王 兵 高甲榮 陳 瓊 王 舒 張 棟 郭凱力

(北京林業(yè)大學，北京，100083)

河岸帶是河流與陸地進行物質、能量、信息交換的一個重要的過渡帶，對河流和陸地生態(tài)系統(tǒng)的健康都起著重要的作用［1］。人類在社會發(fā)展的過程中，采用了較多水利工程方法對河流兩岸進行防護，但大量使用鋼筋混凝土，嚴重破壞了河岸的生態(tài)系統(tǒng)，由此引發(fā)了許多的生態(tài)問題，如河流水質變差和生物多樣性下降等。在這種大的背景下，生態(tài)護岸作為一種新的河岸治理措施已被國內外接受，其中運用柳樹為主要材料的土壤生物工程護岸技術已成為國內外研究的熱點。土壤生物工程護岸技術是采用活體植物及其它輔助材料來構筑各類江河湖庫堤岸和海岸坡岸的結構，在實現(xiàn)穩(wěn)定邊坡、減少水土流失的同時改善河岸的生物棲息環(huán)境的集成生態(tài)工程技術［2－5］。

河岸帶生態(tài)護岸的難點在于水岸接觸區(qū)，一方面水岸接觸區(qū)的土壤含水量較高，而含水量的增加使土的強度降低［6］，另一方面接觸區(qū)也容易受到流水和波浪的沖刷侵蝕，所以該區(qū)域河岸防護壓力最大。目前解決這個問題的方式主要是采用復合工程的辦法，即在接觸區(qū)采用工程技術如石籠護岸［7］，接觸區(qū)以外采用生物護岸材料如柳樹等，這種復合方式雖然在一定程度上滿足了護岸的生態(tài)要求，但工程護岸的缺點也無法消除。因此，如何既能解決河岸接觸區(qū)的護岸壓力，又能最大限度地較少工程措施的使用是目前亟待解決的問題。

為了尋找一種可以替代水岸接觸區(qū)工程護岸的生物材料或方法，筆者對北京市懷柔區(qū)琉璃河土壤生物工程護岸試驗區(qū)進行了連續(xù)5 a 的跟蹤調查研究。在調查的過程中發(fā)現(xiàn)，柳樹在靠近水面的地方會生發(fā)大量濃密的細根，相互纏繞固結在土壤表層(見圖1)，能夠很好地保護河岸來抵抗流水和降雨侵蝕。結合柳樹這種生根特點和護岸作用，可以利用柳樹的這種特性替代河岸接觸區(qū)的工程護岸措施，但目前對柳樹的這種特性缺乏足夠的認識。為此，筆者調查了試驗區(qū)柳樹的表層根系生長特性及其影響因素，并根據(jù)研究結果提出了柳樹生態(tài)護岸的新模式，對今后國內外開展土壤生物工程護岸技術具有重大意義，并為今后土壤生物工程護岸技術的進一步發(fā)展提供重要的參考和借鑒。

圖1 灌叢墊區(qū)表層根系生發(fā)現(xiàn)狀圖

1 試驗區(qū)概況

調查區(qū)位于北京市懷柔區(qū)白河支流琉璃河段，屬于山區(qū)河流，內有常流水，示范區(qū)長100 m、寬4 m。沿岸采用了活體的柳樹莖干，按照扦插(圖2a)、灌叢墊(圖2b)和籬墻(圖2c)3 種護岸措施進行了河岸帶近自然治理，長度分別為灌叢墊30 m、扦插40 m、籬墻30 m。該試驗區(qū)竣工于2009年，至今已有近5 a 的時間，試驗區(qū)內柳樹長勢較好，能夠為本次試驗提供豐富的材料和條件。

圖2 3 種形式柳樹護岸的施工圖

2 研究方法

2.1 調查時間與方法

本調查試驗于2013年9月在北京市懷柔區(qū)白河灣琉璃河段生態(tài)護岸示范基地進行，主要是對示范區(qū)內3 種不同護岸方式下柳樹表層根系的調查研究。具體方法為:分別在每一種護岸形式內部垂直于河流的方向從近水處向遠水處一端隨機選取5 條150 cm×20 cm 的樣方帶，樣方帶內劃定10 cm ×20 cm 的調查樣方。在樣地內部劃定的調查樣方，分為a區(qū)(扦插)、b 區(qū)(灌叢墊)和c 區(qū)(籬墻)，從近水端一側往遠水端一側分別編號1—16，調查樣方內部表層根系生物量、土壤有機質質量分數(shù)和土壤含水量。

