太浦河金泽水源地岸带结构及其环境资源状况调查研究

刘畅 俞博文 曹承进 黄民生 汪星 王迪芳 查阳 李梦茁 都皓辰

摘要： 以“十三五”國家重大水专项上海市青浦区金泽水源地雨水径流污染防控技术示范区——大莲湖为研究区域， 针对示范区内岸带的类型及坡度、岸带土壤的性质和土著植物的种类进行系统的调研分析， 为后续河岸带地表径流污染阻控技术研发提供基础数据资料支撑. 分析结果表明： 示范区周边主要护岸类型为近自然和硬质护岸， 以缓坡为主； 水生植物和陆生植物分别以荷花、芦苇和草本植物居多. 此外， 研究区采样点中， 临近农田土壤全氮含量平均值在0.95 g/kg上下波动， 高于进水闸附近土壤的0.42 g/kg； 临近居民生活区、鱼塘养殖和农田区的土壤全磷含量多在1.58 g/kg以上， 高于湖岸护坡土壤的1.10 g/kg； 有机质平均含量为11.30 g/kg， 其中植物密布区有机质含量较高， 表明当地的鱼塘养殖业以及农业对土壤环境造成了一定污染.

关键词： 太湖流域； 金泽水源地； 岸带结构； 环境资源调查； 污染防控

中图分类号： X52 文献标志码： 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、湖泊等水域的岸带是保证水质安全的一个重要屏障， 岸带的要素包括护岸类型、坡度、植物、土壤和微生物等. 护岸类型主要有自然护岸、硬质护岸、近自然护岸和人工生态护岸等. 其中自然护岸是经过时间推移河岸带自然形成的护岸形式， 主要依靠植物和微生物净化水质， 但自然护岸无法阻挡洪涝灾害和固坡防洪， 尤其是在城市地区； 硬质护岸则改善了这一缺点， 能够有效固坡和防冲刷，但硬质护岸将水生与陆生环境隔绝开来， 使二者之间无法正常进行交流， 进而破坏了水体生境， 造成水体富营养化、黑臭等现象[1]； 近自然护岸则是在自然护岸基础上， 利用各种自然材料， 如土壤、植物和石块等对自然河岸进行改造， 以达到防止水土流失、稳固岸坡、维持生境的要求[2]. 但是对于城市地区来说， 近自然护岸只适用于公园等景观场所（缓流小河道和湖泊）， 对于较大型河道， 除了满足景观要求外， 其河岸带稳定性和防洪排涝要求更高， 因此人工生态护岸目前应用较多. 人工生态护岸主要有生态混凝土护岸[3]、石笼护岸[4]、鱼槽砖护岸[5]和生态袋护岸[6-7]等， 在满足固坡防洪的基础上能够对进入受纳水体的污染物进行截留， 减少受纳水体污染.

金泽水库是上海四大集中式饮用水水源地之一， 位于青浦区金泽镇西部、太浦河北岸， 总占地面积约2.70 km2， 总库容约9.10 × 106 m3； 主要由水库和输水泵站两大部分组成， 通过连通管工程向青浦、松江、闵行、奉贤和金山这西南五区输水. 污染源调查表明， 金泽水源地面源污染负荷占比逐年升高， 在雨季会集中排放、污染强度大. 因此， 亟须针对金泽水源地水环境现状开展调研， 研发适用于湖荡水源地面源污染阻控技术. 本文针对大莲湖示范区的岸带结构进行系统的调查研究， 弄清当地岸带的类型、坡度， 岸带土壤的性质和岸带土著植物的种类等， 为后续“十三五”国家重大水专项金泽水源地河岸带地表径流污染阻控技术研发提供基础数据资料支撑.

1 材料和方法

1.1 研究区域

本文以 “十三五”国家重大水专项上海市青浦区金泽水源地雨水径流污染防控技术示范区—大莲湖（以下简称大莲湖示范区）为研究区域， 大莲湖位于上海市西郊淀山湖东南方位， 距淀山湖边缘仅3.50 km， 属于天然湖泊湿地与鱼塘人工湿地混合的湿地， 东北接拦路港， 西北接北横港[8]. 为了解工程大莲湖示范区的护岸特征， 分别于2018年7月24日和2018年11月10日对青浦金泽镇大莲湖周边水体护岸进行调研， 两次护岸调研位置图如图1所示， 于2018年12月23日对大莲湖地区土壤进行采样分析， 采集点包括： 农家乐附近（1#、3#）、环大莲湖人行步道旁（2#、4#、8#）、居民区旁（5#）、养鱼塘进水渠旁（7#）、养鱼塘出水渠旁（6#、10#）、拦路港旁（9#）、人工湿地旁（11#）和入湖闸门旁（12#）， 点位的选择兼顾了样品的代表性和均匀性.

