杭州市典型農(nóng)區(qū)溝渠底泥反硝化和吸磷潛力評價

阮弋飛，謝國雄，陳英霞，潘建立，汪天娜，李松昊*

(1.杭州市臨安區(qū)農(nóng)林技術推廣中心，浙江 杭州 311300； 2.杭州市植保土肥總站，浙江 杭州 310020)

1 材料與方法

1.1 材料

根據(jù)農(nóng)田地貌特征，將杭州市農(nóng)區(qū)分為水網(wǎng)平原、河谷平原、濱海平原等3類。分別在水網(wǎng)平原、河谷平原、濱海平原各采集10份溝渠底泥，共30份。水網(wǎng)平原溝渠底泥采自余杭、蕭山等地，河谷平原溝渠底泥采自臨安、桐廬、富陽等地，濱海平原溝渠底泥采自蕭山。采樣深度為與水接觸較密切的0～2 cm。樣品經(jīng)充分混勻后分為2份：一份冷藏，用于分析反硝化潛力、磷吸附能力與細菌數(shù)量，結(jié)果經(jīng)含水量校正；另一份室內(nèi)風干，用于分析土壤pH值、有機質(zhì)、黏粒、CaCO3、總氮和微生物生物量碳。反硝化潛力、磷吸附能力與細菌數(shù)量的分析在樣品采集后7 d內(nèi)完成。

1.2 方法

底泥磷吸附能力用磷吸持指數(shù)(PSI)表示[13]，測定方法如下：稱取4份(重復4次)相當于2.5 g 烘干土的新鮮底泥，放置于50 mL離心管中，加入25 mL含磷量為150 mg·L-1的0.01 mol·L-1CaCl2溶液，并加入2滴甲苯以抑制微生物的活動，25 ℃振蕩24 h后，離心分離上清液，用鉬銻抗顯色法測定平衡液中磷的濃度，根據(jù)加入溶液與平衡液間磷濃度的差異計算底泥對磷的吸附量。根據(jù)底泥對磷的吸附量與平衡液中磷的濃度計算PSI值。PSI值越大，說明底泥固磷的能力越強。

底泥細菌種類用稀釋平板法測定[14]。底泥性狀采用常規(guī)法測定[15]。微生物生物量碳采用氯仿熏蒸-硫酸鉀提取法測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 底泥的基本性質(zhì)

如表1所示，所調(diào)查的30個溝渠底泥理化性狀有較大的變化：黏粒、有機質(zhì)和CaCO3含量分別在91～330、28.31～85.73、0～23.20 g·kg-1(表1)，平均值分別為200、65.33和7.73 g·kg-1；pH值在6.88～7.73，全氮含量在1.18～3.16 g·kg-1，平均分別為7.25和2.42 g·kg-1。總體上，水網(wǎng)平原溝渠底泥的黏粒、有機質(zhì)、全氮含量較高；濱海平原溝渠底泥的黏粒、有機質(zhì)含量較低，而pH值和CaCO3含量較高；河谷平原溝渠底泥的黏粒含量處于水網(wǎng)平原與濱海平原溝渠底泥之間，其有機質(zhì)和全氮含量較接近水網(wǎng)平原溝渠底泥。

2.2 底泥的反硝化潛力

杭州市農(nóng)區(qū)溝渠底泥反硝化潛力在0.22～2.36 mg·kg-1·h-1，平均為0.86 mg·kg-1·h-1，表明因所處地理環(huán)境的差異，杭州市農(nóng)區(qū)溝渠底泥反硝化潛力有較大差異。

由圖1可知，水網(wǎng)平原、河谷平原和濱海平原農(nóng)區(qū)溝渠底泥的反硝化潛力平均值分別為1.18、0.96、0.42 mg·kg-1·h-1，水網(wǎng)平原和河谷平原農(nóng)區(qū)溝渠底泥的反硝化潛力顯著高于濱海平原，但水網(wǎng)平原與河谷平原農(nóng)區(qū)溝渠底泥的反硝化潛力無顯著差異。

表1 不同農(nóng)區(qū)溝渠底泥性狀對比

柱上無相同字母的表示處理間差異顯著(P<0.05)。圖2同圖1 不同農(nóng)區(qū)類型溝渠底泥反硝化潛力對比

相關分析表明，農(nóng)區(qū)溝渠底泥反硝化潛力與底泥有機質(zhì)、全氮、微生物生物量碳、細菌數(shù)量及黏粒含量等存在極顯著的相關性，相關系數(shù)分別為0.931 3、0.924 5、0.684 5、0.735 2和0.602 7(n=30)；與CaCO3含量呈極顯著負相關，相關系數(shù)為-0.611 7；但與全磷含量和pH值無顯著相關性。底泥反硝化潛力與有機質(zhì)含量的相關系數(shù)最高，因此可根據(jù)底泥中有機質(zhì)的積累評估反硝化強度。底泥反硝化強度與有機碳(有機質(zhì)、微生物生物量碳和細菌數(shù)量)具有較好的相關性，原因可能如下：其一，在底泥中有機碳是反硝化作用中微生物的碳源，有機碳的積累可大大增加參與反硝化過程微生物的數(shù)量；其二，高量有機碳增加底泥的呼吸強度，從而降低O2濃度，為反硝化提供了所需的厭氧環(huán)境，有助于反硝化作用的進行[16-18]。

2.3 底泥的固磷能力

杭州市農(nóng)區(qū)溝渠底泥的磷吸持指數(shù)在37.83～69.05，平均為54.47。由圖2可知，水網(wǎng)平原、河谷平原和濱海平原農(nóng)區(qū)溝渠底泥的磷吸持指數(shù)平均值分別為62.94、57.11和43.36，水網(wǎng)平原和河谷平原農(nóng)區(qū)溝渠底泥的磷吸持指數(shù)顯著高于濱海平原，但水網(wǎng)平原和河谷平原農(nóng)區(qū)溝渠底泥的磷吸持指數(shù)無顯著差異。

圖2 不同農(nóng)區(qū)溝渠底泥磷吸持指數(shù)對比

相關分析表明，溝渠底泥磷吸持指數(shù)與黏粒含量的相關系數(shù)最高(0.838 9)，達到極顯著水平；與有機質(zhì)含量、微生物生物量碳呈顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.464 5和0.514 9；與pH值和CaCO3含量呈極顯著負相關，相關系數(shù)分別為-0.606 9和0.627 1。總體來看，底泥中的黏粒含量是影響底泥磷固定的關鍵因素。一般來說，固定磷的主要成分為氧化物、碳酸鈣、有機質(zhì)等，氧化鐵主要存在于黏粒中，因此黏粒的增加可增加底泥對磷的固定。本研究中磷吸持指數(shù)與碳酸鈣含量呈負相關，可能是由于相較于黏粒，碳酸鈣對磷的固定作用較小，其作用被黏粒掩蓋。

3 小結(jié)

本研究表明，杭州市農(nóng)區(qū)溝渠底泥的反硝化潛力和磷吸持指數(shù)均以水網(wǎng)平原和河谷平原較高、濱海平原較低。相關分析表明，底泥反硝化強度主要受有機質(zhì)含量、全氮含量、微生物生物量碳控制，而磷吸持指數(shù)主要與黏粒含量有關。底泥有機質(zhì)積累和黏粒含量是影響農(nóng)區(qū)溝渠排水中氮、磷凈化的關鍵因素。