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(cuò)地帶,是養(yǎng)分管理、沉積物和水土流失控制及保護(hù)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(cuò)帶,在控制河岸侵蝕、截留地表徑流泥沙和養(yǎng)分、保護(hù)河溪水質(zhì)、調(diào)節(jié)水溫、為水陸動(dòng)植物提供生境、維護(hù)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(lái)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(zhǎng)和建群過(guò)程中加固和穩(wěn)定邊坡,控制水土流失和實(shí)現(xiàn)生態(tài)修復(fù)。

從國(guó)外城市河道整治的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看,盡可能保持河道的自然風(fēng)貌已成為當(dāng)今國(guó)際上先進(jìn)城市的治理準(zhǔn)則,美國(guó)、法國(guó)、瑞士、奧地利等國(guó)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(jì)30年代初就開(kāi)展了“創(chuàng)造多自然型河川計(jì)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(lái)修建河堤,并將其命名為“生態(tài)河堤”[3]。而國(guó)內(nèi)近年來(lái)也相繼開(kāi)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(hù)岸技術(shù)也由原來(lái)的純工程性措施向生態(tài)型河道護(hù)岸技術(shù)發(fā)展。但大多集中在對(duì)生態(tài)護(hù)岸的定義、功能的定性描述,或是只關(guān)注護(hù)岸技術(shù)本身,而往往忽視了對(duì)已完成的生態(tài)護(hù)岸工程進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)或工程后評(píng)估,對(duì)其演變過(guò)程和應(yīng)用類型認(rèn)識(shí)不足[3]。特別是對(duì)植物護(hù)岸技術(shù)在生態(tài)護(hù)岸中的作用缺乏深入研究或系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。以活的植物為主要結(jié)構(gòu)的生態(tài)護(hù)岸技術(shù),不是簡(jiǎn)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(guó)在河岸植被緩沖帶生態(tài)水文功能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(hù)岸技術(shù),以期為我國(guó)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(shí)驗(yàn)河道位于崇明生態(tài)島東端的杜鵑河。崇明生態(tài)島是長(zhǎng)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(jí)河道,總長(zhǎng)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(yán)重,坡岸和水面景觀較差。選取了300 m長(zhǎng)的河段作為植物生態(tài)護(hù)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(jì));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(hù)岸技術(shù):全系列生態(tài)護(hù)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(jī)組合,形成多種植物生態(tài)護(hù)岸方案。

1.1 全系列生態(tài)護(hù)岸

全系列生態(tài)護(hù)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(hù)岸植物,形成多層次生態(tài)防護(hù),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(duì)坡岸水位變動(dòng)區(qū)的侵蝕。坡面常水位以上種植耐濕性強(qiáng)、固土能力強(qiáng)的草本、灌木及喬木,共同構(gòu)成完善的生態(tài)護(hù)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(hù)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(biāo)高)以上岸坡種植火棘(Pyracantha fortuneana)、黃馨(Jasminummesnyi)等耐濕性強(qiáng)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(dá)的野茭白、菖蒲、蘆葦(Phragmites communis)等本地挺水植物;向下種植芡實(shí)(Euryale ferox)等浮葉植物和菹草等沉水植物。全系列生態(tài)護(hù)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(hù)岸

土壤生物工程是一種邊坡生物防護(hù)工程技術(shù)。這種技術(shù)在國(guó)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(hù)岸技術(shù)使用大量的可以迅速生長(zhǎng)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(diǎn)、線、面”的種植方式對(duì)整個(gè)邊坡進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。對(duì)于使用植物體的土壤生物工程技術(shù)來(lái)說(shuō),在工程初期可能比較脆弱,但隨著植物快速生長(zhǎng),整個(gè)土壤生物工程護(hù)岸系統(tǒng)將越來(lái)越牢固,其護(hù)岸功能逐漸從“覆蓋坡面”的單一功能向“保護(hù)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(shù)之類的邊坡生物防護(hù)工程技術(shù),它具有生物量大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、養(yǎng)護(hù)要求低、生境恢復(fù)快、施工簡(jiǎn)單、費(fèi)用低廉、近自然等特征。該類技術(shù)一般運(yùn)用在土壤侵蝕較嚴(yán)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(yùn)用在河岸侵蝕比較嚴(yán)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(duì)較小,沒(méi)有高強(qiáng)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(zhǎng)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(shù)(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(zhǎng)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(hù)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(hù)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(yán)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(shù),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(dá)的挺水植物,以及苦草(Vallisneria natans)、菹草等沉水植物。

