潘延鑫，馮紹元，羅 紈，賈忠華，井思媛

（1.揚(yáng)州大學(xué) 水利與能源動力工程學(xué)院，江蘇 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)合實驗室，江西 南昌 330099）

1 研究背景

農(nóng)田排水溝由水、生物、土壤組成，具有一定的深度和寬度，可發(fā)揮相應(yīng)的水生態(tài)環(huán)境功能［1］。農(nóng)田大量施肥施藥，造成農(nóng)田排水溝內(nèi)氮、磷等污染負(fù)荷不斷攀升［2］，水體呈現(xiàn)富營養(yǎng)化狀態(tài)［3］，嚴(yán)重影響了農(nóng)田排水溝的生態(tài)服務(wù)功能乃至污染下游接納水體，威脅河流水環(huán)境［4］。如何維持現(xiàn)有農(nóng)田排水溝的良好水生態(tài)環(huán)境是一個亟需解決的問題。已有研究表明，水體污染物遷移轉(zhuǎn)化的重要環(huán)節(jié)很多情況下都是發(fā)生在微界面［5-6］，其變化或反應(yīng)特性也與界面微環(huán)境密切相關(guān)［7］，對水體環(huán)境污染過程的研究也由常規(guī)尺度向更微觀尺度（最小可達(dá)納米級）發(fā)展［8］。農(nóng)田排水溝水體與底泥界面由水和沉積物兩相共同組成，是農(nóng)田排水溝水體在物理、化學(xué)和生物特征等方面差異最顯著的環(huán)境邊界，污染物在水體與底泥界面的遷移行為對水體的營養(yǎng)水平起著重要作用。一方面，鹽堿地農(nóng)田排水中鹽分和氮磷等污染物會向底泥中遷移；另一方面，底泥中的生化反應(yīng)產(chǎn)物也可重新擴(kuò)散至水體甚至大氣環(huán)境。這些過程的發(fā)生都必須通過水體與底泥界面，而底泥中氧含量決定了物質(zhì)在其中的賦存形態(tài)與最終歸趨，是農(nóng)田排水溝水體環(huán)境質(zhì)量的重要指示指標(biāo)之一，對農(nóng)田排水溝水生生態(tài)系統(tǒng)的意義重大。

農(nóng)田排水溝底泥中溶解氧含量既決定了底泥中各種生命元素的歸趨，也決定了水體與底泥之間物質(zhì)與能量的傳遞過程，從而在更深層次影響著農(nóng)田排水溝水質(zhì)及其生態(tài)功能。利用完整的農(nóng)田排水溝物質(zhì)平衡計算，可估計農(nóng)田排水溝內(nèi)部作用和水體中其他生物地球化學(xué)作用對整個水體的貢獻(xiàn)，但不能涉及農(nóng)田排水溝水體與底泥物質(zhì)交換的內(nèi)在機(jī)制。農(nóng)田排水溝底泥中大量溶解性物質(zhì)主要以孔隙水為媒介通過擴(kuò)散邊界層向上覆水體擴(kuò)散遷移，而上覆水體通過一系列的物理化學(xué)和擴(kuò)散作用參與界面作用，與底泥遷移上來的物質(zhì)一起為界面反應(yīng)提供物質(zhì)基礎(chǔ)?，F(xiàn)有關(guān)于水體與沉積物界面氧通量的研究多集中在海洋［9-11］、湖泊［12-14］和河流［15］，且大多研究是將界面的氧通量與水體中營養(yǎng)鹽等物質(zhì)以及水體流速等要素關(guān)聯(lián)起來進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)水體與沉積物界面擴(kuò)散邊界層的存在抑制了二者間的物質(zhì)交換，是影響擴(kuò)散通量的瓶頸所在。

目前對農(nóng)田排水溝底泥中氧傳遞的過程研究較為缺乏，農(nóng)田排水溝水體與底泥界面是其水生生態(tài)系統(tǒng)中最重要的界面之一，是底泥中物質(zhì)參與環(huán)境地球化學(xué)循環(huán)和生物耦合的“熱區(qū)”。為了研究農(nóng)田排水溝水體與底泥界面氧通量變化過程，本文以陜西省富平縣鹵泊灘鹽堿地改良區(qū)典型農(nóng)田排水溝為研究對象，通過原位采集農(nóng)田排水溝水體與底泥，模擬天然水體環(huán)境，運(yùn)用微電極技術(shù)對農(nóng)田排水溝水體與底泥界面氧通量進(jìn)行了測定，以探索農(nóng)田排水溝這一特殊地理環(huán)境中水體與底泥界面的氧通量變化過程，為進(jìn)一步研究灌區(qū)農(nóng)田排水溝底泥鹽分和污染物運(yùn)移的內(nèi)在機(jī)理提供基礎(chǔ)信息，為農(nóng)田排水溝水生生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。

