趙廣琦,崔心紅,張群,朱 義

(上海市園林科學(xué)研究所,上海200232)

河岸是河道生態(tài)系統(tǒng)的水陸交錯地帶,是養(yǎng)分管理、沉積物和水土流失控制及保護淡水資源環(huán)境系統(tǒng)的重要組成部分,河岸植被緩沖帶作為河岸帶的重要組成部分以及水陸間重要的生態(tài)交錯帶,在控制河岸侵蝕、截留地表徑流泥沙和養(yǎng)分、保護河溪水質(zhì)、調(diào)節(jié)水溫、為水陸動植物提供生境、維護河溪生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)完整性以及提高河岸景觀質(zhì)量等方面具有重要的功能[1]。近年來人工建設(shè)或修復(fù)的生態(tài)型河道正在受到推崇,所采用的河岸帶植被重建,就是采用有生命力植物的根、莖(枝)或整體作為結(jié)構(gòu)的主體元素,按一定方式和方向排列扦插、種植或掩埋在邊坡的不同位置,在植物群落生長和建群過程中加固和穩(wěn)定邊坡,控制水土流失和實現(xiàn)生態(tài)修復(fù)。

從國外城市河道整治的發(fā)展趨勢來看,盡可能保持河道的自然風(fēng)貌已成為當今國際上先進城市的治理準則,美國、法國、瑞士、奧地利等國都在積極修建生態(tài)河堤,恢復(fù)河岸水邊植物群落與河畔林[2]。日本在20世紀30年代初就開展了“創(chuàng)造多自然型河川計劃”,提倡既有條件的河段應(yīng)盡可能利用木樁、竹籠、卵石等天然材料來修建河堤,并將其命名為“生態(tài)河堤”[3]。而國內(nèi)近年來也相繼開展了生態(tài)型河道建設(shè)方面的探索[2,4],河道整治中的河道護岸技術(shù)也由原來的純工程性措施向生態(tài)型河道護岸技術(shù)發(fā)展。但大多集中在對生態(tài)護岸的定義、功能的定性描述,或是只關(guān)注護岸技術(shù)本身,而往往忽視了對已完成的生態(tài)護岸工程進行跟蹤監(jiān)測或工程后評估,對其演變過程和應(yīng)用類型認識不足[3]。特別是對植物護岸技術(shù)在生態(tài)護岸中的作用缺乏深入研究或系統(tǒng)開發(fā)。以活的植物為主要結(jié)構(gòu)的生態(tài)護岸技術(shù),不是簡單的綠化工程,而是充分考慮河流生態(tài)系統(tǒng)的自我修復(fù)能力[5]。目前,我國在河岸植被緩沖帶生態(tài)水文功能、結(jié)構(gòu)設(shè)計、規(guī)劃管理方面的研究工作剛剛起步,本研究結(jié)合上海崇明生態(tài)島的杜鵑河生態(tài)型河道示范工程,探討以植物為主要結(jié)構(gòu)體的生態(tài)型護岸技術(shù),以期為我國河岸帶植被重建的生態(tài)修復(fù)技術(shù)的研究提供參考。

1 材料與方法

實驗河道位于崇明生態(tài)島東端的杜鵑河。崇明生態(tài)島是長江口大型沖積海島,密集的河網(wǎng)水系是崇明島五大特色景觀之一。杜鵑河在崇明島東部陳家鎮(zhèn),是崇明生態(tài)島的一條重要鎮(zhèn)級河道,總長約500 m,平均河寬約8 m,河道坡岸裸露陡直,植被覆蓋率很低。河道兩岸為農(nóng)田和一小段民居,降雨所形成的地表徑流未經(jīng)任何緩沖直接排入河道,水土流失較嚴重,坡岸和水面景觀較差。選取了300 m長的河段作為植物生態(tài)護岸工程示范,種植植物包括:杞柳(Salix suchowensis)(柴籠 14 m,石籠 20 m,土工布20 m;灌叢墊105 m2);垂柳(Salix babylonica)(扦頭140 m2);挺水植物(野茭白,Zizania caduucif lora)549 m2,菖蒲(Acorus calamus)602 m2);沉水植物(菹草,Potamogeton crisp us),未統(tǒng)計);結(jié)縷草(Zoysia Sinica)983 m2及其他灌木和喬木。示范工程建設(shè)自2006年2月起,至2007年3月基本完成了建設(shè)和種植工程。

