蘇小四，師亞坤，董維紅*，楊國強(qiáng)，王 璜

(1.吉林大學(xué) 水資源與環(huán)境研究所，吉林 長春 130021； 2.吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春 130021；3.吉林大學(xué) 新能源與環(huán)境學(xué)院，吉林 長春 130021； 4.中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心，江蘇 南京 210016； 5.中國地質(zhì)調(diào)查局，北京 100037)

0 引 言

潛流帶(Hyporheic Zone)，亦稱地表水-地下水交互作用帶，是研究地表水與地下水相互作用的重要橋梁和紐帶。受自然和人工開采的共同影響，地表水和地下水之間往往發(fā)生著頻繁且強(qiáng)烈的交互作用，不斷進(jìn)行著水分、物質(zhì)和能量的交換。地表水和地下水之間的這種交互作用對于維持當(dāng)?shù)厮|(zhì)和生態(tài)安全具有十分重要的作用[1]。同時(shí)，由于地表水和地下水在物理、化學(xué)、生物等特征上存在明顯差異，二者交互作用過程中產(chǎn)生了明顯的物理梯度、化學(xué)梯度和生物梯度，所以潛流帶內(nèi)發(fā)生著強(qiáng)烈且復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物過程，其物理、化學(xué)和生物滲濾作用使得潛流帶成為一個(gè)“天然過濾器”，可固定和降解流經(jīng)潛流帶水體中的病毒微生物、有機(jī)物、重金屬等物質(zhì)，凈化地表和地下水體[2-4]。作為生物地球化學(xué)活動(dòng)強(qiáng)烈的地表水與地下水的混合區(qū)域，潛流帶一直倍受關(guān)注，成為眾多國際科學(xué)研究計(jì)劃的重要主題。聯(lián)合國教科文組織(UNESCO)第六階段國際水文計(jì)劃(IHP)(2002～2007年)將地下水與地表水的相互作用列為其重要的研究對象和目標(biāo)之一[5]；2008年4月在維也納舉行的歐洲地質(zhì)科學(xué)聯(lián)合會(huì)議(EGU)特別專設(shè)了“河岸區(qū)水文生態(tài)學(xué)——潛流帶對地表水-地下水交互作用的控制”專題，并且《Hydrological Processes》在2009年第23期出版了該領(lǐng)域研究狀況的專輯[6]。由此可見，地表水-地下水交互作用研究正成為目前地下水科學(xué)、水文科學(xué)、生態(tài)學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

潛流帶在全球水循環(huán)和物質(zhì)循環(huán)過程中發(fā)揮著重要的作用。潛流帶是三相空間(固相、液相、生物相)并存的地表水與地下水的混合帶[7]。由于地表水與地下水之間存在溫度(T)、溶解氧(DO)、氧化-還原電位(Eh)、酸堿度(pH)、有機(jī)質(zhì)、微生物、水化學(xué)組分等的差異，導(dǎo)致潛流帶形成了物理、化學(xué)、生物梯度[8]。潛流帶是一個(gè)熱緩沖帶，可以減緩水體的溫度變化[9]；潛流帶可以控制地表水與地下水之間的水交換通量[10]；潛流帶沉積物為底棲生物、間隙生物和微生物提供了棲息地[11-12]，潛流帶溫度、含氧量、有機(jī)質(zhì)的梯度變化為不同類型的微生物提供了生存環(huán)境；潛流帶中發(fā)生著復(fù)雜的生物地球化學(xué)反應(yīng)，可以有效吸附、降解污染物，凈化水體[13]?；诖耍疚氖崂聿⒖偨Y(jié)了潛流帶中生物地球化學(xué)過程及其影響因素和研究方法，以期為推進(jìn)潛流帶生物地球化學(xué)研究提供參考。

1 潛流帶定義

1959年，Orghidan根據(jù)希臘文hypo和rheic創(chuàng)造了Hyporheic(潛流)這一術(shù)語，并將其描述為包含具有鑒別性特征生物的地下水新生境[14]。不同學(xué)者根據(jù)其研究的問題從不同角度描述潛流帶(圖1)[15]：Triska等從水文學(xué)角度將潛流帶視為地表水體積占10%～98%的飽和含水區(qū)域[16]；White將潛流帶視為位于河床及河漫灘以下含有一部分地表水或其水質(zhì)受地表水入滲而改變的水分飽和區(qū)域[17]；Valett等將潛流帶視為位于河道以下地表水和地下水發(fā)生交換的區(qū)域[18]；Boulton等從水文地球化學(xué)角度將潛流帶視為位于地表水與地下水之間發(fā)生水分、養(yǎng)分和有機(jī)物質(zhì)交換作用的區(qū)域[19]；Boulton等將潛流帶視為氧化-還原變化強(qiáng)烈的區(qū)域[20]；Larned等從生態(tài)學(xué)角度將潛流帶視為地表水與地下水之間的生態(tài)交錯(cuò)帶，并根據(jù)生物含量將其分為淺層潛流帶和深層潛流帶[7]。綜上所述，潛流帶是位于地表水和地下水之間發(fā)生物質(zhì)和能量交換的，具有物理、化學(xué)和生物梯度的飽和含水帶。

圖件引自文獻(xiàn)[15]圖1 潛流帶概念模型Fig.1 Conceptual Models of Hyporheic Zone

2 潛流帶生物地球化學(xué)過程影響因素

潛流帶獨(dú)特的地形地貌、沉積物巖性、滲透性等結(jié)構(gòu)特征決定了其特有的水動(dòng)力交換模式和生物地球化學(xué)特征，導(dǎo)致潛流帶具有獨(dú)特的生物群落格局和物質(zhì)輸入模式。

2.1 河床沉積物結(jié)構(gòu)特征

河床沉積物結(jié)構(gòu)特征主要包括地貌形態(tài)、地形起伏、物質(zhì)組成、厚度及不同巖性層的疊置關(guān)系等。這些特征決定了潛流帶水力交換過程、能量傳遞過程和物質(zhì)傳輸與轉(zhuǎn)化過程，進(jìn)而影響和改變著潛流帶的物理化學(xué)環(huán)境。

