随着水环境问题的突出以及工业废污等点源污染的逐步整治，由于化肥农药不科学施用而引起的农业非点源污染问题日益引起人们的关注和重视.基于当前研究现状，在加强田间“源头控制”的基础上，充分发挥沟渠(塘)系统“过程拦截”是农业非点源污染控制和管理的重要手段^[1～4].沟渠系统是农田灌排工程的重要组成部分，一般起始于田间毛沟或农沟，经支沟、干沟或总干沟排入外界大面积水体.农田排水沟渠是区域农田灌溉(降雨径流)退水及排涝的主要输送通道，同时也是农业非点源污染物迁移的廊道^[5～8].农田排水沟渠独特的水体-底泥-植物系统在生态学和物理学上具有与线性湿地相似的功能^[9]，有研究认为可将沟渠系统概括为具有河流和湿地特征的独特工程化生态系统^[10]，天然沟渠能够吸收水体中非点源污染溶质以改善受污染的水体^{[11, 12]}.由此，“生态拦截型沟渠系统”概念的提出以及进一步由此延伸的农业非点源污染“4R”控制体系^{[13, 14]}、景观型灌排系统布设^[15]等相关研究^[16～21]，使得沟渠拦截成为国内非点源污染控制的焦点和热点.与此相反，关于农田排水沟渠水体-底泥-植物系统内各介质间非点源溶质的迁移转化机制尚不清楚，农田排水沟渠非点源污染溶质净化与可能形成的内源污染机制也有待进一步研究，农田排水沟渠拦截农业非点源污染尚未形成完善的理论体系^[22].本项研究以天然沟渠为对象、现场监测试验为基础，基于沟渠纵向及断面横向水体中总氮质量浓度、底泥中总氮含量变化，分析农田排水沟渠水体-底泥中溶质氮分布特征，以期为进一步的沟渠湿地相关作用机制研究提供借鉴和参考.

项目试验区位于河南省人民胜利渠灌区清水渠，该渠起始于河南省新乡市原阳县，流经获嘉县最终进入人民胜利渠总干渠.清水渠因早年渠水清澈而得名，近年由于两侧农田化肥、农药施用及农田排水进入而使水质变差.农田灌溉期间，由于上游大量排水进入，两侧农田又从沟渠中提水进行灌溉，属于灌排合一沟渠.试验沟渠段布置在清水渠与东一干渠交叉枢纽下游约500 m，试验段总长度600 m，相对封闭，没有其它进水口和排水口，沿水流方向分别布设1、2、3号断面，详见图 1(a).同时为分析溶质氮在沟渠横断面的分布特征，选取试验段中间2号断面进行典型分析，断面形态见图 1(b). 2号断面为宽浅型复式断面，通常情况下水面宽度为9.40 m，左右岸临水侧分布有覆盖度相近的野生芦苇，左岸临水平台高于右岸35 cm，断面形态不完全对称.

图 1

Fig. 1

图 1 项目试验布置示意 Fig. 1 Schematic diagram of project experimental layout

项目试验时段为2014年3月至2015年2月，每月测定1次，测试项目主要包括不同沟渠断面中水体流速、水体中氮磷质量浓度及底泥中氮磷含量等，本文以测试项目中的总氮为例进行分析.

本试验中流速采用LS300-A型便携式流速仪测定，每个断面布设5条垂线，同图 1(b)中所示水样提取垂线重合，测量时根据水深变化情况每条垂线分别采用1点法和2点法测量.

水样提取利用取样瓶现场取样，每个断面布设5条水样垂线，每条垂线均在水面以下1/3处取样，每个水样500 mL.水样提取后按照文献[23]中相关规定进行必要前置处理后即送实验室分析.

底泥样品采用PSC-600A型活塞式柱状沉积物采样器提取，每个断面布设3个取样点，分别为两侧及沟渠中间，图 1(b)中3个取样点距离左岸起点距依次为1、4和8 m，每个取样点提取0~15 cm底泥沉积物.样品取出后放入风干袋自然风干，然后磨碎、过100目筛之后进行消煮分析.

实验室主要分析仪器为Smartchem 140全自动化学分析仪.

水体是农业非点源污染形成和输移的动力及载体.利用测量所得2号断面形状和现场测定流速数据，采用面积-流速法，利用式(1)计算得到试验期2014年3月至2015年2月逐月沟渠过水流量，点绘流量过程线见图 2.

(1)

式中，Q_w为断面过水流量(m³·s^-1); A为断面过水面积(m²); V为断面水体流速(m·s^-1).

