岩溶灌区不同连通类型沟塘对氮磷污染迁移转化的影响研究

我国南部地区，存在很多特殊的人工湿地:一种水塘通过水沟相连形成的湿地系统，大量研究表明多水塘系统，在水资源需求方面发挥重要作用，而且具有重要的生 态环境功能，在维持人类的生态环境可持续领域有着重要作用。不同连通类型的沟塘对污染物的去除有着关键作用，同时沟塘参数，水动力特征，水文因素等也对污染物的迁移与转化存在着一定的影响。

（1）在流域内选取不同类型沟塘，包含河流、孤立水塘、通过沟渠连接的水塘、 通过沟道与河流连接的水塘以及由岩溶区地下水补给的几个相连接的水塘。结合往年数据，自 2024年 1 月每月采集沟塘水样和沟塘沉积物，进行水体和沉积物理化特征分析。分析氮元素从上游到下游的迁移变化，并分析比较孤立塘、 通过沟道与河流连接的塘、与河流连接的塘，岩溶区和非岩溶区之间氮元素的 浓度和组分变化。

（2）综合研究区地形地貌，开展流域沟塘湿地水文地监测，分析不同类型沟塘湿地氮磷等水质变化特征，利用相关分析方法，定性探究沟塘湿地各种氮元素组分之间的关系，探究水动力条件对不同类型河流沟塘脱氮效果的影响，评价不同类型河流沟塘对氮元素的去除效果，为微小湿地污染防治和水环境保护提供依据。

3.1 沟塘氮循环过程

自然界中氮的存在形态多种多样，并且各种形态还处于持续的转化过程中。沟塘中的氮循环包括了氨挥发、植物固氮、矿化作用、硝化作用和反硝化、厌氧氨氧化作用等。氮素的转化包括物理、化学和生物过程，因此形成了空气、水、土等组成的物质循环网络。在沟塘的沉积物-水界面，表层水中的有机氮化合物可以在水和沉积物中相互转移，沉积物中的有机氮化合物经过矿化作用转化为 NH4 + -N；沉积物中的NH4 + -N经过亚硝化细菌和硝化细菌的作用分别转化 NO2--N 和 NO3- -N，不管是 NH4 +还是NO2 -和 NO3 -可以在沉积物和水体中发生相互转移，其中 NO3 - -N 可以直接被水生植物吸收利用，而 NH4 + -N 不可以被大部分的水生植物利用。此外沉积物或水体中 NO2 -和 NO3 -经反硝化作用转化为 N2 或 N2O 进入大气，其中 N2O 还可能造成臭氧的破坏；而沉积物或水体中的 NH4 +会在厌氧氨氧化的作用下转化为 N2 向大气释放。无论是沟塘中的氮素，或是整个其他水体中的氮素，其生物地球化学过程十分复杂，很多循环过程并不会一成不变，而是各个过程之间互相作用、互相影响。但如何将水体中的活性氮转化为惰性氮（N2），依旧是很多科研人员重点关注的问题。 反硝化曾被认为是终止氮素环境效应的最后一步，它对活性氮的减少作用 是十分明显的，而在后续发现的厌氧氨氧化则也被证明是一个硝态氮永久性脱离水生系统的有效途径，两者在较高浓度的硝态氮及铵态氮环境中都起到了良好的脱氮作用。针对不同的研究对象，反硝化及厌氧氨氧化的脱氮贡献也有所不同，但多数研究表明反硝化的脱氮贡献大于厌氧氨氧化。

3.2 水土界面反硝化研究进展

沉积物-水界面是不同水体进行氮循环的重要场所。对沉积物-水界面上进行 的反硝化作用最早在海洋生态系统研究中进行，Kemp 等在美国的Chesapeak 湾 进行了营养盐迁移通量的研究，认为沉积物释放的营养盐占整个湖泊营养负荷 的 10%-40%，也有相关的研究发现海湾沉积物反硝化去除的氮约占整个水体氮的 63％以上。随后关于水土界面的反硝化过程逐渐在河流、湖泊以及水库中展开研究，如 Kreiling 等发现经反硝化去除的 N 占密西西比河回水湖脱氮总量的 82％，杨龙元等研究发现太湖沉积物-水界面反硝化每年可去除 N837 吨以上，占太湖流域年入氮的 2%-8%，李飞跃（2009）发现江苏句容水库农业流域反硝化 N 损失量每年可达 31.93 吨。随着近年来农业污染愈加严重，和农业相关的沟渠等也成为了研究的目标之一。Kröger 等(2014)在对密西西比河下 游冲积河谷传统沟渠和人工低堰沟渠比较研究中发现两者反硝化速率无明显差异，同时认为人工低堰沟渠将成为沟渠反硝化脱氮的最佳管理实践。龙虹竹 （2016）通过实验发现川中丘陵地区反硝化作用对沟渠除氮的贡献比例均值为28.87%。而本文研究的主要对象－雁山河不同连通类型沟塘对氮元素的削减去除，在国内的研究则较少。李飞跃（2011）通过实验发现句容水库流域内水塘反硝化速率为118.4 kg∙a -1，农业流域内的水塘是反硝化产物的重要 排放源。徐海波（2005）也发现农业地区的坑洼水塘对雨季，同时也是农业施肥期的氮素营养物质有着良好的去除效果。 传统观点一直认为，输入到沟塘生态系统中的 N 主要依靠生物（植物、藻 类、和鱼类等）吸收、沉积物沉淀和反硝化作用等途径固定或者去除。一般来说，在自然状态下的水体，生物吸收和沉积物吸附都只是将 N 进行短期固定，反硝化则可以将 N进行永久性的去除。反硝化作用曾经被认为是是水中氮素脱 除的唯一有效途径。然而，单一的反硝化脱氮理论难以解释 N2 产生量与总硝酸盐去除量不一致的现象。1990 年，Graaf 首次在污水处理厂的淤泥中发现厌氧 氨氧化过程，Thamdrup B 和 Dalsgaard首次证明海洋沉积物中厌氧氨氧化过程的存在。发现厌氧氨氧化的存在，增加了对水生生态系统脱氮途径和氮循环过 程新的认识与见解。但早期自然环境中的厌氧氨氧化研究主要集中于河口与海 洋等咸水沉积环境。近年来，淡水沉积环境中的厌氧氨氧化速率与脱氮贡献研 究己逐渐开展，其厌氧氨氧化脱氮贡献为 13％-40％。

流域水体氮素污染及其去除的研究多着眼于河湖等大型水体，而对体量微小、广泛分布的小型水体着眼较少。西南岩溶灌区田-沟塘交错分布，沟塘连通的变化导致灌区沟塘内水氮运移路径、通道类型、水动力条件以及干湿环境复杂而多样，显著影响沟塘水及氮素来源和成分，改变了氮素污染产生、输移、转化过程。针对这一特点，本研究针对岩溶区和非岩溶区独立沟塘、通过沟渠与河流连接的沟塘、相互连通的沟塘等不同连通类型微小湿地，探究沟塘连通变化对氮素源-汇过程的影响机理，为进一步揭示灌区氮素污染排放机理提供了新思路，为沟塘空间布局优化提供了数据基础和理论依据。

岩溶灌区沟塘湿地连通类型丰富，水氮运移路径、复杂而多样，显著影响沟塘水及氮素来源和成分。沟塘连通通道类型、水动力条件以及干湿环境如何影响其内部水体氮素污染产生、输移、转化过程，是阐明岩溶灌区不同连通条件对氮元素去除及影响因素的关键技术问题。

预期成果：（1）发表论文 1 篇