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钦州湾营养盐时空变化的影响因素与陆源TDN的量化减排研究

张栋  
【摘要】:富营养化是全球近海所面临的主要生态环境问题,准确认识其原因是进一步开展生态环境保护和治理的前提。钦州湾位于北部湾海域顶端,由内湾和外湾组成,面积约380 km~2,是南亚地区最大的近江牡蛎种质资源区,近年来呈现出了藻华频发等富营养化特征,但关于其富营养化的成因及陆海营养盐的量化关系尚不清楚。本文基于对钦州湾海域、河流、入海排污口水环境不同时空尺度调查资料的获取,以及对5种陆源氮(工业源有机氮、农业源有机氮、河流源有机氮、NO_3~-和NH_4~+)的干、湿季现场加富培养实验,利用多元统计、相关性分析、箱式收支模型、生态动力学解析、箱式数值模型等技术方法,探讨钦州湾营养盐时空变化的影响因素、生态风险,以及陆源总溶解氮(TDN)的迁移-转化动力学过程与量化减排方案。主要结论如下:(1)揭示了钦州湾营养盐浓度时空变化的影响因素。季节变化方面,农业施肥等“面源”因素和城镇排污等“点源”因素共同影响溶解无机氮(DIN)浓度的季节变化,而溶解无机磷(DIP)浓度的季节变化主要受“点源”因素的影响。空间变化方面,河-海混合是影响钦州湾DIN与DIP浓度空间变化的主要因素,其季节上的空间变化还可能受到地下水输入、牡蛎养殖排放、热带气旋驱动外海再悬浮过程等因素的影响。年际变化方面,近35年DIN与DIP显著上升(p0.001)主要与钦州湾的快速城镇化有关,而农业活动施肥的变化对其影响较小。主要输入源方面,河流对钦州湾内湾DIN与DIP的输入贡献分别大于59.3%和63.0%,茅岭江入海口存在一个可能与附近工业有关的强DIP输入源(7.3 kmol/d)。(2)探讨了钦州湾营养盐结构变化与近年来球形棕囊藻频发的关系。干季相对低温以及富N与P限制缓解(DIN/DIP接近16:1)的季节变化特征,可能是近年来钦州湾球形棕囊藻藻华频发的重要原因。钦州湾20世纪80年代属于DIN限制,90年代以后属于DIP限制而DIN过富(DIN/DIP16:1),且有向更低DIN/DIP比值发展的趋势,这可能进一步加剧该海域球形棕囊藻藻华风险。(3)揭示了钦州湾5种陆源氮的迁移-转化动力学过程及其影响因素。首先,溶解有机氮(DON)在微生物或光或它们的共同作用下均能有效迁移-转化为浮游植物直接吸收利用的NO_3~-,其中光和微生物共同作用下的迁移-转化率高达63.4%~100%。该动力学过程受到源、光照、微生物、温度、溶解氧浓度等因素的综合影响,而微生物相对于光照对NH_4~+的硝化过程影响大,且高温促进NH_4~+的硝化。其次,湿季与干季浮游植物对不同氮源的最大生长速率大小的顺序不同,可能与浮游植物种群结构的季节变化有关。再次,湿季浮游植物的死亡速率以及浮游植物死亡产生的颗粒氮(PN)的降解速率显著高于干季(p0.05),表明高温加速浮游植物死亡,促进PN再生为DON。(4)构建了耦合氮迁移-转化动力学的箱式数值模型,能较准确量化钦州湾内湾DIN年均浓度与河流TDN年均输入量的关系。应用该模型计算出满足内湾DIN管控目标(≤21.42μmol/L)的TDN最大纳污量为5488.4 t/y;对于河流现状排放量(7816.7 t/y),采用不同形态氮和不同河流的双重“差别化”消减最为高效。


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