底棲動物對水體沉積物物理性狀的擾動效應

房　巖，孫　剛，王譽茜，白雪花，彭小喚

(長春師范大學生命科學學院，吉林長春 130032)

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底棲動物對水體沉積物物理性狀的擾動效應

房巖，孫剛，王譽茜，白雪花，彭小喚

(長春師范大學生命科學學院，吉林長春 130032)

[摘要]底棲動物對水體沉積物的物理性狀產生顯著的擾動效應。底棲動物的機械運動增加了沉積物接觸上覆水的表面積，使沉積物結構更加疏松，含水率和孔隙率增加，容重降低。隨著深度的增加，沉積物滲透系數下降。底棲動物的擾動效應具有重要的應用價值，應進一步深入研究。

[關鍵詞]底棲動物；沉積物；物理性質；含水率；滲透性

大多數水體的沉積物污染十分嚴重，富含多種有機污染物、重金屬、氮磷等，成為水體的二次污染源。底棲動物的生命活動(如爬行、游泳、鉆洞、掘穴、蠕動、攝食、呼吸等)會對其棲息的沉積物產生一定的機械作用，改變沉積物的初級結構即物理性狀，包括含水率、滲透性、容重、孔隙度等[1]。

1材料與方法

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

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

2結果與分析

2.1含水率

在室內模擬實驗進行25 d之后，底棲動物(水絲蚓)擾動組和無擾動對照組的沉積物含水率表現出相似的分布特征，都是在表層處(0 cm)最高，分別為37.2%和33.4%。底棲動物擾動組沉積物的含水率最低值出現在25 cm處，為32.4%，無擾動對照組沉積物的含水率最低值也出現在25 cm處，為29.7%。底棲動物擾動組沉積物的平均含水率為33.5%，高于無生物擾動沉積物的平均含水率31.1%。底棲動物擾動組沉積物在0~25 cm各個垂直層次的含水量均高于無擾動空白對照組(圖1)。底棲動物的機械運動增加了沉積物接觸上覆水的表面積，使沉積物結構更加疏松，孔隙率增加，將水流引入沉積物中[7]。

圖1　底棲動物擾動對沉積物含水率的影響

2.2滲透性

滲透性影響著沉積物穩定性、孔隙水的壓力消散等，因而是水體界面液化分析、底質應力計算、工程設計和安全評價的重要指標。在室內控制實驗中，分析了有/無底棲動物(水絲蚓)擾動的沉積物在自然固結過程中滲透性的差異(圖2)。底棲動物擾動組的沉積物比起無擾動對照組的沉積物，滲透系數在實驗前期降低更快。然后，兩組的滲透系數下降速度都減緩，趨于穩定，而且非常接近。在身體運動(包括游泳、避敵、建管、鉆穴、匍匐等)和代謝活動(包括呼吸、攝食、吸收、同化、排泄等)的過程中，底棲動物改變了水體沉積物的局部地形地貌，進而對滲流產生影響[8]。

圖2　底棲動物擾動對沉積物滲透系數的影響

生物擾動對海床土滲透性的影響在工程建設中尤其重要。在海洋油氣開發、儲存、運輸和港口設計、規劃、建設等方面，海上建筑物的地基安全性、穩定性和可靠性是必須考慮的問題。包括海洋輸油輸氣管道、油氣開采平臺、重力式架構、海岸防波堤等在內的海上結構物，在海洋環境中受到的威脅主要來自波浪的循環往復載荷。數量豐富的軟體動物、多毛類、甲殼類等底棲動物群落生活在海床上。生物活動對沉積物的組成成分、滲透特性、物理結構、化學性質和力學性能等都造成一定影響，進而改變了波浪能量在海洋底質中的衰減速率，以及應力場、滲流場的強度與分布[8]。

