地下水-地表水交互带中控制铵态氮分布和迁移转化的生物和非生物过程的调查、识别及其相互作用研究

Ammonium (NH4+) is an important form of nitrogen. It is a nutrient and also a contaminant in aquatic systems. Groundwater-surface water interaction zone (GSIZ) is a critical domain between terrestrial and aquatic systems where nutrients and contaminants from surface water and groundwater mix, transport, and transform. Strong biogeochemical reactions and large gradients of redox potential and chemical composition exist in this zone that can strongly affect NH4+ transport and transformation. This proposed study will use Jianghan Plain at Hubei Province as an example, where NH4+ is a major groundwater contaminant, to investigate NH4+ concentration distribution in GSIZ; to identify key biotic and abiotic processes controlling NH4+ concentration distribution; to investigate the interactions between biogeochemical and geochemical processes that control NH4+ production and oxidation, and NH4+ sorption and desorption on mineral surfaces; to fundamentally link redox condition and chemical composition changes to NH4+ concentration distribution. The results will not only provide new insights into NH4+ distribution, transport and transformation in GSIZ that can affect both surface and groundwater quality, but also improve our understanding of the GSIZ functions in retarding, accumulating and transforming contaminants that are important for protection of surface water and groundwater quality, and prevention of water and soil from contamination.

铵态氮是氮素的一种重要形态，既是养分，又是污染物，而地下水-地表水交互作用带(GSIZ)是化学养分和污染物在陆地和水域系统之间迁移转化的关键地带。这里有旺盛的生物地球化学作用和剧烈变化的氧化还原电位和水化学成分梯度，然而它们对铵态氮分布和迁移转化的影响仍然不清楚。本项目将采用野外监测和室内机理实验相结合的方法，以江汉平原（那里地下水与地表水交互作用强烈，地下水铵态氮污染严重）为例，研究铵态氮在GSIZ中的时空分布特征，识别控制铵态氮分布的生物和非生物过程，重点研究控制铵态氮生成和氧化的生物地球化学过程与控制铵态氮在沉积物表面吸附解吸的地球化学过程之间的相互作用，揭示铵态氮的分布与氧化还原电位以及水化学成分间的内在关系。研究结果不但能对铵态氮在GSIZ中的分布和迁移转化提供新的认识，也能加深理解污染物在交互带中滞留、富集和迁移转化等过程，为水土污染防治提供理论依据。

铵(NH4+)、硝酸根(NO3-)既是生物体常见养分，又是水体污染物，容易引起地表水发生水华，影响地下水水质安全。地下水-地表水交互作用带(GSIZ)是化学养分和污染物在陆地和水域系统之间迁移转化的关键地带，这里有旺盛的生物地球化学作用及剧烈变化的氧化还原电位和水化学成分浓度梯度，具有天然过滤器作用，是流域生态系统的重要组成部分。然而交互带中NH4+、NO3-、NO2-等的分布、生物和非生物过程及其相互作用规律、去除等仍然不清楚。本项目采用野外监测和室内机理实验相结合的方法，以江汉平原（那里地下水与地表水交互作用强烈，地下水氮污染严重）为例，野外监测地下水水化学成分和沉积物无机氮含量，获取NH4+、NO3-等在GSIZ中时空分布特征及与其它水化学成分的关系；设置室内机理实验识别控制NH4+分布的生物和非生物过程，重点研究控制NH4+生成和氧化的生物地球化学过程与控制NH4+在沉积物表面吸附解吸的地球化学过程之间的相互作用规律，解释野外NH4+、NO3-等的观测结果。研发环境样品微生物功能酶高灵敏靶向质谱测定方法，建立耦合反硝化反应动力学过程、反硝化功能基因动力学过程、反硝化功能酶动力学过程的生物地球化学模型，揭示了氮代谢功能基因动力学过程、功能酶动力学过程对GSIZ氮素转化的作用规律。此外，揭示了氮代谢功能基因、功能酶动力学过程对GSIZ中水化学成分周期性变化的响应规律及控制因素。研究结果不但能对GSIZ中氮的分布和迁移转化提供新的认识，也能加深理解污染物在交互带中滞留、富集和迁移转化等过程，为水土污染防治提供理论依据。