各種不同尺度的地貌單元及其內(nèi)部的水文地質(zhì)參數(shù)(主要是滲透系數(shù))空間變異通過引起河流-沉積物或河流-含水層之間的壓力或水頭梯度來驅(qū)動(dòng)潛流。在河段尺度上，河床結(jié)構(gòu)影響下降流和上升流的速率和周期，河水動(dòng)力學(xué)過程驅(qū)動(dòng)和影響著水流方向和速度，對沉積物運(yùn)移連續(xù)性和河床沉積物再分配至關(guān)重要[21]。河床起伏使河流-沉積物界面發(fā)生水力梯度空間變異而產(chǎn)生潛流交換流[21]。自然河床地形(特別是河道坡度)控制了河道中的水頭與相鄰地下水之間的關(guān)系，從而控制了潛流交換量[22]。河道中的沙丘、波紋河床和復(fù)式河床等形狀變化可以形成形狀阻力，產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致地表水與地下水之間發(fā)生潛流交換，并且潛流交換量還會(huì)隨著河流流速增加而增加[23-25]。河流曲率和寬度影響潛流帶范圍和水流滯留時(shí)間[26]，河岸線曲率越大，潛流交換量越大[27]。河流在城市地區(qū)被渠化或拉直[28]，可能會(huì)導(dǎo)致自然發(fā)生的潛流交換量減少[29]。在單個(gè)河湖(河灘)尺度上，沉積物特征(如河床物質(zhì)架構(gòu)、顆粒尺寸和形狀分布、孔隙幾何學(xué)特征和連接性、粗糙度等)影響潛流帶內(nèi)水流和物質(zhì)交換[26]；河床沉積物滲透系數(shù)控制著潛流交換量的大小和潛流帶中溶質(zhì)的滯留時(shí)間。河床沉積物滲透系數(shù)的增加造成潛流交換量增加[22]和溶質(zhì)反應(yīng)通量增加，但溶質(zhì)滯留時(shí)間減短，潛流帶的生物地球化學(xué)反應(yīng)取決于這兩種效應(yīng)的相對大小[30]。高滲透系數(shù)沉積物(例如礫石)表現(xiàn)出高傳質(zhì)速率但阻滯能力低；相反，低滲透系數(shù)沉積物(例如淤泥和黏土)由于存在巨大的比表面積，表現(xiàn)出物質(zhì)傳遞緩慢且擴(kuò)散受限[31]。上述驅(qū)動(dòng)和影響機(jī)制本質(zhì)上并不相互獨(dú)立，何種機(jī)制占主導(dǎo)地位取決于特定河流-沉積物系統(tǒng)的地形地貌和水文地質(zhì)條件[32]。

沉積物放淤過程(即細(xì)顆粒沉積物運(yùn)移到礫石河床)也會(huì)對潛流交換流和生態(tài)產(chǎn)生影響。這種放淤過程主要有兩種：一種是受到重力和水動(dòng)力擾動(dòng)作用而由河水沉積到沉積物上表面的空隙中；其次是在高速流動(dòng)水流擾動(dòng)下沉積物原有的細(xì)顆粒重新分布并進(jìn)入表面的空隙空間[33]。在許多河流中，細(xì)顆粒沉積物也與生命物質(zhì)有關(guān)，許多河床的部分細(xì)顆粒沉積物是由生命物質(zhì)組成的[34]。放淤過程不僅減少潛流帶物質(zhì)輸入，還延長水流平均滯留時(shí)間及相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)時(shí)間。這些對于潛流帶生物地球化學(xué)循環(huán)效率和生境條件有重要的影響[34]。細(xì)顆粒沉降在河床上，河床滲透系數(shù)減小，潛流帶水流速度減小，溶解氧減少，生物新陳代謝產(chǎn)物堆積，進(jìn)而影響生物生存[35]。

2.2 水文特征

描述河床和近河床飽和區(qū)域的地表水和地下水混合水流的潛流交換量對研究潛流帶生物地球化學(xué)和生態(tài)水文過程是至關(guān)重要的，它控制著不同區(qū)域化學(xué)物質(zhì)(如河床溶解氧、養(yǎng)分和污染質(zhì))的滯留時(shí)間、混合運(yùn)移和時(shí)空分布模式、氧化-還原條件和物理化學(xué)生境特征(如水溫)[8]，而控制潛流交換量的因素隨著尺度而變化。在河段尺度上，潛流交換量取決于河床壓力變化[36]、沉積物滲透性和粒徑[37]，放淤過程影響潛流帶沉積物滲透性，進(jìn)而控制潛流交換量以及其中的生物地球化學(xué)循環(huán)[38]。在更大尺度上，潛流交換量受河水流速、河谷寬度、基巖深度和含水層特征等因素的影響[37]。Rahimi等發(fā)現(xiàn)地下水水位的變化會(huì)影響地表水-地下水交互作用的方向和大小[39]。Ward等發(fā)現(xiàn)河流附近的地下水水流路徑不隨流量變化而變化，而主要是由河床形態(tài)所控制的水力梯度決定的[40]。Trauth等發(fā)現(xiàn)在河流流量增加時(shí)，潛流交換量、溶質(zhì)運(yùn)輸和微生物活動(dòng)均增加[41]。

