城市河道岸坡近自然治理技術及其生態效應評價

孟凡超,王玉杰,趙占軍,趙洋毅,雷聲坤

(北京林業大學水土保持學院水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室,北京100083)

Nilsson定義河岸帶為高低水位之間的河床及高水位之上直至河水影響完全消失為止的地帶[1]。河岸帶作為濱水區域中植物適宜生長的地區,為動物提供了棲息場所,也是陸生和水生動植物活動遷移的廊道,在生態系統中占據了非常重要的地位。因其特殊的生境條件,在涵養水源、蓄洪防旱、維持生物多樣性和生態平衡等方面均有十分重要的作用,是河流天然的保護屏障,是健康河流生態系統的重要組成部分和評價標志[2-3]。因此,河道生態護坡基于維持河岸帶的生態功能,顯得尤為必要。近年來,隨著我國城市化進程的快速推進,河道治理片面考慮河岸的實用耐久性,多采用混凝土式護岸,忽略河岸帶植物群落的生態功能,導致其生態作用越來越小,最終結果是河流的自凈能力喪失,加劇了河流水質的污染[4]。即使應用生態措施治理河岸時,其護坡技術不夠成熟,結構單一,缺乏對照,沒有足夠的說服力。本文將采用幾種不同的治理模式對相鄰河岸進行整治,并通過對治理后岸坡的水土保持效應研究,探討其生態功能,豐富河流護岸設計內容,為該地區相似岸坡的治理提供參考。

1 研究區概況

研究區位于重慶市長壽區桃花溪,位于重慶東部,地處 106°49′-107°27′E,29°43′-30°12′N 間,屬中亞熱帶濕潤氣候區,四季分明、氣候溫和、冬暖春早、熱量豐富、降水充沛,常年平均氣溫 17.7℃,最高年20.4℃,最低年16.7℃,常年平均降水量1 165.2 mm。轄區南北長56.5 km,東西距57.5 km,總面積1 423.62 km2。屬重慶市三峽庫區生態經濟區29個區縣之一,處三峽庫區生態經濟區和都市發達經濟圈結合部。

長壽境內河流眾多,水資源較為豐富,工農業生產比較發達,素有“化工城”之稱。桃花溪全長15.79 km,流域內7條支河,9個匯水面,流域面積31.12 km2。多年平均降水量為1 155.8 mm,主要污染來自垃圾、污水排放和化工污染。

示范區域位于桃花溪左岸一級階地平臺上,在長久的桃花溪洪水的不斷沖刷下,河漫灘已變成弧形,按照庫區最高蓄水位175 m考慮,將直接受桃花溪水沖刷。所以有必要對該區域進行總體規劃設計。

2 護坡技術設計與水土保持效應評價方法

2.1 生態護坡模式的關鍵技術及其設置

在充分消化吸收國內外先進的河流生態系統修復技術的基礎上,提出了以下4個模式的河流治理措施,并在重慶市長壽區桃花溪陸續展開試驗、示范。

2.1.1 樣地設置 示范區的樣地設置采用固定樣帶法,將40 m長、10 m寬的示范區分為近水區(在河流水位變化區以內的河岸區域)和遠水區(河流水位變化區以外的河岸區域)兩個不同的區域進行構建。近水區采用拋石結合植物扦插的方式鋪設,遠水區則設置了1-4號觀測帶(觀測帶面積10 m×5 m),順著河水流勢的方向依次展開喬灌草混交自然原型護岸、喬木混交自然原型護岸、土工織物扁袋結合扦插護岸、天然材料織物墊平鋪護岸,并在2號、3號觀測帶內附以活枝扦插、4號觀測帶種植灌木等土壤生物工程,利用存活植物來構筑河岸邊坡結構,實現穩定邊坡,減少水土流失、改善棲息地生境的目的[5]。在樣地設置時,每列觀測帶的坡頂、坡腰及近水區分別設置固定樣地,對各樣地的喬木、灌木和草本種類進行全部調查,其中草本樣方1 m×1 m。在河道對岸的邊坡上選取了相同大小的嚴重退化土質河岸作為對照,可以更好地評估這幾種生態護岸模式的水土保持效應。

2.1.2 生態護坡技術的選取

(1)拋石結合植物扦插。利用拋石結合植物扦插修復河流生態系統是一種傳統的治河理念,它是在拋石施工的基礎上,截取植物的枝條隨即扦插入拋石空隙之中的一種土壤生物工程方法[6]。拋石結合植物扦插既可以固定岸坡,減小局部岸坡的水流流速,減輕消除水流的沖蝕作用,保護河岸土體地域沖刷侵蝕,又可以達到改善河岸棲息地的目的。

