Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Hồ sơ nitrate trong nước lấp ở trầm tích cát chứa đựng nước ngầm ngoài khơi được mô tả bởi mô hình đối lưu–khuếch tán–phản ứng
Tóm tắt
Để tách biệt các tác động của phản ứng khỏi những tác động của vận chuyển trên hồ sơ nồng độ nước lấp nitrate theo chiều dọc tại một địa điểm thấm nước ngầm ở vùng triều (Ria Formosa, Bồ Đào Nha), một giải pháp biên tự do của mô hình Đối lưu–Khuếch tán–Phản ứng (ADR) đã được sử dụng để mô tả hình dạng của hồ sơ nồng độ NO3− được thu thập tại chỗ. Mô hình này bao gồm ba lớp phản ứng liên tiếp, được giả thuyết dựa trên sự phân bố địa phương của tỷ lệ C:N hữu cơ đáy và các thay đổi đáng kể trong các gradient nồng độ theo độ sâu. Bản chất đối lưu của hệ thống đã được sử dụng để đề xuất một sự đơn giản hóa cân bằng khối lượng cho các phương trình định luật cho phép một giải pháp biên tự do, điều này đã cho phép dự đoán các dòng chảy trầm tích–nước của NO3−. Phân tích độ nhạy xác nhận rằng trong các môi trường có ưu thế đối lưu tương tự, cả phân bố nồng độ nước lấp và các dòng chảy giao diện đều phụ thuộc mạnh vào tốc độ thấm và độ phản ứng của đáy. Mô hình đã khớp với các hồ sơ đo được với độ tương quan cao (thường lớn hơn 90%), và các dòng chảy NO3− từ trầm tích–nước do mô hình suy diễn tạo ra tương đồng tốt với các dòng chảy đo được tại chỗ bằng các mét thấm kiểu Lee (độ dốc 0.9948, R2 = 0.8672, n = 8). Tỷ lệ oxi hóa và khử nitrate được trích xuất từ sự khớp mô hình với dữ liệu (10−2–100 mmol m−2 h−1) đồng nhất với các giá trị trong tài liệu. Bởi vì các tác động khuếch tán không được bao gồm trong những cân bằng khối lượng trực tiếp dựa trên nồng độ nước lấp, mô hình được trình bày ở đây làm tăng độ chính xác của ước lượng tỷ lệ phản ứng rõ ràng và phân vùng địa hóa tại các địa điểm Thải nước ngầm ngoài khơi (SGD). Kết quả khẳng định tầm quan trọng của trầm tích cát như các giao diện phản ứng, có khả năng điều tiết quá trình chuyển giao khối lượng các chất ô nhiễm có nguồn gốc lục địa vào các hệ sinh thái ven biển. Chúng tôi đề xuất rằng các công cụ như mô hình được mô tả ở đây có thể được sử dụng để thuận lợi trong việc chuẩn bị các nghiên cứu thực nghiệm tiếp theo nhằm làm rõ cách mà độ phản ứng đáy ảnh hưởng đến phân bố và dòng chảy nitrate trong các trầm tích bị ảnh hưởng bởi SGD.
Từ khóa
#nitrate #phản ứng #mô hình ADR #nước lấp #thải nước ngầm ngoài khơi #trầm tích cátTài liệu tham khảo
Andrade C, Freitas MC, Moreno J, Craveiro SC (2004) Stratigraphical evidence of Late Holocene barrier breaching and extreme storms in lagoonal sediments of Ria Formosa, Algarve, Portugal. Mar Geol 210(1–4):339–362. doi:10.1016/j.margeo.2004.05.016
Bao-dong W, Brockmann U (2005) On the deduction of equations for the determination of anthropogenic influence for assessment of estuarine trophic status. Letter to the editor. Ecol Model 185(2–4):545–548. doi:10.1016/j.ecolmodel.2004.12.002
Berg P, Risgaard-Petersen N, Rysgaard S (1998) Interpretation of measured concentration profiles in sediment pore water. Limnol Oceanogr 437(7):1500–1510
Berner RA (1980) Early diagenesis: a theoretical approach. Princeton University Press, Princeton, NJ
Bijeljic B, Blunt MJ (2006) Pore-scale modeling and continuous time random walk analysis of dispersion in porous media. Water Resour Res 42:W01202. doi:10.1029/2005WR004578
Boudreau BP (1997) Diagenetic models and their implementation. Springer-Verlag, New York
Boudreau BP, Huettel M, Forster S, Jahnke RA, McLachlan A, Middelburg JJ, Nielsen P, Sansone F, Taghon G, Van Raaphorst W, Webster I, Weslawski JM, Wiberg P, Sundby B (2001) Permeable marine sediments: overturning an old paradigm. EOS 82(11):135–136
