Page 72 - 水利学报2021年第52卷第2期

图 2 流域河网潜流及其物质交换带示意 ［26］

此相互混合并发生物质和能量交换，故潜流带也被称为地表水-地下水交换带 ［16］ 。研究表明，潜流带
伸展体积是地表水体的数倍乃至数百倍 ［17］ ，水体自初入河流到最后移出，几乎全部与潜流带发生过
交换 ［18］ 。因此，潜流带是河流中水量交换、溶质迁移、新陈代谢和污染物储存的主要场所，被誉为
河流的肝脏 ［19］ ；同时还是多数河流生物的栖息地，具有重要的生态功能 ［20］ 。
潜流带内氮素运移转化过程一直是国际研究的热点，甚至有人认为河流中 50%以上的脱氮过程
都发生在潜流带中 ［21］ 。研究表明，潜流带脱氮过程主要取决于温度、硝态氮浓度、有机碳浓度以及
沉积物层的非均质性，其中有机碳浓度是关键因素 ［22］ 。潜流带水体交换可通过改变上述条件而影响
脱氮过程。例如，地表水向下运动为潜流带提供了溶氧，而地下水则为潜流带提供了厌氧环境，好
养与厌氧交替出现加速了潜流带有机质的快速分解 ［23］ 。对氮素而言，在溶氧充足的地表水中一般以
硝酸盐的形式存在，而在厌氧的地下水中则以氨氮为主要形态 ［19］ 。当地表水携带硝酸盐进入潜流带
后，经沉积物颗粒的吸附、反硝化及厌氧氨氧化 ［22］ ，硝态氮得以还原为氮气，或被潜流带表层的藻
类、植物利用而被移出水体 ［24］ 。潜流带水流交换还可通过控制地表水与地下水的混合比例和其在潜
流带中的反应时间长短，进而影响潜流带中有氧和厌氧环境及温度的分布 ［25］ 。
对于湖库或海洋，水体脱氮则被认为主要发生在一层很薄的沉积物-上覆水界面上 ［27］ 。因湖库或
海洋等沉积物较厚、颗粒粒径较小，且水体垂向运动相对较弱，在沉积物内难以形成明显的水流通
道，含有溶氧和硝酸盐的上覆水很难直接进入沉积物内部，只能在沉积物表层以扩散为主的方式进
行交换 ［28］ 。因此，虽然沉积物内部富含有机质和微生物并处于厌氧环境，但因硝酸盐浓度极低而无
法发生脱氮反应，但上覆水扩散进入的溶解氧和硝酸盐刚好在沉积物-上覆水界面与沉积物中的氨氮
相遇，溶解氧很快消耗并形成厌氧环境 ［29］ 。大量研究已在湖库、平原河流或海洋沉积物表层中找到
了反硝化、厌氧氨氧化以及厌氧甲烷氧化的证据 ［30］ 。

4 水体及其悬浮颗粒脱氮过程

溶解氧极小层（Oxygen minimum zone，OMZ）是目前已知的开放水体脱氮最可能发生的区域 ［31］ 。
OMZ 是指分层水体中存在的溶解氧消耗远大于补给的某层水体，深水水库及海洋中时有发生 ［32］ 。因
水温和盐度等因素的影响会使分层水体的某层密度突然增大，阻断了上部溶氧向下传输；同时，上
层真光层产生的藻类等有机质也因该层水体密度骤增而无法下沉。高浓度有机质和低溶氧补给，很
容易导致该层内溶氧浓度骤降，OMZ 随即形成 ［31，33］ 。例如，Thamdrup 等 ［34］ 发现虽然 OMZ 上层水体溶
氧可超过 250 μmol/L，但在 OMZ 层中心区域溶氧最低可为 10 nmol/L；而当溶解氧低于 25 μmol /L 时
硝酸盐还原开始发生，当溶解氧低于 20 μmol /L 时厌氧氨氧化开始发生 ［35］ 。同时，因 OMZ 层内有机
碳充足，厌氧氨氧化在该层内可不受碳源限制而成为主要的脱氮过程，厌氧反硝化发生概率反而较

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