干湿交替对河岸带环境效应的影响机制研究进展

钱 进，郑 浩，朱月明，任文畅，沈蒙蒙（1.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏南京 10098；.河海大学环境学院，江苏南京 10098）



干湿交替对河岸带环境效应的影响机制研究进展

钱 进1，2，郑 浩2，朱月明2，任文畅2，沈蒙蒙2
（1.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏南京 210098；2.河海大学环境学院，江苏南京 210098）

摘要：从干湿交替对河岸带土壤物理特性、微生物活性及酶活性、植物生长及分布、氮磷迁移转化过程的影响4个方面阐述了干湿交替对河岸带环境效应的影响，认为有必要从微观机理、各影响因素的耦合机制以及数学模拟等方面进一步深入探讨河岸带环境效应对干湿交替的响应。

关键词：河岸带；干湿交替；环境效应；影响因素

河岸带是指河流高低水位之间的河床及高水位之上直至河水影响完全消失为止的地带[1]。河岸带是陆地生态系统与水生生态系统的交错地带[2]，河岸带处于水陆生态系统之间独特的生境位置，生态结构复杂，是物质、能量、信息交换的重要过渡地带，具有显著的环境效应[3]。河岸带通过一定宽度的“土壤（沉积物）植物微生物”系统的过滤、渗透、滞留、吸收、沉积等物理、化学和生物功能效应[4]，减少地表径流及土壤中污染物向河流的排放，从而达到控制污染、净化水质、保护河流水体的目的。河岸带环境效应发挥得好坏受到河岸带系统内土壤、植被、微生物等因素共同作用的影响，同时，河岸带环境效应还与季节变化、不同降雨条件、河流（收纳水体）水文水质变化等河岸带系统外的因素有着极为密切的关系。

随着季节的变化，河流水位发生周期性涨落，相应地河岸带存在周期性的落干与淹水的交替过程，即干湿交替过程。河岸带的干湿交替过程不仅会引起河岸带土壤物理特性的变化，还会影响河岸植被的生长和种群分布以及河岸带土壤微生物的活性，并在此基础上影响氮磷等非点源污染物的迁移转化，进而影响河岸带拦截污染物、净化和保护水体等环境效应的发挥。因此干湿交替对河岸带环境效应具有较大的影响，研究干湿交替对河岸带环境效应的影响机制，可为揭示河岸带净污机理以及生态河岸带构建提供理论依据。

1 干湿交替对河岸带土壤物理特性的影响

河岸带周期性的干湿交替使得河岸带土壤的含水率、容积、容重等物理性质随之发生相应的周期性变化。黄传琴等[5]进行了干湿交替环境下土壤胀缩情况的研究，发现在落干过程中，土体收缩，土壤容积减小，容重增大；反之，在吸水过程中，土体膨胀，土壤容积增大，容重减小。同时，Sudhakar[6]发现持续多次的干湿交替增加了土壤的可膨胀性。在土壤因干湿交替发生膨胀与收缩的变化过程中，随着土壤容积的改变，会出现土壤面上移和下降、土壤裂缝的开裂和闭合等变化，在高低水位相差较大的河岸带表现尤其突出。这些变化会进一步影响土壤中水分、溶质及养分的运输和迁移。另外，耿玉辉等[7]通过土柱模拟养分淋溶的方法发现干湿交替作用可以加速黑土中水分及养分向下运移的速度，从而增加黑土中养分的淋失。而Iwai等[8]在探讨热带气候地区干湿交替下土壤性质变化时发现，Na＋等离子在落干时含量会上升并且在土壤表面积聚，淹水时则随水分向下迁移。可见，干湿交替环境下土壤落干不能及时吸水时，会导致土壤裂缝的开裂，从而引起土壤水分、可溶性污染物以及养分进入地下水体，引起地下水污染和养分流失。

