多水塘系統(tǒng)水文連通及其對(duì)磷輸移影響研究進(jìn)展

謝 暉，董建瑋，李玉鳳，商美琪，賴錫軍

(1. 中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所中國科學(xué)院流域地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008；2. 南京師范大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023)

河川廊道是生源要素自流域源頭向海岸輸移的重要通道，其中湖泊、濕地、水庫和水塘等靜態(tài)蓄水廊道是營養(yǎng)物質(zhì)滯留降減和遷移轉(zhuǎn)化的重要場所[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì),全球約4%的非冰川地表由靜態(tài)蓄水廊道構(gòu)成，其中面積小于1 ha的水體約占1/3[2]。相比于湖泊、水庫等大型水域，水塘面積雖小，但局地分布密集，累積覆蓋度較高。水塘與水塘間常通過溝渠相互連接形成具有功能整體性和結(jié)構(gòu)連通性的農(nóng)業(yè)水適應(yīng)性系統(tǒng)，常見于中國東南部地區(qū)[3]。多水塘系統(tǒng)兼具環(huán)流型水域和徑流型水域的特點(diǎn)，在空間上形成點(diǎn)(溝塘節(jié)點(diǎn))、線(溝渠)、面(水塘)交錯(cuò)的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，使以水為媒介的物質(zhì)和能量在系統(tǒng)內(nèi)的連通過程復(fù)雜且多變，從而影響營養(yǎng)物質(zhì)的截留和釋放機(jī)制，因此，多水塘的水文連通對(duì)流域水環(huán)境過程具有重要的影響。

隨著人類活動(dòng)干擾加劇，多水塘在生源要素地球化學(xué)循環(huán)中發(fā)揮的重要性逐步凸顯，其所受關(guān)注日趨增加。學(xué)界對(duì)溝塘的研究對(duì)象也從田間尺度的個(gè)體水資源分配調(diào)節(jié)(如蓄水排水、防洪抗旱等)，逐漸耦合景觀、水文、水質(zhì)、沉積和生物等要素，轉(zhuǎn)向流域尺度的多水塘系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境效應(yīng)(如多水塘的水文連通性評(píng)估[4]、滯蓄消納面源污染[5]、促進(jìn)河流生態(tài)系統(tǒng)新陳代謝[6]、維持生物多樣性[7]等)，但對(duì)多水塘系統(tǒng)內(nèi)復(fù)雜溝塘結(jié)構(gòu)和連通過程的認(rèn)識(shí)仍有不足。磷是導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的重要限制因子，面源磷流失是當(dāng)前全球面臨的主要環(huán)境問題之一[8- 9]。多水塘系統(tǒng)是磷截留與流失的關(guān)鍵廊道，當(dāng)水力減弱時(shí)溝塘可形成穩(wěn)定的沉積和緩沖環(huán)境，磷被顆粒吸附后隨之沉降進(jìn)而降減轉(zhuǎn)儲(chǔ)；當(dāng)水力條件改變時(shí)這些沉積磷解吸并再次釋放，重新向下游遷移擴(kuò)散[10]。這種源- 匯過程交替的重要驅(qū)動(dòng)因素正是多水塘系統(tǒng)的水文連通變化。水文連通是磷在溝塘遷移的重要紐帶和載體，受水文情勢(shì)驅(qū)動(dòng)從時(shí)間上調(diào)節(jié)多水塘系統(tǒng)內(nèi)水分與物質(zhì)的滯留和釋放；在空間上影響系統(tǒng)內(nèi)部水流的來源、路徑、流態(tài)和滯時(shí)[11- 12]，從而調(diào)控磷在多水塘系統(tǒng)內(nèi)的輸送過程和通量。多水塘水文連通對(duì)磷輸移的影響是研究流域營養(yǎng)鹽循環(huán)及其截留機(jī)制的關(guān)鍵，盡管當(dāng)前對(duì)磷在溝塘內(nèi)的輸移研究已取得一定進(jìn)展，但對(duì)其中的科學(xué)認(rèn)知尚缺乏全面梳理和系統(tǒng)歸納。

