鹽堿化改良區(qū)農(nóng)田排水溝水體與底泥界面微環(huán)境特征分析

潘延鑫，馮紹元，井思媛，羅 紈，賈忠華

（1. 揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，揚(yáng)州 225009；2. 南昌工程學(xué)院鄱陽湖流域水工程安全與資源高效利用國家地方聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，南昌 330099）

0 引言

作為農(nóng)田與受納水體之間的一個(gè)過渡帶，農(nóng)田排水溝在長期運(yùn)行過程中演變成一種由水體-底泥-生物組成的濕地生態(tài)系統(tǒng)，具有凈化農(nóng)田排水和改善灌區(qū)水環(huán)境的作用[1-3]。其中，表層底泥為各種物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)換的活躍區(qū)域[4]。已有研究表明，水體污染物遷移轉(zhuǎn)化的重要環(huán)節(jié)大都是發(fā)生在表層底泥環(huán)境的微界面，污染物變化或反應(yīng)特性與界面微環(huán)境密切相關(guān)[5-6]。溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）、硫化氫（Hydrogen Sulfide，H2S）等物質(zhì)含量是表征水體-底泥界面化學(xué)特征和組成的重要指標(biāo)，可以直接反映底泥微環(huán)境的狀態(tài)和組分變化[7-8]。氧氣在底泥物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化過程中起著關(guān)鍵作用[9-10]，水體與底泥孔隙水中DO濃度的時(shí)空變異可顯著地影響其界面附近物質(zhì)儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)運(yùn)[11]、微生物過程[12]及污染物形態(tài)轉(zhuǎn)化[13]等，缺氧環(huán)境下硫酸鹽還原菌（Sulfate Reducing Bacteria，SRB）可利用硫酸根作為電子受體進(jìn)行無氧呼吸產(chǎn)生H2S，進(jìn)而影響底泥的生態(tài)功能。因此，水體與底泥界面微環(huán)境的研究備受關(guān)注[14-15]。

在界面微環(huán)境研究過程中，確定擴(kuò)散邊界層（Diffusion Boundary Layer，DBL）是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，而測量界面DO濃度的傳統(tǒng)方法對(duì)沉積物的擾動(dòng)較大，難以保證測量精度。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展以及傳感技術(shù)的進(jìn)步，微電極成為測量DO以及硫等物質(zhì)在沉積物-水界面垂直方向上特別是在DBL中濃度分布的有效手段[16]，提升了人們對(duì)沉積物-水界面高分辨率的認(rèn)識(shí)，例如Gundersen等[17]利用DO微電極精細(xì)（垂向分辨率達(dá)0.05～0.1 mm）觀測了沉積物-水界面DO含量的微小變化，他們發(fā)現(xiàn)上覆水體中的DO維持在相對(duì)穩(wěn)定的水平，當(dāng)進(jìn)入DBL后DO的濃度開始逐漸、顯著地呈線性下降，由此可以確定DBL厚度在0.2～1 mm之間[18]，其厚度主要受上覆水流速和沉積物地形粗糙度的影響[19]。

利用微電極直接測量沉積物的化學(xué)濃度梯度，從垂直化學(xué)濃度剖面可計(jì)算其通量、消耗量和滲透深度，由此可推知氧化還原環(huán)境、微生物活動(dòng)的層次和性質(zhì)乃至各種化學(xué)成分的生物地球化學(xué)循環(huán)[20-21]。不過，這些研究多集中在海洋、湖泊[22]、河流、水庫等沉積物-水界面微環(huán)境[23-24]，對(duì)農(nóng)田排水溝中水體與底泥界面微環(huán)境變化鮮有報(bào)道。界面微環(huán)境特征指標(biāo)可用來評(píng)價(jià)宏觀上不同系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果。作為農(nóng)田與受納水體之間的一個(gè)物質(zhì)傳輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)，排水溝水力條件對(duì)于其中的物質(zhì)循環(huán)及污染物輸出具有重要作用。開展對(duì)農(nóng)田排水溝水體與底泥界面微環(huán)境指標(biāo)變化趨勢的研究，有助于了解化學(xué)物質(zhì)和污染物在水體中遷移和轉(zhuǎn)化的機(jī)理，為發(fā)揮排水溝這一人工濕地控制和治理農(nóng)業(yè)面源污染提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

