農(nóng)田排水溝渠底泥-間隙水-上覆水氮磷遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律研究

王曉玲，鄭曉通，李松敏，張福超

（1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300350；2.天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350）

1 研究背景

近年來，農(nóng)業(yè)氮磷面源污染問題逐年加劇，農(nóng)田排水溝渠作為農(nóng)田氮磷流失的主要途徑，通過農(nóng)田排水溝渠攔截氮磷成為治理農(nóng)業(yè)氮磷面源污染的關(guān)鍵［1-3］，如張樹楠等［4-5］通過在農(nóng)田排水溝渠中種植優(yōu)選植物，改善底泥吸附屬性，極大提高了農(nóng)田排水溝渠對氮磷的攔截效應(yīng)；王曉玲等［6-7］采用生態(tài)技術(shù)改造原有農(nóng)田排水溝渠，極大削減了降雨徑流過程中農(nóng)田氮磷的流失。

在農(nóng)田排水溝渠內(nèi)，由于底泥、上覆水和間隙水氮磷的濃度差、底泥吸附屬性以及微生物的作用等影響下［8］，氮磷在底泥、間隙水（底泥和上覆水體之間的交換介質(zhì)）、上覆水三者之間不斷遷移轉(zhuǎn)化，因此，掌握氮磷在三者之間的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，對控制農(nóng)業(yè)面源污染具有重要科學(xué)意義［4］?，F(xiàn)有的氮磷在底泥-間隙水-上覆水之間的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究中，多以湖泊、海灣作為研究對象，如張亞等［9］以天津市于橋水庫為例，分析了降雨水文過程與營養(yǎng)鹽負(fù)荷之間的關(guān)系，確定了點源和面源污染對水庫富營養(yǎng)化的影響及水庫的污染源類型；黃廷林等［10］對西安市湯峪水庫表層沉積物中總磷及各形態(tài)磷的含量分布特征進(jìn)行了研究，結(jié)果表明結(jié)合態(tài)的磷釋放到了間隙水和上覆水中，其是水庫富營養(yǎng)化的潛在威脅；Bai等［11］指出在湖泊水庫中，沉積物中的磷在整個水域中占據(jù)了很大的比例，特別是淺水湖泊，其可構(gòu)成整個湖泊磷負(fù)荷的60%～80% ；Kopacek等［12］對歐洲及北美洲43個湖庫沉積物中磷形態(tài)構(gòu)成進(jìn)行了研究，并分析了沉積物中鋁、鐵氫氧化物對磷釋放的影響。農(nóng)田排水溝渠具有河流和濕地的特征，在生態(tài)學(xué)和物理學(xué)上具有與線性濕地相似的功能［13-14］，但是由于農(nóng)田排水溝渠水深相比于河流湖泊較淺、水量較少，氮磷遷移轉(zhuǎn)化有別于河流濕地，因此有必要進(jìn)一步明確氮磷在農(nóng)田排水溝渠的底泥-間隙水-上覆水之間的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。

本文以天津市津南區(qū)小站鎮(zhèn)農(nóng)田排水溝渠為研究對象，通過野外跟蹤監(jiān)測，對降雨和無降雨情況下，水稻生長期內(nèi)該區(qū)域的典型自然農(nóng)田排水溝渠中不同形態(tài)氮磷在底泥、間隙水和上覆水之間的轉(zhuǎn)化進(jìn)行對比分析，探索氮磷在溝渠底泥、間隙水和上覆水體間的儲存形態(tài)、遷移方式、轉(zhuǎn)化方式等規(guī)律；通過掃描電子顯微鏡對底泥微觀形貌進(jìn)行觀測，從溝渠底泥微觀結(jié)構(gòu)上進(jìn)一步解釋底泥吸附氮磷的機(jī)理，以期為農(nóng)田排水溝渠最大化攔截去除氮磷提供理論依據(jù)，為農(nóng)業(yè)面源污染控制提供技術(shù)支撐。

