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.煙臺市水利建筑勘察設(shè)計院，山東 煙臺 264001；3.越南榮市醫(yī)學(xué)大學(xué)；4.越南建設(shè)公司)

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

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.煙臺市水利建筑勘察設(shè)計院，山東 煙臺 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、生物群落等帶來了諸多不利影響。以越南榮市的前門河道為研究對象，針對前門河道的水生態(tài)特征與河道岸邊環(huán)境、土壤條件，設(shè)計并建造了拋石型和石籠型兩種生態(tài)護岸形式。通過為期1年的香根草生長狀況跟蹤監(jiān)測，提出了一種適用于亞熱帶多雨區(qū)的生態(tài)護岸植被，通過Miseq高通量測序?qū)嶒灉y定了生態(tài)護岸微生物群落多樣性，揭示了其生態(tài)凈水機理。

生態(tài)護岸；拋石護岸；石籠護岸；香根草

20世紀90年代以來，越南經(jīng)濟和城市建設(shè)發(fā)展迅速，然而由于部分城市的環(huán)境保護基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相對滯后，內(nèi)河水質(zhì)污染現(xiàn)象嚴重。榮市屬于義安省，是一個快速發(fā)展中的城市。在近年來的河道綜合整治中，現(xiàn)澆不透水混凝土被大量應(yīng)用于河道護岸整治中。硬化混凝土護岸割裂了土壤與水體的聯(lián)系，使水體自凈能力降低，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)著護岸保護、生態(tài)廊道和緩沖滯留帶的功能[4]。為恢復(fù)護岸生態(tài)功能，修復(fù)河道水生態(tài)系統(tǒng)，硬質(zhì)混凝土護岸必須拆除重建或進行原位修復(fù)，使之具有生態(tài)、美觀、經(jīng)濟、防洪等多重功能[5]。

1 試驗概況及方法

1.1 試驗地點概況

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

本次實驗在藍江支流前門河進行，前門河的水文條件與藍江有密切的關(guān)系。前門河從藍江流過榮市，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)。前門河邊坡條件較好，河道流量相對較小，適合開展生態(tài)護岸實驗。實驗地點位于榮市前門河上游的新豐村，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)護岸建設(shè)的研究對象具有典型意義。

1.2 研究方法

實驗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)護岸的固土防蝕效果、植物生長狀況與生態(tài)改善效能。通過觀察、測量香根草的生物量，分析了香根草作為生態(tài)護岸植物的可行性；通過長期跟蹤監(jiān)測，對比了兩種不同護岸的實際工程效果；采集兩種生態(tài)護岸表面的泥樣，采用Miseq高通量測序測定不同護岸表面微生物多樣性，揭示生態(tài)護岸的凈水機理。

1.3 生態(tài)護岸構(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)護岸。按照設(shè)計圖(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岸。首先挖掘表面土壤層深度10cm，然后覆蓋土工布以分開土壤與石材。為適應(yīng)植物生長需要，同時防止塊石流出或沖刷失穩(wěn)，兩種護岸的填充塊石直徑均選擇10—20cm。

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

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

圖2 生態(tài)護岸設(shè)計圖

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 植物生長狀況

通過為期1年的跟蹤監(jiān)測，兩種生態(tài)護岸上植物生長狀況如圖4所示。冬季時，天氣寒冷，雨量稀少，陽光強度較低，植物生長緩慢；春季期間植物開始生長，香根草生長速度很快，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時期，石籠型護岸表面香根草生物量增加了38.2倍，而拋石型護岸表面香根草生物量增加了52.3倍；進入秋季后，植物生長逐漸緩慢，石籠型和拋石型護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℃,陽光強度較低，植物難以繁殖。由此，石籠型和拋石型護岸表面香根草生長速度較慢，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℃，陽光強度高，植物開始繁殖。石籠型和拋石型的香根草生長速度快，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℃，對于熱帶植物是最佳的生長條件。兩種生態(tài)護岸的香根草生長速率開始有區(qū)別，石籠型護岸表面香根草生物量增加38.2倍，而拋石型護岸表面香根草生物量增加52.3倍。由于這段時間高暴雨強度沖刷路面污染帶來的徑流進入河槽內(nèi)，護岸表面的香根草植被將雨水中污染物攔截和過濾，使污染物累積于護岸土壤表面，同時香根草已經(jīng)將土壤中的污染物吸收和轉(zhuǎn)化，提高了自身的生物量。不過石籠型護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岸，因此石籠型表面香根草生長速度較慢。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，也是植物生長速率開始變緩的季節(jié)，而且暴雨經(jīng)常沖刷和侵蝕護岸表面土壤造成土壤缺少營養(yǎng)物質(zhì)，影響香根草的生長速率。所以，這段時間香根草生物量增長速度變慢，在第二年11月，石籠型和拋石型護岸的香根草增加比率為42.1倍和57.2倍。

