2、結果與分析

2.1農田排水溝監測點水環境與底泥狀況

研究區農田排水溝監測點水體水質和底泥指標含量如表1所示。監測結果顯示：改良區排水溝水體EC值基本穩定在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，表明鹽荒地排水溝內鹽分有一定的累積；改良區排水溝水體DO值基本穩定在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、底泥有機質含量在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、底泥有機質含量在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改良區與鹽荒地排水溝監測點水體水質及底泥指標值

2.2農田排水溝監測點底泥剖面含水率與中值粒徑分布

農田排水溝底泥含水率的監測結果表明，由于底泥顆粒物的壓實作用，隨著底泥深度的增加含水率大致呈現出減小的趨勢（圖4），底泥0～10 cm內的含水率明顯高于10～20 cm，表層底泥均表現為越接近表層含水率越高，改良區與鹽荒地排水溝底泥表層10 cm范圍內含水率分別為54%～78%和73%～87%，反映出底泥相對接近理想的多孔滲水狀態，表觀為無定形態，且改良區排水溝底泥G1～G4剖面和鹽荒地排水溝底泥S1～S4剖面個別位置含水率出現一定的波動。現有沉積物含水率測定的結果表明，草、藻型湖區沉積物的含水率呈現出隨深度增加而逐漸減少的趨勢，并且拐點都出現在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；沉積物中值粒徑越小，其孔隙度也越大，含水率則相應增大；沉積物顆粒越細含水率越高，通過沉積物粒度分布特征也可以識別其所在環境的水動力狀況。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，這與其較弱的水動力條件下形成的底泥顆粒中值粒徑較小（圖5）等因素有關。

圖5顯示8個監測點底泥剖面中值粒徑垂向分布，由圖可知，改良區排水溝底泥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內的中值粒徑明顯大于下層，下層中值粒徑呈現鋸齒狀變化；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，體現出一定的空間異質性特征。

2.3農田排水溝水體與底泥DO濃度垂向分布

由DO微電極測得8個監測點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濃度的垂向分布規律類似，即DO濃度隨著深度的增加逐漸減小，直至為0到達厭氧層。改良區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呈現出一定的波動，均與現場水質DO監測結果（表1）基本一致。改良區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質含量等因素的差異有關。鹽荒地排水溝上覆水體中氧氣濃度較改良區低，通過擴散進入底泥的氧氣也將減少，其滲透深度隨之減小；表層底泥富含有機質、微生物活性高，進入底泥的氧氣在很短距離內被消耗，導致氧氣的滲透深度減小。通過DO濃度線性分布、剖面拐點法獲得本次試驗的DBL厚度，結果表明改良區與鹽荒地排水溝監測點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農田排水溝水體與底泥DO濃度Profile模型模擬

根據實測的DO剖面濃度分布，結合Profile模型假定在恒定狀態下忽略生物擾動和沖洗作用，剖面的上邊界條件為擴散邊界層最上面一點的DO濃度值，下邊界為底泥含氧區與無氧區的交界值設為0，消除偶然因素計算DO擴散通量，計算結果經F檢驗后輸出，經過比對選取改良區G4剖面和鹽荒地S1剖面進行分析，將模擬和實測的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在界面擴散邊界層和底泥中的分布。改良區水體與底泥界面附近凈產氧速率為0.018 nmol/(cm3·s)，之后轉變為凈耗氧，直至氧氣耗散殆盡，凈產氧和凈耗氧速率量級均較小，鹽荒地水體與底泥界面附近最大凈產氧速率達到了0.58 nmol/(cm3·s)，約為改良區的32倍，相比較而言，鹽荒地排水溝底泥有機質含量較高、環境功能微生物活性較強，凈產氧和凈耗氧交替進行。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制也有所不同。

2.5農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個監測點水體與底泥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，改良區排水溝監測剖面H2S濃度在垂向上的含量均很低（＜10μmol/L）；鹽荒地排水溝監測剖面H2S濃度在垂向上呈現出隨深度先增加后降低的總趨勢，峰值出現深度在界面以下約40 mm處，最高濃度可達178μmol/L。應用Profile模型對鹽荒地排水溝監測剖面H2S濃度在垂向上的分布進行模擬，圖10顯示模擬值與實測值吻合度較高，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源磷釋放，進而造成上覆水體中磷的積累并影響排水溝生態功能。采集的底泥樣品感官表現出發黑發臭，依據底泥硫酸根含量（表1）和已有研究結果，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行無氧呼吸作用產生，尚需進一步深入研究。

