石 闯，高良敏，孙 锐，赵兴兰

(安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

1 引言

氮、磷等营养元素是农业面源污染的主要污染物质。控制农业面源污染对亟待解决的自然水域中富营养化问题有着非常重要的作用。沟渠作为农业面源污染物的迁移通道[1]，含氮物质在迁移过程中经过一系列的物理、化学和生物学变化，这些变化对于研究沟渠对农业面源污染的控制意义重大。影响沟渠沉积物中氮素转变的因素很多，如温度、降雨、干湿交替、动植物活动等[2,3]。

在野外，沟渠水分受各种因素影响不断变化。自然降水或人为灌溉后的农田排水进入沟渠，随后在地势及蒸发作用下，沟渠内水分又逐渐流失，因此沟渠常常处于干湿交替的状态。研究表明：干湿交替过程对氮素在土壤中的累积、迁移、损失等过程有重要影响[4,5]。

有学者研究发现，当沟渠处于丰水期时，此时沟渠底部微生物以氨化生物为主，沉积物中先是产生大量铵态氮，当达到高峰时，其他微生物以氨化生物产生的铵态氮为氮源大量繁殖，逐渐成为优势物种，并使沉积物中的铵态氮快速下降[6,7]。当沟渠处于枯水期时，沉积物直接与空气接触，使其表层含氧量升高，反硝化作用减弱，硝化作用增强，又由于沉积物底部的水分在蒸发作用下向上迁移，使可溶性氮也向上转移，因此总氮含量会增大。进一步导致当沟渠再次覆水时，沉积物中的氨氮、可转化态氮会向水中释放[8,9]。然而上述氮素的迁移与转化并不确定统一，甚至表现出截然相反的效应[10]。

因此研究干湿交替驱动下氮素的迁移转化，对发现沟渠在控制农业面源污染方面的作用有非常重要的意义。

2 材料与方法

2.1 区域概况

试验所用沟渠沉积物取自安徽阜阳王家坝段附近入淮河沟渠(32°25′46.19″N，115°36′00.44″E)的表层沉积物，共0.5 m3，该沟渠主要用于农田灌溉排水，周边土地利用类型为坡耕地和水田。该地区位于暖温带南缘，属暖温带半湿润季风气候。季风明显，四季分明，气候温和，雨量适中。具有以暖温带向北亚热带渐变的过渡带气候特征。全年平均降水在820～950 mm，是典型的平原地形，地势平坦。沟渠两岸的农作物以小麦、大豆和水稻为主。

2.2 试验设计

利用4个同规格烧杯(2000 mL)，烧杯内沉积物高度设置为10 cm。设置4个等级的干湿交替实验，分别为低强度、中强度、高强度和长期淹水实验。其中低强度实验在一个周期内进行一次干湿交替，中强度实验进行两次干湿交替，高强度实验进行三次干湿交替，长期淹水实验一直保持覆水状态。当将沉积物改“干”为“湿”时，使用去离子水上覆沉积物约2cm，当将沉积物改“湿”为“干”时，使用针筒将烧杯内上覆水取出。每次改变状态后用封口膜将烧杯封住，以避免外来污染物的干扰，并在封口膜上戳3、4个1 cm左右的小孔以方便烧杯内外的气体流通。进行实验之前先将采集的沟渠底泥在生化培养箱中预培养3 d。在25 ℃下尽可能恢复沉积物在采集及运输过程中受损的生物群落。之后整个试验持续27 d，共分为4个周期，每个周期7 d。每个周期结束后收集沉积物样品进行硝态氮、氨氮、总氮、DOC的测定。

3 数据分析

试验数据的统计分析利用SPSS25和Excel2016完成。考察不同干湿交替强度下各形态氮的变化情况，利用皮尔逊相关系数检验氨氮、硝态氮、DOC、总氮等因子之间的相关性。采用Origin 2019作图(图1)。

图1 不同干湿交替强度下各污染物去除效果

图1(a)反映了沉积物中硝态氮在不同强度干湿交替驱动下随时间的变化情况。可以看出，各处理组的硝态氮含量都经历了先上升后下降的过程。其中前期上升幅度表现为高强度(194.12%)>中强度(81.48%)>长期淹水(73.65%)>低强度(45.50%)。在前期，氨氮含量较高，由于硝化作用，氨氮转化成硝态氮，所以一段时间以后，硝态氮含量逐渐达到峰值，由于氨氮在此期间被大量消耗，硝化作用减弱，又由于硝态氮含量较高，使沉积物中反硝化菌活动增强，反硝化作用增强，所以后一阶段硝态氮含量下降。相较于最高值各组下降幅度表现为中强度(81.70%)>高强度(67.92%)>长期淹水(67.22%)>低强度(67.06%)。在第一阶段，高强度的干湿交替促进了硝化作用，所以前期高强度处理组硝态氮增加量最大，而到第二阶段，中强度的干湿交替对反硝化作用效果明显。

图1(b)反映了沉积物中DOC在不同强度干湿交替驱动下随时间的变化情况。由图可以看出，长期淹水的DOC下降幅度较缓，不同干湿交替强度下DOC均呈波动下降趋势。下降幅度表现为中强度(39.18%)>高强度(24.82%)>低强度(17.45%)>长期淹水(9.89%)，DOC(溶解性有机碳)可以被沉积物中的微生物作为碳源，每当沉积物由覆水转为干水时，沉积物内的微生物会大量减少，而由干水转为覆水时，微生物又会大量增加，在这个过程中沉积物中溶解性有机碳会被微生物吸收，当干湿交替处于中强度时，DOC的下降幅度最大，说明此强度下，微生物的生长-衰落循环过程最为强烈。

图1(c)反映了沉积物中氨氮在不同强度干湿交替驱动下随时间的变化情况。由图可以看出各组沉积物中氨氮含量均呈稳定下降趋势，下降幅度表现为低强度(75.70%)>中强度(59.12%)>高强度(44.52%)>长期淹水(29.78%)。说明低强度下氨氮的去除效率最高，长期淹水下的沉积物氨氮去除率最低。

利用SPSS25软件对氨氮、硝态氮、DOC、总氮之间进行皮尔逊相关性分析，结果如表1所示。氨氮可以通过挥发作用释放出去，使系统中总的氮素含量减少，所以沉积物中氨氮与总氮呈极显著相关性；沉积物中的氨化微生物发生一系列水解、氧化、还原、转位等作用将沉积物中溶解性有机质转化为氨氮，使得沉积物中DOC减少。所以沉积物中氨氮与DOC亦呈极显著相关性。沉积物中溶解性有机碳可以为其中的微生物提供碳源，而部分形态的氮又可以为微生物提供氮源，当微生物群落的发展与碳源和氮源的供给息息相关，所以DOC和总氮亦呈极显著相关性。

表1 氨氮、硝态氮、DOC、总氮之间的相关性(n=20)

4 结论

干湿交替对沉积物中总氮、氨氮、硝态氮、DOC均有显著影响，其中低强度下的干湿交替对氨氮的去除效果最好，中强度的干湿交替对总氮、硝态氮、DOC的去除效果最好。说明在适当的干湿交替驱动下，沉积物中的氮素可以被较好的去除。

沉积物中氨氮与总氮、DOC呈显著相关性，DOC和总氮呈显著相关性，沉积物中氮素的相互转化并不影响总氮的含量，说明沉积物中的氮素损失有很大一部分是以氨氮的形式被去除，而DOC与氮素有很强的协同去除效应。