程丹東, 王元元, 宋進(jìn)喜,2, 孫雅琪, 張國濤

(1.西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院, 陜西 西安 710127;2.中國科學(xué)院 水利部水土保持研究所, 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100)

不同底棲生物擾動對沉積物滲透性的影響

程丹東1, 王元元1, 宋進(jìn)喜1,2, 孫雅琪1, 張國濤1

(1.西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院, 陜西 西安 710127;2.中國科學(xué)院 水利部水土保持研究所, 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100)

[目的] 探討不同生物擾動對沉積物成分、粒徑分布和滲透性的影響，為河流污染治理與潛流帶修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。[方法] 通過室內(nèi)模擬沉積物中搖蚊幼蟲(Chironomidlarvae),顫蚓(Tubificid)和尖膀胱螺(Physaacuta)的生物擾動過程,研究不同底棲生物擾動對河流潛流帶沉積物滲透系數(shù)的影響。[結(jié)果] 混合生物組中,搖蚊幼蟲和尖膀胱螺組合為滲透性能加強(qiáng)最大的一組。生物擾動作用通過改變沉積物的物理特性促使其結(jié)構(gòu)疏松,孔隙增大,從而對沉積物顆粒粒徑大小和分布區(qū)域產(chǎn)生明顯干預(yù)作用, 從而影響沉積物的滲透性。搖蚊幼蟲對沉積物成分變化及粒徑分布影響最大,使沉積物滲透性增強(qiáng);顫蚓的淤塞作用主要發(fā)生在水-沉積物界面以下3～9 cm,導(dǎo)致滲透性減弱;尖膀胱螺對沉積物粒徑分布的影響不明顯。[結(jié)論] 在同一沉積物環(huán)境條件下,單一物種組中搖蚊幼蟲和尖膀胱螺對沉積物的滲透性呈促進(jìn)作用,搖蚊幼蟲的促進(jìn)效果比尖膀胱螺更顯著，顫蚓對沉積物滲透性呈削弱作用。

生物擾動; 垂向滲透系數(shù); 搖蚊幼蟲; 顫蚓; 尖膀胱螺

潛流帶是一個在水文、生態(tài)、生物地球化學(xué)過程等方面相互作用的動態(tài)生態(tài)交錯帶[1]，是河流生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分, 潛流帶水力交換有助于提高其生態(tài)質(zhì)量，為水生生物提供獨(dú)特的棲息地[2]，并且，潛流帶水交換能夠影響整個河流生態(tài)系統(tǒng)的新陳代謝和養(yǎng)分循環(huán)[3]。因此，河水和地下水相互作用對河流的生態(tài)環(huán)境健康有著至關(guān)重要的影響[4]。

在關(guān)于潛流帶的研究中，Packman等研究認(rèn)為，河水和淺層地下水相互作用于河岸表面及河床多孔滲透區(qū)，即潛流帶[5]。潛流交換是指物質(zhì)在河道和河道附近的飽和沉積層之間的相互交換[3]，潛流交換受眾多因素的影響，其中一個重要因素是生物擾動過程[6]。生物擾動是指底棲動物由于自身的攝食、遷移等行為對沉積物顆粒的混合、擴(kuò)散，最后導(dǎo)致沉積物再分布[7]，可以改變沉積物的物理化學(xué)性質(zhì)，影響沉積物與水界面的物質(zhì)交換[8]。在潛流交換過程中，河床沉積物的垂向滲透系數(shù)(Kv)是河流與地下水之間相互作用以及河流生態(tài)系統(tǒng)分析中一個重要的參數(shù)[9]。研究表明，生物擾動是影響河床沉積物滲透性的重要因素之一[10]，且無脊椎動物擾動對沉積物的物理影響程度也依賴于物種擾動特點(diǎn)和環(huán)境條件[11]。目前雖然關(guān)于生物擾動對沉積物遷移變化研究比較深入[12]，但鮮有不同種屬無脊椎動物互相作用下，對滲透系數(shù)的影響研究。因此，本文選取渭河臨潼段主要無脊椎底棲生物搖蚊幼蟲、顫蚓及尖膀胱螺3種生物，通過室內(nèi)模擬垂向滲透系數(shù)試驗(yàn)和沉積物的粒度分析，初步探討不同生物擾動作用強(qiáng)度下沉積物滲透性的變化特性，以期拓展沉積物滲透系數(shù)變化的影響機(jī)理研究，為河流污染治理與潛流帶修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集及處理

