农田溪流深潭营养盐滞留及对人为干扰的响应

李如忠,耿若楠,黄青飞,钱 靖,杨继伟,秦如彬

(1.合肥工业大学资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009；2.安徽省环境科学研究院,安徽 合肥 230071；3.安徽省水利部淮委水利科学研究院,安徽 蚌埠 233000)

农田溪流深潭营养盐滞留及对人为干扰的响应

李如忠1*,耿若楠1,黄青飞1,钱 靖2,杨继伟3,秦如彬1

(1.合肥工业大学资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009；2.安徽省环境科学研究院,安徽 合肥 230071；3.安徽省水利部淮委水利科学研究院,安徽 蚌埠 233000)

为解析溪流深潭地貌格局的营养盐滞留能力及其对人为干扰的响应,2015年11月～2016年4月,在巢湖流域南淝河某一深潭地貌特征明显的农业源头溪流,选择NaCl为保守示踪剂,NH4Cl和KH2PO4为添加营养盐,开展了9次野外示踪试验,其中人为干扰试验4次,并据此计算水力学参数和养分螺旋指标.结果表明:试验渠段水流属于缓流类型,且在整个试验阶段始终处于湍流状态;人为干扰情形的深潭Sw-NH4下降幅度较自然情形明显,数值由331～3304m下降为232～609m,而Sw-PO4则略有增大,即由232～609m上升为301～1100m;人为干扰时平直渠段Sw-NH4下降显著,数值由4812～58895m下降为2463～13955m,而Sw-PO4下降更为显著,由6242～75285m下降到1792～11432m;人为干扰情形的平直渠段Sw-NH4、Sw-PO4下降幅度显著高于深潭渠段,意味着平直渠段受人为干扰影响很大,响应更明显;与自然情形相比,深潭和平直渠段的Vf-NH4、Vf-PO4基本都有不同程度的增大,有利于滞留效应的发生.总体上,从整个试验渠段来看,人为干扰对于提高农田溪流深潭地貌格局的营养盐滞留能力是可行和有效的.

深潭；农田溪流；营养盐滞留；人为干扰；养分螺旋指标

目前,生态沟渠控制技术对减少下游水体氮、磷养分负荷的重要性已为人们普遍认同[1-2].实际上,作为河流水系统重要组成部分的各等级源头溪流、排水沟渠,不仅担负着非点源污染负荷汇集、传输和循环转化场所的重任[3-4],同时由于它们数目巨大,在非点源氮、磷污染控制和削减方面也发挥着重要作用,因此越来越引起人们的关注[5-6].虽然有关源头溪流营养盐滞留能力的研究已有很多,但由于氮、磷循环过程和滞留机制的复杂性、不确知性,以及源头溪流类型和影响因素的多样性、动态变化性,使得营养盐滞留表现出了很大的不确定性,特别是在涉及深潭、深潭−浅滩、阶梯−深潭等地貌格局营养盐滞留方面,现有研究还显得十分薄弱[7].河流水系统中深潭分布的广泛性和水动力特征的特殊性,以及在水环境修复中的大量使用[8],使得深潭地貌格局营养盐滞留特征研究,具有十分重要的科学意义.

研究表明,流量、溪流形态、河床地貌、底质构成以及水温、生物群落组成等因素制约溪流暂态存储潜力,进而影响氮磷营养盐滞留和循环过程[9-12].因此,从理论上讲,针对上述因素的操纵或调控,可以在不同程度上影响溪流营养盐的滞留特征.近年来,陆续有学者尝试以人工干预手段,从河床地貌、底质构成[13]或水流形态改造[14-17]着手,解析溪流暂态存储变化及其对营养盐滞留能力的影响.总体上,现有研究成果针对的基本都是较为简单、规则的沟渠形态,缺乏对深潭等复杂河床地貌的探究.在我国的《水污染防治行动计划》中,针对农田排水及地表径流污染防治,提出了采用生态沟渠、污水净化塘等技术措施.农田溪流深潭地貌格局一定程度上综合集成了上述技术的优点,开展人为干扰情形下溪流深潭地貌格局营养盐滞留响应特征研究,可以为滞留能力调控技术方案的设计和决策提供依据,因此具有显著的现实意义.

