黄河长江源区河水含氮化合物的来源及水-沙界面过程

The exploitation and utilization of water resources, and the construction of hydraulic engineering system in the source regions of the Yellow and Yangtze rivers have significant impact on water and sediment conditions, and will further influence the migration and transformation of nitrogen compounds. However, the relevant studies are few. This project intends to study the source of nitrogen and the mechanism of migration and transformation of nitrogen in the water-sediment interface in the source region of the Yellow River with the combination of field monitoring, filed medium cosmos and indoor microcosm experiments and multiple isotopic tracing technologies. Firstly, three isotopes including 5NNO3,17ONO3 and 18ONO3 will be combined to analyze the source of nitrogen in the river. On this basis, the effect of water and sediment conditions in the source regions on the migration and transformation of nitrogen will be investigated, which emphasizes the anaerobic ammonium oxidation, coupled nitrification and denitrification, and the effect of carbon transformation on nitrogen transformation in suspended sediment phase. In addition, the effect of suspended sediment concentrations, sizes and compositions on nitrogen transformation will be expounded, and the release of two greenhouse gases (N2O and CH4) under different water and sediment conditions will be clarified. Furthermore, with the combination of the results of simulation experiments and field monitoring, the effect of the reservoir construction on water and sediment conditions, nitrogen transformation and river fluxes, and greenhouse gases release will be explored. This project will provide scientific basis for the safeguard of aquatic ecosystem security, exploitation and utilization of water resources, and construction of hydraulic engineering system.

黄河长江源区的水资源开发利用和水利工程建设将显著影响水沙条件，进而影响含氮化合物迁移转化，但目前相关研究几乎为空白。本项目拟将实地监测、野外中宇宙和室内微宇宙实验以及多种同位素示踪分析技术相结合，重点阐明黄河源区河水氮的来源以及在水-沙界面的迁移转化规律。首先采用15NNO3，17ONO3和18ONO3三种同位素相结合的方法解析源区河水氮的来源。在此基础上研究源区河流水沙条件对氮迁移转化作用的影响，重点考察悬浮泥沙相的厌氧氨氧化作用、耦合硝化反硝化作用以及碳转化对氮转化作用的影响，揭示悬浮泥沙含量、粒径和组成对氮转化作用的影响机制，阐明不同水沙条件下温室气体N2O和CH4的释放规律。进一步将模拟实验和野外实地监测结果相结合，分析水利工程/水库建设对水沙条件的影响以及对氮迁移转化、河流通量和温室气体排放的影响，为黄河长江源区的水生态环境安全保障，以及水资源开发利用和水利设施建设提供科学依据。

项目围绕黄河长江源区河水含氮化合物的来源及水-沙界面过程开展了系统深入的研究。在2016-2018年进行了7次大规模的野外采样和实地实验，同时进行了室内同位素示踪模拟实验。重点研究了黄河和长江源区河水含氮化合物的来源解析，源区氮转化微生物的特征，含氮化合物的水-沙界面过程和温室气体N2O的排放规律，以及水库运行对氮迁移转化和温室气体排放的影响。项目取得了如下主要创新性成果：(1) 揭示了黄河源区的水化学特征，发现尽管黄河源区是高寒区域，但该区域的化学溶蚀速率与全球平均值具有可比性，且岩石风化速率甚至高于世界上的一些大型河流。这可能是因为黄河源区的陡峭地形和冻融效应导致较高的机械溶蚀速率，进而造成化学风化通量的增加。(2) 针对高海拔地区降水硝酸盐同位素值研究的缺乏，获得了青藏高原降水中的Δ17Oatm值。发现源区降水的Δ17Oatm平均值为16.4‰，低于低海拔降水中的值(19‒30‰)，并揭示了其原因机理。(3) 采用15N, 17O和18O三种同位素相结合的方法解析河水氮的来源，弥补了以往方法不能定量确定大气沉降贡献的缺陷，定量解析了黄河长江源区硝酸盐的来源，发现动物粪便是黄河和长江源区河流硝酸盐的主要来源。(4) 阐明了黄河、长江等源区河流氮循环微生物的时空分布特征及影响因素，发现源区微生物群落结构具有明显高海拔河流特征，微生物已经适应了源区的低温高海拔条件。(5) 发现由于悬浮泥沙附近存在好氧-低氧微界面，河流上覆好氧水体存在厌氧氨氧化作用和耦合硝化反硝化作用，且反应速率随泥沙粒径减少而增加。(6) 阐明了黄河、长江等源区河流的脱氮作用和温室气体N2O的排放规律以及主要的影响因素，剖析了源区河流N2O的释放速率与冻土湿地面积以及河流等级的关系。(7) 探明了黄河源区水库运行对氮迁移转化和温室气体排放的影响，发现筑坝之后龙刘水库温室气体总排放量高于筑坝前总排放量。成果为气候变化背景下源区的水生态环境安全，以及江河源区水资源的开发利用和水利设施的建设提供了科学依据。