李晉鵬，吳 磊，劉 殊，宣 昊，王學(xué)霞

(1. 交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究所，北京 100088; 2.中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410004; 3.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境工程評(píng)估中心, 北京 100012; 4.北京市農(nóng)林科學(xué)院 植物營(yíng)養(yǎng)與資源研究所, 北京 100097)

1 研究背景

河岸帶作為陸生和水生生態(tài)系統(tǒng)之間最重要的生態(tài)過(guò)渡帶，其空間異質(zhì)性高，物質(zhì)流、能量流和信息流交換頻繁，具有較高的生物多樣性和生產(chǎn)力[1-2]，其組成結(jié)構(gòu)對(duì)外界干擾和水文情勢(shì)變化敏感，并日益受到人工工程的強(qiáng)烈影響[3-4]。護(hù)岸工程作為天然河流航道整治工程的重要內(nèi)容，傳統(tǒng)上多采用混凝土和拋石等硬質(zhì)材料，強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、安全性和防洪能力，從而忽視了河岸帶的審美價(jià)值、生態(tài)功能、河流生態(tài)完整性及水生陸生生態(tài)系統(tǒng)的連通性[5-7]。近年來(lái)，生態(tài)護(hù)岸作為航道整治工程生態(tài)建設(shè)的重要實(shí)現(xiàn)途徑備受?chē)?guó)內(nèi)外關(guān)注，相關(guān)的研究和應(yīng)用日益增加，并已成為航道整治工程的發(fā)展趨勢(shì)[8-10]。生態(tài)護(hù)岸的建設(shè)不僅滿足了工程設(shè)計(jì)的要求，還便于植物的生長(zhǎng)、生物體的交流、地表徑流和地下水的流動(dòng)，提高了河岸帶生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并為生物提供了適宜的棲息地[11]。

長(zhǎng)江航道在航運(yùn)方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和巨大發(fā)展?jié)摿Γ蛔u(yù)為“黃金水道”，是構(gòu)建長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶綜合立體交通走廊的主骨架。近年來(lái)，長(zhǎng)江航道整治工程先后采用了混凝土網(wǎng)格、鋼絲網(wǎng)石籠、土工格柵等新型護(hù)岸護(hù)灘結(jié)構(gòu)，為生態(tài)護(hù)岸的建設(shè)開(kāi)展了有益的探索[10,12]。長(zhǎng)江南京以下深水航道二期工程在建設(shè)過(guò)程中研發(fā)了多種生態(tài)護(hù)岸形式，并在部分河段開(kāi)展了相應(yīng)試驗(yàn)。當(dāng)前，生態(tài)護(hù)岸的生態(tài)性評(píng)價(jià)多采用植物體高度、植被覆蓋度、物種豐富度和組成、生物多樣性指數(shù)、大型底棲動(dòng)物和微生物等相關(guān)指標(biāo)，對(duì)其植被恢復(fù)情況跟蹤研究相對(duì)較少[13-14]。研究區(qū)所在河段為沖積平原，水動(dòng)力及泥沙運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，不同程度受到潮流的影響，生態(tài)護(hù)岸的建設(shè)及植被恢復(fù)情況備受關(guān)注[15]。因此，采用數(shù)量生態(tài)學(xué)方法對(duì)二期工程生態(tài)護(hù)岸的陸生植被恢復(fù)及實(shí)施效果進(jìn)行評(píng)價(jià)具有重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值?；谏鲜龇治觯狙芯窟x取長(zhǎng)江南京以下深水航道二期工程典型生態(tài)護(hù)岸和傳統(tǒng)拋石護(hù)岸，對(duì)工程竣工后1 a的陸生植被自然恢復(fù)狀況進(jìn)行采樣調(diào)查，定量評(píng)價(jià)不同類(lèi)型生態(tài)護(hù)岸的植被恢復(fù)效果，揭示生態(tài)護(hù)岸植被恢復(fù)的影響因素，在此基礎(chǔ)上探究不同生態(tài)護(hù)岸的生態(tài)性及其生態(tài)效應(yīng)，進(jìn)而為航道整治工程生態(tài)護(hù)岸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，為長(zhǎng)江生態(tài)保護(hù)及修復(fù)提供重要指導(dǎo)。