根據(jù)研究區(qū)域不同河段的生態(tài)特征,包括河岸坡度、水文條件、土壤特性以及河段周圍環(huán)境特征,主要采用了3種植物護岸技術(shù):全系列生態(tài)護岸、土壤生物工程以及復(fù)合式生物穩(wěn)定技術(shù),并將這3種技術(shù)有機組合,形成多種植物生態(tài)護岸方案。

1.1 全系列生態(tài)護岸

全系列生態(tài)護岸技術(shù)是從坡腳至坡頂依次種植沉水植物、浮葉植物、挺水植物、濕生植物(喬、灌、草)等一系列護岸植物,形成多層次生態(tài)防護,兼顧生態(tài)功能和景觀功能。挺水、浮葉以及沉水植物,能有效減緩波浪對坡岸水位變動區(qū)的侵蝕。坡面常水位以上種植耐濕性強、固土能力強的草本、灌木及喬木,共同構(gòu)成完善的生態(tài)護岸系統(tǒng),既能有效地控制土壤侵蝕,又能美化河岸景觀。杜鵑河的全系列生態(tài)護岸在坡頂種植垂柳、水杉(Metasequoia glyptostoboides)等本地的濕生喬木,株距為5 m;常水位(2.6 m標高)以上岸坡種植火棘(Pyracantha fortuneana)、黃馨(Jasminummesnyi)等耐濕性強的觀賞灌木,地被鋪設(shè)固坡效果好的結(jié)縷草;常水位附近種植根系較發(fā)達的野茭白、菖蒲、蘆葦(Phragmites communis)等本地挺水植物;向下種植芡實(Euryale ferox)等浮葉植物和菹草等沉水植物。全系列生態(tài)護岸技術(shù)主要應(yīng)用在那些出現(xiàn)表層土壤侵蝕、植被稀少、景觀要求較高的河段。

1.2 土壤生物工程護岸

土壤生物工程是一種邊坡生物防護工程技術(shù)。這種技術(shù)在國外已經(jīng)發(fā)展了幾十年,用于公路邊坡、河道坡岸、海岸邊坡等各類邊坡的生態(tài)治理[6-9]。這類護岸技術(shù)使用大量的可以迅速生長新根的本地木本植物,最常用的木本灌木和喬木如柳(Salix spp.)、楊(Populus spp.)、山茱萸(Cornus spp.)等。利用這些存活的植物體(主要是枝條),主要有活枝扦插、柴籠以及灌叢墊等3種工程類型,以“點、線、面”的種植方式對整個邊坡進行生態(tài)修復(fù)。對于使用植物體的土壤生物工程技術(shù)來說,在工程初期可能比較脆弱,但隨著植物快速生長,整個土壤生物工程護岸系統(tǒng)將越來越牢固,其護岸功能逐漸從“覆蓋坡面”的單一功能向“保護岸面”、“穩(wěn)固坡體”、“改善生境”等多功能轉(zhuǎn)變[8-9]。

土壤生物工程不同于普通的植草種樹之類的邊坡生物防護工程技術(shù),它具有生物量大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、養(yǎng)護要求低、生境恢復(fù)快、施工簡單、費用低廉、近自然等特征。該類技術(shù)一般運用在土壤侵蝕較嚴重、土質(zhì)松散、景觀要求較低的郊區(qū)河段。

