Vertical Hyporheic Exchange and Nitrogen Transport and Transformation in Prairie Meandering Rivers
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摘要: 潜流带是地表水与地下水之间发生水分和物质交换的关键区域，研究河流潜流带氮素转化对于改善河流水质，维持水生态系统稳定具有重要意义.为探究半干旱区草原曲流河潜流带内的氮素迁移转化过程，以锡林河弯曲河段为研究对象，结合水动力学和水化学法，分析了潜流带内的垂向潜流交换模式及氮素转化特征.结果表明：非降雨时期垂向潜流交换以微弱的上升流为主，平均水力梯度为-0.023.降雨和上游来水可能导致交换方向逆转，出现下降流，平均水力梯度为0.086.垂向潜流交换速率随深度增加而递减，河床表面以下20、50和100 cm处的平均交换速率分别为0.102、0.041和0.017 m·d-1，100 cm是垂向交换的下边界.潜流带中可能存在氨化、硝化、反硝化及异化还原反应，50 cm是热点反应深度，出现生物地球化学梯度的逆转.草原曲流河的垂向潜流带是NO3-的汇，且对NO3-的去除作用存在空间差异，深层沉积物的去除作用强于浅层.上升流和下降流条件下的NO3-平均去除率分别为34%和28%.曲流河段顶点处相对于入流及出流处，其垂向交换较弱，而氮素浓度较低，可能是曲流驱动下生物地球化学反应发生的热点位置.Abstract: The hyporheic zone is a critical interface between surface water and groundwater where water and materials exchange actively. The study of nitrogen transport and transformation in the hyporheic zone of rivers is of great significance for improving river water quality and maintaining the stability of water ecosystems. To investigate the nitrogen transport and transformation processes in the hyporheic zone of prairie meandering rivers in the semi-arid region, a meandering reach of the Xilin River was taken as the research object, and the vertical hyporheic exchange patterns and nitrogen transformation characteristics in the hyporheic zone were analyzed by combining the hydrodynamic and hydrochemical methods. The results show that the vertical hyporheic exchange is dominated by a weak upwelling flow with an average hydraulic gradient of -0.023 during the non-rainfall period. Rainfall and upland water can lead to a reversal of the exchange direction and an appearance of downwelling flow with an average hydraulic gradient of 0.086. The vertical hyporheic exchange rate decreases with depth, with the average exchange rate at 20, 50 and 100 cm below the surface of river bed is 0.102, 0.041 and 0.017 m·d-1, respectively, the depth of 100 cm is the lower boundary of vertical exchange. Ammonification, nitrification, denitrification and dissimilatory reduction reactions are likely to occur in the hyporheic zone, with the depth of 50 cm being the hot spot where the reversal of biogeochemical gradients occurs. The vertical hyporheiczone of prairie meandering rivers is a sink for nitrate. The removal effect on nitrate indicates spatial differences with stronger removal rate in deep sediments than in shallow ones. The average removal rate of nitrate were 34% and 28% under upwelling and downwelling conditions, respectively.Compared with the inflow and outflow points, the vertical exchange at the apex of the meandering reach is relatively weak, and the nitrogen concentration is low. The apex may be the hot spot of biogeochemical reactions in the hyporheic zones driven by meanders.
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Key words:
- meandering river /
- hyporheic exchange /
- nitrogen transformation /
- nitrogen sink /
- riverbed /
- groundwater /
- hydrogeology
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0. 引言
潜流带又称河水-地下水相互作用带，位于河道及河岸带的饱和沉积物层，是河水与地下水相互混合的饱和含水区（吴光东等，2019）.潜流带中发生的水、溶质、胶体以及颗粒物质的双向迁移转化过程被称为潜流交换（苏小四等，2019），这些复杂的物理、化学和生物过程对于改善水环境质量以及维持河流系统生态平衡发挥着重要作用（杜尧等，2017）.
近年来，河流系统的氮污染已成为全球性的环境问题，过量的氮负荷导致富营养化发生，破坏河流系统的生态功能（李耕等，2019；任梦梦等，2020）.研究表明潜流带内发生的氮素转化，如氨化、硝化和反硝化及异化还原等反应对氮素的归宿起到关键作用（李勇等，2016），而这些反应受到河床地形、河床渗透性、水力停留时间、氧化还原环境以及微生物等影响（平雪等，2018）.潜流交换中的下降流会携带河水中丰富的有机质和溶解氧（DO）进入潜流带孔隙水中，而上升流通常会将DO浓度较低、含有还原性物质的地下水经由潜流层释放到河水中，从而改变潜流带内的化学环境，进而影响氮素转化（Byrne et al.，2015）.在好氧条件下潜流带内的硝化反应速率较高，缺氧或厌氧条件下则反硝化反应占据主导（Liu et al.，2017）.相关研究基于室内的土柱、水槽实验或现场观测探究了潜流交换对于氮素迁移转化的影响（闫雅妮等，2017），并从物理或化学因素的角度对氮素浓度波动做出相应解释（闫玉琴，2018），但对于潜流带内氮素转化的反应机理和氮素的源汇作用的认识还有待深化.
草原河流蜿蜒曲折，百转千回，形成独特的河曲.研究表明河流的弯曲度强烈地影响潜流交换的强度、范围以及营养物质的空间分布，在弯曲河段潜流带内会出现生物地球化学反应的分区（Boano et al.，2010），并且可能是氮素反应的热点区域.此外，半干旱地区夏季短期高强度的降水过程可能是氮素反应的热点时段（Dwivedi et al.，2018）.但是目前对于草原河流的潜流交换，特别是其中的氮素迁移转化鲜有报道.鉴于此，本研究选取典型的草原曲流河——锡林河开展垂向潜流交换过程及其氮素迁移转化研究，旨在阐明：（1）锡林河曲流河段的垂向潜流交换过程；（2）曲流河垂向潜流带孔隙水中的氮素浓度分布及其转化过程；（3）潜流交换对于氮素迁移转化的影响以及去除效应.研究可为河流系统的氮素污染防治提供理论支撑.