陜西省富平縣鹵泊灘鹽堿化改良區(qū)，因歷史上曾為古湖泊洼地，土壤鹽分累積較多，區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一直受到土壤鹽漬化的制約。1999年末，經(jīng)有關(guān)部門土地平整和健全灌排系統(tǒng)措施，在降雨和灌溉的作用下，農(nóng)田土壤鹽分逐漸降低。受其地形影響，農(nóng)田排水溝除了接納本區(qū)的排水以外，還接納部分來自上游灌區(qū)的退水，區(qū)內(nèi)排水溝和一些下游洼地形成了一定的水面[25]。研究區(qū)上游改良區(qū)農(nóng)田各級(jí)排水溝之間水力聯(lián)系通暢，而下游部分鹽荒地農(nóng)田排水溝則與外界無連通，排水出路不暢，導(dǎo)致溝內(nèi)水體環(huán)境惡化問題[26]。為了明確鹽堿化改良區(qū)與鹽荒地兩種水力條件差異較大的排水溝生態(tài)系統(tǒng)中底泥污染物變化規(guī)律的差異，本文以鹵泊灘灌區(qū)農(nóng)田排水溝水體與底泥為研究對(duì)象，通過原位采集改良區(qū)和鹽荒地排水溝水體與底泥，模擬天然水體環(huán)境，運(yùn)用微電極系統(tǒng)對(duì)其界面微環(huán)境指標(biāo)（DO、H2S）進(jìn)行測定，在前期界面氧通量研究[27]的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)比分析排水條件影響界面微環(huán)境的變化規(guī)律及其過程，為深入研究灌區(qū)農(nóng)田排水溝底泥污染物運(yùn)移及其他生物地球化學(xué)過程提供基礎(chǔ)信息，為農(nóng)田排水溝水生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)底泥采樣點(diǎn)及分析方法

如圖1所示，2019年3月16日（春季）在陜西省富平 縣 鹵 泊 灘 鹽 堿 化 改 良 區(qū)（109°18′-109°42′E、34°43′-34°50′N）農(nóng)田排水溝中進(jìn)行底泥采樣，采樣剖面分別布設(shè)在上游改良區(qū)和下游鹽荒地相鄰的4條農(nóng)溝中央位置，且選取的4條鹽荒地排水溝均與外界無水力連通。研究區(qū)農(nóng)田排水溝實(shí)況如圖2所示。

每個(gè)監(jiān)測樣點(diǎn)用Niskin（美國General Oceanics）采水器采集泥面以上10 cm處的水樣，放入車載冰箱（中國FYL-YS-117A）冷藏帶回實(shí)驗(yàn)室，同時(shí)用Beeker（荷蘭04.23.SA）型沉積物原狀采樣器取界面清晰的泥柱，控制柱狀樣深度30 cm，并帶原位上覆水，密封后運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位每次取3個(gè)水體樣品，采集5個(gè)柱狀泥柱，供平行測試，共采集泥柱40個(gè)。依據(jù)監(jiān)測剖面的命名和供試泥柱數(shù)對(duì)所觀測的DO濃度剖面進(jìn)行依次編排（剖面01～40），同時(shí)利用多參數(shù)水質(zhì)分析儀（美國HACH HQ40d）測定現(xiàn)場采樣點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)室水質(zhì)指標(biāo)總氮和總磷的測定依據(jù)國家環(huán)保總局編著的《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第四版，2002），底泥有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定參照《土壤農(nóng)化分析》（第三版，2008）。底泥SO42-含量采用液相色譜儀（美國 Agilent-HPLC1100）進(jìn)行測定。底泥含水率采用烘干法測定，將待測濕底泥按照2 cm分層混合均勻后進(jìn)行測定，將濕泥在105 ℃條件下烘12 h至恒質(zhì)量，計(jì)算含水率。底泥分層粒徑分析樣品用稀鹽酸、雙氧水處理，分別去除碳酸鹽和有機(jī)質(zhì)后，用激光粒徑分析儀（英國Mastersizer-2000）進(jìn)行測定。