团聚体是土壤的重要组成部分，直接参与土壤中物质和能量的转化及代谢，其数量和质量直接决定了土壤的质量和肥力[9]。干湿交替在一定程度上影响团聚体的稳定性。Grzegorz等[10]通过研究发现，在土壤落干的过程中，同时增强了团聚体的水稳定性和机械稳定性，但团聚体的水稳定性和机械稳定性之间没有必然的联系。在干湿交替循环情况下团聚体的变化情况则不同，Rajaram等[11]所做的干湿循环试验发现团聚体的粒径增大但破坏了团聚体的稳定性。在一般情况下，土壤总是经历着干湿循环，落干与吸水交替进行，因此干湿交替会在一定程度上破坏团聚体的稳定性。与此同时，土壤微生物活性与干湿交替对团聚体稳定性影响之间也存在一定的关系。当土壤中微生物的活性提高时，干湿交替对团聚体稳定性的影响显著提高[12]。此外，团聚体在土壤中将微生物与有机碳分隔开来，在一定程度上起到了保护有机碳分解矿化的作用。但当干湿交替破坏团聚体的结构时，对有机碳的保护作用也将不复存在。王君[13]在研究多重干湿交替对农田土壤碳循环的影响时发现多重干湿交替循环会破坏土壤团聚体的结构，被暴露出来的有机质被微生物分解矿化，从而增加了惰性有机碳的生物可利用性。

干湿交替同时会对土壤其他理化性质产生一定的影响。对于土壤微粒而言，Zheng等[14]认为干湿交替环境增强了土壤微粒之间的黏性，并使土壤承受力得到强化。同时，持续的干湿交替会引起土壤pH和Eh的变化，淹水与落干对土壤pH和Eh具有相反的影响。姜军等[15]研究表明在淹水过程中，MnO2、SO24-等还原均会消耗H＋，造成土壤pH升高，Eh下降；相反当土壤落干时，发生相反变化，pH下降而Eh上升。

2 干湿交替对河岸带土壤微生物及酶活性的影响

土壤微生物是土壤的重要组成部分，在土壤碳、氮等元素的转化与循环过程中扮演着重要的角色，直接参与养分的迁移与转化，同时促进土壤有机物的矿化过程，是生物地化循环过程的关键推动力[16]。土壤中微生物的数量与活性直接影响到土壤呼吸作用的强弱，同时硝化菌与反硝化菌主导的硝化与反硝化作用是氮素转化的重要途径。而土壤的含水量是影响微生物生长及分布的重要因素，因此干湿交替对河岸带土壤微生物的生长具有较大影响。

虽然目前对于持续干湿交替对微生物的影响研究不多，但从一些学者的研究看来，无论是土壤水分增加或者减少，土壤微生物的数量与活性均受到一定的影响。富宏霖等[17]研究发现，随土壤水分减少土壤真菌的数量增加，土壤细菌的数量减少，而水分增加时细菌与真菌数量的变化相反。Annelein[18]对土壤落干重新吸水细菌数量的变化做了详细的研究，发现在土壤落干后重新湿润时土壤中细菌的增长速度的初值比持续湿润的土壤细菌增长速度初值低，但是随后细菌的数量呈直线上升；但对于干燥时间过长的土壤重新吸水湿润时细菌的增长会有一定的延迟，随后细菌数量快速增长达到一个峰值。与此同时，干湿交替在影响微生物数量的同时，也会影响微生物的活性。王君等[19]发现土壤复水时促进了土壤呼吸作用，增加了土壤微生物生物量，但此激增效应并不能持续很长时间。显而易见，作为细菌中的一部分，硝化细菌和反硝化细菌的数量同样会随着干湿交替的进行而变化。李英华等[20]通过室内模拟发现硝化细菌的数量随干湿比的增加而增加，反硝化细菌的数量则随干湿比的增加而减少。硝化反应与反硝化反应直接与硝化细菌和反硝化细菌的数量对应，那么这些变化则会在一定程度上影响土壤氮的迁移转化。

土壤酶在土壤很多反应中起到了关键的促进作用，土壤酶活性（EA）是微生物生物过程和生物化学过程的重要指标[21]，土壤酶促进并且直接参与养分循环、有机质的形成，同时与土壤结构以及微生物的活性紧密相关[22]。干湿交替在一定程度上影响土壤酶活性。刘岳燕等[23]通过研究发现，淹育处理的蔗糖酶活性明显高于非淹育和淹育晾干处理，而淹育土壤的脱氢酶活性显著高于非淹育土壤，并且干湿交替使得脱氢酶的活性下降；但陈林等[24]通过研究得到不一样的结论，他们发现不同施氮水平下土壤脲酶活性、脱氢酶活性随干湿交替次数增加而增强。可见在初步的研究中得到的结论有所不同，但不排除是由于实验各方面条件的不同而产生的差异，因此对于干湿交替对土壤酶活性的影响还需进一步研究。