3、討論

本文測定了農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；南京玄武湖北湖區底泥含氧層約為5 mm，西南湖區底泥氧氣滲透深度最高可達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；農田排水溝（干溝）底泥夏季含氧層厚度在1～6 mm。上述國內外研究結果表明本次試驗結果是合理的，每個監測點位5個DO剖面濃度均具有較小的標準誤差，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“溝壑縱橫”的形態，且DBL厚度與沉積物表層地形呈現高度吻合，水動力條件、DBL厚度及氧通量之間存在一定的相關關系，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，因本試驗是在室內樣本保持靜止狀態下進行的，同一監測點位的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測點位底泥樣本在室內測定時其表面均存在微地形，具體原因尚待深入研究。

底泥內部的生物、化學耗氧過程對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水體耗氧的90%。研究發現墨西哥灣低氧區底泥耗氧量是由底泥中有機物控制與調節的，而不是通常認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鹽和底泥有機質含量均存在不同程度的差異，這可能是引起二者耗氧機制不同的原因（圖8），后期應加強對農田排水溝底泥耗氧機制的研究，進一步耦合水體與底泥界面氮、磷營養鹽及DO遷移擴散間的關系。

根據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系條件下排水溝水體與底泥界面DO、H2S動態連續變化數據。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生的深度和強度，結果表明沉積物界面下2～3 cm是SRB分布最活躍的區域，界面下2 cm附近硫酸鹽的還原速率達到最大，在6 cm深度以下SRB可檢活性極弱，H2S的產生主要與SRB的活性有關，同時也受沉積物所能提供的硫酸根電子受體數量的影響。鑒于DO濃度是氧化還原反應中“有氧-厭氧條件”的重要推斷依據，結合H2S的濃度變化，微電極定位測量可為相關生化過程的關鍵節點提供依據。以水體與底泥界面反硝化作用為例，依據沉積物深度上相應的氧化還原帶中電子受體被利用的先后順序：結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處出現峰值178μmol/L（圖10），考慮到微生物繼續利用來獲取能量，可推斷在40 mm剖面內，供微生物分解的已消耗殆盡，即反硝化作用結束。因此，微電極定位測量與Profile模型模擬聯合應用可為敏感區域（如水體與底泥界面）的相關氧化還原反應提供理論依據。

本研究區2種水力條件差異較大的排水溝生態系統中，鹽荒地的排水溝排水出路不暢，溝內水體與底泥中鹽分均有一定的累積，相對于改良區而言，水體與底泥界面微環境發生了變化，底泥中較高的H2S濃度會影響其生態功能。改良區農田各級排水溝之間水力聯系通暢，排水溝水體溶解氧濃度基本穩定在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田生態環境的改善。

4、結論

本研究采取野外采樣、室內試驗與模型模擬相結合的方法對陜西鹵泊灘鹽堿化改良區和鹽荒地兩種水力條件差異較大的農田排水溝（農溝）水體與底泥界面微環境進行了研究，主要結論如下：

1）改良區排水溝水體溶解氧（DO）含量基本穩定在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指標和底泥含水率、有機質含量、硫酸鹽含量均有不同程度的差異。

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

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

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

本研究是在實驗室靜止條件下進行的，后期應加強水動力條件下界面擴散邊界層厚度與物質擴散通量方面的研究；水體與底泥界面狀態為無定形，含水率較高說明其孔隙結構發達，物質在底泥中的運動與底泥的孔隙度密切相關，精確量化表征其三維孔隙結構是計算物質遷移的關鍵前提，值得深入研究。

微電極測定鹽堿化改良區和鹽荒地的農溝水體與底泥界面DO、H2S濃度（一）

微電極測定鹽堿化改良區和鹽荒地的農溝水體與底泥界面DO、H2S濃度（二）