2.3 環(huán)境特征

潛流帶內(nèi)與生物地球化學(xué)相關(guān)的環(huán)境因素主要涉及酸堿度、氧化-還原電位、溶解氧、溫度等。酸堿度影響物質(zhì)的化學(xué)形態(tài)和價(jià)態(tài)(如Fe3+在pH值高時(shí)易發(fā)生聚沉，而在pH值低的還原環(huán)境下，高價(jià)金屬容易被還原)，影響物質(zhì)的存在狀態(tài)(沉淀與溶解、吸附與解吸)，從而影響著物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化能力，還影響潛流帶內(nèi)生物酶的活性[13]。氧化-還原電位是驅(qū)動(dòng)潛流帶生物地球化學(xué)作用的最重要因素，幾乎所有的生物地球化學(xué)過程都發(fā)生在一定的氧化-還原電位梯度下，而且氧化-還原電位還控制著沉積物對污染物的去除能力[13,42]。溶解氧幾乎參與潛流帶所有物質(zhì)的循環(huán)過程[10,13,42-43]，并控制著環(huán)境的氧化-還原電位變化[10]。溫度是驅(qū)動(dòng)潛流帶生物地球化學(xué)和生態(tài)水文過程的重要因素之一[44]，潛流帶獨(dú)特的溫度環(huán)境能夠?yàn)樘囟ǖ奈锓N提供棲息地和避難所[11]，河流水體與河床及河漫灘之間的熱交換(即潛流帶熱量交換)能調(diào)節(jié)河流和地下水溫度[26,32]，促進(jìn)整個(gè)河流生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。在物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化過程中，氧化-還原電位和酸堿度往往是共同作用的[13]。

在不同空間尺度下，潛流帶呈現(xiàn)不同的物理化學(xué)條件。在河段尺度上，水流路徑直接控制著化學(xué)性質(zhì)不同的地下水和地表水的來源、混合比例、運(yùn)移和分布[13,42-45]；滯留時(shí)間控制著水流與沉積物接觸時(shí)間及相應(yīng)的物理化學(xué)和生物化學(xué)反應(yīng)時(shí)間[46]；生物化學(xué)反應(yīng)改變環(huán)境的物質(zhì)成分，從而影響著物理化學(xué)條件。上述機(jī)制使得潛流帶水流路徑上呈現(xiàn)出氧化-還原電位、酸堿度、水化學(xué)等梯度(圖2)，如沿著下降流，溶解氧濃度降低，環(huán)境氧化-還原電位和pH值逐漸降低[13]，夏季溫度逐漸降低，冬季溫度逐漸升高[47]。在微觀尺度上(沉積物顆粒尺度)，由于介質(zhì)的非均質(zhì)性和一些反應(yīng)微型囊體的存在，環(huán)境特征呈現(xiàn)高度的非均質(zhì)性，如在某些充氧區(qū)域，由于存在著某些有機(jī)物囊體而形成了小型厭氧區(qū)域[48]。

2.4 生物群落格局

潛流帶生物群落格局及其生態(tài)功能強(qiáng)烈地受到潛流帶所經(jīng)歷的物理化學(xué)條件影響。與河水等地表水體相比，潛流帶擁有更緩慢的水流速度、更小幅度的溫度變化周期、強(qiáng)烈的物理化學(xué)梯度和更好的基底穩(wěn)定性[47]。而與地下水相比，潛流帶擁有更快的水流速度、更大幅度的溫度變化周期[48]和更強(qiáng)烈的物理化學(xué)梯度[49]。這些物理化學(xué)條件在很小的時(shí)空尺度下變化極大，因此，對潛流帶生物群落格局影響巨大，形成了潛流帶獨(dú)特的生物交錯(cuò)帶和生態(tài)功能[50]。

圖件為河段尺度;圖件引自文獻(xiàn)[55]圖2 潛流帶水化學(xué)和動(dòng)物群落分布的簡化示意圖Fig.2 Simplified Schematic View of Hydrochemistry and Fauna Distribution with Depth in Hyporheic Zone

潛流帶生物群落格局由微生物生物膜(存在于外細(xì)胞基質(zhì)中的細(xì)菌和真菌)[51]、原生生物(主要是纖毛蟲、鞭毛蟲和變形蟲)和無脊椎動(dòng)物組成[52]。潛流帶中的生物群落可按對環(huán)境的親和性和適應(yīng)性劃分為3種類型：其一是不親和地下水生境的生物(Stygoxenes)，但是這些生物偶爾會(huì)由于入滲而進(jìn)入地下水；其二是較親和潛流帶環(huán)境并能積極利用潛流帶資源和生境環(huán)境(如為避開不良的環(huán)境或逃避食肉動(dòng)物而進(jìn)入潛流帶)的生物(Stygophiles)；其三是表現(xiàn)出適應(yīng)生活在地下的生物，而且地下水生境(包括潛流帶、含水層和洞穴)是它們必不可少的棲息地[53-54]。潛流帶生物群落在生態(tài)系統(tǒng)工程(生物群落共同作用改變其周圍環(huán)境)、有機(jī)物轉(zhuǎn)化過程及營養(yǎng)的級聯(lián)效應(yīng)、潛流帶和地表沉積物之間的有機(jī)物質(zhì)和養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化過程中起著重要的作用[10]。河床沉積物的級配、孔隙度、有機(jī)物含量以及間隙水性質(zhì)等特性對底棲動(dòng)物的擾動(dòng)程度及組成有著很大的影響[56]。而生物擾動(dòng)作用又反作用于沉積物，可以改變沉積物物理、化學(xué)、生物性質(zhì)，影響沉積物的結(jié)構(gòu)、孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量、滲透性等特性[56]。潛流帶生物活動(dòng)會(huì)對河流、海洋中原生沉積物的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非常明顯的擾動(dòng)效果，使得沉積物中物質(zhì)的循環(huán)、遷移速率發(fā)生改變[56]。潛流帶中的大型無脊椎動(dòng)物、小型動(dòng)物和原生生物(例如纖毛蟲和鞭毛蟲)的生命活動(dòng)(鉆行、捕食、筑巢、排泄和躲避危險(xiǎn))導(dǎo)致優(yōu)先流路徑，增加生物膜表面和細(xì)菌密度[57]，增強(qiáng)沉積物滲透性、沉積物的呼吸和細(xì)菌活動(dòng)[58]。底棲生物擾動(dòng)會(huì)提高顆粒物在主要氧化-還原帶之間的傳輸，使得沉積物中氧化-還原作用加強(qiáng)，再礦化作用提高[56]。沉積物空隙間的生物膜積聚會(huì)降低沉積物的滲透系數(shù)和有效孔隙度，從而導(dǎo)致潛流交換量減少[59]。微生物促進(jìn)各種反應(yīng)，如有機(jī)碳的氧化或營養(yǎng)物的礦化導(dǎo)致在具有廣泛低流量的溪流中溶質(zhì)化學(xué)的局部變化[60]。