此外,近年来欧美一些发达国家的河流水环境修复工作正从单纯的追求水质目标改善,逐步向水质改善和水生态功能提升的多目标方向发展[8,18-19],特别是水环境修复后河流水体营养盐滞留能力状况,逐渐成为衡量水环境修复成效的重要因素[20-21].当前,巢湖流域正面临氮磷负荷削减的繁重任务,环湖河流水系的水环境修复工作也在紧锣密鼓地推进中.从发展的趋势看,寻求既可以满足水环境修复和水景观建设需要,同时又能够兼顾营养盐滞留能力提升需求的技术方法,将是该地区河流水系水环境修复中需要认真思考的问题.本研究拟以巢湖流域某一农田源头溪流为对象,尝试就深潭地貌格局的营养盐滞留特征及其对人为干扰的响应进行分析与评估,以期为巢湖流域小河流氮磷营养盐滞留能力提升及水环境修复方案的制定提供借鉴.

1 研究区概况

南淝河是巢湖流域北侧的一条重要入湖河流,也是合肥地区氮磷污染负荷进入巢湖的最主要通道.本研究在南淝河主要支流之一的二十埠河上,筛选一条水质状况良好的农田源头溪流作为对象.溪流全长约2.5km,水面宽0.5～2.0m,流速0.05～0.30m/s,属于自然汇流冲刷形成的排水沟渠.溪流地处城乡交错地带,汇流区两侧边缘为低矮的丘陵岗地,中上游地段仅在东侧岗坡的坡顶位置新建有高校园区,包括西侧岗坡在内的其它地方都没有规模化的居民点、畜禽养殖场或工业厂区存在,主要土地利用类型为农业用地和人工林地.汇流区下游为城市建成区,接纳高校园区生活污水的磨店城市污水处理厂尾水直接排入溪流中.由于毗邻城区,加之城市建设征地影响,目前整个流域农业用地基本处于抛荒状态.

在该源头溪流中段,筛选一段深潭地貌特征明显的沟渠状溪流段作为现场示踪试验靶区.该渠段左侧为养鱼塘和农业荒地,右侧为杂草丛生的大片人工林地,沟渠为土质护坡,岸壁陡峭且下切较深,平均达1.5m.由于从沟渠底部取土加固田埂或为挖坑蓄水灌溉,导致沟渠河床宽窄不一,并留下一串串长短、深浅不同的坑槽,形成了结构明显的深潭地貌格局.特别是,由于渠道过流断面偏窄,暴雨期间水流流速较快,对河床及岸壁的冲刷较为显著,因此平直渠段的河床土质较为板结,只是在深潭渠段有泥沙淤积.整个试验段渠底几乎鲜有大型水生/湿生植物,但在平直段附着大量的苔藓.该渠段沉积物中TN、TP平均含量分别为1414.43、456.10mg/kg,有机质为3.5%,磷的吸持指数PSI平均值为57.88(mg·L)/(100g·μmol).深潭渠段和平直段水面宽度、流速、水深等差异较为明显.整个研究期间,实验渠段河面宽度基本处于0.5～2.0m,水深0.08～0.35m,氨氮(NH4+)浓度大约在0.5～3.0mg/L,磷酸盐(PO43-)浓度约为0.04～0.50mg/L.

2 模型与方法

2.1 示踪试验及方案设计

2.1.1 示踪试验 选定的试验渠段长约150m,其中投加点O距采样断面A、B、C分别为30,110, 150m,见图1.这里,OA段为示踪剂混合段,AB为深潭渠段,BC为平直渠段.而且,投加点、采样点基本都位于相应断面中心的中泓线上.

图1 示踪试验渠段示意Fig.1 Sketch map of tracer experimental streamreach

2015年11月14日～2016年4月13日,选择NaCl为保守示踪剂、NH4Cl和KH2PO4为添加营养盐,在实验渠段逐月开展了9次示踪试验(其中人为干扰试验4次).每次均在试验的前一天现场勘查水情,采样测定水体Cl、NH4+、PO43-浓度.根据预期达到的峰值浓度水平,确定示踪剂和营养盐的投加量,并在试验现场利用溪水将其充分混合.选择电动喷雾器(3WBD-20L)作为投加装置,采用恒速连续投加的方式,将所有混合溶液(60L)全部投送完毕,释放速度控制在30.30mL/s左右,持续时间约35min.利用100mL PVC塑料瓶采集水样,其中采样点A的采样间隔为1min,B、C点则根据水流流速情况,取1～4min.此外,利用便携式电导率计现场测定水样电导率,待其稳定回到背景值水平停止采样.然后,在OA、AB和BC段内,对多个断面分别测定水深、水面宽度、流速等.

在实验室,利用PXS-215离子活度计和氯离子选择性电极(参比电极232-01、氯离子电极PCl-1-01)测定Cl浓度,NH4+、PO43-分别选用纳氏试剂分光光度法和钼酸铵分光光度法测定.