通過(guò)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(shì),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(hù)岸,共同構(gòu)建良好的植被緩沖帶,為其它本底植物生長(zhǎng)創(chuàng)造良好生境,同時(shí)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(qiáng)度的植物防護(hù)體系,主要用來(lái)保護(hù)那些土壤團(tuán)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(zhǎng)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(shù)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(dá)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(zhǎng)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(zhǎng)出的根形成龐大的地下根系網(wǎng)絡(luò),除改善土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)外,也加強(qiáng)了土壤剪切力和緊實(shí)度。結(jié)合全系列生態(tài)護(hù)岸方式,根系發(fā)達(dá)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(hù)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(hù)岸技術(shù)。這種生態(tài)護(hù)岸技術(shù)強(qiáng)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(hù)岸技術(shù),以達(dá)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(dá)到對(duì)坡面進(jìn)行修復(fù)和防護(hù)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(yán)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(hù)岸的生態(tài)修復(fù)效果

植物生態(tài)護(hù)岸工程在自我修復(fù)的過(guò)程中,不斷強(qiáng)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(gè)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(píng)估植物護(hù)岸技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)和生態(tài)效果,在工程竣工后的10個(gè)月內(nèi)(坡岸植物的第1個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)),對(duì)所運(yùn)用的植物護(hù)岸技術(shù)進(jìn)行了持續(xù)的生態(tài)監(jiān)測(cè)。

2.1 測(cè)定指標(biāo)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(hù)岸選取2～3個(gè)固定樣帶(從坡頂向常水位延伸,寬度為1 m),分別在每個(gè)樣帶的坡頂、坡腰及常水位附近進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.1.2 調(diào)查時(shí)間 在2007年坡岸植物的第一個(gè)生長(zhǎng)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(hù)岸植物的生長(zhǎng)特性和生物量測(cè)定 現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)測(cè)定新生枝條的密度、高度,并隨機(jī)挖掘若干整株的護(hù)岸植物,測(cè)定新生根系的長(zhǎng)度。將植物樣品帶回實(shí)驗(yàn)室,測(cè)定新生枝葉和根系的生物量(干重)。

2.1.4 土壤剪切力、緊實(shí)度及濕度的測(cè)定 在每個(gè)固定樣帶內(nèi),從坡頂至常水位,隨機(jī)選取15個(gè)點(diǎn)(其中坡頂、坡腰、常水位附近各5個(gè)),先采用英國(guó)Delta-T公司的W.E.T土壤3參數(shù)速測(cè)儀測(cè)定土壤濕度,再運(yùn)用荷蘭Eijkelkamp公司的現(xiàn)場(chǎng)剪力測(cè)定儀(Field inspection vane borer)測(cè)定土壤抗剪強(qiáng)度,并用以色列Spectrum Technologies公司的簡(jiǎn)易土壤緊實(shí)度儀測(cè)定土壤緊實(shí)度[7,10-11]。每個(gè)點(diǎn)的測(cè)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(dòng)物)、河岸生境等生態(tài)穩(wěn)定性指標(biāo),選取的樣帶與測(cè)定土壤抗剪強(qiáng)度的樣地相同。在每個(gè)固定樣地內(nèi),從常水位向坡頂移動(dòng),記錄植物種類、生活型、多度、覆蓋度、高度、物候等,同時(shí)記錄動(dòng)物種類、數(shù)目。

2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

2.2.1 護(hù)岸植物的生長(zhǎng)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(hù)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(jī)械效應(yīng)[12-14]。對(duì)研究區(qū)域的土壤生物工程和全系列生態(tài)護(hù)岸的護(hù)岸植物生長(zhǎng)特性及生物量進(jìn)行了測(cè)定(表1)。

