微循環(huán)對村鎮(zhèn)斷頭河道水土保持特性的影響

陳春偉，鄒軼波，王 磊，徐強強，索鵬程，左曉俊*

(1.常州市武進區(qū)水利局河道與湖泊管理處，江蘇 常州 231000;2.常州市武進區(qū)洛陽鎮(zhèn)水利站，江蘇 常州 231000;3.南京信息工程大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210044)

近年來，隨著經(jīng)濟飛速發(fā)展，農(nóng)村城鎮(zhèn)化進程加快，農(nóng)村地區(qū)工業(yè)企業(yè)的快速發(fā)展及人工建筑物不斷增加，大量自然河道被侵占，河道被截斷，水域面積萎縮，河道水系結(jié)構(gòu)遭到破壞。一方面，直接造成河道水系防洪排澇能力逐漸下降[1]；另一方面，也會導(dǎo)致非雨期水體難以流動，破壞河道生態(tài)環(huán)境，使河道生物鏈系統(tǒng)失衡[2]。特別在太湖流域目前與主要入湖河流相連的一級支流中的斷頭河道比例較高。斷頭河道防洪標(biāo)準(zhǔn)往往較低，雨季很可能會發(fā)生因河道斷面淤堵而引發(fā)的洪水災(zāi)害，威脅河道沿岸居民的人身財產(chǎn)安全。

水系連通性是河道水系健康的主要影響因素之一，對保持河道生態(tài)環(huán)境、創(chuàng)造完整穩(wěn)定的河道生態(tài)系統(tǒng)[3]具有重要意義。對于斷頭河道而言，由于房屋建筑等基礎(chǔ)設(shè)施的客觀存在，很難實現(xiàn)原有水系的自然連通。利用水系連通原理，通過設(shè)置微動力循環(huán)可以實現(xiàn)斷頭河道內(nèi)部水流流動，達到水系連通的目的，進而修復(fù)其河道生態(tài)系統(tǒng)。河道生態(tài)系統(tǒng)與河道岸坡水土保持關(guān)系密切[4]，而河道岸坡水土保持對河道防洪意義重大。然而，當(dāng)前對水系連通性的研究多集中在其對河道水質(zhì)[5]和水生態(tài)環(huán)境改善[6]上，很少有關(guān)水系連通對河道水土保持和防洪影響方面的研究報道。

因此，本研究結(jié)合實際河道開展試驗研究工作，調(diào)查微循環(huán)前后河道岸坡性狀的變化情況，分析微循環(huán)下的河道生態(tài)系統(tǒng)抗沖擊性能，探討岸坡生態(tài)系統(tǒng)抗沖擊性能對其穩(wěn)定性的影響，研究成果為提升太湖流域農(nóng)村斷頭河道管理水平，為農(nóng)村地區(qū)斷頭河道水系防洪排澇提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域位置

本研究選取江蘇省常州市武進區(qū)洛陽鎮(zhèn)境內(nèi)的徐家頭浜作為研究對象，該支浜為太湖主要入湖河流之一武進港的一級支浜，河道長度約為1.16 km，通過排澇站與武進港相連，是太湖流域典型的村鎮(zhèn)斷頭河道。研究區(qū)域如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域位置

1.2 河道微循環(huán)試驗方法

河道微循環(huán)設(shè)計總體為在該條支浜末端(洛陽鎮(zhèn)陽光路戈家頭村附近)設(shè)置1個小型的循環(huán)提升泵房，配置一用一備的2臺提升泵，用管徑200 mm的管道將河水由洛陽提升泵站西側(cè)泵入閘站處河段，實現(xiàn)徐家頭浜內(nèi)部水體循環(huán)(圖2)；設(shè)計流速為0.001 m/s。于2020年5—8月每隔1周在上述設(shè)計流速條件下對目標(biāo)河道進行1次持續(xù)24 h的微循環(huán)，每隔2周微循環(huán)運行前后各采樣1次(記為1個采樣批次，本研究過程中共進行7個采樣批次)。