本文通過挖掘多水塘系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)性闡明其影響磷輸移的宏觀調(diào)控作用及系統(tǒng)內(nèi)微觀機(jī)理過程，詮釋多水塘的動(dòng)態(tài)功能性揭示水文連通對(duì)多水塘系統(tǒng)磷輸移環(huán)境和輸移通量的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，闡明多水塘系統(tǒng)水文連通對(duì)磷縱向輸運(yùn)及垂向交換的影響，并提出未來研究可進(jìn)一步深化的發(fā)展動(dòng)向，以期為開展流域營養(yǎng)鹽截源控污和保障多水塘水質(zhì)改善功能提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 多水塘的水文連通性

多水塘是指多個(gè)水塘通過溝渠相互連接而形成的有機(jī)集合(圖1)，是農(nóng)業(yè)活動(dòng)過程中為應(yīng)對(duì)外部水環(huán)境變化形成的一種水適應(yīng)性景觀和系統(tǒng)，其基本構(gòu)成要素為水塘和溝渠，水塘與水塘之間的連通關(guān)系通過溝渠得以實(shí)現(xiàn)[3]。水塘多指面積小于5 ha、水深小于8 m、一年中存在至少4個(gè)月、由建壩截蓄或平地圍池形成、兼具自然和人工屬性的小型水體，常稱作池塘、坑塘或陂塘[13]。溝渠是位于農(nóng)田、道路或水塘附近長期過水或間歇性淹水用于農(nóng)田灌排的廊道[14]。早在春秋中期古人就對(duì)多水塘系統(tǒng)加以利用，后在淮河和漢水流域得以發(fā)展，逐漸在長江以南丘陵山區(qū)盛行[15]，解決了水塘水源不足以及溝渠缺乏蓄水能力的問題。從生態(tài)學(xué)角度來說，水塘和溝渠本質(zhì)上均屬于“小微濕地”的概念范疇，二者在淹水水生植物、生物群落等方面均表現(xiàn)出濕地的特征屬性[16]。當(dāng)前報(bào)道的中國東南部多水塘典型區(qū)主要分布于江蘇揚(yáng)州風(fēng)嶺水庫[4]、安徽巢湖六岔河流域[3]、江蘇句容李塔水庫[17]、臺(tái)灣桃園灌區(qū)[18]、安徽巢湖烔煬河流域[19]等地(圖2，數(shù)據(jù)來源:World Image Wayback)，水塘數(shù)量從數(shù)十至上千不等。

圖1 多水塘在流域中的地理分布示意Fig.1 Schematic diagram of multi- pond systems in a watershed

1.1 水文連通與溝塘結(jié)構(gòu)

水文連通是指在縱向連通、橫向連通、垂向連通和時(shí)間連通4個(gè)維度上，以水為媒介的物質(zhì)交換、能量傳遞、生物遷移等過程在湖泊- 流域關(guān)鍵帶各要素之間的傳輸轉(zhuǎn)移能力[20- 22]。多水塘系統(tǒng)既有外在整體性，也有內(nèi)在穩(wěn)定性。水文連通則是將其系統(tǒng)內(nèi)部要素耦聯(lián)、且連接系統(tǒng)整體與外部環(huán)境的重要樞紐，其多維特征主要體現(xiàn)在縱向和橫向維度。系統(tǒng)內(nèi)高程差產(chǎn)生的水力梯度促進(jìn)水流的上下游(縱向)傳遞，該水文連通強(qiáng)度取決于溝塘內(nèi)的水文水動(dòng)力過程。上游水源的分散匯流帶來水、沙、營養(yǎng)鹽等物質(zhì)在系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生物理和生化過程后，側(cè)向(橫向)輸送至主河道，受連通方向、路徑、距離、頻率等影響。

