Tang Van Tai 李奎鵬 Tran Ngoc Binh Nguyen Nhu Anh

(1.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210096；2.煙臺(tái)市水利建筑勘察設(shè)計(jì)院，山東 煙臺(tái) 264001；3.越南榮市醫(yī)學(xué)大學(xué)；4.越南建設(shè)公司)

?

亞熱帶多雨區(qū)生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)與效能研究
——以榮市前門(mén)河道為例

Tang Van Tai1李奎鵬2Tran Ngoc Binh3Nguyen Nhu Anh4

(1.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210096；2.煙臺(tái)市水利建筑勘察設(shè)計(jì)院，山東 煙臺(tái) 264001；3.越南榮市醫(yī)學(xué)大學(xué)；4.越南建設(shè)公司)

傳統(tǒng)護(hù)岸工程大量使用漿砌石、鋼筋混凝土等材料建造成直立式結(jié)構(gòu)，給河流水環(huán)境、生物群落等帶來(lái)了諸多不利影響。以越南榮市的前門(mén)河道為研究對(duì)象，針對(duì)前門(mén)河道的水生態(tài)特征與河道岸邊環(huán)境、土壤條件，設(shè)計(jì)并建造了拋石型和石籠型兩種生態(tài)護(hù)岸形式。通過(guò)為期1年的香根草生長(zhǎng)狀況跟蹤監(jiān)測(cè)，提出了一種適用于亞熱帶多雨區(qū)的生態(tài)護(hù)岸植被，通過(guò)Miseq高通量測(cè)序?qū)嶒?yàn)測(cè)定了生態(tài)護(hù)岸微生物群落多樣性，揭示了其生態(tài)凈水機(jī)理。

生態(tài)護(hù)岸；拋石護(hù)岸；石籠護(hù)岸；香根草

20世紀(jì)90年代以來(lái)，越南經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)發(fā)展迅速，然而由于部分城市的環(huán)境保護(hù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相對(duì)滯后，內(nèi)河水質(zhì)污染現(xiàn)象嚴(yán)重。榮市屬于義安省，是一個(gè)快速發(fā)展中的城市。在近年來(lái)的河道綜合整治中，現(xiàn)澆不透水混凝土被大量應(yīng)用于河道護(hù)岸整治中。硬化混凝土護(hù)岸割裂了土壤與水體的聯(lián)系，使水體自?xún)裟芰档?，破壞了生物的棲息環(huán)境，導(dǎo)致河流生態(tài)失衡和自然景觀惡化[1]。河岸邊坡作為水生態(tài)系統(tǒng)中非常重要的組成部分，是生命體最活躍的區(qū)域[2]，是水體與陸地的過(guò)渡帶，具有水域和陸地雙重特性，發(fā)揮著水、陸生態(tài)系統(tǒng)間物質(zhì)、能量和信息交流的作用[3]，承擔(dān)著護(hù)岸保護(hù)、生態(tài)廊道和緩沖滯留帶的功能[4]。為恢復(fù)護(hù)岸生態(tài)功能，修復(fù)河道水生態(tài)系統(tǒng)，硬質(zhì)混凝土護(hù)岸必須拆除重建或進(jìn)行原位修復(fù)，使之具有生態(tài)、美觀、經(jīng)濟(jì)、防洪等多重功能[5]。

1 試驗(yàn)概況及方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

越南屬于亞熱帶季風(fēng)地區(qū)，氣候最顯著的特點(diǎn)是全年氣溫較高，四季界限不明顯，日氣溫變化較大，空氣濕度相對(duì)較高，可達(dá)85%—98%。

