2016年11月 Journal of Green Science and Technology 缘色科技 第22期 湿地生态系统反硝化作用及其测定研究 李亚兰1,2 (1.福建师范大学湿润亚热带生态地理过程教育部重点实验室,福建福州2500O7; 2.福建师范大学地理科学学院亚热带湿地研究中心,福建福州350007) 摘要:指出了当前由于温室气体的增加导致全球变暖,“地球之肾”的湿地是对全球气候变化响应最敏感的 区域之一,其碳氮循环也成为近年来学术界研究的热点。脱氮作用是湿地氮循环的重要功能,反硝化作用 在湿地脱氮作用中占主导地位。综述了湿地生态系统反硝化作用测定及计算的一些方法,主要有乙炔抑 制法、硝酸盐剩余法、气体分压法、 N同位素技术法、结合膜输入质谱检测的同位素配对法、 N成对标记 法。以期为湿地氮循环研究提供参考。 关键词:湿地生态系统;氮循环;反硝化作用;测定方法 中图分类号:S156.8 文献标识码:A 文章编号:1674—9944(2016)22—0032—03 1 引言 湿地生态系统脱氮作用对湿地氮循环有重要意义, 抑制法,给培养土添加氯霉素、硝酸钾、葡萄糖可以使反 应更充分 。 缺点是培养过程中土壤酶被氯霉素抑制导致乙炔 浓度变小,乙炔对N 0到N 这一过程所起的抑制作用 降低;乙炔纯度难保证,反硝化速率测定结果不准确;土 壤中硝态氮浓度较低碳含量较高时乙炔抑制剂会失去 其抑制作用 ]。当土壤NO。一N含量较低时不可采取 而氮素生物地球化学循环又进一步影响到湿地生态系 统的生产力甚至是全球的气候变迁,因此脱氮过程反硝 化作用是湿地土壤氮素循环不可缺少的环节之一。目 前测定反硝化作用的方法有:乙炔抑制法、硝酸盐剩余 法、气体分压法、“N同位素技术 、结合膜输入质谱检 测的同位素配对法、 N成对标记等方法。笔者总结了 每种测定方法的原理、操作方法、运用范围、优缺点和分 析精度,以期为实验提供参考依据,也为湿地氮循环尤 其是反硝化过程研究奠定基础。 乙炔抑制法测定其反硝化速率。但乙炔抑制法在灵敏 度、重现性、培养时间等方面存在独有优势。 3.2硝酸盐剩余法 硝酸盐剩余法原理是在所培养的土壤中定量添加 硝态氮,样品中硝态氮含量在不同的培养阶段取样并测 定,然后计算各个培养阶段硝态氮的变化量,用硝态氮 2湿地生态系统的反硝化作用 河口区分布的天然湿地在减少上游径流向海洋的 氮输入量及降低河口水体富营养化发生风险及危害方 面作用巨大 ]。厌氧环境下,即水体中常见的含氮污染 物(N02)可由土壤微生物介导的土壤反硝化过程转化 为气态氮 ]。目前对湿地生态系统反硝化作用的研究 通常意义是指硝酸盐或亚硝酸盐在缺氧条件下被还原 为N 、N O、NO等气体而进入大气之中。湿地中通过 生物过程特别是脱氮作用被去除的氮可达75 ,反硝 变化量除以培养时间来计算反硝化速率,用硝态氮变化 量除以初始量来计算其活性,培养过程需要保证厌氧 淹水 。 优点是反硝化活性和速率可同时测定,缺点是部分 NO。一N进入到土壤中后在短时间内被束缚无法参加 反应 ,测定结果可能高估土壤反硝化作用。 3.3气体分压法 气压过程分离技术(BaPS)即气体分压法是Ingw— ersen在1999年提出的 。原理是设定土壤仅有的反 应过程是CO 溶于土壤水的过程、土壤硝化反硝化过 程和土壤呼吸过程,则在土壤呼吸系数为1.0的条件 化作用形成气体N 0和N。可占去除总氮量的89 ~ 96 ,是湿地生态系统氮去除的主要机制 川。 下,可根据气压平衡原理计算反硝化速率。即测量气室 气压变化和O 和C0 浓度变化推出反硝化速率。其 3反硝化作用的测定方法 3.1 乙炔抑制法 优缺点为:①缺点是保持土壤呼吸系数为1.0,因此测 定通气状况不好或太好的土壤反硝化速率将产生偏差, 淹水土壤反硝化速率的测定则不适宜使用气体分压法。 ②优点是迅速、易做、无污染、可同时测得N。()释放速 乙炔抑制法原理是一定浓度的乙炔抑制N O还原 酶的活性,反硝化过程停留在产N O过程,将NH 一N 氧化为N。O的硝化作用也被乙炔抑制,根据N。O产生 量通过计算得到反硝化速率 。运用氯霉素改善乙炔 收稿日期:201 6-10—1 2 率和反硝化速率、与其它气体抑制剂添加和 N com~ pound tO the soil方法比减少了对土壤系统的干扰。 基金项目:福建省教育厅A类项目(编号:JA14074) 作者简介:李亚兰(199O一),女,福建师范大学自然地理学专业硕士研究生。 李亚兰:湿地生态系统反硝化作用及其测定研究 3.4”N同位素技术 (1) N平衡差值法。施人培养土壤的 N肥料总 环境与安全 算方法在不断修改和进步,这有利于对氮循环过程产生 量一氨挥发的“N量一植物吸收的“N量一土壤残留 的 N量一反硝化损失量。优点是氨挥发的 N和“N 丰度测定真实,测定结果在没有径流和淋洗损失时可 的温室气体N。O的进一步研究。在研究温室气体N。O 的过程中发现实验条件的不同以及实验进行过程众多 的影响因子要求有不同的实验方法和实验设置以保证 实验成果的准确性,因此对于测定反硝化的方法要求更 信,缺点是测出的值比实际值稍低,生物交换作用使土 壤本身所含的氮与施入的 N进行交换 。 高。笔者综述了以上几种反硝化测定方法,可以看出, 每一种方法都有它自身的优缺点和适宜范围,需要实验 (2)气体通量法(“N示踪)。给土壤样品施标有 N的肥,同时测定定期从样品中采集的气体,所采样品 者更好地利用其优点,发挥其有利的价值。 参考文献: Eli刘荣芳.闽江河口湿地土壤反硝化潜力[D].福州:福建师范大 学,2014. 中的CO。、0 杂质要在测定前去掉,将氮氧化物定量还 原成N ,用 N示踪一质谱法测定口 。此方法可适用 于沉积物和原位土壤的植物不能被破坏的条件,并且灵 敏度高。 3.5”N成对标记 [2]Burgin A J,Hamilton S K.Have we overemphasized the role of denitrification in aquatic ecosystems?A review of nitrate removal pathways_J].Frontiers in Ecology and the Environment,2007,5 (2):89~96. 