作為農(nóng)田與受納水體之間的一個過渡帶，農(nóng)田排水溝在長期運(yùn)行過程中演變成一種由水體-底泥-生物組成的濕地生態(tài)系統(tǒng)，具有凈化農(nóng)田排水和改善灌區(qū)水環(huán)境的作用。其中，表層底泥為各種物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)換的活躍區(qū)域。已有研究表明，水體污染物遷移轉(zhuǎn)化的重要環(huán)節(jié)大都是發(fā)生在表層底泥環(huán)境的微界面，污染物變化或反應(yīng)特性與界面微環(huán)境密切相關(guān)。溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）、硫化氫（Hydrogen Sulfide，H2S）等物質(zhì)含量是表征水體-底泥界面化學(xué)特征和組成的重要指標(biāo)，可以直接反映底泥微環(huán)境的狀態(tài)和組分變化。氧氣在底泥物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化過程中起著關(guān)鍵作用，水體與底泥孔隙水中DO濃度的時空變異可顯著地影響其界面附近物質(zhì)儲存與轉(zhuǎn)運(yùn)、微生物過程及污染物形態(tài)轉(zhuǎn)化等，缺氧環(huán)境下硫酸鹽還原菌（Sulfate Reducing Bacteria，SRB）可利用硫酸根作為電子受體進(jìn)行無氧呼吸產(chǎn)生H2S，進(jìn)而影響底泥的生態(tài)功能。因此，水體與底泥界面微環(huán)境的研究備受關(guān)注。

在界面微環(huán)境研究過程中，確定擴(kuò)散邊界層（Diffusion Boundary Layer，DBL）是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，而測量界面DO濃度的傳統(tǒng)方法對沉積物的擾動較大，難以保證測量精度。隨著計算機(jī)科學(xué)的發(fā)展以及傳感技術(shù)的進(jìn)步，微電極成為測量DO以及硫等物質(zhì)在沉積物-水界面垂直方向上特別是在DBL中濃度分布的有效手段，提升了人們對沉積物-水界面高分辨率的認(rèn)識，例如利用DO微電極精細(xì)（垂向分辨率達(dá)0.05～0.1 mm）觀測了沉積物-水界面DO含量的微小變化，他們發(fā)現(xiàn)上覆水體中的DO維持在相對穩(wěn)定的水平，當(dāng)進(jìn)入DBL后DO的濃度開始逐漸、顯著地呈線性下降，由此可以確定DBL厚度在0.2～1 mm之間，其厚度主要受上覆水流速和沉積物地形粗糙度的影響。

利用微電極直接測量沉積物的化學(xué)濃度梯度，從垂直化學(xué)濃度剖面可計算其通量、消耗量和滲透深度，由此可推知氧化還原環(huán)境、微生物活動的層次和性質(zhì)乃至各種化學(xué)成分的生物地球化學(xué)循環(huán)。不過，這些研究多集中在海洋、湖泊、河流、水庫等沉積物-水界面微環(huán)境，對農(nóng)田排水溝中水體與底泥界面微環(huán)境變化鮮有報道。界面微環(huán)境特征指標(biāo)可用來評價宏觀上不同系統(tǒng)的實際應(yīng)用效果。作為農(nóng)田與受納水體之間的一個物質(zhì)傳輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)，排水溝水力條件對于其中的物質(zhì)循環(huán)及污染物輸出具有重要作用。開展對農(nóng)田排水溝水體與底泥界面微環(huán)境指標(biāo)變化趨勢的研究，有助于了解化學(xué)物質(zhì)和污染物在水體中遷移和轉(zhuǎn)化的機(jī)理，為發(fā)揮排水溝這一人工濕地控制和治理農(nóng)業(yè)面源污染提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

陜西省富平縣鹵泊灘鹽堿化改良區(qū)，因歷史上曾為古湖泊洼地，土壤鹽分累積較多，區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一直受到土壤鹽漬化的制約。1999年末，經(jīng)有關(guān)部門土地平整和健全灌排系統(tǒng)措施，在降雨和灌溉的作用下，農(nóng)田土壤鹽分逐漸降低。受其地形影響，農(nóng)田排水溝除了接納本區(qū)的排水以外，還接納部分來自上游灌區(qū)的退水，區(qū)內(nèi)排水溝和一些下游洼地形成了一定的水面。研究區(qū)上游改良區(qū)農(nóng)田各級排水溝之間水力聯(lián)系通暢，而下游部分鹽荒地農(nóng)田排水溝則與外界無連通，排水出路不暢，導(dǎo)致溝內(nèi)水體環(huán)境惡化問題。為了明確鹽堿化改良區(qū)與鹽荒地兩種水力條件差異較大的排水溝生態(tài)系統(tǒng)中底泥污染物變化規(guī)律的差異，本文以鹵泊灘灌區(qū)農(nóng)田排水溝水體與底泥為研究對象，通過原位采集改良區(qū)和鹽荒地排水溝水體與底泥，模擬天然水體環(huán)境，運(yùn)用微電極研究系統(tǒng)對其界面微環(huán)境指標(biāo)（DO、H2S）進(jìn)行測定，在前期界面氧通量研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對比分析排水條件影響界面微環(huán)境的變化規(guī)律及其過程，為深入研究灌區(qū)農(nóng)田排水溝底泥污染物運(yùn)移及其他生物地球化學(xué)過程提供基礎(chǔ)信息，為農(nóng)田排水溝水生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論指導(dǎo)。