表1 土壤生物工程護(hù)岸植物生長(zhǎng)10個(gè)月后的生長(zhǎng)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(jìn)行種植。杜鵑河實(shí)驗(yàn)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(shí)(2007年3月),植物材料均為沒(méi)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(gè)月(3-5月)內(nèi)坡面的新枝每月增長(zhǎng)5～10 cm;5-10月份新枝的生長(zhǎng)速率最快,新枝高度平均每月增長(zhǎng)30～40 cm;10-12月份生長(zhǎng)速率趨緩,平均每月增長(zhǎng)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(zhǎng)狀況和生長(zhǎng)量有所不同,2007年12月14日(工程完成近10個(gè)月)采用現(xiàn)場(chǎng)挖掘的方法,對(duì)種植在土壤中的柳枝生長(zhǎng)狀況進(jìn)行詳細(xì)測(cè)定,結(jié)果為單株杞柳枝和垂柳枝的新生根系平均生長(zhǎng)深度超過(guò)1 m;新枝條的平均高度達(dá)到1.5 m以上,最高接近3 m,蓋度超過(guò)90%,對(duì)坡岸形成良好的防護(hù)。在坡面生物量的增長(zhǎng)方面,灌叢墊的優(yōu)勢(shì)最明顯,10個(gè)月后新增生物量(干重)達(dá)到2.18 kg/m2(表1)。植物體與土壤已逐漸形成一個(gè)整體,植物的護(hù)岸效應(yīng)逐漸得到增強(qiáng)。

全系列生態(tài)護(hù)岸工程的主要護(hù)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(zhǎng)良好,地上部分的生長(zhǎng)速率為每月2～3 cm,當(dāng)年10月地上部分平均高度達(dá)到18 cm。當(dāng)年12月14日隨機(jī)選取兩塊大小為0.5 m×0.5 m的結(jié)縷草樣方,進(jìn)行挖掘取得完整的植物樣品,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)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(zhǎng)度為13 cm,起著良好的固土作用,有效控制土壤侵蝕?，F(xiàn)場(chǎng)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(duì)常水位的坡岸起到很好的保護(hù)作用,解決了以往常水位線附近土壤嚴(yán)重侵蝕的問(wèn)題。

2.2.2 土壤剪切力、緊實(shí)度及濕度變化 土壤剪切力和緊實(shí)度是坡岸抗侵蝕和穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。一般認(rèn)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(shí)度越高,坡岸耐風(fēng)蝕和雨蝕的能力越強(qiáng)[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(qiáng)了坡岸穩(wěn)定性。淺層土壤抗剪強(qiáng)度實(shí)際上是土壤與植物根系復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度,更能反映植物根系的固土作用。針對(duì)不同類型的岸坡,測(cè)定深15 cm處的土壤抗剪強(qiáng)度、緊實(shí)度以及濕度,表2為2007年秋季不同類型河道的測(cè)定結(jié)果。

表2 不同護(hù)岸類型的河道坡岸的土壤剪切力、土壤濕度和緊實(shí)度比較

單向方差分析結(jié)果顯示,植物護(hù)岸與裸露對(duì)照岸坡之間的淺層土壤抗剪強(qiáng)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(hù)岸的淺層土壤抗剪強(qiáng)度均比較小,灌叢墊的坡頂、坡腰的抗剪強(qiáng)度均小于裸露對(duì)照岸坡,但常水位處的抗剪強(qiáng)度明顯高于裸露土坡。至2007年秋季,隨著生態(tài)護(hù)岸植物生長(zhǎng)和系統(tǒng)自我完善,各類生態(tài)護(hù)岸的土壤抗剪強(qiáng)度不斷增大,尤其是坡腰和常水位處的抗剪強(qiáng)度明顯高于未施工的對(duì)照岸坡,灌叢墊的坡腰和常水位處土壤抗剪強(qiáng)度達(dá)到對(duì)照坡岸的3～8倍(表2)。不同類型植物護(hù)岸之間的淺層土壤抗剪強(qiáng)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(qiáng)度隨著時(shí)間增長(zhǎng)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(hù)岸。