多水塘系統(tǒng)的水文連通狀態(tài)、連通路徑及影響不盡相同(圖3)，取決于地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地形地貌、水文情勢(shì)變化、塘口水門設(shè)計(jì)、人類活動(dòng)擾動(dòng)以及溝塘結(jié)構(gòu)等[23]。例如，上游基流補(bǔ)給充足時(shí)溝塘間可保持持續(xù)性連通狀態(tài)，而地處平原灌區(qū)的多水塘系統(tǒng)受降水事件和農(nóng)田灌排活動(dòng)影響通常呈現(xiàn)間歇性連通狀態(tài)[24]。溝渠是多水塘系統(tǒng)水文連通在地表水過程中的外顯路徑，與之相對(duì)的為地下水，水塘水分與地下水通過水力交互的雙向補(bǔ)給實(shí)現(xiàn)了地表水和地下水的垂向連通，但此種連通相對(duì)于地表形式的連通顯得極其微弱[25]。這3種連通方式(與河流直接連通、通過溝渠連通及地下水連通)對(duì)應(yīng)的流域水分傳輸時(shí)間依次增加，在雨洪匯流、攔蓄排泄、地下水位調(diào)控等不同層面影響流域水、沙和營養(yǎng)鹽的輸移過程[26]。

圖3 多水塘系統(tǒng)水文連通的類型、路徑及影響Fig.3 Hydrological connectivity types，pathways，and impacts in multi- pond systems

多水塘系統(tǒng)的溝塘結(jié)構(gòu)從景觀格局的角度影響著水文連通狀態(tài)和地表水循環(huán)方式。相關(guān)研究主要集中在測(cè)定與量化水塘和溝渠的數(shù)量、面積和幾何形態(tài)等方面。區(qū)域和流域尺度下的研究基于遙感影像和DEM等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)提取水塘水面密度、水塘庫容、溝渠長度、溝渠密度和網(wǎng)絡(luò)環(huán)度等特征以反映溝塘景觀單元的空間異質(zhì)性[1，27- 29];田間尺度下的研究依賴高精度溝塘地理空間數(shù)據(jù)，通常需借助集成圖像傳感器、全球定位系統(tǒng)模塊和慣性測(cè)量模塊的無人機(jī)航測(cè)技術(shù)等手段[30]。溝塘結(jié)構(gòu)特征被認(rèn)為是影響多水塘系統(tǒng)水文連通的重要因素，溝塘組合模式進(jìn)一步影響多水塘水文連通的異質(zhì)性和復(fù)雜性。根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)水塘位置的分布，典型的溝塘組合模式可分為梯級(jí)串聯(lián)式、交叉并聯(lián)式、“長藤結(jié)瓜”式和渠網(wǎng)連塘混合式等[31]，其中尤以梯級(jí)串聯(lián)式最為常見(圖3)，其本質(zhì)是利用水塘間的水力梯度，使縱向水文連通促進(jìn)多水塘系統(tǒng)內(nèi)部要素的聯(lián)系。

