錢 進(jìn)，鄭 浩，朱月明，任文暢，沈蒙蒙（1.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實驗室，江蘇南京 10098；.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 10098）

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干濕交替對河岸帶環(huán)境效應(yīng)的影響機(jī)制研究進(jìn)展

錢 進(jìn)1，2，鄭 浩2，朱月明2，任文暢2，沈蒙蒙2
（1.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實驗室，江蘇南京 210098；2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210098）

摘要：從干濕交替對河岸帶土壤物理特性、微生物活性及酶活性、植物生長及分布、氮磷遷移轉(zhuǎn)化過程的影響4個方面闡述了干濕交替對河岸帶環(huán)境效應(yīng)的影響，認(rèn)為有必要從微觀機(jī)理、各影響因素的耦合機(jī)制以及數(shù)學(xué)模擬等方面進(jìn)一步深入探討河岸帶環(huán)境效應(yīng)對干濕交替的響應(yīng)。

關(guān)鍵詞：河岸帶；干濕交替；環(huán)境效應(yīng)；影響因素

河岸帶是指河流高低水位之間的河床及高水位之上直至河水影響完全消失為止的地帶[1]。河岸帶是陸地生態(tài)系統(tǒng)與水生生態(tài)系統(tǒng)的交錯地帶[2]，河岸帶處于水陸生態(tài)系統(tǒng)之間獨(dú)特的生境位置，生態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是物質(zhì)、能量、信息交換的重要過渡地帶，具有顯著的環(huán)境效應(yīng)[3]。河岸帶通過一定寬度的“土壤（沉積物）植物微生物”系統(tǒng)的過濾、滲透、滯留、吸收、沉積等物理、化學(xué)和生物功能效應(yīng)[4]，減少地表徑流及土壤中污染物向河流的排放，從而達(dá)到控制污染、凈化水質(zhì)、保護(hù)河流水體的目的。河岸帶環(huán)境效應(yīng)發(fā)揮得好壞受到河岸帶系統(tǒng)內(nèi)土壤、植被、微生物等因素共同作用的影響，同時，河岸帶環(huán)境效應(yīng)還與季節(jié)變化、不同降雨條件、河流（收納水體）水文水質(zhì)變化等河岸帶系統(tǒng)外的因素有著極為密切的關(guān)系。

隨著季節(jié)的變化，河流水位發(fā)生周期性漲落，相應(yīng)地河岸帶存在周期性的落干與淹水的交替過程，即干濕交替過程。河岸帶的干濕交替過程不僅會引起河岸帶土壤物理特性的變化，還會影響河岸植被的生長和種群分布以及河岸帶土壤微生物的活性，并在此基礎(chǔ)上影響氮磷等非點(diǎn)源污染物的遷移轉(zhuǎn)化，進(jìn)而影響河岸帶攔截污染物、凈化和保護(hù)水體等環(huán)境效應(yīng)的發(fā)揮。因此干濕交替對河岸帶環(huán)境效應(yīng)具有較大的影響，研究干濕交替對河岸帶環(huán)境效應(yīng)的影響機(jī)制，可為揭示河岸帶凈污機(jī)理以及生態(tài)河岸帶構(gòu)建提供理論依據(jù)。