2.5 物質(zhì)輸入

物質(zhì)輸入是潛流帶發(fā)生各種過程的必要條件。有機(jī)物質(zhì)的輸入為潛流帶生物地球化學(xué)過程提供能量和各種元素[10]。氧氣的輸入為潛流帶好氧生物地球化學(xué)過程提供電子受體[10]；細(xì)顆粒沉積物的輸入影響潛流帶沉積物的物理化學(xué)條件和水動(dòng)力條件，并反過來影響物質(zhì)的輸入[34]；地表水體的輸入與混合能夠維持潛流帶特定的物理化學(xué)條件的動(dòng)態(tài)平衡；而金屬和有毒物質(zhì)的輸入則破壞潛流帶生境環(huán)境[13]。

潛流交換量決定著潛流帶物質(zhì)輸入量和類型[49]。沉積物結(jié)構(gòu)特征通過影響潛流交換量的強(qiáng)度和路徑來影響潛流帶的物質(zhì)輸入(如細(xì)顆粒沉積物減小潛流交換量強(qiáng)度，進(jìn)而減小溶解氧的輸入)[34]。

3 潛流帶內(nèi)生物地球化學(xué)特征

近年來，對潛流帶生物地球化學(xué)行為研究最多的元素是C、N和P，這3種元素是生態(tài)系統(tǒng)中生物生長不可或缺的生命元素，也是工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)入河流生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)而污染水生環(huán)境最常見的元素。對潛流帶研究也主要集中于這3種元素及其有機(jī)、無機(jī)化合物在潛流交換過程中的來源、富集、分布、形態(tài)、價(jià)態(tài)、衰減等生物地球化學(xué)行為；此外，潛流帶中Fe、Mn、As、Hg等其他有毒污染物的生物地球化學(xué)行為也逐漸被重視。

3.1 C元素

潛流帶中C元素的存在形態(tài)主要有無機(jī)碳及有機(jī)碳。有機(jī)碳主要包括顆粒狀有機(jī)碳(Particulate Organic Carbon，POC)、溶解性有機(jī)碳(Dissolved Organic Carbon,DOC) 、甲烷(CH4)等形態(tài)。顆粒狀有機(jī)碳主要懸浮在水中、填充在沉積物空隙中或附著在介質(zhì)表面，是水生生態(tài)系統(tǒng)中一些大型生物和微生物的直接養(yǎng)分和能量來源。顆粒狀有機(jī)碳可直接水解為溶解性有機(jī)碳，在甲烷細(xì)菌作用下轉(zhuǎn)化為甲烷，或被生物代謝為溶解性有機(jī)碳和無機(jī)碳。在絕大多數(shù)河流中，溶解性有機(jī)碳構(gòu)成最大的有機(jī)碳源，并可作為異養(yǎng)微生物的能量來源[61-62]，影響?zhàn)B分的可利用性[63]、污染物的運(yùn)移和衰減[64]、金屬元素的形態(tài)轉(zhuǎn)化和遷移及河流的酸堿度等[65]。

陸源有機(jī)碳、濱岸帶生物群落和濕地水生植物是潛流帶有機(jī)碳最主要來源，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過河流浮游藻類所提供的量[66-68]。陸源有機(jī)碳主要通過地下水、土壤水、濱岸帶和坡面漫流進(jìn)入河流及潛流帶。濕地有機(jī)碳主要通過淋濾作用進(jìn)入河流和潛流帶[69]。進(jìn)入潛流帶的有機(jī)碳中，溶解性有機(jī)碳占絕大部分，而新形成的、不穩(wěn)定的溶解性有機(jī)碳往往占總?cè)芙庑杂袡C(jī)碳的50%以上，這部分溶解性有機(jī)碳來自淺層水流對土壤層和濕地的淋濾，較穩(wěn)定的溶解性有機(jī)碳往往來自地下水徑流補(bǔ)給。各種來源和形態(tài)的有機(jī)碳可能具有其獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)，這些化學(xué)性質(zhì)影響其微生物的可利用性。

在潛流帶沉積物中，C元素主要發(fā)生著有機(jī)碳好氧分解和厭氧發(fā)酵過程。在潛流帶充氧環(huán)境下，Craft等利用原位培養(yǎng)倉研究了有機(jī)碳在異養(yǎng)微生物生物膜作用下發(fā)生需氧分解過程，氧氣作為電子受體，有機(jī)碳作為生物膜的能量來源和碳源，并被分解為無機(jī)碳[70]。而在潛流帶厭氧和兼性厭氧環(huán)境下，Hlaváová等利用沉積物實(shí)驗(yàn)室異位培養(yǎng)技術(shù)，并結(jié)合野外調(diào)查和采樣分析，研究了有機(jī)碳厭氧發(fā)酵過程，發(fā)現(xiàn)在缺氧條件下潛流帶有機(jī)碳的發(fā)酵是在微生物催化作用下，以高價(jià)氧、硝酸鹽及硫酸鹽為電子受體而進(jìn)行的，沿著水流路徑依次發(fā)生氧還原，硝酸鹽反硝化作用，硫酸鹽脫硫酸作用；還發(fā)現(xiàn)在生物膜作用下，環(huán)境氧氣足夠低時(shí)，溶解性有機(jī)碳在產(chǎn)甲烷細(xì)菌催化作用下發(fā)生產(chǎn)甲烷過程[71]。

3.2 N元素

在河流源頭，落葉層和相鄰的森林地面生物殘骸產(chǎn)生的顆粒狀氮是N元素的主要輸入源；大氣平衡、溶解性有機(jī)氮和溶解性無機(jī)氮輸入較少；含氮量低的地下水也可輸入少量N元素[72]。然而在農(nóng)業(yè)區(qū)，合成化肥的使用增加了地下水中的溶解性無機(jī)氮，污水管道溢出等點(diǎn)源污染能極大地增加河流和地下水中N元素濃度[72]。