2 研究區(qū)域與研究方法

2.1 研究區(qū)域概況

長(zhǎng)江南京以下12.5 m深水航道二期工程是我國(guó)“十二五”和“十三五”期間內(nèi)河水運(yùn)投資規(guī)模最大、技術(shù)和建設(shè)環(huán)境最復(fù)雜的重點(diǎn)工程，涉及河段全長(zhǎng)227 km，重點(diǎn)整治福姜沙水道、口岸直水道、和暢州水道和儀征水道[16]，工程于2015年6月開(kāi)工，2017年6月交工驗(yàn)收。本研究選取口岸直河段2017年5月建成的傳統(tǒng)拋石護(hù)岸(圖1(a))及2種典型生態(tài)護(hù)岸為例，包括格狀石籠壓載植生墊護(hù)岸(圖1(b))、立體網(wǎng)狀柵格護(hù)岸(圖1(c))，于2018年秋季開(kāi)展植被恢復(fù)狀況采樣調(diào)查研究，護(hù)岸所在區(qū)域均為自然恢復(fù)植被。調(diào)查表明:傳統(tǒng)拋石護(hù)岸采用塊石，泥沙于石縫中淤積，植物生長(zhǎng)條件較差;格狀石籠壓載植生墊護(hù)岸和立體網(wǎng)狀柵格護(hù)岸泥沙分別于格賓和混凝土立體網(wǎng)格構(gòu)件內(nèi)淤積，促淤效果好，可以為植物提供充足的生長(zhǎng)空間。

圖1 長(zhǎng)江深水航道工程生態(tài)護(hù)岸植被恢復(fù)調(diào)查采樣點(diǎn)Fig.1 Sampling sites of vegetation restoration by ecological riverbank in the deep waterway regulation of Yangtze River

2.2 樣地調(diào)查及分析測(cè)試

本研究于2018年秋季枯水期開(kāi)展口岸直河段傳統(tǒng)拋石護(hù)岸及2種生態(tài)護(hù)岸的陸生植物群落及分布格局調(diào)查，每個(gè)采樣點(diǎn)設(shè)置1個(gè)植被調(diào)查樣方(圖1)。具體過(guò)程如下：①立體網(wǎng)狀柵格護(hù)岸，垂直于河流方向設(shè)置3條調(diào)查樣帶，每條樣帶沿河岸帶橫向梯度等距離(由近及遠(yuǎn)分別表示為a，b，c，d)設(shè)置 4個(gè)植被調(diào)查樣方，共計(jì)12個(gè)樣方(E1—E12)；②格狀石籠壓載植生墊護(hù)岸，隨機(jī)選取2個(gè)石籠，設(shè)置2個(gè)樣方(L1,L2)；③拋石護(hù)岸，垂直于河流方向設(shè)置3條調(diào)查樣帶，每條樣帶沿河岸帶橫向梯度等距離(由近及遠(yuǎn)分別表示為a、b、c)設(shè)置3個(gè)調(diào)查樣方，共計(jì)9個(gè)樣方(S1—S9)；④分別于立體網(wǎng)狀柵格護(hù)岸和傳統(tǒng)拋石護(hù)岸工程區(qū)影響范圍外，設(shè)置2個(gè)對(duì)照樣方D1和D2(圖1)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 重要值及優(yōu)勢(shì)種確定

樣方中各植物物種的重要值(Important Value, IV)可以采用以下公式進(jìn)行計(jì)算[18]：IV=(相對(duì)密度+相對(duì)頻度+相對(duì)蓋度)/300。其中：相對(duì)密度為某一物種的個(gè)體數(shù)占所有物種總個(gè)體數(shù)的百分比;相對(duì)頻度為該物種的頻度占所有物種頻度的百分比；相對(duì)蓋度為某一物種的蓋度占所有物種總蓋度的百分比。

采用重要值這一綜合數(shù)量指標(biāo)來(lái)確定各樣方的優(yōu)勢(shì)種，樣方中重要值>0.10的物種可以確定為該樣方的優(yōu)勢(shì)種。

2.3.2 生物多樣性指數(shù)

生物多樣性指數(shù)能較好地反映植物群落的種類(lèi)組成、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和復(fù)雜性[19]。計(jì)算各采樣點(diǎn)植物樣方的生物多樣性指數(shù)，公式如下：

(1)Margalef豐富度指數(shù)d為[20]

d=(S-1)/lnN。

(1)

(2)Shannon-Weaver指數(shù)(H′)為[21]

(2)

(3)Pielou均勻度指數(shù)(J)為[22]

J=H′/lnS。

(3)

式中：Pi為樣方中第i個(gè)物種個(gè)體數(shù)占總個(gè)體數(shù)的比例；N為樣方中所有物種個(gè)體數(shù)之和；n為樣方中植物物種總數(shù)；S為樣方中的植物種類(lèi)分類(lèi)單元數(shù)。