沉積物樣品、擾動生物均采集于渭河臨潼斷面潛流帶。沉積物原樣為原位滲透實(shí)驗(yàn)后有機(jī)玻璃管內(nèi)沉積物；利用采泥器(20 cm×30 cm)、 D型網(wǎng)及60目篩采集生物，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)和鑒定，試驗(yàn)所需水樣為實(shí)驗(yàn)超純水。將采集到的原位沉積物經(jīng)過自然風(fēng)干后進(jìn)行粒徑分析，得到0.2 mm

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所用的有機(jī)玻璃管(高為40 cm，內(nèi)徑為5.4 cm)底端用細(xì)紗布封住，并垂直固定在水槽架上，將處理后的粗沙、細(xì)沙和細(xì)泥按3∶2∶4重量比例混合均勻裝入試驗(yàn)管內(nèi)，高為15 cm，將上覆水深緩慢加入管內(nèi)待沉積物中與水充分飽和后加入生物。由于試驗(yàn)組中的孔隙度與原位沉積物中孔隙度有偏差，因此取出水頭下降高度一致的試驗(yàn)管加入生物，仍可分析不同生物的擾動特點(diǎn)對沉積物滲透性的影響。

試驗(yàn)采用3組平行樣，分為8組：(1) CK組，空白對照，不添加底棲生物;(2) Cl組，7條搖蚊幼蟲；(3) Tub組，98條顫蚓；(4) Pa組，10條尖膀胱螺；(5) Cl+Tub組，7條搖蚊幼蟲和98條水顫蚓；(6) Cl+Pa，7條搖蚊幼蟲和10條尖膀胱螺;(7) Tub+Pa組，98條顫蚓和10條尖膀胱螺;(8) Cl+Tub+Pa組，7條搖蚊幼蟲、98條顫蚓和10條尖膀胱螺。

滲透系數(shù)的測定方法采用水頭下降豎管滲透實(shí)驗(yàn)法[13]。室內(nèi)底棲生物生物擾動模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄結(jié)束后，對試驗(yàn)管中沉積物進(jìn)行分層取樣，每3 cm一層，進(jìn)行粒徑分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 底棲生物擾動對沉積物滲透系數(shù)的影響

由圖1可知，同空白組對比，底棲生物擾動作用顯著改變沉積物滲透系數(shù)。在單一生物組中，Cl組滲透系數(shù)大于空白組，Tub組滲透系數(shù)比空白組小，Pa組變化不大。表明在該試驗(yàn)條件下，搖蚊幼蟲對滲透性的促進(jìn)作用最強(qiáng)，顫蚓對沉積物滲透性起抑制作用；尖膀胱螺擾動并沒有明顯的增強(qiáng)沉積物滲透系數(shù)，表明不同生物擾動對沉積物的滲透性影響不同。在不同生物混合組中，與空白組對比，Cl+Pa組對沉積物滲透性起促進(jìn)作用，Tub+Pa組對沉積物滲透系數(shù)起較弱的抑制作用，Cl+Tub組有明顯的抑制作用，Cl+Pa+Tub組的滲透系數(shù)小于空白組，表明不同生物的混合組中，生物之間的相互作用對沉積物滲透性有著一定影響。

圖1 不同生物組垂向滲透系數(shù)

