河岸带潜流层空间结构对生源要素迁移转化的影响

窦传彬，夏继红，王 玥，季书一

(河海大学 农业科学与工程学院，江苏 南京 211100）

“潜流”是指地表水与地下水相互作用形成的水流,河岸带发生潜流交换的区域称为河岸带潜流层［1-3］。碳、氮、磷等生源要素是河岸带潜流层物质循环和能量流动的主要参与者,其物理迁移与化学转化过程对生态系统平衡有重要影响［4-6］。例如,地表水中的有机态氮磷通过下降流迁移至河岸带潜流层,为潜流生物提供良好的生存环境,但过量有机态氮磷的输入会导致区域水质恶化,破坏地下水生境平衡［7-8］。夏继红等［1］和李勇等［9］指出,潜流水动力过程是河岸带潜流层生源要素迁移转化的驱动条件,其易受河岸带潜流层空间结构的影响［10-12］。Kasahara 等［11］指出恢复河流蜿蜒型结构有利于河岸潜流交换的发生。Wroblicky 等［12］指出河流弯曲部分河岸带潜流层面积较大。目前对河岸带潜流层的研究集中于其形态和组成对潜流交换过程的影响,如探讨潜流交换通量、交换宽度、停留时间等随河岸弯曲度、基质组成的改变而产生的变化［10-13］。部分学者分析了河岸带潜流层基质组成特征［14］、近岸区植被分布特征［13］对溶质迁移过程的影响机制,但河岸带潜流层空间结构特征对生源要素转化过程的影响机制尚需进一步研究。笔者借鉴现有潜流交换理论,综述河岸带潜流层的空间结构特征对碳、氮、磷三种生源要素迁移转化的影响机制,并探讨未来研究的发展方向。

1 河岸带潜流层结构及生源要素迁移转化基本过程

1.1 河岸带潜流层三维空间结构特征

河岸带潜流层是水域生态系统与陆域生态系统、河流地表水系统与河岸地下水系统的交界区域,是一个具有复杂三维空间结构的交错区域［15-16］。河岸带潜流层作为河岸带的一部分,其纵向结构由多个功能区潜流层以交错和嵌套的方式组成,具有不规则、蜿蜒型结构特征；其在横向上连接近岸水域与近岸陆域,从水域到陆域,水域生态特征逐渐减弱,而陆域生态特征逐渐增强,具有显著的过渡性特征；其在垂向上上接河岸非饱和土壤层以及地表陆域,下连地下水层,具有显著分层特征,见图1。另外,从近岸水域至近岸陆域河岸带潜流层由植被覆盖区域向单一土壤区域过渡,土壤由粗颗粒向细颗粒过渡［17］。

图1 河岸带潜流层空间结构示意

1.2 河岸带潜流层生源要素迁移转化基本过程

1.2.1 基本迁移过程

(1)随流迁移过程。河岸带潜流层中颗粒态与溶解态生源要素在潜流上升流和下降流驱动下迁移的过程为随流迁移过程。河岸形态、河岸基质组成、水文季节、岸坡植被变化均会形成地表水水力坡降及水压力梯度,引起地下水水流的水力坡降,从而促使河流地表水与地下水之间交换,形成上升流和下降流,进而影响随流迁移过程［18-19］。

(2)扩散迁移过程。溶解态生源要素在浓度梯度驱动下发生扩散迁移。当溶解态生源要素随下降流进入河岸带潜流层后,与周边区域形成浓度梯度,促使其向周边区域扩散迁移。扩散迁移过程并非均以下降流为扩散源头。林俊强等［20］通过物理模型试验发现,在河岸基质为均质且形态为顺直的条件下,河岸带潜流层也会发生扩散迁移。扩散迁移过程主要受生源要素驻留时间、初始浓度、地表径流、基质组成以及孔隙介质通道影响［20-22］。

(3)吸附解吸迁移过程。河岸带潜流层孔隙水中溶解态生源要素可以被土壤及胶体吸附,但在固体颗粒表面吸附能降低,或因扰动作用使得吸附在固体表面的粒子获得起动力时,生源要素会由固体表面解吸至孔隙水中,此过程为吸附解吸迁移过程［23-24］。该过程主要分为两种:第一种是土壤颗粒对生源要素的直接吸附过程,并以土壤颗粒吸附态储存于河岸带潜流层中,但在土壤表面自由能降低后易解吸出来［23］；第二种是溶解态氮、磷离子通过取代胶体表面的阴离子而被吸附在胶体表面的过程,这种吸附能量介于物理吸附和化学吸附之间,被吸附的氮、磷离子也会被其他阴离子(氢氧根离子)取代而重新进入水体［24］。

