長江上游山地城市江岸景觀修復設計研究——以重慶主城為例

袁嘉 羅嘉琪 侯春麗 楊柳青

0 引言

長江上游是指宜昌以上的江段，地跨中國地勢的第一、二級階梯，自然地理條件的垂直分異明顯，沿江城市多為山地城市。江岸景觀是河流邊岸在洪水期最高水位線和枯水期最低水位線之間的線性帶狀區域[1]。在長江上游山地城市中，江岸景觀作為城市坡地下延到河谷后陸域和水域的交互界面，既提供攔截、緩沖、過濾、凈化、生境和生物走廊等關鍵生態系統服務，又是重要的人類活動場所，在人與自然的相互作用下形成“山地—城市—江岸—河流”的整體生態基礎設施和生命綜合體。

在長江上游山地城市江岸中，地形地貌、水文情勢和人類活動干擾產生耦合效應，造成急劇的環境梯度變化、復雜的生態過程以及敏感脆弱的界面生態系統[2-3]。過去長江上游山地城市的江岸景觀實踐，缺少對其特殊生態特征和復雜環境挑戰的綜合考慮，導致江岸生態系統與服務功能衰退，缺乏應對環境變化的韌性。當前，城市江岸景觀設計的國外研究主要集中在揭示江岸環境的退化機制與流域規劃等方面[4-5]，中國相關工作則更多關注江岸形態結構梳理與水文調控[6]，以及防洪護岸工程建設[7]。上述國內外研究工作大多基于平原地形及水文特征開展，由于山地城市江岸陡峭且內部地形多變，其水文情勢的時空間變化及環境干擾相較平原地區更加復雜，導致平原城市江岸的修復經驗難以在山地城市江岸得到有效應用。此外，針對退化江岸的生態恢復及其管理方面的工作大多局限于理論總結和定性介紹，缺乏系統性的技術創新和實證性的定量研究[8]。綜上，針對山地城市江岸的特殊生態特征開展修復技術創新，并基于定量研究提供關鍵科學參考，以應對當前復雜環境變化及高強度人工干擾，是韌性山地景觀與長江上游流域生態修復亟待解決的熱點問題。

基于此，本研究以長江重慶主城段江岸為例，辨識其中的復雜環境挑戰；在此基礎上，提出景觀修復設計技術框架，選擇典型江岸斷面實施修復并開展實證研究；對典型斷面中的修復區域和未修復區域植被進行定量分析，完成景觀修復效益評估。研究成果旨在為長江上游流域生態修復和山地城市江岸景觀優化提供科學依據和可參考的應用范式。

1 長江上游山地城市江岸中的復雜環境挑戰

長江上游山地城市中，河谷地帶的劇烈高程變化和水力作用，使江岸景觀呈現出典型的側向分層結構。以長江重慶主城段江岸為例，河流下切沿江岸形成多級階地；同時由于人工修筑水利設施，最終形成江岸高地、護坡護岸、河漫灘及消落帶等多種圈層結構。受氣候變化與城市建設的復雜影響，長江上游山地城市夏季洪水頻發；以重慶主城為例，2018年遭受5年一遇洪水（最高水位184.7 m），2020年則承受了50年一遇的特大洪水（最高水位191.6 m）。同時，山地城市河床窄且比降大、過水斷面受限，造成洪水脈沖的最高、最低水位變幅大；汛期洪水陡漲陡落，頻繁地淹沒、侵蝕江岸或形成淤積[9]。此外，由于三峽庫區在春夏季以145 m低水位運行，秋冬季則以175 m高水位運行，使三峽庫區城市江岸形成“夏陸冬水”的水文環境。重慶主城的長江江岸也面臨著反季節水位變動影響，冬季水位可達176 m，夏季可消落至159 m以下，形成高差近20 m的消落帶。上述河庫交替引發的多重水位變化，嚴重脅迫以重慶主城為例的山地城市江岸景觀，使修復設計與管理維護面臨巨大挑戰。一方面，長期水位變動導致江岸的側向多圈層結構失穩，誘發次生地質災害，嚴重影響居民生存環境和景觀質量；另一方面，原有江岸物種難以適應不斷變化的水文環境，植物群落敏感脆弱，造成水陸交互界面的生態失衡。