1.2 微電極測定方法

本試驗(yàn)采用丹麥微電極（MM-METER，Unisense）系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行農(nóng)田排水溝水體與底泥DO和H2S濃度剖面測量。該系統(tǒng)主要由微電極、四通道主機(jī)、馬達(dá)控制器、微電極推進(jìn)器、Sensor Trace PRO軟件、實(shí)驗(yàn)室支架LS18等組成（圖3）。

1.2.1 DO測定

Unisense DO微電極尖端外徑為25μm，在校正之前必須預(yù)極化2 h以上，DO微電極的極化電壓為-0.8 V，預(yù)極化信號(hào)值穩(wěn)定后進(jìn)行校正。DO微電極的校正方法參見文獻(xiàn)[27]。試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)平行樣分別測量DO值，對(duì)同一監(jiān)測點(diǎn)位的DO測量3次后求平均值，每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，測量步長為100μm，剖面起始于底泥界面上邊界2～3 mm處，每組DO濃度剖面的測量時(shí)間約為30 min，從08:30分開始連續(xù)觀測至第2天06:30分結(jié)束，共觀測120個(gè)DO剖面。

1.2.2 H2S測定

Unisense H2S微電極是一個(gè)帶有內(nèi)參比電極、測量電極和保護(hù)電極的微型化皮安微電極，其尖端外徑為25μm，在校正之前必須預(yù)極化2 h以上，H2S微電極的極化電壓為+0.08 V，預(yù)極化信號(hào)值穩(wěn)定后進(jìn)行校正。H2S微電極的校正需要3點(diǎn)校正。首先制作Na2S儲(chǔ)備液，然后向不同體積的儲(chǔ)備液中加入無氧鹽酸溶液（pH≤4.0）制作成不同濃度的H2S標(biāo)液，校正液溫度必須與待測樣品一致，校正和測量應(yīng)該在同一環(huán)境下，電極放進(jìn)不同校正液前要用蒸餾水進(jìn)行清洗。H2S剖面測量深度受限于所購買電極長度，最大只能測量到距離界面約40 mm處，測量步長50μm，每組H2S濃度剖面的測量時(shí)間約為60 min，共觀測24個(gè)H2S剖面。

1.3 Profile模型模擬簡介

Jan等[28]結(jié)合微電極建立了Profile模型，引入了氧氣凈產(chǎn)量的概念，即光合作用、呼吸作用以及擴(kuò)散作用綜合的結(jié)果，來反映界面中有氧微生物的生命活動(dòng)強(qiáng)弱。模型可以分辨水中汽泡、生物活動(dòng)等偶然因素引起的異常數(shù)據(jù)，精確體現(xiàn)剖面結(jié)構(gòu)，應(yīng)用實(shí)測剖面溶質(zhì)濃度數(shù)據(jù)和底泥孔隙度等作為邊界條件進(jìn)行分層優(yōu)化擬合計(jì)算得出每層的單位體積耗氧速率。對(duì)于DO剖面圖來講底部氧氣已耗盡，一般都是以一個(gè)恒定的濃度值0作為結(jié)束終點(diǎn)，即在剖面圖底部存在一個(gè)0濃度和0通量；而在H2S剖面的最頂部上方的一個(gè)區(qū)間里濃度值為0值，通量也為0通量，該模型主要基于Fick擴(kuò)散第二定律

式中C(z,t)為時(shí)間t和深度z時(shí)的氧氣濃度，μmol/L；P(z)為深度z時(shí)的氧氣凈產(chǎn)速率，nmol/cm3·s；Ds為氧氣在沉積物中的擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)有：

則式（1）變?yōu)?/p>

式中h指數(shù)值積分的步長，μm；即為垂直剖面上兩相鄰測點(diǎn)間的間距。對(duì)式（4）兩邊積分并合并后得到：

式中z為深度，μm；h指數(shù)值積分的步長，μm；C為氧氣濃度，μmol/L。

利用式（5）可以求得界面中凈氧氣產(chǎn)量變化速率，結(jié)果為正值時(shí)代表凈產(chǎn)氧速率，為負(fù)值代表凈耗氧速率。求解該式時(shí)需2個(gè)初始條件，分別為DO剖面濃度的0點(diǎn)和上覆水中DO值，前者代表好氧層的結(jié)束和厭氧層的開始，而后者被視為一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)境，可作為穩(wěn)定邊界條件。計(jì)算步長h取100μm，擴(kuò)散系數(shù)D取2.104×10-5cm2/s，Φ為底泥孔隙度。底泥孔隙度可以表示為

