孫金偉，許文盛

(長江科學院 水土保持研究所，武漢 430010)

河岸植被緩沖帶生態(tài)功能及其過濾機理的研究進展

孫金偉，許文盛

(長江科學院 水土保持研究所，武漢 430010)

河岸植被緩沖帶作為河岸生態(tài)系統的重要組成部分，是控制水土流失和面源污染、改善水環(huán)境的關鍵措施,對河岸生態(tài)系統的生態(tài)及水文過程具有重要的影響。概述了國內外關于河岸植被緩沖帶研究的現狀，總結了河岸植被緩沖帶的主要功能、影響其功能發(fā)揮的主要因素和作用機理，并對河岸植被緩沖帶的設計、管理和效益評估進行闡述，提出了我國在未來關于河岸植被緩沖帶研究的發(fā)展趨勢及后續(xù)研究中仍需加強和關注的重要方向，為今后河岸植被緩沖帶的研究提供參考和借鑒，具有一定的理論價值和實際意義。

植被緩沖帶；水環(huán)境污染；水土流失；面源污染；過濾機理；生態(tài)服務

1 研究背景

隨著人口的迅速增加和社會經濟的快速發(fā)展，人類的生產生活對河流的干預不斷加劇，水環(huán)境惡化的問題日益嚴重，直接導致水生生態(tài)系統的破壞。河岸緩沖帶能夠有效地控制污染物輸入水體，在水環(huán)境污染防治中發(fā)揮了重要的作用，河岸植被緩沖帶的研究也越來越多地受到眾多研究者的關注。河岸植被緩沖帶是陸生生態(tài)系統與水生生態(tài)系統的過渡地帶，具有明顯的邊緣效應，是指岸邊向岸坡延伸的喬木、灌木和草本組成的緩沖區(qū)域，能夠防止地表徑流、地下徑流、廢水排放等攜帶的養(yǎng)分、有機質和其他污染物等匯入水體[1-2]，河岸植被緩沖帶又稱為植被過濾帶、保護帶等，被認為是防治面源污染的最佳管理措施。

關于植被緩沖帶的研究最早始于1967年，Wilson通過試驗發(fā)現植被緩沖帶的寬度與沉降物及其顆粒大小呈反相關關系[3]。后續(xù)研究中關于植被緩沖帶的過濾機理、影響因素、設計與管理、效益分析、模型等方面的研究逐漸展開。在美國的一些地區(qū)，植被緩沖帶的建設多以保護區(qū)項目和共同出資項目的形式得到資助[4-5]；加拿大將植被緩沖帶列入相關環(huán)境規(guī)劃和水土管理措施當中[6]；歐洲的許多國家也開展了許多植被緩沖帶的研究并提倡該措施的應用。

我國關于植被緩沖帶的研究起步較晚，在20世紀90年代以前多是作為濕地研究的一部分，因此關于植被緩沖帶的基礎研究較為薄弱，嚴重限制了我國河岸帶修復重建和水體健康的維護等工作。隨著國內外對面源污染的重視和相關研究的開展，證明了植被緩沖帶對控制水體污染的良好效果，繼續(xù)開展河岸植被緩沖帶生態(tài)功能的相關研究具有十分重要的理論和現實意義。本文綜述了河岸植被緩沖帶的生態(tài)功能、過濾機理等的研究進展，以期為后續(xù)河岸植被緩沖帶的研究提供參考和借鑒。

2 植被緩沖帶的功能作用

河岸緩沖帶處于陸、水生態(tài)系統的過渡區(qū)，位置特殊，能夠發(fā)揮過濾、廊道和屏障的作用。具體包括以下幾個功能。

2.1 自然保護功能

2.1.1 穩(wěn)固堤岸

河岸緩沖帶具有良好的水土保持功能，對于保護堤岸、降低土壤侵蝕均具有良好的效果。河岸植被緩沖帶的存在可以有效減小裸露地表面積，減少外營力對土壤的干擾，從而降低地表徑流對河岸的沖刷。此外，植被的根系、凋落物等可以較好地固持河岸的土壤，增加堤岸的抗侵蝕能力。許多研究證明存在植被緩沖帶的河岸穩(wěn)定性明顯高于缺少植被生長的河岸[7];河岸緩沖帶對徑流沉積物的截留能力，不僅與徑流流速和沉積物的性質有關，更與河岸緩沖帶的植被類型和結構密切相關[8]。