長江上游山地城市江岸中存在大面積的陡坡護岸，既是保障河流岸灘穩定的重要水利設施，也是“城市—河流”生態交換的重要界面。這些江岸護坡一般采用混凝土硬化或使用水泥格框等結構加固坡面，再回填土壤并種植植物。然而，山地城市江岸護坡的物質、結構與植物群落卻極不穩定。以長江重慶主城段江岸為例，由于山地河流的高泥沙含量所引起的洪水的沖蝕與淤積作用，江岸護坡的地表沉積物難以維持穩定，影響地表理化性能。山地城市的江岸護坡多為陡峭坡地，回填土壤瘠薄，集雨面積小，產匯流速率快[10]。強徑流造成坡地下墊面侵蝕，土壤深度、滲透性、有機質養分含量及蓄水保墑能力隨坡度增加而劇減[11]。上述原因導致重慶主城長江江岸護坡的植被種植與管護十分困難；護坡植被的退化同時會加劇徑流產量和沖刷力，使坡地徑流中的污染物及泥沙含量增高[12-13]，進而對下方的河漫灘和消落帶生態系統造成影響，引發惡性循環。此外，沿江陡坡護岸普遍栽種單一化植被，不僅景觀效果單調，而且群落結構與功能難以維持。

由河流側向遷移與洪水漫堤的沉積作用形成的河漫灘，是長江上游山地城市江岸中動植物群落生存與河流能量轉換的重要場所。作為江岸生態系統中的典型群落過渡帶，河漫灘需要豐富的生物生境類型，從而激活河流生物生產力[14]。以長江上游重慶主城段江岸為例，河道裁彎取直現象較多，使河流側向與縱向水生態過程遭受破壞，嚴重影響了河漫灘的結構與功能，導致河漫灘植物群落多樣性大幅減少，引發生境退化[15]。同時，過度的游憩與開發等人為干擾，對河漫灘界面底質造成破壞，迫使生物多樣性下降[16]。此外，多重水位變化、面源污染、泥沙淤積與入侵植物等因素，也對河漫灘植物的生長發育形成脅迫，進一步加劇了重慶主城段江岸生態系統服務的損失。

2 修復區域概況及修復設計框架

2.1 修復區域

本研究選取長江上游重慶主城江岸的代表性斷面——九龍外灘為案例地，實施修復并開展實證性研究。該區域位于長江干流左岸、九濱路東側，規劃總面積約70 hm2，整體沿長江主河道南北向延伸（圖1）。修復區域具備典型的側向多圈層結構，從高到低依次為：城市廣場（191 m）、直立式硬質擋墻（185～191 m）、菱形水泥格框護坡（178～185 m）、完全硬化的水泥砌筑岸坡（175～178 m）、以泥沙和卵石為主要底質的大型河漫灘消落帶區域（175 m以下）。護坡最大高程低于重慶主城區防洪標準的5年一遇設計洪水位（185.9 m）；由于三峽庫區的反季節蓄水，修復區域內的河漫灘和消落帶每年面臨長達6個月的秋冬季深水淹沒。江岸整體坡度較大，其中，178～185 m高程之間的菱形水泥格框護坡，平均寬度不足10 m，護坡坡度達30.3°，175～178 m水泥砌筑岸坡坡度約26.4°；175 m以下的河漫灘區域中，170～175 m之間平均坡度約5.8°，165～170 m平均坡度約6.9°。場地內部人行交通以馬道形式修建，二級馬道位于185 m高程，一級馬道位于178 m高程，兩級馬道之間由梯步連通。受前文所述的多重水位變化、護坡系統失穩及河漫灘植被衰退等復雜環境影響，修復前江岸生境惡劣且退化嚴重；葎草（Humulus scandens）、喜旱蓮子草（Alternanthera philoxeroides）等惡性雜草隨水文傳播遷入，迅速擴繁并占據群落優勢地位（圖1）；江岸整體生物多樣性與生態系統服務水平低下，景觀效果單調。

1 九龍外灘區位、江岸結構及原有退化植被Location of the Jiulongwaitan, structure of the riparian landscape, and degraded riparian vegetation before the restoration

