环境科学  2014, Vol. 35 Issue (9): 3365-3372   PDF    
引用本文
李如忠, 杨继伟, 钱靖, 董玉红, 唐文坤. 合肥城郊典型源头溪流不同渠道形态的氮磷滞留特征[J]. 环境科学, 2014, 35(9): 3365-3372.
LI Ru-zhong, YANG Ji-wei, QIAN Jing, DONG Yu-hong, TANG Wen-kun. Characteristics of Nitrogen and Phosphorus Retention in Two Different Channel Forms in a Typical Headwater Stream in the Suburb of Hefei City, China[J]. Environmental Science, 2014, 35(9): 3365-3372.
合肥城郊典型源头溪流不同渠道形态的氮磷滞留特征
李如忠 , 杨继伟, 钱靖, 董玉红, 唐文坤    
合肥工业大学资源与环境工程学院, 合肥 230009
收稿日期: 2014-2-13; 修订日期: 2014-4-3.
基金项目： 国家自然科学基金项目（51179042）
作者简介：李如忠（1970~），男，博士，教授，主要研究方向为水环境保护与修复机制，E-mail：Lrz1970@163.com
摘要：为揭示源头溪流中深潭和曲折沟渠两种典型渠道形态的氮磷养分滞留特征，在合肥城郊二十埠河的某一级支流上，以NH4Cl和KH2PO4为添加营养盐，以NaCl为保守型示踪剂，开展现场示踪实验. 在此基础上，利用OTIS模型软件、暂态存储参数和养分螺旋原理，解析深潭和曲折沟渠氮磷滞留特征. 结果表明：1 深潭的As值较曲折沟渠大，但其α值则较弯曲沟渠小1个数量级，而且As和α值随水文条件变化均不显著；2 深潭中主渠道流动水体的NH4+-λ较其暂态存储区的NH4+-λs高2~3个数量级，曲折沟渠的NH4+-λ与NH4+-λs数值较为接近；3 深潭中NH4+-Vf较SRP-Vf高1~2个数量级，而在曲折沟渠中，不仅NH4+-Vf与SRP-Vf数值较为相近，NH4+-Sw与SRP-Sw也基本相当；4 深潭的NH4+-U较SRP-U高出2~3个数量级，曲折沟渠NH4+-U则较SRP-U高出1~2个数量级；5 总的来说，在对NH4+和SRP滞留影响方面，深潭和曲折沟渠存在较大的差异性，且在深潭中NH4+的滞留效应显著超过SRP.
关键词： 源头溪流     氮磷滞留     养分螺旋     暂态存储区     OTIS模型     渠道形态    
Characteristics of Nitrogen and Phosphorus Retention in Two Different Channel Forms in a Typical Headwater Stream in the Suburb of Hefei City, China
LI Ru-zhong , YANG Ji-wei, QIAN Jing, DONG Yu-hong, TANG Wen-kun    
School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China
Abstract: To investigate the characteristics of ammonium and phosphorus retention in two typical channel forms, deep pool and winding ditch in headwater stream, four field tracer experiments were conducted in a first-order stream of Ershibu River in Hefei suburban, in which a solution of biologically active (NH4Cl and KH2PO4) and conservative (NaCl) tracers was released to the head of each reach at a constant rate. According to the data sets of tracer experiments, mechanisms of ammonium and phosphorus retention were interpreted by using OTIS model code, transient storage metrics and nutrient spiraling theory. Study results showed that: 1 The value of As in deep pool was larger than that in winding ditch, whereas its value of hydrological parameter α was lower by an order of magnitude than that of winding ditch; 2 The value of NH4+-λ in main channel was higher by two to three orders of magnitude than that of NH4+-λsin transient storage zone in deep pool, but in winding ditch the two parameters were closer in terms of numerical size; 3 In deep pool, the value of NH4+-Vf was higher by an order of magnitude than that of SRP-Vf, in winding ditch, however, not only the two values of NH4+-Vf and SRP-Vf were close to each other, but NH4+-Sw was nearly equal to SRP-Sw in numerical size as well; 4 The value of NH4+-U was larger by two to three orders of magnitude than that of SRP-U in deep pool, whereas in winding ditch NH4+-U was just larger by one to two orders of magnitude than SRP-U in size; 5 In general, significant difference existed between deep pool and winding ditch in the effect on ammonium and phosphorus retention, and marked retention efficiency was observed for ammonium rather than SRP in deep pool.
Key words: headwater stream     nitrogen and phosphorus retention     nutrient spiraling     transient storage zone     OTIS (one-dimensional transport with inflow and storage) model     channel forms    

