多孔混凝土河渠生態(tài)護(hù)岸的微型生物種群生態(tài)效應(yīng)

多孔混凝土河渠生態(tài)護(hù)岸的微型生物種群生態(tài)效應(yīng)

河流中的微生物群包括細(xì)菌、藻類、原生動(dòng)物和小型水生動(dòng)物。它們?cè)谏鷳B(tài)系統(tǒng)中占據(jù)著一個(gè)共同的位置，它們之間也經(jīng)歷著復(fù)雜的關(guān)系和相互作用，形成了一個(gè)穩(wěn)定的微生物群落，并對(duì)外部環(huán)境的威脅做出了快速有效的反應(yīng)。河岸走廊是植物生長(zhǎng)和微生物豐富和繁殖的棲息地載體，是水生生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。涂層的涂層方法不可避免地會(huì)影響水生生物群落的結(jié)構(gòu)和功能。長(zhǎng)期以來(lái)，河岸邊坡的硬涂層方法被用來(lái)切斷水面和土壤之間的物質(zhì)、能量和信息交流。水生植物和微生物失去了它們的棲息地，生物多樣性減少，生態(tài)系統(tǒng)崩潰和崩潰。對(duì)于缺失的水生生態(tài)系統(tǒng)，生物種類和生長(zhǎng)介質(zhì)的喪失或變化是影響生態(tài)恢復(fù)的主要障礙。在生態(tài)恢復(fù)方面，通常選擇合適的植物種類來(lái)改造介質(zhì)，或使用物理和化學(xué)方法來(lái)直接改進(jìn)或改變介質(zhì)，以使其適合植物生長(zhǎng)。多孔混凝土具有類似于土壤的滲透性、通風(fēng)性和足夠的力學(xué)強(qiáng)度。以其為載體，建立河流生態(tài)河岸，有效改善水質(zhì)，為綠色植物和微生物提供生態(tài)旅行空間，改善和改善河流生態(tài)系統(tǒng)。本文以多孔混凝土為河渠岸坡生態(tài)護(hù)砌載體,聯(lián)合綠色植物、微生物構(gòu)建河渠岸坡特定生態(tài)系統(tǒng).通過(guò)改變和改良植物生長(zhǎng)介質(zhì),將生態(tài)護(hù)岸基質(zhì)、微生物、綠色植物等生態(tài)要素融為一體,用于模擬研究該系統(tǒng)對(duì)河渠微型生物群落的生態(tài)效應(yīng),有助于闡明河渠生態(tài)岸坡的水質(zhì)凈化及生態(tài)修復(fù)機(jī)制.1材料和方法1.1河渠岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建在上海市黃浦江原水廠構(gòu)建河渠特定岸坡生態(tài)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?開(kāi)挖2條相同的環(huán)形實(shí)驗(yàn)河渠,環(huán)形設(shè)計(jì)模擬天然河渠自然彎曲和水流多樣性.河渠外側(cè)岸周長(zhǎng)54.7m,內(nèi)側(cè)岸周長(zhǎng)29.5m.斷面為梯形,底寬1m,上寬4m,岸坡坡度為1∶1.5,設(shè)計(jì)水深0.8m,渠內(nèi)安裝水流推進(jìn)器,以模擬河水流動(dòng).實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵?jiàn)圖1和圖2.模型中1條河渠為實(shí)驗(yàn)渠,采用多孔混凝土進(jìn)行護(hù)砌,并聯(lián)合綠色植物、微生物構(gòu)建河渠岸坡特定生態(tài)系統(tǒng),另外1條為傳統(tǒng)混凝土護(hù)砌的硬質(zhì)化實(shí)驗(yàn)對(duì)比渠,即空白渠.河渠岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建方法:岸坡由水質(zhì)凈化效果較好的多孔混凝土預(yù)制球鋪裝護(hù)砌,球直徑250mm,內(nèi)部預(yù)留x,y方向的通孔,球成型后用經(jīng)防銹處理的?18mm鋼筋串接固定,并充當(dāng)生態(tài)護(hù)砌面的配筋,球體之間自然形成了邊長(zhǎng)約100mm的方孔,見(jiàn)圖3.護(hù)砌面空隙率約47%.預(yù)制球鋪裝后,就近挖取地表20cm的土壤填充護(hù)砌面的空隙,以誘導(dǎo)植物生根發(fā)芽.選種須根系植物類型為主,并根據(jù)景觀需要,沿坡面從下往上依次種植苦草(Vallisnerianatans)、香蒲(Typhaorientalis)、美人蕉(Cannaindica)、狗牙根(Cynodondactylon)、黑麥草(Loliumperenne)等,植物帶結(jié)構(gòu)依次為沉水植物、挺水植物、草本植被,河渠坡面上實(shí)現(xiàn)了水生生態(tài)向陸生生態(tài)的自然過(guò)渡.岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)近2年的自然培養(yǎng)后,生態(tài)坡面上部的挺水植物、草本植被的覆蓋率接近100%,預(yù)制球間隙中發(fā)現(xiàn)了河蟹、蟾蜍等動(dòng)物,而坡面下部的沉水植物則受黃浦江原水濁度較高的影響而生長(zhǎng)緩慢.1.2p裝置的檢測(cè)方法抽取黃浦江原水同時(shí)向2條河渠進(jìn)水,當(dāng)渠中水位均達(dá)到0.8m時(shí),停止進(jìn)水,啟動(dòng)水流推進(jìn)器,水在渠中循環(huán)流動(dòng).河渠微型生物群落監(jiān)測(cè)采用PFU法,將32號(hào)聚氨酯泡沫塑料切割為50mm×65mm×75mm的矩形塊(即PFU),使用前用自來(lái)水沖洗,蒸餾水浸泡24h,用細(xì)線懸掛并固定于渠中,懸掛位置距水面不小于0.3m,距渠底不小于0.2m,當(dāng)停留時(shí)間分別為1,3,5,7,11,15d時(shí)采樣PFU,每次隨機(jī)取出2塊,作平行觀察.采用活體鏡檢對(duì)微型生物進(jìn)行觀察與鑒定分類,鑒定到種.PFU法可獲取微生物群落的結(jié)構(gòu)參數(shù)有:微型生物種類數(shù)和Magalaef多樣性指數(shù).功能參數(shù)有:達(dá)到平衡時(shí)的種類數(shù)Seq、群集速率常數(shù)G和達(dá)到90%Seq所需的時(shí)間T90%.1)多樣性指數(shù)計(jì)算.把燒杯中含有PFU擠出液的水樣搖勻,用吸管吸取水樣于0.1mL計(jì)數(shù)框內(nèi),全片活體計(jì)數(shù),生物多樣性指數(shù)采用Maglaef公式進(jìn)行計(jì)算:D=(S-1)lnN(1)式中,S為所屬種類數(shù)目;N為觀察到的個(gè)體總數(shù).2)微型生物群落功能參數(shù)計(jì)算.PFU微型生物群集過(guò)程符合生態(tài)學(xué)MacArthur-Wilson島嶼區(qū)域地理平衡模型,根據(jù)微型生物測(cè)定數(shù)據(jù)來(lái)反推群集過(guò)程的功能參數(shù)(Seq,G,T90%),計(jì)算公式為St=Seq(1-e-Gt)(2)式中,St為群集時(shí)間t時(shí)的微型生物種群數(shù);t為群集時(shí)間.1.3水質(zhì)污染評(píng)價(jià)水質(zhì)分析與微型生物群落監(jiān)測(cè)同步進(jìn)行,水質(zhì)指標(biāo)包括濁度和CODMn,TP,NH4+-N,DO,NO-3-N,NO-2-N,TN等,采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)定.黃浦江作為飲用水源,即以Ⅱ類地表水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB3838—2002)為控制標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算河渠水質(zhì)化學(xué)綜合污染指數(shù)Pb,Pb≤1表明監(jiān)測(cè)水質(zhì)符合或基本符合Ⅱ類地表水質(zhì);Pb>1表明水質(zhì)劣于Ⅱ類地表水質(zhì),數(shù)值越大,水質(zhì)污染越嚴(yán)重.計(jì)算公式為Pi=CdC0(3)Ρi=CdC0(3)Pb=1n∑i=1nPi(4)Ρb=1n∑i=1nΡi(4)式中,Pi為Ⅱ類地表水為標(biāo)準(zhǔn)的單項(xiàng)化學(xué)污染指數(shù);Cd為污染物實(shí)測(cè)濃度;C0為Ⅱ類地表水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的濃度上限;n為控制項(xiàng)目數(shù).2結(jié)果與分析2.1水體綜合污染指數(shù)tp基于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷乃|(zhì)改善效果,研究微型生物群落的結(jié)構(gòu)與功能對(duì)水質(zhì)差異的指示原理.實(shí)驗(yàn)渠和空白渠水質(zhì)化學(xué)污染綜合指數(shù)的變化過(guò)程見(jiàn)圖4.本實(shí)驗(yàn)中,黃浦江原水的化學(xué)綜合污染指數(shù)為3.22,TN,TP質(zhì)量濃度分別為5.12,0.17mg/L,表現(xiàn)為重度污染和富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì).