王 兵 高甲榮 陳 瓊 王 舒 張 棟 郭凱力

(北京林業(yè)大學(xué)，北京，100083)

河岸帶是河流與陸地進(jìn)行物質(zhì)、能量、信息交換的一個(gè)重要的過(guò)渡帶，對(duì)河流和陸地生態(tài)系統(tǒng)的健康都起著重要的作用［1］。人類(lèi)在社會(huì)發(fā)展的過(guò)程中，采用了較多水利工程方法對(duì)河流兩岸進(jìn)行防護(hù)，但大量使用鋼筋混凝土，嚴(yán)重破壞了河岸的生態(tài)系統(tǒng)，由此引發(fā)了許多的生態(tài)問(wèn)題，如河流水質(zhì)變差和生物多樣性下降等。在這種大的背景下，生態(tài)護(hù)岸作為一種新的河岸治理措施已被國(guó)內(nèi)外接受，其中運(yùn)用柳樹(shù)為主要材料的土壤生物工程護(hù)岸技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。土壤生物工程護(hù)岸技術(shù)是采用活體植物及其它輔助材料來(lái)構(gòu)筑各類(lèi)江河湖庫(kù)堤岸和海岸坡岸的結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定邊坡、減少水土流失的同時(shí)改善河岸的生物棲息環(huán)境的集成生態(tài)工程技術(shù)［2－5］。

河岸帶生態(tài)護(hù)岸的難點(diǎn)在于水岸接觸區(qū)，一方面水岸接觸區(qū)的土壤含水量較高，而含水量的增加使土的強(qiáng)度降低［6］，另一方面接觸區(qū)也容易受到流水和波浪的沖刷侵蝕，所以該區(qū)域河岸防護(hù)壓力最大。目前解決這個(gè)問(wèn)題的方式主要是采用復(fù)合工程的辦法，即在接觸區(qū)采用工程技術(shù)如石籠護(hù)岸［7］，接觸區(qū)以外采用生物護(hù)岸材料如柳樹(shù)等，這種復(fù)合方式雖然在一定程度上滿(mǎn)足了護(hù)岸的生態(tài)要求，但工程護(hù)岸的缺點(diǎn)也無(wú)法消除。因此，如何既能解決河岸接觸區(qū)的護(hù)岸壓力，又能最大限度地較少工程措施的使用是目前亟待解決的問(wèn)題。

為了尋找一種可以替代水岸接觸區(qū)工程護(hù)岸的生物材料或方法，筆者對(duì)北京市懷柔區(qū)琉璃河土壤生物工程護(hù)岸試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了連續(xù)5 a 的跟蹤調(diào)查研究。在調(diào)查的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，柳樹(shù)在靠近水面的地方會(huì)生發(fā)大量濃密的細(xì)根，相互纏繞固結(jié)在土壤表層(見(jiàn)圖1)，能夠很好地保護(hù)河岸來(lái)抵抗流水和降雨侵蝕。結(jié)合柳樹(shù)這種生根特點(diǎn)和護(hù)岸作用，可以利用柳樹(shù)的這種特性替代河岸接觸區(qū)的工程護(hù)岸措施，但目前對(duì)柳樹(shù)的這種特性缺乏足夠的認(rèn)識(shí)。為此，筆者調(diào)查了試驗(yàn)區(qū)柳樹(shù)的表層根系生長(zhǎng)特性及其影響因素，并根據(jù)研究結(jié)果提出了柳樹(shù)生態(tài)護(hù)岸的新模式，對(duì)今后國(guó)內(nèi)外開(kāi)展土壤生物工程護(hù)岸技術(shù)具有重大意義，并為今后土壤生物工程護(hù)岸技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供重要的參考和借鑒。

圖1 灌叢墊區(qū)表層根系生發(fā)現(xiàn)狀圖

1 試驗(yàn)區(qū)概況

調(diào)查區(qū)位于北京市懷柔區(qū)白河支流琉璃河段，屬于山區(qū)河流，內(nèi)有常流水，示范區(qū)長(zhǎng)100 m、寬4 m。沿岸采用了活體的柳樹(shù)莖干，按照扦插(圖2a)、灌叢墊(圖2b)和籬墻(圖2c)3 種護(hù)岸措施進(jìn)行了河岸帶近自然治理，長(zhǎng)度分別為灌叢墊30 m、扦插40 m、籬墻30 m。該試驗(yàn)區(qū)竣工于2009年，至今已有近5 a 的時(shí)間，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)柳樹(shù)長(zhǎng)勢(shì)較好，能夠?yàn)楸敬卧囼?yàn)提供豐富的材料和條件。