2 研究區(qū)概況

陜西省富平縣的鹵泊灘鹽堿地改良區(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。直到1990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。受到地形影響，農(nóng)田排水溝在作物生長季節(jié)，除了接納本區(qū)的排水以外，還接納部分來自上游灌區(qū)的灌溉退水。區(qū)內(nèi)排水溝和一些下游洼地形成了一定的水面，成為一些水生植物和動物的棲息地［16］。

鹵泊灘，古稱鹵陽湖，橫跨蒲城、富平兩縣，東西長30 km，南北寬1.5～7 km，總面積109.14 km2，海拔377～380 m，地勢四周高、中間低，形成槽型封閉式洼地，洼地南源和渭河三級階地相接，洼地內(nèi)開闊平緩，由西北向東南方向傾斜。灘地組成物質(zhì)為第四紀(jì)松散堆積物，下部是含高鹽分的河湖相沉積物，由古湖泊退化而成。水質(zhì)屬硫酸鹽氯化型水，其礦化度最高可達(dá)43 g/L，pH 值最高可達(dá)10.1。屬大陸性干旱氣候，全年蒸發(fā)量為1000～1300 mm，是降雨量的2～3 倍（圖1）。鹵泊灘鹽堿地綜合治理的和諧生態(tài)模式確定工程設(shè)計水地比例為8.5 %［17］。

圖1 研究區(qū)多年平均月降水量、蒸發(fā)量及氣溫值

3 材料與方法

3.1 試驗材料與裝置

3.1.1 試驗材料 如圖2所示，陜西省富平縣鹵泊灘鹽堿地改良區(qū)農(nóng)田為標(biāo)準(zhǔn)田塊400 m×100 m，有3 條農(nóng)田排水干溝和若干條農(nóng)田排水支溝縱橫交錯構(gòu)成了農(nóng)田排水溝系統(tǒng)，本試驗在研究區(qū)內(nèi)3 條排水干溝（圖2中P、N、M 溝）上從北到南自上游至下游依次布設(shè)了監(jiān)測點(diǎn)位，8 個監(jiān)測點(diǎn)分別布設(shè)在干溝與支溝交匯處，命名為P14、P10、N16、N10、M20、M14、M8、M6。圖2中箭頭代表水流方向，上游灌區(qū)退水自西邊進(jìn)入鹵泊灘鹽堿地改良區(qū)，流入M 溝，水量較大時，部分水量沿相反方向進(jìn)入N 溝與P 溝。2018年8月16日在研究區(qū)農(nóng)田排水溝中進(jìn)行現(xiàn)場底泥采樣，每個監(jiān)測樣點(diǎn)用自制的水樣取樣器采集泥面以上10 cm 處的水樣，放入車載冰箱冷藏帶回實驗室，同時用柱狀采樣器取界面清晰的泥柱，密封后運(yùn)回實驗室，每個監(jiān)測點(diǎn)位每次取3 個水樣，采集2～3 個柱狀泥柱，共采集泥柱19 個，供平行測試。如圖6所示，依據(jù)監(jiān)測點(diǎn)位的命名和供試泥柱數(shù)對所觀測的溶解氧濃度剖面進(jìn)行編排（從P14 剖面01 至M6 剖面19）。同時利用多參數(shù)水質(zhì)分析儀（美國哈希HQ40d）測定現(xiàn)場采樣點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)。實驗室水質(zhì)指標(biāo)總氮和總磷的測定依據(jù)國家環(huán)?？偩志幹摹端蛷U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）。研究區(qū)農(nóng)田排水溝現(xiàn)狀實景及底泥取樣位置示意如圖3所示。