源头溪流是河流、 湖、 库水系统的重要组成部分，其长度甚至可能达到整个河流水系总长度的85%以上[1]，因此在整个水系统中扮演者非常重要的角色. 源头溪流是汇水区氮磷营养盐汇集和向下游水体传输的重要载体和通道，尽管其尺度较小，但由于数量庞大，在微生物活性较强的季节，源头溪流可以将来自汇水区50%以上的无机氮滞留和转化[2]. Alexander等[3]在密西西比河流域河流尺度对于氮传输影响的研究中发现，等级较低小河流可以将60%以上的氮滞留下来，而等级较高的大河流滞留率则仅为10%左右. 源头溪流氮磷营养盐的吸收和去除过程主要发生在水底沉积物和附着的生物膜表层，由于具有较浅的水深和较大的面积-体积比，因此具有比大河流更短的养分吸收长度，特别是当输入的无机氮浓度较低时，源头溪流甚至可以在几分钟至几小时、 几十米至数百米的时空尺度下将输入的无机氮去除和转化[2]. 在农业生产区，源头溪流基本都源自田间地头，直接承纳地表径流以及农田排水裹挟的氮磷营养物，因此充分发挥溪流水体的养分滞留功能，对于调控和减轻非点源污染影响无疑具有重要意义，并已成为当前欧美发达国家环境科学、 环境水文地质学等领域研究的热点[4,5].

暂态存储区是溪流中迟滞和削减氮磷负荷的重要场所[6]. 20世纪90年代以来，不断有学者从潜流带、 滞水区等的暂态存储作用出发，利用养分螺旋原理解析溪流氮磷养分滞留特征和滞留效应[7, 8, 9]. 研究发现，溪流的地形和地貌支配着溶质在溪水中的滞留时间[10]，并通过影响溪水与水底反应性生物地球化学基质的暴露接触而间接影响溪水中的溶质吸收[11]. 因此，地形与地貌条件在影响溪流形态特征的同时，也在一定程度上制约了氮磷的滞留[12]. 近年来，我国开始有学者关注源头溪流等小尺度水体氮磷浓度变化和衰减规律[13, 14, 15]，但基本都还处在起步阶段. 巢湖是我国“九五”至“十二五”期间重点治理的湖泊之一，目前该湖泊流域也正面临非点源氮磷负荷削减和控制的棘手难题. 为充分发挥源头溪流、 农业沟渠氮磷养分滞留功能，本研究拟以合肥城郊二十埠河的某一级支流为例，针对深潭和曲折沟渠两种典型渠道形态开展氮磷养分滞留特征分析，以期为溪流氮磷滞留能力评估和以提高养分滞留能力为目标的水环境生态修复方案制定提供依据. 1 研究区概况

二十埠河发源于长丰县三十头乡南部，为巢湖北部入湖河流南淝河的最大支流，流域面积136 km2，全长27.0 km，上游为农业生产区，中下游为城市用地，是合肥市城区东部的一条重要季节性河流. 该河上游有多条支流，每一支流上又有着数目不等的多条低等级源头溪流. 在合肥市区东北部城郊的新蚌埠路附近选择一条典型源头溪流(一级支流)，该溪流长约1.5 km，在陶冲水库泄水闸下方1 km处与陶冲水库支流交汇. 溪流外形蜿蜒曲折，水面宽约0.7~3.0 m，水深0.10~0.55 m，流速0.1~0.5 m ·s-1，流量0.030~0.055 m3 ·s-1，渠道坡降约0.002. 该溪流原本主要靠上游多个小水塘出流来补给，但随着中游多处居民住宅小区和沿街商业店面的陆续出现，部分无法进入主城区排水管网系统的生活污水在经化粪池出流后进入了溪流中，从而提高了溪流水体氮磷污染水平. 溪流中下游两侧主要为蔬菜种植用地，并有多座水泥搅拌站. 由于沟渠缺乏有效的维护和管理，渠道边坡坍塌较为普遍.