本次實(shí)驗(yàn)在藍(lán)江支流前門(mén)河進(jìn)行，前門(mén)河的水文條件與藍(lán)江有密切的關(guān)系。前門(mén)河從藍(lán)江流過(guò)榮市，它不僅是重要的取水、排洪工程，而且還是榮市重要的水生態(tài)系統(tǒng)。前門(mén)河邊坡條件較好，河道流量相對(duì)較小，適合開(kāi)展生態(tài)護(hù)岸實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于榮市前門(mén)河上游的新豐村，具體位置如圖1所示(黑色圓圈處)。每年汛期季節(jié)，前門(mén)河極易出現(xiàn)河道邊坡被洪水侵蝕的現(xiàn)象，因此將該河作為生態(tài)護(hù)岸建設(shè)的研究對(duì)象具有典型意義。

1.2 研究方法

實(shí)驗(yàn)研究了在越南亞熱帶氣候條件下，石籠型和拋石型兩種生態(tài)護(hù)岸的固土防蝕效果、植物生長(zhǎng)狀況與生態(tài)改善效能。通過(guò)觀察、測(cè)量香根草的生物量，分析了香根草作為生態(tài)護(hù)岸植物的可行性；通過(guò)長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)，對(duì)比了兩種不同護(hù)岸的實(shí)際工程效果；采集兩種生態(tài)護(hù)岸表面的泥樣，采用Miseq高通量測(cè)序測(cè)定不同護(hù)岸表面微生物多樣性，揭示生態(tài)護(hù)岸的凈水機(jī)理。

1.3 生態(tài)護(hù)岸構(gòu)建

使用自然材料(石頭、土壤、香根草植物)結(jié)合人工材料(鐵籠、塑料網(wǎng))構(gòu)造兩種生態(tài)護(hù)岸。按照設(shè)計(jì)圖(圖2)使用石材、鐵籠、鐵網(wǎng)、塑料網(wǎng)、香根草、土工布及土壤等建造拋石型和石籠型護(hù)岸。首先挖掘表面土壤層深度10cm，然后覆蓋土工布以分開(kāi)土壤與石材。為適應(yīng)植物生長(zhǎng)需要，同時(shí)防止塊石流出或沖刷失穩(wěn)，兩種護(hù)岸的填充塊石直徑均選擇10—20cm。

石籠型護(hù)岸構(gòu)造，先把鐵籠安裝在預(yù)定的位置，再用塊石填充。拋石型護(hù)岸構(gòu)造，先將石材均勻拋在護(hù)岸表面，然后覆蓋塑料網(wǎng)。

護(hù)岸構(gòu)造完成后，為便于植物初期生長(zhǎng)，將河道邊坡附近的天然土壤覆蓋于護(hù)岸表面，覆土厚度為5cm，然后進(jìn)行香根草種植。護(hù)岸建造形式如圖3所示。

圖2 生態(tài)護(hù)岸設(shè)計(jì)圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 植物生長(zhǎng)狀況

通過(guò)為期1年的跟蹤監(jiān)測(cè)，兩種生態(tài)護(hù)岸上植物生長(zhǎng)狀況如圖4所示。冬季時(shí)，天氣寒冷，雨量稀少，陽(yáng)光強(qiáng)度較低，植物生長(zhǎng)緩慢；春季期間植物開(kāi)始生長(zhǎng)，香根草生長(zhǎng)速度很快，生物量分別增加了23.4倍和28.5倍；夏季，天氣濕熱，雨量充沛，是熱帶植物最佳的生長(zhǎng)時(shí)期，石籠型護(hù)岸表面香根草生物量增加了38.2倍，而拋石型護(hù)岸表面香根草生物量增加了52.3倍；進(jìn)入秋季后，植物生長(zhǎng)逐漸緩慢，石籠型和拋石型護(hù)岸的香根草增加比率分別為42.1倍和57.2倍。