1. 材料与方法
1.1 研究区概况
锡林河起源于赤峰市克什克腾旗境内，绕锡林浩特市而过，最后注入查干淖尔湖（图 1a），全长268 km，是一条草原内陆河.由于其具有诸多蜿蜒的河曲，又有“锡林九曲”之称.锡林河流域主要位于内蒙古自治区锡林郭勒盟，地处43°26′~44°39′N和115°32′~117°12′E之间，全流域面积约10 542 km2，平均海拔高度在1 000 m左右，地形以丘陵为主.在中国气候区划上属于中温带半干旱地区，气候类型为温带大陆性气候，四季分明，多年平均气温为2.86 ℃，降雨和蒸发有较大的时空分布不均匀性.降雨主要集中在每年6~9月，年平均降水量280 mm，多年平均蒸发量达到1 904 mm.径流补给主要来自降水和融雪（周亚军等，2020）.流域内的土壤类型主要为栗钙土，有机质含量较高.含水层以第四系松散层孔隙潜水为主，含水层主要由细砂、砂粒和少量粘土组成，河床沉积物为壤质砂土，其中砂粒最多，占90%以上（张璐等，2020）.
图 1 研究区概况（a）及监测井布设（b）Fig. 1. Overview of the study area (a) and the layout of monitoring wells (b)近年来，由于人类活动以及气候变化等因素影响，锡林河的地表和地下水资源都有明显减少，下游河水出现断流（杨璐，2018），部分河段内河水及地下水中铵根（NH4+）和硝酸根（NO3-）浓度升高，存在氮素污染的潜在风险.
1.2 试验布设
本研究在锡林河上游选取一个典型的弯曲河段作为研究对象，位于中国科学院内蒙古草原生态系统定位研究站南约5 km处（43°37′11.2″N，116°42′23.6″E），河段总长为39 m，河宽平均为3 m，河道弯曲度为1.6.在弯曲河段河道中间沿着河水流动方向布设了5组监测井，从上游到下游分别命名为RC1、RC2、RC3、RC4和RC5. RC1、RC3和RC5分别设置3个不同深度的监测井，即河床表面以下20 cm、50 cm和100 cm；RC2和RC4布设单一深度的监测井，即河床表面以下100 cm.不同深度的监测井布置在研究河段的河水入流、出流及曲率最大处，以便捕捉和描述河曲单元特征点处的潜流交换情况和氮素反应过程.监测井均为直径50 mm的PVC管，在管子底部10~15 cm处用电钻均匀打孔，采用400目的尼龙网包裹，防止堵塞.研究区域概况及监测井布设如图 1.
在2020年7月5日至8月15日期间，分别采用水尺和自计水位计（HOBO U20-001-01）每日连续监测河水位和地下水水位，采用浮标法观测河道流速、根据河宽换算流量.采用注水式微水试验法测定不同监测管的河床渗透系数（张昌新，2016）.采用雨量器（16022）收集降雨并用雨量杯测量研究区内的降雨量.利用便携式水质分析仪（WTW Multi 3630 IDS SET G），每间隔一周测量一次河水和地下水的温度（T）、电导率（EC）、盐度（SAL）、DO和pH等基本参数.
在夏季汛期监测时段内，每间隔一周取一次河水样和地下水样，共采集7次.测定NH4+、NO3-、亚硝酸根（NO2-）以及氯离子（Cl-）的水样用透明聚乙烯瓶保存，测定溶解性有机碳（DOC）及溶解性有机氮（DON）的水样用棕色塑料瓶避光保存.将采集的水样现场通过0.45 μm的滤膜抽滤，并进行酸化处理，随后放置在4℃冰箱内保存，尽快送回实验室分析测试.由于2020年7月14日河水位迅速上涨，河道内部分监测管被冲断或冲走，导致数据缺测.
在实验室采用紫外分光光度计（SHIMADZU UV-2600）测量3种无机氮：NH4+采用纳氏试剂分光光度法（HJ535-2009）测定；NO3-采用紫外分光光度法（SL84-1994）测定；NO2-采用N-1-萘基-乙二胺分光光度法（GB7493-1987）测定.Cl-采用硝酸银滴定法（GB/T 11896-1989）测定.DOC及DON采用美国的Vario TOC分析仪，利用湿法氧化（过硫酸盐）-非色散红外探测法测定.
1.3 数据分析
利用达西定律计算河水与地下水的潜流交换速率：
q=KI=K×(hsw−hgw)/L， (1) 式中：q为交换速率（m·d-1），K为渗透系数（m·d-1），I为垂向水力梯度，hsw代表地表水位高程（m），hgw代表地下水位高程（m），L为渗流路径的长度（m）.后文中Iu、qu代表上升流的平均水力梯度及交换速率，Id、qd代表下降流的平均水力梯度及交换速率.采用Rn反映潜流带内NO3-的产生和消耗（Briggs et al.，2014）：
Rn=C(NO3−)hzC(NO3−)sw， (2) 式中：Rn为无量纲常数，C（NO3-）hz分别为河床表面以下20、50、100 cm深度潜流带孔隙水中NO3-的浓度（mg·L-1），C（NO3-）sw为河水中NO3-的浓度（mg·L-1）.Rn > 1代表潜流带相对于河水表现为NO3-的产生，Rn < 1代表潜流带相对于河水表现为NO3-的消耗.
NO3-去除率根据下式计算（Kunz et al.，2017）：
R=C(NO−3)sw−C(NO−3)kpC(NO−3)sw×100%, (3) 式中：R为NO3-去除率（%）.