1 干濕交替對河岸帶土壤物理特性的影響

河岸帶周期性的干濕交替使得河岸帶土壤的含水率、容積、容重等物理性質(zhì)隨之發(fā)生相應(yīng)的周期性變化。黃傳琴等[5]進(jìn)行了干濕交替環(huán)境下土壤脹縮情況的研究，發(fā)現(xiàn)在落干過程中，土體收縮，土壤容積減小，容重增大；反之，在吸水過程中，土體膨脹，土壤容積增大，容重減小。同時，Sudhakar[6]發(fā)現(xiàn)持續(xù)多次的干濕交替增加了土壤的可膨脹性。在土壤因干濕交替發(fā)生膨脹與收縮的變化過程中，隨著土壤容積的改變，會出現(xiàn)土壤面上移和下降、土壤裂縫的開裂和閉合等變化，在高低水位相差較大的河岸帶表現(xiàn)尤其突出。這些變化會進(jìn)一步影響土壤中水分、溶質(zhì)及養(yǎng)分的運(yùn)輸和遷移。另外，耿玉輝等[7]通過土柱模擬養(yǎng)分淋溶的方法發(fā)現(xiàn)干濕交替作用可以加速黑土中水分及養(yǎng)分向下運(yùn)移的速度，從而增加黑土中養(yǎng)分的淋失。而Iwai等[8]在探討熱帶氣候地區(qū)干濕交替下土壤性質(zhì)變化時發(fā)現(xiàn)，Na＋等離子在落干時含量會上升并且在土壤表面積聚，淹水時則隨水分向下遷移?？梢姡蓾窠惶姝h(huán)境下土壤落干不能及時吸水時，會導(dǎo)致土壤裂縫的開裂，從而引起土壤水分、可溶性污染物以及養(yǎng)分進(jìn)入地下水體，引起地下水污染和養(yǎng)分流失。

團(tuán)聚體是土壤的重要組成部分，直接參與土壤中物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)化及代謝，其數(shù)量和質(zhì)量直接決定了土壤的質(zhì)量和肥力[9]。干濕交替在一定程度上影響團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。Grzegorz等[10]通過研究發(fā)現(xiàn)，在土壤落干的過程中，同時增強(qiáng)了團(tuán)聚體的水穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性，但團(tuán)聚體的水穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性之間沒有必然的聯(lián)系。在干濕交替循環(huán)情況下團(tuán)聚體的變化情況則不同，Rajaram等[11]所做的干濕循環(huán)試驗發(fā)現(xiàn)團(tuán)聚體的粒徑增大但破壞了團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。在一般情況下，土壤總是經(jīng)歷著干濕循環(huán)，落干與吸水交替進(jìn)行，因此干濕交替會在一定程度上破壞團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。與此同時，土壤微生物活性與干濕交替對團(tuán)聚體穩(wěn)定性影響之間也存在一定的關(guān)系。當(dāng)土壤中微生物的活性提高時，干濕交替對團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響顯著提高[12]。此外，團(tuán)聚體在土壤中將微生物與有機(jī)碳分隔開來，在一定程度上起到了保護(hù)有機(jī)碳分解礦化的作用。但當(dāng)干濕交替破壞團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)時，對有機(jī)碳的保護(hù)作用也將不復(fù)存在。王君[13]在研究多重干濕交替對農(nóng)田土壤碳循環(huán)的影響時發(fā)現(xiàn)多重干濕交替循環(huán)會破壞土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)，被暴露出來的有機(jī)質(zhì)被微生物分解礦化，從而增加了惰性有機(jī)碳的生物可利用性。

干濕交替同時會對土壤其他理化性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響。對于土壤微粒而言，Zheng等[14]認(rèn)為干濕交替環(huán)境增強(qiáng)了土壤微粒之間的黏性，并使土壤承受力得到強(qiáng)化。同時，持續(xù)的干濕交替會引起土壤pH和Eh的變化，淹水與落干對土壤pH和Eh具有相反的影響。姜軍等[15]研究表明在淹水過程中，MnO2、SO24-等還原均會消耗H＋，造成土壤pH升高，Eh下降；相反當(dāng)土壤落干時，發(fā)生相反變化，pH下降而Eh上升。

2 干濕交替對河岸帶土壤微生物及酶活性的影響

土壤微生物是土壤的重要組成部分，在土壤碳、氮等元素的轉(zhuǎn)化與循環(huán)過程中扮演著重要的角色，直接參與養(yǎng)分的遷移與轉(zhuǎn)化，同時促進(jìn)土壤有機(jī)物的礦化過程，是生物地化循環(huán)過程的關(guān)鍵推動力[16]。土壤中微生物的數(shù)量與活性直接影響到土壤呼吸作用的強(qiáng)弱，同時硝化菌與反硝化菌主導(dǎo)的硝化與反硝化作用是氮素轉(zhuǎn)化的重要途徑。而土壤的含水量是影響微生物生長及分布的重要因素，因此干濕交替對河岸帶土壤微生物的生長具有較大影響。