2 材料和方法

2.1 研究區(qū)域概況試驗地點位于天津市津南區(qū)拐子溝村馬廠減河?xùn)|側(cè)天津市名洋湖都市莊園內(nèi)（38°54.5′N，117°26.9′E），見圖1。該地區(qū)地處華北平原北部，位于海河流域下游，其是東亞季風(fēng)盛行的地區(qū)，屬于暖溫帶半濕潤季風(fēng)性氣候；四季分明，春季多風(fēng)干旱少雨，夏季炎熱雨水集中，秋季氣爽冷暖適中，冬季寒冷干燥少雪。該地的年平均氣溫約為14℃，7月最熱，月平均溫度28℃；年平均降水量在360～970 mm之間，1949—2010年的平均值是600 mm上下。在季節(jié)分配上，夏季降水量最多，約占全年降水量的75%以上。該地區(qū)耕種類型以小站稻為主，5月份進(jìn)行插秧耕種，10月份收割，稻田灌水來自毗鄰的馬廠減河。試驗農(nóng)田排水溝渠（見圖2）選自典型稻田種植區(qū)具有代表性的排水溝渠群，植物生長較少，溝長251 m，寬2 m，溝渠底部低于農(nóng)田。無降雨條件下農(nóng)田水通過側(cè)滲的方式進(jìn)入排水溝渠，在降雨情況下農(nóng)田通過側(cè)滲結(jié)合溢流的方式進(jìn)行排水，溝渠排水匯集后直接排入馬廠減河。

圖1 實驗研究區(qū)域位置

2.2 試驗設(shè)計實驗稻田區(qū)域在水稻插秧（5月30日）之前施肥（5月28日），一次性施足基肥，施加氮肥130 kg（N）·hm-2、磷肥90 kg（P）·hm-2，后期根據(jù)苗情小面積補(bǔ)施，不再統(tǒng)一施肥。農(nóng)田施肥過后，化肥中的氮磷溶解在農(nóng)田灌水中，在普通無降雨情況下，由于農(nóng)田通過側(cè)滲到毗鄰的農(nóng)田排水溝渠的方式進(jìn)行排水，因此氮磷伴隨著農(nóng)田側(cè)滲水逐漸向排水溝渠遷移；當(dāng)降雨發(fā)生時，由于農(nóng)田通過側(cè)滲結(jié)合溢流的方式進(jìn)行排水，因此氮磷隨之遷移進(jìn)入農(nóng)田排水溝渠；氮磷進(jìn)入農(nóng)田排水溝渠后，在底泥、間隙水和上覆水之間不斷進(jìn)行遷移轉(zhuǎn)化。本文采取野外跟蹤監(jiān)測的方法，對水稻生長期內(nèi)農(nóng)田排水溝渠內(nèi)的底泥、間隙水和上覆水進(jìn)行跟蹤監(jiān)測。由于在無降雨情況下，側(cè)滲水中顆粒態(tài)氮磷含量極低，因此本文采用TN、TP作為氮磷濃度總量；在降雨情況下大量農(nóng)田排水直接溢流匯入農(nóng)田排水溝渠，加之雨水的擾動作用，溝渠上覆水中包含有顆粒態(tài)和溶解態(tài)的氮磷，本文分別采用TN、TP、DTN、DTP作為總氮、總磷和溶解態(tài)氮磷濃度總量。通過對水稻生長期內(nèi)降雨和無降雨情況下農(nóng)田排水溝渠內(nèi)底泥全氮全磷、間隙水和上覆水的TN、TP濃度隨時間的對應(yīng)變化關(guān)系以及間隙水和上覆水中-N之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系的分析，最終得出氮磷在底泥、間隙水和上覆水之間的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。利用Nnosem430掃描電子顯微鏡對農(nóng)田排水溝渠底泥顆粒樣品進(jìn)行微觀形貌觀測，從微觀層面上對溝渠底泥吸附氮磷的機(jī)理做進(jìn)一步研究。

圖2 實驗溝渠現(xiàn)場

2.3 樣品采集本文取樣起始于水稻生長初期，截止于水稻生長末期的稻田烤田期，取樣條件分為有降雨和無降雨兩種情況。無降雨條件下，在水稻田施肥插秧后，當(dāng)農(nóng)田側(cè)滲排水出水均勻、稻田溝渠排水系統(tǒng)排水運行穩(wěn)定后進(jìn)行第一次取樣。第一次取樣時間為2016年6月18日，最后一次取樣為2016年9月24日，期間每15 d取樣一次，取樣時間統(tǒng)一為上午9點到10點，取樣點依溝渠均勻分布，（見圖2（b）），各采樣點同時取上覆水250 mL、溝渠底泥500 g，以及進(jìn)行現(xiàn)場溶解氧含量的測定。上覆水取自未經(jīng)擾動溝渠水面下10 cm處，取上覆水250 mL，隨之將其轉(zhuǎn)移到預(yù)先清洗過的 250 mL聚乙烯瓶中， 并滴加兩滴氯仿抑制微生物活動。將采集的溝渠底泥放入聚乙烯袋帶回實驗室測量分析；溶解氧含量采用Oxi3310手持式溶解氧儀量測；在降雨情況下，每隔1 h取樣一次，取樣時間為整個降雨過程，水樣、底泥以及溶解氧取樣及監(jiān)測方法和無降雨情況下相同。