圖2 研究區(qū)位置及農(nóng)田排水溝水體與底泥監(jiān)測點(diǎn)位圖

圖3 研究區(qū)農(nóng)田排水溝支、干溝實景及底泥取樣位置

3.1.2 試驗裝置 農(nóng)田排水溝水體與底泥界面（sediment-water interface，SWI）是氧傳遞發(fā)生的重要區(qū)域，在準(zhǔn)確表征SWI 氧通量的產(chǎn)生、影響因素方面，高精度的原位監(jiān)測技術(shù)成為了主要制約因素［18-19］。隨著計算機(jī)科學(xué)的發(fā)展以及傳感技術(shù)的進(jìn)步，微電極的應(yīng)用使科研人員對沉積物-水界面的研究尺度從常規(guī)尺度的厘米級減少為微觀尺度的數(shù)十微米，可以大幅度提高界面研究過程的微觀性［20］、多維性［21-23］和準(zhǔn)確性［24-25］。本試驗采用丹麥微電極（MM-METER，Unisense）系統(tǒng)在實驗室進(jìn)行農(nóng)田排水溝水體與底泥剖面的溶解氧（DO）測定。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、實驗室支架LS18 等組成圖4（a）（c）。溶解氧電極是一個帶有保護(hù)陰極的微型化Clark 型微電極，其尖端很細(xì)僅有25 μm、響應(yīng)時間0.05s。試驗過程中將溶解氧微電極搭載至高精度三維馬達(dá)控制器，該控制推進(jìn)器能以1 μm 的精度將微電極刺入底泥（圖4（b）），氣體從微電極尖端擴(kuò)散進(jìn)入微電極，然后與陰極反應(yīng)產(chǎn)生電流，電流信號經(jīng)主機(jī)接收并放大后傳輸至計算機(jī)軟件，利用校正的標(biāo)準(zhǔn)曲線測得氣體的濃度值。盡管該電極是用玻璃制作的，但其尖端具有一定的柔韌性，可以輕微彎曲，因此微電極能刺入底泥進(jìn)行環(huán)境微界面化學(xué)指標(biāo)測量，全過程的攪拌敏感度低，可實現(xiàn)微損甚至無損狀態(tài)下環(huán)境微界面中物質(zhì)濃度的分布與變化過程監(jiān)測，而對界面物理結(jié)構(gòu)幾乎無擾動影響。

圖4 實驗室水體與底泥溶解氧監(jiān)測試驗過程及裝置示意圖

3.2 試驗步驟與方法

3.2.1 固液剖面?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)測量步驟

（1）DO 微電極校正。①零校正：將氧電極放入充滿零校正溶液中，信號穩(wěn)定后設(shè)濃度為0 μmol/L，氧電極零校正溶液有多種配制方法，通常用實驗室超純水以5 L/min 的速率通氮?dú)? min 以上，驅(qū)除99.99 %的氧氣；②飽和校正：取一定量溶液用泵通空氣5 min 以上，軟件自動生成相應(yīng)的飽和濃度值，則DO 電極校正結(jié)束，標(biāo)定過程中校正溶液溫度為22.5 ℃。

（2）安裝實驗室支架和推進(jìn)器。將尖端外徑為25 μm 的DO 微電極安裝至推進(jìn)器，然后連接馬達(dá)控制器與四通道主機(jī)，在Sensor Trace PRO 軟件中設(shè)置好馬達(dá)控制器推進(jìn)深度和移動精度，為了將人為操作對底泥水體的擾動降到最低，靜置10 min 后再從軟件界面點(diǎn)擊開始測定，測定數(shù)值將在電腦軟件上顯示（圖4（c））。

（3）以100 μm 和50 μm 兩個深度為步長對水體與底泥剖面DO 進(jìn)行無擾動測定。試驗設(shè)置2～3 個平行樣分別測量DO 值，為了提高試驗精度，對同一監(jiān)測點(diǎn)位的氧通量指標(biāo)測量3 次后求平均值，每組實驗重復(fù)進(jìn)行3 次，實驗室溫度為23.5 ℃。每組溶解氧濃度剖面的測量時間約90 min，剖面起始于底泥上邊界2～3 mm 處，當(dāng)電極進(jìn)入底泥且電流信號值降低至持續(xù)的低值信號完成一次測量，共觀測19 個溶解氧濃度剖面，歷時28 h（圖6）。

3.2.2 Profile 模型及計算簡介 Sensor Trace Profiling 程序中的模型是建立在Peter Berg 和其合作者在1998年所發(fā)表的方法基礎(chǔ)之上優(yōu)化了沉積物孔隙水溶解物的生物地球化學(xué)解釋［26］。存在于水-沉積物界面的生物相可視為一個微小的生態(tài)系統(tǒng)，對水土界面處營養(yǎng)鹽的吸收釋放起著重要的作用。由于耗氧微生物生命活動存在主要以光合作用和呼吸作用為主，因此有學(xué)者就利用環(huán)境中溶解氧的變化速率來反映微生物活動的強(qiáng)弱［27］。Jan Lorenzen 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強(qiáng)弱。該模型主要基于Fick 擴(kuò)散第二定律：

式中：C (z，t)為時間t 和深度z 時的氧氣濃度； P (z)為深度z 時的氧氣凈產(chǎn)速率； Ds為氧氣在沉積物中的擴(kuò)散系數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時：