所研究的深潭和曲折沟渠位于同一条溪流上，且曲折沟渠位于深潭下方50 m处. 深潭形如弯月，长约20 m，宽1.5~2.8 m，水深0.40~0.55 m，潭内速度0.08~0.15 m ·s-1. 深潭左侧下切深度大约为3 m，紧贴右侧岸上建有一座两层平房. 夏秋季节，深潭两侧水面生长大量水花生和空心菜等浮水植物，水面覆盖度达40％，底质主要为淤泥和植物残体. 选定的曲折沟渠长度大约40 m左右，以自然沟渠特征为主，下切深度约1.0 m左右，由于土质边坡坍塌和落入渠道中废弃建筑砖块的影响，沟渠内水流形态极不规则，河床上还有多个尺度稍小的水坑，使得溪流水面宽窄变化频频，大约为0.5~2.0 m. 夏秋时节，渠道滨岸水花生等大型水生植物生长旺盛，渠道沉积物主要由淤泥、 植物残体和砾石组成. 2 模型与方法 2.1 野外现场示踪实验

2013年11月~2014年1月，分4次在选定的深潭和曲折沟渠开展野外示踪实验，且每次实验都首先针对下游的曲折沟渠，待实验结束后再开展上游的深潭实验. 在溪流入潭前、 后和曲折沟渠进、 出口处，都分别设置1个采样点，称之为采样点A和B(图 1). 为确保示踪剂与溪水的充分混合，将投加点分别设在深潭、 曲折沟渠采样点A的上方15 m和22 m处. 选择NH4Cl和KH2PO4为添加营养盐，以NaCl为保守型示踪剂. 除第1次实验中仅用KH2PO4和NaCl混合投加外，其余3次均以NH4Cl、 KH2PO4和NaCl混合投加. 将示踪剂用溪水混合均匀，采用恒定连续投入的方式进行示踪剂投加(混合液的投加速度控制在20 mL ·s-1)，并在投加前采集背景水样，得到整个沟渠的Cl-、 NH+4和SRP背景浓度平均值，分别为100、 15和1.2 mg ·L-1.

图 1 两种渠道形态及其相应的采样点示意Fig. 1 Sketch map of two typical channel forms and the respective sampling points

实验过程中对采样点A、 B同步采集水样，采样时间间隔为1 min或0.5 min. 对采样点B现场测定水样的电导率，待电导率值达到稳定状态后停止投加示踪剂，并在电导率回到背景值后停止采样，从而可以获得完整的浓度-时间穿透曲线(breakthrough curve，BTC). 样品以100 mL聚乙烯瓶保存，在16 h内完成Cl-、 NH+4 和SRP(溶解反应性磷酸盐)浓度的测定. 将每份水样平分为大致相等的两份，其中一份采用氯离子选择性电极法(雷磁232-01参比电极、 PCl-1-01氯离子电极)测定Cl-浓度； 另一份在经过滤处理后，采用纳氏试剂分光光度法测定NH+4浓度，以钼锑抗分光光度法测定SRP浓度. 2.2 OTIS 模型

OTIS(one-dimensional transport with inflow and storage)模型是一个专门用于描述小尺度河流水体溶质迁移转化规律的数学模型，它是由主渠道流动水体与暂态存储区两方面的控制方程耦合而成[16]. 对于非保守型溶质，OTIS模型的微分方程形式可表示如下：

式中，c为主渠道流动水体的溶质浓度，mg ·L-1； Q为溪流流量，m3 ·s-1； A为溪流断面面积，m2； D为纵向扩散系数，m2 ·s-1； qL为侧向补给强度，m3 ·(s ·m)-1； cL为侧向补给水的溶质浓度，mg ·L-1； α为溪流流动水体与暂态存储区之间的交换系数，s-1； cs为暂态存储区的溶质浓度，mg ·L-1； As为暂态存储区断面面积，m2； λ 为主渠道流动水体溶质一阶吸收系数，s-1； λs为暂态存储区溶质一阶吸收系数，s-1； t为时间，s； x为长度，m.