各類坡岸的淺層土壤濕度變化范圍為11%～39%,緊實(shí)度變化范圍為30～600 psi。淺層土壤含水率和緊實(shí)度是影響土壤抗剪強(qiáng)度的主要因素之一。將2004年10月測(cè)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(qiáng)度與含水率呈顯著的負(fù)相關(guān)(R2=0.623,P=0.001＜0.01),而抗剪力與緊實(shí)度呈顯著的正相關(guān)(R2=0.805,P=0.001＜0.01)。土壤含水率超過(guò)某一特定值時(shí),土壤中的過(guò)多水分反而減少土壤顆粒間的吸力,土壤緊實(shí)度減小,抗剪強(qiáng)度也相應(yīng)減小;灌叢墊的新生密集植物具有很強(qiáng)蒸騰作用,能有效排出淺層土壤中的過(guò)多水分,提高淺層土壤的緊實(shí)度和抗剪強(qiáng)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(gè)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(hù)岸工程實(shí)施前,對(duì)杜鵑河示范區(qū)內(nèi)的岸坡植被進(jìn)行了調(diào)查。由于河岸侵蝕嚴(yán)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(zhǎng)在高度活動(dòng)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(dòng)干擾更大,本地植被受到嚴(yán)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(qiáng)的外來(lái)入侵物種,極易形成郁閉環(huán)境而使其它本地植物受到強(qiáng)烈抑制,對(duì)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(hù)岸工程完成后,在第一個(gè)生長(zhǎng)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(gè)月的2～3種增加到秋季的14～18種。從整個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)來(lái)看,各類植物護(hù)岸上出現(xiàn)的總物種數(shù)均要大于未采取植物護(hù)岸的坡岸,其中活枝扦插與全系列組合護(hù)岸最為明顯,整個(gè)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(lái)物種加拿大一枝黃花得到有效抑制。

表3 植物護(hù)岸實(shí)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(hù)岸相對(duì)于全系列生態(tài)護(hù)岸等其他護(hù)岸類型,植物群落結(jié)構(gòu)較為單一,杞柳為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種。該類生態(tài)護(hù)岸以固坡為主要目標(biāo),其石籠、土工布等人工基質(zhì)不適合其它植物的生長(zhǎng),坡岸只分布少量生命力較強(qiáng)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(guò)程中,河岸生境也逐步得到改善,為當(dāng)?shù)匾吧鷦?dòng)物提供了良好的棲息地,生物多樣性明顯好轉(zhuǎn)。護(hù)岸工程完成的當(dāng)年,現(xiàn)場(chǎng)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(chóng)和澤蛙(Rana limnocharis)、中華蟾蜍(Bufo gargarizans)等兩棲類動(dòng)物。護(hù)岸植物的根際周圍分布有大量土壤動(dòng)物。坡岸的植被恢復(fù)之后,本地優(yōu)勢(shì)動(dòng)物種中華絨螯蟹(Eriocheir sinensis)也更多地選擇在植物生長(zhǎng)良好的生態(tài)坡岸上棲息。

2.2.4 底棲動(dòng)物棲息地的改變 崇明島杜鵑河瀕臨長(zhǎng)江河口地區(qū),地勢(shì)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(dòng)物如無(wú)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(duì)坡岸的侵蝕,但也徹底破壞了底棲動(dòng)物的棲息地,從而使底棲動(dòng)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(dòng)物的棲息地,同時(shí)也顯著減少了它們對(duì)坡岸的破壞作用。統(tǒng)計(jì)表明,在沒(méi)有柴籠保護(hù)的坡岸,坡岸潮間帶的無(wú)齒相手蟹洞穴高達(dá)20個(gè)/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(gè)/m2,有效地保護(hù)了潮間帶坡岸。

2.2.5 岸線景觀的變化 植物生態(tài)護(hù)岸工程對(duì)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(guò)植物護(hù)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(guò)的坡岸,僅幾個(gè)月的時(shí)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(zhǎng)成,為其他物種(包括動(dòng)物和植物)的生長(zhǎng)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(hù)岸工程建設(shè)的各類邊坡,將隨著植物群落的長(zhǎng)成和成熟,植物根系網(wǎng)絡(luò)的生長(zhǎng)和擴(kuò)張,邊坡生態(tài)系統(tǒng)的完善和有序,越來(lái)越堅(jiān)固和穩(wěn)定;它對(duì)水土流失和土壤侵蝕的控制,對(duì)整個(gè)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(duì)河流水質(zhì)的改善,越來(lái)越明顯和突出。