在近水區常水位10 cm以上的部位種植耐水濕的紅葉李與木芙蓉扦插枝條,易成活。在拋石結構底部鋪設碎石,向上逐級增加粒徑,以達到促淤效果,并在塊石間隙填實土壤,保證土體厚度至少達到塊石平均厚度的一半,可避免掏空現象[7],利用扦插枝條的根系代替傳統護岸中無紡布過濾墊層,為植物的生長創造良好的環境,達到護岸強度、安全性、耐久性與生物性、親水性、景觀性的完美結合。

(2)自然原型護岸。自然原型護岸是指單純種植植物保護河岸、利用植物的根、莖、葉來固堤,以保持自然河岸特性的護岸方法,此類生態護坡設計,多采用喬灌草混交模式,能有效促進植被復層結構的形成,有利于充分利用空間和營養,增加河岸的生物多樣性。在遠水區的1號樣地內,參照自然河岸植物群落,從坡頂到坡底依次采用垂柳與鳶尾等觀賞植物混交、毛竹與黃花槐的喬灌混交、各種耐濕性強的灌草植物相結合的優化配置模式進行固坡護岸,形成多層次生態護坡,穩定土體結構,截留降水,減少風力對土壤表面的侵蝕,提供并改善多種生境,有助于水陸過渡帶的生態功能和生物多樣性的恢復。此護岸類型主要應用于流速較緩、坡度較陡的河岸[8]。

(3)土工織物扁袋(天然材料可選擇麻袋布)結合扦插。土工織物扁袋結合扦插護坡是把天然材料或合成材料織物在坡面展平后填土,然后把土工織物向坡內反卷,包裹填土,并在呈階梯狀排列的織物扁袋之間扦插活枝條的土壤生物工程措施。這項技術綜合了土工織物扁袋護坡和植物護坡的優點,起到了復合護坡的作用。麻袋布具有降解效果,可起到反濾作用,在岸坡表面覆蓋麻布袋并按一定的組合與間距扦插植物,達到根系加筋、莖葉防沖蝕的目的,增加土體的抗剪強度,減小孔隙水壓力和土體自重力,大幅度提高岸坡的穩定性和抗沖刷能力。在3號樣地內,織物袋內填充黑麥草種、碎石、腐殖土等材料,并選擇紅葉李、木芙蓉等易成活的鄉土枝條扦插。

(4)天然材料織物墊(黃麻麻袋布)護坡。天然材料織物墊指用可降解的椰殼纖維、黃麻、木棉、蘆葦和稻草等天然纖維制成的織物,可結合植被一起應用于河道岸坡防護。這類防護結構下層為混有草種的腐殖土,上層織物墊可用固土與景觀效果均較好的灌木黃花槐固定,并在表土層撒播種子。

由于織物由天然纖維織成,織物腐爛較快,可促進腐殖質的形成,增加土壤肥力。結合灌草,可有效增加土壤的抗蝕抗沖能力,成為國際上普遍使用的河岸護坡技術。

2.2 生態護坡水土保持效應評價

長壽區桃花溪河道生態護岸工程完成后,對各模式下的岸坡進行持續的生態監測,以比較各治理模式的優劣,綜合評估河岸的結構穩定性與生態穩定性。

2.2.1 監測內容與方法 桃花溪護岸工程在2008年7月完工,對治理的河岸坡面進行連續2年的監測,并保持每年平均1～3次的調查速率。為了保證觀測條件的一致性,每次調查均在連續的晴天之后。

(1)護岸植物的生長特性及生物量的調查。示范區內,采用每木檢尺法對各樣地坡頂、坡腰以及近水區植被的種類、高度、胸徑、覆蓋度等指標進行實地測量,分析河岸植被的群落結構及其生物多樣性,并調查地上枝條的生長高度、蓋度及其枝葉的生物量,同時記錄地下部分的根系長度和生物量,分析河岸植被的生長特性。

(2)土壤抗剪強度、含水率及其堅實度。每個樣地內,現場使用硬度計測定土壤硬度,并分別在坡頂和坡腰處按S形布點法各選取5個重復點,將深度為15 cm的淺層土帶回實驗室,使用烘箱法測定土壤含水率,TSZ30-2.0型臺式三軸儀測定土壤的抗剪強度,綜合分析河岸土體的穩定性。

庫侖抗剪強度公式τf=c+σtgφ表明,土的抗剪強度由兩部分構成,即粘聚強度c和摩擦強度σtgφ[9],其大小與作用在剪切面上的法向應力成正比,所以在三軸試驗中根據線性關系確定參數c,φ值即可。根據自然條件下不同植被、不同層次的最大垂直壓強為 11 k Pa(ρmax=1.95 g/cm3,h max=0.55 m,g=10 m/s2),考慮到植被等因素影響,把作用于土體的最大垂直壓強定為50 k Pa,得出在此垂直壓力下不同抗剪強度指標的大小。

