基于农田排水过程与水质特征的灌区湿地入流及反硝化作用研究

As a unique and rare natural landscape, wetlands in irrigated agricultural areas play important roles in reducing agricultural non-point source pollution, particularly for nitrate nitrogen removal. The inflows of these wetlands mainly come from farmland irrigation and drainage practice, their hydrology and the pollutant loads are affected greatly by the field hydrology of farmlands, and fluctuated with crop production practices, which affect nitrogen removal capacity of the wetlands. Denitrification is the main process of nitrogen reduction in wetlands. Understanding the denitrification process in wetlands under the impact of field hydrology is important for determining nitrogen reduction capacity of the wetlands and making proper decision for wetland operation and management. Considering the field drainage processes and the water quality characteristics, this research aims to study the wetland inflow hydrology, the denitrification process and its environmental factors in wetlands, taking approaches of theoretical analysis, laboratory experiment and field monitoring study; we intend to explore the impact of denitrification dynamics in the wetland soils on nitrogen removal rate, and predict the impact of field hydrology changes as the result of water saving practice in the irrigation areas on wetland inflow and its denitrification rates. The outcome of this research will provide theoretical basis and technical support for rational use and optimization of the ecological functions of wetlands in irrigated agricultural landscape.

灌区湿地作为一种独特而稀有的自然景观，对减轻农业非点源污染，特别是去除氮素有着非常重要的作用。湿地入流主要来自农田排水，其水文过程及水质在很大程度上受到田间排水过程与水质特征的支配，并会随着农业生产措施的调整出现相应的波动，继而影响到湿地对氮素的去除能力。反硝化作用是湿地内氮素降解的一个主要途径，研究其在农田排水过程影响下的变化规律，对于确定湿地对氮素的去除能力，制定湿地管理和运行方案有着重要的意义。本课题将采用理论分析、室内实验与现场监测相结合的方法，根据灌区农田排水过程的特点，研究湿地入流过程以及反硝化区发展与环境因子相互作用机理，探索灌区湿地在入流变化条件下土壤反硝化作用的动态演变过程及其对氮素去除的影响；同时考虑农业节水措施等改变田间排水过程后，湿地入流的变化及其对反硝化脱氮作用的影响，为合理利用及优化灌区湿地的生态功能提供理论依据和技术支撑。

研究根据在江苏常熟和江都进行的大田排水试验，对农田排水、排水水质以及沟塘湿地的污染物削减功能进行了分析研究。首先通过对于常熟地区稻田的排水试验及与周边河道水力联系的分析，我们发现南方平原地区密布的河网不仅抑制了农田的排水能力，使得农田维持较高的水位，而且能够在作物耗水量大、农田水位较低的干旱季节，通过侧向渗透，直接补给农田。为了得到符合平原河网地区特点的排水系统最佳布置及管理方案，课题根据在江苏常熟开展的稻田排水观测试验，同时结合田间水文模型，分析了河网地区独特的水量平衡关系，确定了稻田排水量以及农田与外河的交换水量，并根据研究区的排水要求明确可以削减的排水量及节水潜力。.农业排水导致稻田氮磷流失是水体非点源污染的主要来源。课题根据常熟的田间试验，对不同排水条件的水质过程进行监测试验，观测了水稻生育期内暗管排水量、田间不同埋深处土壤溶液里和排水管出流里的氮磷浓度变化，分析稻田土壤中氮磷分布及运移规律，并结合DRAINMOD-NII氮素运移模型分析了稻田氮素流失规律及控制氮素流失方法，为调控研究区氮磷流失和减少太湖水体富营养化提供一定的技术支撑.湿地是一种能够经济有效地治理农业非点源污染的生态处理设施；而对于土地资源紧缺、无法建设专用处理湿地的地区，比如研究区所处的江南河网地区，可以利用农田周边具有一定湿地功能的排水沟塘系统达到类似的水质净化效果。但是，不同于水力条件经过设计和优化的人工湿地系统，沟塘的分布有着一定的随机性，并且与农田呈交错分布的状态。与人工湿地相比，沟塘系统这种更为复杂的水力联系可能对其水质净化能力产生一定的负面影响。研究针对扬州市江都区沿运灌区，通过实地调查，明确了研究区详细的水力联系，然后建立了理论分析模型，分别计算了考虑与不考虑具体水力联系两种情况下，沟塘系统对排水中污染物的去除能力；同时针对制约排水沟塘环境功能的因素，根据当地的土地资源及自然条件，提出并评价切实可行的优化措施。