具有岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)渠中水質(zhì)綜合污染指數(shù)持續(xù)降低,停留時(shí)間3d時(shí)污染指數(shù)即小于1,水質(zhì)達(dá)到地表Ⅱ類水質(zhì).硬質(zhì)岸坡的空白渠中水質(zhì)綜合污染指數(shù)在停留時(shí)間15d時(shí)為1.03,仍表現(xiàn)為輕度污染.河渠岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)依靠綠色植物、微生物以及隨之發(fā)生的物化作用有效改善了水體水質(zhì),而空白渠中缺乏植物生長(zhǎng)和微生物富集的載體,僅依靠渠中水體自身的物化反應(yīng),水質(zhì)改善效果較差.2.2水生生物群落結(jié)構(gòu)和功能參數(shù)特征通過(guò)15d的PFU微型生物群落監(jiān)測(cè),具有岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)渠、硬質(zhì)護(hù)岸的空白渠中共采集97種微型生物,其中植物性鞭毛蟲40種,占物種總數(shù)的39.2%.實(shí)驗(yàn)渠采集60種微型生物,空白渠采集68種,微型生物種群結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1.PFU群集的微型生物種群按營(yíng)養(yǎng)構(gòu)成可分為6個(gè)功能類群,即生產(chǎn)者(光合作用者)、食菌(碎屑)者、食藻者、腐養(yǎng)者、食肉者和無(wú)選擇的雜食者,它們?cè)谒鷳B(tài)系統(tǒng)中構(gòu)成穩(wěn)定的食物鏈網(wǎng),在特定的環(huán)境中保持相對(duì)平衡狀態(tài),同時(shí)對(duì)外界環(huán)境脅迫因子能產(chǎn)生快速而有效的生物學(xué)響應(yīng),即當(dāng)外部環(huán)境發(fā)生變化時(shí),水生生物的群落結(jié)構(gòu)和功能參數(shù)將會(huì)發(fā)生顯著變化.實(shí)驗(yàn)渠中植物性鞭毛蟲檢出28種,占物種總數(shù)的46.7%,纖毛蟲綱、輪蟲以及枝角、橈足類等微型生物檢出共15種,占總數(shù)的25%,表明岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)在有效改善水質(zhì)的同時(shí),使得水中微型生物群落結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定.空白渠中植物性微型生物檢出25種,占總數(shù)的36.8%,而異養(yǎng)型微型生物檢出38種,比例高達(dá)55.9%,物種間存在較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)勢(shì).由于捕食關(guān)系,植物性鞭毛蟲的比例較低,微型生物群落結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定.水體為異養(yǎng)型時(shí),表現(xiàn)為濁度高,水中CODMn,TN,NH+4-N等污染物去除效果不明顯.PFU群集的微型生物種群在干凈的水體中生產(chǎn)者、食菌者比例高,表明水體中自養(yǎng)型微生物在生物群落中的重要地位.隨著水體中有機(jī)污染物濃度的提高,群集的微型生物種類減少,異養(yǎng)型的原生動(dòng)物比例增加.該結(jié)論與文獻(xiàn)提出的微型生物群落結(jié)構(gòu)對(duì)水質(zhì)差異指示原理基本一致.2.3水體體系功能根據(jù)PFU在停留時(shí)間分別為1,3,5,7,11,15d采集的微型生物種群數(shù)的變化過(guò)程,得到PFU微型生物群落的群集曲線,如圖5所示.從群集曲線的變化特征來(lái)看,PFU群集的微型生物種群數(shù)St隨停留時(shí)間t的增加表現(xiàn)為先升高后下降.實(shí)驗(yàn)渠在停留時(shí)間為1,3d時(shí)微型生物種群數(shù)分別為17種和24種,生物多樣性指數(shù)明顯高于空白渠,表明岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)能顯著提高微型生物的群集速率.當(dāng)停留時(shí)間大于5d時(shí),實(shí)驗(yàn)渠中檢出的微型生物種群數(shù)減少,主要因?yàn)閷?shí)驗(yàn)渠中污染物去除速率快,水體透明度高,絲藻屬等優(yōu)勢(shì)種迅速生長(zhǎng),而且PFU相繼群集了輪蟲及橈足類、枝角類等微型后生動(dòng)物,因捕食關(guān)系致使微型生物種群數(shù)減少.