2.1.2 過濾、凈化水質

植被緩沖帶可以通過過濾、吸滲、滯留、沉積等作用，有效地阻止地表徑流中顆粒物、各種氮、磷有機物和農藥等進入地表水和地下水，發(fā)揮其防治水土流失、攔截泥沙、降解污染物、保護水環(huán)境的重要作用。Lim等[9](1998)通過試驗研究發(fā)現，含有糞肥的徑流經過長6 m的植被緩沖帶的過濾后，約有75%的氮、磷、有機物和懸移質被滯留，大腸桿菌被完全過濾。黃沈發(fā)等[10-11]對不同坡度的植被緩沖帶開展面源污染的防治試驗，研究結果證明不同坡度的植被緩沖帶均具有明顯的凈化效果。

2.1.3 調節(jié)小氣候

植被緩沖帶可以形成緩和的微氣候。首先，河岸的植被為河流形成遮擋，在夏季可以一定程度上降低水溫，冬季由于植被緩沖帶對水體反向輻射的吸收，會產生一定程度的增溫效果；其次，植被緩沖帶還可以減少流域附近的蒸發(fā)和對流。有研究分析了植被緩沖帶對氣溫、土壤溫度的影響，結果表明不同的植被類型均能減小溫度的變化幅度[12]。

2.1.4 保護生物多樣性

植被緩沖帶處于水、陸過渡區(qū)這一特殊的地理位置，是水陸生態(tài)系統相互聯系的重要通道。該區(qū)域多生存著豐富的鳥類、兩棲類、無脊椎動物和微生物等野生生物，河岸的植被、甚至倒木和枝干、樹根均可以形成適合不同生物生存的生境，為野生動物創(chuàng)造重要棲息地[13]。Fry等[14]的研究認為70%的脊椎動物的棲息地分布于河湖濱岸的緩沖帶，Wenger[13]的研究表明距離河岸150～170 m的植被緩沖帶大約包含了90%的鳥類棲息地。

2.1.5 供給物質

水流經過與岸邊植被的撞擊，可以增加水的溶氧量，另外，河岸植被緩沖帶可向河水中輸入大量的枯枝落葉、果實等，這些有機物質可為河水中的細菌和菌類提供食物，也為水體中的生物提供物質來源。

靜壓力樁加固施工技術同樣是預制樁施工中常用的一種地基基礎加固技術，具有造價低、環(huán)保性強等優(yōu)勢。通常情況下，在應用該技術進行施工時，需對房屋建筑地基基礎施工要求具有明確的認知與掌握，并根據已有資料，做好單樁承載力、壓樁速度等參數的計算工作。與此同時，采用分階層壓樁法，進行基坑開挖與壓樁操作，在此過程中需保證上節(jié)樁與下節(jié)樁軸線的相一致[2]。此外，應依據有關規(guī)定與技術標準，有效控制樁頂水平偏位量以及柱升降量，減少樁基施工誤差，提升樁基施工質量與效率。

2.2 社會功能

河岸植被緩沖帶形成的景觀具有多樣性，水陸鑲嵌的景觀格局提高了流域景觀的美學價值。河岸植被緩沖帶植物資源豐富，濕地、草地和森林生態(tài)系統使流域的景觀效應更加優(yōu)化。植被緩沖帶上可以設置供人們休閑娛樂的設施，也為居民和游客的旅行、攝影等創(chuàng)造良好的條件，提高人們生活質量、保持良好的身心健康。另外，由于河岸植被緩沖帶不僅有豐富的動植物資源，還存在生態(tài)環(huán)境因子與動植物群落的復雜關系，常被人們選為教育和科研基地。

