竇傳彬，夏繼紅，王 玥，季書一

(河海大學(xué) 農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100）

“潛流”是指地表水與地下水相互作用形成的水流,河岸帶發(fā)生潛流交換的區(qū)域稱為河岸帶潛流層［1-3］。碳、氮、磷等生源要素是河岸帶潛流層物質(zhì)循環(huán)和能量流動的主要參與者,其物理遷移與化學(xué)轉(zhuǎn)化過程對生態(tài)系統(tǒng)平衡有重要影響［4-6］。例如,地表水中的有機態(tài)氮磷通過下降流遷移至河岸帶潛流層,為潛流生物提供良好的生存環(huán)境,但過量有機態(tài)氮磷的輸入會導(dǎo)致區(qū)域水質(zhì)惡化,破壞地下水生境平衡［7-8］。夏繼紅等［1］和李勇等［9］指出,潛流水動力過程是河岸帶潛流層生源要素遷移轉(zhuǎn)化的驅(qū)動條件,其易受河岸帶潛流層空間結(jié)構(gòu)的影響［10-12］。Kasahara 等［11］指出恢復(fù)河流蜿蜒型結(jié)構(gòu)有利于河岸潛流交換的發(fā)生。Wroblicky 等［12］指出河流彎曲部分河岸帶潛流層面積較大。目前對河岸帶潛流層的研究集中于其形態(tài)和組成對潛流交換過程的影響,如探討潛流交換通量、交換寬度、停留時間等隨河岸彎曲度、基質(zhì)組成的改變而產(chǎn)生的變化［10-13］。部分學(xué)者分析了河岸帶潛流層基質(zhì)組成特征［14］、近岸區(qū)植被分布特征［13］對溶質(zhì)遷移過程的影響機制,但河岸帶潛流層空間結(jié)構(gòu)特征對生源要素轉(zhuǎn)化過程的影響機制尚需進一步研究。筆者借鑒現(xiàn)有潛流交換理論,綜述河岸帶潛流層的空間結(jié)構(gòu)特征對碳、氮、磷三種生源要素遷移轉(zhuǎn)化的影響機制,并探討未來研究的發(fā)展方向。

1 河岸帶潛流層結(jié)構(gòu)及生源要素遷移轉(zhuǎn)化基本過程

1.1 河岸帶潛流層三維空間結(jié)構(gòu)特征

河岸帶潛流層是水域生態(tài)系統(tǒng)與陸域生態(tài)系統(tǒng)、河流地表水系統(tǒng)與河岸地下水系統(tǒng)的交界區(qū)域,是一個具有復(fù)雜三維空間結(jié)構(gòu)的交錯區(qū)域［15-16］。河岸帶潛流層作為河岸帶的一部分,其縱向結(jié)構(gòu)由多個功能區(qū)潛流層以交錯和嵌套的方式組成,具有不規(guī)則、蜿蜒型結(jié)構(gòu)特征；其在橫向上連接近岸水域與近岸陸域,從水域到陸域,水域生態(tài)特征逐漸減弱,而陸域生態(tài)特征逐漸增強,具有顯著的過渡性特征；其在垂向上上接河岸非飽和土壤層以及地表陸域,下連地下水層,具有顯著分層特征,見圖1。另外,從近岸水域至近岸陸域河岸帶潛流層由植被覆蓋區(qū)域向單一土壤區(qū)域過渡,土壤由粗顆粒向細顆粒過渡［17］。

圖1 河岸帶潛流層空間結(jié)構(gòu)示意

1.2 河岸帶潛流層生源要素遷移轉(zhuǎn)化基本過程

1.2.1 基本遷移過程

(1)隨流遷移過程。河岸帶潛流層中顆粒態(tài)與溶解態(tài)生源要素在潛流上升流和下降流驅(qū)動下遷移的過程為隨流遷移過程。河岸形態(tài)、河岸基質(zhì)組成、水文季節(jié)、岸坡植被變化均會形成地表水水力坡降及水壓力梯度,引起地下水水流的水力坡降,從而促使河流地表水與地下水之間交換,形成上升流和下降流,進而影響隨流遷移過程［18-19］。