式中ω為底泥的含水率，%；ρS為底泥的密度，g/cm3；ρ為底泥的天然密度，g/cm3。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)田排水溝監(jiān)測點(diǎn)水環(huán)境與底泥狀況

研究區(qū)農(nóng)田排水溝監(jiān)測點(diǎn)水體水質(zhì)和底泥指標(biāo)含量如表1所示。監(jiān)測結(jié)果顯示：改良區(qū)排水溝水體EC值基本穩(wěn)定在3.64～4.12 mS/cm，鹽荒地排水溝水體EC值在10.74～13.22 mS/cm之間波動(dòng)，表明鹽荒地排水溝內(nèi)鹽分有一定的累積；改良區(qū)排水溝水體DO值基本穩(wěn)定在8 mg/L，鹽荒地排水溝水體DO值在3.21～5.44 mg/L之間變化，且水體有異常氣味；改良區(qū)排水溝水體TN含量在3.22～3.43 mg/L、TP含量在0.30～0.35 mg/L、底泥有機(jī)質(zhì)含量在16.4～17.2 g/kg、硫酸鹽含量在127.5～143.6 mg/kg，鹽荒地排水溝水體TN含量在2.12～2.35 mg/L、TP含量在0.41～0.44 mg/L、底泥有機(jī)質(zhì)含量在20.4～22.1 g/kg硫酸鹽含量在4231.8～4456.7 mg/kg，均存在不同程度的差異。

表1 改良區(qū)與鹽荒地排水溝監(jiān)測點(diǎn)水體水質(zhì)及底泥指標(biāo)值 Table 1 Water quality and sediment indicator values of monitoring points at the reclaimed farmland and saline wasteland

2.2 農(nóng)田排水溝監(jiān)測點(diǎn)底泥剖面含水率與中值粒徑分布

農(nóng)田排水溝底泥含水率的監(jiān)測結(jié)果表明，由于底泥顆粒物的壓實(shí)作用，隨著底泥深度的增加含水率大致呈現(xiàn)出減小的趨勢（圖4），底泥0～10 cm內(nèi)的含水率明顯高于10～20 cm，表層底泥均表現(xiàn)為越接近表層含水率越高，改良區(qū)與鹽荒地排水溝底泥表層10 cm范圍內(nèi)含水率分別為54%～78%和73%～87%，反映出底泥相對(duì)接近理想的多孔滲水狀態(tài)，表觀為無定形態(tài)，且改良區(qū)排水溝底泥G1～G4剖面和鹽荒地排水溝底泥S1～S4剖面?zhèn)€別位置含水率出現(xiàn)一定的波動(dòng)。現(xiàn)有沉積物含水率測定的結(jié)果表明，草、藻型湖區(qū)沉積物的含水率呈現(xiàn)出隨深度增加而逐漸減少的趨勢，并且拐點(diǎn)都出現(xiàn)在3 cm深度左右，含水率差異與沉積物中值粒徑的垂向分布有關(guān)[29]；沉積物中值粒徑越小，其孔隙度也越大，含水率則相應(yīng)增大[30]；沉積物顆粒越細(xì)含水率越高[31]，通過沉積物粒度分布特征也可以識(shí)別其所在環(huán)境的水動(dòng)力狀況[32]。總體來看，2種水力條件差異較大的排水溝中鹽荒地排水溝底泥剖面含水率較高，這與其較弱的水動(dòng)力條件下形成的底泥顆粒中值粒徑較小（圖5）等因素有關(guān)。

圖5顯示8個(gè)監(jiān)測點(diǎn)底泥剖面中值粒徑垂向分布，由圖可知，改良區(qū)排水溝底泥G1-G4剖面中值粒徑在12～15μm之間，隨著深度的增加而減小，底泥0～10 cm內(nèi)的中值粒徑明顯大于下層，下層中值粒徑呈現(xiàn)鋸齒狀變化；鹽荒地排水溝底泥S1～S4剖面中值粒徑在9～11μm之間變化。改良區(qū)與鹽荒地2種水力條件差異較大的排水溝底泥中值粒徑不同，體現(xiàn)出一定的空間異質(zhì)性特征。

