薛棟元， 胡海珠，2， 張錦寧， 任嘉偉

(1.內(nèi)蒙古大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古河流與湖泊生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；2.蒙古高原生態(tài)學(xué)與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

氮素引起的富營(yíng)養(yǎng)化是全球范圍關(guān)注的水環(huán)境問(wèn)題［1］。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中合成肥料的過(guò)量施用和畜牧養(yǎng)殖業(yè)中畜禽糞尿的大量排出是氮素面源污染的重要來(lái)源。大氣、地表和土壤中的過(guò)量氮素在水文過(guò)程的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入水體，從而造成水環(huán)境污染，硝酸鹽（）和氨鹽（）是水體中最主要的氮素形態(tài)［2］。河岸潛流帶作為地表水和地下水的混合區(qū)域，其中的水量交換促進(jìn)了物質(zhì)和能量的交換，并形成了明顯的氧化還原梯度和多樣的生物群落，因此被普遍認(rèn)為是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化，特別是氮素循環(huán)的熱點(diǎn)區(qū)域［3-6］。厘清兩種氮素在河岸潛流帶的遷移轉(zhuǎn)化和來(lái)源是氮素污染負(fù)荷控制的關(guān)鍵。

有研究表明，夏季汛期是氮素轉(zhuǎn)化的熱點(diǎn)時(shí)期，降雨徑流事件是流域氮素面源污染的主要驅(qū)動(dòng)因子，刺激了氮循環(huán)的周轉(zhuǎn)［7］。相關(guān)研究通過(guò)分析污染物濃度與降雨、流量的動(dòng)態(tài)關(guān)系，利用滯后現(xiàn)象（hysteresis）解釋氮素的來(lái)源和途徑，即氮素是來(lái)自于漲水期通過(guò)地表徑流快速進(jìn)入河流或是在落水期由地下水排泄至河流［8-9］，但是僅依靠河水的流量和氮素濃度監(jiān)測(cè)及滯后分析不足以準(zhǔn)確識(shí)別氮素的遷移轉(zhuǎn)化，需要結(jié)合氮素及相關(guān)環(huán)境因子在河岸帶的分布進(jìn)一步明晰其周轉(zhuǎn)過(guò)程。

大多數(shù)研究表明，河岸潛流帶是硝酸鹽的匯，其中發(fā)生的硝化、反硝化、厭氧氨氧化等過(guò)程取決于潛流帶中的氮素供應(yīng)、水化學(xué)特征以及水文條件（例如洪水特征、地下水位）等［10-11］。目前，研究者對(duì)灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)附近的河流潛流帶開(kāi)展了廣泛研究，例如，Darwiche-Criado等［12-14］發(fā)現(xiàn)，在豐水期與枯水期的來(lái)源不同，且對(duì)水文過(guò)程的響應(yīng)不同。潘俊等［15-17］發(fā)現(xiàn)了潛流帶的氧化還原條件影響了氮素的生物地球轉(zhuǎn)化過(guò)程，反硝化、厭氧氨氧化轉(zhuǎn)化強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)存在空間差異。但是，目前國(guó)內(nèi)研究對(duì)牧區(qū)河岸帶的氮素遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律認(rèn)識(shí)仍有不足，大多研究?jī)H關(guān)注在反硝化作用下的遷移轉(zhuǎn)化模擬［18-19］?；诖?，本研究基于汛期高頻率水位、水體氮素濃度及其相關(guān)環(huán)境因子的監(jiān)測(cè)，采用模擬軟件FEFLOW［20］構(gòu)建河岸潛流帶水流-氮素遷移轉(zhuǎn)化模型。旨在分析河流及河岸潛流帶中氮素動(dòng)態(tài)及其對(duì)水文過(guò)程的響應(yīng)，探究河岸潛流帶中兩種主要氮素溶質(zhì)的來(lái)源和運(yùn)移機(jī)制，以期為河岸帶管理及流域氮素污染治理提供借鑒與幫助。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于內(nèi)蒙古高原東部的錫林郭勒草原，地處我國(guó)草原從東部半濕潤(rùn)草甸草原區(qū)向西北半干旱典型草原區(qū)過(guò)渡地帶（圖1）。錫林河是錫林郭勒草原的母親河，全長(zhǎng)268 km，從東南向西北流動(dòng)。錫林河流域面積10542 km2，年降水量為250～400 mm，全年最大降水量出現(xiàn)在夏季汛期的7—8月，多年平均蒸發(fā)量1900 mm［21］。地下水以松散巖孔隙水為主，富水性較強(qiáng)，上層潛水含水層以上更新統(tǒng)的細(xì)砂為主［22］。錫林郭勒草原是我國(guó)北方重要的牧場(chǎng)。