圖2 3 種形式柳樹(shù)護(hù)岸的施工圖

2 研究方法

2.1 調(diào)查時(shí)間與方法

本調(diào)查試驗(yàn)于2013年9月在北京市懷柔區(qū)白河灣琉璃河段生態(tài)護(hù)岸示范基地進(jìn)行，主要是對(duì)示范區(qū)內(nèi)3 種不同護(hù)岸方式下柳樹(shù)表層根系的調(diào)查研究。具體方法為:分別在每一種護(hù)岸形式內(nèi)部垂直于河流的方向從近水處向遠(yuǎn)水處一端隨機(jī)選取5 條150 cm×20 cm 的樣方帶，樣方帶內(nèi)劃定10 cm ×20 cm 的調(diào)查樣方。在樣地內(nèi)部劃定的調(diào)查樣方，分為a區(qū)(扦插)、b 區(qū)(灌叢墊)和c 區(qū)(籬墻)，從近水端一側(cè)往遠(yuǎn)水端一側(cè)分別編號(hào)1—16，調(diào)查樣方內(nèi)部表層根系生物量、土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和土壤含水量。

2.2 測(cè)定方法

表層根系生物量的測(cè)定方法為，將樣方內(nèi)的土壤表層深度在2 cm 范圍內(nèi)的活體柳樹(shù)根系收集到收集袋中帶回室內(nèi)烘干稱(chēng)其干質(zhì)量。土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定方法為，用環(huán)刀取小樣方內(nèi)的土壤帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用灼燒法［8］測(cè)定其土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，即在105 ℃下除去吸濕水的土樣稱(chēng)質(zhì)量后置于350 ～1 000 ℃灼燒一段時(shí)間，再稱(chēng)質(zhì)量，兩次稱(chēng)質(zhì)量之差即是土樣中有機(jī)碳的質(zhì)量。土壤含水量的測(cè)定方法為，用環(huán)刀取小樣方內(nèi)的土壤帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用烘干法［9］測(cè)定其土壤含水量，即取土樣放入烘箱，在105 ～110 ℃條件下，烘至恒質(zhì)量，為烘干土質(zhì)量，以此為基礎(chǔ)計(jì)算水分質(zhì)量(蒸發(fā)損失量)的百分比(%)，從而獲得土壤水分含量。

2.3 數(shù)據(jù)分析

用Excel 分別計(jì)算每種護(hù)岸形式下5 個(gè)樣帶相同樣方土壤含水量、土壤有機(jī)質(zhì)和表層根系生物量數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差，然后運(yùn)用Spss 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行組內(nèi)和組間方差分析(ANOVA)，同時(shí)采用Pearson 分布對(duì)土壤含水量和表層根系生物量、土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和表層根系生物量之間的相關(guān)性進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤含水量

表1中3 個(gè)區(qū)域的土壤含水量在組內(nèi)都存在著顯著的差異性，總體上有隨著離岸距離的增加而降低的趨勢(shì)，分析原因是靠近水面的土壤在毛管力［10］的作用下，將河流的水分吸收到土壤中，從而增加了靠近水面土壤的含水量。另外根據(jù)表1可知a、b、c3 區(qū)的含水量數(shù)據(jù)在編號(hào)1、2 近水端和編號(hào)15、16遠(yuǎn)水端差異性并不明顯，是因?yàn)樵诮擞捎谔拷?，此時(shí)土壤含水量的提高主要是受土壤空隙毛管力的影響，所以相差不大;而在遠(yuǎn)水端枝干的導(dǎo)管又無(wú)法將水分運(yùn)送到，含水量是土壤自然含水量，所以相差也不大;而3 個(gè)區(qū)在編號(hào)3—14 間的數(shù)據(jù)差異性較為顯著，其中b 區(qū)最為突出。這是因?yàn)楣鄥矇|區(qū)和籬墻區(qū)存在大量的腐爛柳樹(shù)枝干，枝干本身起到類(lèi)似導(dǎo)水管的作用，將靠近水面的水分運(yùn)輸?shù)缴喜堪镀绿岣吡送寥浪趾?另外腐爛的樹(shù)枝覆蓋在土壤表層也能有效地減少土壤水分的蒸發(fā)，而灌叢墊區(qū)、籬墻區(qū)的腐爛柳樹(shù)枝干要多于扦插區(qū)。綜合分析認(rèn)為灌叢墊區(qū)和籬墻區(qū)的土壤含水量在一定范圍內(nèi)要高于扦插區(qū)，因此灌叢墊和籬墻護(hù)岸形式相比較扦插具有更好地提高和保持土壤含水量的作用，其中最好的是灌叢墊形式。