2.2 測定方法

表層根系生物量的測定方法為，將樣方內的土壤表層深度在2 cm 范圍內的活體柳樹根系收集到收集袋中帶回室內烘干稱其干質量。土壤有機質質量分數(shù)的測定方法為，用環(huán)刀取小樣方內的土壤帶回實驗室內采用灼燒法［8］測定其土壤有機質質量分數(shù)，即在105 ℃下除去吸濕水的土樣稱質量后置于350 ～1 000 ℃灼燒一段時間，再稱質量，兩次稱質量之差即是土樣中有機碳的質量。土壤含水量的測定方法為，用環(huán)刀取小樣方內的土壤帶回實驗室內采用烘干法［9］測定其土壤含水量，即取土樣放入烘箱，在105 ～110 ℃條件下，烘至恒質量，為烘干土質量，以此為基礎計算水分質量(蒸發(fā)損失量)的百分比(%)，從而獲得土壤水分含量。

2.3 數(shù)據(jù)分析

用Excel 分別計算每種護岸形式下5 個樣帶相同樣方土壤含水量、土壤有機質和表層根系生物量數(shù)據(jù)的平均值和標準誤差，然后運用Spss 軟件對數(shù)據(jù)進行組內和組間方差分析(ANOVA)，同時采用Pearson 分布對土壤含水量和表層根系生物量、土壤有機質質量分數(shù)和表層根系生物量之間的相關性進行分析。

3 結果與分析

3.1 土壤含水量

表1中3 個區(qū)域的土壤含水量在組內都存在著顯著的差異性，總體上有隨著離岸距離的增加而降低的趨勢，分析原因是靠近水面的土壤在毛管力［10］的作用下，將河流的水分吸收到土壤中，從而增加了靠近水面土壤的含水量。另外根據(jù)表1可知a、b、c3 區(qū)的含水量數(shù)據(jù)在編號1、2 近水端和編號15、16遠水端差異性并不明顯，是因為在近水端由于太靠近水面，此時土壤含水量的提高主要是受土壤空隙毛管力的影響，所以相差不大;而在遠水端枝干的導管又無法將水分運送到，含水量是土壤自然含水量，所以相差也不大;而3 個區(qū)在編號3—14 間的數(shù)據(jù)差異性較為顯著，其中b 區(qū)最為突出。這是因為灌叢墊區(qū)和籬墻區(qū)存在大量的腐爛柳樹枝干，枝干本身起到類似導水管的作用，將靠近水面的水分運輸?shù)缴喜堪镀绿岣吡送寥浪趾?另外腐爛的樹枝覆蓋在土壤表層也能有效地減少土壤水分的蒸發(fā)，而灌叢墊區(qū)、籬墻區(qū)的腐爛柳樹枝干要多于扦插區(qū)。綜合分析認為灌叢墊區(qū)和籬墻區(qū)的土壤含水量在一定范圍內要高于扦插區(qū)，因此灌叢墊和籬墻護岸形式相比較扦插具有更好地提高和保持土壤含水量的作用，其中最好的是灌叢墊形式。

表1 土壤含水量

3.2 土壤有機質質量分數(shù)

從表2中可以看出扦插區(qū)有機質質量分數(shù)基本維持在8.22 ～9.12 g/kg，灌叢墊區(qū)有機質質量分數(shù)基本維持在10.42 ～12.90 g/kg，籬墻區(qū)有機質質量分數(shù)基本維持在9.78 ～11.06 g/kg。3 種護岸形式下土壤有機質質量分數(shù)在組內差異性不明顯，而組間差異性顯著，其中灌叢墊區(qū)平均土壤有機質質量分數(shù)最高，籬墻區(qū)次之，土壤平均有機質質量分數(shù)最低的是扦插區(qū)。分析原因認為，灌叢墊和籬墻由于施工采用了較多的柳枝，在5 a 的腐化過程中生成大量有機質，從而提高了土壤有機質質量分數(shù)，而扦插區(qū)護岸形式施工時使用了較少的柳樹材料，故沒有過多的腐殖質形成。綜合分析認為，灌叢墊和籬墻的護岸形式有利于提高土壤的有機質質量分數(shù)，其中灌叢墊的護岸方式最為明顯。