圖2 河道微循環(huán)示意圖

1.3 樣品采集與處理

在微循環(huán)前后分別利用預(yù)先滅菌的聚乙烯塑料瓶(500 mL)采集河道沿程2處采樣點(如圖2中的黑點所示)的河道岸坡和中線水樣，利用沉積物采樣套件采集河道岸坡土壤。每次采樣完成后，按《水與廢水標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測方法》(第四版)進行處理保存，并及時送回實驗室進行樣品分析。按照《湖泊生態(tài)系統(tǒng)觀測方法》要求，利用浮游生物采集網(wǎng)(#25號、#13號)分別對河道水體中的浮游植物和浮游動物進行采集，并用福爾馬林或魯哥試液進行固定，置于冰盒采樣箱，及時送回實驗室進行后續(xù)分析。采集的土壤樣品分成2個部分：①部分進行土壤理化性質(zhì)分析測定；②另一部分經(jīng)冷凍干燥后于-80℃冰箱保存，用于分析微生物群落結(jié)構(gòu)。

在試驗開展期間，隨機選取小、中、大3種不同類型降雨事件，降雨特征如表1所示，對降雨前和降雨后河道上述樣品進行及時采集和處理。

表1 不同降雨事件的降雨特征

1.4 分析方法

本研究分析測定的指標(biāo)為土壤質(zhì)地、理化性質(zhì)、抗蝕性以及浮游生物和土壤微生物菌群結(jié)構(gòu)。根據(jù)《水土保持試驗規(guī)程》(SL419—2007)，取冷凍干燥后的河道岸坡土樣，經(jīng)不同規(guī)格不銹鋼篩的篩分后，用不同粒徑段顆粒重量百分比來表征土壤質(zhì)地；采用《氯化鉀溶液提取-分光光度法》(HJ 634—2012)測定土壤全氮(AN)；采用《鉬銻抗比色法》(HJ 632—2011)測定土壤總磷；采用環(huán)刀法測定土壤容重，并通過土壤容重和比重計算土壤孔隙率；土壤抗蝕性用土壤團聚體的水穩(wěn)性系數(shù)表示。浮游生物包括浮游動物與浮游植物，其數(shù)量的測定步驟為：將固定的水樣濃縮后，吸取1 mL的濃縮液注入1 mL的計數(shù)框中，使用Nikon 50i顯微鏡在100倍放大倍數(shù)下進行全片鏡檢(至少3次重復(fù))，觀察并記錄數(shù)量，生物量采用標(biāo)準(zhǔn)方法計算。將冷凍干燥保存于-80℃的3次降雨前后的河道土壤樣本進行16S rDNA測序，測河道岸坡土壤微生物菌群結(jié)構(gòu)。

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

利用Excel 2003、origin 2018等統(tǒng)計軟件分析土壤的理化指標(biāo)并進行單因素分析，采用控制變量法研究微循環(huán)對實際河道土壤效應(yīng)，運用Canoco5軟件分析岸坡生態(tài)系統(tǒng)抗沖擊性能與其穩(wěn)定性的關(guān)系。

2 結(jié)果與討論

2.1 微循環(huán)前后河道岸坡性狀的變化

土壤機械組成是指土壤中各種粒級所占的重量百分比。根據(jù)土壤質(zhì)地的類型和特點，參照國際分類制標(biāo)準(zhǔn)，本研究將土壤質(zhì)地的粒徑范圍劃分為粗砂(>0.25 mm)、細砂(0.05～0.25 mm)和粉粒(<0.01 mm)。相關(guān)研究表明，不同直徑的顆粒其土壤特性差別很大：砂粒的持水性最差，無可塑性，常規(guī)干燥狀態(tài)下呈單粒松散狀態(tài)；粉粒的可塑性與持水性較差，且不易膨脹[7]。圖3為微循環(huán)前后土壤質(zhì)地變化情況。