1.2 多水塘水文連通性及其評(píng)估

水文連通性是量化水文連通的指標(biāo)，包括結(jié)構(gòu)連通性和功能連通性[20，32]，表1總結(jié)了多水塘系統(tǒng)水文連通性的評(píng)估方法。多水塘系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)連通性關(guān)注溝塘連接形成的點(diǎn)線面組合結(jié)構(gòu)，相關(guān)研究以溝塘間距、溝塘節(jié)點(diǎn)數(shù)量和溝渠長度等指示性指標(biāo)推演了水文連通的路徑和格局。多水塘系統(tǒng)的功能連通性側(cè)重于物質(zhì)流和能量流與水文過程的實(shí)際交互及動(dòng)態(tài)變化，相關(guān)研究通過原位觀測(cè)、模型模擬、遙感反演等手段獲得水位、徑流、水溫、鹽度和微生物等指示性因子的動(dòng)態(tài)變化，并以此評(píng)估多水塘系統(tǒng)內(nèi)部以及和外界環(huán)境的水文連通狀態(tài)與強(qiáng)度。此外，示蹤試驗(yàn)可進(jìn)一步反映水文連通性在溝塘中的沿程變化和動(dòng)態(tài)過程，通過識(shí)別水分和溶質(zhì)運(yùn)移的遷移速度、彌散系數(shù)等水力參數(shù)以揭示水分的位移、溶質(zhì)的定量與定位，從而追蹤水文連通的宏觀路徑和微觀過程[33]。對(duì)于梯級(jí)串聯(lián)式多水塘系統(tǒng)，由于水力梯度的作用，水文功能連通性受到水動(dòng)力場脈沖變化的顯著影響，但溝塘結(jié)構(gòu)下的水文連通動(dòng)力學(xué)機(jī)制尚缺乏研究。

表1 多水塘水文連通性評(píng)估方法總結(jié)

2 多水塘對(duì)磷輸移的影響

多水塘系統(tǒng)對(duì)磷輸移的影響多表現(xiàn)為顯著的滯留作用。例如，對(duì)漢江平原灌排單元溝塘系統(tǒng)的觀測(cè)和模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，該溝塘系統(tǒng)是營養(yǎng)鹽輸移路徑中的“匯”，對(duì)磷負(fù)荷的滯留率范圍為12%～92%，平均滯留率為28%[39]。此外，受溝塘自身水質(zhì)及其凈化能力影響，多水塘系統(tǒng)亦具有潛在的磷流失風(fēng)險(xiǎn)[10]。在流域和田間尺度下，多水塘系統(tǒng)對(duì)磷輸移的影響機(jī)制可歸納為景觀格局、水文過程及生物地球化學(xué)過程。

2.1 基于景觀格局的影響

陸域的產(chǎn)流過程伴隨著土壤侵蝕，磷隨徑流和泥沙流失后進(jìn)入多水塘系統(tǒng)，水塘增加了地表持水的面積和容量，是以持留型功能為主的景觀結(jié)構(gòu)，溝渠是以緩沖型功能為主的傳輸通道[40]。因此在流域尺度下多水塘系統(tǒng)可從景觀格局的角度影響磷輸移過程與通量。上覆水與沉積物分別是磷輸移和控磷的關(guān)鍵介質(zhì)，磷含量變化對(duì)于磷的持留或輸出具有決定性影響。水塘和溝渠的空間位置直接影響系統(tǒng)自身水相與沉積相的磷持留量，并取決于周邊景觀類型帶來的外源磷輸入。多水塘系統(tǒng)的外部景觀類型對(duì)水塘上覆水總磷持留量的解釋度遠(yuǎn)大于其自身屬性，且農(nóng)田和居民區(qū)面積位列最大貢獻(xiàn)量[41]。位于水田、旱地、村莊附近的溝塘中沉積相磷持留量不盡相同，承接農(nóng)村生活污水的村塘和溝渠相比于靠近農(nóng)田的溝塘，其上覆水和沉積物中磷持留量已接近飽和度閾值[42]，釋放風(fēng)險(xiǎn)極大。景觀格局對(duì)水塘磷輸移的影響具有空間尺度效應(yīng)，100 m緩沖區(qū)范圍內(nèi)的景觀格局指數(shù)解釋度較好[43]。此外，多水塘系統(tǒng)作為不同斑塊類型的組合，影響著局地斑塊密度、分離度、破碎度等，從而在景觀格局層面影響磷的輸移過程。在地處亞熱帶的多水塘密集小流域中，通過對(duì)超1 400個(gè)水塘在斑塊類型水平下的景觀格局指數(shù)(如面積、邊緣、形狀等類型的指數(shù))剖析，結(jié)果顯示斑塊面積指數(shù)和歐式最近臨域距離指數(shù)與流域遺留磷流失量間顯著負(fù)相關(guān)，以此證明面積較大且分散的多水塘對(duì)磷的滯留效果最為明顯[44]。