2.1.2 人为干扰方案 将深潭段AB作为干扰渠段,通过在主流区河床上等间距放置土袋,解析人为干扰对深潭地貌格局营养盐滞留特征的影响.这里,土袋是由塑料编织袋充填岸边土壤制作而成,充填后土袋长、宽、高分别为0.65、0.30、0.18m.为避免袋中泥土流失带来的影响,将塑料编织袋内泥土以不透水塑料袋进行包裹处理.4次人为干扰试验时间分别为2016年3月13日、2016年3月20日、2016年3月27日和2016年4月13日,其中第1次干扰试验是在渠底沿水流行进方向按每5m间隔放置土袋,土袋完全浸没在水面下约10cm;第2次仍维持5m间距不变,但在每个点位叠加1～2个土袋,使土袋略高出水面,水流绕开土袋并在周边产生较为明显的漩涡;第3、4次调整土袋堆积高度,使其高出水面,但将放置土袋的间距调整为3m,土袋周边出现了更为明显的涡流现象.4次干扰试验中,土袋均横向放置在渠底,且皆处于深潭主流区(图1).在试验前1～2d将土袋在深潭中放置妥当,以减少现场干扰影响.

2.2 水力学参数

采用Darcy-Weisbach阻力系数表征溪流渠道的粗糙度,即

式中:f表示溪流阻力系数,无量纲;g表示重力加速度,取9.81m/s2;R表示水力半径,m;J表示水面比降,m/m;u表示溪流平均流速,m/s.

溪流中的水流状态可以采用弗劳德数判别,相应的表达式为:

式中:Fr表示弗劳德数,无量纲;h表示平均水深,m.

采用雷诺数判别溪流的紊动性程度和流态,表达式为:

式中:Re表示雷诺数,无量纲;ν表示水的运动粘滞系数,取1×10-6m2/s.

单位水流功率表示溪流单位长度能耗率,可反映溪流水体挟沙能力的相对强弱,表达式为:

式中:Φ表示单位水流功率,N/(m·s);r表示水的容重,N/m3;J表示溪流河床比降,m/m其他变量同上.

2.3 养分螺旋指标

养分螺旋原理常用于评估河流营养盐滞留能力,相关指标为[14]:

式中:Sw表示营养盐吸收长度,m;Vf表示吸收速度(也称传质系数),m/s;U表示溪流潜流带表层的营养盐吸收速率,mg/(m2·s);k为营养盐综合衰减系数,m-1;w表示水面宽度,m;h表示溪流平均深度,m;c为平稳状态时添加营养盐浓度,mg/L; 1000为单位换算系数.

由于U是一个与营养盐浓度有关的量,因此在对不同评价对象比较时,多采用指标Sw和Vf.

3 结果与讨论

3.1 示踪剂浓度-时间穿透曲线

图2 Cl、NH4+和PO43-的浓度−时间穿透曲线Fig.2 Concentration breakthrough curves of Cl, NH4+and PO43-

在9次现场示踪试验中,分别就自然情形和人为干扰情形各选1次代表性试验,绘制相应的Cl、NH4+、PO43-浓度―时间穿透曲线(BTCs),见图2.由图2可见,在自然情形的2015年12月26日试验中,B、C断面Cl、NH4+和PO43-浓度基本都未达到平稳状态.深潭地貌格局明显降低了溪流流速,致使Cl、NH4+或PO43-在渠段AB的水力停留时间数倍于渠段BC.而且,存在采样点B、C峰值浓度没有进入平稳状态的现象.根据示踪试验获得的示踪剂和添加营养盐浓度―时间穿透曲线信息,采用耦合暂态存储交互作用和侧向入流补给影响的OTIS模型,可以对NH4+、PO43-的迁移转化规律进行定量化模拟.有关OTIS模型的数学表达式、模拟计算软件及其求解计算方法,参见文献[15-16].

3.2 水动力学特性

在试验渠段前端的投加点处,由于左侧空地开挖鱼塘的过程中将泥土推入沟渠,导致该段溪流上、下游水位落差加大,整个试验段水面比降达0.002m/m.根据实测水深、水面宽度以及计算得到的水流速度、水力半径等信息,利用式(1)～(4)计算该段f、Fr、Re和Φ 等水力学参数,结果见表1.这里,水力半径计算式为:

式中:W表示溪流过水断面面积,m2;X表示断面湿周,m.