2.3.3 相關(guān)統(tǒng)計(jì)和CCA分析

3 結(jié)果與分析

3.1 植物群落種類(lèi)組成

護(hù)岸工程25個(gè)植被樣方調(diào)查共采集到維管束植物12科19屬19種，其中1種為蕨類(lèi)植物，其余18種均為被子植物(表1)。立體網(wǎng)狀柵格護(hù)岸植物種類(lèi)為8種，其中一年生草本植物4種，占50%，優(yōu)勢(shì)種為馬蘭(Kalimerisindica)、碎米薺(Cardaminehirsute)等；格狀石籠壓載植生墊護(hù)岸為6種，其中一年生草本植物2種，占33%，優(yōu)勢(shì)種為碎米薺、蘆葦(Phragmitesaustralis)、蔊菜(Rorippaindica)等；拋石護(hù)岸植物種類(lèi)為6種，其中一年生草本植物2種，占33%，優(yōu)勢(shì)種為北水苦荬(Veronicaanagallis-aquatica)，碎米薺等；對(duì)照樣點(diǎn)植物種類(lèi)為12種，其中一年生草本植物2種，占17%，優(yōu)勢(shì)種為蘆葦、土牛膝(Achyranthesaspera)、水蓼(Polygonumhydropiper)、五月艾(Artemisiaindica)等。此外，研究區(qū)河岸帶還分布有樸樹(shù)(Celtissinensis)、榔榆(Ulmusparvifolia)、構(gòu)樹(shù)(Broussonetiapapyrifera)、八角楓(Alangiumchinense)等喬灌木植物種類(lèi)。

表1 長(zhǎng)江深水航道工程生態(tài)護(hù)岸植物群落種類(lèi)組成Table 1 Composition of species in ecological riverbank in the deep waterway regulation of Yangtze River

表2 長(zhǎng)江深水航道工程生態(tài)護(hù)岸沉積物物理化學(xué)性質(zhì)Table 2 Physicochemical properties of sediments in ecological riverbanks in the deep waterway regulation of Yangtze River

3.2 植物群落生物多樣性及生物量

生物多樣性指數(shù)計(jì)算結(jié)果(圖2)表明，立體網(wǎng)狀柵格護(hù)岸的Margalef豐富度指數(shù)(d)和Shannon-Weaver 指數(shù)(H′)均表現(xiàn)為沿河岸帶橫向梯度逐漸增大，靠近內(nèi)陸一側(cè)具有較高的生物多樣性，靠近河流一側(cè)樣點(diǎn)(E-a、E-b)則沒(méi)有植物種類(lèi)的分布；格狀石籠壓載植生墊護(hù)岸具有相對(duì)較高的生物多樣性；拋石護(hù)岸沿河岸帶橫向梯度生物多樣性隨機(jī)變化較大，且均有植物種類(lèi)的分布；對(duì)照樣點(diǎn)具有最高的生物多樣性。Pielou指數(shù)(J)作為衡量植物群落物種分布均勻程度的指標(biāo)，可以看出對(duì)照樣點(diǎn)、格狀石籠壓載植生墊護(hù)岸和立體網(wǎng)狀柵格護(hù)岸靠近內(nèi)陸一側(cè)物種分布均勻度較低；拋石護(hù)岸則沿河岸帶橫向梯度物種分布均勻程度隨機(jī)變化較大。

注：a、b、c和d表示垂直于河流方向，生物多樣性指數(shù)和生物量沿河岸帶橫向梯度等距離由近及遠(yuǎn)的變化 圖2 長(zhǎng)江深水航道工程生態(tài)護(hù)岸生物多樣性指數(shù)和 生物量Fig.2 Biodiversity index and biomass of ecological riverbanks in the deep waterway regulation of Yangtze River

植物地上部分生物量計(jì)算結(jié)果表明(圖2)，立體網(wǎng)狀柵格護(hù)岸生物量垂直于河流方向逐漸增大，靠近內(nèi)陸一側(cè)具有較高的生物量；格狀石籠壓載植生墊護(hù)岸具有相對(duì)較高的生物量，且與對(duì)照樣點(diǎn)較為接近；拋石護(hù)岸生物量較低且垂直于河流方向隨機(jī)變化較大。

3.3 沉積物物理化學(xué)性質(zhì)

3.4 植物群落特征與沉積物物理化學(xué)性質(zhì)的關(guān)系

表3 長(zhǎng)江深水航道工程生態(tài)護(hù)岸植物群落特征與沉積物物理化學(xué)性質(zhì)的Pearson相關(guān)系數(shù)Table 3 Coefficient of Pearson correlation between vegetation community characteristics and sediment’s physicochemical properties in ecological riverbank of the deep waterway regulation of Yangtze River

3.5 CCA

表4 生態(tài)護(hù)岸工程植被恢復(fù)調(diào)查采樣點(diǎn)CCA排序軸 特征值及物種環(huán)境相關(guān)性Table 4 Eigenvalues and species-environment correlation of CCA axes for sampling sites of ecological riverbank vegetation restoration