由圖3可見，采樣點1和點2的河道岸坡土壤顆粒組成占比基本一致，岸坡土壤顆粒占比最大均為粗砂(>0.25 mm)和細砂(0.05～0.25 mm)，平均為74.3%～80.4%和15.2%～17.9%，粉粒(<0.05 mm)所占比例較小(4%)，這與何淑勤等[8]對不同植被條件下土壤質(zhì)地分布的研究相似；同時，2個采樣點的岸坡土壤中3種顆粒組成在微循環(huán)過程中變化基本一致。由圖3(a)可知，采樣點1在第一批次采樣微循環(huán)前后，邊坡土壤粗砂(>0.25 mm)占比降低約11.7%，細砂比例增加，粉粒占比基本不變。并且在第二到第五批次采樣微循環(huán)過程中細砂比例不斷增大，由6.8%增至20%，而第五到第六批次采樣微循環(huán)過程中，河道岸坡土壤結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，3種顆粒占比波動不大。對比2個采樣點在微循環(huán)前后土壤結(jié)構(gòu)變化可以得出，采樣點2在微循環(huán)前后期土壤結(jié)構(gòu)與采樣點1變化趨勢相同。

圖3 微循環(huán)前后土壤質(zhì)地變化情況

土壤理化性質(zhì)是影響岸坡穩(wěn)定性能的重要參數(shù)[9]。由圖4(a)可以看出，2個采樣點土壤總磷質(zhì)量比大小及變化趨勢基本一致，在前2個批次采樣微循環(huán)過程中，岸坡土壤總磷質(zhì)量比呈下降趨勢較大，由0.8 mg/g降至0.12 mg/g，變化率為0.15，隨著微循環(huán)次數(shù)增加，岸坡土壤總磷質(zhì)量比趨于穩(wěn)定，在0.05 mg/g，表明初期微循環(huán)土壤總磷沖溶現(xiàn)象較為明顯，后期微循環(huán)對岸坡土壤總磷影響較穩(wěn)定。

土壤含水率是土壤持水性能的重要體現(xiàn)指標(biāo)。由圖4(b)可見，河岸土壤自然含水率較高，2個采樣點平均含水率分別為30%(采樣點1)和27.8%(采樣點2)，表現(xiàn)為濕潤多水的特征[7]。2個采樣點之間含水率差異并不明顯，岸坡土壤持水穩(wěn)定性能較為穩(wěn)定。

圖4 微循環(huán)前后土樣理化性質(zhì)及水穩(wěn)定性變化情況

土壤容重是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)之一，土壤容重越小，土壤越松散，反之，土壤容重越大，土壤越緊實[10]。由圖4(c)可以看出，在6批采樣微循環(huán)過程中，2個采樣點河道岸坡土壤的土壤容重在1.1～1.49 g/cm3之間變化；且隨微循環(huán)次數(shù)增加，河道岸坡土壤容重整體呈上升趨勢；表明微循環(huán)有利于形成土壤緊實的河道岸坡，增加河道岸坡的穩(wěn)定性。

如圖4(d)所示，微循環(huán)過程中岸坡土壤AN變化與TP變化相似，2個采樣點土壤AN質(zhì)量比均在前2個批次采樣微循環(huán)過程中下降較快，在后4個批次采樣微循環(huán)過程中土壤TN質(zhì)量比趨于穩(wěn)定，質(zhì)量比由0.761 mg/g下降到0.215 mg/g?？紫抖缺硎就寥揽障兜姆植记闆r。從圖4(e)可見，在整個微循環(huán)過程中，岸坡土壤孔隙度大小呈波動上升趨勢，岸坡孔隙度的大小平均為20%。在前3個批次采樣微循環(huán)過程中，河道岸坡孔隙度逐漸增大，在3～5個批次采樣微循環(huán)過程中孔隙度有所下降，微循環(huán)后期孔隙度又持續(xù)增加，循環(huán)初期到后期，岸坡土壤孔隙度從10%增至25%。

水穩(wěn)性指數(shù)是通過測定土壤團聚體在靜水中的分散速度來比較土壤抗蝕性能的大小[11]。從圖4(f)可見，在前2個批次采樣微循環(huán)過程中，岸坡土壤水穩(wěn)性指數(shù)較高(0.7～0.9)，隨著循環(huán)次數(shù)增加，水穩(wěn)性指數(shù)不斷減小，從0.9(初期)降至0.4(后期)，表明岸坡土壤的抗蝕性能逐漸降低。