2.4 數(shù)據(jù)分析將野外取樣得到的上覆水和底泥帶回實驗室進(jìn)行室內(nèi)氮磷含量的檢測。底泥樣品烘干后磨碎，全氮采用凱氏法測定，全磷采用酸溶法測定；將沉積物樣品加入聚乙烯離心管中以3 000 r/min的速度離心20 min， 上清液經(jīng)0.45 μm的濾膜過濾得到間隙水水樣；在無降雨條件下水樣監(jiān)測指標(biāo)為在降雨條件下監(jiān)測指標(biāo)為分析方法采用《水和廢水監(jiān)測分析方法》第四版國際方法［15］，TN、DTN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定；采用納氏試劑分光光度法測定含量；采用紫外分光光度法測定；TP、DTP采用鉬藍(lán)比色法測定。實驗數(shù)據(jù)錄入通過軟件Excel2013進(jìn)行、數(shù)據(jù)相關(guān)性分析通過軟件SPSS20.0進(jìn)行，繪圖使用軟件origin 9.1進(jìn)行。

3 結(jié)果

3.1 水稻生長期底泥-間隙水-上覆水中氮磷濃度變化特征通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)得出，各采樣點底泥、間隙水及上覆水體中氮磷濃度及變化趨勢較為接近，這是由于在實驗稻田區(qū)域，施肥耕作均采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，稻田水中氮磷濃度較為接近。因此，側(cè)滲水中氮磷濃度亦較為均勻，且側(cè)滲水進(jìn)入排水溝渠后水力停留時間較長，故采用6個采樣點的均值作為溝渠各監(jiān)測指標(biāo)的實際數(shù)值，來進(jìn)行氮磷遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究。在整個水稻生長期內(nèi)，農(nóng)田排水溝渠底泥、間隙水和上覆水氮磷含量監(jiān)測結(jié)果如表1所示。從表1可見，農(nóng)田排水溝渠底泥全氮、全磷平均含量分別為0.97、0.880 mg/kg；間隙水和上覆水TN濃度平均值分別為7.09、2.26 mg/L，在間隙水和上覆水中濃度約占TN濃度的88%和86%，遠(yuǎn)高于的濃度，這是由于該地區(qū)的農(nóng)田排水溝渠在水稻整個生長期內(nèi)長期處于淹水的狀態(tài)，并且植物生長量較少，從而造成溝渠溶解氧含量較低并且復(fù)氧困難，而較低濃度的氧含量會抑制硝化反應(yīng)的進(jìn)行，即限制向的轉(zhuǎn)化，因此，在間隙水和上覆水中NO3--N濃度較低，氮主要以NH4+-N形式存在；在間隙水和上覆水中TP濃度分別為0.813、0.124 mg/L；由此可推知間隙水作為底泥吸附和釋放氮磷的重要介質(zhì)，間隙水中氮磷濃度遠(yuǎn)高于上覆水中氮磷濃度，約為上覆水的3.1和6.5倍。

表1 水稻生長期溝渠底泥間隙水和上覆水氮磷濃度 （單位：mg/L、mg/kg）

3.2 無降雨情況下底泥-間隙水-上覆水中氮磷濃度變化規(guī)律實驗溝渠底泥、間隙水和上覆水中氮磷濃度在水稻生長期內(nèi)隨時間的變化結(jié)果如圖3所示。