3 植被緩沖帶的影響因素及機理

3.1 植被的種類、結構和布局

按照植被緩沖帶的植被組成可劃分為草地緩沖帶、灌木緩沖帶、林木緩沖帶和以上幾種植被構成的復合緩沖帶。不同的植被類型對于陸源污染物的阻控能力不同。

有研究表明，喬木植被緩沖帶對氮元素的吸收效果優(yōu)于草本植被[15-17]，但草本植被對粗顆粒泥沙和泥沙結合的污染物和磷元素的攔截效果顯著，這是由于磷難溶于水，往往與顆粒泥沙等物質集中在地表[18-19]。有學者認為草本和喬木在緩沖作用上區(qū)別明顯，草地對營養(yǎng)物質的吸收、滯留效果較好，而喬木穩(wěn)固河岸的效果優(yōu)于草本[20]。此外，黃沈發(fā)等[21]研究表明，草本植被中不同種類的草本對農田徑流污染物的去除率也存在差異(百慕大草皮>白花三葉草>高羊茅草)。植被緩沖帶的植物配置包括水平和垂直2個層面，垂直結構分層往往考慮不同生活性的喬木、灌木、藤木和地被植物，垂直結構越豐富生態(tài)系統穩(wěn)定性越高[22]；植被緩沖帶植物配置的水平結構主要考慮不同物種的密度和不同物種植物共存的問題。植被緩沖帶通常分布在河岸下坡的位置，并垂直于地表徑流方向分布，植被緩沖帶的空間布局十分重要，它的選址直接影響到植被緩沖帶各項功能能否有效發(fā)揮[23]。

3.2 植被緩沖帶寬度

植被緩沖帶多呈長方形，設于岸邊下坡處。關于植被緩沖帶的寬度，國內外許多研究者從生態(tài)功能的實現和污染物截留效率等方面對寬度要求進行了研究[24-26]。盡管地表徑流經過的植被緩沖帶越寬，過濾效果越明顯，然而，由于土地資源和管護成本的限制，如何確定植被緩沖帶的適宜寬度，使其最大地發(fā)揮植被緩沖帶的功能成為眾多研究者關注的問題。黃沈發(fā)等[21]把徑流污染物去除率達80%時的寬度定為植被緩沖帶的最佳寬度。羅坤[27]對崇明島河岸植被緩沖帶的寬度進行分析，依托于空間數據庫計算河岸植被緩沖帶所需的最小寬度。目前，關于河岸植被緩沖帶寬度的計算方法大概包括基于河岸帶物理過程的復雜模型的計算方法、基于不同參數的簡單模型計算方法和考慮應用目的和對象的其他確定方法。

3.3 植被緩沖帶坡度

3.4 土壤性質

土壤理化性質的差異會對地表徑流通過植被緩沖帶時的流速和路徑均產生影響，此外，土壤理化性質也會引起土壤中氧含量的差異，進而影響植被緩沖帶各生態(tài)功能的發(fā)揮[30]。當土壤中有機質含量較高時，更利于地表徑流中疏水性有機物的吸收。有機物質被吸收后，通過反硝化作用，進行氮元素的礦化，該礦化過程受到土壤中礦物質含量的影響，氮元素的礦化作用表現為礦物質含量低的細質土高于礦物質含量高的粗質土，此外，土壤PH值和土壤微生物的含量也會對碳、氮元素的礦化產生影響，PH值升高促進礦化作用，土壤微生物含量越高，越利于礦化作用[30-32]。

3.5 氣象因子

土壤的溫濕度與土壤中有機氮的礦化密切相關，土壤的溫度越高，氮元素的礦化速率越大。春、夏季期間，由于溫度較高，植物緩沖帶反硝化作用相對活躍，氮元素礦化后更容易被植被緩沖帶截留、轉化和吸收，冬季植物處于休眠期，較低的土壤溫度限制了氮元素的礦化速率[33]。有研究證明，溫度較低時植被緩沖帶的緩沖能力下降，水土中氮元素的含量會上升[34]。

3.6 水文因素

水文過程對植被緩沖帶緩沖效果的影響主要表現在水文過程影響土壤和植被的變化。有研究表明地下水文會影響植被緩沖帶對氮、磷元素的截留轉化：地下水位較高，緩沖帶植被的根系和土壤可以與徑流充分接觸，提高植被緩沖帶對徑流中營養(yǎng)物質的攔截；當地下水位較低時，則大大降低了植被緩沖帶的攔截轉化效率[35]。