圖1 研究區(qū)及研究河段監(jiān)測(cè)井布設(shè)Fig.1 Overview of the study area and layout of the monitoring wells in the studied river section

1.2 原位定點(diǎn)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

于2020年夏季汛期，在位于中國(guó)科學(xué)院內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)定位研究站附近的錫林河上游河段開(kāi)展野外定點(diǎn)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。監(jiān)測(cè)時(shí)段為6 月15 日、7月2 日至8 月14 日、9 月20 日。研究河段總長(zhǎng)110 m，河寬平均8.5 m。監(jiān)測(cè)期內(nèi)降雨量共180.3 mm，其中兩次較大降雨，分別為7 月11—13 日連續(xù)3 d降雨共47 mm 和8 月8 日的降雨64 mm。監(jiān)測(cè)期內(nèi)河水深0.3～0.7 m，河岸地下水埋深為0.5～1.1 m。分別在河道及河岸共布設(shè)9個(gè)監(jiān)測(cè)井（圖1），河道內(nèi)間隔5 m 均勻布設(shè)3 個(gè)監(jiān)測(cè)井(C1～C3)，河道左岸（1L～3L）和右岸（1R～3R）分別布設(shè)3個(gè)監(jiān)測(cè)井，位于距離河道7～10 m 位置。河岸監(jiān)測(cè)管深度為地表以下2 m，河道監(jiān)測(cè)管深度為河床表面以下1 m。選用直徑為50 mm的PVC管作為地下水監(jiān)測(cè)井管，在距離管底10～15 cm 的位置均勻鉆孔，并用400 目尼龍網(wǎng)包裹，防止淤泥堵塞。

監(jiān)測(cè)前期，采用全站儀測(cè)量研究區(qū)地形。監(jiān)測(cè)期間，采用水位計(jì)及水尺逐日監(jiān)測(cè)地下水位及河水位。使用流速儀測(cè)量河水流速，根據(jù)河寬換算流量。每隔5～7 d 采用便攜式水質(zhì)分析儀（Multi 3630 IDS SETG）監(jiān)測(cè)河水和地下水的溫度、溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）、pH 等水質(zhì)參數(shù)。同時(shí)采集河水和地下水水樣，置入100 mL 棕色采樣瓶，陰涼且避光保存，防止發(fā)生生物化學(xué)轉(zhuǎn)化。將采集水樣在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)直徑0.4 μm濾膜過(guò)濾，根據(jù)生態(tài)環(huán)境部推薦的測(cè)定方法，使用Vario TOC分析儀測(cè)定溶解有機(jī)碳（Dissolved Organic Carbon，DOC）濃度［23］。使用紫外分光光度計(jì)（SHIMADZU UV-2600）測(cè)定無(wú)機(jī)氮濃度：采用納氏試劑分光光度法測(cè)定［24］；采用紫外分光光度法測(cè)定［25］。