2. 结果与分析
2.1 垂向水力梯度分布
整个监测期内，河水流量在0.75~4.18 m3·s-1之间波动，有两次明显的峰值分别出现在2020年7月14日和8月9日（图 2a）.7月14日河水流量突然增大，但研究区没有降雨发生，推测是上游来水导致.8月7日至8日连续发生两次较大的降雨，累积降雨量达到54.7 mm，导致河水位迅速增高，并在8月9日出现河水流量的第2次峰值.
图 2 监测期内河水流量（a）及垂向水力梯度随时间的变化(b~f)Fig. 2. Changes of surface water discharge (a) and vertical hydraulic gradient during monitoring periods (b-f)5组监测管处的河水与地下水的垂向水力梯度均在零附近波动，在没有降雨的时段主要表现为相对较小的负值，但是在降雨或上游来水后，水力梯度增大，甚至发生逆转出现正值.垂向水力梯度最大值1.40出现在2020年7月15日（图 2f），原因是上游来水导河水位短期内快速升高，并向下补给地下水.2020年7月8日、7月12日、8月8日以及8月12日的水力梯度也有较明显增加，主要由于研究区降雨引起河水位波动，从而增大水力梯度.河水与地下水的垂向水力梯度随深度增加递减，河床表面以下20 cm、50 cm和100 cm深度处的平均水力梯度分别为0.033、0.013和0.005，平均交换速率分别为0.102、0.041、0.017 m·d-1，表明在100 cm深度处的河水与地下水交互作用比较微弱，可认为是河水和地下水交换的垂向边界.
2.2 潜流带垂向水化学特征
河水和潜流带内不同深度的孔隙水中T、EC、SAL、Cl-、DON、NH4+、NO3-、NO2-、DO、DOC以及pH等水质参数的垂向分布见表 1.
表 1 水化学参数在河水及潜流带中不同深度孔隙水中的平均值及标准偏差Table Supplementary Table Mean concentrations and standard deviations of hydrochemical parameters in river water and in pore water at different depths in the hyporheic zone水化学指标 T
(℃)EC
(µs·cm-1)SAL Cl-
(mg·L-1)DON
(mg·L-1)NH4+
(mg·L-1)NO3-
(mg·L-1)NO2-
(mg·L-1)DO
(mg·L-1)DOC
(mg·L-1)pH 河水 21.8±2.71 341.71±35.68 0.10±0.00 7.61±0.74 3.29±2.22 1.95±1.87 3.57±2.05 0.42±0.43 7.74±0.36 19.43±7.47 8.149±0.24 孔隙水 20 cm 19.37±2.70 396.00±32.15 0.10±0.00 13.24±3.95 2.77±1.18 1.52±1.14 3.85±2.32 0.50±0.45 3.24±1.59 18.06±4.83 7.629±0.42 50 cm 18.08±4.00 408.29±36.44 0.10±0.02 12.35±3.36 3.03±2.29 1.25±1.11 3.97±2.49 0.35±0.30 0.96±0.79 18.75±7.87 7.701±0.10 100 cm 19.13±3.90 367.00±14.40 0.10±0.00 9.42±0.96 2.79±1.75 1.32±0.88 3.06±2.34 0.31±0.22 0.94±0.62 13.64±7.72 7.697±0.15 注：表中所列数值为5组监测管，7次分批取样所获得的共112个样品的实测浓度的平均值及标准偏差. 河水平均温度为21.8℃，孔隙水温度在18.08~19.37℃之间，水体温度波动较小.河水平均EC为341.71 µs·cm-1，孔隙水EC在367.00~408.29 µs·cm-1之间，在50~100 cm深度有明显下降.河水及孔隙水的SAL均为0.1，在监测期内稳定，基本无变化.Cl-浓度在7.61~13.24 mg·L-1之间，河水中的Cl-浓度低于孔隙水，孔隙水中Cl-浓度则随深度逐渐降低.DON浓度在2.77~3.29 mg·L-1之间，河水中DON的浓度最高，20 cm和100 cm深度孔隙水中浓度较低.水体中NH4+的浓度在1.25~1.95 mg·L-1之间，最大值出现在河水中，最小值出现在50 cm深度处的孔隙水中；NO3-浓度的变化范围是3.06~3.97 mg·L-1，最大值出现在50 cm处的孔隙水中，最小值出现在100 cm深度孔隙水中.NO2-浓度在0.31~0.50 mg·L-1之间波动，最大值出现在20 cm深度处的孔隙水中，最小值则出现在河床表面以下100 cm深度处.
DO在河水中的浓度明显高于孔隙水，50 cm和100 cm深度处的孔隙水DO浓度分别为0.96 mg·L-1和0.94 mg·L-1，代表缺氧环境.水体中DOC浓度较高，最高浓度出现在河水中，达到19.43 mg·L-1，最低浓度13.64 mg·L-1出现在100 cm深度处的孔隙水中，在50 cm深度处的平均DOC浓度高于其他两个深度.研究河段的水体为弱碱性水，河水的碱性略强于孔隙水，孔隙水的pH随深度变化较小.
3. 讨论
3.1 垂向潜流交换过程
各个监测管处的潜流交换方向和强度有所不同.RC1的水力梯度在监测期内绝大多数时间为正值，表明河水补给地下水（图 2b）.RC2在2020年7月5日至7月17日之间表现为河水补给地下水，在7月18日至7月25日表现为地下水补给河水，之后水力梯度在零附近波动，河床表面以下100 cm的交换较弱（图 2c）.RC3处的交换情况具有与其他监测管不同的特点，在7月14~15日，有一次水力梯度由正到负的逆转，7月14日上游来水导致河水位激增，河水与地下水之间的水位差增大，水力梯度显著增大，这与Dudley-Southern and Binley（2015）提出的洪水过程会使下降流的强度增大的观点相一致；而7月15日随着河水的下渗，河水位逐渐下降，地下水位升高，导致了水力梯度的逆转.在其余时段RC3处主要表现为地下水补给河水（图 2d）.RC4处的交换模式与RC2类似，但RC4处的上升流出现频率要比RC2更高（图 2e）.RC5处的交换在降雨及上游来水的特征时期表现为下降流，在其余时段表现为微弱的上升流（图 2f）.
