底棲動(dòng)物對(duì)水體沉積物物理性狀的擾動(dòng)效應(yīng)

房　巖，孫　剛，王譽(yù)茜，白雪花，彭小喚

(長(zhǎng)春師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130032)

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底棲動(dòng)物對(duì)水體沉積物物理性狀的擾動(dòng)效應(yīng)

房巖，孫剛，王譽(yù)茜，白雪花，彭小喚

(長(zhǎng)春師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130032)

[摘要]底棲動(dòng)物對(duì)水體沉積物的物理性狀產(chǎn)生顯著的擾動(dòng)效應(yīng)。底棲動(dòng)物的機(jī)械運(yùn)動(dòng)增加了沉積物接觸上覆水的表面積，使沉積物結(jié)構(gòu)更加疏松，含水率和孔隙率增加，容重降低。隨著深度的增加，沉積物滲透系數(shù)下降。底棲動(dòng)物的擾動(dòng)效應(yīng)具有重要的應(yīng)用價(jià)值，應(yīng)進(jìn)一步深入研究。

[關(guān)鍵詞]底棲動(dòng)物；沉積物；物理性質(zhì)；含水率；滲透性

大多數(shù)水體的沉積物污染十分嚴(yán)重，富含多種有機(jī)污染物、重金屬、氮磷等，成為水體的二次污染源。底棲動(dòng)物的生命活動(dòng)(如爬行、游泳、鉆洞、掘穴、蠕動(dòng)、攝食、呼吸等)會(huì)對(duì)其棲息的沉積物產(chǎn)生一定的機(jī)械作用，改變沉積物的初級(jí)結(jié)構(gòu)即物理性狀，包括含水率、滲透性、容重、孔隙度等[1]。

1材料與方法

水體沉積物采自長(zhǎng)春南湖(43°51′N，125°18′E)。該湖是小型半封閉式的內(nèi)陸湖泊，匯水區(qū)面積約14 km2，海拔214 m，平均水深2.85 m，水力學(xué)滯留時(shí)間平均為270 d左右，年平均降水量和蒸發(fā)量分別為578.5 mm和1 441.3 mm[2]。南湖是長(zhǎng)春市內(nèi)唯一的天然浴場(chǎng)和大型水上風(fēng)景區(qū)，建于1935年。從20世紀(jì)60年代開始，隨著長(zhǎng)春市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增加，在南湖匯水區(qū)內(nèi)開始興建工廠和居民住宅。工業(yè)廢水和生活污水流入湖內(nèi)，南湖的水源在原來(lái)單一的自然降水和天然徑流中增加了污水成分。從20世紀(jì)70年代中期開始，入湖污水量激增，重度富營(yíng)養(yǎng)化使南湖基本喪失了養(yǎng)魚、游泳、觀光、游樂(lè)等功能[3]。從20世紀(jì)80年代初開始，長(zhǎng)春市政府實(shí)施污水截流工程。1988年底到1990年初，對(duì)污染最重的湖區(qū)進(jìn)行了底泥清淤。從20世紀(jì)90年代開始進(jìn)行了生態(tài)工程治理，水體富營(yíng)養(yǎng)化程度有所減輕。南湖經(jīng)歷了人為富營(yíng)養(yǎng)化的典型演變過(guò)程[4]。

沉積物容重采用環(huán)刀法測(cè)定，比重采用比重瓶法測(cè)定，孔隙度由公式“容重/比重”計(jì)算得到。沉積物含水率采用烘干法測(cè)定，沉積物團(tuán)聚體、顆粒機(jī)械組成和滲透性采用吸管法測(cè)定[5]。使用激光粒度儀(英國(guó)馬爾文公司，MS2000型)測(cè)定沉積物機(jī)械組成和微團(tuán)聚體，分別采用沙維諾夫干篩法和改進(jìn)的Yoder法測(cè)定大團(tuán)聚體(干篩)和水穩(wěn)性團(tuán)聚體(濕篩)[6]。擾動(dòng)生物為水絲蚓(Limnodrilushoffmeisteri)和泥鰍(Misgurnusanguillicaudatus)。