1.2 分析方法

多点混合采集表层土壤样品， 采样深度为0 ～ 20.00 cm， 去除表面草根等杂质后使用小型铁铲采集样品1.00 kg， 共12个样品， 在聚乙烯塑封袋中保存， 運回实验室于4.00℃冰箱保存， 待后续测定.部分土壤样品通风风干后， 去除残根等杂物， 磨碎， 过80目筛后待测定. 土壤中全氮采用凯式法测定（HJ 717—2014）[9]， 全磷采用碱熔-钼锑抗分光光度法（HJ 632—2011）[10]， 有机质依据《土壤检测第6部分： 土壤有机质的测定》（NY/T 1121.6—2006）[11]测定.

2 结果与讨论

2.1 大莲湖示范区岸带结构特征

大莲湖示范区近自然护岸占背景护岸类型的91.70%， 硬质护岸占58.30%， 二者为当地主要护岸类型. 护岸坡度为30.00% ～ 287.00%， 且大部分坡度小于100.00%， 说明当地护岸以缓坡为主.

鱼塘养殖区附近多为近自然护岸， 土著植物主要是草本植物狗牙根， 也存在近自然护岸与硬质护岸的结合（见图2）； 大莲湖西岸多为近自然护岸与硬质混凝土护岸结合护岸； 居民区多为硬质护岸. 近自然护岸植被能够截留一定污染物， 混凝土硬质护岸能够防止水土流失、稳定岸坡， 但是阻断了水体与土壤生态系统之间的交流（见图3）.

上述类型的护岸中， 同种乔木之间的距离为2.40 ～ 2.60 m， 不同树种之间的距离为3.00 ～ 5.00 m.植物布局多为乔木、灌木及草本植物组合， 能够起到护坡固土、截留污染物的作用； 但当地护岸中仍存在硬质护岸、裸土护岸、单一乔木、灌木或草本植物护岸的情况， 易造成水土流失、雨水径流污染物削减率低等现象.

2.2 大莲湖示范区岸带土著植物状况

夏季和秋季的现场调研结果表明： 水生植物以荷花和芦苇居多； 美人蕉和再力花属于挺水植物，主要分布在大莲湖岸边水域， 对水质净化能力好（见图4）. 陆生植物共35种， 其中草本植物居多， 共15种， 占比42.90%， 以狗牙根为主； 灌木和乔木各10种（均占比28.60%）， 其中灌木优势种为杜鹃和冬青， 乔木优势种为水杉、柳树和樟树（见图5）. 草本植物、灌木和乔木对岸带的功能及效果不同（见表1）.

2.3 大莲湖示范区岸带土壤特征

大莲湖周边稻田密布， 环绕众多人工鱼塘， 对土壤性质产生一定影响， 土壤pH值为6.30 ～ 8.28，呈中性或偏碱性， 土壤类型为潴育性水稻土、潜育性水稻土以及脱潜水稻土等[12]. 土壤母质类型单一，都为湖泊沉积型； 3.50 m以上为青黄泥， 2.00 ～ 3.50 m为青紫泥和黄斑青紫泥， 2.00 m以下为胶粘土， 1.00 m以下还存在泥炭层， 厚度为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]， 研究区不同采样点的土壤全氮含量如图6所示. 土壤全氮含量为0.42 ～ 1.20 g/kg， 均值为0.95 g/kg， 采样点1#—11#全氮含量均在平均值0.95 g/kg上下波动，而采样点12#全氮含量仅有0.42 g/kg， 1#—11#采样点均与农田相近， 而12#采样点位于大莲湖湿地最北部地区， 与进水闸相近. 相关研究表明， 农田耕种及鱼塘养殖均会产生大量氮肥， 随地表径流渗入土壤和水体[14-17]. 当累积量超过环境氮含量阈值时， 就会造成严重的环境危害. 采样点氮素分布表明， 研究区农田施肥造成了一定的氮流失， 影响了周围土壤氮含量分布. 根据全国第二次土壤普查分级标准[15]， 0.95 g/kg的全氮含量仅属于四级标准， 但仍存在潜在的环境危害. 土壤中氮素的转化主要依靠植物和微生物的吸收固定、矿化、硝化-反硝化及腐殖质形成过程[18]， 不同氮转化过程会对水体及大气产生影响， 尤其是对于雨水径流， 冲刷效应携带土壤颗粒形成径流污染.