总的来讲，河曲单元中河水入流处的RC1监测管以下降流为主，沿着河水流动方向，RC2至RC5监测管逐渐出现上升流，这说明弯曲河段不同位置处的潜流交换具有一定的空间差异性，在弯曲河段内部会出现交换方向的转变（Song et al.，2017）.从整个监测期来看，在非降雨时期研究河段的水流形态以较微弱的上升流为主，在降雨或上游来水对河水进行补给后，交换方向可能发生逆转，出现较强的下降流. Liu and Chui（2018）提出潜流交换对不同的降雨持续时间或强度有明显的响应，而本研究发现除了研究区的强降水之外，上游来水形成的洪水过程同样会增大交换强度，甚至发生交换方向的逆转，说明降水和上游来水均是影响草原河流垂向潜流交换的重要水文事件.
3.2 潜流带内的氮素迁移转化过程
EC反映了水体可溶解离子的总体水平，常被用来作为河水与地下水补排关系和交换强度的示踪剂（徐华山等，2011），本研究中孔隙水EC从50 cm到100 cm深度下降了41.29 µs·cm-1（表 1），说明在这一深度范围内可能存在着较强的水流交互及混合稀释，使得沉积层内的EC降低.Cl-属于较为保守的溶质，其浓度变化主要受混合稀释作用影响（李艳利等，2017）.本研究结果中Cl-浓度在潜流带内随着深度增加逐渐下降，而DON、NH4+、NO3-、NO2-等氮素的浓度随深度增加并不呈现单一下降趋势（表 1），在20 cm或50 cm深度处的浓度甚至超过了河水中的浓度，说明在潜流带内除了混合稀释作用，可能还发生了氮素转化反应.DON是河流中主要的有机氮源，也是水体氮素循环中氨化反应的主要反应物.选取2020年7月19日、8月2日及8月12日的浓度数据作为典型进行潜流带内氮素迁移转化过程的分析.研究结果显示，DON浓度从河水到20 cm深度的沉积物呈现下降趋势，而NH4+在这一深度区间则有所增加（图 3b~3c），因此氨化作用可能主要发生在河水和浅层沉积物内（Xia et al.，2013）.严正凛等（2021）的研究表明氨化作用在碱性条件下的速率更高，本研究中河水的pH高于孔隙水（图 3h），且在50 cm深度处pH和DON浓度存在负相关关系（p < 0.05，r=-0.556），也说明氨化作用在河水和浅层沉积物中的反应强度可能更大.
图 3 水化学指标浓度在河水及潜流带内的垂向分布Fig. 3. Vertical distribution of concentrations of hydrochemistry indicators within the river and hyporheic zone在20~50 cm沉积层内NH4+浓度明显减少，沉积物中的NH4+浓度最低值并没有出现在100 cm深度，而在50 cm深度处（图 3c）；NO3-浓度在20~50 cm沉积层内则有明显的升高（图 3d），50 cm深度出现NO3-浓度最高值，表明潜流带内硝化反应可能主要发生在50 cm深度以上的浅层沉积物内.在50~100 cm沉积层内，NO3-及NO2-浓度变化趋势相似，均有下降趋势，可能是混合稀释作用导致NO3-及NO2-浓度降低，且100 cm深度处的交换作用已经比较微弱，所以进入深层的NO3-及NO2-的有限.此外，NO3-与NO2-两种反应性氮素在50 cm和100 cm深度处的浓度均存在显著的正相关关系（d=50 cm：p < 0.05，r=0.563；d=100 cm，p < 0.01，r=0.721），表明在50 cm以下的深层沉积物内还可能存在氮素的生物地球化学反应.
结合DO及DOC的垂向分布也可对上述结果作出进一步的验证.众多研究均表明潜流带内的氧化还原条件对氮素转化影响显著（Krause et al.，2013；Naranjo et al.，2015）.研究区内河水中DO含量丰富（7~9 mg·L-1），沉积物中的DO浓度随着深度增加有下降趋势（图 3g），0~50 cm沉积层内DO浓度较深层的浓度高，利于DO作为电子受体，NH4+为电子供体发生硝化作用，产生NO3-；50~100 cm沉积层中DO浓度多数小于2 mg·L-1，形成缺氧环境，NO3-和DOC浓度在50~100 cm深度均呈现下降趋势（图 3e，图 3h），而NH4+在这一深度区间小幅上升（图 3c），NO3-减少一方面可能是反硝化菌在缺氧及有机底物充足的条件下利用NO3-发生反硝化反应（张海涛等，2014），另一方面深层沉积物中NH4+的增加指示着可能还发生了异化还原反应，使得NO3-向NH4+转化（Lansdown et al.，2012）.
综上所述，潜流带内可能存在着氨化、硝化、反硝化及异化还原等氮素转化反应.但从整体来看，3种无机氮素的浓度变化趋势与Cl-类似（图 3a，3c，3e，3f），且波动幅度较小，从河水到沉积物，随着深度的增加，均有所减小，这说明在研究的垂向潜流带内，氮素的浓度分布主要受控于混合稀释作用，氮素的生物地球化学反应影响相对较小.Harvey et al.（2013）在其研究中也指出潜流带内的运移过程与生物地球化学反应过程共同影响潜流带内的硝酸盐分布，但硝酸盐的最终归宿取决于二者时间尺度的相对大小.在该研究河段，水流交换时间（4.08~14.16 h，参考Briggs et al.（2014）中停留时间的计算公式估算）要比生物地球化学反应时间（2.86~3.16 h，参考马培等（2014）中所列举的农业河流的反硝化速率估算）长，因此氮素的浓度变化主要受控于运移过程.