2.2 基于水文過程的影響

水塘和溝渠中的水文過程不僅改變了磷的化學(xué)形態(tài)，還驅(qū)動(dòng)磷在溝塘系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生時(shí)間和空間上的位移[45]，二者從流量、流速和流態(tài)等方面改變了集水區(qū)的水文過程，通過攔截徑流減緩洪峰[46]，影響磷的縱向遷移路徑，促進(jìn)多水塘對(duì)磷的滯留作用，降低了磷向下游的輸移通量。三峽庫區(qū)箐林溪流域的多水塘在2012—2017年對(duì)徑流深削減了19.1 mm/a[47]；暴雨事件時(shí)多水塘系統(tǒng)對(duì)徑流量和洪峰值的削減率甚至高達(dá)90%和88.5%[48]，因此多水塘的水文過程可調(diào)控磷輸移的驅(qū)動(dòng)和載體。多水塘系統(tǒng)內(nèi)部的溝塘結(jié)構(gòu)也會(huì)影響其水文過程，進(jìn)而影響磷輸移。梯級(jí)串聯(lián)式水塘間的高程差使水流傳輸產(chǎn)生坡度，水力狀態(tài)的階段式變化通過溝渠傳遞，上游水塘主要發(fā)揮減緩流速和改變流態(tài)的功能，下游水塘則提高了水力停留時(shí)間[49]，因此梯級(jí)串聯(lián)模式帶來的水文過程調(diào)控可增強(qiáng)多水塘系統(tǒng)對(duì)外源磷輸入脈沖的耐受性。模擬這種多級(jí)水文調(diào)控過程需要精準(zhǔn)表達(dá)水塘與水塘、水塘與河流間的填充溢流關(guān)系，體現(xiàn)多水塘系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)連通屬性[17]。

2.3 基于生物地球化學(xué)過程的影響

陸域磷進(jìn)入多水塘系統(tǒng)內(nèi)會(huì)發(fā)生諸多生物地球化學(xué)過程:溶解態(tài)磷在系統(tǒng)中繼續(xù)擴(kuò)散輸移，顆粒態(tài)磷則隨懸浮泥沙運(yùn)動(dòng)進(jìn)行輸移轉(zhuǎn)化。附著在細(xì)顆粒上的磷被輸送至更遠(yuǎn)后沉降；粗顆粒攜帶的磷隨水流逐漸沉降，被沉積相截留；一部分被截留的磷可通過沉積物再懸浮作用直接進(jìn)入上覆水體成為顆粒態(tài)磷再次輸移，也會(huì)在一定條件下(例如pH值、溫度、溶解氧等環(huán)境因子的改變)解吸轉(zhuǎn)化為可溶性磷進(jìn)行輸移[50]。沉積物對(duì)磷的截留與釋放主要受控于吸附- 解吸這一動(dòng)態(tài)過程，因此可通過吸附量、吸附飽和度和吸附指數(shù)等描述并評(píng)估沉積磷的釋放風(fēng)險(xiǎn)。Fu等[51]發(fā)現(xiàn)巢湖流域多水塘對(duì)磷的吸附量可高達(dá)974.1 mg/kg，且其中活性磷占絕大比例，釋放風(fēng)險(xiǎn)高。李如忠等[52]基于磷吸附飽和度和吸附指數(shù)發(fā)現(xiàn)在全年75%的時(shí)間內(nèi)，二十埠河源頭區(qū)3條溝渠的沉積磷釋放處于高風(fēng)險(xiǎn)水平。溝塘組合模式改變了沉積相中磷的形態(tài)分布特征，進(jìn)一步增加了水- 沉積物界面磷輸移行為的復(fù)雜性。隨著溝塘高程的降低，沉積物中鐵結(jié)合態(tài)磷和氫氧化鈉提取態(tài)磷占比有上升趨勢(shì)[49]，裴婷婷等[53]的研究結(jié)果同樣證明了下游水塘比上游水塘具有更高的沉積相全磷和溶解態(tài)無機(jī)磷持留量，表明下游水塘沉積磷釋放風(fēng)險(xiǎn)更高。在多水塘系統(tǒng)中，部分磷在輸移過程中會(huì)被生物吸收或發(fā)生降解，水生植物和微生物在其中扮演著重要角色。水生植物的生長會(huì)吸收根區(qū)附近的溶解態(tài)無機(jī)磷，由此產(chǎn)生的磷濃度梯度又促進(jìn)了沉積物對(duì)磷的吸附[54];水生植物根系密布也可減緩流速并促進(jìn)顆粒態(tài)磷的沉降;根系周圍形成的微氧環(huán)境也為微生物提供了適應(yīng)的生境，促進(jìn)微生物通過氧化、還原和合成等作用參與溝塘環(huán)境中的生化反應(yīng)過程(如礦化作用、同化作用、生物降解等)，從而促進(jìn)磷的吸收、利用和轉(zhuǎn)化，影響磷的輸移通量[55]。當(dāng)前在流域尺度下量化溝塘磷輸移的模擬方法多基于衰減系數(shù)[40]，還需加強(qiáng)上述復(fù)雜過程及其內(nèi)在耦合作用的表達(dá)和尺度擴(kuò)展，以提升相關(guān)模型的適用性。