2.3容重

在室內模擬實驗中，以泥鰍作為擾動生物，對比了擾動組和對照組的沉積物容重(表1)。容重是單位體積沉積物(包括孔隙)的質量，受質地結構、松緊度和有機質含量等影響而發生變化。泥鰍擾動組沉積物容重比無擾動對照組低0.17 g·cm-3，方差分析結果表明差異極顯著(P<0.01)。

表1　泥鰍擾動組與無擾動對照組的沉積物容重和孔隙度對比

注：同一列的數字，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之一。泥鰍擾動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結語

底棲動物對沉積物的擾動效應是多學科交叉的綜合問題，涉及滲流理論、環境科學、生態學、湖沼學、海洋科學、水體沉積學、水體化學、水體物理學、水生生物學、土動力學等[9]。在水體工程設計和建設過程中，底質的組成成分、排水狀況、滲流條件、孔隙度、強度、容重、地形地貌、固結速率、穩定性等均是必須考慮的因素[10]。在底棲動物的擾動下，水體沉積物的含水量增加，沉積物表層的土體強度降低，在風、潮流、波浪的驅動和作用下，生物擾動區極易發生沉積物的局部再懸浮[11]。同時，底棲動物的匍匐、游泳、筑穴、建管、避敵等機械運動和攝食、呼吸、吸收、同化、排泄等代謝活動不僅提高了沉積物顆粒的橫向和縱向運輸，而且強化了底質的排水能力、侵蝕的水動力學效應，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，對沉積物的穩定性產生多方面的、綜合性的、長期而復雜的影響。

[參考文獻]

[1]陳友媛，劉紅軍，賈永剛，等．循環荷載作用下海床結構粉質土的液化滲流機理定性研究[J]．巖土力學，2007，28(8)：1631-1635.

[2]孫剛，盛連喜，李明全．長春南湖底棲動物群落特征及其與環境因子的關系[J]．應用生態學報，2001，12(2)：319-320.

[3]孫剛，盛連喜，馮江，等．長春南湖生態系統能量收支的研究[J]．生態學雜志，2000，19(2)：8-12.

[4]孫剛，盛連喜．湖泊富營養化治理的生態工程[J]．應用生態學報，2001，12(4)：590-592.

[5]中國科學院南京土壤研究所土壤物理研究室．土壤理化分析[M]．上海：科學出版社，1978：22-86.

[6]魯如坤．土壤農業化學方法[M]．北京：中國農業科技出版社，1999：13-169.

[7]高麗．生物擾動對黃河口潮灘沉積物侵蝕性的試驗研究[D]．青島：中國海洋大學，2008.

[8]劉道彬．底棲動物對黃河口海床土滲透性影響的試驗研究[D]．青島：中國海洋大學，2008.

[9]Botto F，Iribarne O．Effect of the burrowing crab Chasmagnathus granulate(Dana)on the benthic community of a SW Atlantic coastal lagoon[J]．Journal of Experimental Marine Biology and Ecology，1999，241(2)：263-284.

[10]Ridd P V．Flow through animal burrows in mangrove creeks[J]．Estuarine，Coastal and Shelf Science，1996，43(5)：617-625.

[11]孫剛，房巖．底棲動物的生物擾動效應[M]．北京：科學出版社，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，碩士生導師，從事水生生態學和界面生物學研究。

[作者簡介]房巖(1965- )，女，教授，博士，碩士生導師，從事動物生理學和仿生學研究。

[基金項目]國家自然科學基金項目“生物擾動條件下稻田水層-底棲界面耦合生態動力學研究”、“ 大型底棲動物對淺水湖泊沉積物-水界面耦合的擾動機制”(31370475，31070421)；吉林省科技發展計劃項目“底層動物對水體污染的擾動效應及生物修復技術”(20140204042SF)；吉林省教育廳科技計劃項目“生物操縱減排水田非點源污染的機理及關鍵技術”(2012218)。

[收稿日期]2015-10-21

[中圖分類號]X52

[文獻標識碼]A

[文章編號]2095-7602(2016)02-0058-03