濱海含水層咸-淡水過渡帶反硝化性能與控制因素研究

王云，鄭西來,2,3*，曹敏，李磊，宋曉冉，林曉宇，郭凱

1.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.中國(guó)海洋大學(xué)/山東省環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；3.中國(guó)海洋大學(xué)/海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；4.青島市水文中心，山東 青島 266101；5.諸城市建筑業(yè)發(fā)展中心，山東 諸城 262200

地下水作為重要的供水水源之一，在人類社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。目前地下水硝酸鹽污染問題已經(jīng)是一個(gè)世界性的難題，中國(guó)約有50%的地區(qū)淺層地下水存在一定程度的硝酸鹽污染問題，且地下水本身循環(huán)更新慢，一旦受到污染則難以處理，此外，硝酸鹽污染問題還與人類健康和生態(tài)系統(tǒng)密切相關(guān)，故硝酸鹽污染問題正日益受到人們廣泛關(guān)注（王恒，2018；Tokachanov et al.，2020）。

位于海陸交界處的濱海地區(qū)是連接陸地和大洋生態(tài)系統(tǒng)的紐帶，濱海含水層咸淡水過渡帶也是一個(gè)養(yǎng)分動(dòng)態(tài)高度變化、生物地球化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜的關(guān)鍵地區(qū)（Anschutz et al.，2009）。沿海地區(qū)對(duì)淡水的需求常會(huì)加劇海水向?yàn)I海含水層的滲透，當(dāng)海水入侵濱海含水層時(shí)，地下水與海水自由連接，使地下水的鹽度升高，而富含高濃度硝酸鹽的地下水會(huì)流入海洋，影響河口和海洋的生物地球化學(xué)過程和初級(jí)生產(chǎn)，發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化等環(huán)境問題（William et al.，2003）。之前的研究通常認(rèn)為濱海咸淡水過渡帶缺乏有機(jī)質(zhì)和其它活性物質(zhì)，生物地球化學(xué)反應(yīng)難以發(fā)生，然而近期研究表明，海水受潮汐和波浪作用滲入含水層為地下水提供氧氣和有機(jī)物，不僅會(huì)促進(jìn)有機(jī)物降解和養(yǎng)分循環(huán)，還可以為反硝化微生物提供充足的電子供體，為濱海含水層反硝化過程提供良好的環(huán)境（Boudreau et al.，2001；Gao et al.，2012；Huettel et al.，2014；Marchant et al.，2014；張耀中等，2015）。因此，研究濱海含水層地下水反硝化對(duì)沿海生物化學(xué)過程和生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

考慮到現(xiàn)實(shí)環(huán)境的復(fù)雜性，環(huán)境因素對(duì)濱海含水層反硝化的影響是不可忽視的。影響濱海含水層反硝化的主要環(huán)境因素包括pH、溫度、鹽度、DOC和DO 等（Tesoriero et al.，2000；Kana et al.，2006；Anschutz et al.，2009）。由于地下水是一個(gè)緩沖體系，pH 變化不大，另外，研究區(qū)地下含水層溫度穩(wěn)定，在19 ℃左右，故不考慮pH 和溫度的影響。相反，受波浪和潮汐影響，濱海含水層咸淡水過渡帶的鹽度并非均一不變，而鹽度往往會(huì)影響反硝化微生物的降解作用；反硝化微生物為典型的異養(yǎng)型微生物且多屬于兼性細(xì)菌，O2含量會(huì)制約微生物的繁殖和活性，而在缺氧狀態(tài)下微生物需要有機(jī)碳源作為穩(wěn)定的電子供體來提供能量，所以DOC 和DO 也是影響濱海反硝化的重要環(huán)境因素（胡玲珍等，2003；常永凱，2021）。國(guó)內(nèi)外對(duì)于濱海含水層中的反硝化行為展開了多方面的數(shù)值研究，例如Claudette et al.（2008）通過數(shù)值模擬研究了缺氧地下水與含氧海水相遇時(shí)的反硝化現(xiàn)象；Heiss et al.（2014）和Beck et al.（2017）在進(jìn)行濱海含水層剖面地下水運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)值模擬時(shí)考慮了DOC、O2、NO3?之間的生物地球化學(xué)反應(yīng)，取得了較好的模擬效果；Sun et al.（2021）在數(shù)值模擬截滲工程對(duì)NO3?積累過程時(shí)把反硝化參數(shù)作為定值。但是值得注意的是，研究者們并未將鹽度梯度對(duì)濱海反硝化的影響考慮在內(nèi)，因此，深入探討C/N、鹽度和DO 對(duì)硝酸鹽反硝化作用的影響對(duì)于濱海地下水污染評(píng)價(jià)和防治具有重要的科學(xué)意義。

