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2、结果与分析
2.1农田排水沟监测点水环境与底泥状况
研究区农田排水沟监测点水体水质和底泥指标含量如表1所示。监测结果显示：改良区排水沟水体EC值基本稳定在3.64～4.12 mS/cm，盐荒地排水沟水体EC值在10.74～13.22 mS/cm之间波动，表明盐荒地排水沟内盐分有一定的累积；改良区排水沟水体DO值基本稳定在8 mg/L，盐荒地排水沟水体DO值在3.21～5.44 mg/L之间变化，且水体有异常气味；改良区排水沟水体TN含量在3.22～3.43 mg/L、TP含量在0.30～0.35 mg/L、底泥有机质含量在16.4～17.2 g/kg、硫酸盐含量在127.5～143.6 mg/kg，盐荒地排水沟水体TN含量在2.12～2.35 mg/L、TP含量在0.41～0.44 mg/L、底泥有机质含量在20.4～22.1 g/kg硫酸盐含量在4231.8～4456.7 mg/kg，均存在不同程度的差异。
表1改良区与盐荒地排水沟监测点水体水质及底泥指标值
2.2农田排水沟监测点底泥剖面含水率与中值粒径分布
农田排水沟底泥含水率的监测结果表明，由于底泥颗粒物的压实作用，随着底泥深度的增加含水率大致呈现出减小的趋势（图4），底泥0～10 cm内的含水率明显高于10～20 cm，表层底泥均表现为越接近表层含水率越高，改良区与盐荒地排水沟底泥表层10 cm范围内含水率分别为54%～78%和73%～87%，反映出底泥相对接近理想的多孔渗水状态，表观为无定形态，且改良区排水沟底泥G1～G4剖面和盐荒地排水沟底泥S1～S4剖面个别位置含水率出现一定的波动。现有沉积物含水率测定的结果表明，草、藻型湖区沉积物的含水率呈现出随深度增加而逐渐减少的趋势，并且拐点都出现在3 cm深度左右，含水率差异与沉积物中值粒径的垂向分布有关；沉积物中值粒径越小，其孔隙度也越大，含水率则相应增大；沉积物颗粒越细含水率越高，通过沉积物粒度分布特征也可以识别其所在环境的水动力状况。总体来看，2种水力条件差异较大的排水沟中盐荒地排水沟底泥剖面含水率较高，这与其较弱的水动力条件下形成的底泥颗粒中值粒径较小（图5）等因素有关。
图5显示8个监测点底泥剖面中值粒径垂向分布，由图可知，改良区排水沟底泥G1-G4剖面中值粒径在12～15μm之间，随着深度的增加而减小，底泥0～10 cm内的中值粒径明显大于下层，下层中值粒径呈现锯齿状变化；盐荒地排水沟底泥S1～S4剖面中值粒径在9～11μm之间变化。改良区与盐荒地2种水力条件差异较大的排水沟底泥中值粒径不同，体现出一定的空间异质性特征。
2.3农田排水沟水体与底泥DO浓度垂向分布
由DO微电极测得8个监测点不同剖面水体与底泥DO剖面浓度分布如图6、图7所示，由图可知，水体与底泥界面DO浓度的垂向分布规律类似，即DO浓度随着深度的增加逐渐减小，直至为0到达厌氧层。改良区水体与底泥界面以上（上覆水体）的DO浓度比盐荒地高，盐荒地排水沟水体DO呈现出一定的波动，均与现场水质DO监测结果（表1）基本一致。改良区与盐荒地排水沟底泥氧气渗透深度分别为10.2和2.1～2.6 mm，这主要与两种水力条件差异较大的排水沟中上覆水体氧气浓度和底泥有机质含量等因素的差异有关。盐荒地排水沟上覆水体中氧气浓度较改良区低，通过扩散进入底泥的氧气也将减少，其渗透深度随之减小；表层底泥富含有机质、微生物活性高，进入底泥的氧气在很短距离内被消耗，导致氧气的渗透深度减小。通过DO浓度线性分布、剖面拐点法获得本次试验的DBL厚度，结果表明改良区与盐荒地排水沟监测点DO剖面的DBL厚度分别在0.4～0.8 mm和0.2～0.4 mm之间，存在一定的差异。