2.2 微循環(huán)下的河道生態(tài)系統(tǒng)抗沖擊性能

由圖5可知，3次降雨事件雨前及雨后浮游動物、植物數(shù)量均在102～103個/mL范圍內(nèi)。其中小雨事件(5月28日)中，采樣點1岸坡及中線雨前雨后浮游植物變化趨勢與浮游動物的相同，雨后較雨前的均表現(xiàn)出增加趨勢，而采樣點2岸坡及中線雨前雨后浮游植物和浮游動物的變化趨勢相反。中雨事件(6月10日)中，各采樣點雨后浮游動物、植物的數(shù)量均比雨前低。大雨事件(6月13日)中，各采樣點雨前雨后浮游動物、植物的變化趨勢卻和中雨事件完全相反，各采樣點雨后浮游動物、植物較雨前的均呈現(xiàn)增長趨勢。綜合各采樣點河道岸坡及中線的浮游動物、植物的數(shù)量發(fā)現(xiàn)，降雨前后河道岸坡的浮游動物、植物數(shù)明顯比河道中線區(qū)域的多。

圖5 降雨前后浮游生物變化情況

OTU和Chao1指數(shù)可以表示微生物群落的物種豐富度；微生物群落多樣性水平(均勻度)用Shannon與Simpson指數(shù)表示，Shannon和Simpson指數(shù)越高代表物種多樣性水平越高[12]。3次降雨事件各采樣點河道岸坡降雨前后α多樣性指數(shù)如表2所示，在小雨和中雨事件中，各采樣點岸坡雨前OUT數(shù)量、Chao1、Shannon與Simpson指數(shù)均比雨后的低，表明降雨前河道岸坡物種豐富度及微生物多樣性水平明顯比降雨后的低。在大雨事件中，各采樣點岸坡降雨前后的OUT數(shù)量、Chao1、Shannon與Simpson指數(shù)變化規(guī)律與前2種類型降雨事件的相反，且降雨前河道岸坡上述4個指標(biāo)均高于降雨后的。

表2 微生物多樣性指數(shù)

由圖6可知，小雨事件中，河道岸坡微生物優(yōu)勢菌群由降雨前的24種變成降雨后的19種，優(yōu)勢菌群下降幅度為20.8%，其中相對豐度占比較大的為Sphingomona和Arthrobacter。中雨事件中，河道岸坡微生物優(yōu)勢菌群由降雨前的22種變成降雨后的21種，優(yōu)勢菌群下降幅度為4.5%，其中Sphingomonas、Arenimonas和Massilia是相對豐度較大的優(yōu)勢菌群，且Massilia受降雨影響最明顯。大雨事件中，河道岸坡微生物優(yōu)勢菌群由降雨前的21種變成降雨后的23種，優(yōu)勢菌群上升幅度為9.5%，其中Sphingomonas、norank_f__norank_o__Vicinamibacterales、norank_f__Roseiflexaceae和norank_f__norank_o__norank_c__KD4-96等優(yōu)勢菌群占比較高?？梢?，小雨和中雨類型的降雨事件中，降雨后優(yōu)勢菌群減少，且小雨事件中優(yōu)勢菌群變化率較大，中雨事件下變化不明顯，而大雨類型下，降雨后優(yōu)勢菌群增加，變化程度高于中雨類型低于小雨類型。在本研究中，隨著上述3種類型降雨事件的依次發(fā)生，河道微循環(huán)運行次數(shù)也在逐漸增加，結(jié)合這3種不同類型降雨事件中河道岸坡優(yōu)勢菌群變化幅度，反映出河道微循環(huán)對河道岸坡生態(tài)系統(tǒng)抗沖擊性能具有促進作用。