(2)擴散遷移過程。溶解態(tài)生源要素在濃度梯度驅(qū)動下發(fā)生擴散遷移。當(dāng)溶解態(tài)生源要素隨下降流進入河岸帶潛流層后,與周邊區(qū)域形成濃度梯度,促使其向周邊區(qū)域擴散遷移。擴散遷移過程并非均以下降流為擴散源頭。林俊強等［20］通過物理模型試驗發(fā)現(xiàn),在河岸基質(zhì)為均質(zhì)且形態(tài)為順直的條件下,河岸帶潛流層也會發(fā)生擴散遷移。擴散遷移過程主要受生源要素駐留時間、初始濃度、地表徑流、基質(zhì)組成以及孔隙介質(zhì)通道影響［20-22］。

(3)吸附解吸遷移過程。河岸帶潛流層孔隙水中溶解態(tài)生源要素可以被土壤及膠體吸附,但在固體顆粒表面吸附能降低,或因擾動作用使得吸附在固體表面的粒子獲得起動力時,生源要素會由固體表面解吸至孔隙水中,此過程為吸附解吸遷移過程［23-24］。該過程主要分為兩種:第一種是土壤顆粒對生源要素的直接吸附過程,并以土壤顆粒吸附態(tài)儲存于河岸帶潛流層中,但在土壤表面自由能降低后易解吸出來［23］；第二種是溶解態(tài)氮、磷離子通過取代膠體表面的陰離子而被吸附在膠體表面的過程,這種吸附能量介于物理吸附和化學(xué)吸附之間,被吸附的氮、磷離子也會被其他陰離子(氫氧根離子)取代而重新進入水體［24］。

(4)沉降再懸浮遷移過程。地表水中的顆粒態(tài)生源要素會在重力作用下沉降進入淺層河岸帶潛流層,但受風(fēng)浪、水流、人為和生物擾動等影響,顆粒態(tài)生源要素會重新懸浮遷移至地表水中,此為顆粒態(tài)生源要素的沉降再懸浮遷移過程［25］。

1.2.2 基本轉(zhuǎn)化過程

(1)碳循環(huán)轉(zhuǎn)化過程。河岸帶潛流層中碳元素的轉(zhuǎn)化主要通過有機碳化合物厭氧發(fā)酵與好氧分解實現(xiàn)。在厭氧條件下,由動植物殘體分解所產(chǎn)生的有機碳化合物在微生物作用下發(fā)酵產(chǎn)生二氧化碳。當(dāng)溶解氧濃度足夠低時,有機碳化合物在產(chǎn)甲烷菌的作用下產(chǎn)生甲烷［26］。在好氧環(huán)境下,河岸帶潛流層生物膜結(jié)構(gòu)(由真菌、細菌、原生生物和小型底棲動物組成)會促進有機碳化合物分解成二氧化碳［27］,而二氧化碳則在光合作用下被水生植物吸收轉(zhuǎn)化為植物性碳,見圖2。

圖2 河岸帶潛流層碳、氮、磷循環(huán)轉(zhuǎn)化示意

(2)氮循環(huán)轉(zhuǎn)化過程。河岸帶潛流層氮素的循環(huán)轉(zhuǎn)化過程主要以微生物為媒介通過蛋白質(zhì)水解—脫氨作用—硝化作用—反硝化作用—異化還原作用來實現(xiàn)［28］,其轉(zhuǎn)化過程見圖2。蛋白質(zhì)水解過程是指動植物死亡后產(chǎn)生的蛋白質(zhì)被蛋白酶水解成氨基酸的過程［4］。脫氨作用是指有機態(tài)氮在氨化細菌脫氨基酸作用下分解產(chǎn)生氨［4,28］。該過程在好氧條件和厭氧條件下均可發(fā)生,例如丙氨酸在好氧微生物作用下發(fā)生氧化脫氨；在厭氧條件下,丙氨酸在兼性厭氧菌和專性厭氧菌作用下發(fā)生還原脫氨。除此之外,水生動物排泄產(chǎn)生的尿素在微生物作用下水解,從而產(chǎn)生氨［4］。硝化作用是指有機態(tài)氮分解產(chǎn)生或植物根系吸收轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生的氨在亞硝化細菌作用下先被轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮,接著在硝化細菌的作用下被轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮的過程［4］。河岸帶潛流層中的反硝化過程分為同化反硝化和異化反硝化兩種:同化反硝化是指硝態(tài)氮先在硝酸還原酶的作用下被還原成氨,再被同化成微生物體內(nèi)的有機態(tài)氮的過程；異化反硝化是指硝態(tài)氮在厭氧條件下被反硝化細菌還原為氣態(tài)氮的過程,此過程也是河岸帶潛流層氮素去除的主要途徑［4,28］。異化還原過程是指硝態(tài)氮在微生物作用下先被還原成,再被還原成氨的過程。