表1中,Ⅰ～Ⅴ对应于自然情形,Ⅵ～Ⅸ为人为干扰.总体上,无论是深潭段还是平直段,人为干扰的f似乎都更低一些,即溪流粗糙度更低.河水流量较低时,由于河床、河岸以及水生植物等约束作用相对增强,河槽粗糙度相对较大;而流量较高时,由于约束作用减弱,河槽粗糙度随之下降.4次干扰试验中第Ⅵ、Ⅶ、Ⅸ次试验的流量相对较高,相应的溪流粗糙度基本都与流量相当的第Ⅱ次试验接近,暗示人为干扰情形下出现f下降,主要是由流量增大造成的.严格来说,这应该是由流量增大带来的摩擦阻力减小和人为干扰导致的摩擦阻力增大相互抵消或博弈的结果.

表1 试验渠段水力学参数Table 1 Hydraulic parameters of the study streamreach

人为干预情形下,Fr似乎有所增加,但依旧显著低于临界判别标准1.0,表明无论有无人为干预行为,水流状态都属于缓流类型,且自然情形的水流更为和缓一些.9次试验中深潭、平直渠段Re值都远超明渠流临界雷诺数Recr=500,表明试验过程中溪流始终处于湍流状态,而且人工干扰的Re值更大一些.此外,人为干扰的Φ值,似乎也大都较自然情形更高.水力学参数f、Fr、Re和Φ等都是与h、w、u等密切相关的指标,由表1,流量基本相当的第Ⅱ、Ⅵ、Ⅶ和Ⅸ次试验,相应的f、Fr、Re和Φ差异性并不显著,只是在流量较为悬殊情形下才出现明显的差异,这似乎暗示流量因素主导着试验段水力学参数变化,由人工干预措施带来的影响还较为有限.

3.3 营养盐综合衰减系数

一般地,综合衰减系数k都是根据一维水质模型解析解cx=c0e−kx,利用恒速连续投加示踪试验数据,由回归分析或反向计算获得[16,22-23].但对瞬时投加示踪试验,该方法并不适用.Argerich等[13]利用OTIS模型参数,提出了更具普适意义的计算模型,即:

式中:A、As分别表示主流区和暂态存储区断面面积,m2;λ、λs分别表示主流区和暂态存储区营养盐一阶吸收系数,s-1;α表示主流区与暂态存储区之间的交换系数,s-1.

表2 OTIS模型参数及综合衰减系数Table 2 OTIS model parameters and comprehensive degradation coefficients

采用OTIS模型模拟Cl、NH4+和PO43-浓度−时间过程曲线,得到参数A、As、λ、λs和α,见表2.于是,由式(9)计算得到NH4+、PO43-综合衰减系数k,见表2.显然,无论有无干扰,深潭段NH4+、PO43-的λ值基本都比相应的λs值低1～2个数量级.而在下游平直渠段,自然情形的λ-NH4值都较λs-NH4高2个数量级,人为干扰时λs-NH4数值增长很快,且都与λ-NH4处在同一数量级水平,说明人为干扰对提升平直渠段暂态存储区NH4+吸收潜力影响显著.总体上,自然情形和人为干扰的平直渠段λ-PO4值都较λs-PO4值高1～2个数量级;而在深潭段,仅半数人为干扰的λ-PO4高于自然情形,半数试验的λs-PO4值甚至较自然情形低1个数量级,这既说明人为干扰对于提升平直渠段PO43-吸收潜力的有效性,同时也表明NH4+、PO43-滞留规律的差异性.人为干扰情况下,半数试验的λs-PO4值较自然情形下降了1个数量级,意味着深潭暂态存储区PO43-滞留潜力出现下降.显然,无论是NH4+还是PO43-,人为干扰情境下平直渠段的营养盐一阶吸收系数都有很大幅度的提高,暗示深潭中的人为干扰行为对于提高下游平直渠段营养盐滞留作用更为显著.

在深潭渠段,自然情形的大部分k-NH4较k-PO4高1个数量级,但在人为干扰情况下,不仅两者数量级相同,而且都达到了10-4水平.在平直渠段,人为干扰时k-PO4值较自然情形高1～2个数量级,k-NH4则变化不显著.总体上看,无论是NH4+还是PO43-,深潭渠段综合衰减系数都较平直渠段高了1～2个数量级.