1.2.1 活枝扦插 該技術(shù)運用在河岸侵蝕比較嚴重的坡岸。這類坡岸一般植被稀少,坡面存在一定程度的土壤侵蝕,水力學(xué)相對較小,沒有高強度的沖刷作用。在杜鵑河的具體方案為,常水位以上的坡岸扦插4～5排長度0.5 m、直徑2～4 cm的活性垂柳枝,株距約0.5 m;坡頂種植柳樹(Salix babylonica),株距5 m;坡面地被鋪設(shè)結(jié)縷草。常水位上方10 cm處種植一排柴籠,其下方種植野茭白、菖蒲等挺水植物,有效控制淘蝕作用。

活枝扦插長出的根系和枝葉,可以改善土壤結(jié)構(gòu),有效控制坡岸水土流失。利用活枝扦插作為建群種,可以快速恢復(fù)河道坡岸的植被,改善坡岸生境,為其它本地植物的恢復(fù)提供良好條件;與全系列生態(tài)護岸相結(jié)合,構(gòu)成完整的近自然的坡岸植被緩沖帶。

1.2.2 柴籠 柴籠護岸技術(shù)主要應(yīng)用在坡度較大、河水流速大、坡面侵蝕較嚴重、植被稀少的坡岸。杜鵑河常水位以上的坡岸種植3排杞柳(Salix suchowensis)枝柴籠,排距0.8～1.0 m。坡頂種植柳樹,地被鋪設(shè)結(jié)縷草;常水位以下依次種植菖蒲、野茭白等根系發(fā)達的挺水植物,以及苦草(Vallisneria natans)、菹草等沉水植物。

通過整坡工程減緩坡度以增加坡岸穩(wěn)定性,利用柴籠控制坡面土壤侵蝕的優(yōu)勢,減少常水位以上坡岸的水土流失。柴籠結(jié)合全系列生態(tài)護岸,共同構(gòu)建良好的植被緩沖帶,為其它本底植物生長創(chuàng)造良好生境,同時利用挺水植物控制常水位附近的坡岸侵蝕。

1.2.3 灌叢墊 灌叢墊技術(shù)屬于高密度、高強度的植物防護體系,主要用來保護那些土壤團粒結(jié)構(gòu)差、抗侵蝕能力低、植被比較稀少、受坡面徑流影響較大的坡岸。在杜鵑河,從常水位至坡頂?shù)钠旅嫔暇鶆蜾佒茶搅Σ窕\,單株枝條長1～2 m,枝條鋪植厚度控制在10～15 cm,每隔1 m壓入較粗的枝條或木稧;坡頂種植夾竹桃(Nerium ind icum)、柳樹等濕生喬木。常水位附近安置一些拋石,并種植菖蒲、野茭白等根系發(fā)達的挺水植物,株距30～50 cm,向下種植苦草、菹草等沉水植物。灌叢墊新長出的密集枝條大大減少了雨水和地表徑流的沖刷作用,而新長出的根形成龐大的地下根系網(wǎng)絡(luò),除改善土壤的團粒結(jié)構(gòu)外,也加強了土壤剪切力和緊實度。結(jié)合全系列生態(tài)護岸方式,根系發(fā)達的挺水植物可有效控制常水位附近的淘蝕作用。

1.3 復(fù)合式生物穩(wěn)定技術(shù)

復(fù)合式生物穩(wěn)定技術(shù)是生物工程護岸技術(shù)與傳統(tǒng)工程技術(shù)相結(jié)合的復(fù)合式生態(tài)護岸技術(shù)。這種生態(tài)護岸技術(shù)強調(diào)活性植物與工程措施相結(jié)合,采用水泥樁漿砌石塊的傳統(tǒng)護岸技術(shù),以達到在復(fù)雜地址條件下的固坡作用,附以活枝柴籠捆插和活枝扦插土壤生物工程技術(shù)。其技術(shù)核心是植生基質(zhì)材料,依靠錨桿、植生基質(zhì)、復(fù)合材料網(wǎng)和植被的共同作用,達到對坡面進行修復(fù)和防護的目的。該技術(shù)適用于水力學(xué)或河岸侵蝕比較突出的坡岸,比如易坍塌的陡坡或侵蝕嚴重的坡岸。杜鵑河主要采用了杞柳層插與土工布、石籠等傳統(tǒng)工程結(jié)構(gòu)相結(jié)合的復(fù)式生物穩(wěn)定技術(shù)。

