河道生态护坡技术的水土保持效益研究

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　　摘要：2004年春季在上海市浦东新区机场镇实施了河道生态护坡示范工程，主要采用了全系列生态护坡、土壤生物工程以及复合式生物稳定技术等3类生态护坡技术。护坡工程完成后，对生态护坡进行了连续3年(2004——2006年)的现场监测，以研究护坡工程的水土保持效益。杞柳枝、垂柳枝、结缕草等护坡植物生长良好，其新生枝叶和根系的水土保持效益明显，有效地控制了河岸土壤侵蚀，并为其他生物创造了稳定生境。本地草本植被逐渐得到恢复，物种数和盖度均增加，植物的水土保持效应增强。表层土壤和浅层土壤的抗剪强度测定结果显示生态护坡的土壤抗侵蚀性明显增强，3年中各类生态 坡均未出现明显的土壤侵蚀。 　　关键词：河道生态护坡； 水土保持效益； 生态监测； 护坡植物； 土壤抗剪强度 健康的河岸生态系统能使物质通过其界面区的速度和形式保持适当，使陆地加强“水土保持”，使水域防止“富营养化”I1]。上海市为平原河网地区，境内河湖纵横，水网交织，水土流失主要发生在河道两岸坡面，主要原因是受潮水、风浪和船行波影响，造成河岸“一坡一面”(边坡和堤顶面)的水土流失，使水环境严重恶化。不合理的土地利用方式和河岸植被破坏，也是导致河岸水土流失的主要因素之一。因此河道生态护坡是平原河网地区加强水土保持工作的关键。国内对河道生态护坡的研究大多集中在对生态护坡的定义、功能的定性描述，或是过分关注护坡技术本身，而往往忽视了对已完成的生态护坡工程进行跟踪监测或工程后评估，对其发展动态和水土保持功能认识不足I2 ]。本研究针对上海市浦东新区的机场镇生态河道示范区进行了生态护坡技术研究，2004年3月初完成了生态护坡示范工程，随后对护坡工程进行了常规的现场监测，探讨其水土保持效益。 　　　　1 研究区域 　　机场镇位于上海市浦东新区东南部，濒临长江口，地貌类型属长江口冲积平原，总面积38．76 km ，农业用地占总面积4O 以上。机场镇生态河道示范区，北起畅塘港，南到机场河，东临随塘河，西至东横港，整个示范区面积为7 km。，水域面积61．81万m ，河道总长约30 km。区域内的河岸植被严重破坏、水土流失严重、部分河道出现淤阻，故河道生态护坡工程是该区域生态环境改善的关键。 　　2 研究方法 　　2．1 样地设置与监测时间 　　采用固定样带法，即每种类型的岸坡(包括生态护坡和未施工的对照岸坡)选取2——3个固定样带(从坡顶向常水位延伸，宽度为1 m)，分别在每个样带的坡顶、坡腰及常水位部位进行监测。护坡工程完成后的第1年(2004年)，调查频率为每月1次，2005年和2006年调查频率为每年1——2次(夏秋季)。为便于纵向比较，每次采样均安排在连续出现晴天之后。 　　2．2 坡岸植被调查 　　采用现场测量和随机挖掘的方法，对种植的护坡植物(柳、结缕草等)生长特性进行调查，即在现场随机测定植物的盖度、高度等，并随机挖掘护坡植物样品带回实验室，测定新生根系和枝叶的生物量(干重)。在每个固定样带内，采用样方法(0．5m×0．5m)调查岸坡恢复的本地植被，从常水位向坡顶移动，记录每个样方内植物的种类、覆盖度、高度等指标。 　　2．3 土壤抗剪强度 　　在每个固定样带内，随机选取15个点，坡顶、坡腰、近常水位各选5个点，每个点的测定位置包括地表土和浅层土(15 em深)。在每个点运用荷兰Eijkelkamp公司的便携式叶片测试器(pocket vane tester)和现场叶片钻孔仪分别测定地表和浅层土壤抗剪强度。 　　