2.3.2 全磷分布特征

土壤磷主要为溶解态和不溶态的无机磷和有机磷， 自然土壤中的磷主要来自成土母质和动植物残体， 含量主要受到自然气候和土壤类型的影响； 而大莲湖地区的鱼塘养殖业逐渐形成成熟体系， 向当地土壤输入过量磷营养盐， 形成富磷土壤[19]. 环大莲湖不同采样点的全磷含量如图7所示. 具体地， 2#、4#、5#和12#采样点为大莲湖湖岸护坡土壤， 11#为鱼塘进水植草沟， 周围水质均较好， 且植物较多， 不易造成磷流失， 其全磷含量分别为1.01、1.41、1.14、1.34和1.13 g/kg， 根据全国第二次土壤普查分级标准[15]， 属于一级标准； 相对地， 采样点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#采样点靠近居民生活区， 6#、7#、8#和10#位于鱼塘养殖和农田区， 其土壤磷含量比自然土壤磷含量高一半及以上. 综合来看， 大莲湖地区土壤全磷含量均较高. 相关研究表明， 鱼塘养殖和农业种植会向土壤输入过量的磷负荷， 使土壤中磷含量大幅上升， 形成富磷土壤， 造成磷污染[20-21].高植被覆盖率同样可以减少土壤侵蚀和土壤磷流失， 林地较耕地可减少磷年流失负荷84.50% ～ 91.60%[22]，因此对研究区土壤进行生态护岸及湿地等生态化改造有利于减少对受纳水体的污染.

2.3.3 土壤有機质分布特征

土壤是碳素的汇与源， 大气与水体中的碳素经过各种物理化学微生物作用进入土壤， 在土壤中经过转化又进入大气和水体， 与空气质量和饮用水安全密切相关. 此外， 雨水径流等会携带大量有机物进入土壤， 植物凋落物和施肥等对土壤有机质含量贡献也很大[23]， 而土壤有机质与全氮全磷等指标呈现显著相关性， 因此有机质是土壤肥力最重要的表征因素[24]. 环大莲湖不同采样点的有机质含量如图8所示. 土壤有机质含量为9.41 ～ 15.30 g/kg， 均值为11.30 g/kg， 根据全国第二次土壤普查分级标准[15]，属于四级标准， 经雨水径流冲刷易造成污染. 其中， 5#采样点位于大莲湖湖岸护坡， 植物种植较多，有机质含量最高， 为15.30 g/kg（土壤养分分级四级标准）； 4#采样点位于草地， 周围凋落物较少， 有机质含量较低， 为9.41 g/kg（土壤养分分级五级标准）； 其余采样点有机质含量均属于土壤养分分级四级标准.

3 结 论

（1）大莲湖示范区周边近自然和硬质护岸为当地主要护岸类型， 分别占背景护岸类型的91.70%和58.30%. 护岸以缓坡为主， 坡度为30.00% ～ 287.00%， 且大部分坡度小于100%.

（2）大莲湖示范区周边水生植物以荷花和芦苇居多， 美人蕉、荷花和芦苇均为优势种； 陆生植物共35种， 其中草本植物居多， 共15种， 占比42.90%， 狗牙根和灯芯草为优势种； 灌木和乔木各10种， 均占比28.60%， 杜鹃和山茶、水杉和柳树分别为灌木和乔木优势种.

（3）研究区中， 临近农田采样点的土壤全氮含量在平均值0.95 g/kg上下波动， 而与进水闸相近的采样点仅有0.42 g/kg； 临近居民生活区、鱼塘养殖和农田区的采样点土壤全磷含量多在1.58 g/kg以上， 而湖岸护坡土壤仅在1.10 g/kg左右； 有机质平均含量为11.30 g/kg， 其中植物密布区有机质含量较高. 结果证实， 当地的鱼塘养殖业以及农业对土壤环境造成了一定污染.

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（责任编辑： 张 晶）