2 植物護岸的生態(tài)修復(fù)效果

植物生態(tài)護岸工程在自我修復(fù)的過程中,不斷強化兩方面的生態(tài)功能:一是維持河岸的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,穩(wěn)固河岸以確保河岸物理生境的完整性;二是提高河岸的生態(tài)穩(wěn)定性,使整個河流生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展。2007年3月杜鵑河生態(tài)型河道建設(shè)工程完成后,為了評估植物護岸技術(shù)的發(fā)展動態(tài)和生態(tài)效果,在工程竣工后的10個月內(nèi)(坡岸植物的第1個生長季節(jié)),對所運用的植物護岸技術(shù)進行了持續(xù)的生態(tài)監(jiān)測。

2.1 測定指標與方法

2.1.1 樣地設(shè)置 采用固定樣帶法,即每種類型的植物護岸選取2～3個固定樣帶(從坡頂向常水位延伸,寬度為1 m),分別在每個樣帶的坡頂、坡腰及常水位附近進行監(jiān)測。

2.1.2 調(diào)查時間 在2007年坡岸植物的第一個生長季節(jié)內(nèi),調(diào)查頻率為每月1次。為便于縱向比較,每次采樣均安排在連續(xù)出現(xiàn)晴天之后。

2.1.3 護岸植物的生長特性和生物量測定 現(xiàn)場隨機測定新生枝條的密度、高度,并隨機挖掘若干整株的護岸植物,測定新生根系的長度。將植物樣品帶回實驗室,測定新生枝葉和根系的生物量(干重)。

2.1.4 土壤剪切力、緊實度及濕度的測定 在每個固定樣帶內(nèi),從坡頂至常水位,隨機選取15個點(其中坡頂、坡腰、常水位附近各5個),先采用英國Delta-T公司的W.E.T土壤3參數(shù)速測儀測定土壤濕度,再運用荷蘭Eijkelkamp公司的現(xiàn)場剪力測定儀(Field inspection vane borer)測定土壤抗剪強度,并用以色列Spectrum Technologies公司的簡易土壤緊實度儀測定土壤緊實度[7,10-11]。每個點的測定位置均為地表以下約15 cm的土層。

2.1.5 河岸生物群落調(diào)查 采用固定樣帶和樣方法調(diào)查河岸植物群落結(jié)構(gòu)、物種多樣性(包括動物)、河岸生境等生態(tài)穩(wěn)定性指標,選取的樣帶與測定土壤抗剪強度的樣地相同。在每個固定樣地內(nèi),從常水位向坡頂移動,記錄植物種類、生活型、多度、覆蓋度、高度、物候等,同時記錄動物種類、數(shù)目。

2.2 監(jiān)測結(jié)果與分析

2.2.1 護岸植物的生長特性和生物量變化 植物始終是穩(wěn)固坡岸的積極因素,具有良好的護岸工程性狀。枝葉具有降雨截留作用、徑流延滯作用、土壤增滲作用、蒸騰作用等水文效應(yīng),根系具有固結(jié)土壤和支撐坡體的機械效應(yīng)[12-14]。對研究區(qū)域的土壤生物工程和全系列生態(tài)護岸的護岸植物生長特性及生物量進行了測定(表1)。