图 2

Fig. 2

图 2 试验期内沟渠流量过程线 Fig. 2 Ditch flow process line in the trial period

从图 2中可以看出，试验期内沟渠流量在2、3月较小，之后随着作物耕种周期和雨季来临，5、6月沟渠内流量开始上升，7～9月沟渠内流量达到年内峰值，试验期内最大过水流量为0.2 m³·s^-1，是年内最小流量的2.6倍，10月之后沟渠中流量开始逐月减小，第二年1、2月逐步恢复至试验开始时流量值.

沟渠典型横断面流速分布选取2号断面作为典型进行分析.依据沟渠过水流量，将所测定的断面垂线流速，划分0.1 m³·s^-1以下、0.1～0.2 m³·s^-1和0.2 m³·s^-1以上这3个流量级分别统计，结果见图 3.

图 3

Fig. 3

图 3 典型断面流速分布 Fig. 3 Velocity distribution of typical section

图 3中可以看出，对应于典型断面不同的流量级其流速大小有所不同，但在横向断面的分布趋势基本一致.将图 3中的流速横断面分布同图 1(b)断面形态相比较，不论在那个流量级，主流区(3～6 m)流速均大于两侧水边区流速; 左右岸水边区进行比较，右岸边区流速略大于左岸边区流速.不同流量级相比较，流量越小断面流速分布越趋于均匀，随着流量增大，主流区流速与两侧边流区流速差异增大.

沿试验沟渠纵向，依次点绘1、2、3号断面逐月水体中总氮质量浓度变化见图 4.

图 4

Fig. 4

图 4 试验沟渠纵向水体中总氮质量浓度变化 Fig. 4 Variation of total nitrogen concentration in water along experimental longitudinal ditches

可以看出，试验期内试验沟渠纵向水体中总氮质量浓度变化呈现出两个典型变化特征，一是由上而下，1～3号断面水体中总氮质量浓度变化趋势具有很好的同步和一致性，并且多数测点都表现出1号断面高于2号断面、2号断面又高于3号断面的特征，说明即使在灌排合一沟渠系统内，其复杂的水体-底泥-植物系统仍然表现出对非点源污染溶质具有一定的净化功能; 二是试验沟渠水体中总氮质量浓度年内总体呈“凹”形变化，试验初期2014年3月总氮质量浓度是全年最高值，2014年6～10月是全年最低期，2014年11月之后又进一步上升，2015年年初又近似恢复到试验开始时2014年3月总氮质量浓度.对照图 2中沟渠流量变化过程，可看出沟渠水量和水体中总氮质量浓度变化的相关性.试验初期，沟渠中流量较小总氮质量浓度较高，之后随着小麦春灌开始，灌溉排水进入渠内稀释，水体总氮质量浓度有所降低，2014年6～10月沟渠中水量进一步增加，水体中总氮质量浓度进一步降低，之后开始逐步上升.

为了进一步分析沟渠中水体的污染特征，综合沟渠流量和水体中总氮质量浓度两项因子，应用式(2)计算试验沟渠的逐月总氮污染通量，点绘见图 5.

(2)

式中, Q_TN，2为试验沟渠2号断面总氮通量(mg·s^-1); Q为试验沟渠流量(m³·s^-1); c₂为试验沟渠2号断面水体总氮质量浓度(mg·L^-1); 1 000为单位换算常数.

图 5

Fig. 5

图 5 试验沟渠水体中总氮通量变化 Fig. 5 Variation of total nitrogen flux in experimental ditches

对照图 5、图 4和图 1，典型断面总氮通量最大值出现的时间和水体总氮质量浓度、流量最大值出现的时间并不一致，而是水体总氮质量浓度的次高值、流量上升过程中的一个时间点.污染通量是水体中污染物质量浓度和断面流量的综合反映，与断面的污染负荷过程相一致.分析图 5中污染通量的变化特征，其升高过程除与农田排水中本身含氮量增加有关外，还与沟渠中断面流量增加导致水位抬升、过水面积增大，使沟渠两侧自上一个灌排周期结束后一直所附着、沉积的污染物进入水体有较大关系.之后，随着沟渠中流量持续增加，水体中总氮浓度稀释，断面总氮通量呈现出下降趋势，并在2014年11～12月随着小麦冬灌开始出现一个小的波动.总氮通量的年内变化过程反映了试验沟渠污染负荷随农田灌排及区域降水量变化、沟渠水体中总氮质量浓度变化的特点.

