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在全球氮污染评估中考虑湍流

发布时间:2020-06-22

作者:土壤氮循环

向溪流和河流排放过量的氮对人类和生态系统都构成生存威胁。一项针对美国整个上游水流的开创性研究得出的结论是,河床中硝酸盐的去除主要受河床化学和生物学的控制。对这些数据重新分析发现,水流湍流(特别是穿过浓度边界层的湍流传质)对湍流中硝酸盐的去除率施加了一个以前无法识别的上限。上限非常接近在低浓度该污染物流中测得的硝酸盐去除率,这一发现应为流恢复设计和评估氮污染对受纳水体质量和全球氮循环的影响提供依据。


1 湍流对通过同化和反硝化作用吸收硝酸盐施加了上限。(A)硝酸盐如何从大体积流穿过浓度边界层并进入河床的概念模型,在底河藻层和低渗带中硝酸盐被吸收和反硝化。(B)在LINX II野外期间测得的总吸收速度(兼顾硝酸盐的同化和反硝化作用),相对于根据公式Eq.2A计算的传质系数作图。颜色表示周围的土地用途[参考(REF),农业(AGR)或城市(URB]。(C)同(B),除反硝化吸收速度绘制在垂直轴上。(D)按土地利用类型划分的总(实线)和反硝化(虚线)效率的经验累积分布。根据测得的吸收速度与根据公式Eq. 2A计算得出的传质系数的特定位置值之比来计算效率。


2 在低硝酸盐浓度的流中观察到湍流对硝酸盐吸收的上限。(A)通过同化和反硝化作用去除的河床硝酸盐含量与河床硝酸盐浓度呈负相关(决定系数r2 = 0.41P <0.01),当硝酸盐浓度低(NO3-10-3 mol m-3)时接近100%(αtot= 1)。(B)通过反硝化作用去除的硝酸盐含量也与硝酸盐浓度呈负相关(r2 = 0.32P <0.01)。线表示对数转换效率相对于对数转换硝酸盐浓度的最小二乘线性回归:log10α = a + blog10[NO3-],其中常数:对于αtota = -2.5±0.18b = -0.49±0.07;对于αden-a = -3.36±0.22b = -0.49±0.11


3 这项研究得出的比例定律测试。(A)在LINX II站点通过反硝化和同化(ftot)或仅反硝化(fden)去除的硝酸盐(符号)和预测(曲线)部分的经验累积分布。将线性回归模型替换为αtotαden-(图2)以及特定位置的切变速度、流速度、到达长度、平均深度和流硝酸盐浓度(补充材料中的LINX II数据)后,ftotfden的预测值由公式Eq. 3计算得出。(B)与(A)中相同的数据,但是作图,以便可以逐个地点比较ftotfden的观测值和预测值。对角线代表一对一的关系。

文献信息:

Grant, S.B., Azizian, M., Cook, P. et al. Factoringstream turbulence into global assessments of nitrogen pollution[J]. Science,2018, 359: 1266-1268. doi:10.1126/science.aap8074

https://science.sciencemag.org/content/359/6381/1266