3 水文連通變化對(duì)磷輸移的影響

3.1 水文連通變化通過驅(qū)動(dòng)干濕交替影響磷輸移

多水塘系統(tǒng)的水文連通狀態(tài)(連通、非連通、強(qiáng)連通或弱連通)處于動(dòng)態(tài)變化之中。Li等[4]通過1 a內(nèi)水塘蓄水量與產(chǎn)流量的關(guān)系得出，稻季時(shí)有17.8%的水塘在降水徑流的驅(qū)動(dòng)下呈現(xiàn)連通狀態(tài)，麥季時(shí)連通的水塘比例降至4.0%。Yin等[56]發(fā)現(xiàn)多水塘系統(tǒng)的徑流模式包括連續(xù)流和間斷流，連續(xù)流的發(fā)生使流域內(nèi)24個(gè)水塘在4次降水事件中實(shí)現(xiàn)完全連通；間斷流時(shí)多為弱連通和非連通狀態(tài)。水文連通的這種變化會(huì)驅(qū)動(dòng)溝塘環(huán)境的干濕交替而影響磷輸移過程。

沉積物淹水狀態(tài)是干濕交替的直觀表現(xiàn)，干濕交替引發(fā)的水分變化通過影響沉積物團(tuán)聚體形成進(jìn)而影響磷的流失[57]。淹水過程比落干過程更易破壞團(tuán)聚體的數(shù)量、結(jié)構(gòu)和水穩(wěn)性，使團(tuán)聚體崩解而比表面積變大，破壞了Fe、Al等有機(jī)化合物之間的結(jié)合鍵，形成新的吸附位點(diǎn)而使沉積物對(duì)磷的截留能力提升[58]。控制沉積物與水的接觸方式、時(shí)長與頻次均可有效發(fā)揮溝塘磷截留功能[59]。相關(guān)研究從生物和非生物層面解釋了干濕交替對(duì)沉積物中磷輸移的影響機(jī)制。一方面，落干初期的好氧環(huán)境促進(jìn)微生物生長及磷富集，落干后期微生物則因過度脫水而死亡并釋放磷；另一方面，淹水過程導(dǎo)致部分微生物細(xì)胞破裂釋放有機(jī)磷，而部分微生物適應(yīng)周期性干濕交替后存活并截留部分磷[58]。從非生物角度來看，淹水過程降低了沉積物表層氧化還原電位，有助于Fe3+向Fe2+轉(zhuǎn)化并促進(jìn)Fe- P還原和弱吸附態(tài)磷解吸，沉積物釋磷潛力增加[60]。上覆水pH值也隨著干濕交替過程而變化，當(dāng)pH值升高時(shí)，離子交換過程頻繁，OH-與鐵鋁膠合體中的磷酸鹽發(fā)生交換，增加了沉積磷垂向釋放速率[61]。此外，水文連通變化可通過改變水沙條件對(duì)磷輸移通量產(chǎn)生影響。周期性淹水落干過程中水土比變化迅速，磷向下游的輸移通量隨之改變。水文連通變?nèi)鯐r(shí)，磷向下游的輸移通量隨泥沙減少而降低，但又會(huì)因泥沙減少使水體顆粒磷吸附和固持能力減弱造成磷向水體流失[62]。