Bowen JL, Kroeger KD, Tomasky G, Pabich WJ, Cole ML, Carmichael RH, Valiela I (2007) A review of land–sea coupling by groundwater discharge of nitrogen to New England estuaries: Mechanisms and effects. Appl Geochem 22(1):175–191. doi:10.1016/j.apgeochem.2006.09.002
Brandes JA, Devol AH, Deutsch C (2007) New developments in the marine nitrogen cycle. Chem Rev 107(1):577–589. doi:10.1021/cr050377t
Burnett W, Bokuniewicz H, Huettel M, Moore W, Taniguchi M (2003) Groundwater and pore water inputs to the coastal zone. Biogeochemistry 66(1):3–33. doi:10.1023/B:BIOG.0000006066.21240.53
Burnett WC, Aggarwal PK, Aureli A, Bokuniewicz H, Cable JE, Charette MA, Kontar E, Krupa S, Kulkarni KM, Loveless A, Moore WS, Oberdorfer JA, Oliveira J, Ozyurt N, Povinec P, Privitera AMG, Rajar R, Ramessur RT, Scholten J, Stieglitz T, Taniguchi M, Turner JV (2006) Quantifying submarine groundwater discharge in the coastal zone via multiple methods. Sci Total Environ 367(2–3):498–543. doi:10.1016/j.scitotenv.2006.05.009 (Review)
Cable JE, Burnett WC, Chanton JP, Corbett DR, Cable PH (1997) Field evaluation of seepage meters in the coastal marine environment. Estuar Coast Shelf Sci 45(3):367–375. doi:10.1006/ecss.1996.0191
Cappuyns V, Swennen R, Devivier A (2004) Influence of ripening on pHstat leaching behaviour of heavy metals from dredged sediments. J Environ Monit 6(9):774–781. doi:10.1039/b406672c
Carleton JN (2002) Damköhler number distributions and constituent removal in treatment wetlands. Ecol Eng 19(4):233–248. doi:10.1016/S0925-8574(02)00094-0
DeSimone LA, Howes BL (1996) Denitrification and nitrogen transport in a coastal aquifer receiving wastewater discharge. Environ Sci Technol 30(4):1152–1162. doi:10.1021/es950366p
Dollhopf SL, Hyun J, Smith AC, Adams HJ, O’Brien S, Kostka JE (2005) Quantification of ammonia-oxidizing bacteria and factors controlling nitrification in salt marsh sediments. Appl Environ Microbiol 71(1):240–246. doi:10.1128/AEM.71.1.240-246.2005
Dullien F (1992) Porous media-fluid transport and pore structure. Academic Press Inc., San Diego, p 574
Falter L, Sansone FL (2000) Hydraylic control of pore water geochemistry within the oxic-suboxic zone of a permeable sediment. Limnol Oceanogr 45(3):550–557
Ferreira JG, Simas T, Nobre A, Silva MC, Shifferegger K, Lencart-Silva J (2003) Identification of sensitive areas and vulnerable zones in transitional and coastal Portuguese systems—application of the United States National Estuarine Eutrophication Assessment to the Minho, Lima, Douro, Ria de Aveiro, Mondego, Tagus, Sado, Mira, Ria Formosa and Guadiana systems. INAG and IMAR
Gran V, Pitkänen H (1999) Denitrification in estuarine sediments in the eastern Gulf of Finland, Baltic Sea. Hydrobiologia 393:107–115. doi:10.1023/A:1003530907516
Hamersley MR, Howes BL (2005) Evaluation of the N2 flux approach for measuring sediment denitrification. Estuar Coast Shelf Sci 62(4):711–723. doi:10.1016/j.ecss.2004.10.008
Herbert RA (1999) Nitrogen cycling in coastal marine sediments. FEMS Microbiol Rev 23(5):563–590. doi:10.1016/S0168-6445(99)00022-4
Horn DP (2002) Beach groundwater dynamics. Geomorphology 48(1–3):121–146. doi:10.1016/S0169-555X(02)00178-2
Huettel M, Ziebis Z, Forster S, Luther GW (1998) Advective transport affecting metal and nutrient distributions and interfacial fluxes in permeable sediments. Geochimica and Cosmochimica Acta 62(4):613–631. doi:10.1016/S0016-7037(97)00371-2
Hulth S, Aller RC, Canfield DE, Dalsgaard T, Engstrom P, Gilbert F, Sundback K, Thamdrup B (2005) Nitrogen removal in marine sediments: recent findings and future research challenges. Mar Chem 94(1):125–145. doi:10.1016/j.marchem.2004.07.013