(3)磷循環(huán)轉(zhuǎn)化過程。磷在河岸帶潛流層中以有機態(tài)磷、無機態(tài)磷和還原態(tài)PH3三種狀態(tài)存在［29］。水生生物排泄、死亡所產(chǎn)生的有機態(tài)磷(核酸、磷脂、植素)可以被微生物直接分解［30］。顆粒態(tài)無機磷可以在微生物生命活動產(chǎn)生的有機酸或硝化細菌硫化細菌產(chǎn)生的硝酸和硫酸作用下溶解［31］。上述過程分解產(chǎn)生的溶解態(tài)磷酸鹽可被水生生物吸收并同化為生物體內(nèi)的有機態(tài)磷,見圖2。此外,偏磷酸鹽在強還原條件下會被微生物還原成PH3［29］。

2 河岸帶潛流層結(jié)構(gòu)對生源要素遷移轉(zhuǎn)化的影響

2.1 對遷移過程的影響

(1)縱向蜿蜒鑲嵌結(jié)構(gòu)對生源要素遷移過程的影響。隨著地表水的流動,河岸凹岸處極易形成渦流,使得凹岸迎水面壓力增大,背水面壓力減小,從而促進河流地表水從凹岸迎水面進入河岸帶潛流層,駐留一段時間后,從凹岸背水面返回地表水,生源要素也會隨著潛流在河岸帶潛流層內(nèi)遷移［20,32］。河岸帶潛流層縱向彎曲程度對生源要素的遷移過程影響強烈,Peterson等［33］指出河流彎曲處頸部潛流交換速度較快,林俊強等［20］通過物理模型試驗指出溶質(zhì)在河岸帶潛流層內(nèi)的遷移速度隨河岸彎曲度的增大而增大。

功能區(qū)鑲嵌排列方式會導(dǎo)致河岸帶潛流層土壤基質(zhì)組成呈連續(xù)帶狀分布特征。例如,居民區(qū)河岸帶潛流層表面以漿砌塊石為主,濕地自然保護區(qū)潛流層基質(zhì)以砂性土為主,前者的滲透系數(shù)遠小于后者的,從而導(dǎo)致生源要素隨流遷移量減小。曹偉杰［14］通過室內(nèi)物理模型試驗指出河岸帶潛流層基質(zhì)越粗溶質(zhì)遷移通量越大,遷移速度越快,駐留時間越短。

(2)橫向過渡結(jié)構(gòu)對生源要素遷移過程的影響。近岸水域中根植于河岸帶潛流層的水生植物會影響區(qū)域水流流速、紊動強度,甚至?xí)饻u流,從而影響河流地表水與河岸孔隙地下水的交換過程,進而對生源要素的遷移過程產(chǎn)生影響［13,34-36］。夏繼紅等［13］通過物理模型試驗發(fā)現(xiàn),近岸水域高稈挺水植物的存在不僅壅高了稈莖迎水面的水位,而且在稈莖背水面產(chǎn)生了渦流,使得區(qū)域水流的擾動度和壓力梯度增大,增強了潛流交換作用,促進生源要素的遷移。此外,水流流經(jīng)植被覆蓋區(qū)域時受到阻滯,流速降低,迫使顆粒態(tài)生源要素從近岸水域沉降進入河岸帶潛流層［34-36］。除了通過改變水流流態(tài)間接影響生源要素外,水生植物還可以通過改變土壤物理性質(zhì)影響生源要素遷移過程。根植于近岸水域的水生植物可以穩(wěn)固河岸從而降低區(qū)域土壤流動性,這將降低河岸帶潛流層的沖淤交換量,從而抑制生源要素的遷移［36］。不僅如此,水生植物根系的季節(jié)性生長和萎縮將導(dǎo)致土壤內(nèi)部產(chǎn)生大孔隙,增強河岸帶潛流層的滲透性,促進生源要素的遷移［36］。

