杭州市典型農區溝渠底泥反硝化和吸磷潛力評價

阮弋飛，謝國雄，陳英霞，潘建立，汪天娜，李松昊*

(1.杭州市臨安區農林技術推廣中心，浙江 杭州 311300； 2.杭州市植保土肥總站，浙江 杭州 310020)

1 材料與方法

1.1 材料

根據農田地貌特征，將杭州市農區分為水網平原、河谷平原、濱海平原等3類。分別在水網平原、河谷平原、濱海平原各采集10份溝渠底泥，共30份。水網平原溝渠底泥采自余杭、蕭山等地，河谷平原溝渠底泥采自臨安、桐廬、富陽等地，濱海平原溝渠底泥采自蕭山。采樣深度為與水接觸較密切的0～2 cm。樣品經充分混勻后分為2份：一份冷藏，用于分析反硝化潛力、磷吸附能力與細菌數量，結果經含水量校正；另一份室內風干，用于分析土壤pH值、有機質、黏粒、CaCO3、總氮和微生物生物量碳。反硝化潛力、磷吸附能力與細菌數量的分析在樣品采集后7 d內完成。

1.2 方法

底泥磷吸附能力用磷吸持指數(PSI)表示[13]，測定方法如下：稱取4份(重復4次)相當于2.5 g 烘干土的新鮮底泥，放置于50 mL離心管中，加入25 mL含磷量為150 mg·L-1的0.01 mol·L-1CaCl2溶液，并加入2滴甲苯以抑制微生物的活動，25 ℃振蕩24 h后，離心分離上清液，用鉬銻抗顯色法測定平衡液中磷的濃度，根據加入溶液與平衡液間磷濃度的差異計算底泥對磷的吸附量。根據底泥對磷的吸附量與平衡液中磷的濃度計算PSI值。PSI值越大，說明底泥固磷的能力越強。

底泥細菌種類用稀釋平板法測定[14]。底泥性狀采用常規法測定[15]。微生物生物量碳采用氯仿熏蒸-硫酸鉀提取法測定。

2 結果與分析

2.1 底泥的基本性質

如表1所示，所調查的30個溝渠底泥理化性狀有較大的變化：黏粒、有機質和CaCO3含量分別在91～330、28.31～85.73、0～23.20 g·kg-1(表1)，平均值分別為200、65.33和7.73 g·kg-1；pH值在6.88～7.73，全氮含量在1.18～3.16 g·kg-1，平均分別為7.25和2.42 g·kg-1。總體上，水網平原溝渠底泥的黏粒、有機質、全氮含量較高；濱海平原溝渠底泥的黏粒、有機質含量較低，而pH值和CaCO3含量較高；河谷平原溝渠底泥的黏粒含量處于水網平原與濱海平原溝渠底泥之間，其有機質和全氮含量較接近水網平原溝渠底泥。

2.2 底泥的反硝化潛力

杭州市農區溝渠底泥反硝化潛力在0.22～2.36 mg·kg-1·h-1，平均為0.86 mg·kg-1·h-1，表明因所處地理環境的差異，杭州市農區溝渠底泥反硝化潛力有較大差異。

由圖1可知，水網平原、河谷平原和濱海平原農區溝渠底泥的反硝化潛力平均值分別為1.18、0.96、0.42 mg·kg-1·h-1，水網平原和河谷平原農區溝渠底泥的反硝化潛力顯著高于濱海平原，但水網平原與河谷平原農區溝渠底泥的反硝化潛力無顯著差異。

表1 不同農區溝渠底泥性狀對比

柱上無相同字母的表示處理間差異顯著(P<0.05)。圖2同圖1 不同農區類型溝渠底泥反硝化潛力對比

相關分析表明，農區溝渠底泥反硝化潛力與底泥有機質、全氮、微生物生物量碳、細菌數量及黏粒含量等存在極顯著的相關性，相關系數分別為0.931 3、0.924 5、0.684 5、0.735 2和0.602 7(n=30)；與CaCO3含量呈極顯著負相關，相關系數為-0.611 7；但與全磷含量和pH值無顯著相關性。底泥反硝化潛力與有機質含量的相關系數最高，因此可根據底泥中有機質的積累評估反硝化強度。底泥反硝化強度與有機碳(有機質、微生物生物量碳和細菌數量)具有較好的相關性，原因可能如下：其一，在底泥中有機碳是反硝化作用中微生物的碳源，有機碳的積累可大大增加參與反硝化過程微生物的數量；其二，高量有機碳增加底泥的呼吸強度，從而降低O2濃度，為反硝化提供了所需的厭氧環境，有助于反硝化作用的進行[16-18]。

2.3 底泥的固磷能力

杭州市農區溝渠底泥的磷吸持指數在37.83～69.05，平均為54.47。由圖2可知，水網平原、河谷平原和濱海平原農區溝渠底泥的磷吸持指數平均值分別為62.94、57.11和43.36，水網平原和河谷平原農區溝渠底泥的磷吸持指數顯著高于濱海平原，但水網平原和河谷平原農區溝渠底泥的磷吸持指數無顯著差異。

圖2 不同農區溝渠底泥磷吸持指數對比

相關分析表明，溝渠底泥磷吸持指數與黏粒含量的相關系數最高(0.838 9)，達到極顯著水平；與有機質含量、微生物生物量碳呈顯著正相關，相關系數分別為0.464 5和0.514 9；與pH值和CaCO3含量呈極顯著負相關，相關系數分別為-0.606 9和0.627 1。總體來看，底泥中的黏粒含量是影響底泥磷固定的關鍵因素。一般來說，固定磷的主要成分為氧化物、碳酸鈣、有機質等，氧化鐵主要存在于黏粒中，因此黏粒的增加可增加底泥對磷的固定。本研究中磷吸持指數與碳酸鈣含量呈負相關，可能是由于相較于黏粒，碳酸鈣對磷的固定作用較小，其作用被黏粒掩蓋。

3 小結

本研究表明，杭州市農區溝渠底泥的反硝化潛力和磷吸持指數均以水網平原和河谷平原較高、濱海平原較低。相關分析表明，底泥反硝化強度主要受有機質含量、全氮含量、微生物生物量碳控制，而磷吸持指數主要與黏粒含量有關。底泥有機質積累和黏粒含量是影響農區溝渠排水中氮、磷凈化的關鍵因素。