2.4农田排水沟水体与底泥DO浓度Profile模型模拟
根据实测的DO剖面浓度分布，结合Profile模型假定在恒定状态下忽略生物扰动和冲洗作用，剖面的上边界条件为扩散边界层最上面一点的DO浓度值，下边界为底泥含氧区与无氧区的交界值设为0，消除偶然因素计算DO扩散通量，计算结果经F检验后输出，经过比对选取改良区G4剖面和盐荒地S1剖面进行分析，将模拟和实测的DO剖面浓度绘制于图8。由图可知二者吻合度较高，表明该模型能客观地描述DO在界面扩散边界层和底泥中的分布。改良区水体与底泥界面附近净产氧速率为0.018 nmol/(cm3·s)，之后转变为净耗氧，直至氧气耗散殆尽，净产氧和净耗氧速率量级均较小，盐荒地水体与底泥界面附近最大净产氧速率达到了0.58 nmol/(cm3·s)，约为改良区的32倍，相比较而言，盐荒地排水沟底泥有机质含量较高、环境功能微生物活性较强，净产氧和净耗氧交替进行。总体来看，2种水力条件差异较大的排水沟底泥含氧层DO剖面变化梯度存在差异，DO浓度曲线的平滑程度表明二者的耗氧机制也有所不同。
2.5农田排水沟水体与底泥H2S浓度垂向分布及Profile模型模拟
由H2S微电极测得8个监测点水体与底泥H2S剖面浓度分布如图9、图10所示，图中深度为0表示水体与底泥界面，垂直向下即为底泥深度。由图可知，改良区排水沟监测剖面H2S浓度在垂向上的含量均很低（＜10µmol/L）；盐荒地排水沟监测剖面H2S浓度在垂向上呈现出随深度先增加后降低的总趋势，峰值出现深度在界面以下约40 mm处，最高浓度可达178µmol/L。应用Profile模型对盐荒地排水沟监测剖面H2S浓度在垂向上的分布进行模拟，图10显示模拟值与实测值吻合度较高，表明该模型也能客观地描述H2S在底泥中的分布。盐荒地排水沟底泥氧气的最大渗透深度仅为2.6 mm（图7），低DO渗透深度更有利于底泥内源磷释放，进而造成上覆水体中磷的积累并影响排水沟生态功能。采集的底泥样品感官表现出发黑发臭，依据底泥硫酸根含量（表1）和已有研究结果，初步推断盐荒地排水沟底泥中的H2S可能是SRB利用硫酸根作为电子受体进行无氧呼吸作用产生，尚需进一步深入研究。
3、讨论
本文测定了农田排水沟水体与底泥界面DO浓度剖面。已有沉积物氧气渗透深度测定结果显示，Malawi湖沉积物氧气渗透深度小于4 mm，Bailal湖沉积物含氧层分布范围较大在0.6～50 mm，海底带生物垫的含氧层在1～4 mm；南京玄武湖北湖区底泥含氧层约为5 mm，西南湖区底泥氧气渗透深度最高可达20 mm；太湖和南四湖沉积物含氧层在3～7 mm；红枫湖沉积物氧气侵蚀深度为3.4～3.6 mm；农田排水沟（干沟）底泥夏季含氧层厚度在1～6 mm。上述国内外研究结果表明本次试验结果是合理的，每个监测点位5个DO剖面浓度均具有较小的标准误差，表明DO微电极获取的界面浓度信息具有较大的可靠性。沉积物微尺度研究表明其地形图呈现“沟壑纵横”的形态，且DBL厚度与沉积物表层地形呈现高度吻合，水动力条件、DBL厚度及氧通量之间存在一定的相关关系，DBL厚度的变化主要受上覆水流速和沉积物地形粗糙度的影响，因本试验是在室内样本保持静止状态下进行的，同一监测点位的DBL厚度一致，引起DBL厚度差异的主要原因可能是这2种水力条件差异较大的排水沟中采集的不同监测点位底泥样本在室内测定时其表面均存在微地形，具体原因尚待深入研究。