則式（1）變?yōu)椋?/p>

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

利用式（5）可以求得界面中凈氧氣產(chǎn)量變化速率，其中當(dāng)為正值時代表凈產(chǎn)氧速率，負(fù)值代表凈耗氧速率。求解式（5）時需2 個初始條件，分別為溶解氧剖面濃度的零點(diǎn)和上覆水中溶解氧值，前者代表了好氧層的結(jié)束和厭氧層的開始，而后者被視為一個穩(wěn)定的環(huán)境，可作為穩(wěn)定邊界條件。計算步長h 取100 μm，擴(kuò)散系數(shù)D 取2.104×10-5cm2/s，φ為底泥孔隙度，見文獻(xiàn)［16］。

3.3 農(nóng)田排水溝水體與底泥界面物質(zhì)運(yùn)移過程描述從微觀角度來看，水體與底泥界面是兩種介質(zhì)在一定的微尺度中的相互滲透和包含，從而使“界面”在垂向上進(jìn)行拉伸形成了立體尺度。由于重力作用，農(nóng)田排水溝中密度大于水的顆粒沉于水底，在一定的沉積和物理壓實作用下，形成含水量和孔隙度不等的底泥沉積層，并隨沉積作用使水體與底泥界面在垂向上有所延展［25］。圖5（b）是作者在進(jìn)行排水溝蓄集淡水、水體保持靜態(tài)時底泥與上覆水體的鹽分交換試驗時發(fā)現(xiàn)，底泥與上覆水界面（圖5（c））之上10 cm（圖5（a））的范圍內(nèi)存在一個高鹽分漸變區(qū)（即擴(kuò)散邊界層），分子擴(kuò)散是邊界層內(nèi)鹽分運(yùn)移的主要機(jī)制，擴(kuò)散邊界層的存在在一定程度上阻滯了鹽分的釋放，并且隨著邊界層厚度的增加，阻滯效應(yīng)也顯著增強(qiáng)［16］。圖5（d）是微電極技術(shù)測定界面尺度氧氣濃度分布的數(shù)學(xué)模型剖面圖。

4 結(jié)果與分析

4.1 農(nóng)田排水溝監(jiān)測點(diǎn)水環(huán)境與底泥有機(jī)質(zhì)狀況研究區(qū)農(nóng)田排水溝監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)和底泥有機(jī)質(zhì)含量如表1所示。結(jié)果顯示：P 溝和N 溝監(jiān)測點(diǎn)位電導(dǎo)率值差別不大，基本穩(wěn)定在4～6 ms/cm，M 溝監(jiān)測點(diǎn)位電導(dǎo)率值變化較大，下游監(jiān)測點(diǎn)位電導(dǎo)率值是上游的3 倍之多，結(jié)合作者多年對研究區(qū)的研究，表明鹽分在排水溝的下游有一定的富集；排水溝pH 值從上游到下游逐漸升高，水體呈現(xiàn)出一定的堿性；上游監(jiān)測點(diǎn)位水體溶解氧基本穩(wěn)定，下游監(jiān)測點(diǎn)位水體溶解氧明顯減小，水體有異常氣味；水體總氮和總磷沿著排水溝水體流動方向逐漸增大；底泥有機(jī)質(zhì)含量也表現(xiàn)出在下游最高。

4.2 農(nóng)田排水溝底泥水體溶解氧濃度垂向分布分析由溶解氧微電極測得3 條農(nóng)田排水溝不同監(jiān)測點(diǎn)水體與底泥溶解氧剖面濃度分布如圖6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，不同監(jiān)測點(diǎn)位不同剖面水體與底泥界面以上（上覆水區(qū)）的溶解氧濃度與現(xiàn)

場溶解氧監(jiān)測結(jié)果（表1）基本一致，P 溝監(jiān)測點(diǎn)位表層DO 濃度在232～259 μmol/L，N 溝監(jiān)測點(diǎn)位表層DO 濃度在237～270 μmol/L，M 溝上游監(jiān)測點(diǎn)位表層DO 濃度在279～295 μmol/L，下游監(jiān)測點(diǎn)位表層DO 濃度在175～191 μmol/L，隨著深度的增加，溶解氧濃度逐漸減小，直至溶解氧濃度為零，到達(dá)厭氧層。根據(jù)實測的溶解氧剖面濃度分布，結(jié)合Profile 模型假設(shè)在恒定狀態(tài)下忽略生物擾動和沖洗作用，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，消除偶然因素計算溶解氧擴(kuò)散通量，計算結(jié)果經(jīng)F 檢驗后輸出，模擬值和實測值的相關(guān)系數(shù)均在0.995 以上，表明該模型能客觀地描述溶解氧在界面擴(kuò)散邊界層和底泥中的分布。