2.3 農(nóng)田排水溝水體與底泥DO濃度垂向分布

由DO微電極測得8個(gè)監(jiān)測點(diǎn)不同剖面水體與底泥DO剖面濃度分布如圖6、圖7所示，由圖可知，水體與底泥界面DO濃度的垂向分布規(guī)律類似，即DO濃度隨著深度的增加逐漸減小，直至為0到達(dá)厭氧層。改良區(qū)水體與底泥界面以上（上覆水體）的DO濃度比鹽荒地高，鹽荒地排水溝水體DO呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)，均與現(xiàn)場水質(zhì)DO監(jiān)測結(jié)果（表1）基本一致。改良區(qū)與鹽荒地排水溝底泥氧氣滲透深度分別為10.2和2.1～2.6 mm，這主要與兩種水力條件差異較大的排水溝中上覆水體氧氣濃度和底泥有機(jī)質(zhì)含量等因素的差異有關(guān)。鹽荒地排水溝上覆水體中氧氣濃度較改良區(qū)低，通過擴(kuò)散進(jìn)入底泥的氧氣也將減少，其滲透深度隨之減小；表層底泥富含有機(jī)質(zhì)、微生物活性高，進(jìn)入底泥的氧氣在很短距離內(nèi)被消耗，導(dǎo)致氧氣的滲透深度減小。通過DO濃度線性分布、剖面拐點(diǎn)法獲得本次試驗(yàn)的DBL厚度，結(jié)果表明改良區(qū)與鹽荒地排水溝監(jiān)測點(diǎn)DO剖面的DBL厚度分別在0.4～0.8 mm和0.2～0.4 mm之間，存在一定的差異。

2.4 農(nóng)田排水溝水體與底泥DO濃度Profile模型模擬

根據(jù)實(shí)測的DO剖面濃度分布，結(jié)合Profile模型假定在恒定狀態(tài)下忽略生物擾動(dòng)和沖洗作用，剖面的上邊界條件為擴(kuò)散邊界層最上面一點(diǎn)的DO濃度值，下邊界為底泥含氧區(qū)與無氧區(qū)的交界值設(shè)為0，消除偶然因素計(jì)算DO擴(kuò)散通量，計(jì)算結(jié)果經(jīng)F檢驗(yàn)后輸出，經(jīng)過比對(duì)選取改良區(qū)G4剖面和鹽荒地S1剖面進(jìn)行分析，將模擬和實(shí)測的DO剖面濃度繪制于圖8。由圖可知二者吻合度較高，表明該模型能客觀地描述DO在界面擴(kuò)散邊界層和底泥中的分布。改良區(qū)水體與底泥界面附近凈產(chǎn)氧速率為0.018 nmol/(cm3·s)，之后轉(zhuǎn)變?yōu)閮艉难酰敝裂鯕夂纳⒋M，凈產(chǎn)氧和凈耗氧速率量級(jí)均較小，鹽荒地水體與底泥界面附近最大凈產(chǎn)氧速率達(dá)到了0.58 nmol/(cm3·s)，約為改良區(qū)的32倍，相比較而言，鹽荒地排水溝底泥有機(jī)質(zhì)含量較高、環(huán)境功能微生物活性較強(qiáng)，凈產(chǎn)氧和凈耗氧交替進(jìn)行。總體來看，2種水力條件差異較大的排水溝底泥含氧層DO剖面變化梯度存在差異，DO濃度曲線的平滑程度表明二者的耗氧機(jī)制也有所不同[33]。