3.4 氮磷滞留特征分析与比较

3.4.1 自然情形的氮磷滞留特征 根据表2,利用式(5)～(7),计算第Ⅰ～Ⅴ次试验相应的NH4+、 PO43-养分螺旋指标,见表3.可以看出,每次试验深潭渠段Sw-NH4值都显著低于对应的平直渠段,特别是第Ⅰ～Ⅲ次试验,意味着深潭段具有相对较高的NH4+滞留能力.但对于仅有2～3km的源头溪流,3304m的吸收长度仍给NH4+滞留带来很大困难.相对而言,深潭对PO43-的滞留能力远超平直渠段,Sw-PO4最大值仅有609m,而平直段则都超过6242m,体现了深潭地貌对于颗粒态PO43-营养盐滞留的有效性.从吸收速度来看,深潭渠段Vf-NH4基本都较平直渠段高1个数量级,而Vf-PO4则高1～2个数量级;从吸收速率来看,也都表现出深潭地貌格局优于平直渠段,且总体表现为U-NH4较U-PO4高1个数量级.总体来说,深潭地貌格局对于NH4+、PO43-滞留能力明显高于平直渠段.

表3 自然情形的养分螺旋指标Table 3 Nutrient spiraling metrics corresponding to natural conditions

3.4.2 人为干扰情景的氮磷滞留特征 第Ⅵ～Ⅸ次试验的NH4+、PO43-养分螺旋指标计算结果,见表4.与表3相比,人为干扰情景下深潭中Sw-NH4有了较为明显下降,变化范围由331～3304m下降为232～609m,而Sw-PO4则略有抬升,由232～609m上升为301～1100m.人为干扰情形下平直渠段Sw-NH4下降极为显著,变化范围由4812～58895m下降为2463～13955m,Sw-PO4下降则更为显著,变化范围由6242～75285m下降为1792～11432m.而且,平直渠段Sw-NH4、Sw-PO4下降幅度都显著高于深潭渠段,意味着平直渠段较深潭段对人工干扰的响应似乎更为显著.这里,深潭渠段中Sw-NH4有了较为明显下降,表明人为干扰增大了深潭中NH4+的滞留水平,而Sw-PO4则略有抬升,意味着干扰措施反而可能给深潭渠段的PO43-滞留带来一定的负面效应.

一般地,河流流量越大,河水携带溶质运移扩散的能力也就越强,即溶质发生滞留的难度也就越大.在4次人为干扰试验中,有3次试验的溪水流量都相对较高,但深潭和平直渠段依旧表现出了很好的NH4+、PO43-滞留能力,这在一定程度上证明人为干扰措施的有效性.为更好的展示调控行为的实际效果,不妨将流量大小相对较为接近的第Ⅱ、Ⅵ、Ⅶ和Ⅸ次试验进行比较.不难看出,与没有人工干扰的第Ⅱ次试验相比,尽管第Ⅵ、Ⅶ和Ⅸ次试验的深潭Sw-NH4改善不是很显著、Sw-PO4甚至还有所增大,但平直渠段Sw-NH4、Sw-PO4均出现显著的下降,表明人为干扰对提升下游平直渠段NH4+、PO43-滞留能力作用明显.从吸收速度来看,虽然第Ⅵ、Ⅶ和Ⅸ次试验中深潭Vf-NH4、Vf-PO4均没有明显变化,但平直渠段Vf-NH4、Vf-PO4均较第Ⅱ次试验提升了1～2个数量级,这对NH4+、PO43-滞留同样大有益处.

表4 人为干扰情景的养分螺旋指标Table 4 Nutrient spiraling metrics corresponding to human disturbances

与第Ⅱ次试验以外的其它几次自然情形试验结果相比,无论是深潭段还是平直段,人为干扰情景Vf-NH4、Vf-PO4基本上也都有不同程度的改进(表3).总体上,人为干扰措施对于深潭地貌格局中NH4+、PO43-滞留能力的提高总体不是很显著,但对于显著提升下游平直渠段营养盐滞留能力却有很大益处.因此,从整个溪流营养盐滞留层面来看,人为干扰措施无疑是颇为成功的、有效的.

3.5 讨论

根据现场调查,平直渠段河床较为板结,沉积物很少,河床上固着大量苔藓.由表2,深潭段主流区与暂态存储区交换系数α基本都较平直渠段低1个数量级,意味着深潭段主流区与暂态存储区水力交换作用相对较弱,这一方面可能由于深潭水深、水面相对较大,断面水流较为缓慢,导致主流区与暂态存储区交换作用效果不佳;另一方面尽管平直渠段河床结构也较简单,沉积物也较少,但水流条件较好,附着在河床表面的大量苔藓在硬质河床与流动水体之间起到了一定的缓冲作用,既增大了渠底暂态存储区面积,也对氮、磷等起到一定的生物吸收利用效果.