從圖3（a）（b）可以看見，在水稻生長過程中農(nóng)田排水溝渠底泥中氮磷含量呈現(xiàn)先增加后減小又逐漸穩(wěn)定的趨勢，間隙水中氮磷濃度在水稻生長期呈現(xiàn)前期低中后期較高的趨勢，上覆水中氮磷濃度呈現(xiàn)略微減小的趨勢。這主要是由于高濃度氮磷伴隨農(nóng)田排水側(cè)滲進(jìn)入溝渠后首先進(jìn)入底泥間隙水中，隨后氮磷從間隙水向底泥和上覆水遷移；因此，底泥和上覆水中氮磷濃度前期高、間隙水中氮磷濃度前期低。在水稻生長中期，研究區(qū)域降雨量增加，這增大了氮磷的淋洗損失，從而造成大量氮磷通過側(cè)滲進(jìn)入溝渠間隙水中，而此時，底泥中氮磷含量亦逐漸達(dá)到吸附飽和，底泥中氮磷逐漸釋放出來，并通過間隙水進(jìn)入上覆水，因此，間隙水中氮磷濃度呈現(xiàn)出突然增大的趨勢，底泥中氮磷含量出現(xiàn)減小的趨勢。上覆水中氮磷濃度由于受間隙水中氮磷釋放的影響本應(yīng)呈現(xiàn)出增大的趨勢，但由于受水稻生長中期大量雨水稀釋的影響，因此呈現(xiàn)出略微減小的趨勢；在水稻生長后期，由于受到農(nóng)田施肥時間較長、降雨減少的影響，故底泥、間隙水和上覆水中氮磷濃度均呈現(xiàn)出略微減少的穩(wěn)定變化趨勢。

圖3 無降雨情況下底泥、間隙水和上覆水氮磷濃度的變化

由圖3（c）（d）可以看到，間隙水中NH4+-N、NO3--N濃度在水稻生長中期伴隨TN出現(xiàn)增大趨勢，且NH4+-N濃度大于NO3--N濃度，可見間隙水中氮的賦存形式以NH4+-N為主；這可能與農(nóng)田排水溝渠長期處于缺氧的狀態(tài)，故抑制了硝化反應(yīng)的強(qiáng)度，大量氮被溝渠底部厭氧微生物以NH4+-N形式貯存下來有關(guān)［16-17］。上覆水中NH4+-N、NO3--N濃度波動較小，這主要是由于上覆水體中氮磷濃度受到高氮磷含量的底泥和間隙水的調(diào)控，因此可以保持較為穩(wěn)定的狀態(tài)。上覆水中NH4+-N濃度亦遠(yuǎn)高于NO3--N濃度，可見上覆水中氮的賦存形式仍以NH4+-N為主。

3.3 降雨情況下底泥-間隙水-上覆水中氮磷濃度變化規(guī)律由于實驗區(qū)域?qū)儆谂瘻貛О霛駶櫦撅L(fēng)性氣候，故降雨多以短時間強(qiáng)降雨為主，野外監(jiān)測實驗期間共產(chǎn)生6月28日、7月12日、7月19日、7月25日、8月18日5場降雨，其中6月28日和7月12日降雨歷時約0.5 h；7月25日和8月18日降雨歷時約1 h；由于降雨歷時較短，導(dǎo)致取樣次數(shù)較少，7月19日降雨屬特大暴雨，降雨歷時較長，取樣次數(shù)較多，故本文以7月19日降雨為例進(jìn)行重點分析。

圖4 降雨情況下顆粒態(tài)TN、TP與TN、TP濃度的變化

3.3.1 降雨情況下上覆水中顆粒態(tài)TN、TP與TN、TP濃度變化分析 在降雨情況下顆粒態(tài)TN、TP與TN、TP的濃度變化結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，TN濃度約為顆粒態(tài)TN濃度的3.45倍，TP濃度約為顆粒態(tài)TP濃度的1.70倍。由相關(guān)性分析可知，顆粒態(tài)TN與TN相關(guān)性大小為r=0.911，P=0.031，顆粒態(tài)TP與TP相關(guān)性大小為r=0.994，P=0.001，可見在降雨過程中，農(nóng)田排水溝渠中顆粒態(tài)TN、TP與TN、TP具有較強(qiáng)的正相關(guān)性，均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，并且顆粒態(tài)磷在TP中的占比高于顆粒態(tài)氮在TN中的占比。