3.2 水文連通變化通過改變水分滯留時(shí)間影響磷輸移

水文連通變化對(duì)磷輸移影響還可通過改變水分滯留時(shí)間實(shí)現(xiàn)。Stachelek等[63]采用基于水分滯留時(shí)間的Vollenweider經(jīng)驗(yàn)方程，在國家尺度模擬了不同水文連通狀態(tài)下129個(gè)湖泊的磷滯留效率，結(jié)果證明了水分滯留時(shí)間對(duì)磷截留的正向影響，且相對(duì)于湖泊與河流之間的水文連通，湖泊與湖泊之間水文連通的影響更強(qiáng)，這也為研究水塘與河流以及水塘與水塘間水文連通的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)提供了參考。

水塘和溝渠可被視為磷自陸域向河流輸移過程中的“反應(yīng)器”，磷充分發(fā)生生物地球化學(xué)反應(yīng)需要一定的時(shí)間，反應(yīng)強(qiáng)度與水文連通、外源輸入和水分滯留時(shí)間密切相關(guān)[6]。進(jìn)入多水塘系統(tǒng)的外源磷隨著水文連通性(θ)增強(qiáng)而增加，在水文連通性由弱變強(qiáng)的前期階段，水分滯留時(shí)間充足，磷與生物地球化學(xué)基質(zhì)充分接觸發(fā)生反應(yīng)而被降減，此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)滯留效率(η)主要受外源磷輸入限制，且磷在上覆水- 沉積物界面的垂向輸移過程較強(qiáng)；當(dāng)水文連通性繼續(xù)增強(qiáng)，水分滯留時(shí)間減少而使磷發(fā)生垂向輸移的潛能不足，磷主要通過平流擴(kuò)散而縱向輸運(yùn)，此時(shí)滯留效率受限于水分滯留時(shí)間。若定義ηe為滯留效率的目標(biāo)值，則對(duì)應(yīng)的水文連通性區(qū)間[θe1，θe2]即為“有效”水文連通(圖4)?；谏鲜隼砟?，Murray等[10]針對(duì)水塘構(gòu)建了上覆水- 沉積物界面反應(yīng)強(qiáng)度指數(shù)，以此評(píng)價(jià)了水文連通變化對(duì)多水塘源匯功能轉(zhuǎn)換的影響，大部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明水塘對(duì)營養(yǎng)鹽的高效滯留與中等強(qiáng)度水文連通性趨于一致。

圖4 水文連通強(qiáng)度與磷滯留效率的關(guān)系Fig.4 Relationship between hydrological connectivity and phosphorus retention efficiency