3.3 上升流和下降流对硝酸盐的产生及去除效应
潜流带中的水流模式直接影响潜流带中的氮素转化和硝酸盐的去除作用（Heathwaite et al.，2021）.本研究中潜流带内的上升流（图 4a）和下降流（图 4b）中Rn最大值都出现在50 cm，该深度处的NO3-浓度分别达到了河水的4.15倍和1.55倍，验证了Kunz et al.（2017）认为的潜流带中间层是养分运移转化的热点区域.此外，不论是上升流还是下降流，NO3-的产生均主要出现在20~50 cm深度，而NO3-的消耗主要发生在50~100 cm深度，进一步说明50 cm深度可能是氨化、硝化反应与反硝化反应、异化还原反应的分界点，而Shuai et al.（2017）的研究结果也表明硝化作用主要发生在潜流带浅层，而反硝化作用随深度增加而增强.
图 4 上升流和下降流条件下硝酸盐的产生和消耗Fig. 4. Nitrate production and consumption under upwelling and downwelling conditions两种水流条件下，NO3-的产生和消耗随交换速率的变化有一定区别.上升流条件下，NO3-的消耗主要发生在qu < 0.1 m·d-1时，而下降流条件下NO3-的消耗则主要出现在qd > 0.1 m·d-1之后.产生这一区别的原因可能在于上升流速率较小时，含氧量较低的地下水在潜流带内的停留时间较长，加之深层沉积物内的可利用有机碳较为丰富，有利于NO3-的消耗（Li et al.，2021）；而下降流交换速率较大时，河水以较大的通量补给进入潜流带，使潜流带内的溶质随水流迁移而被稀释，从而出现NO3-的减少.另外，本研究中NO3-反应过程随交换速率的变化特征与Briggs et al.（2014）的研究结果相似，但是Briggs等研究的海狸坝增强了潜流交换作用，最大潜流交换速率约1.7 m·d-1，从而显著影响了NO3-的产生和消耗过程.根据公式（3）得出该研究曲流河段上升流和下降流条件下的NO3-平均去除率R分别为34%和28%，说明锡林河垂向潜流带对于NO3-有一定的去除作用，且上升流中NO3-的消耗更显著，原因可能是上升流条件下，潜流带主要接受地下水补给形成了缺氧环境，利于消耗NO3-的反应发生（Heppell et al.，2014）.
3.4 曲流河段的垂向潜流交换及氮素迁移转化特征
曲流形态河段是常见河流地貌之一，河流的弯曲度对于潜流带内的水流交换强度、停留时间分布乃至溶质迁移与转化均有显著影响（Gomez-Velez et al.，2017）.曲流河段的入流处（RC1）、顶点处（RC3）及出流处（RC5）3个监测管的平均垂向水力梯度及氮素浓度分布如图 5，结果表明位于顶点的垂向水力梯度明显小于入流处及出流处（图 5a），而顶点处的DON、NH4+、NO3-及NO2-浓度也低于入流及出流处（图 5b~5e）.曲流顶点处由于细颗粒物的不断沉积，渗透系数较低，垂向交换速率较小，从而使得氮素在这一位置处的停留时间延长，生物地球化学反应更为充分所以降低了氮素的浓度（Cardenas，2008）.另外，结合图 2中垂向水力梯度随时间和空间的变化（图 2b，2d，2e），出流处RC5的水力梯度波动较大，极差达到1.97，交换速率更快，水流的稀释作用导致氮素浓度有较明显降低.
图 5 曲流河段不同点位的垂向水力梯度及氮素浓度的垂向分布Fig. 5. Vertical distributions of hydraulic gradients and nitrogen concentrations at different positions in the meandering reach综上，构建锡林河潜流带垂向氮素转化概念模型（图 6）.水流交换模式受降雨影响明显，交换强度随潜流带内深度增加而减弱，在100 cm处几乎不发生交换；反应类型随深度增加，由氨化、硝化反应为主转向反硝化、异化还原反应为主，大致以50 cm为界，NO3-的消耗随深度增加而增强.曲流河段入流及出流两端的垂向交换强于顶点处，顶点处相对较慢的交换速率延长了水力停留时间，为微生物进行生物地球化学反应提供了适宜条件.
图 6 锡林河垂向潜流交换及其氮素迁移转化的概念示意图Fig. 6. Conceptual schematic diagram of vertical hyporheic exchange and nitrogen transport and transformation in the Xilin River4. 结论
（1）曲流河段内的垂向潜流交换过程具有时空变异性，非降雨时期以微弱的上升流为主，降雨和上游来水会导致水力梯度增加，甚至发生水力梯度逆转，出现较强的下降流；垂向潜流交换强度随深度减弱，100 cm处沉积层是垂向潜流交换边界.
（2）潜流交换的水体混合作用与生物地球化学反应共同决定氮素的浓度分布，但水体混合作用对氮素迁移及归宿的影响更为显著.氨化反应和硝化反应可能主要发生在河水和0~50 cm的潜流带，以NO3-产生为主，而反硝化反应和异化还原反应则可能主要发生在50~100 cm的潜流带，以NO3-消耗为主.
（3）潜流带对于NO3-的产生和去除效应受潜流带中的水流交换影响显著.上升流和下降流的交换速率较小时，潜流带内均以NO3-的消耗为主.上升流和下降流条件下NO3-的平均去除率分别为34%和28%，因此有必要关注上升流中NO3-的去除效应.
