太浦河金澤水源地岸帶結構及其環(huán)境資源狀況調查研究

劉暢 俞博文 曹承進 黃民生 汪星 王迪芳 查陽 李夢茁 都皓辰

摘要： 以“十三五”國家重大水專項上海市青浦區(qū)金澤水源地雨水徑流污染防控技術示范區(qū)——大蓮湖為研究區(qū)域， 針對示范區(qū)內岸帶的類型及坡度、岸帶土壤的性質和土著植物的種類進行系統(tǒng)的調研分析， 為后續(xù)河岸帶地表徑流污染阻控技術研發(fā)提供基礎數(shù)據(jù)資料支撐. 分析結果表明： 示范區(qū)周邊主要護岸類型為近自然和硬質護岸， 以緩坡為主； 水生植物和陸生植物分別以荷花、蘆葦和草本植物居多. 此外， 研究區(qū)采樣點中， 臨近農田土壤全氮含量平均值在0.95 g/kg上下波動， 高于進水閘附近土壤的0.42 g/kg； 臨近居民生活區(qū)、魚塘養(yǎng)殖和農田區(qū)的土壤全磷含量多在1.58 g/kg以上， 高于湖岸護坡土壤的1.10 g/kg； 有機質平均含量為11.30 g/kg， 其中植物密布區(qū)有機質含量較高， 表明當?shù)氐聂~塘養(yǎng)殖業(yè)以及農業(yè)對土壤環(huán)境造成了一定污染.

關鍵詞： 太湖流域； 金澤水源地； 岸帶結構； 環(huán)境資源調查； 污染防控

中圖分類號： X52 文獻標志碼： A DOI：10.3969/j.issn.1000-5641.2021.04.009

Coastal structure and environmental resources of the Jinze water source area of Taipu River

LIU Chang1，2，3，4， YU Bowen1，2，3，4， CAO Chengjin1，2，3，4， HUANG Minsheng1，2，3，4， WANG Xing5， WANG Difang1，2，4， ZHA Yang1，2，3，4， LI Mengzhuo1，2，3，4， DU Haochen1，2，3，4

（1. Shanghai Key Laboratory for Urban Ecological Processes and Eco-Restoration， School of Ecological and Environmental Sciences， East China Normal University， Shanghai 200241， China； 2. Institute of EcoChongming， Shanghai 202162， China； 3. Shanghai Engineering Research Center of Biotransformation of Organic Solid Waste， Shanghai 200241， China； 4. Technology Innovation Center for Land Spatial EcoRestoration in Metropolitan Area （Ministry of Natural Resources）， Shanghai 200062， China； 5. Chinese Academy of Environmental Sciences， Beijing 100012， China）

Abstract： In this paper， we consider the rainwater runoff prevention and control technology demonstration area of the Jinze water source area in Qingpu District， Shanghai - Dalian Lake； the research area is a national major water project from the “13th Five-Year Plan”. Our study includes systematic research analysis on the type and slope of the riparian zone， the nature of the riparian soil， and the species of indigenous plants in the demonstration area； the study provides essential data to support subsequent research on the use of experimental rainwater gradient control technology in the riparian zone. The analysis shows that the riparian zone in the demonstration area is comprised of near-natural and rigid riparian， with gentle slopes. The aquatic and terrestrial plants in the zone with the largest population include lotus， reed， and herbaceous plants， respectively. Among the sampling sites in the study area， the average total nitrogen content of the soil in the adjacent farmland fluctuated around 0.95 g/kg， while the soil near the inlet gate was measured at 0.42 g/kg. The total phosphorus content of the soil in the adjacent residential living area， fish pond culture， and farmland area was more than 1.58 g/kg， while the soil at the lakeshore berm was measured at 1.10 g/kg. The average organic matter content was 11.30 g/kg， with higher values recorded in the densely planted area. These results confirm that local fishpond farming and agriculture have contributed to pollution of the soil environment.