2.2 生態(tài)護岸效能分析

2.2.1 固土護坡

石籠型和拋石型兩種生態(tài)護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，同時削弱水流對土壤的沖刷強度。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，石材重力也會增加對土壤的壓力，提高土壤的抗滑應(yīng)力。

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

朱興杰等[7]以大凌河生態(tài)護岸工程為例，提出了拋石+植樹護岸方案與空心塊斜坡式生態(tài)護岸方案，研究發(fā)現(xiàn)拋石+植樹護岸具有良好的固土能力和推廣價值。何旭升等[8]將護岸結(jié)構(gòu)與水質(zhì)改善技術(shù)相結(jié)合，提出了凈水石籠護岸與凈水箱護岸技術(shù)， 通過實驗研究， 發(fā)現(xiàn)石籠護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)，對于水體和土壤有很強的凈化能力。香根草根系給多種微生物提供了生長和繁殖的場所，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進入河槽造成河水污染。在建造生態(tài)護岸時，護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，避免污染進入河槽。另外在石頭表面會形成生物膜，膜中的細菌可發(fā)揮分解、轉(zhuǎn)化和固定作用來降低水中污染物。

(3)提高水生態(tài)多樣性。生態(tài)護岸石籠型和拋石型都形成了多孔洞的結(jié)構(gòu)。護岸孔洞結(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充形成了河道水文和生態(tài)平衡。護岸孔洞結(jié)構(gòu)還提供了水生動物的生產(chǎn)、避難和覓食的區(qū)域，增加了水生動物數(shù)量和多樣性。通過生物操縱原理，草類和水生植物吸收富營養(yǎng)化、細菌和原生動物的有機污染牧食，然后水生動物在生長過程中(水生動物包括原生動物、浮游動物和魚類)牧食藻類和污染物質(zhì)，另外通過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物體內(nèi)使水中富營養(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

實驗采集了一個水樣和兩個泥樣，對樣品進行Miseq高通量測序?qū)嶒?，探究石籠和拋石護岸表面附著微生物的群落多樣性。各樣品分別為1—護岸附近的河水；2—石籠護岸水位線附近泥樣；3—拋石護岸水位線附近泥樣。3個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)由高到低排序為2>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為3>2>1。

表1 樣品序列信息及多樣性指數(shù)

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

通過高通量測序技術(shù)，樣品1共檢測到198個菌屬，樣品2共檢測到332個菌屬，樣品3共檢測到351個菌屬。對檢測到的物種組成結(jié)果進行屬水平上的分類，取至少在某一樣品中含量超過1%的屬以10為底取對數(shù)后做圖，如圖6所示。

由圖6可知，兩種生態(tài)護岸表面附著微生物的總量和優(yōu)勢菌屬的相對含量都要明顯高于水體，說明生態(tài)護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。河水中的微生物會逐漸在石頭表面和護岸空隙中富集、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、抗逆性強的多年生植物，在生態(tài)護岸環(huán)境生長良好，是一種良好的亞熱帶多雨區(qū)生態(tài)護岸植物。

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

(3)石籠護岸和拋石護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.城市河道綜合整治中生態(tài)護岸建設(shè)初探[J].復(fù)旦學(xué)報：自然科學(xué)版,2006,45(1):120—126.

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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)。

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1674-6341(2016)06-0009-04