2.2 修復設計技術框架

本研究提出3項設計策略：1）適應多重水位變化的分圈層韌性植物篩選；2）以修復護坡物質、結構與生物群落為目標的護坡立體生態種植設計；3）為恢復河漫灘結構完整性與提高生物生境豐富度的河漫灘“植被—底質—微地貌”耦合設計。所有設計策略順應山地城市江岸生態界面的典型立體特征與環境梯度，并且有機耦合、協調互補，形成對復雜環境挑戰的多重分層生態緩沖，從而組織起有效的江岸景觀修復設計技術框架（圖2）。自2018年4月起，實施九龍外灘江岸景觀修復，工程于當年5月末竣工。

2 應對復雜環境挑戰的長江上游山地城市江岸景觀修復設計技術框架Landscape restoration design framework to cope with complex environmental stress in the riparian landscape of mountainous cities in the upper reaches of the Yangtze River

2.2.1 應對多重水位變化的分圈層韌性植物篩選研究順應江岸多級階地及其高程變化進行植被設計，建立結構與功能有機耦合的韌性植物圈層系統以實現分層生態緩沖，包括：高護岸野花草甸（178～185 m）、水泥砌筑岸坡生態柔化（175～178 m）、水際線林澤（170～175 m）、河漫灘灌叢草甸（165～170 m）以及河漫灘濕草甸（165 m以下）。實現韌性應對多重水位變化目標的關鍵，在于針對江岸側向結構中的復雜水文情勢，分圈層篩選適生并具備良好韌性的植物種類，為營建不同韌性圈層提供有效的植物資源庫（表1）。

175～185 m高程的菱形水泥格框護坡坡度陡峭，其中僅回填20 cm營養貧瘠的砂質土壤，加上夏季洪水和坡面徑流的頻繁淹沒與沖蝕，喬木與灌叢難以定植，并容易被強力的洪水沖斷或拔起。針對這些特殊環境挑戰，研究選擇具有強健根系的闊葉草花與觀賞禾草進行坡面生態修復（表1）。一方面，草本植物的根系能夠良好適應厚度較低的回填土壤，生長發育迅速并完整覆蓋坡面，且纖維柔韌不易被洪水折斷；另一方面，相比喬木和灌叢，草本植被覆蓋的坡面所產生的徑流中泥沙含量更低，能夠有效平衡徑流削減與蓄水保墑[17]。

為適應夏季的頻繁洪水淹沒和淤積以及秋冬季的長時間深水淹沒，175 m高程以下的河漫灘消落帶區域，需要選用耐淹性強并能夠迅速生長恢復的植物種類，以維持出露季節的河漫灘地表覆蓋與植物群落結構穩定。研究利用170～175 m河漫灘區域的深厚淤泥質土層，種植爆竹柳、池杉、楓楊、落羽杉、烏桕、中山杉等喬木及秋華柳等灌木，并采用三角樁進行固定[18]，從而建立具有良好生態緩沖能力的水際線林澤。在165～170 m高程種植秋華柳灌叢，以及荻、卡開蘆、蘆葦、五節芒等高草與沿階草，形成團塊狀河漫灘灌叢草甸，能夠有效應對洪水沖擊，并在退水期迅速生長并覆蓋地表。165 m以下受河庫交替淹沒的干擾頻率最高，主要通過保護原有土壤底質，促進種子庫自然萌發建立濕草甸群落，形成江岸與長江水體之間的最后一道生態屏障（表1）。

2.2.2 護坡立體生態種植

為有效應對175～185 m高程下陡岸護坡中的坡面物質與結構不穩定、人工植被快速衰退以及入侵植物競爭等復雜挑戰，研究基于穩定護坡沉積物、穩固土壤和修復植物群落穩定性的目標，設計立體生態種植系統進行護坡界面的生態調控與景觀優化。

在178～185 m高程種植野花草甸覆蓋護坡，通過冠層截流與蒸騰作用降低坡面徑流影響；野花草甸既能緩沖洪水侵蝕，其地上生物量又明顯低于木本植物群落，能有效減少每次洪水脈沖造成的泥沙淤積，有利于坡面沉積物穩定。在175～178 m完全硬化的水泥砌筑岸坡中，打入金屬膨脹螺絲并張拉耐水腐蝕的鍍鋅鋼絲網，種植地錦、葡萄、秋華柳與常春油麻藤等耐水淹灌木、懸垂或攀緣植物。多種植物在鍍鋅鋼絲掛網上生長盤錯，有利于洪水沉積物在水泥岸坡的附著和積累，實現硬質護坡界面的生態柔化并加強緩沖功能。