研究中發(fā)現(xiàn)，顫蚓類的活動明顯加快沉積物顆粒的垂直遷移速率[14]，但試驗(yàn)中Tub組對沉積物滲透性表現(xiàn)出凈抑制作用，這與顫蚓的密度有關(guān)。宋進(jìn)喜等[15]在研究河流潛流帶顫蚓生物擾動對沉積物滲透性的影響研究時發(fā)現(xiàn)，顫蚓密度大于一定量值后，顫蚓生物擾動對沉積物滲透性有減弱作用。密度達(dá)到2.0 ind./cm2后，沉積物滲透性甚至比空白組還弱。在Tub組中顫蚓的密度達(dá)到4.1 ind./cm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其量值。顫蚓的生物擾動作用主要通過生物淋洗來實(shí)現(xiàn)，在沉積物表層以下的深度活動產(chǎn)生大量的遷移痕跡和過水通道,遷移過程中伴隨有生物搬運(yùn)作用，在表層留下各種孔洞，所以顫蚓對沉積物表層構(gòu)造的改變以垂直遷移為主[16]，顫蚓生物密度過大，生物體本身的阻塞作用超過了其擾動行為使表層和深層的沉積物顆粒在垂直方向發(fā)生移動和重新分布產(chǎn)生的孔穴。

在Cl組中，搖蚊幼蟲對沉積物滲透性起促進(jìn)作用。通過試驗(yàn)觀察，搖蚊幼蟲對沉積物構(gòu)造的影響主要在表層0—2 cm，對沉積物表層結(jié)構(gòu)的改變以再造為主，屬于廊道構(gòu)筑者。宋進(jìn)喜[10]等研究發(fā)現(xiàn)，河流潛流帶表層有一層淤塞層，生物擾動作用能降低淤塞層阻塞，增強(qiáng)沉積物滲透性，研究發(fā)現(xiàn)搖蚊幼蟲擾動作用能增加溶解氧滲透深度，表明搖蚊幼蟲擾動能促進(jìn)上覆水向沉積物的滲透，Cl組中搖蚊密度相對于Tub組顫蚓密度非常小，并沒有發(fā)生生物本身對沉積空隙物的阻塞作用。另外,尖膀胱螺或者在沉積物表面爬行并分泌粘液，或者爬行在管壁并浮出水面，不會在沉積物中鉆行，沒有對沉積物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生太大影響，因而對其滲透性促進(jìn)作用不大。

通過對比不同生物混合組，Cl+Pa組對于滲透系數(shù)的影響超過搖蚊幼蟲和尖膀胱螺單個生物組的滲透系數(shù)。Mermillod—Blondin等[17]研究發(fā)現(xiàn)，在同一環(huán)境中，物種的擾動特點(diǎn)，是無脊椎底棲生物對生態(tài)系統(tǒng)影響的主要因素之一。也就是說，搖蚊幼蟲和尖膀胱螺在沉積物內(nèi)作用的深度范圍不同，分別為表層以下0—2 cm和沉積物表面，搖蚊的筑巢和尖膀胱螺的爬行等不同擾動特點(diǎn)，對沉積物滲透性的促進(jìn)，起到疊加的效果。此外，搖蚊幼蟲和尖膀胱螺的混合也使改組的密度增大，在一定程度上也起到了促進(jìn)效果。Cl+Tub組、Tub+Pa 組及CL+Tub+Pa組均含有4.1 ind./cm2的顫蚓，3組對沉積物滲透性起抑制作用。研究發(fā)現(xiàn)，在不同生物對沉積物的共同作用中，一類優(yōu)勢種屬的擾動作用對沉積物化學(xué)性質(zhì)起主要影響。孫剛[18]研究表明，顫蚓垂直遷移深度可達(dá)到9.4 cm，并且3種生物密度之比中，顫蚓數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其余兩種。因此，在陜西省渭河臨潼段，對沉積物滲透性抑制作用最強(qiáng)的物種是顫蚓。另一方面，Cl+Tub組、Tub+Pa組、Cl+Tub+Pa組的沉積物滲透系數(shù)略高于單個顫蚓組，表明，搖蚊幼蟲和尖膀胱螺的擾動特點(diǎn)，在一定程度上減緩了顫蚓對沉積物滲透性的抑制，且顫蚓的垂向爬行對其他兩種生物的擾動效果沒有太大影響。