1.3 河岸潛流帶水流和溶質(zhì)運(yùn)移模型構(gòu)建

研究區(qū)河岸潛流帶通過(guò)降水和河流滲透得到補(bǔ)給，河水和地下水的交換取決于河流與地下水位之間的水力梯度和沉積物的滲透性能。放牧牛群排泄的糞尿是研究區(qū)主要的氮素來(lái)源，在水文和生物地球化學(xué)的共同作用下可能發(fā)生硝化、反硝化等反應(yīng)過(guò)程。本研究基于FEFLOW 建立了研究河段河岸潛流帶的三維水流和氮素溶質(zhì)反應(yīng)運(yùn)移數(shù)值模型（圖2），根據(jù)潛流帶內(nèi)水流過(guò)程和氮素遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程，采用2020年夏季汛期的地下水位和地下水濃度進(jìn)行模型擬合。模型長(zhǎng)65 m，寬40 m，深度4 m，采用三角形有限單元網(wǎng)格進(jìn)行離散，在河道區(qū)域加密。根據(jù)實(shí)測(cè)地表高程設(shè)置模型，垂直分為4層，每層由1069個(gè)單元格構(gòu)成。系統(tǒng)自動(dòng)生成每天9個(gè)模擬時(shí)間步長(zhǎng)，共計(jì)44 d。

圖2 FEFLOW中的數(shù)字高程模型Fig.2 Digital elevation model in FEFLOW

河岸潛流帶中水流采用非穩(wěn)定流潛水方程描述［26］：

式中：Kxx、Kyy、Kzz是沿坐標(biāo)軸x、y、z方向的滲透系數(shù)（m·d-1），假設(shè)坐標(biāo)軸與滲透系數(shù)的方向一致；H為地下水位（m）；h為潛水層厚度（m）；t為時(shí)間（d）；ω為單位時(shí)間水平面積上的垂向補(bǔ)給量（m3·d-1）；μ為給水度。

溶質(zhì)反應(yīng)運(yùn)移模型采用以下對(duì)流彌散方程描述［27］：

式中：c為水中溶質(zhì)的濃度（mg·L-1）；t為時(shí)間（d）;D為水動(dòng)力彌散系數(shù)（m2·s-1)，分為縱向和橫向，DL表示縱向彌散系數(shù)（m），DT表示橫向彌散度（m），可假設(shè)其與溶質(zhì)濃度無(wú)關(guān)；v為平均地下水流速（m·s-1）；?為梯度；?c為濃度梯度；Rc為溶質(zhì)源匯項(xiàng)（mg·m-3·s-1）。

式中：α為彌散度（m），分為縱向和橫向，αL表示縱向彌散度（m），αT表示橫向彌散度（m）；D0為分子擴(kuò)散系數(shù)（m2·s-1）。

式中：Rc1為的源匯項(xiàng)；Nlea表示土壤淋濾進(jìn)入地下水的量（mg·m-3·s-1）；K1表示由各類反應(yīng)，如反硝化導(dǎo)致濃度降低的衰減系數(shù)（d-1）；為濃度；Rc2為的源匯項(xiàng)；Nmin表示有機(jī)氮礦化量（mg·m-3·s-1）；K2表示由吸附、硝化等過(guò)程導(dǎo)致濃度降低的衰減系數(shù)（d-1）；為濃度。

在研究區(qū)域內(nèi)的河流位置設(shè)為第一類邊界（Dirichlet 邊界），根據(jù)逐日監(jiān)測(cè)的河水位確定。降水量作為源匯項(xiàng)，降水入滲系數(shù)根據(jù)區(qū)域包氣帶下墊面條件作為經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算。課題組前期研究結(jié)果表明［32］，研究河段側(cè)向潛流交換邊界位于距離河道10～15 m的位置，該模型前后邊界距河流約為20 m，此處河岸地下水與河流之間的交換非常微弱，因此設(shè)置為零通量邊界。左右邊界可能有地下水流入流出，設(shè)置為流量邊界。垂向潛流交換邊界位于河床表面以下1 m 左右［32-33］，該模型下邊界位于河床表面以下4 m，基本無(wú)垂向交換，因此模型底部設(shè)為零通量邊界。河水及濃度分別作為溶質(zhì)模塊河流的定濃度邊界條件，其余邊界的濃度均為0。以2020 年7 月3 日的地下水位和溶質(zhì)濃度的空間分布作為初始條件，根據(jù)監(jiān)測(cè)期內(nèi)實(shí)測(cè)水位及溶質(zhì)濃度對(duì)模型進(jìn)行率定。

