盐渍化灌区农田排水沟底泥与水体盐分交换机理研究

Salinity in drainageditches in saline irrigated area grows with time due to cumulative effect. The high salinity in ditches may cause negative effect on their ecological functions.Dilutingthe drainage ditches with fresh water periodically may slow down the salt accumulation process.Based onthe understanding of salt exchange between sediment and the overlying water,further investigating the sediment and water interface diffusion boundary layer and its spatial and temporal effectsis the key scientific question to be answered. This research proposes to explore the inner mechanism of the saltexchangebetween drainage ditchsediment and the overlying water on the basis of the actual samplesand indoor experimental analysis, to determine internal mechanism of salt water exchangeunder the conditions of static and constant water flow above the sediment. The input and output method will be used to study the salt release from sediment, the actual release of salt will be estimated on the basis of salt balance in water.Quantitative analysis will be conducted on the space and time scaleof the diffusion boundary layer; in order toreveal thepatterns ofsalinity change at the sediment and water interface, and clarify the salt movement mechanismin the special geographical environment of ditchsediment.Findings from this research may provide reference fordrainage ditch water quality evolution, pollutant flux calculation and salt management of similar irrigation areas, and havescientific significance and practical valuein land management in saline agricultural environment.

盐渍化灌区排水沟内盐分的积累会影响到排水沟的生态环境功能，需要及时利用淡水进行稀释来控制盐分浓度，而排水沟底泥中积累的盐分的释放会对这一过程产生一定影响。确定底泥与水体之间盐分交换是有效控制和调节排水系统盐分动态的关键。本课题拟以田间采样试验为基础，通过室内机理试验及理论分析，探索排水沟底泥与水体盐分交换的机理，明确在静态和恒定水流条件下底泥与水体盐分交换的机制及过程，采用输入输出法来研究底泥中盐分向上覆水的释放过程，通过研究水体中盐分的平衡，估算出盐分的释放量；量化分析扩散边界层对盐分在底泥与水体间交换的时空尺度，揭示底泥与水体界面盐分变化的规律，阐明排水沟这一特殊地理环境中底泥盐分运移机理。研究成果将为类似灌区排水沟水质演化、污染物通量计算及盐分管理提供依据，对盐碱地治理具有重要的科学意义和生产实践价值。

因长期累积效果，盐碱地排水沟内盐分含量不断升高，危及排水沟系统的生态功能，利用淡水定期进行稀释可延缓盐分累积过程。本研究以陕西富平县卤泊滩盐碱地改良区为例，揭示了底泥盐分释放的内在机理。研究结果表明，在分子扩散作用下水体与底泥界面之上10cm的范围内存在着一个高盐分渐变区（即扩散边界层），分子扩散是边界层内盐分运移的主要机制；底泥盐分释放通量符合负的幂指数形式，扩散边界层对底泥盐分释放具有阻滞作用，且随着边界层厚度的增加，阻滞效应也显著增强。界面微环境特征指标可用来评价宏观上不同系统的实际应用效果，从环境微界面角度出发，采用高分辨率微环境固液剖面传感系统，探究了研究区农田排水沟水体与底泥界面氧通量变化规律，结果表明：底泥中的溶解氧随深度的增加逐渐减小，直至溶解氧浓度为零，到达厌氧层；农田排水沟上游不同监测点位的底泥含氧层厚度在3.5~6mm之间，而下游监测点位的底泥含氧层厚度约为1.5mm，差异显著；通过氧浓度线性分布、剖面拐点法得到氧气扩散边界厚度，上游监测点位的氧气扩散边界层厚度基本在1mm，而下游监测点位的氧气扩散边界层厚度减少至0.2mm。改良区与盐荒地排水沟水体与底泥指标均存在不同程度的差异；改良区与盐荒地底泥氧气最大渗透深度分别为10.2 mm和2.6 mm，扩散边界层厚度分别在0.4~0.8 mm和0.2~0.4mm之间；改良区排水沟底泥硫化氢浓度小于10 µmol/L，而盐荒地高至178 µmol/L。高通量测序显示不同环境基质底泥细菌群落存在一定差异，高分辨率扫描显示底泥表层微观孔隙结构复杂。研究结果对盐碱地治理具有重要的科学意义和生产实践价值，首次测定了我国农田排水沟水体与底泥界面氧通量，底泥中氧气渗透深度决定了氧化还原界面的深度，其空间分布图有助于进行有氧、无氧条件下作用机理推断（如硝化、反硝化临界点），对于认识农田排水沟底泥的地球化学过程及水环境作用机理具有重要意义，为研究区及类似地区利用沟渠湿控制和治理农业面源污染、改善农田生态环境提供借鉴参考。