響應(yīng)曲面法指將體系的響應(yīng)值作為一個(gè)或者多個(gè)因素的函數(shù)模型，可以將各因素對(duì)響應(yīng)值的影響用圖形直觀地表示出來（李濟(jì)源等，2022）。Box-Behnken（BBD）試驗(yàn)設(shè)計(jì)是響應(yīng)曲面法中常用的設(shè)計(jì)方法，在因素影響試驗(yàn)中應(yīng)用廣泛，可通過較少次數(shù)的試驗(yàn)很好地?cái)M合因素水平少于5 個(gè)的情況，并得到完整直觀的效果，建立各因素對(duì)響應(yīng)值的數(shù)學(xué)擬合模型（蔣征等，2015）。本研究結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查取樣，測(cè)定研究區(qū)地下水樣品理化性質(zhì)，并在室內(nèi)構(gòu)建硝酸鹽去除試驗(yàn)，對(duì)DO、pH、NO3?、DOC 和微生物群落進(jìn)行分析，同時(shí)采用BBD 設(shè)計(jì)試驗(yàn)，考察關(guān)鍵環(huán)境因素及其交互作用對(duì)濱海硝酸鹽去除的影響。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本研究采樣地點(diǎn)選擇在受海水上溯影響的青島市大沽河下游含水層（見圖1），地理坐標(biāo)為36°27'N，120°12'E。研究區(qū)屬于北暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫為12.5 ℃，年均降水量為616.7 mm，多集中在6－9 月，其降水量超過了全年降水量的70%。研究區(qū)潛水含水層由第四系沖洪積中粗砂組成，平均厚度為5.2 m，厚度最大可達(dá)15.0 m，寬度為5.0－7.0 km。該區(qū)地下水主要由降水和河流入滲及灌溉回歸水補(bǔ)給，地下水以徑流和人工開采排泄，總體徑流方向從南向北。

圖1 研究區(qū)域位置與采樣點(diǎn)分布圖Figure 1 Location and sampling point distribution of the study area

本研究在大沽河?xùn)|岸、垂直于河流方向設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn)（W1、W2、W3），于2021 年10 月在研究區(qū)進(jìn)行了地下水和含水介質(zhì)的現(xiàn)場(chǎng)采樣，每個(gè)樣品均有3 份平行樣品。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 理化性質(zhì)測(cè)定

（1）使用便攜式哈希水質(zhì)測(cè)定儀（美國(guó)HACH，HQ30D），原位測(cè)定水樣的DO、pH 和鹽度。

（2）在現(xiàn)場(chǎng)條件下采用研究區(qū)未過濾的地下水樣品，利用紫外分光光度儀（澳大利亞ONICO，2800 UV/VIS）測(cè)定NO3?-N 含量，利用TOC 分析儀（日本島津，TOC-Vcpn）測(cè)定DOC 含量；使用陰/陽離子色譜儀（美國(guó)戴安，ICS-3000/2100）測(cè)定地下水中主要陰、陽離子成分。

1.2.2 硝酸鹽去除試驗(yàn)

為了研究咸淡水過渡帶硝酸鹽的去除過程，本研究進(jìn)行了室內(nèi)條件下的培養(yǎng)和去除試驗(yàn)。

（1）在現(xiàn)場(chǎng)收集研究區(qū)含水介質(zhì)，在室內(nèi)采用配制的地下水樣和現(xiàn)場(chǎng)的含水介質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)。

（2）在離心管中按照1?5 的比例添加含水介質(zhì)和地下水樣品，各參數(shù)初始時(shí)刻值模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，在恒溫19 ℃的黑暗條件下培養(yǎng)0、1、2、3、4、6、8、10、12、14 d 后，分別測(cè)定NO3?-N、DOC、DO、pH，并對(duì)第0、2、14 天的微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。