2結(jié)果與分析

2.1含水率

在室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行25 d之后，底棲動(dòng)物(水絲蚓)擾動(dòng)組和無(wú)擾動(dòng)對(duì)照組的沉積物含水率表現(xiàn)出相似的分布特征，都是在表層處(0 cm)最高，分別為37.2%和33.4%。底棲動(dòng)物擾動(dòng)組沉積物的含水率最低值出現(xiàn)在25 cm處，為32.4%，無(wú)擾動(dòng)對(duì)照組沉積物的含水率最低值也出現(xiàn)在25 cm處，為29.7%。底棲動(dòng)物擾動(dòng)組沉積物的平均含水率為33.5%，高于無(wú)生物擾動(dòng)沉積物的平均含水率31.1%。底棲動(dòng)物擾動(dòng)組沉積物在0~25 cm各個(gè)垂直層次的含水量均高于無(wú)擾動(dòng)空白對(duì)照組(圖1)。底棲動(dòng)物的機(jī)械運(yùn)動(dòng)增加了沉積物接觸上覆水的表面積，使沉積物結(jié)構(gòu)更加疏松，孔隙率增加，將水流引入沉積物中[7]。

圖1　底棲動(dòng)物擾動(dòng)對(duì)沉積物含水率的影響

2.2滲透性

滲透性影響著沉積物穩(wěn)定性、孔隙水的壓力消散等，因而是水體界面液化分析、底質(zhì)應(yīng)力計(jì)算、工程設(shè)計(jì)和安全評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。在室內(nèi)控制實(shí)驗(yàn)中，分析了有/無(wú)底棲動(dòng)物(水絲蚓)擾動(dòng)的沉積物在自然固結(jié)過(guò)程中滲透性的差異(圖2)。底棲動(dòng)物擾動(dòng)組的沉積物比起無(wú)擾動(dòng)對(duì)照組的沉積物，滲透系數(shù)在實(shí)驗(yàn)前期降低更快。然后，兩組的滲透系數(shù)下降速度都減緩，趨于穩(wěn)定，而且非常接近。在身體運(yùn)動(dòng)(包括游泳、避敵、建管、鉆穴、匍匐等)和代謝活動(dòng)(包括呼吸、攝食、吸收、同化、排泄等)的過(guò)程中，底棲動(dòng)物改變了水體沉積物的局部地形地貌，進(jìn)而對(duì)滲流產(chǎn)生影響[8]。

圖2　底棲動(dòng)物擾動(dòng)對(duì)沉積物滲透系數(shù)的影響

生物擾動(dòng)對(duì)海床土滲透性的影響在工程建設(shè)中尤其重要。在海洋油氣開發(fā)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和港口設(shè)計(jì)、規(guī)劃、建設(shè)等方面，海上建筑物的地基安全性、穩(wěn)定性和可靠性是必須考慮的問(wèn)題。包括海洋輸油輸氣管道、油氣開采平臺(tái)、重力式架構(gòu)、海岸防波堤等在內(nèi)的海上結(jié)構(gòu)物，在海洋環(huán)境中受到的威脅主要來(lái)自波浪的循環(huán)往復(fù)載荷。數(shù)量豐富的軟體動(dòng)物、多毛類、甲殼類等底棲動(dòng)物群落生活在海床上。生物活動(dòng)對(duì)沉積物的組成成分、滲透特性、物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)和力學(xué)性能等都造成一定影響，進(jìn)而改變了波浪能量在海洋底質(zhì)中的衰減速率，以及應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)的強(qiáng)度與分布[8]。

2.3容重

在室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)中，以泥鰍作為擾動(dòng)生物，對(duì)比了擾動(dòng)組和對(duì)照組的沉積物容重(表1)。容重是單位體積沉積物(包括孔隙)的質(zhì)量，受質(zhì)地結(jié)構(gòu)、松緊度和有機(jī)質(zhì)含量等影響而發(fā)生變化。泥鰍擾動(dòng)組沉積物容重比無(wú)擾動(dòng)對(duì)照組低0.17 g·cm-3，方差分析結(jié)果表明差異極顯著(P<0.01)。

