底栖动物对水体沉积物物理性状的扰动效应

房　岩，孙　刚，王誉茜，白雪花，彭小唤

(长春师范大学生命科学学院，吉林长春 130032)



底栖动物对水体沉积物物理性状的扰动效应

房岩，孙刚，王誉茜，白雪花，彭小唤

(长春师范大学生命科学学院，吉林长春 130032)

[摘要]底栖动物对水体沉积物的物理性状产生显著的扰动效应。底栖动物的机械运动增加了沉积物接触上覆水的表面积，使沉积物结构更加疏松，含水率和孔隙率增加，容重降低。随着深度的增加，沉积物渗透系数下降。底栖动物的扰动效应具有重要的应用价值，应进一步深入研究。

[关键词]底栖动物；沉积物；物理性质；含水率；渗透性

大多数水体的沉积物污染十分严重，富含多种有机污染物、重金属、氮磷等，成为水体的二次污染源。底栖动物的生命活动(如爬行、游泳、钻洞、掘穴、蠕动、摄食、呼吸等)会对其栖息的沉积物产生一定的机械作用，改变沉积物的初级结构即物理性状，包括含水率、渗透性、容重、孔隙度等[1]。

1材料与方法

水体沉积物采自长春南湖(43°51′N，125°18′E)。该湖是小型半封闭式的内陆湖泊，汇水区面积约14 km2，海拔214 m，平均水深2.85 m，水力学滞留时间平均为270 d左右，年平均降水量和蒸发量分别为578.5 mm和1 441.3 mm[2]。南湖是长春市内唯一的天然浴场和大型水上风景区，建于1935年。从20世纪60年代开始，随着长春市经济的发展和人口的增加，在南湖汇水区内开始兴建工厂和居民住宅。工业废水和生活污水流入湖内，南湖的水源在原来单一的自然降水和天然径流中增加了污水成分。从20世纪70年代中期开始，入湖污水量激增，重度富营养化使南湖基本丧失了养鱼、游泳、观光、游乐等功能[3]。从20世纪80年代初开始，长春市政府实施污水截流工程。1988年底到1990年初，对污染最重的湖区进行了底泥清淤。从20世纪90年代开始进行了生态工程治理，水体富营养化程度有所减轻。南湖经历了人为富营养化的典型演变过程[4]。

沉积物容重采用环刀法测定，比重采用比重瓶法测定，孔隙度由公式“容重/比重”计算得到。沉积物含水率采用烘干法测定，沉积物团聚体、颗粒机械组成和渗透性采用吸管法测定[5]。使用激光粒度仪(英国马尔文公司，MS2000型)测定沉积物机械组成和微团聚体，分别采用沙维诺夫干筛法和改进的Yoder法测定大团聚体(干筛)和水稳性团聚体(湿筛)[6]。扰动生物为水丝蚓(Limnodrilushoffmeisteri)和泥鳅(Misgurnusanguillicaudatus)。

2结果与分析

2.1含水率

在室内模拟实验进行25 d之后，底栖动物(水丝蚓)扰动组和无扰动对照组的沉积物含水率表现出相似的分布特征，都是在表层处(0 cm)最高，分别为37.2%和33.4%。底栖动物扰动组沉积物的含水率最低值出现在25 cm处，为32.4%，无扰动对照组沉积物的含水率最低值也出现在25 cm处，为29.7%。底栖动物扰动组沉积物的平均含水率为33.5%，高于无生物扰动沉积物的平均含水率31.1%。底栖动物扰动组沉积物在0~25 cm各个垂直层次的含水量均高于无扰动空白对照组(图1)。底栖动物的机械运动增加了沉积物接触上覆水的表面积，使沉积物结构更加疏松，孔隙率增加，将水流引入沉积物中[7]。

图1　底栖动物扰动对沉积物含水率的影响

2.2渗透性

渗透性影响着沉积物稳定性、孔隙水的压力消散等，因而是水体界面液化分析、底质应力计算、工程设计和安全评价的重要指标。在室内控制实验中，分析了有/无底栖动物(水丝蚓)扰动的沉积物在自然固结过程中渗透性的差异(图2)。底栖动物扰动组的沉积物比起无扰动对照组的沉积物，渗透系数在实验前期降低更快。然后，两组的渗透系数下降速度都减缓，趋于稳定，而且非常接近。在身体运动(包括游泳、避敌、建管、钻穴、匍匐等)和代谢活动(包括呼吸、摄食、吸收、同化、排泄等)的过程中，底栖动物改变了水体沉积物的局部地形地貌，进而对渗流产生影响[8]。

图2　底栖动物扰动对沉积物渗透系数的影响

生物扰动对海床土渗透性的影响在工程建设中尤其重要。在海洋油气开发、储存、运输和港口设计、规划、建设等方面，海上建筑物的地基安全性、稳定性和可靠性是必须考虑的问题。包括海洋输油输气管道、油气开采平台、重力式架构、海岸防波堤等在内的海上结构物，在海洋环境中受到的威胁主要来自波浪的循环往复载荷。数量丰富的软体动物、多毛类、甲壳类等底栖动物群落生活在海床上。生物活动对沉积物的组成成分、渗透特性、物理结构、化学性质和力学性能等都造成一定影响，进而改变了波浪能量在海洋底质中的衰减速率，以及应力场、渗流场的强度与分布[8]。