1.2.3 BBD 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

（1）利用Design-Expert 12.0 軟件設(shè)計(jì)試驗(yàn)。BBD 試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1 所示。C/N（表征ρ(C)/ρ(N)，即ρ(DOC)/ρ(NO3?-N)）、EC（表征鹽度）和DO 的取值范圍根據(jù)本區(qū)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（表2）和其他地區(qū)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)確定，中間值的設(shè)定通過Design-Expert 12.0 軟件設(shè)計(jì)得出（Beck et al.，2017；Kim et al.，2017；聶家琴，2018）；分別調(diào)節(jié)培養(yǎng)體系C/N、EC 和DO的初始濃度為表1 設(shè)定值；重復(fù)3 次中心點(diǎn)檢驗(yàn)試驗(yàn)的重復(fù)性及模型的合理性。

表1 BBD 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 BBD experimental design

表2 研究區(qū)地下水化學(xué)組成和性質(zhì)統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of groundwater water chemistry results in the study area

（2）根據(jù)設(shè)計(jì)的17 組試驗(yàn)，按1.2.1 的方法分別測(cè)定初始時(shí)刻和最終時(shí)刻的硝態(tài)氮濃度，計(jì)算硝態(tài)氮去除率，輸入Design-Expert 12.0 軟件進(jìn)行響應(yīng)曲面分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 研究區(qū)水文地球化學(xué)特征

研究區(qū)地下水樣化學(xué)組成見表2。研究區(qū)受側(cè)向咸水入侵的影響，平均鹽度（14.6‰）普遍高于一般的地下水（0.3‰），這是由于下游海水在漲潮時(shí)沿河道上溯，咸水通過含水層裂口進(jìn)入含水層；pH值范圍為6.8－7.5，變異系數(shù)小，屬于弱酸—弱堿性環(huán)境；因?yàn)楸狙芯咳狱c(diǎn)較淺、靠近地下水位附近，所以DO 值范圍在7.3－7.9 mg·L?1之間（Kim et al.，2017）。研究區(qū)地下水NO3?-N 濃度變化范圍為32.1－47.4 mg·L?1，均值為41.6 mg·L?1，高于國(guó)家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中硝酸鹽（以N 計(jì)）20 mg·L?1的限制，因此研究區(qū)存在硝酸鹽污染問題；研究區(qū)DOC 含量較高，均值為113.4 mg·L?1，可以在一定程度上為反硝化提供電子供體。

研究區(qū)主要陽離子濃度整體表現(xiàn)為Na+>Mg2+>Ca2+>K+，其中Na++Mg2+占比較大，約占陽離子總量的93.0%；主要陰離子濃度表現(xiàn)為Cl?>SO42?，Cl?濃度是SO42?濃度的5.8 倍，其占陰離子濃度總量的85.2%，Cl?濃度較高，體現(xiàn)出海水入侵的特征。研究區(qū)各離子的變異系數(shù)均小于1.0，離子分布均勻（見表2）。Gopinath et al.（2019）對(duì)傳統(tǒng)Piper 圖進(jìn)行了優(yōu)化，將海水入侵的類型從淡水到保守混合水分成了7 個(gè)不同的標(biāo)準(zhǔn)，圖2 是利用優(yōu)化的Piper 圖解法對(duì)W1－W3 地下水樣品化學(xué)類型進(jìn)行的分類圖。結(jié)果表明，Na++K+含量大于Ca2++Mg2+含量，即水樣堿金屬離子含量大于堿土金屬離子含量，Na++K+的當(dāng)量百分?jǐn)?shù)在80.0%以上，水化學(xué)類型為Cl-Na 型或Cl-K 型。3 個(gè)點(diǎn)的地下水樣品均分布在保守混合水區(qū)域，即離子交換和礦物的沉淀-溶解反應(yīng)較弱，3 個(gè)點(diǎn)的水質(zhì)類型相似，水力聯(lián)系密切。

圖2 研究區(qū)地下水樣品水化學(xué)分類圖Figure 2 Hydrochemical classification diagram of groundwater samples in the study area

2.2 現(xiàn)場(chǎng)條件下硝酸鹽的去除行為

2.2.1 硝酸鹽去除的動(dòng)力學(xué)