雖然目前對于持續(xù)干濕交替對微生物的影響研究不多，但從一些學(xué)者的研究看來，無論是土壤水分增加或者減少，土壤微生物的數(shù)量與活性均受到一定的影響。富宏霖等[17]研究發(fā)現(xiàn)，隨土壤水分減少土壤真菌的數(shù)量增加，土壤細(xì)菌的數(shù)量減少，而水分增加時細(xì)菌與真菌數(shù)量的變化相反。Annelein[18]對土壤落干重新吸水細(xì)菌數(shù)量的變化做了詳細(xì)的研究，發(fā)現(xiàn)在土壤落干后重新濕潤時土壤中細(xì)菌的增長速度的初值比持續(xù)濕潤的土壤細(xì)菌增長速度初值低，但是隨后細(xì)菌的數(shù)量呈直線上升；但對于干燥時間過長的土壤重新吸水濕潤時細(xì)菌的增長會有一定的延遲，隨后細(xì)菌數(shù)量快速增長達(dá)到一個峰值。與此同時，干濕交替在影響微生物數(shù)量的同時，也會影響微生物的活性。王君等[19]發(fā)現(xiàn)土壤復(fù)水時促進(jìn)了土壤呼吸作用，增加了土壤微生物生物量，但此激增效應(yīng)并不能持續(xù)很長時間。顯而易見，作為細(xì)菌中的一部分，硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的數(shù)量同樣會隨著干濕交替的進(jìn)行而變化。李英華等[20]通過室內(nèi)模擬發(fā)現(xiàn)硝化細(xì)菌的數(shù)量隨干濕比的增加而增加，反硝化細(xì)菌的數(shù)量則隨干濕比的增加而減少。硝化反應(yīng)與反硝化反應(yīng)直接與硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的數(shù)量對應(yīng)，那么這些變化則會在一定程度上影響土壤氮的遷移轉(zhuǎn)化。

土壤酶在土壤很多反應(yīng)中起到了關(guān)鍵的促進(jìn)作用，土壤酶活性（EA）是微生物生物過程和生物化學(xué)過程的重要指標(biāo)[21]，土壤酶促進(jìn)并且直接參與養(yǎng)分循環(huán)、有機(jī)質(zhì)的形成，同時與土壤結(jié)構(gòu)以及微生物的活性緊密相關(guān)[22]。干濕交替在一定程度上影響土壤酶活性。劉岳燕等[23]通過研究發(fā)現(xiàn)，淹育處理的蔗糖酶活性明顯高于非淹育和淹育晾干處理，而淹育土壤的脫氫酶活性顯著高于非淹育土壤，并且干濕交替使得脫氫酶的活性下降；但陳林等[24]通過研究得到不一樣的結(jié)論，他們發(fā)現(xiàn)不同施氮水平下土壤脲酶活性、脫氫酶活性隨干濕交替次數(shù)增加而增強(qiáng)。可見在初步的研究中得到的結(jié)論有所不同，但不排除是由于實驗各方面條件的不同而產(chǎn)生的差異，因此對于干濕交替對土壤酶活性的影響還需進(jìn)一步研究。

3 干濕交替對河岸帶植物生長的影響

河岸帶以植物為其存在的主要標(biāo)志。河岸帶植被的覆蓋面積、結(jié)構(gòu)和組成對河岸帶物質(zhì)和能量向水體的傳輸具有顯著的影響[25]。同時河岸帶植被在河流與河岸之間豎起了一道天然屏障，河岸帶植被可以通過根系吸收土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)，將土壤中溶解態(tài)的氮和磷吸收轉(zhuǎn)化為植物體利用，促進(jìn)河岸帶土壤氮和磷的循環(huán)。

