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作為農田與受納水體之間的一個(gè)過(guò)渡帶，農田排水溝在長(cháng)期運行過(guò)程中演變成一種由水體-底泥-生物組成的濕地生態(tài)系統，具有凈化農田排水和改善灌區水環(huán)境的作用。其中，表層底泥為各種物質(zhì)循環(huán)和能量轉換的活躍區域。已有研究表明，水體污染物遷移轉化的重要環(huán)節大都是發(fā)生在表層底泥環(huán)境的微界面，污染物變化或反應特性與界面微環(huán)境密切相關(guān)。溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）、硫化氫（Hydrogen Sulfide，H2S）等物質(zhì)含量是表征水體-底泥界面化學(xué)特征和組成的重要指標，可以直接反映底泥微環(huán)境的狀態(tài)和組分變化。氧氣在底泥物質(zhì)遷移轉化過(guò)程中起著(zhù)關(guān)鍵作用，水體與底泥孔隙水中DO濃度的時(shí)空變異可顯著(zhù)地影響其界面附近物質(zhì)儲存與轉運、微生物過(guò)程及污染物形態(tài)轉化等，缺氧環(huán)境下硫酸鹽還原菌（Sulfate Reducing Bacteria，SRB）可利用硫酸根作為電子受體進(jìn)行無(wú)氧呼吸產(chǎn)生H2S，進(jìn)而影響底泥的生態(tài)功能。因此，水體與底泥界面微環(huán)境的研究備受關(guān)注。
在界面微環(huán)境研究過(guò)程中，確定擴散邊界層（Diffusion Boundary Layer，DBL）是非常關(guān)鍵的環(huán)節，而測量界面DO濃度的傳統方法對沉積物的擾動(dòng)較大，難以保證測量精度。隨著(zhù)計算機科學(xué)的發(fā)展以及傳感技術(shù)的進(jìn)步，微電極成為測量DO以及硫等物質(zhì)在沉積物-水界面垂直方向上特別是在DBL中濃度分布的有效手段，提升了人們對沉積物-水界面高分辨率的認識，例如利用DO微電極精細（垂向分辨率達0.05～0.1 mm）觀(guān)測了沉積物-水界面DO含量的微小變化，他們發(fā)現上覆水體中的DO維持在相對穩定的水平，當進(jìn)入DBL后DO的濃度開(kāi)始逐漸、顯著(zhù)地呈線(xiàn)性下降，由此可以確定DBL厚度在0.2～1 mm之間，其厚度主要受上覆水流速和沉積物地形粗糙度的影響。
利用微電極直接測量沉積物的化學(xué)濃度梯度，從垂直化學(xué)濃度剖面可計算其通量、消耗量和滲透深度，由此可推知氧化還原環(huán)境、微生物活動(dòng)的層次和性質(zhì)乃至各種化學(xué)成分的生物地球化學(xué)循環(huán)。不過(guò)，這些研究多集中在海洋、湖泊、河流、水庫等沉積物-水界面微環(huán)境，對農田排水溝中水體與底泥界面微環(huán)境變化鮮有報道。界面微環(huán)境特征指標可用來(lái)評價(jià)宏觀(guān)上不同系統的實(shí)際應用效果。作為農田與受納水體之間的一個(gè)物質(zhì)傳輸的重要環(huán)節，排水溝水力條件對于其中的物質(zhì)循環(huán)及污染物輸出具有重要作用。開(kāi)展對農田排水溝水體與底泥界面微環(huán)境指標變化趨勢的研究，有助于了解化學(xué)物質(zhì)和污染物在水體中遷移和轉化的機理，為發(fā)揮排水溝這一人工濕地控制和治理農業(yè)面源污染提供理論依據與技術(shù)支撐。
陜西省富平縣鹵泊灘鹽堿化改良區，因歷史上曾為古湖泊洼地，土壤鹽分累積較多，區內農業(yè)生產(chǎn)一直受到土壤鹽漬化的制約。1999年末，經(jīng)有關(guān)部門(mén)土地平整和健全灌排系統措施，在降雨和灌溉的作用下，農田土壤鹽分逐漸降低。受其地形影響，農田排水溝除了接納本區的排水以外，還接納部分來(lái)自上游灌區的退水，區內排水溝和一些下游洼地形成了一定的水面。研究區上游改良區農田各級排水溝之間水力聯(lián)系通暢，而下游部分鹽荒地農田排水溝則與外界無(wú)連通，排水出路不暢，導致溝內水體環(huán)境惡化問(wèn)題。為了明確鹽堿化改良區與鹽荒地兩種水力條件差異較大的排水溝生態(tài)系統中底泥污染物變化規律的差異，本文以鹵泊灘灌區農田排水溝水體與底泥為研究對象，通過(guò)原位采集改良區和鹽荒地排水溝水體與底泥，模擬天然水體環(huán)境，運用微電極研究系統對其界面微環(huán)境指標（DO、H2S）進(jìn)行測定，在前期界面氧通量研究的基礎上進(jìn)一步對比分析排水條件影響界面微環(huán)境的變化規律及其過(guò)程，為深入研究灌區農田排水溝底泥污染物運移及其他生物地球化學(xué)過(guò)程提供基礎信息，為農田排水溝水生態(tài)環(huán)境和農業(yè)可持續發(fā)展提供理論指導。