培養(yǎng)體系化學(xué)因素變化趨勢(shì)如圖3 所示。由圖3a 可以看出，在試驗(yàn)前期，DO 呈下降趨勢(shì)，W1－W3 處的DO 濃度在第2－3 天達(dá)到最低（5.1、5.5、3.9 mg·L?1）。在培養(yǎng)試驗(yàn)的第3－14 天，DO 先上升后下降至平穩(wěn)，這是由于在反應(yīng)初期微生物會(huì)優(yōu)先利用DO 進(jìn)行有氧呼吸造成DO 迅速下降，反應(yīng)中后期微生物可能死亡，生物需氧量下降（楊龍?jiān)?998）。因?yàn)榉磻?yīng)體系中存在大量不同種類的需氧微生物群落，在反應(yīng)前2 天，W3 微生物的種類（Simpson 指數(shù)、Shannon 指數(shù)）和豐度（Ace 指數(shù)、Chao1 指數(shù)）明顯高于W1 和W2，W1 和W2 微生物種類和豐度相差不大（見表3），所以W3 體系中微生物對(duì)O2的消耗更多更快。

表3 微生物群落多樣性分析成果表Table 3 Table of microbial community diversity analysis results

圖3 培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)溶解氧、pH、硝態(tài)氮濃度及溶解性有機(jī)碳濃度變化曲線圖Figure 3 Change plots of dissolved oxygen, pH, nitrate nitrogen concentration and dissolved organic carbon concentration in culture experiments

如圖3b，W1－W3 點(diǎn)的pH 值變化趨勢(shì)為先下降（6.8、6.3、6.4）后又上升至7.0 左右，因?yàn)樵诜磻?yīng)初期，反硝化菌將有機(jī)碳源轉(zhuǎn)化為丙酮酸（C3H4O3）等小分子有機(jī)酸，同時(shí)產(chǎn)生酸性CO2，但是反硝化過程產(chǎn)生的堿度（OH?）不足以中和有機(jī)質(zhì)分解生成的H+，所以pH 值略有下降，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反硝化過程產(chǎn)生的堿性物質(zhì)會(huì)逐漸中和有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生的酸性物質(zhì)，同時(shí)，反硝化微生物的大量繁殖也會(huì)消耗大量小分子有機(jī)酸，使得體系的pH 值升高并維持在中性環(huán)境（Riuett et al.，2008）。W1－W3 體系中分解有機(jī)碳產(chǎn)生酸性物質(zhì)的微生物種類和含量的不同是造成各自體系pH 值變化差異的主要原因。

由圖3c 可得，整個(gè)培養(yǎng)周期內(nèi)W1－W3 點(diǎn)硝態(tài)氮濃度在第0－3 天呈下降趨勢(shì)，W1 點(diǎn)在第4－14 天硝態(tài)氮濃度基本保持在5.0 mg·L?1左右，而W2－W3 點(diǎn)在第8－14 天硝態(tài)氮濃度略有上升。由圖3d 可得，W1－W3 點(diǎn)DOC 濃度先分別下降至67.7、131.4、138.7 mg·L?1，隨后呈基本平穩(wěn)的趨勢(shì)。因?yàn)殡S著反應(yīng)的進(jìn)行，微生物在O2作用下迅速進(jìn)行有氧呼吸，DOC 逐步氧化分解作為反硝化的電子供體，為反硝化菌提供能量還原硝酸鹽，所以反應(yīng)的前3 天硝酸鹽和DOC 的含量逐步下降。W2－W3點(diǎn)硝態(tài)氮濃度在試驗(yàn)后期升高的原因可能是反硝化微生物減少所致，故反硝化速率降低，硝態(tài)氮濃度升高；同時(shí)，反硝化菌受到硝態(tài)氮濃度升高的沖擊，平衡狀態(tài)被打破，反硝化微生物對(duì)碳源的利用能力降低，導(dǎo)致DOC 平衡被打破，DOC 濃度略有上升且呈波動(dòng)狀態(tài)（孫昭玥等，2021）。