表1　泥鰍擾動(dòng)組與無(wú)擾動(dòng)對(duì)照組的沉積物容重和孔隙度對(duì)比

注：同一列的數(shù)字，后面帶有相同字母(a與a)表示不顯著差異(P>0.05)，不同字母(a與b)表示極顯著差異(P<0.01)。

2.4孔隙度

孔隙度是水體沉積物的重要物理性質(zhì)之一。泥鰍擾動(dòng)組的沉積物總孔隙度提高了18.6%，差異極顯著(P<0.01)；非毛管孔隙度提高了1.78%，但差異不顯著(P>0.05)(表1)。

3結(jié)語(yǔ)

底棲動(dòng)物對(duì)沉積物的擾動(dòng)效應(yīng)是多學(xué)科交叉的綜合問(wèn)題，涉及滲流理論、環(huán)境科學(xué)、生態(tài)學(xué)、湖沼學(xué)、海洋科學(xué)、水體沉積學(xué)、水體化學(xué)、水體物理學(xué)、水生生物學(xué)、土動(dòng)力學(xué)等[9]。在水體工程設(shè)計(jì)和建設(shè)過(guò)程中，底質(zhì)的組成成分、排水狀況、滲流條件、孔隙度、強(qiáng)度、容重、地形地貌、固結(jié)速率、穩(wěn)定性等均是必須考慮的因素[10]。在底棲動(dòng)物的擾動(dòng)下，水體沉積物的含水量增加，沉積物表層的土體強(qiáng)度降低，在風(fēng)、潮流、波浪的驅(qū)動(dòng)和作用下，生物擾動(dòng)區(qū)極易發(fā)生沉積物的局部再懸浮[11]。同時(shí)，底棲動(dòng)物的匍匐、游泳、筑穴、建管、避敵等機(jī)械運(yùn)動(dòng)和攝食、呼吸、吸收、同化、排泄等代謝活動(dòng)不僅提高了沉積物顆粒的橫向和縱向運(yùn)輸，而且強(qiáng)化了底質(zhì)的排水能力、侵蝕的水動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，增加了沉積物的孔隙度和滲透性，降低了孔隙水的壓力蓄積，對(duì)沉積物的穩(wěn)定性產(chǎn)生多方面的、綜合性的、長(zhǎng)期而復(fù)雜的影響。

[參考文獻(xiàn)]

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[2]孫剛，盛連喜，李明全．長(zhǎng)春南湖底棲動(dòng)物群落特征及其與環(huán)境因子的關(guān)系[J]．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2001，12(2)：319-320.

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[4]孫剛，盛連喜．湖泊富營(yíng)養(yǎng)化治理的生態(tài)工程[J]．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2001，12(4)：590-592.

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[6]魯如坤．土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)方法[M]．北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社，1999：13-169.

[7]高麗．生物擾動(dòng)對(duì)黃河口潮灘沉積物侵蝕性的試驗(yàn)研究[D]．青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2008.

[8]劉道彬．底棲動(dòng)物對(duì)黃河口海床土滲透性影響的試驗(yàn)研究[D]．青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2008.

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[11]孫剛，房巖．底棲動(dòng)物的生物擾動(dòng)效應(yīng)[M]．北京：科學(xué)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

[通訊作者]孫剛(1969- )，男，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事水生生態(tài)學(xué)和界面生物學(xué)研究。

[作者簡(jiǎn)介]房巖(1965- )，女，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事動(dòng)物生理學(xué)和仿生學(xué)研究。

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“生物擾動(dòng)條件下稻田水層-底棲界面耦合生態(tài)動(dòng)力學(xué)研究”、“ 大型底棲動(dòng)物對(duì)淺水湖泊沉積物-水界面耦合的擾動(dòng)機(jī)制”(31370475，31070421)；吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目“底層動(dòng)物對(duì)水體污染的擾動(dòng)效應(yīng)及生物修復(fù)技術(shù)”(20140204042SF)；吉林省教育廳科技計(jì)劃項(xiàng)目“生物操縱減排水田非點(diǎn)源污染的機(jī)理及關(guān)鍵技術(shù)”(2012218)。

[收稿日期]2015-10-21

[中圖分類號(hào)]X52

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]2095-7602(2016)02-0058-03