2.2 底棲生物擾動對沉積物粒徑分布的影響

經(jīng)試驗(yàn)觀測，搖蚊幼蟲擾動深度一般集中在沉積物表層以下0—3 cm的范圍內(nèi)，顫蚓最強(qiáng)烈的活動與攝食發(fā)生在沉積物與水界面下3～4 cm[19]，故研究時以3 cm為單位進(jìn)行分層。按照0—3，3—6，6—9，9—12和12—15 cm范圍分為5層，對這5個深度的沉積物進(jìn)行粒度分析、計(jì)算后，得出不同底棲生物密度下每一層的沉積物成分表(圖2)。從圖2中可以看出，相對于空白組，單個生物組各層沉積物中細(xì)泥和粗沙百分比變化趨勢相似，細(xì)沙含量變化規(guī)律并不明顯。搖蚊組沉積物不同深度中細(xì)泥含量均減少，粗沙含量均增加，隨著沉積物深度增加，細(xì)沙含量逐漸增加；顫蚓組和螺組在0—9 cm深沉積物中，細(xì)泥含量均在不同程度上增加，粗沙含量不同程度上減少。在兩組生物混合組中，發(fā)現(xiàn)Cl+Tub組沉積物不同深度中，各粒徑的變化量在Cl和Tub組之間；CL+Pa組沉積物不同深度各粒徑的變化趨勢與大小與Cl近似；Tub+Pa組沉積物不同深度中，各粒徑的變化量呈現(xiàn)一種疊加現(xiàn)象，就是說Tub和Pa組在0—9 cm沉積物中細(xì)泥含量均增加，使Tub+Pa組在該段的細(xì)泥含量增加量更大,龐俊曉等[20]在總結(jié)生物擾動對沉積物顆粒的動態(tài)遷移過程的影響時指出，沉積物表層的示蹤顆粒的垂直遷移率及生物沉降作用與顫蚓的豐度呈顯著的正相關(guān)關(guān)系；對于3組生物混合的Cl+Tub+Pa組，其各段沉積物粒徑變化與顫蚓組變化相似。在9—12和12—15 cm沉積物中，各試驗(yàn)組細(xì)泥和粗沙含量變化均產(chǎn)生了相同的趨勢，9—12 cm沉積物中細(xì)泥含量突然減少，粗沙含量突然增加，12—15 cm沉積物中細(xì)泥含量相對增多，粗沙含量相對減少，這一方面與水流方向有關(guān)，水流沖刷導(dǎo)致細(xì)沙細(xì)泥向下沉降, 在最底層由于紗布阻擋，細(xì)沙細(xì)泥會在12—15 cm段堆積，粗沙顆粒較大，不易滲入最底層，導(dǎo)致在細(xì)沙在9—12 cm段堆積。

搖蚊幼蟲在進(jìn)入底棲態(tài)后，利用細(xì)泥、細(xì)沙進(jìn)行廊道的構(gòu)筑，同時分泌的粘液使沉積物的顆粒越來越大，但其擾動深度能力較弱，對0—3 cm段沉積物粒徑有較強(qiáng)影響，宋進(jìn)喜[15]等研究發(fā)現(xiàn)，沉積物表層有一層淤塞層，對沉積物滲透性有較大的淤塞作用，搖蚊幼蟲的擾動破壞了淤塞層，促進(jìn)沉積物滲透性，增加水流向下的速率，同時導(dǎo)致細(xì)小顆粒向下傳輸，使沉積物中細(xì)泥含量減少。而顫蚓頭部扎入沉積物，尾端則留在水面，在沉積物深層攝食，會不斷擺動尾部將大量的底層沉積物的有機(jī)物向上輸送到沉積物的表層，其擾動會形成垂直通道，任朝亮等[9]研究發(fā)現(xiàn)顫蚓在一定密度范圍內(nèi)，會促進(jìn)沉積物滲透，當(dāng)密度大于4 ind./cm2后，顫蚓密度太大，反而抑制滲透，在本研究中，顫蚓密度遠(yuǎn)大于4 ind./cm2，且滲透系數(shù)明顯小于空白組，這與沉積物粒徑有密切聯(lián)系。在6—9及9—12 cm段，沉積物中細(xì)泥含量明顯增大，粗沙含量明顯減小，顫蚓擾動將下層大顆粒物攝食后，分解為細(xì)小顆粒物排泄到上層，細(xì)泥含量增加，隨著水流，細(xì)泥向下傳送，并在6—9及9—12 cm段聚集，產(chǎn)生淤塞，導(dǎo)致沉積物滲透系數(shù)低于空白組。對于尖膀胱螺有學(xué)者[21]提出，尖膀胱螺通過攝食和排泄，能減小顆粒物粒徑，并將有機(jī)物和膠黏體的糞便結(jié)成團(tuán)塊，且沉積物表面也為甲殼類尖膀胱螺主要活動帶，其糞球被黏液粘結(jié)在一起 , 增加了顆粒的大小，增加表層孔隙度，但膀胱螺對沉積物影響范圍較小，因此對沉積物滲透性促進(jìn)較弱。