2.3容重

在室内模拟实验中，以泥鳅作为扰动生物，对比了扰动组和对照组的沉积物容重(表1)。容重是单位体积沉积物(包括孔隙)的质量，受质地结构、松紧度和有机质含量等影响而发生变化。泥鳅扰动组沉积物容重比无扰动对照组低0.17 g·cm-3，方差分析结果表明差异极显著(P<0.01)。

表1　泥鳅扰动组与无扰动对照组的沉积物容重和孔隙度对比

注：同一列的数字，后面带有相同字母(a与a)表示不显著差异(P>0.05)，不同字母(a与b)表示极显著差异(P<0.01)。

2.4孔隙度

孔隙度是水体沉积物的重要物理性质之一。泥鳅扰动组的沉积物总孔隙度提高了18.6%，差异极显著(P<0.01)；非毛管孔隙度提高了1.78%，但差异不显著(P>0.05)(表1)。

3结语

底栖动物对沉积物的扰动效应是多学科交叉的综合问题，涉及渗流理论、环境科学、生态学、湖沼学、海洋科学、水体沉积学、水体化学、水体物理学、水生生物学、土动力学等[9]。在水体工程设计和建设过程中，底质的组成成分、排水状况、渗流条件、孔隙度、强度、容重、地形地貌、固结速率、稳定性等均是必须考虑的因素[10]。在底栖动物的扰动下，水体沉积物的含水量增加，沉积物表层的土体强度降低，在风、潮流、波浪的驱动和作用下，生物扰动区极易发生沉积物的局部再悬浮[11]。同时，底栖动物的匍匐、游泳、筑穴、建管、避敌等机械运动和摄食、呼吸、吸收、同化、排泄等代谢活动不仅提高了沉积物颗粒的横向和纵向运输，而且强化了底质的排水能力、侵蚀的水动力学效应，增加了沉积物的孔隙度和渗透性，降低了孔隙水的压力蓄积，对沉积物的稳定性产生多方面的、综合性的、长期而复杂的影响。

[参考文献]

[1]陈友媛，刘红军，贾永刚，等．循环荷载作用下海床结构粉质土的液化渗流机理定性研究[J]．岩土力学，2007，28(8)：1631-1635.

[2]孙刚，盛连喜，李明全．长春南湖底栖动物群落特征及其与环境因子的关系[J]．应用生态学报，2001，12(2)：319-320.

[3]孙刚，盛连喜，冯江，等．长春南湖生态系统能量收支的研究[J]．生态学杂志，2000，19(2)：8-12.

[4]孙刚，盛连喜．湖泊富营养化治理的生态工程[J]．应用生态学报，2001，12(4)：590-592.

[5]中国科学院南京土壤研究所土壤物理研究室．土壤理化分析[M]．上海：科学出版社，1978：22-86.

[6]鲁如坤．土壤农业化学方法[M]．北京：中国农业科技出版社，1999：13-169.

[7]高丽．生物扰动对黄河口潮滩沉积物侵蚀性的试验研究[D]．青岛：中国海洋大学，2008.

[8]刘道彬．底栖动物对黄河口海床土渗透性影响的试验研究[D]．青岛：中国海洋大学，2008.

[9]Botto F，Iribarne O．Effect of the burrowing crab Chasmagnathus granulate(Dana)on the benthic community of a SW Atlantic coastal lagoon[J]．Journal of Experimental Marine Biology and Ecology，1999，241(2)：263-284.

[10]Ridd P V．Flow through animal burrows in mangrove creeks[J]．Estuarine，Coastal and Shelf Science，1996，43(5)：617-625.

[11]孙刚，房岩．底栖动物的生物扰动效应[M]．北京：科学出版社，2013：62-69.

Bioturbation of Benthos on Physical Properties of Sediment in Waterbody

FANG Yan，SUN Gang，WANG Yu-qian，BAI Xue-hua，PENG Xiao-huan

(School of Life Science，Changchun Normal University， Changchun Jilin 130032，China)

Abstract:Benthic animal has remarkable bioturbation effects on physical properties of sediment in waterbody. The mechanical activity of benthic animals promotes the surface area of sediment and surface water, loosens the structure of sediment, increases the moisture and porosity and decreases the bulk density. With the increase of depth, the penetration rate of sediment decreases. The bioturbation effect of benthic animals is of great significance and should be further investigated.

Key words:benthic animal；sediment；physical property；moisture content；penetration rate

[通讯作者]孙刚(1969- )，男，教授，博士，硕士生导师，从事水生生态学和界面生物学研究。

[作者简介]房岩(1965- )，女，教授，博士，硕士生导师，从事动物生理学和仿生学研究。

[基金项目]国家自然科学基金项目“生物扰动条件下稻田水层-底栖界面耦合生态动力学研究”、“ 大型底栖动物对浅水湖泊沉积物-水界面耦合的扰动机制”(31370475，31070421)；吉林省科技发展计划项目“底层动物对水体污染的扰动效应及生物修复技术”(20140204042SF)；吉林省教育厅科技计划项目“生物操纵减排水田非点源污染的机理及关键技术”(2012218)。

[收稿日期]2015-10-21

[中图分类号]X52

[文献标识码]A

[文章编号]2095-7602(2016)02-0058-03