1、材料與方法
1.1研究區底泥采樣點(diǎn)及分析方法
如圖1所示，2019年3月16日（春季）在陜西省富平縣鹵泊灘鹽堿化改良區（109°18′-109°42′E、34°43′-34°50′N(xiāo)）農田排水溝中進(jìn)行底泥采樣，采樣剖面分別布設在上游改良區和下游鹽荒地相鄰的4條農溝中央位置，且選取的4條鹽荒地排水溝均與外界無(wú)水力連通。研究區農田排水溝實(shí)況如圖2所示。
每個(gè)監測樣點(diǎn)用Niskin（美國General Oceanics）采水器采集泥面以上10 cm處的水樣，放入車(chē)載冰箱（中國FYL-YS-117A）冷藏帶回實(shí)驗室，同時(shí)用Beeker（荷蘭04.23.SA）型沉積物原狀采樣器取界面清晰的泥柱，控制柱狀樣深度30 cm，并帶原位上覆水，密封后運回實(shí)驗室，每個(gè)監測點(diǎn)位每次取3個(gè)水體樣品，采集5個(gè)柱狀泥柱，供平行測試，共采集泥柱40個(gè)。依據監測剖面的命名和供試泥柱數對所觀(guān)測的DO濃度剖面進(jìn)行依次編排（剖面01～40），同時(shí)利用多參數水質(zhì)分析儀（美國HACH HQ40d）測定現場(chǎng)采樣點(diǎn)水質(zhì)指標。實(shí)驗室水質(zhì)指標總氮和總磷的測定依據國家環(huán)?？偩志幹?zhù)的《水和廢水監測分析方法》（第四版，2002），底泥有機質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定參照《土壤農化分析》（第三版，2008）。底泥SO42-含量采用液相色譜儀（美國Agilent-HPLC1100）進(jìn)行測定。底泥含水率采用烘干法測定，將待測濕底泥按照2 cm分層混合均勻后進(jìn)行測定，將濕泥在105℃條件下烘12 h至恒質(zhì)量，計算含水率。底泥分層粒徑分析樣品用稀鹽酸、雙氧水處理，分別去除碳酸鹽和有機質(zhì)后，用激光粒徑分析儀（英國Mastersizer-2000）進(jìn)行測定。
1.2微電極測定方法
本試驗采用丹麥微電極（MM-METER，Unisense）系統在實(shí)驗室進(jìn)行農田排水溝水體與底泥DO和H2S濃度剖面測量。該系統主要由微電極、四通道主機、馬達控制器、微電極推進(jìn)器、Sensor Trace PRO軟件、實(shí)驗室支架LS18等組成（圖3）。
1.2.1 DO測定
Unisense DO微電極尖端外徑為25μm，在校正之前必須預極化2 h以上，DO微電極的極化電壓為-0.8 V，預極化信號值穩定后進(jìn)行校正。試驗設置5個(gè)平行樣分別測量DO值，對同一監測點(diǎn)位的DO測量3次后求平均值，每組試驗重復進(jìn)行3次，測量步長(cháng)為100μm，剖面起始于底泥界面上邊界2～3 mm處，每組DO濃度剖面的測量時(shí)間約為30 min，從08:30分開(kāi)始連續觀(guān)測至第2天06:30分結束，共觀(guān)測120個(gè)DO剖面。
1.2.2 H2S測定
Unisense H2S微電極是一個(gè)帶有內參比電極、測量電極和保護電極的微型化皮安微電極，其尖端外徑為25μm，在校正之前必須預極化2 h以上，H2S微電極的極化電壓為+0.08 V，預極化信號值穩定后進(jìn)行校正。H2S微電極的校正需要3點(diǎn)校正。首先制作Na2S儲備液，然后向不同體積的儲備液中加入無(wú)氧鹽酸溶液（pH≤4.0）制作成不同濃度的H2S標液，校正液溫度必須與待測樣品一致，校正和測量應該在同一環(huán)境下，電極放進(jìn)不同校正液前要用蒸餾水進(jìn)行清洗。H2S剖面測量深度受限于所購買(mǎi)電極長(cháng)度，最大只能測量到距離界面約40 mm處，測量步長(cháng)50μm，每組H2S濃度剖面的測量時(shí)間約為60 min，共觀(guān)測24個(gè)H2S剖面。
1.3 Profile模型模擬簡(jiǎn)介
Jan等結合微電極建立了Profile模型，引入了氧氣凈產(chǎn)量的概念，即光合作用、呼吸作用以及擴散作用綜合的結果，來(lái)反映界面中有氧微生物的生命活動(dòng)強弱。模型可以分辨水中汽泡、生物活動(dòng)等偶然因素引起的異常數據，精確體現剖面結構，應用實(shí)測剖面溶質(zhì)濃度數據和底泥孔隙度等作為邊界條件進(jìn)行分層優(yōu)化擬合計算得出每層的單位體積耗氧速率。對于DO剖面圖來(lái)講底部氧氣已耗盡，一般都是以一個(gè)恒定的濃度值0作為結束終點(diǎn)，即在剖面圖底部存在一個(gè)0濃度和0通量；而在H2S剖面的最頂部上方的一個(gè)區間里濃度值為0值，通量也為0通量，該模型主要基于Fick擴散第二定律