表1 土壤含水量

3.2 土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)

從表2中可以看出扦插區(qū)有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本維持在8.22 ～9.12 g/kg，灌叢墊區(qū)有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本維持在10.42 ～12.90 g/kg，籬墻區(qū)有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本維持在9.78 ～11.06 g/kg。3 種護(hù)岸形式下土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在組內(nèi)差異性不明顯，而組間差異性顯著，其中灌叢墊區(qū)平均土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，籬墻區(qū)次之，土壤平均有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低的是扦插區(qū)。分析原因認(rèn)為，灌叢墊和籬墻由于施工采用了較多的柳枝，在5 a 的腐化過(guò)程中生成大量有機(jī)質(zhì)，從而提高了土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，而扦插區(qū)護(hù)岸形式施工時(shí)使用了較少的柳樹(shù)材料，故沒(méi)有過(guò)多的腐殖質(zhì)形成。綜合分析認(rèn)為，灌叢墊和籬墻的護(hù)岸形式有利于提高土壤的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其中灌叢墊的護(hù)岸方式最為明顯。

表2 土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3.3 表層根系生物量

表3中可以看出灌叢墊區(qū)編號(hào)1—14 的土壤表層根系生物量與籬墻區(qū)和扦插區(qū)組間差異性顯著，相同樣方編號(hào)內(nèi)根系生物量明顯高于其他兩種，而編號(hào)15—16 的數(shù)值差異性不顯著;編號(hào)1—11 籬墻區(qū)數(shù)值高于扦插區(qū)，且差異性顯著，編號(hào)1—5 和12—16 的扦插區(qū)與籬墻區(qū)數(shù)值差異性不顯著。另外，從表3中還可以看出各區(qū)域組內(nèi)差異性顯著，有隨著離岸距離的增加而降低的趨勢(shì)。為了弄清3 個(gè)區(qū)域內(nèi)表層根系生長(zhǎng)狀況的差異原因，通過(guò)運(yùn)用Spss 軟件對(duì)土壤含水量和表層根系生物量、土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和表層根系生物量做了統(tǒng)計(jì)量為均值和標(biāo)準(zhǔn)差的Pearson 相關(guān)性分析。結(jié)果顯示土壤含水量與表層根系生物量的相關(guān)系數(shù)為0.907，在0.01 的檢驗(yàn)水平上非常強(qiáng)地相關(guān);而土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與表層根系生物量的相關(guān)系數(shù)為0.491，在0.01 的檢驗(yàn)水平上弱相關(guān)，可認(rèn)為表層根系的生發(fā)與土壤含水量和土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)。因此，認(rèn)為較高的土壤含水量和土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)都有利于柳樹(shù)表層根系的生長(zhǎng)，這符合根系有向水肥生長(zhǎng)的特性［11］。

表3 表層根系生物量

3 個(gè)區(qū)域中，籬墻區(qū)在編號(hào)11—16，灌叢墊區(qū)在編號(hào)15—16，籬墻區(qū)在編號(hào)13—16 的樣方內(nèi)的表層根系生物量都接近零，這3 個(gè)區(qū)域內(nèi)相同的是土壤含水量數(shù)值都接近10%左右，而土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)卻不盡相同。綜合分析認(rèn)為土壤含水量是影響表層根系生發(fā)的限制性因素，當(dāng)含水量突然低于限制值時(shí)，即使土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)很高，依然不能生發(fā)表層根系。