4 植被緩沖帶的設計、 管理和效益評估

4.1 植被緩沖帶的設計與管理

降雨形成地表徑流后通過集中匯入和坡面緩沖匯入2種方式進入水體，然而只有當地表徑流經過植被緩沖帶，以緩沖匯入的方式進入水體時，徑流中攜帶的污染物才能夠被攔截，地表徑流集中入河時，地表徑流污染物主要通過匯入支流進入水體，造成水體污染[36]。國內外許多研究利用遙感手段，結合研究區(qū)的土地利用現狀、地形和降水特征等信息對植被緩沖帶的空間布局和定量規(guī)劃進行了研究[37-39]。植被緩沖帶建成初期，會在不完整的植被緩沖區(qū)形成“木桶效應”。此外，對于長期投入使用的植被緩沖帶，隨著徑流污染物在緩沖帶中的逐漸積累，會變?yōu)椤暗獛臁钡任廴疚锏妮敵鰜碓矗虼?，對于植被緩沖帶需要進行適當的管護，才能保證植被緩沖帶功能的正常發(fā)揮[40-41]。植被緩沖帶的管護被認為是對自然資源進行經營和管理的重要環(huán)節(jié)[42]。

4.2 植被緩沖帶效益評估

構建植被緩沖帶需要占用一部分土地資源，因此人們對植被緩沖帶的構建常常比較消極和被動。然而，近年來，眾多學者對植被緩沖帶發(fā)揮的生態(tài)效益進行了評估，人們開始意識到植被緩沖帶帶來的重要生態(tài)效益。Qiu[43]對密蘇里州2個植被緩沖帶10 a的生態(tài)效益進行評估，估算結果顯示，植被緩沖帶會給建設者帶來收益。Santhi等[44]對美國“國家保護緩沖帶倡議”規(guī)劃中植被緩沖帶的效益進行評估，研究結果認為植被緩沖帶工程產生的效益十分顯著，而且當植被緩沖帶長度倍增時，其效益率也會增加。

5 植被緩沖帶研究的總結和發(fā)展趨勢

(1) 植被緩沖帶已在世界范圍內被認為是流域治理的最佳經營措施之一。植被緩沖帶不僅可保持水土，防治水體污染，同時具有美化環(huán)境和為野生動物提供棲息地等其他多種生態(tài)和社會效益。因此，應加強植被緩沖帶的研究，分析其適用性。

(2) 隨著“3S”技術的迅速發(fā)展，“3S”技術在植被緩沖帶研究中的應用逐漸展開，例如，利用“3S”技術建立數據庫，進一步開展匯流路徑、面源污染負荷等的定量模擬以及植被緩沖帶定量規(guī)劃等的研究。以“3S”技術為平臺開展緩沖帶相關研究，拓寬了研究思路，是后續(xù)研究中仍需加強和關注的重要方向。

(3) 關于植被緩沖帶的模擬，國內外已有很多試驗結果和多種數學模型，但仍很難確定植被緩沖帶的最佳設計寬度，需要不斷開發(fā)適合我國地區(qū)特點的模型，對植被緩沖帶的結構、過程和功能進行研究，探討與各種干擾因子間的作用機制，為植被緩沖帶的設計和管理提供科學的參考依據。

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(編輯：姜小蘭)

Research Advances in Ecological Functions andFiltration Mechanism of Riparian Buffer

SUN Jin-wei, XU Wen-sheng

(Soil and Water Conservation Department,Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China)

As an important component of riparian ecosystem, riparian vegetative buffer strip is a key measure to control water and soil loss and non-point source pollution and to improve water environment. And it has an important influence on the ecological and hydrological processes of riparian ecosystem. In this article, the research status of riparian vegetative buffer strip in China and abroad is reviewed and the main functions, main factors and mechanism affecting its functional performance are summarized. Moreover, the design, management and benefit evaluation of the riparian vegetative buffer strip are expounded. The development trend of researches on riparian vegetative buffer strip in the future and the important directions which need focuses are also put forward. This article could provide reference and draw lesson for future researches on riparian vegetative buffer strip and have theoretical value and practical significance.

riparian vegetative buffer strip; water environment pollution; water and soil loss; non-point source pollution; filtration mechanism; ecological service

2016-07-11

水利部科技推廣項目(TG1518)；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費項目(CKSF2016007/TB)

孫金偉(1986-)，女，山東濰坊人，工程師，博士，主要從事生態(tài)學方面的研究，(電話)027-82927816(電子郵箱)sunjinwei615@126.com。

10.11988/ckyyb.20160706

2017,34(3):40-44

X171.1

A

1001-5485(2017)03-0040-05