圖2 各試驗(yàn)組沉積物質(zhì)量百分比變化

通過比較搖蚊、顫蚓及兩者混合組發(fā)現(xiàn)，在0—3 cm段，由于搖蚊能明顯減少細(xì)泥含量，提高水的滲透能力，使Cl+Tub組在該段細(xì)泥含量減少。而在3—6與6—9 cm段，沉積物粒徑變化大小與顫蚓組近似，表明，不同生物棲息空間不同，對沉積物粒徑影響的范圍則不同，通過對比滲透系數(shù)發(fā)現(xiàn)，搖蚊組滲透系數(shù)高于空白組，而Cl+Tub組的滲透系數(shù)低于空白組，表明該兩種生物混合中，顫蚓對沉積物的滲透性起主導(dǎo)作用。在Cl+Pa中，由于搖蚊對沉積物表層結(jié)構(gòu)有較大的改造，膀胱螺對沉積物結(jié)構(gòu)影響不大，因此Cl+Pa組沉積物各層的粒徑變化與搖蚊組近似，且Cl+Pa組的滲透系數(shù)也起明顯的促進(jìn)作用。表明Tub+Pa組中搖蚊擾動對沉積物起主要影響作用。由于顫蚓與膀胱螺兩組沉積物各層粒徑增加與減少趨勢一致，且兩種生物作用空間不同，當(dāng)兩種生物混合后，在Tub+Pa組出現(xiàn)疊加現(xiàn)象，使其各層沉積物粒徑增加量或減少量加劇。Eckman等[22]研究發(fā)現(xiàn)管狀生物密集程度的變化會造成沉積物床面的穩(wěn)定性均有所降低，特別是當(dāng)密集程度高時，這種作用更為明顯。生物擾動作用通過改變沉積物的物理特性促使其結(jié)構(gòu)疏松，孔隙增大[23]，從而導(dǎo)致沉積物更易于混合。一般認(rèn)為生物擾動過程可以引起沉積物含水量的增加，促進(jìn)糞球的形成和再懸浮[24]。當(dāng)生物擾動或水流干擾等產(chǎn)生的臨界切應(yīng)力能夠抵消沉積物顆粒間的黏合力時，沉積物顆粒就會發(fā)生再懸浮[25]。懸浮到上覆水體的微粒物質(zhì)與沉降下來的微粒一起不斷為水體中微量物質(zhì)的吸附作用提供新的微粒表面,因而有利于生物擾動和水流動力作用引起沉積物發(fā)生內(nèi)部混合作用,引發(fā)微粒聚集和凝聚作用增加。