成对标记的原理是向培养器中添加”N0l_,在添加 之前和之后分别测定 NO;-和“N0 比率。在培养初 期、中期、后期测定 。N 和 N 随时间的线性变化。水 [3]Seitzinger S,Harrison J A,B6hlke J K,et a1.Denitrification across landscapes and waterscapes:a synthesis[J].Ecological Applica tions,2006,16(6):2064~2O90. ● 溶液中加入饱和HgC1 溶液,待测N。的气体通过高温 燃烧去除O ,最后通过公式计算得出反硝化的速率 。 D:P N +P ×( N,) [4]Howarth R W,Billen G,Swaney D,et a1.Regional nitrogen budgets and riverine N and P fluxes for the drainages to the North Atlantic Ocean:natural and human influences[J].Biogeochemis try,1 996,35(1):75~139. “D=(p N2)/(2×p( N )× D D 。 : D—L D [5]万晓红,周怀东,刘玲花.湿地脱氮作用研究进展[J].中国水利, 2[)(]7(9):38~4O. 式中”D指加了 NO2后,从 N 和 N。产率中得 到“N 的产量;P指产量。 其优点是国内外普遍认可的新方法,此方法适用于 河口沼泽湿地反硝化的测量,同时也适用于DNAR。 [6]徐继荣,王友绍,殷建平,等.珠江口人海河段DIN形态转化与硝 化和脱氮作用[J].环境科学学报,2005,25(5):686~692, [7]Wall L G,Tank J L,Royer T V,et a1.Spatial and temporal varia- bility in sediment denitrification within an agriculturally influenced 但在沉积物反硝化速率的测定中贡献不明显。 3.6 结合膜输入质谱检测的同位素配对法 将从河口湿地采集的土柱放人培养器中,从中采集 出水样并将水样放入培养皿中,每间隔4O min加入N reservoir[J].Biogeochemistry,2005,76(1):85~111. [8]吕海霞,周鑫斌,张金波,等.长白山4种森林土壤反硝化潜力及产 物组成[J].土壤学报,2011,48(1):39~46. E9]Delaune R D,Lindau C W,Sulaeman E,et a1.Nitrification and denitriicatifon estimates in a I ouisiana swamp forest soil as as— sessed by 1 5 N isotope dilution and direct gaseous measurements 进行溶解并通过4 rain震荡使其达到均衡的培养,气体 样品的抽取在水样之前,采用注射器在培养器中抽取气 体到3.5 mL的收集管中,给样品中注入 N0 ,并使其 [J].Water,Air,and Soil Pollution,1 998,106(1 2):149~161. [10]续勇波,蔡祖聪.亚热带土壤氮素反硝化过程中N20的排放和还 浓度在100/ ̄mol/I 左右,14NO[只保持原有的丰 度 。然后用同位素率mass光谱仪分析“N N/ N” N的比率,可以显示出”NO 与“NO 之间的平衡状 况,”NO[(D15)和 NO[(D14)的反硝化速率可以通过 原[J].环境科学学报,2008,28(4):731~737. [11]Ingwersen J,Butterhaeh--Bahl K,Gasehe R,et a1.Barometric process separation:new method for quantifying nitrification, denitrification,and nitrous oxide sources in soils[J].Soil Science Society of America Journal,1999,63(1):117~128. 公式计算得出。 这种方法适用于室内模拟培养实验,通过 NO2 [12]李振高,俞[13]刘慎.土壤硝化一脱氮作用研究进展[J].土壤,1997, 义,陈劲松,刘庆,等.土壤硝化和脱氮作用及影响因素研 29(6).28]~286. 的添加可更详细的测出各部分的产生物,但程序复杂, 需长时间测量。 究进展[J].四J1I林业科技,2006,27(2):6~9. r14]Giblin A E,Weston N B,Banta G T,et a1.The effects of salini— 4结语 随着全球气候变暖和极端气候现象增多,人们对于 气候的变化越来越关注。湿地生态系统对气候具有调 ty on nitrogen losses from an oligohaline estuarine sediment[J]. Estuaries and Coasts,2O10,33(5):1054~1068, [15]唐陈杰,张路,杜应呖,等.鄱阳湖湿地沉积物反硝化空间差异 及其影响因素研究[J].环境科学学报,2014,34(1):202~209. (下转第35页) 节作用,其氮循环过程的重要环节反硝化作用测定和计 凌绍华,等:SNCR脱硝技术在75t/h燃煤锅炉上的应用 环境与安全 4运行效果 该脱硝工程在完成168 h满负荷试运行期间对烟 气进行监测分析,各项指标优于设计要求,具体监测结 果如表3所示。 