以试验沟渠2号断面为例[见图 1(b)]，在2号断面沿横向设置5个取样点，分别按2014年3～5月、6～8月、9～11月、2014年12月～2015年2月这4个时间段及试验期平均值统计，点绘不同取样点水体中总氮质量浓度变化见图 6.

图 6

Fig. 6

图 6 典型断面横断面水体中总氮质量浓度变化 Fig. 6 Variation of total nitrogen concentration in water body of typical cross section

从图 6中可以看出，同一典型断面不同取样点水体中总氮质量浓度并不一致，总体看断面左侧水体中总氮质量浓度大于断面中间及右侧水体中的总氮质量浓度，与图 3中断面横向流速分布相比较，流速较小的左侧边流区总氮质量浓度高于流速相对较大的右侧边流区总氮质量浓度.

进一步分析水体中总氮质量浓度在横断面分布的不均匀性，计算同一时期不同测点总氮质量浓度极差，并应用式(3)计算典型断面不同时期水体总氮质量浓度均衡度列于表 1.

(3)

式中，m为断面水体总氮质量浓度均衡度(%); c_max、c_min、c_ave依次为典型断面不同时期各测点水体总氮质量浓度的最大值、最小值和平均值(mg·L^-1).

表 1 (Table 1)

表 1 典型断面不同时期水体总氮浓度极差和均衡度比较 Table 1 Comparison of total nitrogen concentration range and the equilibrium degree of the typical section in different periods 时间段 总氮质量浓度极差/mg·L-1 均衡度/% 2014年3～5月 0.89 74.84 2014年6～8月 0.65 71.77 2014年9～11月 0.97 50.20 2014年12月～2015年2月 1.17 63.55 各时间段平均 0.64 76.89

表 1 典型断面不同时期水体总氮浓度极差和均衡度比较 Table 1 Comparison of total nitrogen concentration range and the equilibrium degree of the typical section in different periods

表 1中计算结果可以看出，典型断面总氮质量浓度极差最大值为2014年12月～2015年2月时间段的1.17 mg·L^-1，各时段平均值极差最小，为0.64 mg·L^-1.均衡度方面除去不同时间段的平均值均衡度为76.89%外，2014年3～5月时间段水体中总氮质量浓度均衡度较好，为74.84%，均衡度较低的时间段为2014年9～11月，为50.20%.横断面水体中总氮质量浓度均衡度的大小与过水断面本身的形态、流量波动及流速等水力特性都有较大关系.

将图 6与图 1(b)中的断面形态进行比较，并结合图 3断面流速分布进行分析，典型断面中间主流区水深和流速最大，是断面的主要过水部分，由于水体交换和曝气速率较大，相应水体中总氮质量浓度较低; 断面右侧水深和流速均大于断面左侧，相应总氮质量浓度也较左侧偏小.典型断面各测点水体总氮质量浓度表现出与水深和流速负相关的特征.文献[24]曾系统分析沟渠水深变化对氮磷等非点源污染溶质截留效果影响，结果表明当沟渠水深小于38 cm时截留效果影响不明显，当水深大于47cm时截留效果随水深的增加而降低.流速影响方面，文献[25]研究结果认为沟渠对总氮的最佳截留流速为0.49 m·s^-1，截留率可以达到46%.本试验以上特征同相关研究结果基本相似.

依次将1、2、3号断面0～15 cm底泥中总氮含量试验期变化过程点绘，见图 7.

图 7

Fig. 7

图 7 沟渠纵向底泥中总氮含量变化 Fig. 7 Variation of total nitrogen content in sediment along the longitudinal ditch

图 7中可以看出，底泥中总氮含量沿沟渠纵向变化有如下特征：①整体上3个试验断面试验期内底泥中总氮含量呈现出由上而下沿程递减趋势，由1号到2号断面减小较少，2号到3号断面相对减少较多; 同时，3个试验断面试验期内底泥中总氮含量均呈“凸”形变化特征，灌溉排水期底泥中总氮含量较高，2、3月则含量较低; ②1、2号断面底泥中总氮含量的年内变化过程非常相近，2014年3～8月底泥中总氮含量呈上升趋势，2014年8～10月底泥中总氮含量达到年内最高水平，之后开始下降，至2015年1～2月约下降至试验初期2014年3月水平; ③3号断面与1、2号断面略有差异，2014年3～5月是底泥中总氮含量的上涨阶段，2014年6～10月底泥中总氮含量维持年内较高水平，其中2014年10月达到年内峰值，以上时间段3号断面底泥中总氮含量均小于1、2号断面，与1号断面相差较大的月份是2014年6月和9月; 2014年11月～2015年2月同样是3号断面底泥中总氮含量的下降阶段，且其总氮含量与1、2号断面相近.

