农田排水沟渠对面源氮素污染物的去除机制研究

Drainage ditch is one of the most important channels for the transfer of agricultural nonpoint source pollutants from arable land to big water body. On an annual basis, about half of the total nitrogen load to the drainage network may be removed in stream processes. Plant uptake and denitrification are the two most important mechanisms for the retention of nitrogen in agricultural watershed. The purpose of this study is to investigate the mechanism of nitrogen transport and transfer in typical agricultural streams and the main factors control the process. On the basis of vegetation growth parameters for aquatic plants obtained from field observation, literature analysis and expert consultation, plant growth and nitrogen uptake for everyday will be simulated using DNDC model. Mass transfer coefficient method will be embeded in DNDC model for the simulation of sediment denitrification. The model will be evaluated using observation data from Robot system and static chamber method. The study is of great significance for the management of agricultural nonpoint source pollution, ecological environment protection, and sustainable development of agriculture.

排水沟渠是农业面源氮素污染物由农田进入大型水体的主要通道，进入排水网络的总氮中，约有一半可以在沟渠生物地球化学过程中得到去除，沟渠中水生植物生长与底泥反硝化是氮素去除的两个关键过程。本研究选取小流域内典型沟渠，获取主要特征参数，研究氮素在排水沟渠中的迁移转化机理与主要影响因素。通过现场观测实验，结合文献调研与专家咨询，研究确定水生植物生长的生理和物候学参数，利用DNDC模型模拟水生植物生长过程，计算每日吸氮量。将模拟底泥反硝化的转移系数法加入DNDC模型，根据沟渠营养物质浓度以及水热环境因素计算反硝化过程去除氮素总量。利用反硝化直接测定技术、箱法结合气相色谱仪观测结果验证模型的有效性。本研究的开展将对控制农业面源污染，保护生态环境，促进农业可持续发展有重要意义。

农田排水沟渠作为污染源与大型水体之间的缓冲区，可以通过沉积物吸附、植物吸收、反硝化等一系列自然净化机制，降低进入河流等地表水中的氮素污染物含量。沟渠的氮素去除潜力很大，同时不确定性也很高。为明确农田沟渠氮素去除的关键过程及其主要影响因素，本项目采用水生植物实验室培养、野外实地考察、生态系统模型模拟、流域尺度氮去除估算等方法开展深入研究。室内模拟实验中，以狐尾藻、千屈菜、菖蒲、水葫芦作为研究对象，分别探讨了不同浓度氮营养条件下、长期淹水条件下和干湿交替条件下，不同水生植物对氮素迁移转化过程的影响。室内实验研究结果表明，沟渠湿地系统对水体中氮素去除的能力较高，其中底泥对上覆水中氮素的截留作用是水体中氮素去除最重要最快速的途径，底泥最高TN吸附量占施氮量的85%。不同氮营养条件下，菖蒲和水葫芦吸收氮量占施氮量的10%~30%；长期淹水条件下，狐尾藻吸氮能力最强，收获时该处理的植株中氮素总量远远高于其他植物；干湿交替条件下，千屈菜吸氮能力最强。另外，沟渠水生植物还通过影响水体的pH值、DO浓度和Eh来间接影响氮素的迁移转化过程。本研究分别选择代表长江发源地、上游、中上游、中下游以及下游的5个典型小流域，开展沟渠特征调研，测量沟渠尺度特征，速测沟渠水流速、温度、溶解氧、pH等指标，并采集水、土、植物样品带回实验室进行分析，在此基础上构建沟渠特征数据库，为流域尺度沟渠氮去除总量模拟与估算打下坚实基础。最后，选用耦合了生物地球化学过程与分布式水文模型的CNMM模型开展流域尺度氮循环模拟，并以湖南长沙金井小流域为例，结合空间分析、遥感图像识别、生物量估算、反硝化速率计算等方法，开展流域尺度沟渠氮素去除估算研究。本项研究对于定量评价农田排水沟渠氮去除效率，合理利用沟渠系统减小污染物排放，开展流域尺度氮循环管理等具有重要的意义。