这里，模型参数A、 As、 D、 Q、 qL和α主要反映水文过程的影响，通常称为水文参数； 生物吸收、 非生物吸附等非水文参数过程的影响，则是通过一阶吸收系数λ和λs来体现. OTIS模型求解及其参数的确定，可以借助美国地质调查局(USGS)学者Runkel开发的OTIS应用程序包和OTIS-P参数自动优化包，采用两步法来实现[16]，即首先根据保守型示踪剂的BTC信息，计算水文参数(即令λ=λs=0)； 然后，再根据添加营养盐的BTC，优化计算λ和λs. 2.3 暂态存储参数

暂态存储区的溶质滞留潜力，通常都是借助下述3个指标来反映，即：

式中，Ls为行进长度，m； Ts为滞留时间，s； Rh为水力持留因子，s ·m-1.

从定义上看，Ls表示溶质在进入暂态存储区之前，在溪流中的行进长度[17]； Ts表示溶质在随水流进入暂态存储区后，在暂态存储区内的滞留时间； Rh则表示Ts与Ls的比值[18]. 由于Rh没有考虑参数α的影响，难以全面反映暂态存储区的重要作用. 为此，Runkel[19]又提出了一个新指标：

式中，L为河段长度，m； Fmed称为行进时间中值，%.

这里，Fmed表示溶质在暂态存储区的行进时间占溶质总平均运移时间的比率，因此它可以用于反映暂态存储区对于保守型溶质运移过程的影响程度[20]. 考虑到Fmed数值大小与河段长度有关，为便于对不同长度的溪流段进行比较，Runkel 建议取L=200 m作为标准长度进行计算，即F200med. 2.4 营养盐吸收参数 溪流营养盐滞留能力可以利用养分螺旋指标来评估，相应的指标表达式分别为：

式中，Sw表示吸收长度，m； Vf表示吸收速度(也称物质传输系数)，m ·s-1； U表示单位面积吸收速率，mg ·(m2 ·s)-1； u表示河水平均流速，m ·s-1； h表示溪流平均深度，m； k表示营养盐综合衰减系数，s-1； c表示溪流中营养盐背景浓度，mg ·L-1； 1000表示量纲换算值.

从定义上看，Sw表示溪流中营养盐在被去除之前在溪水中的平均行进距离，Vf反映溪水中营养盐的吸收速度，U则是表征溪流表层单位面积沉积物的营养盐吸收速率.

2011年，Argerich 等[7]提出了一个基于OTIS模型参数的养分综合衰减系数计算式，即：

3 结果与分析 3.1 水文参数估算

根据示踪实验数据信息，可以绘制深潭、 曲折沟渠的示踪剂Cl-浓度-时间穿透曲线，即BTC曲线. 限于篇幅，这里仅提供两次现场示踪实验BTC曲线. 其中，图 2(a)和2(c)、 图 2(b)和2(d)分别对应于2013-11-06和2013-12-04实验中深潭和曲折沟渠的Cl-浓度BTC. 将采样点A的水文水质数据信息作为上游边界条件，由采样点B的Cl-浓度BTC曲线，以及由实测及计算得到的溪流断面面积、 流量等数据信息，利用Runkel开发的OTIS应用程序包和OTIS-P参数自动优化包，计算深潭、 曲折沟渠相应的OTIS模型水文参数值，结果见表 1. 可以看出，深潭的As值较曲折沟渠更大一些，但两者的As值随水文条件的变化都不十分明显. 不仅如此，深潭和曲折沟渠的α值随水文条件变化平稳，但深潭的α值基本上都较曲折沟渠小1个数量级.