Keywords： Taihu Lake Basin； Jinze water source； shoreland structure； environmental resource survey； pollution prevention and control

0 引 言

河流、湖泊等水域的岸帶是保證水質安全的一個重要屏障， 岸帶的要素包括護岸類型、坡度、植物、土壤和微生物等. 護岸類型主要有自然護岸、硬質護岸、近自然護岸和人工生態(tài)護岸等. 其中自然護岸是經(jīng)過時間推移河岸帶自然形成的護岸形式， 主要依靠植物和微生物凈化水質， 但自然護岸無法阻擋洪澇災害和固坡防洪， 尤其是在城市地區(qū)； 硬質護岸則改善了這一缺點， 能夠有效固坡和防沖刷，但硬質護岸將水生與陸生環(huán)境隔絕開來， 使二者之間無法正常進行交流， 進而破壞了水體生境， 造成水體富營養(yǎng)化、黑臭等現(xiàn)象[1]； 近自然護岸則是在自然護岸基礎上， 利用各種自然材料， 如土壤、植物和石塊等對自然河岸進行改造， 以達到防止水土流失、穩(wěn)固岸坡、維持生境的要求[2]. 但是對于城市地區(qū)來說， 近自然護岸只適用于公園等景觀場所（緩流小河道和湖泊）， 對于較大型河道， 除了滿足景觀要求外， 其河岸帶穩(wěn)定性和防洪排澇要求更高， 因此人工生態(tài)護岸目前應用較多. 人工生態(tài)護岸主要有生態(tài)混凝土護岸[3]、石籠護岸[4]、魚槽磚護岸[5]和生態(tài)袋護岸[6-7]等， 在滿足固坡防洪的基礎上能夠對進入受納水體的污染物進行截留， 減少受納水體污染.

金澤水庫是上海四大集中式飲用水水源地之一， 位于青浦區(qū)金澤鎮(zhèn)西部、太浦河北岸， 總占地面積約2.70 km2， 總庫容約9.10 × 106 m3； 主要由水庫和輸水泵站兩大部分組成， 通過連通管工程向青浦、松江、閔行、奉賢和金山這西南五區(qū)輸水. 污染源調查表明， 金澤水源地面源污染負荷占比逐年升高， 在雨季會集中排放、污染強度大. 因此， 亟須針對金澤水源地水環(huán)境現(xiàn)狀開展調研， 研發(fā)適用于湖蕩水源地面源污染阻控技術. 本文針對大蓮湖示范區(qū)的岸帶結構進行系統(tǒng)的調查研究， 弄清當?shù)匕稁У念愋汀⑵露龋?岸帶土壤的性質和岸帶土著植物的種類等， 為后續(xù)“十三五”國家重大水專項金澤水源地河岸帶地表徑流污染阻控技術研發(fā)提供基礎數(shù)據(jù)資料支撐.

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域

本文以 “十三五”國家重大水專項上海市青浦區(qū)金澤水源地雨水徑流污染防控技術示范區(qū)—大蓮湖（以下簡稱大蓮湖示范區(qū)）為研究區(qū)域， 大蓮湖位于上海市西郊淀山湖東南方位， 距淀山湖邊緣僅3.50 km， 屬于天然湖泊濕地與魚塘人工濕地混合的濕地， 東北接攔路港， 西北接北橫港[8]. 為了解工程大蓮湖示范區(qū)的護岸特征， 分別于2018年7月24日和2018年11月10日對青浦金澤鎮(zhèn)大蓮湖周邊水體護岸進行調研， 兩次護岸調研位置圖如圖1所示， 于2018年12月23日對大蓮湖地區(qū)土壤進行采樣分析， 采集點包括： 農家樂附近（1#、3#）、環(huán)大蓮湖人行步道旁（2#、4#、8#）、居民區(qū)旁（5#）、養(yǎng)魚塘進水渠旁（7#）、養(yǎng)魚塘出水渠旁（6#、10#）、攔路港旁（9#）、人工濕地旁（11#）和入湖閘門旁（12#）， 點位的選擇兼顧了樣品的代表性和均勻性.

1.2 分析方法

多點混合采集表層土壤樣品， 采樣深度為0 ～ 20.00 cm， 去除表面草根等雜質后使用小型鐵鏟采集樣品1.00 kg， 共12個樣品， 在聚乙烯塑封袋中保存， 運回實驗室于4.00℃冰箱保存， 待后續(xù)測定.部分土壤樣品通風風干后， 去除殘根等雜物， 磨碎， 過80目篩后待測定. 土壤中全氮采用凱式法測定（HJ 717—2014）[9]， 全磷采用堿熔-鉬銻抗分光光度法（HJ 632—2011）[10]， 有機質依據(jù)《土壤檢測第6部分： 土壤有機質的測定》（NY/T 1121.6—2006）[11]測定.

2 結果與討論

2.1 大蓮湖示范區(qū)岸帶結構特征

大蓮湖示范區(qū)近自然護岸占背景護岸類型的91.70%， 硬質護岸占58.30%， 二者為當?shù)刂饕o岸類型. 護岸坡度為30.00% ～ 287.00%， 且大部分坡度小于100.00%， 說明當?shù)刈o岸以緩坡為主.