運(yùn)用抽水法測(cè)定河床和河岸帶沉積物的滲透系數(shù)［34］，模型參數(shù)［35-39］見(jiàn)表1。

表1 模型參數(shù)取值Tab.1 Model parameter values

為了驗(yàn)證模型模擬精度，使用均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）和擬合優(yōu)度（Coefficient of Determination，R2）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，公式如下：

式中：y表示實(shí)際測(cè)量值；表示實(shí)際測(cè)量平均值；ym表示模型模擬值；i=1，2，…，n，n表示數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

1.4 模型參數(shù)敏感性分析

根據(jù)模型模擬污染物溶質(zhì)特征，選取了5 種對(duì)河岸潛流帶溶質(zhì)運(yùn)移存在影響的參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。參數(shù)包括：縱向彌散度αL、橫向彌散度αT、分子擴(kuò)散系數(shù)D0、一級(jí)反應(yīng)常數(shù)K1、K2。局部靈敏度分析是用來(lái)分析單個(gè)參數(shù)變化對(duì)數(shù)值模型輸出結(jié)果的影響程度，不考慮參數(shù)之間的耦合作用。對(duì)一種參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析時(shí)，保持其他參數(shù)不變，將其取值分別增大10%、20%和40%，分別記錄不同取值情況下的模擬濃度相對(duì)于調(diào)試驗(yàn)證后模型結(jié)果（基本情景）的變化。

1.5 河岸潛流帶去除效果評(píng)價(jià)

采用Rn反映河岸潛流帶內(nèi)的產(chǎn)生和去除情況［40］：

式中：Chz表示河岸潛流帶中濃度表示河水中濃度（mg·L-1）。

基于Kunz等［41］的研究方法，可計(jì)算河岸潛流帶去除率R。計(jì)算公式如下：

2 結(jié)果與分析

2.1 水動(dòng)力學(xué)過(guò)程

監(jiān)測(cè)期內(nèi)發(fā)生兩次較大規(guī)模的降雨事件：7 月11—13 日連續(xù)3 d 降雨47 mm，8 月8 日降雨64 mm（圖3）。受降雨影響，河水位與河岸地下水位在監(jiān)測(cè)期內(nèi)頻繁波動(dòng)，并且呈現(xiàn)相似的變化趨勢(shì)，水位變化幅度有所不同。7 月9 日河水位與地下水位小幅升高，監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)無(wú)較大降水，推測(cè)可能是由于上游來(lái)水導(dǎo)致。在7月11—13日連續(xù)降水期間，地下水位達(dá)到監(jiān)測(cè)期第一次較大峰值，上漲近0.30 m，河水位略高于地下水位，上漲0.45 m。降水結(jié)束后，水位恢復(fù)至降雨前7 月10 日的水平。8 月8 日第二次降雨期間，水位較為平穩(wěn)，僅有小幅度升高。降雨分別導(dǎo)致地下水位及河水位上漲0.20 m、0.27 m。模擬結(jié)果表明模型能夠較準(zhǔn)確得描述地下水位的實(shí)際波動(dòng)過(guò)程（圖3），模擬和實(shí)測(cè)的地下水位擬合程度較好，RMSE 為0.04～0.07 m，R2在0.57～0.85 之間。模擬值比實(shí)測(cè)值相比略有出入，可能是由于不同規(guī)模降雨時(shí)的河岸入滲能力有所差異，導(dǎo)致地下水位的漲幅稍有不同。

圖3 降水量、河水位及河岸監(jiān)測(cè)井實(shí)測(cè)水位與模擬水位擬合Fig.3 Rainfall，river stage and fitting of measured and simulated water levels in river bank monitoring wells