從廣義概念來看，溝塘水分滯留時(shí)間可基于蓄水容積和進(jìn)水流量估算，也可通過示蹤試驗(yàn)測(cè)定。Ulrich等[33]通過易溶無機(jī)鹽類示蹤劑和熒光染料示蹤劑的瞬時(shí)投放試驗(yàn)測(cè)定了水塘在瞬變流情景下的水分滯留時(shí)間及其分布。劉超等[64]利用恒速連續(xù)投加示蹤試驗(yàn)，通過溶質(zhì)濃度—時(shí)間穿透曲線獲得源頭溝渠的水文參數(shù)，為定量區(qū)分磷酸鹽滯留貢獻(xiàn)率提供支撐。因此，水分滯留時(shí)間可作為參量以評(píng)估水文連通變化對(duì)磷輸移的影響[65- 66]，例如，達(dá)姆科勒準(zhǔn)數(shù)(Damk?hler number，Da)可表征磷在溝塘系統(tǒng)中反應(yīng)速率與滯留(傳輸)速率的比值。較低的Da值表明磷在連通路徑之間的反應(yīng)強(qiáng)度較低，因此溝塘系統(tǒng)對(duì)磷的滯留效率較低；相反，較高的Da值表明較高的滯留效率。綜合來看，多水塘系統(tǒng)內(nèi)磷的輸移具有縱向和垂向特性，水分滯留時(shí)間作為重要影響因子能夠以半定量的形式表征水文連通對(duì)其二維聯(lián)動(dòng)過程的影響。

4 結(jié)論和展望

本文梳理了該主題研究的邏輯框架，盡管多水塘的水文連通性評(píng)估和磷在溝塘內(nèi)的輸移研究已取得一定進(jìn)展，但多水塘系統(tǒng)內(nèi)磷輸移過程與通量仍缺乏有效的動(dòng)態(tài)模擬和動(dòng)力學(xué)機(jī)制研究，尚未完全明確多水塘系統(tǒng)水力聯(lián)系后多因子耦合作用下的磷輸移機(jī)理，還需深入挖掘多水塘系統(tǒng)水文連通對(duì)磷輸移的影響機(jī)制。基于目前已有成果和現(xiàn)存問題，未來該領(lǐng)域的發(fā)展動(dòng)向建議關(guān)注以下方面:

(1) 多水塘系統(tǒng)水文連通變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。受氣候變化、農(nóng)業(yè)集約化、城市化發(fā)展等影響，部分地區(qū)水塘數(shù)量消減、面積萎縮且功能轉(zhuǎn)換，溝渠也呈破碎化和硬質(zhì)化發(fā)展，在結(jié)構(gòu)和功能層面上導(dǎo)致多水塘系統(tǒng)水文連通性的劇烈變化，需要融合觀測(cè)、遙感和模型等多技術(shù)手段探明這種變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

(2) 溝塘滯留效率的尺度擴(kuò)展。溝塘對(duì)營養(yǎng)鹽截留及釋放的研究通?；趯?shí)地監(jiān)測(cè)或室內(nèi)試驗(yàn)獲得，如何構(gòu)建具有物理機(jī)制的尺度轉(zhuǎn)換方法，將田間尺度下的溝塘滯留參量擴(kuò)展至流域尺度，是科學(xué)評(píng)估多水塘系統(tǒng)環(huán)境效應(yīng)的挑戰(zhàn)。

(3) 定量模擬和優(yōu)化調(diào)控。強(qiáng)化不同連通路徑、頻率和強(qiáng)度對(duì)營養(yǎng)鹽遷移轉(zhuǎn)化影響的機(jī)理表述，改進(jìn)或開發(fā)多水塘系統(tǒng)污染輸移模型，提升多水塘系統(tǒng)環(huán)境效應(yīng)的定量模擬。此外，溝塘位置、大小和連通結(jié)構(gòu)等影響流域氮磷入河污染通量，需要構(gòu)建以面源污染管控為目標(biāo)的多水塘優(yōu)化調(diào)控技術(shù)，切實(shí)服務(wù)多水塘修繕、改造和建設(shè)。