Hall等[24]认为,溪流流量、地貌、水文、生物需求等影响营养盐的滞留.Gücker等[25]将河流形态结构、沉积物粒度、河水与潜流的水文连通性、营养盐背景浓度、生物生产力等看作是影响营养盐滞留的决定性因素.其他一些学者则直接将营养盐滞留的主要作用归因于河流水文、地貌条件等[10-11,26-27].总体上,尽管生物因素对营养盐吸收利用的有效性已为人们熟知,但在源头溪流营养盐滞留中,水文因素往往被视为影响生源要素滞留机制的主要贡献者,而直接来自沉积物或水生植物表面附着的真菌、细菌等微生物以及藻类、大型水生植物吸收或新陈代谢作用贡献往往并不占主流地位[16,22],这可能与水力停留时间短,以及生物对氮、磷等生源要素吸收利用能力有限有很大的关系.李如忠等[28]在本试验渠段上方500m处一段芦苇占优势渠段,采用添加营养盐的示踪试验方法和养分螺旋原理,解析了NH4+、PO43-滞留特征,估算了生物滞留率.结果发现, H4+、PO43-的生物滞留贡献均不很高,其中NH4+生物滞留率平均仅为9.17%;PO43-生物滞留率平均仅为3.67%.

在水文因素中,水量和水动力学条件是两个重要因素[29],考虑到水量因素的自然限制,从水动力学条件改造着手,往往成为调控溪流暂态存储和营养盐滞留能力的重要切入点,这也是当前小河流营养盐滞留能力调控较常采取的技术方法.本研究在深潭中布置简易土袋,虽然在一定程度上影响潭底河床形态,但由于土袋高度接近或突出水面,对溪流水动力学条件的影响可能更明显,可以看作是河床地貌改造与水动力学条件影响相结合的调控技术.从理论上讲,深潭渠段设置的土袋可能引起水流冲击作用,即水流绕开土袋并在其周边产生较为明显的漩涡,不仅可以增大表水暂态存储潜力,也可能导致沟渠沉积物的再悬浮,从而增强对氮、磷营养盐的吸附作用.但出乎预料的是,针对深潭地貌格局实施的干扰,并没有对深潭本身NH4+、PO43-滞留产生明显的正面效应,却是提升了下游平直渠段的氮磷滞留能力.如何解释这一现象,还需进一步探究.至于人为干扰情形下深潭渠段Sw-PO4不降反升,即由232～609m上升为301～1100m,可能因为PO43-易于与铝/铁离子、钙离子等形成化学沉淀去除[7],而人为干扰在一定程度上破坏了深潭沉降条件造成的.

深潭/水塘与深潭之间通过沟渠连接形成溪流水系统中普遍连通的网络结构.可以说,排水沟渠和深潭地貌在整个汇水区的空间布局对水文形势和氮磷滞留都发挥了关键性的作用.本研究中深潭地貌格局是由人为开挖取土造成的,在对农村和农业面源氮、磷截留净化的环境功能方面,与生态系统尺度下沟渠串联形成的农村多水塘系统[30]颇有几分相似特性.由于溪流地处低矮丘陵岗地的农业区,潭内结构简单,没有山区深潭常见的块石、砾石或枯木残枝等.尽管人为干扰在渠底放置了土袋,但由于数量和规模较为有限,还不能从根本上影响深潭地貌的物理特征.人为干扰对深潭渠段氮磷滞留潜力提升影响不显著,但对下游相邻平直渠段却带来较为明显的改善,主要原因可能就是来自较为简单的深潭内部结构[7].从整个溪流的营养盐滞留效果看,人为干扰依旧是成功的调控方案.针对深潭内部结构的改造,将是下一步调控深潭地貌格局营养盐滞留能力的可能研究方向.

4 结论

4.1 试验渠段溪流水力学参数主要受流量因素主导,人工干预影响较为有限;试验渠段水流状态属于缓流类型,且溪流始终处于湍流状态.

4.2 9次试验中,深潭段NH4+和PO43-的λ值基本都较λs值低1～2个数量级;而平直渠段自然情形时λ-NH4值都较λs-NH4高2个数量级,人为干扰时λs-NH4与λ-NH4处于同一数量级.

4.3 人为干扰情景下深潭渠段Sw-NH4较自然情形下降明显,Sw-PO4则略有上升;平直渠段Sw-NH4和Sw-PO4下降都极为显著,表明平直渠段对人工干扰的响应水平高于深潭渠段.