監(jiān)測(cè)期內(nèi)頻繁的水位波動(dòng)導(dǎo)致了河水與河岸地下水水力梯度的變化。無(wú)降雨時(shí)水力梯度為較小的負(fù)值，表現(xiàn)為地下水向河流微弱的排泄趨勢(shì)（圖4）。當(dāng)降雨發(fā)生時(shí)，河水位上漲幅度較大，導(dǎo)致河水位高于河岸地下水位，水力梯度發(fā)生逆轉(zhuǎn)，表現(xiàn)為河水入滲補(bǔ)給地下水，7 月12 日達(dá)到監(jiān)測(cè)期內(nèi)最大值0.047。降雨結(jié)束后，河水位下降較快，恢復(fù)至降雨前水位，水力梯度為負(fù)值，且接近0。

圖4 監(jiān)測(cè)期內(nèi)河水與河岸地下水之間水力梯度隨時(shí)間變化Fig.4 Change of hydraulic gradient between river water and river bank groundwater during the monitoring period

2.2 氮素濃度變化

圖5 不同監(jiān)測(cè)井 濃度的實(shí)測(cè)值與模擬值擬合Fig.5 Fitting of measured and simulated concentrations in different monitoring wells

圖6 不同監(jiān)測(cè)井濃度實(shí)測(cè)值與模擬值擬合Fig.6 Fitting of measured and simulated concentrations in different monitoring wells

由敏感性分析結(jié)果（表2）可知，縱向彌散度αL和橫向彌散度αT參數(shù)取值增加40%時(shí)，引起濃度變化的最大值僅為0.067 mg·L-1，而分子擴(kuò)散系數(shù)D0取值增加40%時(shí)，結(jié)果變化仍小于0.001 mg·L-1。因此以上3個(gè)參數(shù)對(duì)于及兩種溶質(zhì)的濃度影響較小，參數(shù)靈敏度較低。相對(duì)而言，的衰減系數(shù)K1與的衰減系數(shù)K2參數(shù)靈敏度較高。當(dāng)K1增加40%時(shí)，峰值濃度降低了2.64 mg·L-1；當(dāng)K2增加40%時(shí)，峰值濃度降低了1.13 mg·L-1。由此可見(jiàn)，反應(yīng)參數(shù)對(duì)模型結(jié)果影響較大，即河岸帶的生物地球化學(xué)反應(yīng)對(duì)于氮素歸宿具有重要作用。

表2 模型參數(shù)敏感性分析結(jié)果Tab.2 Parameter sensitivity analysis results of the established model

2.3 相關(guān)水環(huán)境指標(biāo)變化

在監(jiān)測(cè)期內(nèi)，河水pH范圍為7.78～8.31，河岸地下水pH 范圍為7.52～7.81，均為弱堿性。河水DOC濃度介于8.01～47.3 mg·L-1，河岸監(jiān)測(cè)井DOC濃度介于1.83～29.72 mg·L-1。河岸監(jiān)測(cè)井DOC濃度峰值出現(xiàn)在7 月12 日，DOC 濃度由降水前的11.21～25.18 mg·L-1升至17.27～29.72 mg·L-1（圖7）。降雨結(jié)束后，DOC濃度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在8月2日降至監(jiān)測(cè)期濃度最低值1.37～11.36 mgL-1。河水中DO 充足（7.74±0.34 mg·L-1），可為微生物的好氧呼吸等提供有利條件。河岸地下水中的DO 濃度變化范圍為0.2～1.7 mg·L-1，處于缺氧環(huán)境，其濃度動(dòng)態(tài)過(guò)程與DOC相似，同樣在7月12日監(jiān)測(cè)到最大值。

圖7 監(jiān)測(cè)期河岸監(jiān)測(cè)井中DOC和DO濃度變化Fig.7 DOC and DO concentration changes in riverbank monitoring wells during the monitoring period

3 討論

3.1 汛期河岸潛流帶中的遷移轉(zhuǎn)化

試驗(yàn)和模擬結(jié)果表明，水文過(guò)程對(duì)河岸潛流帶及河流中氮素濃度的變化起了主導(dǎo)作用，但是控制和遷移轉(zhuǎn)化的機(jī)制不同。河岸潛流帶濃度在連續(xù)3 d 強(qiáng)度較小的降雨事件后，小幅上升而后下降，可能是土壤表層中的首先被淋濾出來(lái)［46］，在落水期濃度緩慢下降［47］。此外，河岸潛流帶DO濃度升高為硝化反應(yīng)提供了條件（圖7），促使了向的轉(zhuǎn)化［48］，導(dǎo)致一定程度河岸潛流帶濃度的升高