圖6 研究區(qū)農(nóng)田排水溝不同監(jiān)測點(diǎn)位水體與底泥溶解氧分布

研究區(qū)農(nóng)田排水溝上游不同監(jiān)測點(diǎn)位的含氧層厚度在3.5～6 mm 之間，而下游監(jiān)測點(diǎn)位的含氧層厚度約為1.5 mm，差異顯著。與國內(nèi)外有關(guān)沉積物含氧層測定的結(jié)果進(jìn)行對比，Jan Lorenzen 等［28］對海底帶生物墊的水土界面進(jìn)行測定后發(fā)現(xiàn)其含氧層厚度在1～4 mm 之間，而王建軍等［14］對太湖和南四湖水土界面溶解氧剖面濃度測定時發(fā)現(xiàn)其含氧層厚度在3～7 mm 之間，錢寶［27］等人對南京玄武湖北湖區(qū)水體與底泥界面溶解氧剖面濃度測定發(fā)現(xiàn)底泥含氧層厚度約為5 mm，表明本次試驗得到的結(jié)果是合理的，農(nóng)田排水溝底泥含氧層在1～6 mm。溶解氧進(jìn)入水體后被用于各種生物化學(xué)過程，水體與底泥界面的溶解氧供給速率（即溶解氧傳輸通量）與底泥的溶解氧利用速率（溶解氧消耗量）的平衡決定了底泥中的耗氧區(qū)。根據(jù)所測的溶解氧剖面濃度分布，結(jié)合現(xiàn)場水環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)初步推斷下游底泥含氧層深度較小的原因是有機(jī)質(zhì)含量較高，微生物活動強(qiáng)烈所致。

農(nóng)田排水溝水體與底泥溶解氧的交換過程對水生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化至關(guān)重要，但擴(kuò)散邊界層的存在對物質(zhì)交換具有抑制作用，是農(nóng)田排水溝水體與底泥界面擴(kuò)散通量的主要瓶頸。擴(kuò)散邊界層是底泥上邊界極薄的一層，厚度一般在0.2～1 mm 之間［25］，通過氧濃度線性分布、剖面拐點(diǎn)法獲得本次試驗的擴(kuò)散邊界厚度，結(jié)果表明研究區(qū)上游農(nóng)田排水溝監(jiān)測點(diǎn)位的氧氣擴(kuò)散邊界層厚度基本在1 mm，而下游農(nóng)田排水溝監(jiān)測點(diǎn)位氧氣的擴(kuò)散邊界層厚度分別為0.5 mm 和0.2 mm。且擴(kuò)散邊界層以上氧氣濃度有一定的差異，尤其是下游農(nóng)田排水溝監(jiān)測點(diǎn)位的氧氣濃度在擴(kuò)散邊界層以上波動顯著，這可能與下游農(nóng)田排水溝水體鹽分含量較高以及微生物活動劇烈等因素有關(guān)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際中農(nóng)田排水溝水體是流動狀態(tài)，而水動力條件也是影響界面氧傳輸?shù)闹匾蛩?，農(nóng)田排水溝水體與底泥界面的空間尺度與水流的流速和湍流的程度密切相關(guān)，后期應(yīng)加強(qiáng)對不同水動力條件下水體與底泥界面氧通量及其他化學(xué)指標(biāo)與底泥孔隙度、微尺度地形和生物耦合研究，以全面深刻揭示農(nóng)田排水溝底泥污染物地球化學(xué)循環(huán)深層機(jī)理。

5 結(jié)論

本文采取野外采樣、室內(nèi)試驗與理論相結(jié)合的研究方法對典型鹽堿地改良區(qū)農(nóng)田排水溝水體與底泥界面氧通量進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

（1）研究區(qū)農(nóng)田排水溝水體溶解氧含量從上游至下游沿程降低，有機(jī)質(zhì)含量從上游至下游沿程增加，鹽分在下游有一定的富集。

（2）研究區(qū)農(nóng)田排水溝水體與底泥溶解氧剖面濃度隨著深度的增加逐漸減小，直至溶解氧濃度為零，到達(dá)厭氧層。底泥含氧層厚度在6 mm 以內(nèi)，下游底泥含氧層厚度較淺在1～2 mm 之間。Profile模型能客觀地描述溶解氧在農(nóng)田排水溝水體與底泥界面擴(kuò)散邊界層和底泥中的分布。

（3）研究區(qū)農(nóng)田排水溝上游水體與底泥界面氧氣擴(kuò)散邊界層的厚度基本在1 mm，下游氧氣擴(kuò)散邊界層厚度減小至0.2 mm。