图 2 实测及模拟的Cl-浓度穿透曲线Fig. 2 Breakthrough curves of observed and simulated Cl- concentrations
(a)和(b)对应于深潭，(c)和(d)对应于曲折沟渠

表 1 OTIS模型的各项水文参数值Table 1 Hydrological parameters in OTIS model

OTIS模型对于暂态存储过程的灵敏性和由OTIS-P优化得到的水文参数的可靠性，常用达姆科勒数(DaI)来评估，相应的计算式为DaI=[α(1+A/As)L]/v. 一般认为，当DaI值处于0.1~10时，参数值都是可以接受的，特别是当DaI值接近1.0 时，参数的不确定性达最低. 由表 1可见，深潭和曲折沟渠水文参数对应的DaI值均在0.34 ~7.95之间，表明模型水文参数的计算结果具有较高的可靠性. 与国外尺度大小相同或相近的沟渠、 溪流水体相比[20, 21, 22, 23]，深潭和曲折沟渠的α值基本处于同一数量级. 3.2 暂态存储参数计算

根据表 1的水文参数值计算结果，由式(3)~(6)计算得到深潭和曲折沟渠的暂态存储能力参数值，见表 2. 不难看出，深潭的溶质滞留时间显著超过曲折沟渠，从而可以延长深潭中溶质与生物或底质的接触时间，这对于氮磷营养盐的生物吸收或非生物吸附是有利的. 这里，深潭的As/A比值和F200med均明显高于曲折沟渠，表明该深潭具有较曲折沟渠更高的暂态存储能力，而且深潭的水力持留因子Rh明显高于曲折沟渠，也在很大程度上支持了这一论断. 表 2给出了其它一些在空间尺度、 水文条件等方面与本研究溪流基本相近的沟渠、 溪流水体暂态存储参数值. 不难看出，不同水体参数值存在一定的差异性.

表 2 暂态存储参数值Table 2 Values of transient storage metrics
3.3 氮磷营养盐吸收参数

根据水文参数值(表 1)，利用式(7)~(10)计算深潭和曲折沟渠氮磷营养盐吸收参数值，结果见表 3和表 4. 单就深潭而言，主渠道流动水体NH+4-λ较其暂态存储区NH+4-λs高2~3个数量级，而SRP-λ与SRP-λs则基本处于同一数量级，但数值相当小. 而且，无论是主渠道还是暂态存储区，深潭的NH+4一阶吸收系数均较SRP相应吸收系数高出1~2个数量级. 由NH+4-Sw较SRP-Sw低1~2个数量级，表明NH+4较SRP更容易在深潭中滞留. 深潭中，NH+4-Vf较SRP-Vf高1~2个数量级，NH+4-U较SRP-U更是高出2~3个数量级，表明深潭对于NH+4的滞留效应显著超过SRP. 因此，从提高氮素的削减和控制来看，适当增加深潭所占比重可能更为有利.

表 3 NH+4的一阶吸收系数和养分螺旋指标值Table 3 First-order uptake coefficients and nutrient spiraling metrics for NH+4

表 4 SRP的一阶吸收系数和养分螺旋指标值Table 4 First-order uptake coefficients and nutrient spiraling metrics for SRP

在曲折沟渠方面，NH+4-λ、 NH+4-λs较SRP的相应系数高1~2个数量级. 但与深潭明显不同的是，曲折沟渠的NH+4-λ与NH+4-λs在数值上非常接近. 在吸收长度Sw方面，除了2013-11-22实验的SRP较高以外，曲折沟渠的NH+4-Sw与SRP-Sw基本相近，这与深潭有所不同. 此外，弯曲沟渠中NH+4-Vf与SRP-Vf也大小接近，NH+4-U也仅较SRP-U高出1~2个数量级，这也与深潭有所不同. 上述情况表明，在对NH+4和SRP的滞留影响方面，深潭与曲折沟渠有着较为明显的差异性.