3 結(jié) 論

(1) 試驗(yàn)?zāi)M表明,搖蚊幼蟲、顫蚓和尖膀胱螺對沉積物滲透性具有不同的影響作用。單一物種組中搖蚊幼蟲和尖膀胱螺對沉積物的滲透性呈促進(jìn)作用,且搖蚊幼蟲對沉積物滲透性促進(jìn)效果比尖膀胱螺更顯著;顫蚓對滲透性呈削弱作用,這與其生物密度過大有關(guān)。在搖蚊幼蟲、顫蚓和尖膀胱螺兩兩混合的3組中,由于尖膀胱螺的生活習(xí)性,尖膀胱螺和顫蚓組合的滲透系數(shù)反而大于搖蚊幼蟲和顫蚓組合。另外,在混合試驗(yàn)組中,顫蚓生物密度過大,同時搖蚊幼蟲與顫蚓之間相互競爭,使其擾動對沉積物滲透性的促進(jìn)效果減弱,最終結(jié)果小于空白組。

(2) 生物擾動對沉積物顆粒粒徑大小和分布區(qū)域產(chǎn)生明顯干預(yù)作用, 影響了沉積物的滲透性, 使得沉積物中物質(zhì)循環(huán)在垂直方向上得到顯著加速。各種生物的擾動方式不同,使沉積物的滲透性增強(qiáng)或減弱。單一物種組中搖蚊對沉積物結(jié)構(gòu)的再造作用最強(qiáng);顫蚓的淤塞作用主要發(fā)生在水—沉積物界面以下3—9 cm,攝食排泄作用使沉積物中細(xì)泥含量增加,粗沙含量減少導(dǎo)致滲透性減弱;尖膀胱螺對沉積物粒徑分布的影響不明顯。

(3) 除生物種類外,生物密度也是影響沉積物滲透系數(shù)重要因素。本次研究只采用一種生物比例混合對河流潛流帶垂向滲透系數(shù)的影響做了試驗(yàn)研究,在今后的研究工作中,尚需要對不同生物密度對滲透系數(shù)影響做實(shí)驗(yàn)測試分析研究。

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Influences of Bioturbations on Vertical Hydraulic Conductivity Diversity of Sediments

CHENG Dandong1, WANG Yuanyuan1, SONG Jinxi1,2, SUN Yaqi1, ZHANG Guotao1

(1.CollegeofUrbanandEnvironmentalSciences,NorthwestUniversity,Xi’an,Shaanxi710027,China;2.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResoures,Yangling,Shaanxi712100,China)

[Objective] We analyzed the impact of bioturbations on sediment composition, particle size distribution and permeability in order to provide a scientific basis for river pollution control and undercurrent belt repair. [Methods] We investigated the effects of different invertebrates on vertical hydraulic conductivity(VHC) through simulating sediments distrubed byChironomidlarvae,TubificidandPhysaacutain laboratory conditions. [Results]C.larvaeandP.acutahad the greatest impact on permeability. The clogging effect byTubificidmainly occurred in 3—9 cm under water-sediment interface, resulted in reducing hydraulic conductivity. The granularity effect and distribution characteristics byP.acutawere barely discernible. [Conclusion] Bioturbation of bothChironomidlarvaeandPhysaacutaimproves the VHC of sediments, while bioturbation ofC.larvaeis more remarkable, comparatively. In contrast,Tubificidweakens the permeability of sediment. Bioturbation can modify the structure of sediment deposits, and thereby promote the permeability of streambed sediments.

bioturbations; vertical hydraulic conductivity;Chironomidlarvae;Tubificid;Physaacuta

修回日期：2015-07-14

國家自然科學(xué)基金“北方河流潛流帶水交換變化機(jī)理與數(shù)值模擬”(51379175)， “典型物理化學(xué)作用下河床滲透系數(shù)變化機(jī)理研究”(51079123)； 陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃(2014KCT-27); 高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20136101110001)

程丹東(1990—)女(漢族),陜西省西安市人,碩士研究生,研究方向?yàn)樗呐c水資源。 E-mail:chengdandong@163.com。

宋進(jìn)喜(1971—),男(漢族),甘肅省天水市人,教授,博士,主要從事水文學(xué)、水資源與水生態(tài)研究。 E-mail: jinxisong@nwu.edu.cn。

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1000-288X(2015)05-0077-05

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