圖6 降雨前后河道岸坡土壤微生物菌群結(jié)構(gòu)變化情況

2.3 岸坡生態(tài)系統(tǒng)抗沖擊性能與其穩(wěn)定性的關(guān)系

岸坡土壤微生物的多樣性變化一定程度代表了岸坡生態(tài)系統(tǒng)抗沖擊性能[13]。本研究中，將岸坡土壤屬類水平下微生物群落與上述土壤質(zhì)地、理化性質(zhì)、抗蝕性等環(huán)境因子作冗余分析，以探討岸坡生態(tài)系統(tǒng)抗沖擊性能與其穩(wěn)定性的關(guān)系。3場降雨前后微循環(huán)過程中岸坡土壤微生物多樣性與其理化性質(zhì)的RDA分析，如圖7所示。2個采樣點降雨及微循環(huán)岸坡土壤微生物樣本分散于4個象限中，表明隨降雨及微循環(huán)場次不同，岸坡土壤微生物群落多樣性變化較大。同時，降雨及微循環(huán)前后影響岸坡土壤微生物群落多樣性變化的指標(biāo)略有差異。與降雨前2個采樣點岸坡土壤微生物多樣性相關(guān)的環(huán)境因子有營養(yǎng)元素(TP，AN)、含水率、抗蝕性及0.05～0.25 mm粒徑段土壤顆粒分布，而降雨及微循環(huán)后與其相關(guān)的環(huán)境因子增加了小于0.05 mm粒徑段土壤顆粒分布，但僅減少了抗蝕性，表明岸坡生態(tài)系統(tǒng)抗沖擊性能變化與其土壤穩(wěn)定性能關(guān)系密切。

另由圖7可見，影響岸坡土壤微生物群落的第一排序軸和第二排序特征值分別為降雨前(72.74%、14.32%)和降雨后(78.62%、10.54%)，分別可以解釋岸坡土壤微生物群落多樣性變化總方差值的87.06%、89.16%。冗余分析表明，降雨及微循環(huán)前后，岸坡土壤TP、AN及含水率對河道岸坡土壤微生物群落多樣性的變化影響均達到顯著水平(P<0.05)，對岸坡土壤微生物群落變化的解釋度分別為64.2%(TP)、11.35%(AN)、13.45%(含水率)；然而，降雨及微循環(huán)前抗蝕性與0.05～0.25 mm粒徑段土壤顆粒分布對河道岸坡土壤微生物群落多樣性的變化影響無顯著的相關(guān)性，對岸坡土壤微生物群落變化的解釋度均較小(4.5%、6.7%)；同樣，降雨及微循環(huán)后增加的環(huán)境因子(<0.05 mm粒徑段土壤顆粒分布)對微生物群落多樣性變化也無顯著相關(guān)性。整體來看，在降雨及微循環(huán)運行過程中，岸坡生態(tài)系統(tǒng)抗沖擊性受其土壤TP、AN及含水率等環(huán)境因子穩(wěn)定性的影響較大。

圖7 岸坡土壤微生物與環(huán)境因子的RDA分析

3 結(jié) 論

(1)微循環(huán)過程中岸坡土壤質(zhì)地、孔隙率及含水率變化均較小，土壤總磷(TP)、全氮(AN)含量隨微循環(huán)次數(shù)增加先降低后趨于穩(wěn)定，容重整體呈上升趨勢，而抗蝕性不斷減小。

(2)微循環(huán)過程中，各采樣點雨后浮游生物較雨前均呈增長趨勢，岸坡區(qū)域浮游生物數(shù)量明顯高于河道中線區(qū)域，且微循環(huán)對河道岸坡微生物菌群抗降雨沖擊具有促進作用。

(3)岸坡土壤TP、AN及含水率對河道岸坡土壤微生物群落多樣性的變化影響均達到顯著水平(P<0.05)，對岸坡土壤微生物群落變化的解釋度分別為64.2%(TP)、11.35%(AN)、13.45%(含水率)，岸坡生態(tài)系統(tǒng)抗沖擊性受其土壤TP、AN及含水率等環(huán)境因子穩(wěn)定性的影響較大。