3.2 汛期河岸潛流帶中的遷移轉(zhuǎn)化

8 月8 日的降雨量雖然較大但并未導(dǎo)致水力梯度顯著增大，甚至大部分監(jiān)測(cè)井的水力梯度為負(fù)，呈現(xiàn)地下水向河水補(bǔ)給，濃度也僅有小幅上升。當(dāng)降雨結(jié)束后，河水與地下水的水力梯度在0附近波動(dòng)，即河水與地下水交換微弱。缺乏DO 和DOC 進(jìn)入河岸潛流帶的情況不利于礦化作用，濃度也緩慢下降。表明降雨事件通過(guò)改變河水-地下水的交換作用，控制營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸入，從而影響河岸潛流帶濃度變化。

3.3 牧區(qū)河岸帶對(duì)氮素的源匯效應(yīng)

夏季汛期降水事件的頻發(fā)導(dǎo)致了河流及地下水中氮素濃度大幅升高，主要是由于放牧導(dǎo)致大量的氮負(fù)荷輸入。研究指出在放牧過(guò)程中，動(dòng)物攝入70%～90%的氮會(huì)通過(guò)糞便和尿液返回牧場(chǎng)［53］。本研究區(qū)牧場(chǎng)以牛群為主，而牛群放牧情況下的氮淋失量要高于其他家畜［54］。此外，研究區(qū)土壤以砂土為主，因其孔隙較大、滲透性較強(qiáng)，更容易導(dǎo)致淋溶［55］。在整個(gè)監(jiān)測(cè)期，河岸潛流帶均表現(xiàn)為的產(chǎn)生，而的產(chǎn)生和去除交替出現(xiàn)（圖8），因此該處主要考慮的去除效果。根據(jù)公式（7）計(jì)算得到，7月12日（小雨后）和8月12日（暴雨后）河岸潛流帶表現(xiàn)為的產(chǎn)生，是河流氮素的源。小雨后左岸（1L～3L）的產(chǎn)生較右岸（1R～3R）更明顯，可能是因?yàn)樵摃r(shí)段左岸DO 相對(duì)右岸較高，不利于的去除（圖7）。非降雨期河岸潛流帶主要表現(xiàn)為的去除，去除率為14%～86%，是河流氮素的匯，可能因?yàn)殡S著落水期DO 的消耗，河岸潛流帶總體趨向厭氧環(huán)境（DO＜2 mg·L-1），利于的去除［56］。并且根據(jù)方差分析結(jié)果（P=0.25＞0.05），河岸潛流帶左右岸去除效果較為接近，不具有顯著性差異（圖8）。

圖8 監(jiān)測(cè)期內(nèi)河岸潛流帶產(chǎn)生和去除情況（a）及兩岸 去除水平方差分析（b）Fig.8 Production and removal of in riparian hyporheic zones(a)and variance analysis of removal level on both banks(b)during the monitoring period

河岸帶植被群落物種較為豐富，可以有效地固定和吸收多余的氮素養(yǎng)分，從而減少了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的流動(dòng)性，大大增加了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的停留時(shí)間，降低淋失的風(fēng)險(xiǎn)［57］。Zuazo 等［58］進(jìn)行草地植被恢復(fù)后與沒(méi)有植被的裸露土壤相比，發(fā)現(xiàn)地下水濃度減少了35%。因此保護(hù)河岸帶生物多樣性，防止水土流失，是牧區(qū)氮素消減的有效途徑。此外，放牧不僅會(huì)改變土壤結(jié)構(gòu)，還會(huì)影響微生物過(guò)程從而影響氮素的轉(zhuǎn)化和去除，增加淋溶風(fēng)險(xiǎn)［59］，所以加強(qiáng)放牧管理也是控制面源污染的必要措施。

4 結(jié)論