魚塘養(yǎng)殖區(qū)附近多為近自然護岸， 土著植物主要是草本植物狗牙根， 也存在近自然護岸與硬質護岸的結合（見圖2）； 大蓮湖西岸多為近自然護岸與硬質混凝土護岸結合護岸； 居民區(qū)多為硬質護岸. 近自然護岸植被能夠截留一定污染物， 混凝土硬質護岸能夠防止水土流失、穩(wěn)定岸坡， 但是阻斷了水體與土壤生態(tài)系統(tǒng)之間的交流（見圖3）.

上述類型的護岸中， 同種喬木之間的距離為2.40 ～ 2.60 m， 不同樹種之間的距離為3.00 ～ 5.00 m.植物布局多為喬木、灌木及草本植物組合， 能夠起到護坡固土、截留污染物的作用； 但當?shù)刈o岸中仍存在硬質護岸、裸土護岸、單一喬木、灌木或草本植物護岸的情況， 易造成水土流失、雨水徑流污染物削減率低等現(xiàn)象.

2.2 大蓮湖示范區(qū)岸帶土著植物狀況

夏季和秋季的現(xiàn)場調研結果表明： 水生植物以荷花和蘆葦居多； 美人蕉和再力花屬于挺水植物，主要分布在大蓮湖岸邊水域， 對水質凈化能力好（見圖4）. 陸生植物共35種， 其中草本植物居多， 共15種， 占比42.90%， 以狗牙根為主； 灌木和喬木各10種（均占比28.60%）， 其中灌木優(yōu)勢種為杜鵑和冬青， 喬木優(yōu)勢種為水杉、柳樹和樟樹（見圖5）. 草本植物、灌木和喬木對岸帶的功能及效果不同（見表1）.

2.3 大蓮湖示范區(qū)岸帶土壤特征

大蓮湖周邊稻田密布， 環(huán)繞眾多人工魚塘， 對土壤性質產生一定影響， 土壤pH值為6.30 ～ 8.28，呈中性或偏堿性， 土壤類型為潴育性水稻土、潛育性水稻土以及脫潛水稻土等[12]. 土壤母質類型單一，都為湖泊沉積型； 3.50 m以上為青黃泥， 2.00 ～ 3.50 m為青紫泥和黃斑青紫泥， 2.00 m以下為膠粘土， 1.00 m以下還存在泥炭層， 厚度為20.00 ～ 30.00 cm[12].

2.3.1 全氮分布特征

氮素是土壤肥力的重要表征因子[13]， 研究區(qū)不同采樣點的土壤全氮含量如圖6所示. 土壤全氮含量為0.42 ～ 1.20 g/kg， 均值為0.95 g/kg， 采樣點1#—11#全氮含量均在平均值0.95 g/kg上下波動，而采樣點12#全氮含量僅有0.42 g/kg， 1#—11#采樣點均與農田相近， 而12#采樣點位于大蓮湖濕地最北部地區(qū)， 與進水閘相近. 相關研究表明， 農田耕種及魚塘養(yǎng)殖均會產生大量氮肥， 隨地表徑流滲入土壤和水體[14-17]. 當累積量超過環(huán)境氮含量閾值時， 就會造成嚴重的環(huán)境危害. 采樣點氮素分布表明， 研究區(qū)農田施肥造成了一定的氮流失， 影響了周圍土壤氮含量分布. 根據(jù)全國第二次土壤普查分級標準[15]， 0.95 g/kg的全氮含量僅屬于四級標準， 但仍存在潛在的環(huán)境危害. 土壤中氮素的轉化主要依靠植物和微生物的吸收固定、礦化、硝化-反硝化及腐殖質形成過程[18]， 不同氮轉化過程會對水體及大氣產生影響， 尤其是對于雨水徑流， 沖刷效應攜帶土壤顆粒形成徑流污染.