河岸帶潛流層土壤在橫向上具有分層結(jié)構(gòu),且離河道越遠土壤基質(zhì)越細,對溶解態(tài)生源要素的吸附作用越強,不利于生源要素的擴散遷移［17］。河岸帶潛流層除了連接近岸水域外,還與近岸陸域連接。當(dāng)?shù)乇硭唤档蜁r,地下水由近岸陸域遷移至河岸帶潛流層再遷移至地表水,以此來實現(xiàn)地表水的補充,此時河岸帶潛流層生源要素得到近岸陸域的補充；當(dāng)?shù)乇硭簧仙龝r,水流的遷移方向則完全相反,此時河岸帶潛流層向近岸陸域輸送生源要素；當(dāng)?shù)乇硭黄椒€(wěn)時,生源要素的濃度梯度決定其遷移方向。

(3)垂向分層結(jié)構(gòu)對生源要素遷移過程的影響。河岸帶潛流層土壤基質(zhì)在垂向上具有分層結(jié)構(gòu),土壤粒徑隨距地表距離的增加而減?。?7］,因此深度越深,通過入滲作用由地表陸域進入河岸帶潛流層的生源要素濃度越低。但這并不代表區(qū)域生源要素的濃度在垂向上始終保持降低趨勢,地下水中生源要素可以通過隨流(上升流)和擴散遷移的方式進入河岸帶潛流層,使得下部河岸帶潛流層生源要素濃度升高。

2.2 對轉(zhuǎn)化過程的影響

(1)縱向蜿蜒鑲嵌結(jié)構(gòu)對生源要素轉(zhuǎn)化過程的影響。在凹岸迎水面,潛流下降流攜帶地表水中的生源要素及氧氣進入河岸帶潛流層；在凹岸背水面,潛流上升流則攜帶還原性生源要素返回地表水中,潛流中所攜帶的生源要素的種類決定其轉(zhuǎn)化類型。Storey等［37］、Holmes 等［38］指出下降流中含有的硝態(tài)氮可以為反硝化過程提供反應(yīng)物,而高濃度的溶解氧被淺層潛流層微生物所消耗,從而為反硝化過程提供厭氧環(huán)境,因此下降流區(qū)域以反硝化過程為主,且隨著深度的增加,反硝化作用逐漸增強,而上升流中攜帶深層地下水中溶解氧為硝化作用提供了有氧環(huán)境,因此潛流層上升流主要發(fā)生硝化反應(yīng)。但Stelzer 等［39］指出如果上升流中有機碳含量較高,溶解氧濃度和硝態(tài)氮濃度會明顯下降,表明上升流中發(fā)生了反硝化反應(yīng)和有機碳的好氧分解反應(yīng)。

河岸帶潛流層的縱向鑲嵌結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致不同功能區(qū)生源要素的濃度和潛流生物的群落數(shù)量存在差異。例如,若河岸帶潛流層表面由漿砌塊石構(gòu)成,由下降流攜帶進入該區(qū)域的生源要素和溶解氧濃度均較低,導(dǎo)致微生物生存環(huán)境惡化,從而抑制生源要素的轉(zhuǎn)化［29］。不僅如此,漿砌塊石結(jié)構(gòu)會抑制兩棲類等潛流生物在河岸帶潛流層的生存、繁衍,從而影響生源要素在食物鏈內(nèi)的轉(zhuǎn)化過程。