從11月到1月屬于冬季，天氣寒冷，雨量缺少，溫度大約10—18℃,陽(yáng)光強(qiáng)度較低，植物難以繁殖。由此，石籠型和拋石型護(hù)岸表面香根草生長(zhǎng)速度較慢，生物量增加比率分別為5.78倍和6.72倍。從2月到3月屬于春季，天氣溫暖，溫度大約16—25℃，陽(yáng)光強(qiáng)度高，植物開(kāi)始繁殖。石籠型和拋石型的香根草生長(zhǎng)速度快，生物量分別增加23.4倍和28.5倍。從4月到8月屬于夏季，天氣濕熱，雨量充沛，溫度大約28—39℃，對(duì)于熱帶植物是最佳的生長(zhǎng)條件。兩種生態(tài)護(hù)岸的香根草生長(zhǎng)速率開(kāi)始有區(qū)別，石籠型護(hù)岸表面香根草生物量增加38.2倍，而拋石型護(hù)岸表面香根草生物量增加52.3倍。由于這段時(shí)間高暴雨強(qiáng)度沖刷路面污染帶來(lái)的徑流進(jìn)入河槽內(nèi)，護(hù)岸表面的香根草植被將雨水中污染物攔截和過(guò)濾，使污染物累積于護(hù)岸土壤表面，同時(shí)香根草已經(jīng)將土壤中的污染物吸收和轉(zhuǎn)化，提高了自身的生物量。不過(guò)石籠型護(hù)岸表面充填的土地層較薄，因此攔截污染能力弱于拋石型護(hù)岸，因此石籠型表面香根草生長(zhǎng)速度較慢。從9月到10月屬于秋季，溫度范圍20—32℃，雨量充沛，經(jīng)常出現(xiàn)暴雨，也是植物生長(zhǎng)速率開(kāi)始變緩的季節(jié)，而且暴雨經(jīng)常沖刷和侵蝕護(hù)岸表面土壤造成土壤缺少營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，影響香根草的生長(zhǎng)速率。所以，這段時(shí)間香根草生物量增長(zhǎng)速度變慢，在第二年11月，石籠型和拋石型護(hù)岸的香根草增加比率為42.1倍和57.2倍。

2.2 生態(tài)護(hù)岸效能分析

2.2.1 固土護(hù)坡

石籠型和拋石型兩種生態(tài)護(hù)岸主要是靠石頭等材料重力配置在坡腳從而提高坡腳的穩(wěn)定性，同時(shí)削弱水流對(duì)土壤的沖刷強(qiáng)度。石材重力形成的壓力提高了靜摩擦力，可保證坡面的穩(wěn)定性。此外，石材重力也會(huì)增加對(duì)土壤的壓力，提高土壤的抗滑應(yīng)力。

香根草是一種多年生長(zhǎng)的草類(lèi)，根系發(fā)達(dá)，且根系有較高的抗拉和抗剪強(qiáng)度。香根草的固土效能可完全等同灌木和樹(shù)，單位面積香根草的根系抗拉強(qiáng)度可達(dá)40—180MPa，抗剪強(qiáng)度可達(dá)75MPa[6]。在第一年種植香根草后，其根系長(zhǎng)度達(dá)到2—3m，可穿過(guò)石材扎入下層土中，護(hù)坡完全滿足穩(wěn)定性要求。由于香根草的根系發(fā)達(dá)，能適應(yīng)干旱氣候，無(wú)需專(zhuān)門(mén)灑水養(yǎng)護(hù)。

朱興杰等[7]以大凌河生態(tài)護(hù)岸工程為例，提出了拋石+植樹(shù)護(hù)岸方案與空心塊斜坡式生態(tài)護(hù)岸方案，研究發(fā)現(xiàn)拋石+植樹(shù)護(hù)岸具有良好的固土能力和推廣價(jià)值。何旭升等[8]將護(hù)岸結(jié)構(gòu)與水質(zhì)改善技術(shù)相結(jié)合，提出了凈水石籠護(hù)岸與凈水箱護(hù)岸技術(shù)， 通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究， 發(fā)現(xiàn)石籠護(hù)岸具有良好的固土效果和生態(tài)效能。

