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2、結(jié)果與分析
2.1農(nóng)田排水溝監(jiān)測(cè)點(diǎn)水環(huán)境與底泥狀況
研究區(qū)農(nóng)田排水溝監(jiān)測(cè)點(diǎn)水體水質(zhì)和底泥指標(biāo)含量如表1所示。監(jiān)測(cè)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(cè)點(diǎn)水體水質(zhì)及底泥指標(biāo)值
2.2農(nóng)田排水溝監(jiān)測(cè)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(cè)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(shì)（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(wú)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)?，F(xiàn)有沉積物含水率測(cè)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(shì)，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)；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；沉積物顆粒越細(xì)含水率越高，通過(guò)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?？傮w來(lái)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(cè)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(cè)得8個(gè)監(jiān)測(cè)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(chǎng)水質(zhì)DO監(jiān)測(cè)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(guò)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(guò)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(cè)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(cè)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(wú)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(guò)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(cè)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?，直至氧氣耗散殆盡，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?？傮w來(lái)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。
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(cè)得8個(gè)監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)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(shì)，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(cè)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(cè)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，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(wú)氧呼吸作用產(chǎn)生，尚需進(jìn)一步深入研究。
3、討論
本文測(cè)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(cè)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；南京玄武湖北湖區(qū)底泥含氧層約為5 mm，西南湖區(qū)底泥氧氣滲透深度最高可達(dá)20 mm；太湖和南四湖沉積物含氧層在3～7 mm；紅楓湖沉積物氧氣侵蝕深度為3.4～3.6 mm；農(nóng)田排水溝（干溝）底泥夏季含氧層厚度在1～6 mm。上述國(guó)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(cè)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，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，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，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(cè)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(cè)點(diǎn)位底泥樣本在室內(nèi)測(cè)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(guò)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%。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(yíng)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(yíng)養(yǎng)鹽及DO遷移擴(kuò)散間的關(guān)系。
根據(jù)微電極測(cè)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)。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(cè)量可為相關(guān)生化過(guò)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：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(kāi)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(lái)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(cè)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(cè)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(shì)。
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(shì)，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(wú)定形，含水率較高說(shuō)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。