潛流帶中N元素主要發(fā)生反硝化作用、硝化作用、有機(jī)氮礦化和無機(jī)氮生物同化過程、吸附過程(圖3)。氮循環(huán)過程受一系列物理化學(xué)條件的控制。

圖件引自文獻(xiàn)[73]圖3 潛流帶氮循環(huán)轉(zhuǎn)化示意圖Fig.3 Schematic View of Nitrogen Cycle Conversion in Hyporheic Zone

3.3 P元素

在水環(huán)境中，P元素有許多存在形式，通常分為溶解態(tài)磷和顆粒狀磷。溶解態(tài)磷又分為可被生物利用的溶解性無機(jī)磷(Dissolved Inorganic Phosphorus,DIP)或包含膠質(zhì)的溶解性有機(jī)磷(Dissolved Organic Phosphorus,DOP)(轉(zhuǎn)化為溶解性無機(jī)磷之后方可被生物利用)；顆粒狀磷能以顆粒狀無機(jī)磷形式存在于無機(jī)化合物的復(fù)合物中(如黏土礦物、Fe的氫氧化物、碳酸鹽)，或以顆粒狀有機(jī)磷的形式存在于有機(jī)復(fù)合物或蜂窩狀復(fù)合物中(包括核酸、磷蛋白質(zhì)、維生素和脂類)。

在未被擾動(dòng)的水生態(tài)環(huán)境中，P元素含量很低。富磷水環(huán)境(如發(fā)生富營養(yǎng)化的水體)中的P元素主要來自陸源(Terrestrial)。其來源主要包括：無機(jī)含磷礦物的風(fēng)化產(chǎn)生可溶性或更易遷移的磷酸鹽；生活或工業(yè)垃圾滲濾出以溶解性有機(jī)磷為主要形式的磷化物；生活或工業(yè)廢水所含的P元素隨著工業(yè)粉塵進(jìn)入大氣的磷化物；森林生態(tài)系統(tǒng)中植物殘?bào)w蓋層腐蝕及滲濾的以無機(jī)磷酸鹽為主的磷化物以及農(nóng)業(yè)、農(nóng)藥、化肥等其他非點(diǎn)源污染源產(chǎn)生的P。這些磷化合物通過一系列途徑進(jìn)入水環(huán)境，進(jìn)而加入潛流帶循環(huán)。排污口及農(nóng)業(yè)排水系統(tǒng)可將P元素直接排放到地表水；污染滲坑、垃圾堆滲濾及森林腐殖層滲濾、農(nóng)業(yè)灌溉回歸水等可將P元素帶入土壤或地下水，并可通過地下水位抬升、壤中流、地下徑流及潛流交換作用進(jìn)入河流水環(huán)境；P元素還可經(jīng)坡面漫流、風(fēng)、降水等方式進(jìn)入地表水體。

在潛流帶中，吸附和解吸、生物作用、生成難溶化合物等過程控制P元素的形態(tài)轉(zhuǎn)化、運(yùn)移和固定過程。

P元素的吸附和解吸過程主要受到氧化-還原性和酸堿度的控制。潛流帶存在著強(qiáng)烈且明顯變化的氧化-還原梯度，這些氧化-還原梯度控制著某些金屬元素的價(jià)態(tài)和存在形態(tài)，從而影響著其對P元素的吸附性。Butturini等研究發(fā)現(xiàn)，在與河流交換之后，氧化態(tài)的潛流帶沉積物能極大地阻滯P元素的運(yùn)移[82]。在充氧和高度氧化環(huán)境下，P元素通過配位效應(yīng)和靜電力極易吸附在Fe(Ⅲ)的氫氧化物、Al的氫氧化物、方解石和黏土等礦物表面[83]。Butturini等研究還發(fā)現(xiàn)，地表水將氧氣帶入使得P元素的吸附主要發(fā)生在潛流帶下降流區(qū)域，并且集中在水流進(jìn)入沉積物最初的數(shù)厘米范圍內(nèi)[82]。相比之下，在缺氧的還原環(huán)境下，F(xiàn)e(Ⅲ)的氫氧化物-磷復(fù)合物分解并釋放溶解態(tài)磷[83-84]。在某些缺氧和富營養(yǎng)的潛流帶環(huán)境(如污染的運(yùn)河)中，P元素可能與Fe(Ⅱ)化合生成難溶的藍(lán)鐵礦(Fe3(PO4)2·8H2O)，并發(fā)生沉淀而被固定[85]。pH值也影響著礦物對P元素的吸附。當(dāng)pH值減小時(shí)，表面電位改變使得礦物對P元素的吸附能力增強(qiáng)[83]。河床巖性和水動(dòng)力條件控制著潛流帶氧化-還原梯度，因而控制著潛流帶對P元素的吸附性，如位于高流速的氧化水流層以下的砂質(zhì)和礫質(zhì)河床能增大對P元素的吸附量，而滲透性低且富含有機(jī)物的沉積物則具有厭氧環(huán)境，能減小對P元素的吸附量[83]。

對生物過程來說，在沉積物中，受生物膜結(jié)構(gòu)和生命過程的控制，潛流帶沉積物中的生物膜生產(chǎn)可導(dǎo)致氧化-還原能力具有高度非均質(zhì)性。潛流帶充氧區(qū)的生命過程對于有機(jī)磷化合物礦化為溶解態(tài)生物可利用形式(如磷酸根)、生物合成無機(jī)磷、P元素被生命物質(zhì)吸收和活細(xì)胞磷循環(huán)的過程非常重要。有關(guān)研究在潛流帶環(huán)境中還識別出一系列與P元素的遷移轉(zhuǎn)化有關(guān)的外酶，這說明微生物對P元素的需求主要集中在生物膜群體中[83]。