2.5 農(nóng)田排水溝水體與底泥H2S濃度垂向分布及Profile模型模擬

由H2S微電極測得8個(gè)監(jiān)測點(diǎn)水體與底泥H2S剖面濃度分布如圖9、圖10所示，圖中深度為0表示水體與底泥界面，垂直向下即為底泥深度。由圖可知，改良區(qū)排水溝監(jiān)測剖面H2S濃度在垂向上的含量均很低（＜10μmol/L）；鹽荒地排水溝監(jiān)測剖面H2S濃度在垂向上呈現(xiàn)出隨深度先增加后降低的總趨勢，峰值出現(xiàn)深度在界面以下約40 mm處，最高濃度可達(dá)178μmol/L。應(yīng)用Profile模型對(duì)鹽荒地排水溝監(jiān)測剖面H2S濃度在垂向上的分布進(jìn)行模擬，圖10顯示模擬值與實(shí)測值吻合度較高，表明該模型也能客觀地描述H2S在底泥中的分布。鹽荒地排水溝底泥氧氣的最大滲透深度僅為2.6 mm（圖 7），低DO滲透深度更有利于底泥內(nèi)源磷釋放，進(jìn)而造成上覆水體中磷的積累并影響排水溝生態(tài)功能。采集的底泥樣品感官表現(xiàn)出發(fā)黑發(fā)臭，依據(jù)底泥硫酸根含量（表1）和已有研究結(jié)果[20,23,34]，初步推斷鹽荒地排水溝底泥中的H2S可能是SRB利用硫酸根作為電子受體進(jìn)行無氧呼吸作用產(chǎn)生，尚需進(jìn)一步深入研究。

3 討論

本文測定了農(nóng)田排水溝水體與底泥界面DO濃度剖面。已有沉積物氧氣滲透深度測定結(jié)果顯示，Malawi湖沉積物氧氣滲透深度小于4 mm，Bailal湖沉積物含氧層分布范圍較大在0.6～50 mm，海底帶生物墊的含氧層在1～4 mm[28]；南京玄武湖北湖區(qū)底泥含氧層約為5 mm[22]，西南湖區(qū)底泥氧氣滲透深度最高可達(dá)20 mm[35]；太湖和南四湖沉積物含氧層在3～7 mm[36]；紅楓湖沉積物氧氣侵蝕深度為3.4～3.6 mm[20]；農(nóng)田排水溝（干溝）底泥夏季含氧層厚度在1～6 mm[27]。上述國內(nèi)外研究結(jié)果表明本次試驗(yàn)結(jié)果是合理的，每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位5個(gè)DO剖面濃度均具有較小的標(biāo)準(zhǔn)誤差，表明DO微電極獲取的界面濃度信息具有較大的可靠性。沉積物微尺度研究表明其地形圖呈現(xiàn)“溝壑縱橫”的形態(tài)，且DBL厚度與沉積物表層地形呈現(xiàn)高度吻合[17]，水動(dòng)力條件、DBL厚度及氧通量之間存在一定的相關(guān)關(guān)系[37-38]，DBL厚度的變化主要受上覆水流速和沉積物地形粗糙度的影響[19]，因本試驗(yàn)是在室內(nèi)樣本保持靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行的，同一監(jiān)測點(diǎn)位的DBL厚度一致，引起DBL厚度差異的主要原因可能是這2種水力條件差異較大的排水溝中采集的不同監(jiān)測點(diǎn)位底泥樣本在室內(nèi)測定時(shí)其表面均存在微地形，具體原因尚待深入研究。

底泥內(nèi)部的生物、化學(xué)耗氧過程對(duì)水體與底泥界面上覆水中DO含量影響很大，底泥耗氧最大可占整個(gè)水體耗氧的90%[15,39-40]。McCarthy等[41]研究發(fā)現(xiàn)墨西哥灣低氧區(qū)底泥耗氧量是由底泥中有機(jī)物控制與調(diào)節(jié)的，而不是通常認(rèn)為的由底泥含氧量決定。兩種水力條件差異較大的排水溝中水體營養(yǎng)鹽和底泥有機(jī)質(zhì)含量均存在不同程度的差異，這可能是引起二者耗氧機(jī)制不同的原因（圖 8），后期應(yīng)加強(qiáng)對(duì)農(nóng)田排水溝底泥耗氧機(jī)制的研究，進(jìn)一步耦合水體與底泥界面氮、磷營養(yǎng)鹽及DO遷移擴(kuò)散間的關(guān)系。