3 干湿交替对河岸带植物生长的影响

河岸带以植物为其存在的主要标志。河岸带植被的覆盖面积、结构和组成对河岸带物质和能量向水体的传输具有显著的影响[25]。同时河岸带植被在河流与河岸之间竖起了一道天然屏障，河岸带植被可以通过根系吸收土壤中的营养物质，将土壤中溶解态的氮和磷吸收转化为植物体利用，促进河岸带土壤氮和磷的循环。

水分是影响植被生长发育的最重要的影响因素之一。一些学者通过对不同地区不同条件下植被生理与生长状态对干湿交替响应的研究，发现长期持续的干湿交替对河岸带植被的生长发育影响显著。韦小丽等[26]通过研究土壤干湿交替对青檀幼苗生理及生长的影响，发现速生期幼苗遭遇反复的干旱复水处理会严重制约其生长潜力的发挥；同时，陈忠礼[27]通过室内萌发试验和野外调查进行土壤种子库研究，发现水位变动对土壤种子库分布格局具有显著影响，随着水淹程度的增加，地上植被物种丰富度、种子库物种丰富度和种子存量均呈减小趋势；另外，李强[28]通过研究发现，无光、重复淹水的条件显著抑制了菖蒲植被的生长和发育，并且降低了植株的存活率。但是，并不是所有的河岸植被的生长发育均受到干湿交替的制约，有些植被在经历了持续的干湿交替后，反而促进了植被的生长发育。洪明[29]研究了3种典型的河岸植被（香附子、狗牙根、香根草）生长对干湿交替的响应，发现干湿交替对香根草的生长发育起到了抑制作用，但对香附子和狗牙根的根径、根系长度和地下生物量等均起到了良好的促进作用。因此不同类型的植被对干湿交替的适应能力不同，所表现出来的效应也不同，植被类型的分布也会发生相应变化。

正因为不同的植被的生长对干湿交替有不同的响应，因此在河岸带干湿交替的过程中会出现不同时期对应的优势种群。彭一可[30]在研究国内几处国家级自然保护区湿地时发现，在干湿交替过程中，湿化时，以芦苇、扁秆荆三棱等植物为优势种群；而旱化时，表现出以羊草等植物为优势种群的旱生群落演替。这种优势种群的演替随着干湿交替的持续进行也不停地更替着。因此，将植被有目的性的移植到与该植被生长环境相适应且缺少植被的河岸带，可以充分发挥不同植被对污染物的截留和吸收作用，在缺少河岸植被的地带发挥良好的环境效应。

4 干湿交替对河岸带氮磷迁移转化的影响

河岸带对非点源污染物氮磷具有不同的截留机制。在河岸带土壤中，氮素主要通过植物吸收、土壤吸附、反硝化作用及微生物固定等过程进行迁移和转化[31]，而磷的迁移转化则主要依靠土壤的吸附解吸作用[32]。干湿交替通过影响河岸带土壤理化性质、植被及微生物的生长，进而影响河岸带土壤中氮磷的迁移和转化过程。

干湿交替影响土壤氮素的矿化作用。刘艳丽等[33]通过试验发现，在干湿交替落干处理中，土壤氮的矿化率降低了34%～78%；同时，Dong等[34]利用同位素示踪技术对比干湿交替与持续淹水下土壤中氮素的矿化情况发现，在其他条件相同时，干湿交替比持续淹水更有利于土壤氮素的矿化，且增强了硝化作用。可见，持续的干湿交替与落干过程对土壤氮素矿化的影响结果不同。另外，不同形态的氮素含量会随着干湿交替的进行发生变化。Morillas 等[35]研究发现落干时NO-3-N含量上升，淹水时NO-3-N含量则下降，而NH＋4-N与则相反，并且土壤中不同形态的氮素是时刻变化的；王苑等[36]通过研究进一步验证了土壤含水率与各形态氮含量之间的关系，发现土壤含水率与土壤硝态氮含量具有显著的负相关性（P＜0. 01），与土壤铵态氮含量有显著的正相关性（P＜0. 01），而与TDN没有显著的相关性。但在持续干湿交替过程中，张沙莎等[37]发现干湿交替可以促进硝态氮进入地下水，尤其是干期越长，硝化过程越强烈，进入到地下水中的硝态氮越多，说明干湿交替有利于硝态氮的累积。土壤中的氮素往往是随着水分进行迁移的，钱进等[38]通过室内自制土槽的方法研究发现，在河岸带表层土壤非饱和入渗过程中，水分水平运移速度小于垂直运移速度，NH＋4-N的运移滞后于水分的运移；而在土壤“干湿干”过程中，试验各取样点土壤水中TN、NH＋4-N浓度值随时间先急剧增加再缓慢减少然后趋于稳定。