4.4 与自然情形相比,人为干扰情景下深潭和平直渠段的Vf-NH4、Vf-PO4基本都有不同程度的增大,表明人工干扰有利于NH4+、PO43-滞留效应的发生.

4.5 尽管人为干扰对深潭地貌格局的NH4+、PO43-滞留能力改善作用不是很显著,但却显著提升了下游平直渠段营养盐滞留能力.从整个溪流层面来看,人为干扰措施对于增强营养盐滞留能力还是颇为有效的.

[1] 张树楠,肖润林,刘 锋,等.生态沟渠对氮、磷污染物的拦截效应[J]. 环境科学, 2015,36(12):4516-4522.

[2] 王 迪,李红芳,刘 锋,等.亚热带农区生态沟渠对农业径流中氮素迁移拦截效应研究 [J]. 环境科学, 2016,37(5):1717-1723.

[3] Peterson B J, W ollheimW M, Mulholland P J, et al. Control of nitrogen export fromwatersheds by headwater streams [J]. Science, 2001,292(5514):86-90.

[4] A lexander R B, Boyer E W, Smith R A, et al. The role of headwater streams in downstreamwater quality [J]. Journal of the American Water Resources Association, 2007,43(1):41-59.

[5] Weigelhofer G, Fuchsberger J, Teufl B, et al. Effects of riparian forest buffers on in-streamnutrient retention in agricultural catchments [J]. Journal of environmental quality, 2012,41(2): 373-379.

[6] Teufl B, W eigelhofer G, Fuchsberger J, et al. Effects of hydromorphology and riparian vegetation on the sediment quality of agricultural low-order streams: consequences for streamrestoration [J]. Environmental Science and Pollution Research, 2013,20(3):1781–1793.

[7] 李如忠,丁贵珍.基于OTIS模型的巢湖十五里河源头段氮磷滞留特征 [J]. 中国环境科学, 2014,34(3):742-751.

[8] Schwartz J S, Neff K J, Dworak F E, et al. Restoring riffle-pool structure in an incised, straightened urban streamchannel usingan ecohydraulic modeling approach [J]. Ecological Engineering, 2015,78:112-126.

[9] Dollinger J, Dagès C, Baily J-S, et al. Managing ditches for agroecological engineering of landscape: A review[J]. Agronomy for Sustainable Development, 2015,35(3):999-1020.

[10] Harrison MD. Miller A J, Groffman P M, et al. Hydrologic controls on nitrogen and phosphorous dynamics in Relict Oxbowwetlands adjacent to an urban restored stream[J]. Journal of the American Water Resources Association, 2014,50(6):1365-1382.

[11] Partil S, Covino T P, Packman A I, et al. Intrastreamvariability in solute transport: Hydrologic and geomorphic controls on solute retention [J]. Journal of Geophysical Research: Earth Surface, 2013,118(2):413-422.

[12] Passeport E, Vidon P, Forshay K J, et al. Ecological engineering practices for the reduction of excess nitrogen in humaninfluenced landscapes: A guide for watershed managers [J]. Environmental Management, 2013,51(2):392-413.

[13] Argerich A, Martí E, Sabater F, et al. Influence of transient storage on streamnutrient uptake based on substrata manipulation [J]. Aquatic Sciences, 2011,73(3):365-376.

[14] Ensign S H, Doyle MW. In-channel transient storage and associated nutrient retention: Evidence fromexperimental manipulations [J]. Limnology and Oceanography, 2005,50(6): 1740-1751.

[15] 李如忠,杨继伟,董玉红,等.丁坝型挡板调控农田溪流暂态氮磷滞留能力的模拟研究 [J]. 水利学报, 2015,46(1):25-33.

[16] 李如忠,张翩翩,杨继伟,等.多级拦水堰坝调控农田溪流营养盐滞留能力的仿真模拟 [J]. 水利学报, 2015,46(6):668-677.

[17] Bukaveckas P A. Effects of channel restoration on water velocity, transient storage, and nutrient uptake in a channelized stream[J]. Environmental Science and Technology, 2007,41(5):1570-1576.

[18] Lake P S, Bond N, Reich P. Linking ecological theory with streamrestoration [J]. Freshwater Biology, 2007,52(4):597-615.

[19] Mueller M, Pander J, Geist J. The ecological value of streamrestoration measures: An evaluation on ecosystemand target species scales [J]. Ecological Engineering, 2014,62(1):129-139.