4 結(jié)論與討論

灌叢墊護(hù)岸形式比扦插和籬墻的護(hù)岸形式具有更好地提高和保持土壤含水量的作用;而3 種護(hù)岸形式中灌叢墊和籬墻對(duì)提高土壤的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)有較明顯的作用，其中灌叢墊的效果最為明顯。從柳樹(shù)表層根系的生發(fā)狀況上看，灌叢墊的表層根系生發(fā)狀況最好，籬墻要好于扦插。另外，土壤含水量是柳樹(shù)表層根系的限制性生長(zhǎng)因素，當(dāng)土壤含水量低于限制值(調(diào)查區(qū)為10%左右)的時(shí)候，柳樹(shù)幾乎不能生發(fā)表層根系;而當(dāng)土壤含水量大于限制值時(shí)，柳樹(shù)表層根系的生長(zhǎng)情況隨著含水量的增加而變好。在其他條件相同的情況下，較高的土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)有利于表層根系生發(fā)。

4.1 柳樹(shù)表層根系護(hù)岸的優(yōu)勢(shì)

通過(guò)對(duì)柳樹(shù)表層根系護(hù)岸作用和生長(zhǎng)影響因素的研究發(fā)現(xiàn)，柳樹(shù)表層根系特別適合用于對(duì)水岸接觸帶的防護(hù)，主要有以下幾種優(yōu)勢(shì):柳樹(shù)表層根系能夠在水中及土壤含水量很高的土壤中生發(fā)，且生長(zhǎng)狀況非常好，有足夠的耐水性;柳樹(shù)表層根系能夠匍匐在岸坡的土壤表層，形成一個(gè)毯式保護(hù)層，抵抗來(lái)自雨水和河水的沖刷，具有極好的保護(hù)功能;河流的水位往往具有浮動(dòng)性，工程護(hù)岸位置相對(duì)固定，不能應(yīng)對(duì)不同水位對(duì)河岸的沖刷，而柳樹(shù)能夠隨著水位的升降在近水處快速地形成表層根系保護(hù)層;相對(duì)于工程護(hù)岸，表層根系護(hù)岸有更好的生態(tài)效益，且經(jīng)濟(jì)費(fèi)用較低。因此，利用柳樹(shù)的這種特性對(duì)防洪壓力不大的河流和湖庫(kù)的岸坡進(jìn)行防護(hù)是一個(gè)較為可行的方案。

4.2 新柳樹(shù)護(hù)岸的構(gòu)建模式

根據(jù)對(duì)柳樹(shù)表層根系生發(fā)的影響因素研究及不同柳樹(shù)護(hù)岸形式的防護(hù)功能，設(shè)計(jì)如圖3的護(hù)岸模式。該模式采用灌叢墊、籬墻和扦插3 種護(hù)岸形式相結(jié)合的方法，能夠充分發(fā)揮柳樹(shù)土壤生物工程護(hù)岸的功能。具體方式:在水位浮動(dòng)區(qū)采用灌叢墊和籬墻相結(jié)合的措施，而在距離河岸較遠(yuǎn)防護(hù)壓力小的岸坡采用扦插的形式。原因是籬墻能夠阻擋水流、降低流速，具有很好的抗水流沖刷的能力，而灌叢墊是表層根系生發(fā)的最好的護(hù)岸形式，灌叢墊本身的植株體和生發(fā)的表層根系能夠覆蓋岸坡地表，防止河流對(duì)岸坡的直接侵蝕;扦插相對(duì)于籬墻和灌叢墊更便于施工，而且生物材料消耗較少，是比較經(jīng)濟(jì)可行的一種護(hù)岸方式，采用這種方式能夠減少人力物力的消耗。

圖3 柳樹(shù)復(fù)合生態(tài)護(hù)岸模式斷面

注意事項(xiàng):灌叢墊使用的枝條應(yīng)盡量使用長(zhǎng)度較長(zhǎng)的枝條，這種枝條能夠?qū)⑺滞ㄟ^(guò)導(dǎo)管運(yùn)輸?shù)綗o(wú)水區(qū)，提高土壤的含水量，促進(jìn)表層根系的生長(zhǎng);籬墻相隔距離不宜過(guò)大，較近的間距能夠更好地減緩沖擊水流的流速。該模式使用純粹的生物材料，具有很好的生態(tài)效果，但防洪能力相比工程護(hù)岸還是有一定差距，因此該模式主要適用于防洪壓力不大，以水土保持和生態(tài)景觀效益為主的河流、水庫(kù)和湖泊岸坡。

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