农田排水沟渠非点源溶质净化与内源污染形成机理研究

Drainage ditches were the important part of the transporting, control and management for agricultural non-point source pollution. The specific water-soil-plant structure of farmland drainage ditches played a purifying role for non-point source solute, were easy to form internal pollution sources as the change of environmental condition, and showed a strong "source" and "sink" transformed characteristics. In order to give full play to the role of "process intercept" for farmland drainage ditches, combining with the current research status, we intend to carry out this project. Taking different forms of nitrogen and phosphorus as typical non-point source solutes and the monitoring test as basis, combining the mechanism analysis and numerical simulation as research method, this project will analyze the migration and conversion features of different forms of nitrogen and phosphorus in the water-soil-plant mediums of drainage ditches, study and simulate the annual process in a single medium and different mediums of water-soil-plant, and study the mechanism of multi-medium synergistic effect in different process. Basing on this research, the project will reveal the formation mechanism of non-point source pollution solute purification and internal pollution in different periods during the year, and reveal the critical process of non-point source pollution solute purification evolved into internal pollution and the formation mechanism of the "inflection point". The research results will further improve the theoretical system of agricultural non-point source transporting in the drainage ditches, and provide a scientific basis for strengthening the process regulation of "Sources" and "Sinks" phases.

排水沟渠是农业非点源污染输送、控制和管理的重要环节。农田排水沟渠特有的水-土-植物结构既对非点源溶质具有净化作用又随着环境条件改变易形成内源污染，表现出强烈的"源"、"汇"转化特性。为充分发挥农田排水沟渠的"过程拦截"作用，结合当前研究探索，申请项目拟以不同形式氮磷作为典型非点源溶质，以监测试验为基础，采用机理分析和数值模拟相结合的方法，在分析不同形式氮磷农田排水沟渠水-土-植物间迁移转化特征的基础上，研究、模拟年内不同排水期水-土-植物单一介质内和不同介质间的氮磷迁移转化过程，研究不同过程中水-土-植物多介质的协同作用机制，进而揭示农田排水沟渠年内不同时期非点源溶质净化与内源污染的形成机理，揭示农田排水沟渠由非点源溶质净化演变为内源污染的临界过程与"拐点"形成机理。项目研究成果将进一步完善农业非点源污染沟渠输污环节理论体系，并为加强农田排水沟渠 "源"、"汇"过程调控提供科学依据。

排水沟渠是农业非点源污染输送、控制和管理的重要环节。农田排水沟渠特有的水-土-植物结构既对非点源溶质具有净化作用又随着环境条件改变易形成内源污染，表现出强烈的"源"、"汇"转化特性。为充分发挥农田排水沟渠的"过程拦截"作用，揭示其中溶质的迁移转化是核心与关键。项目通过田间沟渠试验、模拟沟渠试验等，首先分析了田间沟渠水体-底泥系统上下游、左右岸的变化特征，分析了水体、底泥中溶质浓度沿水流方向递减的趋势以及典型横断面水体、底泥中溶质浓度不平衡分布的特征，探讨了其与断面形式、水体流速之间的对应关系等等。通过模拟沟渠试验，分析了水体-底泥-植物之间溶质的运移特征和变化过程，分析了水体污染源“净化”与“内源污染”的形成过程及成因；农田排水沟渠单一介质内部及不同介质间氮素的迁移和转化都不是孤立的，水体中溶质浓度的升高或降低，必然受底泥或水生植物介质内或介质间氮素迁移转化影响。以实验为基础，项目进一步解吸了底泥对水体中溶质的吸附和解吸过程，探讨了不同龄期底泥吸附和解吸过程的差异及其成因；分析了水体、水体-底泥、水体-底泥-水生植物不同系统中微生物及菌类数量的变化，解吸了底泥中微生物对水体中溶质的吸附和解吸过程的影响程度；基于主成分分析法，分析了水体-底泥-水生植物系统中影响溶质迁移转化的主要因子；项目以非点源溶质氮为例，解吸了有机氮、氨氮和硝酸盐氮在水体-底泥-水生植物复合生态体的循环过程，综合考虑底泥吸附与解吸、植物生长吸收与有机制释放等各类作用，解吸了不同类型氮在水-土-植物各介质之间的迁移转化过程，揭示沟渠湿地系统对农田排水中氮磷的净化作用内源污染的机理形成和过程。以田间试验沟渠为例，通过修正作用系数K，对沟渠系统溶质运移进行了模拟，收到较好效果。项目上述研究成果可为生态沟渠及沟渠湿地设计、构建提供技术支持和科学依据，也可为我国尚不完善的农业非点源污染防控理论提供重要补充。