水分是影響植被生長發(fā)育的最重要的影響因素之一。一些學(xué)者通過對不同地區(qū)不同條件下植被生理與生長狀態(tài)對干濕交替響應(yīng)的研究，發(fā)現(xiàn)長期持續(xù)的干濕交替對河岸帶植被的生長發(fā)育影響顯著。韋小麗等[26]通過研究土壤干濕交替對青檀幼苗生理及生長的影響，發(fā)現(xiàn)速生期幼苗遭遇反復(fù)的干旱復(fù)水處理會嚴(yán)重制約其生長潛力的發(fā)揮；同時，陳忠禮[27]通過室內(nèi)萌發(fā)試驗和野外調(diào)查進(jìn)行土壤種子庫研究，發(fā)現(xiàn)水位變動對土壤種子庫分布格局具有顯著影響，隨著水淹程度的增加，地上植被物種豐富度、種子庫物種豐富度和種子存量均呈減小趨勢；另外，李強(qiáng)[28]通過研究發(fā)現(xiàn)，無光、重復(fù)淹水的條件顯著抑制了菖蒲植被的生長和發(fā)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長發(fā)育均受到干濕交替的制約，有些植被在經(jīng)歷了持續(xù)的干濕交替后，反而促進(jìn)了植被的生長發(fā)育。洪明[29]研究了3種典型的河岸植被（香附子、狗牙根、香根草）生長對干濕交替的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)干濕交替對香根草的生長發(fā)育起到了抑制作用，但對香附子和狗牙根的根徑、根系長度和地下生物量等均起到了良好的促進(jìn)作用。因此不同類型的植被對干濕交替的適應(yīng)能力不同，所表現(xiàn)出來的效應(yīng)也不同，植被類型的分布也會發(fā)生相應(yīng)變化。

正因為不同的植被的生長對干濕交替有不同的響應(yīng)，因此在河岸帶干濕交替的過程中會出現(xiàn)不同時期對應(yīng)的優(yōu)勢種群。彭一可[30]在研究國內(nèi)幾處國家級自然保護(hù)區(qū)濕地時發(fā)現(xiàn)，在干濕交替過程中，濕化時，以蘆葦、扁稈荊三棱等植物為優(yōu)勢種群；而旱化時，表現(xiàn)出以羊草等植物為優(yōu)勢種群的旱生群落演替。這種優(yōu)勢種群的演替隨著干濕交替的持續(xù)進(jìn)行也不停地更替著。因此，將植被有目的性的移植到與該植被生長環(huán)境相適應(yīng)且缺少植被的河岸帶，可以充分發(fā)揮不同植被對污染物的截留和吸收作用，在缺少河岸植被的地帶發(fā)揮良好的環(huán)境效應(yīng)。

4 干濕交替對河岸帶氮磷遷移轉(zhuǎn)化的影響

河岸帶對非點(diǎn)源污染物氮磷具有不同的截留機(jī)制。在河岸帶土壤中，氮素主要通過植物吸收、土壤吸附、反硝化作用及微生物固定等過程進(jìn)行遷移和轉(zhuǎn)化[31]，而磷的遷移轉(zhuǎn)化則主要依靠土壤的吸附解吸作用[32]。干濕交替通過影響河岸帶土壤理化性質(zhì)、植被及微生物的生長，進(jìn)而影響河岸帶土壤中氮磷的遷移和轉(zhuǎn)化過程。

干濕交替影響土壤氮素的礦化作用。劉艷麗等[33]通過試驗發(fā)現(xiàn)，在干濕交替落干處理中，土壤氮的礦化率降低了34%～78%；同時，Dong等[34]利用同位素示蹤技術(shù)對比干濕交替與持續(xù)淹水下土壤中氮素的礦化情況發(fā)現(xiàn)，在其他條件相同時，干濕交替比持續(xù)淹水更有利于土壤氮素的礦化，且增強(qiáng)了硝化作用?？梢?，持續(xù)的干濕交替與落干過程對土壤氮素礦化的影響結(jié)果不同。另外，不同形態(tài)的氮素含量會隨著干濕交替的進(jìn)行發(fā)生變化。Morillas 等[35]研究發(fā)現(xiàn)落干時NO-3-N含量上升，淹水時NO-3-N含量則下降，而NH＋4-N與則相反，并且土壤中不同形態(tài)的氮素是時刻變化的；王苑等[36]通過研究進(jìn)一步驗證了土壤含水率與各形態(tài)氮含量之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)土壤含水率與土壤硝態(tài)氮含量具有顯著的負(fù)相關(guān)性（P＜0. 01），與土壤銨態(tài)氮含量有顯著的正相關(guān)性（P＜0. 01），而與TDN沒有顯著的相關(guān)性。但在持續(xù)干濕交替過程中，張沙莎等[37]發(fā)現(xiàn)干濕交替可以促進(jìn)硝態(tài)氮進(jìn)入地下水，尤其是干期越長，硝化過程越強(qiáng)烈，進(jìn)入到地下水中的硝態(tài)氮越多，說明干濕交替有利于硝態(tài)氮的累積。土壤中的氮素往往是隨著水分進(jìn)行遷移的，錢進(jìn)等[38]通過室內(nèi)自制土槽的方法研究發(fā)現(xiàn)，在河岸帶表層土壤非飽和入滲過程中，水分水平運(yùn)移速度小于垂直運(yùn)移速度，NH＋4-N的運(yùn)移滯后于水分的運(yùn)移；而在土壤“干濕干”過程中，試驗各取樣點(diǎn)土壤水中TN、NH＋4-N濃度值隨時間先急劇增加再緩慢減少然后趨于穩(wěn)定。