(4)沉降再悬浮迁移过程。地表水中的颗粒态生源要素会在重力作用下沉降进入浅层河岸带潜流层,但受风浪、水流、人为和生物扰动等影响,颗粒态生源要素会重新悬浮迁移至地表水中,此为颗粒态生源要素的沉降再悬浮迁移过程［25］。

1.2.2 基本转化过程

(1)碳循环转化过程。河岸带潜流层中碳元素的转化主要通过有机碳化合物厌氧发酵与好氧分解实现。在厌氧条件下,由动植物残体分解所产生的有机碳化合物在微生物作用下发酵产生二氧化碳。当溶解氧浓度足够低时,有机碳化合物在产甲烷菌的作用下产生甲烷［26］。在好氧环境下,河岸带潜流层生物膜结构(由真菌、细菌、原生生物和小型底栖动物组成)会促进有机碳化合物分解成二氧化碳［27］,而二氧化碳则在光合作用下被水生植物吸收转化为植物性碳,见图2。

图2 河岸带潜流层碳、氮、磷循环转化示意

(2)氮循环转化过程。河岸带潜流层氮素的循环转化过程主要以微生物为媒介通过蛋白质水解—脱氨作用—硝化作用—反硝化作用—异化还原作用来实现［28］,其转化过程见图2。蛋白质水解过程是指动植物死亡后产生的蛋白质被蛋白酶水解成氨基酸的过程［4］。脱氨作用是指有机态氮在氨化细菌脱氨基酸作用下分解产生氨［4,28］。该过程在好氧条件和厌氧条件下均可发生,例如丙氨酸在好氧微生物作用下发生氧化脱氨；在厌氧条件下,丙氨酸在兼性厌氧菌和专性厌氧菌作用下发生还原脱氨。除此之外,水生动物排泄产生的尿素在微生物作用下水解,从而产生氨［4］。硝化作用是指有机态氮分解产生或植物根系吸收转化而产生的氨在亚硝化细菌作用下先被转化为亚硝态氮,接着在硝化细菌的作用下被转化为硝态氮的过程［4］。河岸带潜流层中的反硝化过程分为同化反硝化和异化反硝化两种:同化反硝化是指硝态氮先在硝酸还原酶的作用下被还原成氨,再被同化成微生物体内的有机态氮的过程；异化反硝化是指硝态氮在厌氧条件下被反硝化细菌还原为气态氮的过程,此过程也是河岸带潜流层氮素去除的主要途径［4,28］。异化还原过程是指硝态氮在微生物作用下先被还原成,再被还原成氨的过程。

(3)磷循环转化过程。磷在河岸带潜流层中以有机态磷、无机态磷和还原态PH3三种状态存在［29］。水生生物排泄、死亡所产生的有机态磷(核酸、磷脂、植素)可以被微生物直接分解［30］。颗粒态无机磷可以在微生物生命活动产生的有机酸或硝化细菌硫化细菌产生的硝酸和硫酸作用下溶解［31］。上述过程分解产生的溶解态磷酸盐可被水生生物吸收并同化为生物体内的有机态磷,见图2。此外,偏磷酸盐在强还原条件下会被微生物还原成PH3［29］。

2 河岸带潜流层结构对生源要素迁移转化的影响

2.1 对迁移过程的影响

(1)纵向蜿蜒镶嵌结构对生源要素迁移过程的影响。随着地表水的流动,河岸凹岸处极易形成涡流,使得凹岸迎水面压力增大,背水面压力减小,从而促进河流地表水从凹岸迎水面进入河岸带潜流层,驻留一段时间后,从凹岸背水面返回地表水,生源要素也会随着潜流在河岸带潜流层内迁移［20,32］。河岸带潜流层纵向弯曲程度对生源要素的迁移过程影响强烈,Peterson等［33］指出河流弯曲处颈部潜流交换速度较快,林俊强等［20］通过物理模型试验指出溶质在河岸带潜流层内的迁移速度随河岸弯曲度的增大而增大。

功能区镶嵌排列方式会导致河岸带潜流层土壤基质组成呈连续带状分布特征。例如,居民区河岸带潜流层表面以浆砌块石为主,湿地自然保护区潜流层基质以砂性土为主,前者的渗透系数远小于后者的,从而导致生源要素随流迁移量减小。曹伟杰［14］通过室内物理模型试验指出河岸带潜流层基质越粗溶质迁移通量越大,迁移速度越快,驻留时间越短。