（4）曲流河段不同空间位置处的垂向交换与氮素迁移转化特征不同.顶点处的垂向交换强度小于入流及出流处，氮素在此处停留时间较长，是生物地球化学反应的热点区.
本研究通过探究草原曲流河的垂向潜流交换过程及氮素迁移转化规律，揭示了曲流河段的垂向潜流带是氮素的汇，丰富了半干旱草原河流潜流带中的氮素迁移转化研究，有关横向和纵向的氮素迁移转化过程及其季节性变化特征有待进一步探究.
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图 1 研究区概况（a）及监测井布设（b）
Fig. 1. Overview of the study area (a) and the layout of monitoring wells (b)
图 2 监测期内河水流量（a）及垂向水力梯度随时间的变化(b~f)
Fig. 2. Changes of surface water discharge (a) and vertical hydraulic gradient during monitoring periods (b-f)
图 3 水化学指标浓度在河水及潜流带内的垂向分布
Fig. 3. Vertical distribution of concentrations of hydrochemistry indicators within the river and hyporheic zone
图 4 上升流和下降流条件下硝酸盐的产生和消耗
Fig. 4. Nitrate production and consumption under upwelling and downwelling conditions
图 5 曲流河段不同点位的垂向水力梯度及氮素浓度的垂向分布
Fig. 5. Vertical distributions of hydraulic gradients and nitrogen concentrations at different positions in the meandering reach
图 6 锡林河垂向潜流交换及其氮素迁移转化的概念示意图
Fig. 6. Conceptual schematic diagram of vertical hyporheic exchange and nitrogen transport and transformation in the Xilin River
表 1 水化学参数在河水及潜流带中不同深度孔隙水中的平均值及标准偏差
Table 1. Mean concentrations and standard deviations of hydrochemical parameters in river water and in pore water at different depths in the hyporheic zone
水化学指标 T
(℃)EC
(µs·cm-1)SAL Cl-
(mg·L-1)DON
(mg·L-1)NH4+
(mg·L-1)NO3-
(mg·L-1)NO2-
(mg·L-1)DO
(mg·L-1)DOC
(mg·L-1)pH 河水 21.8±2.71 341.71±35.68 0.10±0.00 7.61±0.74 3.29±2.22 1.95±1.87 3.57±2.05 0.42±0.43 7.74±0.36 19.43±7.47 8.149±0.24 孔隙水 20 cm 19.37±2.70 396.00±32.15 0.10±0.00 13.24±3.95 2.77±1.18 1.52±1.14 3.85±2.32 0.50±0.45 3.24±1.59 18.06±4.83 7.629±0.42 50 cm 18.08±4.00 408.29±36.44 0.10±0.02 12.35±3.36 3.03±2.29 1.25±1.11 3.97±2.49 0.35±0.30 0.96±0.79 18.75±7.87 7.701±0.10 100 cm 19.13±3.90 367.00±14.40 0.10±0.00 9.42±0.96 2.79±1.75 1.32±0.88 3.06±2.34 0.31±0.22 0.94±0.62 13.64±7.72 7.697±0.15 注：表中所列数值为5组监测管，7次分批取样所获得的共112个样品的实测浓度的平均值及标准偏差. 
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Boano, F., Demaria, A., Revelli, R., et al., 2010. Biogeochemical Zonation Due to Intrameander Hyporheic Flow. Water Resources Research, 46(2): 1-13. https://doi.org/10.1029/2008wr007583 Briggs, M. A., Lautz, L. K., Hare, D. K., 2014. Residence Time Control on Hot Moments of Net Nitrate Production and Uptake in the Hyporheic Zone. Hydrological Processes, 28(11): 3741-3751. https://doi.org/10.1002/hyp.9921 Byrne, P., Zhang, H., Ullah, S., et al., 2015. Diffusive Equilibrium in Thin Films Provides Evidence of Suppression of Hyporheic Exchange and Large-Scale Nitrate Transformation in a Groundwater-Fed River. Hydrological Processes, 29(6): 1385-1396. https://doi.org/10.1002/hyp.10269 Cardenas, M. B., 2008. The Effect of River Bend Morphology on Flow and Timescales of Surface Water-Groundwater Exchange across Pointbars. Journal of Hydrology, 362(1-2): 134-141. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2008.08.018 Du, Y., Ma, T., Deng, Y. M., et al., 2017. Hydro-Biogeochemistry of Hyporheic Zone: Principles, Methods and Ecological Significance. Earth Science, 42(5): 661-673 (in Chinese with English abstract). Dudley-Southern, M., Binley, A., 2015. Temporal Responses of Groundwater-Surface Water Exchange to Successive Storm Events. Water Resources Research, 51(2): 1112-1126. https://doi.org/10.1002/2014wr016623 Dwivedi, D., Arora, B., Steefel, C. I., et al., 2018. Hot Spots and Hot Moments of Nitrogen in a Riparian Corridor. Water Resources Research, 54(1): 205-222. https://doi.org/10.1002/2017wr022346 Gomez-Velez, J. D., Wilson, J. L., Cardenas, M. B., et al., 2017. Flow and Residence Times of Dynamic River Bank Storage and Sinuosity-Driven Hyporheic Exchange. Water Resources Research, 53(10): 8572-8595. https://doi.org/10.1002/2017wr021362 Harvey, J. W., Böhlke, J. K., Voytek, M. A., et al., 2013. Hyporheic Zone Denitrification: Controls on Effective Reaction Depth and Contribution to Whole-Stream Mass Balance. Water Resources Research, 49(10): 6298-6316. https://doi.org/10.1002/wrcr.20492 Heathwaite, A. L., Heppell, C., Binley, A., et al., 2021. Spatial and Temporal Dynamics of Nitrogen Exchange in an Upwelling Reach of a Groundwater‐Fed River and Potential Response to Perturbations Changing Rainfall Patterns Under UK Climate Change Scenarios. Hydrological Processes, 35(4): e14135. https://doi.org//10.1002/hyp.14135 Heppell, C., Louise Heathwaite, A., Binley, A., et al., 2014. Interpreting Spatial Patterns in Redox and Coupled Water-Nitrogen Fluxes in the Streambed of a Gaining River Reach. Biogeochemistry, 117(2-3): 491-509. https://doi.org/10.1007/s10533-013-9895-4 Krause, S., Tecklenburg, C., Munz, M., et al., 2013. Streambed Nitrogen Cycling beyond the Hyporheic Zone: Flow Controls on Horizontal Patterns and Depth Distribution of Nitrate and Dissolved Oxygen in the Upwelling Groundwater of a Lowland River. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 118(1): 54-67. https://doi.org/10.1029/2012jg002122 Kunz, J. V., Annable, M. D., Rao, S., et al., 2017. Hyporheic Passive Flux Meters Reveal Inverse Vertical Zonation and High Seasonality of Nitrogen Processing in an Anthropogenically Modified Stream (Holtemme, Germany). Water Resources Research, 53(12): 10155-10172. https://doi.org/10.1002/2017wr020709 Lansdown, K., Trimmer, M., Heppell, C. M., et al., 2012. Characterization of the Key Pathways of Dissimilatory Nitrate Reduction and Their Response to Complex Organic Substrates in Hyporheic Sediments. Limnology and Oceanography, 57(2): 387-400. https://doi.org/10.4319/lo.2012.57.2.0387 Li, A. G., Bernal, S., Kohler, B., et al., 2021. Residence Time in Hyporheic Bioactive Layers Explains Nitrate Uptake in Streams. Water Resources Research, 57(2): 1-16. https://doi.org/10.1029/2020wr027646 Li, G., Han, Z. W., Shen, C. H., et al., 2019. Distribution Characteristics and Causes of Nitrate in Waters of Typical Small Karst Catchment: A Case of the Houzhai River Catchment. Earth Science, 44(9): 2899-2908 (in Chinese with English abstract). Li, Y., Zhang, W. W., Yuan, J. H., et al., 2016. Research Advances in Flow Patterns and Nitrogen Transformation in Hyporheic Zones. Journal of Hohai University (Natural Sciences), 44(1): 1-7 (in Chinese with English abstract). doi: 10.3876/j.issn.1000-1980.2016.01.001 Li, Y. L., Sun, W., Yang, Z. R., 2017. Identification of Nitrate Sources and Transformation Processes in Midstream Areas: A Case in the Taizi River Basin. Environmental Science, 38(12): 5039-5046 (in Chinese with English abstract). Liu, Y. Y., Liu, C. X., Nelson, W. C., et al., 2017. Effect of Water Chemistry and Hydrodynamics on Nitrogen Transformation Activity and Microbial Community Functional Potential in Hyporheic Zone Sediment Columns. Environmental Science & Technology, 51(9): 4877-4886. https://doi.org/10.1021/acs.est.6b05018 Liu, S. N., Chui, T. F. M., 2018. Impacts of Different Rainfall Patterns on Hyporheic Zone under Transient Conditions. Journal of Hydrology, 561: 598-608. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2018.04.019 Ma, P., Li, X. Y., Wang, H. X., et al., 2014. Denitrification and Its Role in Cycling and Removal of Nitrogen in River. Journal of Agro-Environment Science, 33(4): 623-633 (in Chinese with English abstract). Naranjo, R. C., Niswonger, R. G., Davis, C. J., 2015. Mixing Effects on Nitrogen and Oxygen Concentrations and the Relationship to Mean Residence Time in a Hyporheic Zone of a Riffle-Pool Sequence. Water Resources Research, 51(9): 7202-7217. https://doi.org/10.1002/2014wr016593 Ping, X., Xian, Y., Jin, M. G., 2018. Influence of Bioclogging on Nitrogen Cycling in a Hyporheic Zone with an Undulate River-Bed. Earth Science, 43(S1): 171-180 (in Chinese with English abstract). Ren, M. M., Huang, F., Hu, X. N., et al., 2020. Characteristics and Sources of Dissolved Inorganic Carbon and Nitrate in Lijiang River Basin. Earth Science, 45(5)1830-1843(in Chinese with English abstract). Shuai, P., Cardenas, M. B., Knappett, P. S. K., et al., 2017. Denitrification in the Banks of Fluctuating Rivers: The Effects of River Stage Amplitude, Sediment Hydraulic Conductivity and Dispersivity, and Ambient Groundwater Flow. Water Resources Research, 53(9): 7951-7967. https://doi.org/10.1002/2017wr020610 Song, J. X., Zhang, G. T., Wang, W. Z., et al., 2017. Variability in the Vertical Hyporheic Water Exchange Affected by Hydraulic Conductivity and River Morphology at a Natural Confluent Meander Bend. Hydrological Processes, 31(19): 3407-3420. https://doi.org/10.1002/hyp.11265 Su, X. S., Shi, Y. K., Dong, W. H., et al., 2019. Review on Biogeochemical Characteristics of Hyporheic Zone. Journal of Earth Sciences and Environment, 41(3): 337-351 (in Chinese with English abstract). Wu, G. D., Zhang, X., Lu, C. P., 2019. Spatial-Temporal Variability in Hyporheic Zone and Hyporheic Exchange. Yangtze River, 50(10): 100-107 (in Chinese with English abstract). doi: 10.11988/ckyyb.20190903 Xia, X. H., Liu, T., Yang, Z., et al., 2013. Dissolved Organic Nitrogen Transformation in River Water: Effects of Suspended Sediment and Organic Nitrogen Concentration. Journal of Hydrology, 484: 96-104. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2013.01.012 Xu, H. S., Zhao, T. Q., Meng, H. Q., et al., 2011. Relationship between Groundwater Quality Index of Physics and Chemistry in Riparian Zone and Water Quality in River. Environmental Science, 32(3): 632-640 (in Chinese with English abstract). Yan, Y. Q., 2018. Nitrogen Migration and Transformation Law and Its Key Process Influencing Factors in Jinghe Subsurface Flow Zone (Dissertation). Northwest A & F University, Yangling(in Chinese with English abstract). Yan, Y. N., Ma, T., Zhang, J. W., et al., 2017. Experiment on Migration and Transformation of Nitrate under Interaction of Groundwater and Surface Water. Earth Science, 42(5): 783-792 (in Chinese with English abstract). Yan, Z. L., Liu, R. Y., Yan, Z. H., et al., 2021. Study on the Variation of Ammonia Nitrogen in Seawater Pond Aquaculture Water. Rural Scientific Experiment, (11): 123-125(in Chinese with English abstract). Yang, L., 2018. Analysis of Hydrochemical and Isotopic Characteristics of Different Water Bodies in Xilin River Basin (Dissertation). Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot (in Chinese with English abstract). Zhang, C. X., 2016. Applicatin of Slug Testing Based on Hvorslev Mode. Railway Investigation and Surveying, 42(2): 16-20(in Chinese with English abstract). Zhang, H. T., Zhang, D. L., Hong, M., et al., 2014. Experimental Study on Effect of Carbon Sources on Nitrogen Migration in Hyporheic Zone. Yangtze River, 45(14): 22-26 (in Chinese with English abstract). Zhang, L., Zhu, Z. Y., Wang, H. M., et al., 2020. Analysis of Hydrological Drought Evolution Characteristics and Influencing Factors in Xilin River Basin. Journal of Soil and Water Conservation, 34(4): 178-184, 192 (in Chinese with English abstract). Zhou, Y. J., Liu, T. X., Duan, L. M., et al., 2020. Estimation of Evapotranspiration and Its Spatiotemporal Characteristics in the Upper Reaches of the Xilin River Basin. Arid Zone Research, 37(4): 974-984 (in Chinese with English abstract). 杜尧, 马腾, 邓娅敏, 等, 2017. 潜流带水文-生物地球化学: 原理、方法及其生态意义. 地球科学, 42(5): 661-673. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQKX201705001.htm 李耕, 韩志伟, 申春华, 等, 2019. 典型岩溶小流域水体中硝酸盐分布特征及成因: 以普定后寨河流域为例. 地球科学, 44(9): 2899-2908. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQKX201909008.htm 李艳利, 孙伟, 杨梓睿, 2017. 太子河流域中游地区河流硝酸盐来源及迁移转化过程. 环境科学, 38(12): 5039-5046. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HJKZ201712018.htm 李勇, 张维维, 袁佳慧, 等, 2016. 潜流带水流特性及氮素运移转化研究进展. 河海大学学报(自然科学版), 44(1): 1-7. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HHDX201601001.htm 马培, 李新艳, 王华新, 等, 2014. 河流反硝化过程及其在河流氮循环与氮去除中的作用. 农业环境科学学报, 33(4): 623-633. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-NHBH201404003.htm 平雪, 鲜阳, 靳孟贵, 2018. 河床起伏条件下生物堵塞对潜流带氮素迁移转化的影响. 地球科学, 43(增刊1): 171-180. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQKX2018S1017.htm 任梦梦, 黄芬, 胡晓农, 等, 2020. 漓江流域碳氮同位素组成特征及其来源初探. 地球科学, 45(5): 1830-1843. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQKX202005025.htm 苏小四, 师亚坤, 董维红, 等, 2019. 潜流带生物地球化学特征研究进展. 地球科学与环境学报, 41(3): 337-351. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XAGX201903009.htm 吴光东, 张潇, 鲁程鹏, 2019. 河流潜流带和潜流交换时空变异特征研究综述. 人民长江, 50(10): 100-107. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-RIVE201910018.htm 徐华山, 赵同谦, 孟红旗, 等, 2011. 河岸带地下水理化指标变化及与洪水的响应关系研究. 环境科学, 32(3): 632-640. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HJKZ201103004.htm 闫雅妮, 马腾, 张俊文, 等, 2017. 地下水与地表水相互作用下硝态氮的迁移转化实验. 地球科学, 42(5): 783-792. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQKX201705013.htm 闫玉琴, 2018. 泾河潜流带氮迁移转化规律及其关键过程影响因素(硕士学位论文). 杨凌: 西北农林科技大学. 严正凛, 刘瑞义, 严志洪, 等, 2021. 海水池塘养殖水体中氨氮的变化规律研究. 农村科学实验, (11): 123-125. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HBYU201008005.htm 杨璐, 2018. 锡林河流域不同水体的水化学和同位素特征分析(硕士学位论文). 呼和浩特: 内蒙古农业大学. 张昌新, 2016. 基于Hvorslev模型的微水试验应用. 铁道勘察, 42(2): 16-20. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TLHC201602007.htm 张海涛, 张迪龙, 洪梅, 等, 2014. 碳源对潜流带中氮素迁移转化影响的实验研究. 人民长江, 45(14): 22-26. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-RIVE201414008.htm 张璐, 朱仲元, 王慧敏, 等, 2020. 锡林河流域水文干旱演变特征及影响因素分析. 水土保持学报, 34(4): 178-184, 192. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TRQS202004027.htm 周亚军, 刘廷玺, 段利民, 等, 2020. 锡林河流域上游蒸散发估算及其时空特征. 干旱区研究, 37(4): 974-984. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GHQJ202004018.htm 期刊类型引用(0)
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