表1 土壤生物工程護岸植物生長10個月后的生長量和生物量

土壤生物工程的植物種植方式不同于其它固坡植物,一般選擇在植物休眠期(冬末春初)內(nèi)進行種植。杜鵑河實驗區(qū)內(nèi)的土壤生物工程包括柴籠、灌叢墊以及活枝扦插3種工程類型,前兩種工程使用的植物材料是杞柳枝,活枝扦插使用的是垂柳枝。工程剛完成時(2007年3月),植物材料均為沒有根系和葉片的新鮮枝條,安置在淺表層土壤中。施工完成兩周后,露出坡面的柳枝首先萌芽,隨后2個月(3-5月)內(nèi)坡面的新枝每月增長5～10 cm;5-10月份新枝的生長速率最快,新枝高度平均每月增長30～40 cm;10-12月份生長速率趨緩,平均每月增長5 cm左右。由于種植方式和植物材料本身的原因,杞柳枝和垂柳枝的生長狀況和生長量有所不同,2007年12月14日(工程完成近10個月)采用現(xiàn)場挖掘的方法,對種植在土壤中的柳枝生長狀況進行詳細測定,結(jié)果為單株杞柳枝和垂柳枝的新生根系平均生長深度超過1 m;新枝條的平均高度達到1.5 m以上,最高接近3 m,蓋度超過90%,對坡岸形成良好的防護。在坡面生物量的增長方面,灌叢墊的優(yōu)勢最明顯,10個月后新增生物量(干重)達到2.18 kg/m2(表1)。植物體與土壤已逐漸形成一個整體,植物的護岸效應(yīng)逐漸得到增強。

全系列生態(tài)護岸工程的主要護岸植物是結(jié)縷草、火棘等,2007年3月工程結(jié)束后結(jié)縷草生長良好,地上部分的生長速率為每月2～3 cm,當年10月地上部分平均高度達到18 cm。當年12月14日隨機選取兩塊大小為0.5 m×0.5 m的結(jié)縷草樣方,進行挖掘取得完整的植物樣品,在實驗室內(nèi)測定結(jié)縷草地下部分和地上部分的干重平均值均為0.8 kg/m2,根系平均長度為13 cm,起著良好的固土作用,有效控制土壤侵蝕?，F(xiàn)場調(diào)查結(jié)果還顯示,挺水植物種植區(qū)內(nèi)出現(xiàn)泥沙淤積,植物消浪和促淤作用很明顯,對常水位的坡岸起到很好的保護作用,解決了以往常水位線附近土壤嚴重侵蝕的問題。

2.2.2 土壤剪切力、緊實度及濕度變化 土壤剪切力和緊實度是坡岸抗侵蝕和穩(wěn)定性的重要指標。一般認為,表層和淺層的土壤剪切力越高,坡岸表面滑坡的可能性越小;表面的緊實度越高,坡岸耐風(fēng)蝕和雨蝕的能力越強[15]。淺層土壤內(nèi)分布有密集的植物根系,土壤和根系的共同作用增強了坡岸穩(wěn)定性。淺層土壤抗剪強度實際上是土壤與植物根系復(fù)合體的抗剪強度,更能反映植物根系的固土作用。針對不同類型的岸坡,測定深15 cm處的土壤抗剪強度、緊實度以及濕度,表2為2007年秋季不同類型河道的測定結(jié)果。

表2 不同護岸類型的河道坡岸的土壤剪切力、土壤濕度和緊實度比較

單向方差分析結(jié)果顯示,植物護岸與裸露對照岸坡之間的淺層土壤抗剪強度變化具有顯著性差異(P=0.0004＜0.01)。工程完成后的初期(2007年3月),植物護岸的淺層土壤抗剪強度均比較小,灌叢墊的坡頂、坡腰的抗剪強度均小于裸露對照岸坡,但常水位處的抗剪強度明顯高于裸露土坡。至2007年秋季,隨著生態(tài)護岸植物生長和系統(tǒng)自我完善,各類生態(tài)護岸的土壤抗剪強度不斷增大,尤其是坡腰和常水位處的抗剪強度明顯高于未施工的對照岸坡,灌叢墊的坡腰和常水位處土壤抗剪強度達到對照坡岸的3～8倍(表2)。不同類型植物護岸之間的淺層土壤抗剪強度變化也有顯著性差異(P=0.015＜0.05),灌叢墊的淺層土壤抗剪強度隨著時間增長最快,明顯大于其他土壤生物工程(活枝扦插與柴籠)和全系列生態(tài)護岸。