(2)横向过渡结构对生源要素迁移过程的影响。近岸水域中根植于河岸带潜流层的水生植物会影响区域水流流速、紊动强度,甚至会引起涡流,从而影响河流地表水与河岸孔隙地下水的交换过程,进而对生源要素的迁移过程产生影响［13,34-36］。夏继红等［13］通过物理模型试验发现,近岸水域高秆挺水植物的存在不仅壅高了秆茎迎水面的水位,而且在秆茎背水面产生了涡流,使得区域水流的扰动度和压力梯度增大,增强了潜流交换作用,促进生源要素的迁移。此外,水流流经植被覆盖区域时受到阻滞,流速降低,迫使颗粒态生源要素从近岸水域沉降进入河岸带潜流层［34-36］。除了通过改变水流流态间接影响生源要素外,水生植物还可以通过改变土壤物理性质影响生源要素迁移过程。根植于近岸水域的水生植物可以稳固河岸从而降低区域土壤流动性,这将降低河岸带潜流层的冲淤交换量,从而抑制生源要素的迁移［36］。不仅如此,水生植物根系的季节性生长和萎缩将导致土壤内部产生大孔隙,增强河岸带潜流层的渗透性,促进生源要素的迁移［36］。

河岸带潜流层土壤在横向上具有分层结构,且离河道越远土壤基质越细,对溶解态生源要素的吸附作用越强,不利于生源要素的扩散迁移［17］。河岸带潜流层除了连接近岸水域外,还与近岸陆域连接。当地表水位降低时,地下水由近岸陆域迁移至河岸带潜流层再迁移至地表水,以此来实现地表水的补充,此时河岸带潜流层生源要素得到近岸陆域的补充；当地表水位上升时,水流的迁移方向则完全相反,此时河岸带潜流层向近岸陆域输送生源要素；当地表水位平稳时,生源要素的浓度梯度决定其迁移方向。

(3)垂向分层结构对生源要素迁移过程的影响。河岸带潜流层土壤基质在垂向上具有分层结构,土壤粒径随距地表距离的增加而减小［17］,因此深度越深,通过入渗作用由地表陆域进入河岸带潜流层的生源要素浓度越低。但这并不代表区域生源要素的浓度在垂向上始终保持降低趋势,地下水中生源要素可以通过随流(上升流)和扩散迁移的方式进入河岸带潜流层,使得下部河岸带潜流层生源要素浓度升高。

2.2 对转化过程的影响

(1)纵向蜿蜒镶嵌结构对生源要素转化过程的影响。在凹岸迎水面,潜流下降流携带地表水中的生源要素及氧气进入河岸带潜流层；在凹岸背水面,潜流上升流则携带还原性生源要素返回地表水中,潜流中所携带的生源要素的种类决定其转化类型。Storey等［37］、Holmes 等［38］指出下降流中含有的硝态氮可以为反硝化过程提供反应物,而高浓度的溶解氧被浅层潜流层微生物所消耗,从而为反硝化过程提供厌氧环境,因此下降流区域以反硝化过程为主,且随着深度的增加,反硝化作用逐渐增强,而上升流中携带深层地下水中溶解氧为硝化作用提供了有氧环境,因此潜流层上升流主要发生硝化反应。但Stelzer 等［39］指出如果上升流中有机碳含量较高,溶解氧浓度和硝态氮浓度会明显下降,表明上升流中发生了反硝化反应和有机碳的好氧分解反应。

河岸带潜流层的纵向镶嵌结构会导致不同功能区生源要素的浓度和潜流生物的群落数量存在差异。例如,若河岸带潜流层表面由浆砌块石构成,由下降流携带进入该区域的生源要素和溶解氧浓度均较低,导致微生物生存环境恶化,从而抑制生源要素的转化［29］。不仅如此,浆砌块石结构会抑制两栖类等潜流生物在河岸带潜流层的生存、繁衍,从而影响生源要素在食物链内的转化过程。

(2)横向过渡结构对生源要素转化过程的影响。根植于河岸带潜流层的植物可直接吸收溶解态生源要素。Salehin 等［40］指出,可溶性氮、磷流经水生植物密集区域时,会被植物直接吸收并同化,导致其浓度降低。不仅如此,近岸水域的水生植物可以通过为微生物和水生动物创造适合的水流条件来间接影响生源要素的转化过程。微生物的生命活动受河流水动力条件影响剧烈,水流流速越快、湍流越剧烈对其摄食和繁衍活动的抑制作用越强［41］,而水生植物的存在会降低近岸水域水流流速,从而为微生物和水生动物提供适合生存的场所,进而促进生源要素的吸收和转化［42］。