总的来看，该源头溪流的NH+4-Vf与尺度相近的Open Grounds Farm农场沟渠十分接近，但其SRP-Vf则远小于农场沟渠[24]. 与受点源污染影响较重的Spavinaw Creek支渠相比，两者相应的NH+4-Vf、 NH+4-U大小相近，而且弯曲沟渠的SRP-Vf、 SRP-U及深潭的SRP-Vf与该支渠也大体相当. 特别是，Spavinaw Creek支渠的SRP-Vf和SRP-U在冬季也出现了负值[25]. 与背景浓度较低的Ball Creek,Sycamore Creek 和Mack Creek等小溪相比，尽管研究区源头溪流NH+4-Vf较之低1个数量级，但由于NH+4背景浓度相当高，使得研究区溪流NH+4-U远高于这些水体. 3.4 拟合效果

根据现场示踪实验数据信息，同样可以绘制深潭、 曲折沟渠的NH+4和SRP浓度-时间穿透曲线. 不妨以2013-12-04示踪实验为例，直观展示NH+4和SRP的BTC曲线及其模拟结果，见图 3. 不难看出，两种营养盐浓度曲线上升段的持续时间都很短，下降速度都很快，且在接近背景浓度时均存在一定的拖尾现象. 但与深潭相比，无论是在浓度上升阶段，还是在停止投加示踪剂后的下降阶段，曲折沟渠持续的时间都较深潭长.

(a)和(b)分别对应于深潭中NH+4和SRP，(c)和(d)分别对应于曲折沟渠中NH+4和SRP图 3 实测及模拟的NH+4和SRP浓度穿透曲线Fig. 3 Breakthrough curves of observed and simulated NH+4 and SRP concentrations

利用线性回归分析中的可决系数，反映实测浓度与模拟浓度的拟合效果[26]. 在2013-12-04示踪实验中，深潭的可决系数值分别为R2(NH+4)=0.9826(y=0.9581x+0.5185,P<0.001)和R2(SRP)=0.9887(y=0.9225x+0.1471,P<0.001)，曲折沟渠的可决系数分别为R2(NH+4)=0.9799(y=1.0299x-0.3930,P<0.001)和R2(SRP)=0.9921(y=0.9609x+0.1486,P<0.000). 由可决系数的物理意义不难判定，该模拟值与实测值拟合效果较好. 同样，其他几次示踪实验中NH+4和SRP的可决系数R2也都在0.9713~0.9921之间，表明模拟结果与实测值具有较高的拟合程度.

4 讨论

河流水体NH+4滞留主要受硝化作用、 植物吸收、 微生物固氮等生物过程以及挥发、 吸附等非生物过程的共同影响[27]. 同样，PO3-4也可以通过藻类等水生植物的吸收和同化利用而被滞留，因此PO3-4的衰减同样受到水生植物的影响. 此外，NH+4还容易被带负电荷的粘土颗粒和有机物颗粒吸附而固定下来[28]，PO3-4则易于与铝离子、 铁离子、 钙离子等形成化学沉淀而从水体中去除. 由于示踪实验均在冬季，沟渠中水生植物均已枯死，不存在水生植物的吸收利用. 事实上，即便是在水生植物生长较为旺盛的夏季，由于营养盐投加实验持续时间短暂，加之溪流本身NH+4和PO3-4背景浓度已很高，短期内来自生物过程的贡献可能也微乎其微. 尽管此时水体中NH+4和SRP去除机制尚难以确定，但可推断来自水中悬浮颗粒物、 水底沉积物和植物残体的吸附及截留，可能起到了主导作用. 而且，本研究中的曲折沟渠段过水断面宽窄变化不均、 渠道底部大都坑坑洼洼极不平整，局部渠段甚至形成了水塘的形状，有利于吸附了氮磷养分的颗粒态物质沉积和滞留[29]； 不仅如此，相对较大的交换系数α，也增大了营养盐与底部基质接触的可能，这或许正是主渠道流动水体与暂态存储区中NH+4吸收系数颇为接近的原因所在.