各類坡岸的淺層土壤濕度變化范圍為11%～39%,緊實度變化范圍為30～600 psi。淺層土壤含水率和緊實度是影響土壤抗剪強度的主要因素之一。將2004年10月測定的完整數(shù)據(jù)作相關(guān)分析,結(jié)果表明淺層土壤抗剪強度與含水率呈顯著的負相關(guān)(R2=0.623,P=0.001＜0.01),而抗剪力與緊實度呈顯著的正相關(guān)(R2=0.805,P=0.001＜0.01)。土壤含水率超過某一特定值時,土壤中的過多水分反而減少土壤顆粒間的吸力,土壤緊實度減小,抗剪強度也相應(yīng)減小;灌叢墊的新生密集植物具有很強蒸騰作用,能有效排出淺層土壤中的過多水分,提高淺層土壤的緊實度和抗剪強度。

2.2.3 生物多樣性變化 植物多樣性和優(yōu)化組合是退化河岸生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和重建的關(guān)鍵[16]。一個生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性通常與系統(tǒng)穩(wěn)定程度的增加相一致,在群落形成期這一性狀尤為明顯。護岸工程實施前,對杜鵑河示范區(qū)內(nèi)的岸坡植被進行了調(diào)查。由于河岸侵蝕嚴重,大部分河段的岸坡植被覆蓋率低,只有少量的野生草本,植物難以生長在高度活動的斜坡上,生物多樣性很低。尤其是靠近居民區(qū)的河段受到人類活動干擾更大,本地植被受到嚴重破壞。一些河段的岸坡分布著加拿大一枝黃花(Solidago canadensis)群落,該植物為繁殖能力很強的外來入侵物種,極易形成郁閉環(huán)境而使其它本地植物受到強烈抑制,對本地生態(tài)系統(tǒng)健康和生物多樣性具有很大威脅。

植物生態(tài)護岸工程完成后,在第一個生長季節(jié)(2007年4-10月)內(nèi),坡岸植被恢復(fù)很快,物種數(shù)量也逐漸增加,由施工后第一個月的2～3種增加到秋季的14～18種。從整個生長季節(jié)來看,各類植物護岸上出現(xiàn)的總物種數(shù)均要大于未采取植物護岸的坡岸,其中活枝扦插與全系列組合護岸最為明顯,整個季節(jié)內(nèi)出現(xiàn)的植物種數(shù)為30種(表3)。由表3可以看出,坡岸上原有的外來物種加拿大一枝黃花得到有效抑制。

表3 植物護岸實施后杜鵑河坡岸植被調(diào)查

復(fù)合式生物穩(wěn)定技術(shù)護岸相對于全系列生態(tài)護岸等其他護岸類型,植物群落結(jié)構(gòu)較為單一,杞柳為絕對優(yōu)勢種。該類生態(tài)護岸以固坡為主要目標,其石籠、土工布等人工基質(zhì)不適合其它植物的生長,坡岸只分布少量生命力較強的本地草本植物,物種數(shù)仍多于未施工坡岸。

坡岸植被逐漸恢復(fù)的過程中,河岸生境也逐步得到改善,為當?shù)匾吧鷦游锾峁┝肆己玫臈⒌?生物多樣性明顯好轉(zhuǎn)。護岸工程完成的當年,現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)新生的灌木叢中棲息著雙叉犀金龜(Allomyrina d ichotoma Linnaeus)等昆蟲和澤蛙(Rana limnocharis)、中華蟾蜍(Bufo gargarizans)等兩棲類動物。護岸植物的根際周圍分布有大量土壤動物。坡岸的植被恢復(fù)之后,本地優(yōu)勢動物種中華絨螯蟹(Eriocheir sinensis)也更多地選擇在植物生長良好的生態(tài)坡岸上棲息。