對于土壤中的磷，由于磷的固定主要是依靠土壤的吸附解吸作用，那么只要土壤的結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)不存在太大的差異，土壤對磷的固定則差異不大。目前國內(nèi)外對磷在干濕交替環(huán)境下的吸附解吸具有比較一致的說法。夏建國等[39]發(fā)現(xiàn)淹水能夠明顯提高土壤的磷素緩沖容量、土壤的最大緩沖能力和吸附能力、土壤磷的保持率。淹水沉積物比風(fēng)干沉積物磷的解吸能力弱[40]。在進(jìn)一步的研究中，Sch?nbrunner等[41]不僅發(fā)現(xiàn)延長土壤落干時間能夠提高總磷從沉積物土壤釋放到水中的能力，并且發(fā)現(xiàn)淹水期總磷的釋放量與Fe3＋和NH4＋濃度之間存在顯著的正相關(guān)性，說明磷的吸附解吸能力與Fe3＋濃度具有一定的關(guān)系。但對于石灰性土壤，淹水土壤磷吸附量增加，沙土尤為顯著，另外被吸附的磷容易解吸[42]。由此說明土壤本身的物理性質(zhì)、土壤中一些離子的濃度（例如Fe3＋）會在一定程度影響磷的吸附解吸能力。

5 研究展望

干濕交替影響了河岸帶土壤物理特性、微生物活性及酶活性、植物生長及分布以及氮磷的遷移轉(zhuǎn)化過程，但河岸帶作為一個系統(tǒng)，其中的土壤、植物、微生物、水、溶質(zhì)等要素相互作用，緊密聯(lián)系，因此，基于目前干濕交替對河岸帶系統(tǒng)內(nèi)單一要素影響效果的研究成果，探討干濕交替對河岸帶系統(tǒng)內(nèi)各要素的耦合影響機(jī)制，將是今后研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

另外，目前有關(guān)干濕交替對河岸帶環(huán)境效應(yīng)影響的研究主要是針對某一特定地區(qū)的河岸帶，以及特定的干濕交替過程，不同河岸帶研究觀測得到的現(xiàn)象和規(guī)律不盡相同，研究成果較難在其他河岸帶得到推廣和應(yīng)用。因此，從微觀的角度開展干濕交替對河岸帶系統(tǒng)內(nèi)各要素的影響機(jī)制研究，結(jié)合野外觀測和室內(nèi)試驗成果，研發(fā)有關(guān)河岸帶環(huán)境效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，可為干濕交替對河岸帶環(huán)境效應(yīng)影響的預(yù)測以及生態(tài)河岸帶的工程建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

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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 編輯：熊水斌）

作者簡介：錢進(jìn)（1974—），男，副教授，博士，主要從事水資源保護(hù)與水生態(tài)修復(fù)研究。E-mail：hhuqj@ hhu. edu. cn

基金項目：國家自然科學(xué)基金（51379062）；國家水體污染控制與治理科技重大專項（2012ZX07101-008）

中圖分類號：TV131. 2；X143

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1006 7647（2016）01 0011 05