空白渠中PFU群集的微型生物種群數(shù)在停留時(shí)間為7d才達(dá)到最大值,此后PFU陸續(xù)群集了輪蟲類、枝角類、橈足類等微型后生動(dòng)物,群集微型生物的種群數(shù)也逐步降低.根據(jù)MacArthur-Wilson島嶼區(qū)域地理平衡模型,采用最小二乘法反演計(jì)算PFU微型生物群落的群集過(guò)程的功能參數(shù)(見(jiàn)表2).實(shí)驗(yàn)渠中微型生物群落的平衡物種數(shù)與空白渠差別較小,分別為27.56和27.22,然而實(shí)驗(yàn)渠中PFU的群集速率常數(shù)為0.95,可在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)微型生物群落的物種平衡,達(dá)到90%平衡物種數(shù)的時(shí)間T90%為2.42d,且水質(zhì)改善效果顯著,說(shuō)明基于多孔混凝土的河渠岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)強(qiáng)化了水生生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力,能迅速恢復(fù)和完善河渠生態(tài)系統(tǒng).空白渠中微型生物群集速率常數(shù)僅為0.54,達(dá)到90%平衡種數(shù)的時(shí)間為4.19d,表現(xiàn)為種群結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,水體表現(xiàn)為異養(yǎng)型.2.4微生物群落物種多樣性微型生物群落是由多種微型生物種群構(gòu)成的,不是隨機(jī)、脆弱的種類組合,而是能隨環(huán)境條件變化按照自身規(guī)律發(fā)展的群落組合,正是由于微型生物群落的相對(duì)穩(wěn)定性特征,因而能夠用其結(jié)構(gòu)和功能參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)河渠的生態(tài)系統(tǒng).一般來(lái)說(shuō),在環(huán)境脅迫條件下水生生物群落的多樣性和種類數(shù)均呈減少的趨勢(shì).實(shí)驗(yàn)渠、空白渠中微型生物群落的物種多樣性指數(shù)見(jiàn)表3.實(shí)驗(yàn)渠在停留時(shí)間為1～5d時(shí)生物多樣性指數(shù)較大,3d時(shí)達(dá)到峰值2.50,此后由于微生物種群數(shù)下降,水質(zhì)透明度升高,生物量降低,多樣性指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì),并最終再次達(dá)到新的平衡狀態(tài).物種多樣性指數(shù)反映了河渠岸坡生態(tài)特性對(duì)微型生物群集過(guò)程的影響以及外部環(huán)境的脅迫效應(yīng),實(shí)驗(yàn)渠微型群落物種多樣性指數(shù)可在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值,岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)有助于促進(jìn)水生生態(tài)系統(tǒng)的建立和完善.空白渠在停留時(shí)間為1～5d內(nèi)微型生物多樣性指數(shù)均小于實(shí)驗(yàn)渠,5d后PFU群集了肉足蟲綱、纖毛蟲綱、輪蟲等異養(yǎng)型微型生物,使得物種多樣性指數(shù)高于實(shí)驗(yàn)渠,對(duì)于封閉的水體來(lái)說(shuō),生物多樣性指數(shù)并不能單獨(dú)判定水生生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,應(yīng)結(jié)合微型生物的種群構(gòu)成來(lái)綜合判斷生態(tài)系統(tǒng)的存在狀態(tài).3微生物群落及生物多樣性1)應(yīng)用PFU法測(cè)定具有岸坡特定生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)渠和岸坡硬化的空白渠的微型生物群落,實(shí)驗(yàn)渠中水質(zhì)改善效果顯著,15d內(nèi)檢出微型生物60種,植物性鞭毛蟲比例為46.7%,生物鏈結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定;而空白渠水質(zhì)改善效果不明顯,15d內(nèi)檢出微型生物68種,異養(yǎng)型微型生物比例為55.9%,生態(tài)系統(tǒng)易因生物種群結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定而較為脆弱.2)實(shí)