2.2.4 底棲動物棲息地的改變 崇明島杜鵑河瀕臨長江河口地區(qū),地勢平坦,屬于典型的潮汛河網(wǎng)。生物物種具典型河口特征。底棲動物如無齒相手蟹(Sesarma denaanni)等喜好在坡岸潮間帶打洞筑巢,使坡岸在潮汐的影響下很容易侵蝕剝落。石砌駁岸隨可防止對坡岸的侵蝕,但也徹底破壞了底棲動物的棲息地,從而使底棲動物數(shù)量減少。采用柴籠技術(shù)的植物生態(tài)坡岸既保留了底棲動物的棲息地,同時也顯著減少了它們對坡岸的破壞作用。統(tǒng)計表明,在沒有柴籠保護的坡岸,坡岸潮間帶的無齒相手蟹洞穴高達20個/m2左右;而在種植柴籠的坡岸,坡岸潮間帶的洞穴僅為2～3個/m2,有效地保護了潮間帶坡岸。

2.2.5 岸線景觀的變化 植物生態(tài)護岸工程對城鎮(zhèn)人居的生活環(huán)境和景觀質(zhì)量有明顯的改善作用。經(jīng)過植物護岸工程和其他生物技術(shù)(例如水生植物全/半系列技術(shù))改造過的坡岸,僅幾個月的時間,先鋒物種杞柳和垂柳群落、結(jié)縷草群落、挺水植物茭草和菖蒲群落等都已在坡岸長成,為其他物種(包括動物和植物)的生長創(chuàng)造了良好生境,而且美學(xué)效果極佳。更重要的是,用生態(tài)護岸工程建設(shè)的各類邊坡,將隨著植物群落的長成和成熟,植物根系網(wǎng)絡(luò)的生長和擴張,邊坡生態(tài)系統(tǒng)的完善和有序,越來越堅固和穩(wěn)定;它對水土流失和土壤侵蝕的控制,對整個河道生態(tài)系統(tǒng)(包括陸生和水生生態(tài)系統(tǒng))的影響,乃至對河流水質(zhì)的改善,越來越明顯和突出。

3 結(jié)論與討論

(1)植物護岸技術(shù)是利用速生植物枝條作為主要護岸結(jié)構(gòu)的一種護岸技術(shù),固坡作用突出,具有近自然型、成本低、養(yǎng)護要求低、施工簡單等優(yōu)勢,是融現(xiàn)代工程學(xué)、生態(tài)學(xué)、生物學(xué)、地學(xué)、環(huán)境科學(xué)、美學(xué)等學(xué)科為一體的工程技術(shù)[14],為我國各類邊坡(山地斜坡、江河湖庫堤岸、海岸坡岸、城市河網(wǎng)等)的侵蝕控制和生態(tài)修復(fù)提供了新的工程技術(shù)和方法。其中,土壤生物工程的護岸植物形成的河岸景觀比較單一,有時密集生長的護岸植物導(dǎo)致生物多樣性可能降低;復(fù)合式生物穩(wěn)定技術(shù)對河岸的穩(wěn)固作用最有效,護岸植物杞柳生長良好,但成本和施工難度較高,且石籠、土工布等人工基質(zhì)不適合其他本地植物的生長,導(dǎo)致植物群落結(jié)構(gòu)單一,多樣性較低。在實際工程設(shè)計中,三類生態(tài)護岸技術(shù)可以整合運用,發(fā)揮各自優(yōu)勢,以獲得坡岸生態(tài)修復(fù)的最佳效果。

(2)植物護岸的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在護岸植物的固坡作用和土壤的抗侵蝕性。監(jiān)測結(jié)果表明,植物護岸的護岸植物生長良好,新生的枝葉和根系具有良好的護岸特性。尤其是土壤生物工程的杞柳枝和垂柳枝形成先鋒群落,對河岸形成良好防護。在第1個生長季節(jié)內(nèi),新生枝條的高度、蓋度、生長密度都達到較高水平,發(fā)揮著降雨截留、徑流延滯等水文效應(yīng);新生根系形成龐大的地下根系網(wǎng)絡(luò),具有固結(jié)土壤和支撐坡體的機械效應(yīng)。