(2)橫向過渡結(jié)構(gòu)對生源要素轉(zhuǎn)化過程的影響。根植于河岸帶潛流層的植物可直接吸收溶解態(tài)生源要素。Salehin 等［40］指出,可溶性氮、磷流經(jīng)水生植物密集區(qū)域時,會被植物直接吸收并同化,導(dǎo)致其濃度降低。不僅如此,近岸水域的水生植物可以通過為微生物和水生動物創(chuàng)造適合的水流條件來間接影響生源要素的轉(zhuǎn)化過程。微生物的生命活動受河流水動力條件影響劇烈,水流流速越快、湍流越劇烈對其攝食和繁衍活動的抑制作用越強［41］,而水生植物的存在會降低近岸水域水流流速,從而為微生物和水生動物提供適合生存的場所,進而促進生源要素的吸收和轉(zhuǎn)化［42］。

土壤的橫向過渡結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)形成溶解氧濃度梯度,從而影響生源要素的轉(zhuǎn)化過程。Shen 等［43］通過野外調(diào)查發(fā)現(xiàn),淺層河岸帶潛流層內(nèi)的微生物是溶解氧的主要消耗者,有機態(tài)碳和氮也在該區(qū)域被生物膜分解轉(zhuǎn)化為無機碳和銨態(tài)氮。隨著距河道距離的增大,溶解氧濃度降低,硝化作用和碳素好氧分解作用減弱,而反硝化作用和碳素厭氧發(fā)酵作用逐漸增強［37-38］。不僅如此,在厭氧環(huán)境下,有機態(tài)氮的脫氨作用受到抑制,脫氨速率大大降低［28］。因水生植物的阻水作用而沉降在淺層河岸帶潛流層內(nèi)的顆粒態(tài)生源要素也會在水力侵蝕及氧化還原反應(yīng)的作用下發(fā)生溶解。例如,當(dāng)氧氣濃度較高時,Fe3(PO4)2中的Fe3＋被還原成Fe2＋,原本與Fe3＋結(jié)合的磷酸根成為自由離子釋放進入孔隙水中［44］。

溫度同樣是影響生源要素轉(zhuǎn)化的重要因素之一。Heathcote 等［45］研究發(fā)現(xiàn)氣候變化會影響地表水溫度,從而對微生物的生命活動起到促進或抑制作用,進而影響有機質(zhì)的分解過程。河岸帶潛流層僅靠近河流一側(cè)可受陽光直射,因此隨著距河流橫向距離的增加,溫度逐漸下降,微生物及酶的活性降低,生源要素的轉(zhuǎn)化過程受到抑制。

(3)垂向分層結(jié)構(gòu)對生源要素轉(zhuǎn)化過程的影響。溶解氧是影響生源要素轉(zhuǎn)化過程的重要因素。河岸帶潛流層的垂向結(jié)構(gòu)決定了該區(qū)域溶解氧來源于地表陸域以及深層地下水。地表陸域中的生源要素和溶解氧隨土壤水入滲進入上部河岸帶潛流層,并在該區(qū)域形成好氧區(qū)域,促進有機態(tài)氮的硝化和有機碳的分解。下部河岸帶潛流層通過上升流獲取深層地下水中的溶解氧,從而促進有機碳的分解,同時消耗溶解氧［39］。

3 結(jié)語

河岸帶潛流層獨特的三維空間結(jié)構(gòu)對生源要素的遷移轉(zhuǎn)化過程影響顯著?？v向蜿蜒鑲嵌結(jié)構(gòu)通過影響河岸帶潛流層表面水壓力梯度實現(xiàn)對生源要素隨流遷移過程的影響。橫向過渡結(jié)構(gòu)通過影響近岸水域水動力條件實現(xiàn)對生源要素擴散遷移和沉降再懸浮遷移過程的影響。垂向上生源要素遷移過程受地表陸域以及深層地下水輸入的影響。河岸帶潛流層空間結(jié)構(gòu)特征對生源要素轉(zhuǎn)化過程的影響是,先影響生源要素的遷移過程,使得區(qū)域內(nèi)形成生源要素、溶解氧濃度及溫度梯度,再影響其轉(zhuǎn)化過程。目前國內(nèi)外學(xué)者對河岸帶潛流層生源要素遷移轉(zhuǎn)化過程有了一定認知,但是該領(lǐng)域未來的研究仍有很大的發(fā)展空間,筆者認為未來可加強以下方向的研究。