表2 土壤有機質質量分數(shù)

3.3 表層根系生物量

表3中可以看出灌叢墊區(qū)編號1—14 的土壤表層根系生物量與籬墻區(qū)和扦插區(qū)組間差異性顯著，相同樣方編號內根系生物量明顯高于其他兩種，而編號15—16 的數(shù)值差異性不顯著;編號1—11 籬墻區(qū)數(shù)值高于扦插區(qū)，且差異性顯著，編號1—5 和12—16 的扦插區(qū)與籬墻區(qū)數(shù)值差異性不顯著。另外，從表3中還可以看出各區(qū)域組內差異性顯著，有隨著離岸距離的增加而降低的趨勢。為了弄清3 個區(qū)域內表層根系生長狀況的差異原因，通過運用Spss 軟件對土壤含水量和表層根系生物量、土壤有機質質量分數(shù)和表層根系生物量做了統(tǒng)計量為均值和標準差的Pearson 相關性分析。結果顯示土壤含水量與表層根系生物量的相關系數(shù)為0.907，在0.01 的檢驗水平上非常強地相關;而土壤有機質質量分數(shù)與表層根系生物量的相關系數(shù)為0.491，在0.01 的檢驗水平上弱相關，可認為表層根系的生發(fā)與土壤含水量和土壤有機質質量分數(shù)有關。因此，認為較高的土壤含水量和土壤有機質質量分數(shù)都有利于柳樹表層根系的生長，這符合根系有向水肥生長的特性［11］。

表3 表層根系生物量

3 個區(qū)域中，籬墻區(qū)在編號11—16，灌叢墊區(qū)在編號15—16，籬墻區(qū)在編號13—16 的樣方內的表層根系生物量都接近零，這3 個區(qū)域內相同的是土壤含水量數(shù)值都接近10%左右，而土壤有機質質量分數(shù)卻不盡相同。綜合分析認為土壤含水量是影響表層根系生發(fā)的限制性因素，當含水量突然低于限制值時，即使土壤有機質質量分數(shù)很高，依然不能生發(fā)表層根系。

4 結論與討論

灌叢墊護岸形式比扦插和籬墻的護岸形式具有更好地提高和保持土壤含水量的作用;而3 種護岸形式中灌叢墊和籬墻對提高土壤的有機質質量分數(shù)有較明顯的作用，其中灌叢墊的效果最為明顯。從柳樹表層根系的生發(fā)狀況上看，灌叢墊的表層根系生發(fā)狀況最好，籬墻要好于扦插。另外，土壤含水量是柳樹表層根系的限制性生長因素，當土壤含水量低于限制值(調查區(qū)為10%左右)的時候，柳樹幾乎不能生發(fā)表層根系;而當土壤含水量大于限制值時，柳樹表層根系的生長情況隨著含水量的增加而變好。在其他條件相同的情況下，較高的土壤有機質質量分數(shù)有利于表層根系生發(fā)。

4.1 柳樹表層根系護岸的優(yōu)勢

通過對柳樹表層根系護岸作用和生長影響因素的研究發(fā)現(xiàn)，柳樹表層根系特別適合用于對水岸接觸帶的防護，主要有以下幾種優(yōu)勢:柳樹表層根系能夠在水中及土壤含水量很高的土壤中生發(fā)，且生長狀況非常好，有足夠的耐水性;柳樹表層根系能夠匍匐在岸坡的土壤表層，形成一個毯式保護層，抵抗來自雨水和河水的沖刷，具有極好的保護功能;河流的水位往往具有浮動性，工程護岸位置相對固定，不能應對不同水位對河岸的沖刷，而柳樹能夠隨著水位的升降在近水處快速地形成表層根系保護層;相對于工程護岸，表層根系護岸有更好的生態(tài)效益，且經濟費用較低。因此，利用柳樹的這種特性對防洪壓力不大的河流和湖庫的岸坡進行防護是一個較為可行的方案。