1、材料與方法

1.1研究區(qū)底泥采樣點及分析方法

如圖1所示，2019年3月16日（春季）在陜西省富平縣鹵泊灘鹽堿化改良區(qū)（109°18′-109°42′E、34°43′-34°50′N）農(nóng)田排水溝中進(jìn)行底泥采樣，采樣剖面分別布設(shè)在上游改良區(qū)和下游鹽荒地相鄰的4條農(nóng)溝中央位置，且選取的4條鹽荒地排水溝均與外界無水力連通。研究區(qū)農(nóng)田排水溝實況如圖2所示。

每個監(jiān)測樣點用Niskin（美國General Oceanics）采水器采集泥面以上10 cm處的水樣，放入車載冰箱（中國FYL-YS-117A）冷藏帶回實驗室，同時用Beeker（荷蘭04.23.SA）型沉積物原狀采樣器取界面清晰的泥柱，控制柱狀樣深度30 cm，并帶原位上覆水，密封后運(yùn)回實驗室，每個監(jiān)測點位每次取3個水體樣品，采集5個柱狀泥柱，供平行測試，共采集泥柱40個。依據(jù)監(jiān)測剖面的命名和供試泥柱數(shù)對所觀測的DO濃度剖面進(jìn)行依次編排（剖面01～40），同時利用多參數(shù)水質(zhì)分析儀（美國HACH HQ40d）測定現(xiàn)場采樣點水質(zhì)指標(biāo)。實驗室水質(zhì)指標(biāo)總氮和總磷的測定依據(jù)國家環(huán)?？偩志幹摹端蛷U水監(jiān)測分析方法》（第四版，2002），底泥有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定參照《土壤農(nóng)化分析》（第三版，2008）。底泥SO42-含量采用液相色譜儀（美國Agilent-HPLC1100）進(jìn)行測定。底泥含水率采用烘干法測定，將待測濕底泥按照2 cm分層混合均勻后進(jìn)行測定，將濕泥在105℃條件下烘12 h至恒質(zhì)量，計算含水率。底泥分層粒徑分析樣品用稀鹽酸、雙氧水處理，分別去除碳酸鹽和有機(jī)質(zhì)后，用激光粒徑分析儀（英國Mastersizer-2000）進(jìn)行測定。

1.2微電極測定方法

本試驗采用丹麥微電極（MM-METER，Unisense）系統(tǒng)在實驗室進(jìn)行農(nóng)田排水溝水體與底泥DO和H2S濃度剖面測量。該系統(tǒng)主要由微電極、四通道主機(jī)、馬達(dá)控制器、微電極推進(jìn)器、Sensor Trace PRO軟件、實驗室支架LS18等組成（圖3）。

1.2.1 DO測定

Unisense DO微電極尖端外徑為25μm，在校正之前必須預(yù)極化2 h以上，DO微電極的極化電壓為-0.8 V，預(yù)極化信號值穩(wěn)定后進(jìn)行校正。試驗設(shè)置5個平行樣分別測量DO值，對同一監(jiān)測點位的DO測量3次后求平均值，每組試驗重復(fù)進(jìn)行3次，測量步長為100μm，剖面起始于底泥界面上邊界2～3 mm處，每組DO濃度剖面的測量時間約為30 min，從08:30分開始連續(xù)觀測至第2天06:30分結(jié)束，共觀測120個DO剖面。

1.2.2 H2S測定

Unisense H2S微電極是一個帶有內(nèi)參比電極、測量電極和保護(hù)電極的微型化皮安微電極，其尖端外徑為25μm，在校正之前必須預(yù)極化2 h以上，H2S微電極的極化電壓為+0.08 V，預(yù)極化信號值穩(wěn)定后進(jìn)行校正。H2S微電極的校正需要3點校正。首先制作Na2S儲備液，然后向不同體積的儲備液中加入無氧鹽酸溶液（pH≤4.0）制作成不同濃度的H2S標(biāo)液，校正液溫度必須與待測樣品一致，校正和測量應(yīng)該在同一環(huán)境下，電極放進(jìn)不同校正液前要用蒸餾水進(jìn)行清洗。H2S剖面測量深度受限于所購買電極長度，最大只能測量到距離界面約40 mm處，測量步長50μm，每組H2S濃度剖面的測量時間約為60 min，共觀測24個H2S剖面。

1.3 Profile模型模擬簡介

Jan等結(jié)合微電極建立了Profile模型，引入了氧氣凈產(chǎn)量的概念，即光合作用、呼吸作用以及擴(kuò)散作用綜合的結(jié)果，來反映界面中有氧微生物的生命活動強(qiáng)弱。模型可以分辨水中汽泡、生物活動等偶然因素引起的異常數(shù)據(jù)，精確體現(xiàn)剖面結(jié)構(gòu)，應(yīng)用實測剖面溶質(zhì)濃度數(shù)據(jù)和底泥孔隙度等作為邊界條件進(jìn)行分層優(yōu)化擬合計算得出每層的單位體積耗氧速率。對于DO剖面圖來講底部氧氣已耗盡，一般都是以一個恒定的濃度值0作為結(jié)束終點，即在剖面圖底部存在一個0濃度和0通量；而在H2S剖面的最頂部上方的一個區(qū)間里濃度值為0值，通量也為0通量，該模型主要基于Fick擴(kuò)散第二定律

微電極測定鹽堿化改良區(qū)和鹽荒地的農(nóng)溝水體與底泥界面DO、H2S濃度（一）

微電極測定鹽堿化改良區(qū)和鹽荒地的農(nóng)溝水體與底泥界面DO、H2S濃度（二）