土壤的横向过渡结构会导致区域内形成溶解氧浓度梯度,从而影响生源要素的转化过程。Shen 等［43］通过野外调查发现,浅层河岸带潜流层内的微生物是溶解氧的主要消耗者,有机态碳和氮也在该区域被生物膜分解转化为无机碳和铵态氮。随着距河道距离的增大,溶解氧浓度降低,硝化作用和碳素好氧分解作用减弱,而反硝化作用和碳素厌氧发酵作用逐渐增强［37-38］。不仅如此,在厌氧环境下,有机态氮的脱氨作用受到抑制,脱氨速率大大降低［28］。因水生植物的阻水作用而沉降在浅层河岸带潜流层内的颗粒态生源要素也会在水力侵蚀及氧化还原反应的作用下发生溶解。例如,当氧气浓度较高时,Fe3(PO4)2中的Fe3＋被还原成Fe2＋,原本与Fe3＋结合的磷酸根成为自由离子释放进入孔隙水中［44］。

温度同样是影响生源要素转化的重要因素之一。Heathcote 等［45］研究发现气候变化会影响地表水温度,从而对微生物的生命活动起到促进或抑制作用,进而影响有机质的分解过程。河岸带潜流层仅靠近河流一侧可受阳光直射,因此随着距河流横向距离的增加,温度逐渐下降,微生物及酶的活性降低,生源要素的转化过程受到抑制。

(3)垂向分层结构对生源要素转化过程的影响。溶解氧是影响生源要素转化过程的重要因素。河岸带潜流层的垂向结构决定了该区域溶解氧来源于地表陆域以及深层地下水。地表陆域中的生源要素和溶解氧随土壤水入渗进入上部河岸带潜流层,并在该区域形成好氧区域,促进有机态氮的硝化和有机碳的分解。下部河岸带潜流层通过上升流获取深层地下水中的溶解氧,从而促进有机碳的分解,同时消耗溶解氧［39］。

3 结语

河岸带潜流层独特的三维空间结构对生源要素的迁移转化过程影响显著。纵向蜿蜒镶嵌结构通过影响河岸带潜流层表面水压力梯度实现对生源要素随流迁移过程的影响。横向过渡结构通过影响近岸水域水动力条件实现对生源要素扩散迁移和沉降再悬浮迁移过程的影响。垂向上生源要素迁移过程受地表陆域以及深层地下水输入的影响。河岸带潜流层空间结构特征对生源要素转化过程的影响是,先影响生源要素的迁移过程,使得区域内形成生源要素、溶解氧浓度及温度梯度,再影响其转化过程。目前国内外学者对河岸带潜流层生源要素迁移转化过程有了一定认知,但是该领域未来的研究仍有很大的发展空间,笔者认为未来可加强以下方向的研究。

(1)河岸带潜流层结构随时间的演变规律。河岸带潜流层结构除了具有空间上的三维结构特征外,还具有随时间变化的特征。随着时间的推移,在人为或自然因素作用下,河岸带潜流层的空间结构、生态系统的循环状态及主要功能等均持续变化,然而现有研究多集中于静态的空间结构特征对生源要素迁移转化过程的影响,未来的研究可考虑动态变化条件下河岸带潜流层结构对生源要素迁移转化过程的影响。

(2)环境条件与河岸带潜流层生源要素迁移转化的互馈机制。河岸带潜流层生源要素迁移转化过程与环境条件之间存在着相互影响的关系。例如现有的生态修复措施(地形塑造措施以及自然植被修复措施)会改变河岸带潜流层的纵向蜿蜒结构以及横向过渡结构,进而间接影响生源要素的对流和扩散迁移过程；颗粒态生源要素的沉降再悬浮过程会改变土壤孔隙的过流能力,从而影响河岸带潜流层的孔隙结构特征。再如,生源要素的迁移转化过程会在河岸带潜流层内形成浓度梯度,从而影响潜流生物的活动轨迹及群落数量；潜流生物的生命活动过程直接影响生源要素的沉降再悬浮迁移过程,以及通过改变河岸形态、土壤渗透系数间接影响生源要素的对流和扩散迁移过程。然而目前的研究多集中于环境条件对生源要素迁移转化过程的单向影响,未来的研究可综合考虑不同水文季节、基质组成、河岸地形地貌、水生生物分布等环境条件与生源要素迁移转化过程的互馈机制。

(3)河岸带潜流层监测预警技术开发。未来可以对河岸带潜流层进行水温、pH 值、溶解氧、总氮、总磷、总有机碳等指标的实时监测以及风险预警,并将结果以数字化的形式呈现,从而为河岸带管理提供参考。实现上述技术可分两步走:第一步,传统技术深度开发,不同生源要素的迁移转化机制具有差异性,而传统技术偏向于单一类型数据监测,未来应深度开发多类型、多维度数据的联合监测技术,以实现河岸带潜流层监测结果的准确化；第二步,现代技术集成运用,运用地理信息系统(GIS)、遥感技术(RS)、地质雷达(GPR)、高密度电阻率成像法(ERT)等,获取水文、地形、植被、土壤等信息,在此基础上集成大数据、云计算、机器学习、数字仿真等技术,实现河岸带潜流层的数字化管理。