3.4 有毒污染物

潛流帶中常見的有毒污染物有Fe3+、Fe2+、Mn4+、Mn2+、Zn2+、Al3+、Hg2+等金屬離子及其化合物，還有As及其化合物等物質(zhì)。Fe2+和Mn2+常以溶解態(tài)存在于較還原、酸性環(huán)境中；Fe3+和Mn4+通常以沉淀或者懸浮的絡(luò)合物等被固定的形式存在于較氧化、pH值較高的環(huán)境中；Zn、Al、As等元素則通常溶于水中，并伴隨著Fe、Mn等形態(tài)變化而被固定或釋放；Hg主要以游離態(tài)汞Hg2+和甲基汞形式存在，甲基汞有劇毒。

富含污染物的水流流經(jīng)潛流帶時(shí)，受酸堿度、氧化-還原條件的影響，污染物主要發(fā)生氧化-還原、吸附與解吸、沉淀與溶解、生物催化等生物地球化學(xué)過程。

Harvey等通過野外示蹤實(shí)驗(yàn)、室內(nèi)吸附實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水流由地表水體流入潛流帶時(shí)，pH值增大，溶解氧濃度升高，微生物含量增加，潛流帶Fe、Mn被氧化進(jìn)而沉淀[4]。Wielinga等研究發(fā)現(xiàn)，上升的還原性地下水與氧化性地表水混合時(shí)，還原性Fe、Mn也將發(fā)生氧化并沉淀[86-87]。Madigan等研究發(fā)現(xiàn)，潛流帶Fe、Mn的氧化過程受微生物催化作用控制[88]。

沉淀的鐵、錳氧化物可作為一種吸附劑吸附流經(jīng)的Fe、Mn、Zn、As等溶解態(tài)有毒物質(zhì)并使之被固定[89]。Harvey等利用不同時(shí)期的監(jiān)測數(shù)據(jù)計(jì)算錳氧化物對金屬離子的吸附率，發(fā)現(xiàn)吸附率隨著pH值的增加而增大[4,89]。在潛流帶的還原區(qū)，鐵、錳氧化物還原并溶解，釋放出低價(jià)離子溶于水[83]。Wielinga等通過原位示蹤實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，還原和溶解過程是在生物催化作用下進(jìn)行的，生物呼吸作用消耗有機(jī)物和氧氣，產(chǎn)生一個(gè)還原環(huán)境，進(jìn)而還原鐵、錳氧化物[86]。

Nagorski等在研究Fe、As元素在潛流帶中的遷移轉(zhuǎn)化時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著pH值和氧化-還原電位升高，鐵、錳氧化物對離子吸附能力增強(qiáng)，潛流帶去除有毒污染物能力增強(qiáng)[90]。Sengupta等研究了河床沉積物中Fe、Mn、As元素的衰減差異，發(fā)現(xiàn)高砷地下水排泄到河流過程中潛流帶沉積物和孔隙水中的As與FeOOH結(jié)合發(fā)生衰減，Mn形成氧化物沉淀[91]。Harvey等發(fā)現(xiàn)地下水開采可促進(jìn)有機(jī)碳或其降解產(chǎn)物進(jìn)入地下水使As元素含量增加[92]。Zhang等對內(nèi)蒙古河套盆地地下水開采As的遷移影響進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)湖水引入的可生物降解有機(jī)碳促進(jìn)了Fe(Ⅲ)的羥基氧化物的還原，導(dǎo)致地下水As元素含量呈上升趨勢[93]。

Hg元素可以通過揮發(fā)、吸附到沉積物和被生物吸收，從水體中除去。潛流帶中Hg元素交換過程可以降低或增加Hg元素含量，微生物作用可以促進(jìn)Hg元素發(fā)生甲基化作用[94]。Hinkle等研究了潛流帶總汞和甲基汞的地球化學(xué)反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)總汞、甲基汞與溶解性有機(jī)碳含量成正相關(guān)關(guān)系[95]，其原因是溶解性有機(jī)碳與Hg元素形成強(qiáng)絡(luò)合物[96]。

4 潛流帶生物地球化學(xué)過程模擬

在潛流帶中，受多種地形、水文、物理化學(xué)條件的控制，潛流帶發(fā)生著多組分復(fù)雜的生物地球化學(xué)過程，而現(xiàn)有的研究只是停留在物質(zhì)的分布、形態(tài)、動(dòng)態(tài)變化描述，而很少涉及或只是定性研究這些過程的機(jī)理。在研究過程中，由于原位監(jiān)測和實(shí)驗(yàn)室物理模擬費(fèi)時(shí)費(fèi)力，數(shù)值模擬技術(shù)作為一種定量化且經(jīng)濟(jì)的方法被廣泛用于潛流帶生物地球化學(xué)過程研究。

對潛流帶生物地球化學(xué)過程的數(shù)值模擬是從20世紀(jì)80年代初開始的，學(xué)者們提出了許多針對潛流帶的數(shù)學(xué)模型：20世紀(jì)80年代初，由Bencala提出的瞬時(shí)存儲(chǔ)溶質(zhì)運(yùn)移(One-dimensional Transport with Inflow and Storage,OTIS)模型，被認(rèn)為是一個(gè)“死區(qū)模型”(Dead Zone Model)[97]；Gooseff等提出的RTD(Residence Time Distribution)模型[98]；Salehin等提出的ASP(Advective Storage Path)和TSM(Transient Storage Model)模型[99]。Hoagland等利用OTIS模型模擬了Garner Run河地表水與地下水的相互作用，結(jié)果顯示Garner Run河具有活躍的水量交換[100]。

關(guān)于溶質(zhì)組分(或污染質(zhì))在潛流帶的生物地球化學(xué)過程的模型則是在20世紀(jì)90年代之后才漸漸被提出。Ren等提出了一個(gè)概念模型來預(yù)測膠體物質(zhì)在河流和地下水之間的對流交換過程，這個(gè)概念模型不僅包括物理運(yùn)移模擬，還包括諸如河床滲流過程中導(dǎo)致的吸附與解吸等過程模擬[101]。其后，Ren等將這個(gè)模型用于解釋室內(nèi)實(shí)驗(yàn)過程中所觀測到的河水-地下水交換過程[102]。