2.2.2 微生物群落結(jié)構(gòu)變化

W1－W3 點(diǎn)培養(yǎng)試驗(yàn)第0、2、14 天時(shí)的微生物群落多樣性如表3 所示。Sobs 指數(shù)越高，表示實(shí)際觀測(cè)到的物種數(shù)量越多；Ace 指數(shù)和Chao1 指數(shù)在生態(tài)學(xué)中是一種度量物種豐富度的指標(biāo)，其值越高代表群落物種越豐富；Simpson 指數(shù)和Shannon指數(shù)是用來估算樣本中微生物多樣性的指數(shù)，Simpson 值越大，說明微生物群落的多樣性越低，而Shannon 值則反之；Coverage 是指樣品文庫(kù)的覆蓋率，其值越高，則樣品中序列沒有被測(cè)出的概率越低。由表3 可得，隨著培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行，Ace 指數(shù)和Chao1 指數(shù)明顯下降，Shannon 指數(shù)明顯降低，Simpson 指數(shù)則有所升高，說明微生物物種種類豐富度下降，多樣性降低。

培養(yǎng)過程中微生物物種在門水平上的相對(duì)豐度如圖4 所示，體系中A－Y 菌門的平均相對(duì)豐度占比49.7%－50.0%，表明研究區(qū)微生物種類復(fù)雜多樣。第0 天時(shí)，W1、W2、W3 點(diǎn)均以變形菌門（Proteobacteria）為主，其相對(duì)含量分別為32.2%、36.3%和37.5%，其次相對(duì)含量較高的微生物是彎曲桿菌門（Campilobacterota，22.5%、1.4%、1.8%）、熱脫硫桿菌門（Desulfobacterota，16.6%、6.6%、9.7%）、擬桿菌門（Bacteroidota，7.2%、6.3%、11.1%）、厚壁菌門（Firmicutes，4.8%、12.0%、7.2%）、綠彎菌門（Chloroflexi，3.9%、6.8%、9.2%）和放線菌門（Acidobacteriota，1.8%、9.8%、4.9%）。在第2－14 天，W1－W3 點(diǎn)變形菌門的相對(duì)豐度激增，第14 天時(shí)，其分別增加至91.7%、95.0%和98.2%，而其他細(xì)菌門類含量明顯降低，這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)變形菌門細(xì)菌在兼性或?qū)Ｐ詤捬醐h(huán)境以異養(yǎng)或自養(yǎng)方式生活，有機(jī)碳源為微生物的生長(zhǎng)提供電子，且碳源的分解為變形菌門提供了適合的生存環(huán)境（Xu et al.，2017）。

圖4 微生物物種在門水平上的相對(duì)豐度Figure 4 The relative abundance of microbial species at the phylum level

培養(yǎng)試驗(yàn)微生物物種在屬水平上的相對(duì)豐度如圖5 所示。在反應(yīng)開始時(shí)，W1－W3 點(diǎn)微生物菌屬的種類最多，但大部分菌屬的豐度較低，且微生物菌屬種類差異較大。當(dāng)培養(yǎng)試驗(yàn)進(jìn)行到第2－14天時(shí)，冷單胞菌屬（Psychromonas）、弧形菌屬（Vibrio）和假單胞菌屬（Pseudomonas）的相對(duì)豐度位列前三，其中，與反硝化有關(guān)的假單胞菌屬相對(duì)豐度明顯增加，最高相對(duì)豐度達(dá)到了25.0%，它是一種化能異養(yǎng)菌（有的屬是兼性化能自養(yǎng)，利用H2或CO2為能源），也是一種好氧反硝化菌，可以將硝酸鹽作為最終電子受體，這也是培養(yǎng)試驗(yàn)過程中硝酸鹽可在DO 含量較高條件下去除的原因；W1、W2、W3 的假單胞菌屬在第14 天時(shí)的相對(duì)豐度（18.1%、15.1%、6.2%）低于第2 天（16.0%、25.0%、1.6%），所以其反硝化速率降低，可進(jìn)一步解釋試驗(yàn)后期硝態(tài)氮濃度的上升。冷單胞菌屬的相對(duì)豐度在培養(yǎng)試驗(yàn)后期達(dá)到了93.9%，這種原產(chǎn)極地的菌屬可抵御極端寒冷環(huán)境，一般在?15.0－20.0 ℃之間最適宜生長(zhǎng)（普通細(xì)菌適應(yīng)生長(zhǎng)溫度為25.0－40.0 ℃），并且該菌屬化能有機(jī)營(yíng)養(yǎng)，好氧或微好氧生長(zhǎng)，硝酸鹽還原陰性，所以冷單胞菌屬在體系中大量繁殖，但是無法去除硝酸鹽。弧形菌屬是一種需要Na+才能正常生長(zhǎng)的水生細(xì)菌，大多數(shù)為化能異養(yǎng)的革蘭氏陰性菌，弧菌屬氧化酶能夠?qū)⑾跛猁}還原為亞硝酸鹽（張曉華等，2018）。同時(shí)弧形菌屬可發(fā)酵有機(jī)碳產(chǎn)酸，而W1－W3 點(diǎn)弧形菌屬的豐度在反應(yīng)過程中存在差異，在第2 天時(shí)，弧形菌屬相對(duì)豐度：W2 (32.6%)>W3 (16.4%)>W1 (3.2%)，所以pH(W2)低于pH(W1)、pH(W3)。此外，芽孢桿菌綱中的芽胞桿菌屬（Bacillus，相對(duì)豐度約為0.3%）也是一種具有反硝化功能的好氧反硝化菌（張曉華等，2018）；γ-變形菌綱中的福格斯氏菌屬（Vogesella，相對(duì)豐度約為1.6%－7.1%）在碳源分解中起到重要作用（辛苑等，2022）。