(1)河岸帶潛流層結(jié)構(gòu)隨時間的演變規(guī)律。河岸帶潛流層結(jié)構(gòu)除了具有空間上的三維結(jié)構(gòu)特征外,還具有隨時間變化的特征。隨著時間的推移,在人為或自然因素作用下,河岸帶潛流層的空間結(jié)構(gòu)、生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)狀態(tài)及主要功能等均持續(xù)變化,然而現(xiàn)有研究多集中于靜態(tài)的空間結(jié)構(gòu)特征對生源要素遷移轉(zhuǎn)化過程的影響,未來的研究可考慮動態(tài)變化條件下河岸帶潛流層結(jié)構(gòu)對生源要素遷移轉(zhuǎn)化過程的影響。

(2)環(huán)境條件與河岸帶潛流層生源要素遷移轉(zhuǎn)化的互饋機制。河岸帶潛流層生源要素遷移轉(zhuǎn)化過程與環(huán)境條件之間存在著相互影響的關(guān)系。例如現(xiàn)有的生態(tài)修復(fù)措施(地形塑造措施以及自然植被修復(fù)措施)會改變河岸帶潛流層的縱向蜿蜒結(jié)構(gòu)以及橫向過渡結(jié)構(gòu),進而間接影響生源要素的對流和擴散遷移過程；顆粒態(tài)生源要素的沉降再懸浮過程會改變土壤孔隙的過流能力,從而影響河岸帶潛流層的孔隙結(jié)構(gòu)特征。再如,生源要素的遷移轉(zhuǎn)化過程會在河岸帶潛流層內(nèi)形成濃度梯度,從而影響潛流生物的活動軌跡及群落數(shù)量；潛流生物的生命活動過程直接影響生源要素的沉降再懸浮遷移過程,以及通過改變河岸形態(tài)、土壤滲透系數(shù)間接影響生源要素的對流和擴散遷移過程。然而目前的研究多集中于環(huán)境條件對生源要素遷移轉(zhuǎn)化過程的單向影響,未來的研究可綜合考慮不同水文季節(jié)、基質(zhì)組成、河岸地形地貌、水生生物分布等環(huán)境條件與生源要素遷移轉(zhuǎn)化過程的互饋機制。

(3)河岸帶潛流層監(jiān)測預(yù)警技術(shù)開發(fā)。未來可以對河岸帶潛流層進行水溫、pH 值、溶解氧、總氮、總磷、總有機碳等指標(biāo)的實時監(jiān)測以及風(fēng)險預(yù)警,并將結(jié)果以數(shù)字化的形式呈現(xiàn),從而為河岸帶管理提供參考。實現(xiàn)上述技術(shù)可分兩步走:第一步,傳統(tǒng)技術(shù)深度開發(fā),不同生源要素的遷移轉(zhuǎn)化機制具有差異性,而傳統(tǒng)技術(shù)偏向于單一類型數(shù)據(jù)監(jiān)測,未來應(yīng)深度開發(fā)多類型、多維度數(shù)據(jù)的聯(lián)合監(jiān)測技術(shù),以實現(xiàn)河岸帶潛流層監(jiān)測結(jié)果的準確化；第二步,現(xiàn)代技術(shù)集成運用,運用地理信息系統(tǒng)(GIS)、遙感技術(shù)(RS)、地質(zhì)雷達(GPR)、高密度電阻率成像法(ERT)等,獲取水文、地形、植被、土壤等信息,在此基礎(chǔ)上集成大數(shù)據(jù)、云計算、機器學(xué)習(xí)、數(shù)字仿真等技術(shù),實現(xiàn)河岸帶潛流層的數(shù)字化管理。