2.3.2 全磷分布特征

土壤磷主要為溶解態(tài)和不溶態(tài)的無機磷和有機磷， 自然土壤中的磷主要來自成土母質和動植物殘體， 含量主要受到自然氣候和土壤類型的影響； 而大蓮湖地區(qū)的魚塘養(yǎng)殖業(yè)逐漸形成成熟體系， 向當?shù)赝寥垒斎脒^量磷營養(yǎng)鹽， 形成富磷土壤[19]. 環(huán)大蓮湖不同采樣點的全磷含量如圖7所示. 具體地， 2#、4#、5#和12#采樣點為大蓮湖湖岸護坡土壤， 11#為魚塘進水植草溝， 周圍水質均較好， 且植物較多， 不易造成磷流失， 其全磷含量分別為1.01、1.41、1.14、1.34和1.13 g/kg， 根據(jù)全國第二次土壤普查分級標準[15]， 屬于一級標準； 相對地， 采樣點1#、3#、6#、7#、8#和10#的全磷含量都在均值1.58 g/kg以上， 其中1#和3#采樣點靠近居民生活區(qū)， 6#、7#、8#和10#位于魚塘養(yǎng)殖和農田區(qū)， 其土壤磷含量比自然土壤磷含量高一半及以上. 綜合來看， 大蓮湖地區(qū)土壤全磷含量均較高. 相關研究表明， 魚塘養(yǎng)殖和農業(yè)種植會向土壤輸入過量的磷負荷， 使土壤中磷含量大幅上升， 形成富磷土壤， 造成磷污染[20-21].高植被覆蓋率同樣可以減少土壤侵蝕和土壤磷流失， 林地較耕地可減少磷年流失負荷84.50% ～ 91.60%[22]，因此對研究區(qū)土壤進行生態(tài)護岸及濕地等生態(tài)化改造有利于減少對受納水體的污染.

2.3.3 土壤有機質分布特征

土壤是碳素的匯與源， 大氣與水體中的碳素經(jīng)過各種物理化學微生物作用進入土壤， 在土壤中經(jīng)過轉化又進入大氣和水體， 與空氣質量和飲用水安全密切相關. 此外， 雨水徑流等會攜帶大量有機物進入土壤， 植物凋落物和施肥等對土壤有機質含量貢獻也很大[23]， 而土壤有機質與全氮全磷等指標呈現(xiàn)顯著相關性， 因此有機質是土壤肥力最重要的表征因素[24]. 環(huán)大蓮湖不同采樣點的有機質含量如圖8所示. 土壤有機質含量為9.41 ～ 15.30 g/kg， 均值為11.30 g/kg， 根據(jù)全國第二次土壤普查分級標準[15]，屬于四級標準， 經(jīng)雨水徑流沖刷易造成污染. 其中， 5#采樣點位于大蓮湖湖岸護坡， 植物種植較多，有機質含量最高， 為15.30 g/kg（土壤養(yǎng)分分級四級標準）； 4#采樣點位于草地， 周圍凋落物較少， 有機質含量較低， 為9.41 g/kg（土壤養(yǎng)分分級五級標準）； 其余采樣點有機質含量均屬于土壤養(yǎng)分分級四級標準.

3 結 論

（1）大蓮湖示范區(qū)周邊近自然和硬質護岸為當?shù)刂饕o岸類型， 分別占背景護岸類型的91.70%和58.30%. 護岸以緩坡為主， 坡度為30.00% ～ 287.00%， 且大部分坡度小于100%.

（2）大蓮湖示范區(qū)周邊水生植物以荷花和蘆葦居多， 美人蕉、荷花和蘆葦均為優(yōu)勢種； 陸生植物共35種， 其中草本植物居多， 共15種， 占比42.90%， 狗牙根和燈芯草為優(yōu)勢種； 灌木和喬木各10種， 均占比28.60%， 杜鵑和山茶、水杉和柳樹分別為灌木和喬木優(yōu)勢種.

（3）研究區(qū)中， 臨近農田采樣點的土壤全氮含量在平均值0.95 g/kg上下波動， 而與進水閘相近的采樣點僅有0.42 g/kg； 臨近居民生活區(qū)、魚塘養(yǎng)殖和農田區(qū)的采樣點土壤全磷含量多在1.58 g/kg以上， 而湖岸護坡土壤僅在1.10 g/kg左右； 有機質平均含量為11.30 g/kg， 其中植物密布區(qū)有機質含量較高. 結果證實， 當?shù)氐聂~塘養(yǎng)殖業(yè)以及農業(yè)對土壤環(huán)境造成了一定污染.

[參 考 文 獻]

[ 1 ]WU Y， DAI H， WU J. Comparative study on influences of bank slope ecological revetments on water quality purification pretreating low-polluted waters [J]. Water， 2017， 9（9）： 636-649.

[ 2 ]達良俊， 顏京松. 城市近自然型水系恢復與人工水景建設探討 [J]. 現(xiàn)代城市研究， 2005， 20（1）： 8-15.