植物根系能明顯改善土壤的物理性質(zhì),提高土壤抗剪強度。在一定條件下,可以把土壤抗剪強度的增加歸結(jié)為植物根系存在的結(jié)果[17]。隨著植物護岸的植物生長和系統(tǒng)自我完善,各類植物護岸的土壤抗剪強度不斷增大,尤其是坡腰和常水位處的抗剪強度明顯高于裸露的對照坡岸。灌叢墊的淺層土壤抗剪強度隨著時間增長最快,明顯好于活枝扦插、柴籠和全系列生態(tài)護岸。

由于植物護岸技術(shù)方法簡單,造價便宜,效果明顯,可以大規(guī)模在我國土壤侵蝕嚴重地區(qū)的水資源管理和水土保持上廣泛應(yīng)用。應(yīng)用植物護岸技術(shù)的方法和當?shù)氐闹参镔Y源對這些地區(qū)的各類邊坡(山地斜坡、江河湖庫堤岸等)實現(xiàn)穩(wěn)定加固、水土流失控制和生態(tài)修復(fù),可在很大程度上改善這些地區(qū)的生態(tài)環(huán)境。例如沙柳、檸條、沙棘等灌木,其根深枝繁葉茂,較耐干旱,且抗風(fēng)護沙能力最強,在其叢下構(gòu)成優(yōu)良的小生態(tài)環(huán)境與土壤條件,從而形成荒漠與草原中獨特的灌叢“小生境”,具有很強的復(fù)壯更新能力。我國不少湖泊水庫匯水流域水土流失嚴重,采樣土壤生物工程方法在水土流失嚴重的沖刷水溝、塌陷和侵蝕坡面構(gòu)筑以活體植物為主體的邊坡,可以有地控制水土流失,恢復(fù)邊坡的生態(tài)環(huán)境。

(3)河岸生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性直接依賴于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度以及系統(tǒng)內(nèi)物種的多樣性[7]。杜鵑河生態(tài)型河道實驗區(qū)的植物護岸工程完成后的10個月,護岸植物生長良好,植被恢復(fù)快,為其他物種營造了適宜的生境,生物多樣性增加。工程完成后的第1個生長季節(jié)內(nèi),植物護岸上出現(xiàn)的植物物種數(shù)明顯要大于未采取護岸工程的對照坡岸,以土壤生物工程的活枝扦插與柴籠護岸最為明顯,坡岸上原有的外來物種加拿大一枝黃花得到有效抑制。坡岸植被的恢復(fù)使坡岸生境得到明顯改善,河岸野生動物明顯增多,尤其是兩棲類動物。

植物護岸作為新生的生態(tài)系統(tǒng),處于不斷自我修復(fù)、自我完善的過程中。護岸工程完成后的3年中,植物護岸的植物群落的結(jié)構(gòu)在不斷變化,本地草本植物的覆蓋度在不斷增加,草本群落由一年生草本占優(yōu)勢向多年生草本占絕對優(yōu)勢轉(zhuǎn)變。各類植物護岸的演替特征有所不同,活枝扦插與柴籠組合護岸、全系列護岸的本地草本植物種數(shù)趨于穩(wěn)定,覆蓋度增加,而灌叢墊和復(fù)合式生物穩(wěn)定技術(shù)護岸的新生枝條易形成郁閉環(huán)境,導(dǎo)致恢復(fù)后草本植物群落的種類數(shù)和總蓋度出現(xiàn)減小趨勢。隨著河岸植被系統(tǒng)與環(huán)境的相互作用,群落結(jié)構(gòu)將逐漸趨于穩(wěn)定,生態(tài)穩(wěn)定性提高。

(4)植物護岸技術(shù)在生態(tài)型河道的應(yīng)用中還應(yīng)注意以下問題:(1)影響邊坡穩(wěn)定性的地質(zhì)、地形、氣候和水文條件等自然因素,以及合適的坡面加固技術(shù);(2)不同地區(qū)和地點邊坡喬灌草種的最佳組合,可能限制或促進植物工程物種存活的生物和物理因素,以建立穩(wěn)定的坡面植物群落。

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