根據(jù)微電極測定的水體與底泥界面DO和H2S濃度及Profile模型模擬，本文明確了不同水力聯(lián)系條件下排水溝水體與底泥界面DO、H2S動(dòng)態(tài)連續(xù)變化數(shù)據(jù)。汪福順等[34]利用沉積物孔隙水中硫酸根濃度及硫同位素示蹤的方法，研究了湖泊沉積物中還原作用發(fā)生的深度和強(qiáng)度，結(jié)果表明沉積物界面下2～3 cm是SRB分布最活躍的區(qū)域，界面下2 cm附近硫酸鹽的還原速率達(dá)到最大，在6 cm深度以下SRB可檢活性極弱，H2S的產(chǎn)生主要與SRB的活性有關(guān)，同時(shí)也受沉積物所能提供的硫酸根電子受體數(shù)量的影響。鑒于DO濃度是氧化還原反應(yīng)中“有氧-厭氧條件”的重要推斷依據(jù)，結(jié)合H2S的濃度變化，微電極定位測量可為相關(guān)生化過程的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)提供依據(jù)。以水體與底泥界面反硝化作用為例，依據(jù)沉積物深度上相應(yīng)的氧化還原帶中電子受體被利用的先后順序[42]：結(jié)合鹽荒地排水溝底泥氧氣滲透深度為2.1～2.6 mm，在此深度以下H2S濃度開始逐漸增加直至界面以下約40 mm處出現(xiàn)峰值178μmol/L（圖10），考慮到微生物繼續(xù)利用來獲取能量，可推斷在40 mm剖面內(nèi)，供微生物分解的已消耗殆盡，即反硝化作用結(jié)束。因此，微電極定位測量與Profile模型模擬聯(lián)合應(yīng)用可為敏感區(qū)域（如水體與底泥界面）的相關(guān)氧化還原反應(yīng)提供理論依據(jù)。

本研究區(qū)2種水力條件差異較大的排水溝生態(tài)系統(tǒng)中，鹽荒地的排水溝排水出路不暢，溝內(nèi)水體與底泥中鹽分均有一定的累積，相對(duì)于改良區(qū)而言，水體與底泥界面微環(huán)境發(fā)生了變化，底泥中較高的H2S濃度會(huì)影響其生態(tài)功能。改良區(qū)農(nóng)田各級(jí)排水溝之間水力聯(lián)系通暢，排水溝水體溶解氧濃度基本穩(wěn)定在8 mg/L，底泥氧氣滲透深度為10.2 mm（圖6），H2S濃度在測定的剖面深度上小于10μmol/L（圖9），這表明保持溝渠與外界互連互通有助于農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的改善。

4 結(jié)論

本研究采取野外采樣、室內(nèi)試驗(yàn)與模型模擬相結(jié)合的方法對(duì)陜西鹵泊灘鹽堿化改良區(qū)和鹽荒地兩種水力條件差異較大的農(nóng)田排水溝（農(nóng)溝）水體與底泥界面微環(huán)境進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

1）改良區(qū)排水溝水體溶解氧（DO）含量基本穩(wěn)定在8 mg/L，鹽荒地排水溝水體DO含量在3.21～5.44 mg/L之間，2種水力條件差異較大的排水溝水體水質(zhì)指標(biāo)和底泥含水率、有機(jī)質(zhì)含量、硫酸鹽含量均有不同程度的差異。

2）改良區(qū)與鹽荒地排水溝底泥表層10 cm范圍內(nèi)含水率分別為54%～78%和73%～87%，含水率分布呈現(xiàn)出隨深度增加逐漸減小的總趨勢。

3）改良區(qū)排水溝底泥DO的滲透深度可達(dá)10.2 mm，擴(kuò)散邊界層厚度為0.4～0.8mm；鹽荒地排水溝底泥DO的滲透深度最大為2.6 mm，擴(kuò)散邊界層厚度為0.2～0.4 mm。

4）改良區(qū)排水溝底泥H2S濃度小于10μmol/L，鹽荒地底泥硫化氫濃度在垂向上呈現(xiàn)出隨深度先增加后降低的趨勢，界面以下約40 mm處出現(xiàn)峰值178μmol/L。

本研究是在實(shí)驗(yàn)室靜止條件下進(jìn)行的，后期應(yīng)加強(qiáng)水動(dòng)力條件下界面擴(kuò)散邊界層厚度與物質(zhì)擴(kuò)散通量方面的研究；水體與底泥界面狀態(tài)為無定形，含水率較高說明其孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，物質(zhì)在底泥中的運(yùn)動(dòng)與底泥的孔隙度密切相關(guān)，精確量化表征其三維孔隙結(jié)構(gòu)是計(jì)算物質(zhì)遷移的關(guān)鍵前提，值得深入研究。