[ 3 ]YUAN D H， GUO X J， XIONG Y， et al. Pollutant-removal performance and variability of DOM quantity and composition with traditional ecological concrete （TEC） and improved multi-aggregate eco-concrete （IMAEC） revetment treatments [J]. Ecological Engineering， 2017， 105： 141-149.

[ 4 ]JU L， CAI J. Effect of different substrates on river self-purification in Gabion revetment [J]. Chinese Journal of Environmental Engineering， 2012， 6（5）： 1565-1570.

[ 5 ]宋睿， 高禮洪. 生態(tài)型魚槽磚應用研究 [J]. 城市道橋與防洪， 2014（11）： 200-202.

[ 6 ]李華翔， 寧立波， 杜博濤， 等. 巖質邊坡生態(tài)袋覆綠技術適用條件研究 [J]. 環(huán)境科學與技術， 2017， 40（4）： 13-18.

[ 7 ]LI Q， YANG X， SONG H. Effect of coupling microorganism type of eco-bags on water purification [J]. Water Purification Technology， 2018， 37（1）： 117-122.

[ 8 ]張宏偉， 朱雪誕， 車越， 等. 基于區(qū)域發(fā)展與水源保護的大蓮湖生態(tài)修復途徑 [J]. 中國給水排水， 2009， 25（18）： 6-9.

[ 9 ]于曉青， 趙莉. 凱氏法測定土壤中全氮 [C]//中國環(huán)境科學學會學術年會論文集， 2015： 1342-1345.

[10]陳元松， 侯明韜， 馬丹， 等. 堿熔-鉬銻抗分光光度法測定土壤中總磷 [J]. 中國標準化， 2018（S1）： 195-198.

[11]中華人民共和國農業(yè)部. 土壤檢測第6部分： 土壤有機質的測定 [M]. 北京： 中國標準出版社. 2006： 1-3.

[12]金澤志編纂委員會. 金澤志. 青浦鄉(xiāng)鎮(zhèn)志系列叢書 [M]. 上海： [出版者不詳]， 2004.

[13]JIN Z， CHEN C， CHEN X， et al. The crucial factors of soil fertility and rapeseed yield - A five years field trial with biochar addition in upland red soil， China [J]. Science of the Total Environment， 2018， 649： 1467-1480.

[14]朱兆良. 中國土壤氮素研究 [J]. 土壤學報， 2008， 45（5）： 778-783.

[15]全國土壤普查辦公室. 中國土壤 [M]. 北京： 中國農業(yè)出版社， 1998.

[16]MONACO S， SACCO D， PELISSETTI S， et al. Laboratory assessment of ammonia emission after soil application of treated and untreated manures [J]. Journal of Agricultural Science， 2012， 150（1）： 65-73.

[17]沈麗， 于興娜， 項磊. 2006—2014年江蘇省氨排放清單 [J]. 中國環(huán)境科學， 2018（1）： 26-34.

[18]胡春勝， 張玉銘， 秦樹平， 等. 華北平原農田生態(tài)系統(tǒng)氮素過程及其環(huán)境效應研究 [J]. 中國生態(tài)農業(yè)學報， 2018， 26（10）： 1501-1514.

[19]FU B J， GUO X D， CHEN L D， et al. Soil nutrient changes due to land use changes in Northern China： A case study in Zunhua County， Hebei Province [J]. Soil Use & Management， 2010， 17（4）： 294-296.

[20]WEI X， WU S C， NIE X P， et al. The effects of residual tetracycline on soil enzymatic activities and plant growth [J]. Journal of Environmental Science & Health Part B， 2009， 44（5）： 461-471.

[21]謝文明， 于飛， 馮曉宇， 等. 太湖流域農村地區(qū)典型村鎮(zhèn)土壤養(yǎng)分和水體污染現(xiàn)狀調查 [J]. 土壤， 2014（4）： 613-617.

[22]曾立雄， 黃志霖， 肖文發(fā)， 等. 三峽庫區(qū)不同土地利用類型氮磷流失特征及其對環(huán)境因子的響應 [J]. 環(huán)境科學， 2012， 33（10）： 3390-3396.

[23]GHOSH A， BHATTACHARYYA R， MEENA M C， et al. Long-term fertilization effects on soil organic carbon sequestration in an Inceptisol [J]. Soil & Tillage Research， 2018， 177： 134-144.

[24]LI Z， LIU C， DONG Y， et al. Response of soil organic carbon and nitrogen stocks to soil erosion and land use types in the Loess hilly–gully region of China [J]. Soil & Tillage Research， 2017， 166： 1-9.

（責任編輯： 張 晶）