表3监测数据汇总 如表4所示,该锅炉SNCR脱硝系统总运行成本为 59.64万元/a(该锅炉每年以160 d生产日计)。 5.2环境效益分析 该工程投入运行后,脱硝效率超过68.5O ,每年 减少氮氧化物排放约12o t,可有效改善锅炉所在地的 大气环境,环境效益及社会效益显著。 6结论 采用SNCR技术应用于75t/h循环流化床锅炉烟 气脱硝工程,取得良好的环境效率及社会效益。运行结 果表明:在NO 初始浓度为276 mg/m。的情况下,处 5效益分析 5.1经济效益分析 理后NO 浓度小于100 mg/m。,脱硝效率达到 68.5O ,氨逃逸量小于1.83 mg/m。。实施该工程后, 每年可减排N0 约120 t。 参考文献: [1]陈进生.火电厂烟气脱硝技术[M3.北京:中国电力出版社,2008: 18~20. 试运行期间,运行费用主要是材料与动力消耗,包括 尿素、稀释水、压缩空气及电力消耗。各种费用见表4。 表4运行费用统计 [2]路涛,贾双燕,李晓芸.关于烟气脱硝SNCR工艺及其技术经 祥.燃煤电厂烟气脱硝设备及运行EM3.北京:中国 济分析[JJ.现代电力,2004,21(1):17~22. I-3]孙克勤,韩机械出版社,2011:21~23. [4]段传和,夏怀祥.燃煤电站SCR烟气脱硝工程技术[M].北京:中 国电力出版社,2009:13~l4. [5]周菊华,孙海峰.火电厂燃煤机组脱硫脱硝技术[M].北京:中国 电力出版社,2OlO:168~170. Application of SNCR Denitrati0nTechno10gy onto 7 5 t/h C0al—fired Boiler Ling Shaohua,Jing Changyong (Department of Environment Engineering,Hebei University of Environmental Engineering, Qinhuangdao,HeBei 066102,China) Abstract:In this paper,we introduced the application of SNCR denitration technology onto a 75 t/h coal—fired circu— lating fluidized bed boilerin a certaincompany.The SNCR process was described,and denitration effects,operating costs and the environmenta1 benefits were analyzed.The result showed:as the boiler flue gas used SNCR denitration treatment,the denitration efficiency reached 69.50 ,and the concentration of NOx after—treatment was86 rag/ m3。which met the requirements of“Boiler Air Pollutants Emission Standards”(GB13271—2O14). Key words:SNCR;circulating fluidized bed boiler;denitration technology (上接第33页) Research on the Measuring Methods for Denitrificati0n0f Wetland Ecosystem Li Yalan (Research Center for Subtropical Wetlands.Key Laboratory of Humid Subtropical Eco—geographical Process, School ofGeographical Science,FujianNormal University,Fuzhou,Fujian 350007,China) Abstract:With the increase of greenhouse gases causing global warming currently,wetland,known as the“kidney of the earth”,is the most sensitive area in global climate change,and the carbon and nitrogen cycle has become hot spot of academic research in recent years.Nitrate removal is an important link in wetland nitrogen cycle and denitrifica— tionplays a leading role in the process.This paper summarized experimental techniques on measurement of denitrifica— tion,such as acetylene inhibition method,nitrate residual method,barometric process separation,15N mass—hal— ance approach,1 5 N isotope pairing techniqueand isotope matchmethod,hoping toprovide referencefor the research on wetland nitrogen cycle. Key words:wetland ecosystem;nitrogen cycle;denitrification;measuring methods