2.2.2 改善水生態(tài)

(1)凈化河水。香根草可以種植在含重金屬、酸、堿等多種復(fù)雜條件的土壤中，能吸收水和土壤中的氮、磷和各種污染物質(zhì)，對(duì)于水體和土壤有很強(qiáng)的凈化能力。香根草根系給多種微生物提供了生長(zhǎng)和繁殖的場(chǎng)所，提高了土壤降解和吸附污染物的效能。

(2)防止河岸兩邊含有污染的雨水過(guò)多地匯入徑流。城市表面都被混凝土覆蓋，導(dǎo)致雨水不能滲透于地下，在路面形成徑流，然后含有大量污染物的雨水會(huì)進(jìn)入河槽造成河水污染。在建造生態(tài)護(hù)岸時(shí)，護(hù)岸的香根草植被可以沉淀與攔截雨水中的重金屬和污染物質(zhì)，并且香根草根系和微生物可以固定和吸收污染物，減少了雨水徑流的污染濃度，避免污染進(jìn)入河槽。另外在石頭表面會(huì)形成生物膜，膜中的細(xì)菌可發(fā)揮分解、轉(zhuǎn)化和固定作用來(lái)降低水中污染物。

(3)提高水生態(tài)多樣性。生態(tài)護(hù)岸石籠型和拋石型都形成了多孔洞的結(jié)構(gòu)。護(hù)岸孔洞結(jié)構(gòu)可以提高水體和土體的交換，岸邊地下水與河槽水的相互補(bǔ)充形成了河道水文和生態(tài)平衡。護(hù)岸孔洞結(jié)構(gòu)還提供了水生動(dòng)物的生產(chǎn)、避難和覓食的區(qū)域，增加了水生動(dòng)物數(shù)量和多樣性。通過(guò)生物操縱原理，草類(lèi)和水生植物吸收富營(yíng)養(yǎng)化、細(xì)菌和原生動(dòng)物的有機(jī)污染牧食，然后水生動(dòng)物在生長(zhǎng)過(guò)程中(水生動(dòng)物包括原生動(dòng)物、浮游動(dòng)物和魚(yú)類(lèi))牧食藻類(lèi)和污染物質(zhì)，另外通過(guò)生物的食物鏈和生物與環(huán)境交換物質(zhì)，一部分重金屬被吸附在動(dòng)物體內(nèi)使水中富營(yíng)養(yǎng)化、污染物質(zhì)與重金屬濃度降低。

2.3 微生物群落多樣性

實(shí)驗(yàn)采集了一個(gè)水樣和兩個(gè)泥樣，對(duì)樣品進(jìn)行Miseq高通量測(cè)序?qū)嶒?yàn)，探究石籠和拋石護(hù)岸表面附著微生物的群落多樣性。各樣品分別為1—護(hù)岸附近的河水；2—石籠護(hù)岸水位線附近泥樣；3—拋石護(hù)岸水位線附近泥樣。3個(gè)樣品的序列信息及多樣性指數(shù)如表1所示。

由表1可知，根據(jù)Chao1指數(shù)和ACE指數(shù)判定的樣品中物種總數(shù)由高到低排序?yàn)?>3>1。根據(jù)Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)判定的樣品中微生物群落多樣性由高到低排序?yàn)?>2>1。

表1 樣品序列信息及多樣性指數(shù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，石籠護(hù)岸和拋石護(hù)岸附著微生物的總數(shù)和多樣性都遠(yuǎn)超過(guò)水中懸浮微生物。石籠護(hù)岸中微生物的物種總數(shù)最高，可能是由于石籠護(hù)岸是階梯狀結(jié)構(gòu)，護(hù)岸總體積大，微生物可附著生長(zhǎng)空隙多，所以微生物總量較多。拋石護(hù)岸中微生物群落多樣性最高，可能是由于拋石護(hù)岸適合植物生長(zhǎng)，植物和護(hù)岸空隙為微生物營(yíng)造了多種不同生長(zhǎng)條件，所以微生物多樣性顯著提高。