研究設計生物籬網，穩固菱形水泥格框護坡內的回填土壤。在頻繁遭受夏季洪水侵蝕的178～181 m水泥格框護坡，取出15 cm深土壤，鋪設當地常見綠化小喬木（如桂花Osmanthus fragrans等）的枯枝，形成第一層枯枝籬網，在枯枝籬網上覆蓋10 cm深土壤。采用秋華柳帶根幼苗（株徑1～2 cm）編制鮮枝籬網，并覆蓋5 cm深土壤。2層生物籬網能有效提高土壤孔隙度，增強垂向的土壤水分滲透，并與野花草甸的植物根系相互盤結形成穩固的地下韌性結構，有效增強護岸土壤穩定性[19]。在相對較少遭受洪水脈沖影響的181～185 m高程，僅采用枯枝籬網，為根系生長預留更多空間，以此增加種植植物的豐度和多度。

高護岸野花草甸使用了36種具有不同花期、高度和葉序形態的草本植物（表1），具有高物種豐富度和豐富的垂直亞層結構，并通過不同種類交錯混栽、塑造鑲嵌分布的水平格局，有效增加了坡面植被的群落多樣性，有利于保持群落穩定性并提升景觀效果。同時，利用植物配置形成2種“植物–動物關鍵種”物種團，分別是：1）以蜜粉源豐富的濱菊、黑心金光菊、山桃草、蓍草等闊葉草本種類為優勢種的“闊葉野花集群–傳粉昆蟲”物種團；2）以狼尾草、細葉芒等較為高大的觀賞禾草為優勢種的“高草野花集群–草叢鳥”物種團（圖3）。2種物種團能夠吸引和保育具有授粉、植物傳播等重要生態功能的動物種群，強化坡面植物群落的自我維持功能。

3 178～185 m高護岸的野花草甸Wildflower meadow on the upper revetment between 178-185 m3-1 闊葉野花草甸Forb-rich and wildflower meadow3-2 高草野花草甸Tall grass and wildflower meadow

表1 分圈層韌性植物篩選表Tab. 1 List of resilient plant species for the buffer layers

2.2.3 河漫灘“植被—底質—微地貌”耦合設計

在原本植被與生境退化嚴重的175 m以下河漫灘，充分利用山地河流的不均勻沖蝕與沉積等不同水力方式交互作用所產生的豐富微型地貌、界面底質和多變的水濕條件，與植物群落的種植設計形成耦合系統，從而恢復河漫灘的生態結構完整性并優化生物生境，為河漫灘生態系統的長期穩定提供保障。

在170～175 m高程的水際線林澤中，將喬木種植成蜿蜒的“柳龍”形態（圖4），在順直型水泥砌筑岸坡（175～178 m）之外，重塑江岸的自然蜿蜒形態。喬木“柳龍”結構能夠增加水力粗糙度，在洪水期間減緩水流沖擊并形成小區域的回水，促進淤泥與河流中營養物質的沉積，改善河漫灘土壤肥力條件[20]，為植被生長建立良好基礎。

4“柳龍”林澤“Willow-dragon” wooded swamp4-1 夏季出露期Summer emergence period4-2 夏季洪水期Summer flood period4-3 冬季蓄水期Winter impoundment period

山地河流通過運移、侵蝕和堆積等水力方式，在河漫灘上塑造出淺沼、水塘、洄水洼地、卵石灘等多種微型地貌結構。設計充分保留了這些界面底質、土壤濕度、水位高度、營養成分和光照條件上特征各異的微型環境單元，并在它們之間的空隙空間置入一系列大小、形狀、深淺不一的人工凹地形。豐富的河漫灘微地貌與種植的多種耐水淹灌叢草甸以及自生濕草甸群落組合出類型繁多的高異質性生境，并形成水平格局上的復雜鑲嵌（圖5），優化了河漫灘生物走廊的生態結構。