目前，针对源头溪流暂态存储区的氮磷滞留效应还存在一些争议，如McKnight等[30]在对北极地区冰川融雪溪流潜流交换和底部生物群落氮磷滞留影响的研究中发现，暂态存储行为对于PO3-4吸收作用十分有限； Hall等[31]指出，NH+4吸收与暂态存储之间具有很低的相关性，而且没有发现磷吸收与暂态存储存在关联性； 另有一些研究也没有发现暂态存储与营养盐吸收之间存在何种联系[8, 21, 32]. 尽管如此，潜流带和回水滞留区的氮磷滞留效果依旧得到了研究者们的普遍认同[20, 33]. 本研究得到深潭和曲折沟渠中NH+4滞留效应显著超过SRP，同时发现深潭中主渠道流动水体的NH+4吸收系数较暂态存储区高2~3个数量级(表 3)，而曲折沟渠主渠道流动水体中NH+4吸收系数则与暂态存储区接近. 这里，深潭与弯曲沟渠在NH+4滞留特征方面表现出的显著差异性，显示了源头溪流中氮磷滞留机制的复杂性和不确定性. 但上述现象是否具有普遍性，在其他季节是否也具有这一特征，还需要进一步的研究. 当然，从增强研究结果的代表性来看，对于水生植物生长较为旺盛和微生物活性较强的春、 夏季节，继续开展相关问题的研究可能也是十分必要的.

自然弯曲的溪流形态可以创造有利于潜流交换发生的复杂的水流环境[34, 35]，而深潭由于水深较大，潜流带与深潭下部水体之间的交换作用难以对上层水体产生影响[36]. 本研究中，4次实验得到的深潭交换系数α均较曲折沟渠低1个数量级，似乎可以印证这一观点. 而且，在来水流量不是很大的情况下，输入水量往往难以驱动整个潭内水体的运动，甚至可能形成“短流”. 因此，就潜流带与上覆水交换作用对养分滞留的影响来看，深潭水深过大可能未必更有利于养分的滞留. 大量研究表明，溪水中氮磷营养盐浓度较高时，氮磷滞留能力将会受到限制[27, 36, 37]. Haggard 等[25]在对点源污染较重的Spavinaw Creek支渠研究中，发现SRP-Vf和SRP-U在冬季为负值. 本研究中溪流水体NH+4 和SRP背景浓度平均值分别为15 mg ·L-1和1.2 mg ·L-1，已达到饱和浓度水平，加之冬季气温较低，也出现了NH+4一阶吸收系数和吸收参数为负值的现象，即营养盐处于释放状态. 源头溪流水生态系统的修复和保护是实现非点源氮磷污染控制的一项重要管理决策，也是改善下游水体水质状况的重要措施[2]. 从提高源头溪流氮磷滞留潜力的角度来看，除应加强生态溪流或沟渠的硬件设施建设外，降低入流营养盐浓度可能也十分重要.

5 结论

(1)对巢湖流域二十埠河一级支流开展的野外示踪实验表明，深潭的As值较纵向尺度稍大的曲折沟渠更大，但其交换系数α值却较曲折沟渠小1个数量级，而且深潭和曲折沟渠的As和α值随水文条件变化均不显著.

(2)深潭的主渠道中NH+4吸收系数较暂态存储区高2~3个数量级，且主渠道和暂态存储区NH+4一阶吸收系数均较SRP对应指标高出1~2个数量级. 由NH+4吸收长度较SRP低1~2个数量级，以及NH+4吸收速度较SRP高1~2个数量级、 面积吸收速率高2~3个数量级，表明深潭对于NH+4的滞留效应显著超过SRP.

(3)曲折沟渠的NH+4一阶吸收系数也较SRP高出1~2个数量级，但主渠道与暂态存储区的NH+4吸收系数却极为接近，且曲折沟渠中NH+4与SRP的吸收长度基本相近，与深潭明显不同. 此外，曲折沟渠中NH+4与SRP吸收速度相近，NH+4单位面积吸收速率也仅较SRP高出1~2个数量级，表明在对NH+4和SRP的滞留影响方面，曲折沟渠与深潭存在差异性.

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