将图 7中典型断面底泥中总氮含量与图 4中典型断面水体中总氮质量浓度变化过程进行对比，可以看出两个变化过程近似相逆.也即在水体中总氮质量浓度较高的时期底泥中总氮含量相对较低，反之水体中总氮质量浓度较低的时期底泥中总氮含量则相对较高.对农田排水沟渠而言，水体-底泥-水生植物组成一个复杂的微生态系统，除外源输入输出因素影响外，任一介质内氮素浓度(含量)的变化都可以看做是微系统内氮溶质迁移影响的结果.文献[26]采用相对封闭的模拟沟渠水体-底泥-水生植物系统进行试验，结果表明沟渠水体-底泥-植物生态体内氮迁移联系紧密，任一介质内或介质间氮素迁移转化都会引起其他介质中氮素浓度相应调整.

与水体中总氮质量浓度横向变化分析相同，选取2号断面作为典型，进一步分析同一断面不同取样点底泥中总氮含量变化，同样分别按2014年3～5月、6～8月、9～11月、2014年12月～2015年2月这4个时间段统计并计算年度平均值，点绘底泥不同取样点总氮含量变化见图 8.

图 8

Fig. 8

图 8 典型断面不同取样点底泥中总氮含量变化 Fig. 8 Variation of total nitrogen content in sediments from different sampling points in typical section

图 8中可以看出，整体上排水沟渠左侧底泥中总氮含量相对低于右侧，年度平均值左侧为0.67 mg·kg^-1，右侧为0.86mg·kg^-1; 不同时间段中，2014年3～5月时间段底泥中总氮含量较低，对照图 4，该时段正是水体中总氮质量浓度较高时段; 2014年9～11月底泥中总氮含量较高，同样由图 4可以看出，9～11月水体中总氮质量浓度相对较低、并且由低到高上升阶段.将图 8典型断面横向底泥中总氮含量与图 6横断面水体总氮浓度变化相对比，也呈现出近似相逆的趋势，图 6中水体中总氮质量浓度较高的左侧在图 8中底泥总氮含量相对较小，图 6中水体中总氮质量浓度较低的右侧在图 8中底泥总氮含量则相对较高.断面横向水体-底泥系统总氮含量的变化与沿沟渠纵向变化基本相似.

利用式(3)进一步计算典型断面底泥中总氮含量的均衡度，结果见表 2.

表 2 (Table 2)

表 2 典型断面不同时期底泥中总氮含量均衡度比较 Table 2 Comparison of total nitrogen content equilibrium degree in sediments of typical section in different periods 时间段 总氮含量极差/mg·L-1 均衡度/% 2014年3～5月 0.10 77.80 2014年6～8月 0.77 18.69 2014年9～11月 0.64 57.50 2014年12月～2015年2月 0.11 78.49 各时间段平均 0.37 57.04

表 2 典型断面不同时期底泥中总氮含量均衡度比较 Table 2 Comparison of total nitrogen content equilibrium degree in sediments of typical section in different periods

由表 2中数据可以看出，典型断面底泥中总氮含量极差最大的是2014年6~8月时间段，对照图 2、图 4、图 7，该时间段对应于沟渠中流量上升、水体中总氮质量浓度下降、沟渠底泥中总氮含量上升的阶段，正是水体-底泥系统氮素原有平衡被打破而新的平衡正在塑造的过程; 各时间段中，2014年3～5月、2014年12月～2015年2月底泥总氮含量均衡度最高，分别达到77.80%、78.49%，而这两个时间段是沟渠中流量相对较小、水体中总氮质量浓度较高的时间段，是沟渠水体-底泥系统氮素经历灌溉排水期波动后回归原有平衡的阶段.

(1) 沿试验沟渠纵向，水体中总氮质量浓度、底泥中总氮含量均呈现一定程度递减趋势，表现出沟渠系统对非点源溶质的净化作用.

(2) 断面形态决定了水深及流速分布的不均匀性，进而影响到不同部位水体中总氮质量浓度、底泥中的总氮含量，使得在沟渠横断面分布存在不均匀性，其中水体中总氮质量浓度均衡度为76.89%, 底泥中总氮含量均衡度为57.04%.

(3) 无论是沿沟渠纵向还是断面横向，水体中总氮质量浓度与底泥中总氮含量变化均呈现出相逆的变化趋势.