圖3 長(zhǎng)江深水航道生態(tài)護(hù)岸工程植被恢復(fù)CCA排序Fig.3 CCA ordination diagrams of ecological riverbank vegetation restoration in the deep waterway regulation of Yangtze River

4 討 論

4.1 生態(tài)護(hù)岸工程植物群落結(jié)構(gòu)、生物多樣性及生物量

當(dāng)前，我國(guó)河流及航道整治工程中普遍過(guò)度硬化，導(dǎo)致河岸帶生態(tài)系統(tǒng)不斷退化和生物多樣性的喪失[23]。生態(tài)護(hù)岸作為符合生態(tài)保護(hù)理論的一種護(hù)岸工程結(jié)構(gòu)形式，在確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性前提下，可以恢復(fù)及形成穩(wěn)定的河岸帶生態(tài)系統(tǒng)[8]。植物群落物種組成及優(yōu)勢(shì)種變化是群落演替的重要標(biāo)志[19]。植被是生態(tài)護(hù)岸的重要組成部分，生態(tài)護(hù)岸特有的結(jié)構(gòu)形式可以促進(jìn)植物的定植、生長(zhǎng)和沉積物的淤積，不同的結(jié)構(gòu)形式其植被演替及恢復(fù)效果具有明顯差異性[24]。長(zhǎng)江深水航道生態(tài)護(hù)岸工程經(jīng)竣工后一年多的植被恢復(fù)，調(diào)查共記錄植物19種，分別隸屬于12科19屬，護(hù)岸工程區(qū)植物種類(lèi)均低于自然對(duì)照區(qū)(12種)。研究結(jié)果表明，格狀石籠壓載植生墊護(hù)岸植被(6種)恢復(fù)效果較好，以多年生植物蘆葦占優(yōu)勢(shì)，具有較高的生物多樣性指數(shù)和生物量，并與自然對(duì)照區(qū)河岸帶廣泛分布的蘆葦群落較為相似。立體網(wǎng)狀柵格護(hù)岸植被(8種)以馬蘭和碎米芥為優(yōu)勢(shì)種，一年生植物種類(lèi)較多，生物多樣性指數(shù)和生物量沿著河岸帶橫向梯度增加，靠近內(nèi)陸一側(cè)具有較高的生物量，靠近河流的一側(cè)未發(fā)現(xiàn)植物種類(lèi)的定植。相關(guān)研究表明，生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)系較為復(fù)雜，物種數(shù)量最高的群落通常為短暫過(guò)渡類(lèi)型[25]，因此立體網(wǎng)狀柵格護(hù)岸植被恢復(fù)尚處于演替的初級(jí)階段。拋石護(hù)岸植被(6種)恢復(fù)效果較差，僅在沉積物淤積處有植物生長(zhǎng)，優(yōu)勢(shì)種為北水苦荬，碎米薺等，生物多樣性和生物量沿著河岸帶橫向梯度隨機(jī)變化較大，生物量較低。

4.2 生態(tài)護(hù)岸沉積物物理化學(xué)性質(zhì)與植物群落分布相互關(guān)系

5 結(jié) 論

本研究以長(zhǎng)江深水航道整治工程為研究案例，選取2種新型生態(tài)護(hù)岸及傳統(tǒng)拋石護(hù)岸工程，開(kāi)展了工程區(qū)陸生植物群落恢復(fù)情況研究，主要結(jié)論如下：

(1)工程區(qū)共有植物19種，隸屬于12科19屬，其中1種為蕨類(lèi)植物，其余18種均為被子植物，生態(tài)護(hù)岸工程區(qū)植物種類(lèi)和生物量高于傳統(tǒng)拋石護(hù)岸區(qū)。

(2)沿著河岸帶橫向梯度，立體網(wǎng)狀柵格護(hù)岸的生物多樣性增大，拋石護(hù)岸生物多樣性變化較大，格狀石籠壓載植生墊護(hù)岸具有較高的生物多樣性。

(4)綜合不同護(hù)岸工程的結(jié)構(gòu)形式，植物群落恢復(fù)及沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽含量狀況分析，格狀石籠壓載植生墊護(hù)岸植被恢復(fù)效果最好，立體網(wǎng)狀柵格護(hù)岸次之，傳統(tǒng)拋石護(hù)岸相對(duì)較差。

(5)研究區(qū)生態(tài)護(hù)岸的植被恢復(fù)還處于動(dòng)態(tài)演替過(guò)程，其生態(tài)效應(yīng)有待于長(zhǎng)期深入研究。此外，長(zhǎng)江下游深水航道整治工程僅在部分河段開(kāi)展了生態(tài)護(hù)岸試驗(yàn)，生態(tài)護(hù)岸在工程建設(shè)、施工和后期維護(hù)等方面還有待于進(jìn)一步評(píng)估。