Jensen KM, Jensen MH, Kristensen E (1996) Nitrification and denitrification in Wadden Sea sediments (Konigshafen, Island of Sylt, Germany) as measured by nitrogen isotope pairing and isotope dilution. Aquat Microb Ecol 11(2):181–191. doi:10.3354/ame011181
Johannes RE (1980) The ecological significance of the submarine discharge of groundwater. Mar Ecol Prog Ser 3:365–373
Jones MN (1984) Nitrate reduction by shaking with cadmium: alternative to cadmium columns. Water Res 18(5):643–646. doi:10.1016/0043-1354(84)90215-X
Jørgensen SE (1994) Fundamentals of ecological modelling. In: Developments in environmental modelling, vol 19, second edn. Elsevier, Amsterdam, pp 628
Kim D-H, Matsuda O, Yamamoto T (1997) Nitrification, denitrification and nitrate reduction rates in the sediment of Hiroshima Bay, Japan. J Oceanogr 53:317–324
Kroeger KD, Charette MA (2008) Nitrogen biogeochemistry of submarine groundwater discharge. Limnol Oceanogr 53(3):1025–1039
Laima L, Brossard D, Sauriau P-G, Girard M, Richard P, Gouleau D, Joassard L (2002) The influence of long emersion on biota, ammonium fluxes and nitrification in intertidal sediments of Marennes-Ole′ ron Bay, France. Mar Environ Res 53(4):381–402. doi:10.1016/S0141-1136(01)00126-X
Lautz LK, Siegel DI (2006) Modeling surface and ground water mixing in the hyporheic zone using MODFLOW and MT3D. Adv Water Resour 29:1618–1633. doi:10.1016/j.advwatres.2005.12.003
Lee DR (1977) A device for measuring seepage flux in lakes and estuaries. Limnol Oceanogr 22(1):140–147
Leote C, Ibánhez JS, Rocha C (2008) Submarine groundwater discharge as a nitrogen source to the Ria Formosa studied with seepage meters. Biogeochemistry 88(2):185–194. doi:10.1007/s10533-008-9204-9
Luo Y, Qiao X, Song J, Christie P, Wong M (2003) Use of a multi-layer column device for study on leachability of nitrate in sludge-amended soils. Chemosphere 52(9):1483–1488. doi:10.1016/S0045-6535(03)00486-7
Mackenzie FT, Ver LM, Lerman A (2002) Century-scale nitrogen and phosphorus controls of the carbon cycle. Chem Geol 190(1–4):13–32. doi:10.1016/S0009-2541(02)00108-0
Moore SW (1999) The subterranean estuary: a reaction zone of ground water and sea water. Mar Chem 65(1–2):111–125. doi:10.1016/S0304-4203(99)00014-6
Nowicki BL, Portnoy J (1999) The role of sediment denitrification in reducing groundwater-derived nitrate inputs to Nauset Marsh estuary, Cape Cod, Massachusetts. Estuaries 22(2A):245–259. doi:10.1007/BF02692119
Nowicki BL, Van Keuren ERD, Kelly JR (1997) Nitrogen losses through sediment denitrification in Boston harbor and Massachusetts Bay. Estuaries 20(3):626–639. doi:10.1007/BF02692175
Pallud C, Meile C, Laverman AM, Abel J, Van Cappellen P (2007) The use of flow-through sediment reactors in biogeochemical kinetics: methodology and examples of applications. Mar Chem 106(1–2):256–271. doi:10.1016/j.marchem.2006.12.011
Rabouille C, Mackenzie FT, Ver LM (2001) Influence of the human perturbation on carbon, nitrogen, and oxygen biogeochemical cycles in the global coastal ocean. Geochimical et Cosmochimica Acta 65(21):3615–3641. doi:10.1016/S0016-7037(01)00760-8
Rapaglia JP, Bokuniewicz HJ (2009) The effect of groundwater advection on salinity in pore waters of permeable sediments. Limnol Oceanogr 54(2):630–643
Rivett MO, Buss SR, Morgan P, Smith JWN, Bemment CD (2008) Nitrate attenuation in groundwater: a review of biogeochemical controlling processes. Water Res 42(16):4215–4232. doi:10.1016/j.watres.2008.07.020
Robinson C, Li L, Barry DA (2007) Effect of tidal forcing on a subterranean estuary. Adv Water Resour 30(4):851–865. doi:10.1016/j.advwatres.2006.07.006
