态建设与保护工作，河流污染拦截和净化能力得到了显著的提升。然而目前，鲜有方法可简便、快速、精准评估河流湿地工程建维效果。这是由于分布在河流中的湿地易受上游来水脉冲的冲击，氮素输送、滞留及其反硝化发生的环境条件变化复杂并呈现非稳态的特点，传统的沉积物培养法及物质平衡法测算难度大、误差大、不确定性大，且难以代表野外多变的原位条件。当前，亟需针对性河流湿地的特点研发速率原位精准测算技术并解析其脱氮过程，这不仅是系统认识湿地生态系统复杂氮循环过程的重要前提，也是河流湿地工程绩效评估及其优化运行调控的基础。 
鉴于此，中国科学院南京地理与湖泊研究所李恒鹏研究员团队张汪寿副研究员等人选择了太湖上游天目湖流域典型湿地恢复河流为研究对象，通过对反硝化产物（氮气、氧化亚氮）的原位观测，测算了河流湿地的脱氮潜力，解析了其脱氮过程，主要结果如下：
（1）水生植被分布茂盛的河段是反硝化脱氮热区，7-9月份是河流湿地发生脱氮作用的热点时期：研究通过对河流反硝化产物（氮气、氧化亚氮）的原位观测，并结合水气界面交换通量估算，研究发现生态条件较好的湿地河段是脱氮潜力的热区，其平均脱氮潜力为22.4mmol N m-2d-1，是非湿地河段的2倍；水热同期的7-9月份是反硝化脱氮热点时期，其湿地河段脱氮潜力可高达110mmol N m-2d-1，是同期非湿地河段的5倍以上，这些结果证实了湿地生态修复可显著提升河流氮素消纳和去除能力。研究还解析了上游来水水质对河流湿地脱氮速率的影响，发现河流湿地脱氮速率主要受溶解氧、pH、温度和碳氮比等因素共同控制，这些结果为湿地运行调控提供了重要依据。
图1 湿地和非湿地河段反硝化脱氮潜力时空变化规律
（2）提出了湿地河段脱氮速率定量测算方法，揭示了其脱氮过程昼夜变化规律：受上游来水影响，河流湿地脱氮速率多变，研究根据河流湿地水流运动规律，创新性设计拉格朗日采样法监测湿地出入口含氮溶存气体变化动态，并构建了反硝化脱氮速率测算模型，有效解决了上游来水扰动下原位测算的难题。通过对典型湿地河段出入口连续观测，研究揭示了小时尺度河流湿地脱氮过程动态，发现河流湿地反硝化作用呈现鲜明的昼夜变化规律，夜间是反硝化脱氮的热点时段，平均可达白天的3倍以上，溶解氧及氧化还原条件的波动是驱动脱氮过程昼夜变化的主控因子。
上述研究成果分别发表在Environmental research letters、Science of the Total Environment及Journal of Hydrology等生态环境领域重要刊物上，研发的相关测算技术及算法授权国家发明专利1项，研究得到了中科院“美丽中国”先导专项、国家自然科学基金等项目的资助。
图2 湿地河段反硝化脱氮潜力昼夜变化动态
全文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2023.129132
https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.157538
https://doi.org/10.1088/1748-9326/ab8981
附件