通過(guò)高通量測(cè)序技術(shù)，樣品1共檢測(cè)到198個(gè)菌屬，樣品2共檢測(cè)到332個(gè)菌屬，樣品3共檢測(cè)到351個(gè)菌屬。對(duì)檢測(cè)到的物種組成結(jié)果進(jìn)行屬水平上的分類(lèi)，取至少在某一樣品中含量超過(guò)1%的屬以10為底取對(duì)數(shù)后做圖，如圖6所示。

由圖6可知，兩種生態(tài)護(hù)岸表面附著微生物的總量和優(yōu)勢(shì)菌屬的相對(duì)含量都要明顯高于水體，說(shuō)明生態(tài)護(hù)岸的空隙和植物根系可以為微生物的附著繁殖提供載體與空間。河水中的微生物會(huì)逐漸在石頭表面和護(hù)岸空隙中富集、繁殖，形成生物膜結(jié)構(gòu)，發(fā)揮降解轉(zhuǎn)化水中污染物的功能。

3 結(jié)論

(1)香根草作為一種根系發(fā)達(dá)、抗逆性強(qiáng)的多年生植物，在生態(tài)護(hù)岸環(huán)境生長(zhǎng)良好，是一種良好的亞熱帶多雨區(qū)生態(tài)護(hù)岸植物。

(2)石籠護(hù)岸和拋石護(hù)岸在固土防蝕、改善水質(zhì)等方面具有重要作用，適合越南地區(qū)河道護(hù)岸改造。其中，石籠護(hù)岸更適用于邊坡較窄、河水較深、沖刷嚴(yán)重的河道；拋石護(hù)岸更適用于滯留帶較寬、水位較淺、邊坡平緩的河道。

(3)石籠護(hù)岸和拋石護(hù)岸形成的多孔透水結(jié)構(gòu)可顯著提高河道生物量和微生物群落多樣性，有效改善河道水生態(tài)系統(tǒng)。

[1]王新軍,羅繼潤(rùn).城市河道綜合整治中生態(tài)護(hù)岸建設(shè)初探[J].復(fù)旦學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2006,45(1):120—126.

[2]MeierK,KuusemetsV,LuigJ,etal.Riparianbufferzonesaselementsofecologicalnetworks:CasestudyonParnassiusmnemosynedistributioninEstonia[J].EcologicalEngineering, 2005,24(5):531—537.

[3]夏繼紅,嚴(yán)忠民.生態(tài)河岸帶研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2004,32(3):252—255.

[4]張建春,彭補(bǔ)拙.河岸帶研究及其退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與重建[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2003,23(1)：26—63.

[5]汪洋,周明耀,趙瑞龍，等.城鎮(zhèn)河道生態(tài)護(hù)坡技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望[J].中國(guó)水土保持科學(xué),2005,3(1):88—92.

[6]TruongaPNV,LochR.VETIVERSYSTEMFOREROSIONANDSEDIMENTCONTROL[J].Proc, 2004,36(1):125—127.

[7]朱興杰,鄒春.大凌河朝陽(yáng)城區(qū)段河道生態(tài)護(hù)岸設(shè)計(jì)[J].中國(guó)水土保持,2013,(4):30—31.

[8]何旭升,逄勇,魯一暉，等.凈水型護(hù)岸技術(shù)的探討[J].水利學(xué)報(bào),2008,39(6):659—666.

責(zé)任編輯：富春凱

doi:10.3969/j.issn.1674-6341.2016.06.050

10.3969/j.issn.1674-6341.2016.06.004

2016-10-21

Tang Van Tai(1987—)，男，越南籍，東南大學(xué)博士研究生。研究方向：水生態(tài)修復(fù)。

X522

C

1674-6341(2016)06-0009-04