(3)數據分析。選擇Gleason物種豐富度指數(D)反映植物群落的物種多樣性。

D=S/ln A

式中：S——生態系統中的物種數;A——單位面積。

利用SPSS 16.0對各護坡類型淺層土的抗剪強度進行單向方差分析,抗剪強度與土壤含水率及土壤硬度的線性回歸分析。

2.2.2 結果與分析

(1)植物生長變化及其群落變化特征。在護岸工程完成6個月后對各樣地植物生長狀況進行初步調查,其中自然原型護岸的草本植物生長狀況最為良好。作為工程后期引進的兩種優勢種,黑麥草以每月4～5 cm的速率生長,平均高度增長到29 cm,地上部分干重為134 g/m2,根重155 g/m2,而鳶尾的高度則達到了43 cm,每株鳶尾的平均葉片干重為5.12 g,根系干重為1.78 g。密集的草本蓋度有效地控制了表面土層的土壤侵蝕,有助于植物更好的發揮其水溫效應與機械效應。

在自然原型護岸中,除了通過植物種的侵入作用重新恢復草本植物外,喬木層的構建也日臻完善。在工程完成后的兩年時間里,毛竹和垂柳的生長狀況均十分良好,其樹高、胸徑及其覆蓋度均有明顯增加,見表1,植被對實驗區的生境狀況適應良好,結合發達的草本帶及灌木層,構建起多層次的空間群落結構。

土壤生物工程結合不同的護坡技術對河岸進行治理修復已經越來越被廣泛應用,其護坡效果也十分明顯。在春季,選擇直徑分別為0.6～1.0 cm、0.8～1.2 cm的紅葉李和木芙蓉光鮮枝條扦插在淺層土壤中,并對2008年8月至2009年1月的生長情況進行監測,如表2,不同類型護坡技術的扦插枝條生長情況有明顯差異,其中土工織物扁袋結合扦插護岸效果最為明顯,扦插枝條生長速度每月可達到 4～8 cm,成活率達到39%,而近水區拋石處的枝條生長速率則最為滯緩,平均每月僅增長3～5 cm,成活率也大為下降,僅為31%,其主要原因是塊石間的孔隙和土壤孔隙較小,植物根系缺乏生長空間。而土工扁袋護岸成階梯狀,坡面徑流大為減少,土壤中的有機質及其無機鹽分流失較少,相比坡度較大的自然原型護岸更有利于植物生長。到2010年4月,草本植物密集的自然原型護岸與天然材料織物墊結合灌草護岸的植被覆蓋度均超過了90%,而土工材料織物扁袋結合扦插和拋石處的扦插枝條覆蓋度也均超過了60%,生物量明顯增加,水土保持效益明顯。

(2)植物群落生物多樣性變化。原有的河岸裸地侵蝕嚴重,大多是以狗尾草為主的稀疏草本植物,覆蓋率極低,部分岸坡甚至遭到人為干擾,表層土壤被破壞,地表裸露,在雨季多處河段產生滑坡現象。經過河道護岸技術的引進與治理,河岸的生物多樣性得到明顯改善。在2010年4月的調查中發現,經過兩年的河岸修復,各樣地的物種豐富度均有較大的提升,引進的外來植物生長良好,成為當地的優勢種。其中,自然原型護岸的植被恢復最為明顯,物種數由治理前的3種增加到16種,物種豐富度為稀疏裸地的5～6倍,形成了以毛竹、垂柳為主的喬木,以黃花槐、紅葉李、木芙蓉為主的灌木,以黑麥草為主的草本共同構建的河岸坡地生物群落。

在近水區,拋石結合植物扦插護岸類型相較于自然原型護岸結構單一,且植物生長較為緩慢,這主要是由于拋石區處于水陸生態系統過渡帶,受邊緣效應影響比較大。

表1 自然原型護岸喬木層植被動態變化

表2 扦插枝條生物量變化統計

表3 2010年4月各護岸類型植物群落物種類型統計

表4 淺層土土壤抗剪強度

圖1、圖2所示,隨著年限的增加,內摩擦角的變化幅度比較小,粘結力與抗剪強度的變化趨勢則基本一致。在護岸工程完成后的初期,由于灌草地的淺層土被輕微擾動,其抗剪強度明顯低于對岸的裸露岸坡,而其抗剪強度在修復后的1年內變化幅度最大,其后增長速度變緩,這說明灌草地的根系生長速度較快,且根系較細,短期內的固土抗蝕效果比較明顯[10-11],2年后坡腰處灌草地的抗剪強度增幅速度達到了223%。