3.3.2 降雨情況下底泥-間隙水-上覆水中氮磷遷移分析 圖5為降雨情況下底泥、上覆水和間隙水氮磷濃度變化。

由圖5（a）（b）可見，在整個降雨過程中，溝渠底泥全氮全磷含量都呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，表明在降雨情況下，溝渠底泥成為氮磷釋放的源，底泥氮磷通過間隙水逐漸向上覆水遷移。同時，溝渠間隙水TN、TP濃度呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。這主要是由于在降雨前期，受雨水淋洗作用的影響，農(nóng)田側(cè)滲水中氮磷濃度增大，故而間隙水中氮磷濃度較無降雨情況下略微增加，隨著淋洗作用的逐漸減弱，并且大量低氮磷濃度雨水的混入使上覆水中溶解態(tài)氮磷濃度減小，促進(jìn)了間隙水中的氮磷向上覆水的遷移，導(dǎo)致間隙水中的氮含量逐漸降低；在降雨后期，由于底泥中儲存的氮磷不斷地釋放，間隙水中氮磷含量逐漸恢復(fù)至正常水平。相比于無降雨情況下，上覆水中的TN濃度在降雨中后期略微增加、TP濃度在降雨過程中明顯呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；在降雨前期，由于農(nóng)田水溢流具有遲滯性，故降雨直接稀釋了溝渠上覆水的溶解態(tài)TN、TP濃度，但是由于雨水的擾動作用，使得顆粒態(tài)氮磷增加，故上覆水TN、TP濃度基本維持不變；在降雨中期，由于農(nóng)田水逐漸溢流進(jìn)入農(nóng)田排水溝渠，而溢流水中包含大量顆粒態(tài)和溶解態(tài)的氮磷，其對農(nóng)田排水溝渠的上覆水的TN、TP進(jìn)行補(bǔ)充，這與此前王曉玲等［18］的研究降雨初期徑流以顆粒態(tài)氮為主的結(jié)論相一致；在降雨后期，隨著降雨強(qiáng)度的減弱，上覆水中顆粒態(tài)氮磷部分隨排水流失、部分沉降為溝渠底泥，并且雨水的稀釋作用逐漸明顯，此時TN、TP濃度逐漸減小。

3.3.3 降雨情況下間隙水-上覆水中不同形態(tài)氮的轉(zhuǎn)化分析 在降雨過程中溶解氧含量變化如圖6所示。由圖6可知，溝渠上覆水中溶解氧含量呈現(xiàn)出前期快速增加、后期逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢；在降雨初期溝渠上覆水中溶解氧含量迅速增加，這主要是由于雨水?dāng)y帶有大量空氣中的氧進(jìn)入農(nóng)田排水溝渠的緣故；在降雨后期上覆水中溶解氧含量受溫度、硝化反應(yīng)等限制逐漸趨于穩(wěn)定。

圖5 降雨情況下底泥、上覆水和間隙水氮磷濃度的變化

圖6 降雨過程中上覆水體溶解氧含量的變化

如圖5（c）（d）所示，在降雨前期上覆水NH4+-N、NO3--N濃度較低，這主要是由于大量雨水的混入對溝渠上覆水中溶解態(tài)氮磷的稀釋作用較為明顯，并且間隙水中的NH4+-N、NO3--N向上覆水的遷移較為緩慢；在降雨中期上覆水NH4+-N濃度逐漸恢復(fù)，這主要是由于底泥通過間隙水進(jìn)行氮釋放的緣故；由于溝渠上覆水中氧含量長期較低，因此上覆水中NO3--N濃度長期處于較低水平，在降雨中后期上覆水中NO3--N濃度明顯上升這主要是由于雨水?dāng)y帶大量氧氣進(jìn)入溝渠上覆水，硝化作用明顯增強(qiáng)的原因［16-17，19］，但是由于上覆水中NH4+-N濃度遠(yuǎn)大于NO3--N濃度，因此上覆水中NH4+-N濃度仍然較高，NO3--N濃度較低。間隙水中NH4+-N濃度受稀釋作用在降雨中期出現(xiàn)了短暫減少，在降雨過程中間隙水中NO3--N濃度較穩(wěn)定，這可能是由于農(nóng)田排水溝渠長期處于氧含量較低的狀態(tài)，硝化反應(yīng)受到抑制，而上覆水中的氧含量短時間增加并未對間隙水的硝化反應(yīng)產(chǎn)生較大影響。在降雨過程中間隙水和上覆水中NH4+-N濃度遠(yuǎn)大于NO3--N濃度，可見在降雨過程中，農(nóng)田排水溝渠底泥中的氮通過間隙水以NH4+-N的主要遷移形態(tài)逐漸遷移進(jìn)入上覆水體。