5 河漫灘“植被—底質—微地貌”耦合設計“Vegetation-sediment-microtopography” integrated design for floodplain ecosystem

3 江岸景觀修復效果評估

3.1 調查及統計方法

2020年5月，本研究選擇九龍外灘江岸中實施生態修復的區域（簡稱修復區），并將修復區以北、未實施生態修復的相鄰區域作為對照區，開展定量調查。在垂直河流方向設置8條樣線：修復區6條，對照區2條，每條樣線之間間隔100 m。其中，進行立體生態種植的江岸護坡區域（178～185 m）沿海拔高程每隔2～3 m設置一個采樣梯度，使每條樣線上分布3個采樣點；175 m高程以下的河漫灘區域沿海拔高程每隔5 m設置1個采樣梯度，使每條樣線上分布4個采樣點。針對草本植物群落，每個采樣點設置5個1 m×1 m樣方；針對170～175 m高程的木本植物群落，每個采樣點設置1個10 m×10 m樣方；記錄樣方內的植物種類、數量、平均高度和蓋度。

研究選取Marglef豐富度指數、Shannon-Wiener多樣性指數、Simpson優勢度指數和Pielou均勻度指數描述植物群落結構特征，運用SPSS 20.0軟件中的方差分析和Tukey法比較修復區和對照組中不同高程的植物多樣性指數的差異。以植物出現頻率與平均蓋度均大于15%為依據，篩選生態護坡區域和河漫灘區域內的優勢種植物；以重要值數據為基礎進行植物群落的組成分析，計算公式為：

重要值（IV）=（相對高度+相對蓋度）

3.2 修復效果評價

研究區域共發現高等維管植物43科113屬135種，其中，修復區植物種類明顯增加，共記錄42科106屬129種；未修復區域植物僅發現17科38屬40種。研究結果顯示，修復區內植物群落的Marglef豐富度指數、Shannon-Wiener多樣性指數和Simpson優勢度指數顯著高于對照區（圖6），證明分圈層韌性植物篩選并構建植物資源庫有效應對了研究區域復雜高程變化及水文情勢；生態修復后的江岸植被不僅建立了應對多重水位變化、物質與結構失穩及生境退化等復雜環境脅迫的良好韌性，群落結構與多樣性也不斷優化。修復區植物群落的Pielou均勻度指數相較對照區沒有顯著差別（圖6），表明研究采用的修復措施，能夠在引入大量具有良好生態功能的植物種類、提升群落多樣性的同時維持植物個體數量分布的均勻程度，在優化植被結構和功能的同時有效維持了群落穩定。

6 研究區域植物群落多樣性特征Diversity characteristics of plant communities in the research area

圖7展示了護坡植被中15個優勢種的分布情況，其中，橫軸顯示了不同物種的重要值；對不同物種的重要值進行對數處理，縮小數據差異后進行顯著性檢驗，分布點顏色越深代表該物種的在群落中的相對重要性越高；同時，分布點的面積與其頻度正相關。結果顯示，葎草這一惡性入侵雜草在未實施修復的對照區中占據絕對優勢，同時與蜈蚣鳳尾蕨（Pteris vittata）、牛筋草（Eleusine indica）、蛇床（Cnidium monnieri）和小蓬草（Erigeron canadensis）等少數雜草形成貧乏化的均質群落。采用立體生態種植修復后的護坡植物群落的優勢種數量及出現頻率均明顯高于對照區群落，且不同高程梯度中的優勢種分布差異較大，表明修復后的護坡植物群落類型相較對照區更為豐富。修復區內濱菊、黑心金光菊、山桃草、腎蕨、蓍草和細葉芒等栽培植物占據群落優勢地位，既有效抑制了葎草等入侵植物的擴繁，又能夠為傳粉昆蟲和草叢鳥等動物關鍵種提供更加適宜的取食和庇護條件，有利于保障并提升江岸護坡的生物多樣性和景觀自我維持功能。

7 護坡修復區與對照區優勢物種分析Analysis of dominant species in the restoration area and contrast area of the slope revetment