圖5 微生物物種在屬水平上的相對(duì)豐度Figure 5 The relative abundance of microbial species at the genus level

由此可見，研究區(qū)微生物種類豐富，優(yōu)勢(shì)菌屬多為化能異養(yǎng)菌，可利用體系中的有機(jī)碳源。好氧反硝化菌可將O2作為電子受體，有機(jī)碳分解菌也可進(jìn)行有氧呼吸，在二者的協(xié)同作用下O2被消耗，同時(shí)有機(jī)碳分解菌為反硝化提供電子供體，在假單胞菌屬和芽胞桿菌屬等好氧反硝化菌的作用下，反硝化進(jìn)程開始，硝酸鹽在第2－3 天降至最低水平；另外，有機(jī)碳分解菌的缺乏可能不能引起足量碳源的分解，造成反硝化進(jìn)程中電子供體不足，這可能是體系脫氮效果不完全和生物需氧量降低的原因。

2.3 環(huán)境因子對(duì)硝酸鹽去除的交互作用

2.3.1 ANOVA 分析

本研究選擇C/N，EC 和DO 3 個(gè)環(huán)境因素，研究其對(duì)硝態(tài)氮去除率的交互作用。利用Design-Expert 12.0 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)曲面分析，得到二次多元回歸模型方程：

式中：

A——C/N；

B——EC，mS·cm?1；

C——DO，mg·L?1；

DAB——A、B交互項(xiàng)；

EAC——A、C交互項(xiàng)；

FBC——B、C交互項(xiàng)。該模型的校正系數(shù)r2為0.997，修正系數(shù)radj2為0.993，說明該模型因變量和自變量之間相關(guān)性較強(qiáng)，兩者差異小于0.2，模型構(gòu)建合理。

環(huán)境因素對(duì)硝態(tài)氮去除模型的回歸結(jié)果分析如表4 所示，模型極顯著，擬合度好（F=246.3，P<0.000 1），能夠很好地表達(dá)各環(huán)境因素對(duì)硝態(tài)氮去除率的影響；A、B、C和A2對(duì)硝態(tài)氮去除率的影響顯著（P<0.05）；根據(jù)F值，各環(huán)境因子的單獨(dú)影響大小依次為A>B>C；失擬誤差（P=0.157）不顯著，即其他不相關(guān)因素對(duì)響應(yīng)值影響很小；變異系數(shù)（C.V.值）為2.4%<10%，表明實(shí)驗(yàn)的可信度和精確度高；精密度（Adeq Precision）為44.2>4.0，表明實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性較高。

表4 回歸結(jié)果分析表Table 4 Analysis of regression results

2.3.2 硝態(tài)氮去除率的響應(yīng)曲面分析

利用三維響應(yīng)曲面分析影響因素C/N、EC、DO對(duì)濱海含水層硝酸鹽去除的交互作用，結(jié)果見圖6。

圖6 環(huán)境因子交互作用下硝態(tài)氮去除率變化曲面圖Figure 6 Surface plot of nitrate removal rate under interaction of environmental factors