3.4 農(nóng)田排水溝渠底泥微觀形貌觀測特征利用Nanosem430掃描電子顯微鏡對烘干磨碎后的溝渠底泥樣品進(jìn)行微觀形貌觀測，SEM結(jié)果圖像如圖7所示，圖7（a）為顯微鏡放大2 000倍下底泥顆粒SEM圖像，圖7（b）為顯微鏡放大5 000倍下的底泥顆粒SEM圖像，圖7（c）為顯微鏡放大20 000倍下底泥顆粒SEM圖像。從圖7可以看出：（1）底泥顆粒粒徑差別較大，大量粒徑較小的顆粒粘附在大粒徑顆粒表面（圖7（a））；（2）溝渠底泥顆粒表面較為粗糙，存在大量絮狀物，為微生物依存提供了便利（圖7（b））；（3）底泥顆粒存在一定量的微孔結(jié)構(gòu)，有利于底泥吸附農(nóng)田流失的氮磷（圖7（c））。從圖7的溝渠底泥微觀形貌觀測結(jié)果可知，溝渠底泥顆粒之間的相互吸附、顆粒表面較粗糙以及其具有微孔結(jié)構(gòu)等特質(zhì)為溝渠底泥吸附大量氮磷提供了條件，這同圖3（a）（b）中溝渠底泥的在水稻生長前期氮磷含量較高的現(xiàn)象相吻合。

圖7 底泥顆粒SEM圖

4 討論

4.1 無降雨情況下氮磷遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律分析由圖3可知，在整個水稻生長期，水稻生長前期底泥中氮磷含量較高，而間隙水中氮磷濃度較低；水稻生長中后期，底泥中氮磷含量降低，間隙水中氮磷濃度增大；在整個水稻生長期內(nèi)，間隙水和上覆水中NH4+-N濃度遠(yuǎn)高于NO3--N濃度。已有研究表明［20］，在氧含量較低的含有不同賦存形態(tài)氮的底泥沉積物中，NH4+-N含量遠(yuǎn)高于NO3--N含量，因此，氮在底泥和間隙水中不斷地相互遷移轉(zhuǎn)化，在底泥吸附氮的過程中，NH4+-N是底泥和間隙水中氮的主要遷移形態(tài)；氮在底泥中釋放過程中，底泥中的氮穿過間隙水進(jìn)入上覆水中，且仍以NH4+-N作為主要的遷移形態(tài)，因此，在農(nóng)田排水溝渠中NH4+-N的攔截去除成為防止氮流失的關(guān)鍵。

由圖3（a）（b）的溝渠底泥中氮磷含量在水稻整個生長過程中呈現(xiàn)先增大后減小然后逐漸穩(wěn)定的趨勢可知，溝渠底泥作為氮磷的儲存區(qū)域，其氮磷含量變化較大。當(dāng)上覆水中氮磷含量急劇減小，如降雨時大量低氮磷濃度的雨水混入時，此時底泥中氮磷有釋放進(jìn)入上覆水體的風(fēng)險；而氮磷在底泥-間隙水-上覆水中的遷移轉(zhuǎn)化，受到降雨、施肥等外部因素以及溝渠中微生物的硝化反硝化等內(nèi)部因素共同的影響，因此，農(nóng)田排水溝渠底泥和間隙水都未對上覆水中氮磷的濃度起到絕對的控制作用［21］。

4.2 降雨情況下氮磷遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律分析由圖4可知，在降雨情況下，農(nóng)田水的溢流、降雨干擾造成的底泥上浮使上覆水中顆粒態(tài)氮磷濃度增加；雨水稀釋作用造成上覆水溶解態(tài)氮磷濃度減少；底泥釋放溶解態(tài)氮磷使上覆水溶解態(tài)氮磷濃度增加。由圖5（a）可知，在降雨過程中，溝渠上覆水中TN濃度較為穩(wěn)定，這可能是由于顆粒態(tài)氮濃度的增加幅度同溶解態(tài)氮濃度的降低幅度接近的緣故，即農(nóng)田溢流和雨水?dāng)_動所帶來的顆粒態(tài)氮增加補(bǔ)充了雨水稀釋帶來的溶解態(tài)氮濃度的降低；由圖5（b）可知，在降雨過程中，TP濃度先增大后減小，這可能是由于前期顆粒態(tài)磷的增加幅度高于溶解態(tài)磷的增加幅度、后期顆粒態(tài)磷增加幅度低于溶解態(tài)磷減小的幅度的緣故。由圖4可知，顆粒態(tài)氮磷在TN、TP中占比較高、顆粒態(tài)氮磷與TN、TP具有較強(qiáng)的相關(guān)性，并且顆粒態(tài)磷在TP中的占比高于顆粒態(tài)氮在TN中的占比得出，顆粒態(tài)氮磷濃度在農(nóng)田排水中分別占總氮、總磷濃度的29%、58%，并且顆粒態(tài)磷是磷在降雨過程中流失的主要形態(tài)，因此，在降雨過程中對顆粒態(tài)氮磷的攔截對控制降雨過程中氮磷流失具有重要意義，尤其以顆粒態(tài)磷更加明顯［22］。