4.2 新柳樹護岸的構建模式

根據(jù)對柳樹表層根系生發(fā)的影響因素研究及不同柳樹護岸形式的防護功能，設計如圖3的護岸模式。該模式采用灌叢墊、籬墻和扦插3 種護岸形式相結合的方法，能夠充分發(fā)揮柳樹土壤生物工程護岸的功能。具體方式:在水位浮動區(qū)采用灌叢墊和籬墻相結合的措施，而在距離河岸較遠防護壓力小的岸坡采用扦插的形式。原因是籬墻能夠阻擋水流、降低流速，具有很好的抗水流沖刷的能力，而灌叢墊是表層根系生發(fā)的最好的護岸形式，灌叢墊本身的植株體和生發(fā)的表層根系能夠覆蓋岸坡地表，防止河流對岸坡的直接侵蝕;扦插相對于籬墻和灌叢墊更便于施工，而且生物材料消耗較少，是比較經濟可行的一種護岸方式，采用這種方式能夠減少人力物力的消耗。

圖3 柳樹復合生態(tài)護岸模式斷面

注意事項:灌叢墊使用的枝條應盡量使用長度較長的枝條，這種枝條能夠將水分通過導管運輸?shù)綗o水區(qū)，提高土壤的含水量，促進表層根系的生長;籬墻相隔距離不宜過大，較近的間距能夠更好地減緩沖擊水流的流速。該模式使用純粹的生物材料，具有很好的生態(tài)效果，但防洪能力相比工程護岸還是有一定差距，因此該模式主要適用于防洪壓力不大，以水土保持和生態(tài)景觀效益為主的河流、水庫和湖泊岸坡。

［1］ 張建春，彭補拙.河岸帶研究及其退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復與重建［J］.生態(tài)學報，2003，23(1):56－63.

［2］ Mitsch W J，Lefeuvre J C，Bouchard V.Ecological engineering applied to river and wetland restoration［J］.Ecological Engineering，2002，18(5):529－541.

［3］ Franks C A，Mahony M J，F(xiàn)ranks S W.Measuring river health:the uncertainty associated with impact assessment using a single sample biological assessment technique［J］.Dynamics and Biogeochemistry of River Corridors and Wetlands，2005，27(1):176－182.

［4］ Jones K，Hanna E.Design and imp lementation of an ecological engineering approach to coastal restoration at Loyola Beach，Kleberg County，Texas［J］.Ecological Engineering，2004，22(4):249－261.

［5］ Li M H，Eddleman K E.Biotechnical engineering as an alternative to traditional engineeringmethods:A biotechnical streambank stabilization design approach［J］.Landsc Urban Plan，2002，60(4):225－242.

［6］ 胡展飛，傅艷蓉.基于不同初始含水量的軟勃土抗剪強度的試驗研究［J］.上海地質，2001，77(1):38－422.

［7］ 高甲榮，劉瑛，Hans P R.土壤生物工程在北京河流生態(tài)恢復中的應用研究［J］.水土保持學報，2008，22(3):152－57.

［8］ Eswaran H，Vandenb E，Reieh P.Organic carbon in soil of the world［J］.Soil Science Society of American Journal，1993，57(1):193－194.

［9］ 郭衛(wèi)華，李波，張新時，等.FDR 系統(tǒng)在土壤水分連續(xù)動態(tài)監(jiān)測中的應用［J］.干旱區(qū)研究，2003，20(4):247－248.

［10］ 劉偉佳，吳軍虎，裴青寶，等.不同地下水埋深條件下均質土壤毛管上升水運動特性試驗研究［J］.水資源與水工程學報，2010，21(1):67－69.

［11］ Rashotte A，Brady S R，Reed R C，et al.Basipetal auxin transport is required for gravitropism in roots of Arabidopsis［J］.Plant Physiol，2000，122(3):481－490.