與此同時(shí)，越來越多傳統(tǒng)的地表水、地下水?dāng)?shù)值模型也用于潛流帶研究，如美國地質(zhì)勘探局(USGS)開發(fā)的地下水流模型MODFLOW、Charlton等開發(fā)的PHAST模型、丹麥水力研究所(DHI)開發(fā)的MIKE SHE模型、英國紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)開發(fā)的SHE TRAN模型等。Hester等利用MIKE SHE模型模擬地下水和地表水相互作用以及潛流帶對硝酸鹽的去除能力，發(fā)現(xiàn)環(huán)境特征對地表水-地下水交互和反硝化作用影響最大，包括河床水力傳導(dǎo)率、河流地形和坡度以及地下水位[22]。Azizian等利用生物地球化學(xué)模型模擬在各種環(huán)境流條件下的硝酸鹽衰減速度[103]。

潛流帶生物地球化學(xué)模型建立在地下水流數(shù)值模型的基礎(chǔ)之上。模型的建立首先需要確定模擬區(qū)、邊界條件、源匯項(xiàng)、反應(yīng)物初始條件，然后確定模擬區(qū)滲透系數(shù)(K)、給水度(u)、介質(zhì)孔隙度(L)、輸彌散系數(shù)(D)和各目標(biāo)物的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)速率(k)等參數(shù)，利用已有數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行識別和驗(yàn)證。

盡管越來越多的模型被用于潛流帶生物地球化學(xué)過程研究，但由于建立潛流帶數(shù)值模型自身的技術(shù)問題(如尺度轉(zhuǎn)化、離散化、模型的建立、水流和生物地球化學(xué)過程耦合等問題)尚未解決，監(jiān)測和數(shù)據(jù)獲取技術(shù)還不成熟(難以獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或原位數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)精度不足、監(jiān)測費(fèi)財(cái)費(fèi)力等)，模擬區(qū)實(shí)際生物地球化學(xué)反應(yīng)過程的復(fù)雜性，滲透系數(shù)的不均勻性，造成至今還沒有一個(gè)水流模型可以完整地刻畫潛流帶水流過程，也沒有一個(gè)水流-生物地球化學(xué)的耦合模型可以更好地描述潛流帶中生物地球化學(xué)過程。由此可見，潛流帶生物地球化學(xué)過程模擬將始終是一個(gè)值得深入研究的重要方向。

5 潛流帶生物地球化學(xué)監(jiān)測

潛流帶作為地表水-地下水交互作用的重要界面，在極小的空間尺度下存在著強(qiáng)烈的水化學(xué)和環(huán)境指標(biāo)梯度，水流和水化學(xué)是高度動(dòng)態(tài)的。因此，在進(jìn)行潛流帶原位監(jiān)測時(shí)需捕捉這個(gè)時(shí)空尺度下發(fā)生的生物地球化學(xué)過程，具體體現(xiàn)在：測定局部尺度上高分辨率(通常小于0.1 m)的水流和水化學(xué)梯度、氧化-還原電位、酸堿度等環(huán)境條件和孔隙度、滲透系數(shù)等物理結(jié)構(gòu)；測定毫米級及更小尺度下的沉積物孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙水流路徑、生物膜結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)特征；在短時(shí)間內(nèi)(幾分鐘或幾秒)進(jìn)行重復(fù)測量，以捕捉水流模式和化學(xué)梯度隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化；進(jìn)行數(shù)周或數(shù)月的連續(xù)監(jiān)測以捕捉生物地球化學(xué)的季節(jié)變化[104]。目前用于潛流帶研究最主要的監(jiān)測技術(shù)是原位培養(yǎng)技術(shù)、探測和取樣技術(shù)。

5.1 原位培養(yǎng)技術(shù)

為了使研究過程盡量在自然狀態(tài)下進(jìn)行，引入了各種原位培養(yǎng)室。這些培養(yǎng)室(Experimental Chambers或Colonization Chambers)是將河流的小部分區(qū)域圈閉起來，填充原位未被擾動(dòng)的沉積物，并在其中加入微型生態(tài)系統(tǒng)(Microcosms)以用于生物地球化學(xué)測試[102,105]。

原位培養(yǎng)室被廣泛應(yīng)用于河床潛流帶代謝過程研究[106]。這些培養(yǎng)室可取樣用于異位測試，也可原位測定溶解氧、酸堿度、H2S、水流和溶質(zhì)滯留時(shí)間等，生物的好氧與厭氧代謝率及其代謝產(chǎn)物，物質(zhì)的轉(zhuǎn)化速率、硝化與反硝化速率和其他代謝參數(shù)[107-108]。原位培養(yǎng)室通常與其他原位探針聯(lián)合使用。

潛流帶生物地球化學(xué)研究最常見的原位培養(yǎng)室是低速滲流柱，它被用于刻畫原位生物地球化學(xué)過程和確定微生物活性、潛流帶沉積物物理化學(xué)環(huán)境。Mermillod-Blondin等使用低速滲流柱來量化局域尺度下(厘米級)潛流帶生物地球化學(xué)過程及相應(yīng)的微生物活動(dòng)[109]。滲流柱原位安置于潛流帶，并且能準(zhǔn)確地再現(xiàn)潛流帶氧化-還原梯度、高度非均質(zhì)性，沉積物厭氧區(qū)發(fā)生的反硝化過程和發(fā)酵過程[109]。

然而，原位培養(yǎng)室的應(yīng)用還存在許多不足[110]：被培養(yǎng)室圈閉的河床(或者潛流帶沉積物)存在著許多不確定因素，這部分沉積物不能體現(xiàn)更大或更小尺度下河床的非均質(zhì)性；原位培養(yǎng)室的應(yīng)用改變了水流區(qū)域，改變了光線與河床的接觸，改變了溫度條件并使代謝產(chǎn)物變得過飽和[66,110]。這些因素都有可能導(dǎo)致自養(yǎng)作用被高估而潛流帶呼吸量被低估[67]。Uzarski等提出了一個(gè)試圖克服上述不確定性因素的裝置，并將其用于溶解氧的原位測試，這個(gè)培養(yǎng)室考慮了潛流帶代謝并強(qiáng)調(diào)了溶解氧對準(zhǔn)確估計(jì)河流初級生產(chǎn)力和群落呼吸作用的重要性[68]。