3 結(jié)論與討論

(1)植物護(hù)岸技術(shù)是利用速生植物枝條作為主要護(hù)岸結(jié)構(gòu)的一種護(hù)岸技術(shù),固坡作用突出,具有近自然型、成本低、養(yǎng)護(hù)要求低、施工簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì),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(guó)各類邊坡(山地斜坡、江河湖庫(kù)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(hù)岸植物形成的河岸景觀比較單一,有時(shí)密集生長(zhǎng)的護(hù)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(duì)河岸的穩(wěn)固作用最有效,護(hù)岸植物杞柳生長(zhǎng)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(zhǎng),導(dǎo)致植物群落結(jié)構(gòu)單一,多樣性較低。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中,三類生態(tài)護(hù)岸技術(shù)可以整合運(yùn)用,發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì),以獲得坡岸生態(tài)修復(fù)的最佳效果。

(2)植物護(hù)岸的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在護(hù)岸植物的固坡作用和土壤的抗侵蝕性。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,植物護(hù)岸的護(hù)岸植物生長(zhǎng)良好,新生的枝葉和根系具有良好的護(hù)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(duì)河岸形成良好防護(hù)。在第1個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)內(nèi),新生枝條的高度、蓋度、生長(zhǎng)密度都達(dá)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(jī)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(qiáng)度。在一定條件下,可以把土壤抗剪強(qiáng)度的增加歸結(jié)為植物根系存在的結(jié)果[17]。隨著植物護(hù)岸的植物生長(zhǎng)和系統(tǒng)自我完善,各類植物護(hù)岸的土壤抗剪強(qiáng)度不斷增大,尤其是坡腰和常水位處的抗剪強(qiáng)度明顯高于裸露的對(duì)照坡岸。灌叢墊的淺層土壤抗剪強(qiáng)度隨著時(shí)間增長(zhǎng)最快,明顯好于活枝扦插、柴籠和全系列生態(tài)護(hù)岸。

由于植物護(hù)岸技術(shù)方法簡(jiǎn)單,造價(jià)便宜,效果明顯,可以大規(guī)模在我國(guó)土壤侵蝕嚴(yán)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(hù)岸技術(shù)的方法和當(dāng)?shù)氐闹参镔Y源對(duì)這些地區(qū)的各類邊坡(山地斜坡、江河湖庫(kù)堤岸等)實(shí)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(hù)沙能力最強(qiáng),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(dú)特的灌叢“小生境”,具有很強(qiáng)的復(fù)壯更新能力。我國(guó)不少湖泊水庫(kù)匯水流域水土流失嚴(yán)重,采樣土壤生物工程方法在水土流失嚴(yán)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(shí)驗(yàn)區(qū)的植物護(hù)岸工程完成后的10個(gè)月,護(hù)岸植物生長(zhǎng)良好,植被恢復(fù)快,為其他物種營(yíng)造了適宜的生境,生物多樣性增加。工程完成后的第1個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)內(nèi),植物護(hù)岸上出現(xiàn)的植物物種數(shù)明顯要大于未采取護(hù)岸工程的對(duì)照坡岸,以土壤生物工程的活枝扦插與柴籠護(hù)岸最為明顯,坡岸上原有的外來(lái)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(dòng)物明顯增多,尤其是兩棲類動(dòng)物。

植物護(hù)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(guò)程中。護(hù)岸工程完成后的3年中,植物護(hù)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(shì)向多年生草本占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)變。各類植物護(hù)岸的演替特征有所不同,活枝扦插與柴籠組合護(hù)岸、全系列護(hù)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(hù)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(shì)。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(hù)岸技術(shù)在生態(tài)型河道的應(yīng)用中還應(yīng)注意以下問(wèn)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(diǎn)邊坡喬灌草種的最佳組合,可能限制或促進(jìn)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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