[20] Craig L S, Palmer MA, Richardson D C, et al. Streamrestoration strategies for reducing river nitrogen loads [J]. Frontiers in Ecology and the Environment, 2008,6(10):529-538.

[21] Johnson Z C, Warwick J J, Schumer R. A numerical investigation of the potential impact of streamrestoration on in-streamN removal [J]. Ecological Engineering, 2015,83:96-107.

[22] O´Brien J M, Lessard J L, PlewD, et al. Auqatic macrophytes alter metabolismand nutrient cycling in lowland streams [J]. Ecosystems, 2014,17(3):405-417.

[23] Feijoó C, Giorgi A, Ferreiro N. Phosphate uptake in a macrophyte-rich Pampean stream[J]. Limnologica, 2011,41(4): 285-289.

[24] Hall Jr R O, Bernhardt E S, Likens G E. Relating nutrient uptake with transient storage in forested mountain streams [J]. Limnology and Oceanography, 2002,47(1):255-265.

[25] Gücker B, Boëchat I G. Streammorphology controls ammoniumretention in tropical headwaters [J]. Ecology, 2004,85(10): 2818-2827.

[26] Doyle MW, Stanley E H, Harbor J M. Hydrogeomorphic controls on phosphorus retention in streams [J]. Water Resources Research, 2003,39(6),1147,doi:10.1029/2003WR002038.

[27] Hall Jr R O, Baker MA, A rp C D, et al. Hydrologic control of nitrogen removal, storage, and export in a mountain stream[J]. Limnology and Oceanography, 2009,54(6):2128-2142.

[28] 李如忠,曹竟成,张瑞钢,等.芦苇占优势农田溪流营养盐滞留能力分析与评估 [J]. 水利学报, 2016,47(1):28-37.

[29] 李如忠,万灵芝,曹竟成,等.芦苇占优势农田溪流暂态存储特征及影响分析 [J]. 中国环境科学, 2016,36(2):553-561.

[30] 李玉凤,刘红玉,皋鹏飞,等.农村多水塘系统水环境过程研究进展 [J]. 生态学报, 2016,36(9):2482-2489.

Nu trient reten tion and responses to human distu rbance in multi-pool morphological pattern in an agricultural headwater stream.

LI Ru-zhong1*, GENG Ruo-nan1, HUANG Qing-fei1, QIAN Jing2, YANG Ji-wei3, QIN Ru-bin1
(1.School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China；2.Anhui Institute of Environmental Science, Hefei 230071, China；3.Anhui and Huaihe River Institute of Hydraulic Research, Bengbu 233000, China). China Environmental Science, 2017,37(2)：720～729

FromNovember 2015 to April 2016, nine field tracer experiments including four human disturbance scenarios were conducted in an agricultural headwater streamof Nanfei River, located in Chaohu Lake basin. To explore the nutrient retention efficiencies and its response to human disturbance for multi-pool morphological pattern in streams, conservative (NaCl) and non-conservative (NH4Cl and KH2PO4) solutes were co-injected at a constant rate. Based on the tracer experiments, hydraulic parameters and nutrient spiraling metrics were calculated. Test streamreach displayed striking turbulence characteristics through the nine tracer experiments and its flowbelonged to subcritical flow. The decrease of Sw-NH4(NH4+uptake lengths) in the deep pool under human disturbances was significant with a drop from331～3304mto 232～609m, while the PO43-uptake lengths Sw-PO4increased slightly with a raise from232～609mto 301～1100m.The Sw-NH4decreased sharply from4812～58895mto 2463～13955m, and the Sw-PO4also dropped markedly from6242～75285mto 1792～11432m, in the straight sub-reach in the case of human disturbances. The falling ranges of Sw-NH4and Sw-PO4in the straight sub-reach greatly exceeded that in the pool sub-reach under human disturbances, suggesting that the straight sub-reach was highly affected by the human disturbance. Compared with the natural situation, the values of Vf-NH4and Vf-PO4both in straight and pool sub-reaches under human disturbances had an increase, which would be helpful to nutrient retention. Fromthe point of the whole test stream, the effectiveness of human disturbance was feasible and effective for the improvement of nutrient retention efficiency.

pool；agricultural headwater stream；nutrient retention；human disturbance；nutrient spiraling metrics

X52

A

1000-6923(2017)02-0720-10

李如忠(1970-),男,安徽蚌埠人,教授,博士,主要从事水环境保护与污染控制技术、非点源污染过程阻断与调控技术研究.发表论文130余篇.

2016-06-03

国家自然科学基金资助项目(51579061,51179042)

* 责任作者, 教授, Lrz1970@163.com