圖8展示了河漫灘植被中12個優勢種的分布情況。結果顯示，對照區植被中狗牙根、蘆葦和牛鞭草占據絕對優勢，群落組成極度單一。修復區內優勢種群數量及其分布的均勻程度均明顯高于對照區，說明采用“植被—底質—微地貌”耦合設計進行生態修復后的河漫灘植被能夠有效應對多重水位變化和人類干擾，逐步形成合理分布的穩定格局，增加了江岸植被連續性。隨著高程增加，修復區植被的優勢種群逐漸從一年生小型濕生草本過渡成多年生禾草，地上生物量和生產力顯著提高，群落結構更加穩定。盡管165 m以下河漫灘區域僅采用自然修復，沒有進行人工種植，但修復區內群落多樣性仍明顯優于對照區。這一結果表明，165～175 m的喬木“柳龍”林澤和灌叢草甸等生態種植群落，有效緩沖了多重水位變化等環境脅迫，改善了165 m以下河漫灘區域的生境條件。同時，研究在河漫灘區域保留自然微地貌和置入人工凹地形，能夠作為出露季節的雨水儲留空間，維持河漫灘垂向梯度的水文流和補足地下水層[21]，為夏季江灘出露時的植物生長修復提供適宜條件；另一方面，凹地形在洪水及冬季蓄水淹沒過程中，有利于溶解有機碳等河流營養物質和植物種子的富集，為自生植被發育提供適宜的河漫灘基質，進一步提升河漫灘生物多樣性[22-23]。

8 河漫灘修復區與對照區優勢物種分析Analysis of dominant species in the restoration area and contrast area of the floodplain area

修復后九龍外灘江岸景觀改善顯著，連續3年（2018—2020年）承受了夏季洪水脈沖的反復沖蝕、淤積及冬季深水淹沒，提供了持續全年的良好景觀效果（圖9）。原本植物種類單一、景觀單調的菱形水泥格框護坡中，形成了層次與色彩豐富、季相多變的野花草甸。“水際線林澤—灌叢草甸—濕草甸”復合群落與豐富的河漫灘微地貌有機鑲嵌形成復合格局，呈現出優美的立體生態外貌；同時增加了江岸垂直結構的豐富度，能夠滿足更多鳥類和昆蟲棲息繁衍的生態位和實際微生境需求[24]。170～175 m的河漫灘林澤復合群落能夠發揮滯洪削峰的生態屏障作用[25]，并防止上游來水中攜帶的入侵植物繁殖體向護坡空間擴繁[26]。修復后的河漫灘植物群落發育良好，顯著增加的凈初級生產力能夠促進浮游動物和無脊椎動物生長，為隨夏季洪水和冬季蓄水遷徙至此的魚類提供豐富餌料，并吸引鳥類前來取食，有效完善了河漫灘景觀內的食物網結構，有利于長期可持續的江岸生物多樣性保育。

9 江岸景觀修復效果Restoration effect of the riparian landscape9-1 修復前Before the restoration9-2修復后After the restoration

4 結論

本研究針對長江上游山地城市江岸中的復雜環境挑戰提出修復設計技術框架，并通過重慶九龍外灘江岸的實證性修復研究，檢驗了技術方法的可行性。設計修復后的江岸景觀能夠有效適應場地的復雜逆境脅迫，優化了江岸界面中物種流、營養流及水文流的交互作用與生態聯系，這些創新技術的系統性應用、定量監測和集成示范在長江流域尚屬首次。研究區域是長江上游山地城市江岸的代表性景觀空間，這一區域江岸復雜問題的技術瓶頸攻關，對整個長江上游江岸生態修復與景觀綜合整治具有積極的參考價值和普遍適用性。

在今后的研究與實踐中，需要進一步明確山地城市江岸景觀系統的關鍵調控因子及其梯度變化特征，探究在水文變化以及高強度人工干擾影響下的江岸景觀環境適應機制。通過定量數據收集，分析山地城市江岸生態系統的演變規律以及與水陸交匯過程中物種流、營養流及水文流的交互作用，從而完善山地城市韌性江岸生態系統的科學設計，實現其生態緩沖、生物生境及觀賞游憩等多功能服務目標。

圖表來源(Sources of Figures and Table)：

文中圖表均由作者繪制；圖3、4、9由作者自攝；圖1底圖來源于谷歌地圖（2018-05-12）。