由圖5（c）（d）可知，在降雨過程中，受上覆水中溶解態(tài)氮濃度降低的影響，在濃度差的作用下，底泥釋放的氮磷穿過間隙水進(jìn)入上覆水中；底泥中的氮進(jìn)入上覆水后，受到上覆水中溶解氧含量增加的影響，經(jīng)硝化反應(yīng)，NH4+-N逐漸向NO3--N轉(zhuǎn)化，因此，上覆水中NO3--N濃度增加；而間隙水中的氮主要來自于底泥的釋放，受溶解氧含量變化影響較小，因此，間隙水中的氮仍以NH4+-N為主，NO3--N濃度變化較?。还试诮涤赀^程中NH4+-N向NO3--N的轉(zhuǎn)化，主要發(fā)生在上覆水中，這與此前王一茹等［23］有關(guān)于間隙水與上覆水氮磷時空變化特征的研究相一致。

5 結(jié)論

掌握不同形態(tài)的氮磷在底泥-間隙水-上覆水中的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理對農(nóng)田流失氮磷的攔截具有重要科學(xué)意義。本文探討了水稻生長期內(nèi)農(nóng)田排水溝渠底泥、間隙水和上覆水氮磷在降雨和無降雨情況下的相互遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，并通過掃描電子顯微鏡對底泥微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了形貌觀測。本文得出以下主要結(jié)論：（1）在水稻整個生長期內(nèi)，溝渠底泥在水稻生長前期吸附貯存氮磷，在水稻生長中后期通過間隙水再次釋放出來；在整個水稻生長期內(nèi)間隙水的氮磷含量明顯高于上覆水的氮磷含量，間隙水的氮磷濃度約為上覆水的3.1和6.5倍；氮主要以NH4+-N形式存在，間隙水和上覆水中NH4+-N含量約占TN含量的88%和86%。（2）在降雨過程中，TN濃度約為顆粒態(tài)TN濃度的3.45倍，TP濃度約為顆粒態(tài)TP濃度的1.70倍，上覆水中氮磷流失以顆粒態(tài)氮磷流失為主，并且顆粒態(tài)磷在TP中的占比高于顆粒態(tài)氮在TN中的占比；在降雨過程中，溝渠底泥成為氮磷釋放的源，底泥氮磷通過間隙水逐漸向上覆水遷移，NH4+-N是氮的主要遷移形態(tài)；隨著溶解氧含量的增加硝化反應(yīng)強(qiáng)度增強(qiáng)，此時上覆水中NH4+-N逐漸轉(zhuǎn)化為NO3--N，但是由于上覆水中NH4+-N濃度遠(yuǎn)大于NO3--N濃度，因此上覆水中NH4+-N濃度仍然較高，NO3--N濃度較低。（3）溝渠底泥顆粒SEM圖顯示底泥顆粒粒徑差別較大、顆粒表面較為粗糙，且具有一定量的微孔結(jié)構(gòu)，底泥顆粒的特性為溝渠底泥吸附大量氮磷提供了條件，這同在水稻生長前期溝渠底泥中氮磷含量較高的現(xiàn)象相吻合。

需要指出的是本文側(cè)重研究農(nóng)田排水溝渠在底泥-間隙水-上覆水協(xié)同作用下氮磷遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律以及溝渠底泥顆粒的微觀形貌，而采用生態(tài)保護(hù)措施對農(nóng)田進(jìn)行流失氮磷的攔截去除機(jī)理的研究將是下一步研究的重點。

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