將不同護坡模式的抗剪強度進行方差分析,結果顯示各護坡類型土壤的抗剪強度呈顯著性差異(P=0.001＜0.05)。其中自然原型護岸、天然材料織物墊結合灌草措施與裸地的抗剪強度變化差異均較為顯著(P＜0.05),尤其是坡腰處的自然原型護岸,達到裸地的2～3倍。這說明隨著自然原型護岸植被的生長,喬灌草植被的高密度根系,尤其是須根的穿插和纏結作用,促進了土粒的團聚,從而增強了土壤抗分散、懸浮的能力,極大地提升了土壤的抗剪強度[12]。

土壤硬度是土壤物理性狀的一個綜合指標,是土壤顆粒度、結構、孔隙度、有機質含量、土壤水分含量和團粒結構的綜合體現。研究表明：土壤硬度與土壤的透水性、抗蝕性、抗沖性有密切關系,它是影響坡面穩定的重要因素之一[13]。在樣地內,2010年5月測定各類護坡土壤的含水率及其土壤硬度,見表5,并對其進行典型回歸分析,結果顯示,抗剪強度與土壤含水率呈顯著性負相關(R2=0.603,P=0.023＜0.05),與土壤硬度呈顯著性正相關(R2=0.518,P=0.044＜0.05)。

柱狀圖表示抗剪強度,折線圖表示粘聚力圖1 坡頂土壤抗剪強度水平變化

柱狀圖表示抗剪強度,折線圖表示粘聚力圖2 坡腰土壤抗剪強度水平變化

當土壤含水率增大時,由于土顆粒周圍的水膜厚度增大,水膜對土顆粒的粘結力減小,土顆粒之間的相互移動較為容易,摩擦力降低。此外,水分對膠結物質會產生一種楔入作用,從而導致土顆粒之間更易于滑動[14]。但是在各護岸類型中,由于植物根系的活動,導致淺層土壤的土質疏松,相比對岸裸地的土壤硬度并未有太大的增加。

表5 第3年淺層土含水量/土壤硬度

3 結論與討論

植被措施是生態護坡最原始、長期效果最明顯的護岸方法。在自然原型護岸岸坡上,黑麥草生長良好,郁閉度高,使表層土土壤質地得到明顯改善,防護效果良好;毛竹、垂柳、黃花槐等喬灌樹種適應能力極強,成活率極高,生長趨勢良好,植物的水文機械效應十分顯著。相比之下,土壤生物工程結合各護坡技術在河岸上的應用也取得了良好的效果,扦插枝條通過工程后期的精心養護成活率較高：土工織物扁袋(37%)＞自然原型護岸(31%)＞近水區拋石處(28%),既節約了成本,又取得了優良的防護效果。經過綜合整治,實驗區植被覆蓋率較原有的稀疏裸地有了及其顯著的提高：自然原型護岸(94%)＞天然織物墊結合灌草護岸(91%)＞土工織物扁袋結合扦插護岸(68%)＞近水區拋石結合植物扦插護岸(60%),水土保持效益十分明顯。

實驗區的植物種類在護坡工程完成后的數年內逐年增加,引進的外來植物種成為各樣地主要的優勢種,尤其是在自然原型護岸,物種豐富度為裸地的5～6倍,形成了多層次的喬灌草空間植被群落體系,生物多樣性與生態穩定性均明顯增加;而土工織物結合扦插護岸物種豐富度則相對較小,景觀效果不明顯。

各護坡類型對淺層土壤的抗剪強度差異性較為顯著。其中,灌草地的抗剪強度在護坡完成后的1年內增加幅度最大,這是由于灌草植物的極細根(尤其是直徑小于1 mm)對土壤的抗沖抗侵蝕作用十分明顯,這與王庫[10]、陳世銀[11]等學者的研究結果一致;在各護坡技術中,自然原型護岸的護坡作用最強,抗剪強度可達到治理前的2～3倍;而土工織物扁袋結合扦插護坡由于扦插植物生長相對緩慢,所以護坡前期的抗剪效果并不十分理想。此外,土壤抗剪強度與表征土壤物理性狀的土壤硬度及土壤含水率有顯著性相關關系。經數理統計分析,抗剪強度與土壤硬度呈顯著性正相關,與土壤含水率呈顯著性負相關。

各河岸護坡模式在短期內均取得了較好的效果,生態護岸作為一個自我修復、自我完善的生態系統,示范區的物種種類會逐漸趨于穩定,引進的外來植物與野生植物隨著對當地環境的適應,對土壤的機械效應與水文效應會更加明顯。除了生態系統的自我調節外,如何人為地對群落結構進行配置、如何協調水陸生態系統的生物多樣性與生態穩定性、如何評價各護坡模式的生態價值與景觀價值仍待進一步研究。

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