底泥内部的生物、化学耗氧过程对水体与底泥界面上覆水中DO含量影响很大，底泥耗氧最大可占整个水体耗氧的90%。研究发现墨西哥湾低氧区底泥耗氧量是由底泥中有机物控制与调节的，而不是通常认为的由底泥含氧量决定。两种水力条件差异较大的排水沟中水体营养盐和底泥有机质含量均存在不同程度的差异，这可能是引起二者耗氧机制不同的原因（图8），后期应加强对农田排水沟底泥耗氧机制的研究，进一步耦合水体与底泥界面氮、磷营养盐及DO迁移扩散间的关系。
根据微电极测定的水体与底泥界面DO和H2S浓度及Profile模型模拟，本文明确了不同水力联系条件下排水沟水体与底泥界面DO、H2S动态连续变化数据。利用沉积物孔隙水中硫酸根浓度及硫同位素示踪的方法，研究了湖泊沉积物中还原作用发生的深度和强度，结果表明沉积物界面下2～3 cm是SRB分布最活跃的区域，界面下2 cm附近硫酸盐的还原速率达到最大，在6 cm深度以下SRB可检活性极弱，H2S的产生主要与SRB的活性有关，同时也受沉积物所能提供的硫酸根电子受体数量的影响。鉴于DO浓度是氧化还原反应中“有氧-厌氧条件”的重要推断依据，结合H2S的浓度变化，微电极定位测量可为相关生化过程的关键节点提供依据。以水体与底泥界面反硝化作用为例，依据沉积物深度上相应的氧化还原带中电子受体被利用的先后顺序：结合盐荒地排水沟底泥氧气渗透深度为2.1～2.6 mm，在此深度以下H2S浓度开始逐渐增加直至界面以下约40 mm处出现峰值178µmol/L（图10），考虑到微生物继续利用来获取能量，可推断在40 mm剖面内，供微生物分解的已消耗殆尽，即反硝化作用结束。因此，微电极定位测量与Profile模型模拟联合应用可为敏感区域（如水体与底泥界面）的相关氧化还原反应提供理论依据。
本研究区2种水力条件差异较大的排水沟生态系统中，盐荒地的排水沟排水出路不畅，沟内水体与底泥中盐分均有一定的累积，相对于改良区而言，水体与底泥界面微环境发生了变化，底泥中较高的H2S浓度会影响其生态功能。改良区农田各级排水沟之间水力联系通畅，排水沟水体溶解氧浓度基本稳定在8 mg/L，底泥氧气渗透深度为10.2 mm（图6），H2S浓度在测定的剖面深度上小于10µmol/L（图9），这表明保持沟渠与外界互连互通有助于农田生态环境的改善。
4、结论
本研究采取野外采样、室内试验与模型模拟相结合的方法对陕西卤泊滩盐碱化改良区和盐荒地两种水力条件差异较大的农田排水沟（农沟）水体与底泥界面微环境进行了研究，主要结论如下：
1）改良区排水沟水体溶解氧（DO）含量基本稳定在8 mg/L，盐荒地排水沟水体DO含量在3.21～5.44 mg/L之间，2种水力条件差异较大的排水沟水体水质指标和底泥含水率、有机质含量、硫酸盐含量均有不同程度的差异。
2）改良区与盐荒地排水沟底泥表层10 cm范围内含水率分别为54%～78%和73%～87%，含水率分布呈现出随深度增加逐渐减小的总趋势。
3）改良区排水沟底泥DO的渗透深度可达10.2 mm，扩散边界层厚度为0.4～0.8mm；盐荒地排水沟底泥DO的渗透深度最大为2.6 mm，扩散边界层厚度为0.2～0.4 mm。
4）改良区排水沟底泥H2S浓度小于10µmol/L，盐荒地底泥硫化氢浓度在垂向上呈现出随深度先增加后降低的趋势，界面以下约40 mm处出现峰值178µmol/L。
本研究是在实验室静止条件下进行的，后期应加强水动力条件下界面扩散边界层厚度与物质扩散通量方面的研究；水体与底泥界面状态为无定形，含水率较高说明其孔隙结构发达，物质在底泥中的运动与底泥的孔隙度密切相关，精确量化表征其三维孔隙结构是计算物质迁移的关键前提，值得深入研究。