Rocha C (2008) Sandy sediments as active biogeochemical reactors: compound cycling in the fast lane. Aquat Microb Ecol 53:119–127. doi:10.3354/ame01221
Rocha C, Cabral AP (1998) The influence and dynamics of tidal action on porewater nitrate concentration in intertidal sediments of the Sado estuary. Estuaries 21(4A):635–645
Rocha C, Ibanhez J, Leote C (2009) Benthic nitrate biogeochemistry affected by tidal modulation of submarine groundwater discharge (SGD) through a sandy beach face, Ria Formosa, Southwestern Iberia. Mar Chem 115(1–2):43–58. doi:10.1016/j.marchem.2009.06.003
Roychoudhury AN (2001) Dispersion in unconsolidated aquatic sediments. Estuar Coast Shelf Sci 53(5):745–757. doi:10.1006/ecss.2001.0821
Rysgaard S, Christensen PB, Nielsen LP (1995) Seasonal variation in nitrification and denitrification in estuarine sediment colonized by benthic microalgae and bioturbating infauna. Mar Ecol Prog Ser 126:111–121. doi:10.3354/meps126111
Salles P (2001) Hydrodinamic controls on multiple tidal inlet persistence. PhD thesis, Massachusetts Institute of Technology/Woods Hole Oceanographic Institution
Schauser I, Hupfer M, Brüggemann R (2006) Sensitivity analysis with a phosphorus diagenetic model (SPIEL). Ecol Model 190(1–2):87–98. doi:10.1016/j.ecolmodel.2005.03.024
Seeberg-Elverfeldt J, Schluterl M, Fesekerl T, Kölling M (2005) Rhizon sampling of porewaters near the sediment-water interface of aquatic systems. Limnol Oceanogr Methods 3:361–371
Shaw RD, Prepas EE (1989) Anomalous, short-term influx of water into seepage meters. Limnol Oceanogr 34(7):1343–1351
Sheibley RB, Jackman AP, Duff JH, Triska FJ (2003) Numerical modeling of coupled nitrification-denitrification in sediment perfusion cores from the hyporheic zone of the Shingobee River, MN. Adv Water Resour 26(9):977–987. doi:10.1016/S0309-1708(03)00088-5
Slater JM, Capone DG (1987) Denitrification in aquifer soil and Nearshore marine sediments influenced by groundwater nitrate. Appl Environ Microbiol 53(6):1292–1297
Slomp CP, Van Cappellen P (2004) Nutrient inputs to the coastal ocean through submarine groundwater discharge: controls and potential impact. J Hydrol 295(1–4):64–86. doi:10.1016/j.jhydrol.2004.02.018
Soetaert K, Herman PMJ, Middelburg JJ (1996) A model of early diagenetic processes from shelf to abyssal depths. Geochim Cosmochim Acta 60(6):1019–1040. doi:10.1016/0016-7037(96)00013-0
Spiteri C, Slomp CP, Charette MA, Tuncay K, Meile C (2008) Flow and nutrient dynamics in a subterranean estuary (Waquoit Bay, MA, USA): field data and reactive transport modeling. Geochim Cosmochim Acta 72:3398–3412. doi:10.1016/j.gca.2008.04.027
Taniguchi M, Burnett WC, Dulaiova H, Kontar EA, Povinec PP, Moore WS (2006) Submarine groundwater discharge measured by seepage meters in Sicilian coastal waters. Cont Shelf Res 26:835–842. doi:10.1016/j.csr.2005.12.002
Ueda S, Go CU, Suzumura M, Sumi E (2003) Denitrification in a seashore sandy deposit influenced by groundwater discharge. Biogeochemistry 63(2):187–205
Ullman WJ, Aller RC (1982) Diffusion coefficients in nearshore marine sediments. Limnol Oceanogr 27:552–556
Usui T, Koike I, Ogura N (2001) N2O production, nitrification and denitrification in an estuarine sediment. Coast Shelf Sci 52(7):769–781. doi:10.1006/ecss.2000.0765
Vanderborght J-P, Billen G (1975) Vertical distribution of nitrate concentration in interstitial water of marine sediments with nitrification and denitrification. Limnol Oceanogr 20:953–961
Vitousek PM, Mooney HA, Lubchenco J, Melillo JM (1997) Human domination of Earth’s ecosystems. Science 277(5325):494–499. doi:10.1126/science.277.5325.494