5.2 探測和取樣技術(shù)

進(jìn)行潛流帶研究一方面可利用各種探測技術(shù)和地球物理探測技術(shù)原位直接獲取各種參數(shù)和數(shù)據(jù)，另一方面可基于各種物理取樣技術(shù)采集樣品，以供異位測試獲取各種參數(shù)。

原位測試主要借助各種探測器或各種地球物理探測技術(shù)。常用的探測器有各種離子選擇電極和硅膠微型電極、各種活性表面探針(擴(kuò)散梯度薄膜探針、擴(kuò)散平衡薄膜探針和半透膜探針)，它們可用于原位測定潛流帶溫度、酸堿度、氧化-還原電位、電導(dǎo)率和各種化學(xué)物質(zhì)(如重金屬微量物質(zhì)、氯有機(jī)化合物、一系列離子、硫化物及其相關(guān)化合物等)的濃度[111-112]。近年來，各種生物傳感器(Biosensor)也被引入潛流帶研究，可用于測定生物可利用性化學(xué)物質(zhì)濃度、生化需氧量(Biochemical Oxygen Demand,BOD)、溫度等[113]。用于潛流帶研究的地球物理探測技術(shù)有γ射線和電導(dǎo)率測井、斷層攝影術(shù)和電成像技術(shù)、聲音成像技術(shù)和穿地雷達(dá)技術(shù)等，可為高精度生物地球化學(xué)研究非侵入、實(shí)時(shí)獲取重要的潛流帶數(shù)據(jù)[114]。

針對不同空間尺度，潛流帶研究可采取不同的取樣技術(shù)。在沉積物尺度上，可進(jìn)行原狀取芯(如冰凍取芯技術(shù))，所取巖芯可供室內(nèi)分析獲取不同深度的參數(shù)，但這種取芯技術(shù)水平分辨率低[115]。在沉積物尺度上研究河湖-河灘上升流和下降流時(shí)，可在上升流和下降流區(qū)分別埋藏原位沉積物樣品和各種探針，原位測定一些參數(shù)的垂向分布，或分別取芯異位分析[116-117]。在河段尺度上，可設(shè)置若干條河流斷面分別密集取芯并用探管原位檢測，以獲取潛流帶空間離散參數(shù)[118]。

6 結(jié) 語

(1)雖然許多傳統(tǒng)的監(jiān)測和采樣技術(shù)被用于潛流帶研究，并引入了許多新技術(shù)，但現(xiàn)有的監(jiān)測和采樣技術(shù)仍然難以滿足研究需求，如在水位較深和水流速度較快的河流中原位采集潛流帶介質(zhì)樣品和指定深度的孔隙水樣品等還很困難。正如Benner等指出的一樣，一旦潛流帶介質(zhì)樣品離開原位，其物理化學(xué)條件將會(huì)發(fā)生變化[119]。未來需要研究新的采樣、運(yùn)輸和保存技術(shù)以確保樣品在測試時(shí)可以保證其原始狀態(tài)。

(2)河流和湖泊沉積物水文地質(zhì)參數(shù)控制著地表水-地下水相互作用過程，受沉積環(huán)境影響，這些參數(shù)存在極大的空間異質(zhì)性，而用現(xiàn)有的技術(shù)方法難以測定，在研究中也往往被忽略，如河水沉積物的滲透系數(shù)隨著深度、離主河道距離而發(fā)生變化。因此，還需要一套更好的精細(xì)描述水文地質(zhì)參數(shù)空間變異性的方法。

(3)潛流帶是一個(gè)強(qiáng)烈的動(dòng)態(tài)環(huán)境，不僅表現(xiàn)在水文和物理化學(xué)特征上，還表現(xiàn)在其微生物生態(tài)和功能上。雖然對整個(gè)潛流帶環(huán)境的有機(jī)碳總礦化率或總呼吸率研究較多，但針對某種特定微生物的動(dòng)態(tài)研究則非常少，因?yàn)閷⑻囟ㄎ⑸锎x結(jié)果從原位環(huán)境的代謝結(jié)果中區(qū)分出來的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)還存在困難；其次，現(xiàn)有的微生物取樣方法和檢測技術(shù)還存在局限性。此外，由于潛流帶中一些對氧化-還原條件極為敏感的元素(如C、N、S等)同位素往往會(huì)產(chǎn)生明顯的動(dòng)力學(xué)分餾，所以同位素技術(shù)與微生物實(shí)驗(yàn)相結(jié)合將成為研究潛流帶生物地球化學(xué)行為的重要手段。

(4)需要一個(gè)三維的水流模型來更好地模擬和分析潛流帶水流問題的本質(zhì)，生物地球化學(xué)過程是受水流過程控制的，同時(shí)也需要一個(gè)水流-生物地球化學(xué)耦合模型來描述潛流帶中生物地球化學(xué)過程。

(5)絕大多數(shù)潛流帶的研究只限于河流，而對于湖泊中的潛流帶研究很少。由于湖泊沉積物-水界面物質(zhì)生物地球化學(xué)研究多是基于湖泊沉積的靜水條件，與河水-地下水交互作用帶中相對強(qiáng)烈和頻繁變化的水動(dòng)力條件具有明顯差異，未來需加強(qiáng)對湖泊潛流帶的研究。

(6)微生物的廣泛參與是生物地球化學(xué)行為的重要特點(diǎn)，但目前對于地下水、土壤中生物地球化學(xué)作用主體的微生物多開展了數(shù)量評價(jià)方面的研究，而對于潛流帶中參與生物地球化學(xué)活動(dòng)的微生物生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能研究目前還處于起步階段。

(7)目前潛流帶重金屬污染的研究主要集中在Fe、Mn、As、Hg等元素，而潛流帶中Zn、Al、Cu、Cd、Pb等有毒有害金屬污染研究較少，將來應(yīng)加強(qiáng)這方面的研究。