如圖6a，當(dāng)EC 為17.5 mS·cm?1時(shí)，隨著C/N的升高，硝態(tài)氮去除率呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)。當(dāng)C/N 為2.0－26.0 時(shí)，硝態(tài)氮去除率逐步上升，后去除率趨于平緩，并有降低趨勢(shì)。有機(jī)碳越充分，C/N越高，反硝化越明顯，硝態(tài)氮去除率越高。但是，當(dāng)環(huán)境中有機(jī)碳含量過高時(shí)，碳源就會(huì)“過剩”，硝態(tài)氮可利用性則成為限制反硝化的主要因素，微生物會(huì)消耗部分NO3?作為氮源，而作為反硝化電子受體的NO3?用量就會(huì)相對(duì)減少（杜華超，2015；常永凱，2021）。由圖6a 底部映射圖可得，硝態(tài)氮去除率隨著EC 的升高而降低，并且EC 對(duì)硝態(tài)氮去除率的影響相對(duì)于C/N 的影響較小。

如圖6b，當(dāng)DO 為5.0 mg·L?1時(shí)，隨著C/N 的升高，硝態(tài)氮去除率呈先上升后下降趨勢(shì)；當(dāng)C/N為2.0－40.0 時(shí)，硝態(tài)氮去除率顯著升高；當(dāng)C/N 為40.0－50.0 時(shí)，硝態(tài)氮去除率的下降趨勢(shì)較為平緩。C/N 對(duì)硝態(tài)氮去除性能的影響較DO 更大，兩因素交互作用不顯著，因?yàn)檠芯繀^(qū)以好氧反硝化為主，并且在一定范圍內(nèi)反硝化過程對(duì)DO 不夠敏感，只有DO 降低至某一閾值時(shí)反硝化速率才會(huì)大幅改變（李平等，2005）。

如圖6c，硝態(tài)氮去除率的最佳EC 范圍為5.0－13.0 mS·cm?1，并且隨著EC 的升高，硝態(tài)氮去除率呈下降趨勢(shì)，兩者呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)性。一方面，EC 會(huì)抑制反硝化微生物的群落結(jié)構(gòu)；另一方面，硝化反應(yīng)需要氨氮作為反應(yīng)基質(zhì)，但EC 會(huì)影響沉積物對(duì)氨氮的吸附量，因?yàn)镋C 越高，沉積物對(duì)氨氮的吸附能力越弱，影響硝化過程，進(jìn)而影響反硝化反應(yīng)（Boynton et al.，1985；林賢彪，2018）。DO 升高，硝態(tài)氮去除率稍有降低，但是DO 對(duì)硝態(tài)氮去除率的影響沒有EC 顯著，這也與表3 的回歸結(jié)果分析一致。

3 結(jié)論

（1）研究區(qū)DO 含量高，pH 呈弱酸—弱堿環(huán)境，存在地下水硝酸鹽污染問題和咸水入侵特征，DOC 含量充足，可為反硝化提供一定的碳源，地下水為Cl-Na 型或Cl-K 型保守型混合水。

（2）微生物培養(yǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，好氧反硝化微生物和有機(jī)碳降解微生物是影響研究區(qū)反硝化進(jìn)程的關(guān)鍵生物因素，研究區(qū)NO3?的降解主要以好氧反硝化為主，有機(jī)碳降解菌可以分解DOC 為反硝化菌提供碳源和能量，且有機(jī)碳降解微生物的種類和豐度可能會(huì)影響脫氮性能。

（3）根據(jù)響應(yīng)曲面試驗(yàn)和ANOVA 分析，擬合模型可信且擬合度好，C/N、EC 和DO 對(duì)硝態(tài)氮去除率影響顯著，隨著C/N 的增加，硝態(tài)氮去除率先快速升高，后增速變小；隨著EC 的增加，硝態(tài)氮去除率呈下降趨勢(shì)；隨著DO 的增加，硝態(tài)氮去除率稍有下降，影響程度大小依次為：C/N>EC>DO。