对于土壤中的磷，由于磷的固定主要是依靠土壤的吸附解吸作用，那么只要土壤的结构及理化性质不存在太大的差异，土壤对磷的固定则差异不大。目前国内外对磷在干湿交替环境下的吸附解吸具有比较一致的说法。夏建国等[39]发现淹水能够明显提高土壤的磷素缓冲容量、土壤的最大缓冲能力和吸附能力、土壤磷的保持率。淹水沉积物比风干沉积物磷的解吸能力弱[40]。在进一步的研究中，Schönbrunner等[41]不仅发现延长土壤落干时间能够提高总磷从沉积物土壤释放到水中的能力，并且发现淹水期总磷的释放量与Fe3＋和NH4＋浓度之间存在显著的正相关性，说明磷的吸附解吸能力与Fe3＋浓度具有一定的关系。但对于石灰性土壤，淹水土壤磷吸附量增加，沙土尤为显著，另外被吸附的磷容易解吸[42]。由此说明土壤本身的物理性质、土壤中一些离子的浓度（例如Fe3＋）会在一定程度影响磷的吸附解吸能力。

5 研究展望

干湿交替影响了河岸带土壤物理特性、微生物活性及酶活性、植物生长及分布以及氮磷的迁移转化过程，但河岸带作为一个系统，其中的土壤、植物、微生物、水、溶质等要素相互作用，紧密联系，因此，基于目前干湿交替对河岸带系统内单一要素影响效果的研究成果，探讨干湿交替对河岸带系统内各要素的耦合影响机制，将是今后研究的重点和难点。

另外，目前有关干湿交替对河岸带环境效应影响的研究主要是针对某一特定地区的河岸带，以及特定的干湿交替过程，不同河岸带研究观测得到的现象和规律不尽相同，研究成果较难在其他河岸带得到推广和应用。因此，从微观的角度开展干湿交替对河岸带系统内各要素的影响机制研究，结合野外观测和室内试验成果，研发有关河岸带环境效应的数学模型，可为干湿交替对河岸带环境效应影响的预测以及生态河岸带的工程建设提供科学依据。

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Progress of research on influence of drying-wetting alternation on environmental effects of riparian zone/ /

QIAN Jin1，2，ZHENG Hao2，ZHU Yueming2，REN Wenchang2，SHEN Mengmeng2（1. Key Laboratory of Integrated Regulation and Resource Development of Shallow Lakes of Ministry of Education，Hohai University，Nanjing 210098，China；2. College of Environment，Hohai University，Nanjing 210098，China）

Abstract：The influence of the drying-wetting alternation on environmental effects of the riparian zone is discussed from four aspects：the physical properties of soil，microbial activity and enzyme activity，growth and distribution of plants，and migration and transformation of nitrogen and phosphorus. Further study on the response of environmental effects of the riparian zone to the drying-wetting alternation should be carried out from the aspects of microscopic mechanisms，the coupling of different mechanisms，and mathematical simulation.

Key words：riparian zone；drying-wetting alternation；environmental effect；influencing factor

收稿日期：（2014 09 30 编辑：熊水斌）

作者简介：钱进（1974—），男，副教授，博士，主要从事水资源保护与水生态修复研究。E-mail：hhuqj@ hhu. edu. cn

基金项目：国家自然科学基金（51379062）；国家水体污染控制与治理科技重大专项（2012ZX07101-008）

中图分类号：TV131. 2；X143

文献标志码：A

文章编号：1006 7647（2016）01 0011 05