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生态沟渠是污水土地处理技术的一种类型,它利用生态系统的原理处理农业面源污水,具有低成本、低能耗以及易于管理等优势,因此,在国内外十分重视生态沟渠系统的研究和应用。但是长期运行的过程中,土壤微生物菌种的流失,土壤厌氧环境的加剧以及有机物积累造成的堵塞等问题阻碍了对污染物净化效率的进一步提高。因此,为了解决以上问题,本文以模拟农业面源污水为研究对象,利用多孔矿物材料作为基质,改良生态沟渠土壤,考察了改良生态沟渠对不同低C/N模拟污水和不同流量进水条件的适用情况,以及对污染物的净化效果,探究其脱氮除磷的净化机理。本研究对有效控制和拦截低C/N农业氮、磷污水排放具有重要的理论和现实意义。（1）分别以火山岩（Volcanic Rock,VR）、铁屑（Scrap Iron,Fe）和多孔矿物粘土材料W（Porous Mineral Clay W,PMCW）作为生态沟渠（Ecological Ditches,ED）土壤的改良基质,构建反应器,分别在C/N=2.5,3.5和4.5的条件下运行52d。实验结果表明:当C/N=3.5时,添加土壤改良基质的系统VR-ED,Fe-ED和PMCW-ED对TN的去除率分别为86.8%,87.6%和82.9%;当C/N=2.5时,与对照组相比,三种改良基质VR、Fe和PMCW对TN的净化效果分别比对照组高8%,12%和4%。但是,改良基质系统与对照组相比对TP的去除作用没有明显差异。（2）通过检测不同改良基质系统在污水处理不同阶段土壤中的有机质（Organic Matter,OM）、FeO和Al2O3的含量以及过氧化氢酶、硝酸盐还原酶和脲酶的活性,并与TN去除率进行相关性分析,发现:OM含量与系统土壤中铁铝氧化物含量和过氧化氢酶活性（Catalase Activity,CA）呈现出显著的正相关,相关系数分别为依次为（r1=0.834,p1＜0.01）、（r2=0.847,p2＜0.01）。同时,CA与TN平均去除率呈现一定的正相关（r3=0.648,p3＜0.01）。说明土壤中OM、CA和铁铝氧化物之间的相互作用会影响改良基质系统对TN的净化效果。（3）基于宏基因组高通量测序技术,检测分析运行34d的4种系统的基质土壤和原始土壤（Original Soil,OS）中微生物种群多样性和群落结构的差异。多样性指数检测结果表明,OS中Shannon指数最高,为7.15。其余4个系统中Shannon指数由大到小顺序依次为:VR-ED=7.10＞Fe-ED=7.02＞PMCW-ED=7.02＞ED=6.81,说明系统运行稳定后形成了适应环境的微生物群落。与对照组相比,添加改良基质可提高微生物多样性。4个系统中形成了以Proteobacteria为优势菌门（VR-ED、Fe-ED、PMCW-ED和ED 中分别占 43.78%,44.28%,40.24%和 40.74%,）,Acidobacteria,Planctomycetes,Bacteroidetes和Actinobacteria为辅的微生物群落结构。（4）改良基质强化土壤对TP的净化效果,主要体现在提高土壤组成成分对TP的吸附。其中,改良生态沟渠对TP的去除主要为土壤颗粒的吸附,其对TP的去除率可达到85%。其次为土壤中的OM以及外加改良基质的辅助去磷。以Fe-ED脱磷为例,通过红外光谱分析,在振动频率为2359.11cm-1有新峰增加,形成了新的化学键。说明改良基质对TP的去除不仅仅为物理吸附,还存在化学吸附。（5）选取初始生物量基本相同的菖蒲、美人蕉和水芹菜作为生态沟渠受试植物,考察其对C/N为3.5的模拟污水净化效果以及植物生长状态。结果显示,美人蕉对污水中TN的去除率达到95%以上。水芹菜和菖蒲对污水中TN的去除率也超过90%,说明三种植物均可用于生态沟渠中。其中,美人蕉初始的生物量为63.3g,运行22d后增加到75.4g。其增长量最大,适宜种植在污染物丰富的进水沟渠前段。（6）以VR作为改良基质构建中试生态沟渠反应器（VR-Middle Ecological Ditch,VR-MED）。在进水污染物浓度相同,低水力负荷（13.33L/m3*h）和高水力负荷（26.66L/m3*h）条件下分别运行22d,综合考察实际净化效果。在低水力负荷下,沟渠出水的COD、NH4+-N浓度分别为13mg/L和1.5mg/L,达到《地表水环境质量标准（GB3838-2002）》Ⅱ类水体指标,可直接排放到河流中;在高水力负荷下,出水COD、NH4+-N和TP的浓度分别为40mg/L、4mg/L 和2mg/L,仅达到V类水体指标。当室外最高温度由28℃降为21.5℃C时,COD和NH4+-N去除率基本不受影响,而TP去除率由92%降到85%,说明温度对VR-MED去除TP的作用影响较大。