3 生态护坡关键技术选取与应用 　　针对机场镇生态河道示范区内的生态环境现状和河岸水土保持的目标，选取的生态护坡技术均是以活的植物体作为主要护坡结构，主要包括全系列生态护坡技术、土壤生物工程技术以及复合式生物稳定技术，施工期限为2004年1——3月。 3．1 全系列生态护坡 　　全系列生态护坡技术是从坡脚至坡顶依次种植沉水植物、浮叶植物、挺水植物、湿生植物(乔、灌、草)等一系列护坡植物，形成多层次生态防护，兼顾生态功能和景观功能。在机场镇示范区内的工程实施面积为28 714m ，占总工程量的90左右。应用范围包括位于居民区和交通干道附近的河段以及河岸侵蚀不严重的河段。 3．2 土壤生物工程护坡 　　土壤生物工程是一种边坡生物防护工程技术，采用有生命力的植物根、茎(秆)或完整的植物体作为结构的主要元素，按一定的方式、方向和序列将它们扦插、种植或掩埋在边坡的不同位置，在植物生长过程中实现加固和稳定边坡，控制水土流失和生态修复 ]。土壤生物工程主要包括活枝扦插、柴笼以及灌丛垫等3种基本工程类型。活枝扦插护坡采用的植物材料是垂柳枝，而活枝柴笼和灌丛垫采用的植物材料是杞柳枝[5 ]。示范区内的工程实施面积为3 052 m ，其中活枝扦插、活枝柴笼和灌丛垫的种植面积分别为2 437，300 m 和315 m。。 3．3 复合式生物稳定技术 　　复合式生物稳定技术强调用活性植物与工程措施相结合，技术核心是植生基质材料，依靠锚杆、植生基质、复合材料网和植被的共同作用，达到对坡面进行绿化和防护的目的[7]，该技术适用于重力侵蚀非常严重的岸坡。在示范区内的应用范围为部分陡坡的生态修复，包括杞柳与石笼的复合技术、杞柳与土工布的复合技术，施工河段的总长为80 m。 　　4 生态护坡工程的水土保持效益分析 　　2004年3月机场镇河道生态护坡工程完成后，对已完成的护坡工程进行了近3年的生态监测，以评估生态护坡工程的发展动态和水土保持效益。 　　4．1 护坡植物的生长变化 　　全系列生态护坡工程的主要护坡植物是结缕草和其他一些湿生乔灌木，护坡工程结束后结缕草生长良好,地上部分的生长速率为每月2——3 Cm，当年10月地上部分平均高度达到18 cm。12月14日测定结缕草地下部分(根系)和地上部分的干重平均值均为0．8 kg/m。，根系平均长度为13 cm，有效控制了近地表的土壤侵蚀。挺水植物种植区内出现泥沙淤积，其消浪和促淤作用很明显，对常水位的岸坡起到良好保护作用，消除了以往常水位线附近水力淘蚀的问题。 　　土壤生物工程护坡植物的种植方式和生长方式不同于其它固坡植物冈4种植时杞柳枝和垂柳枝均为没有根系和叶片的新鲜枝条，植株整体埋在浅表层土壤中。施工完成后，护坡植物杞柳和垂柳枝保持良好的长势，在整个生长季节内(3——12月)坡面的新枝平均每月长高约20 cm。护坡植物种植10个月后，新生枝条和根系的生长量均达到很高的水平(表1)，水土保持效益明显。活枝扦插与柴笼组合护坡工程的新生枝条平均高度逐年增加，2006年夏季达到155 cm，平均盖度近70%；灌丛垫护坡的杞柳生长最好，2004——2006年夏季的杞柳盖度均超过90 9/6，新枝平均高度已接近2 m，枝叶的截雨作用和根系的固土作用很明显，其水土保持效益逐渐增强，原有的土壤侵蚀得到控制，现场未发现明显土壤侵蚀现象。复合式生物稳定技术种植的护坡植物杞柳生长状况类似于灌丛垫护坡，护坡工程完成后的第1年夏季，杞柳存活率超过90% ，新枝平均高度达到2 m，盖度接近100 9/5。 　　4．2 本地植被恢复状况 　　护坡工程完成后，生态护坡的护坡植物有效控制了坡面侵蚀，为其他本地植被的恢复提供了稳定的生境，本地植被逐渐得到恢复。2004——2006年，全系列生态护坡的夏季草本植物群落的物种总数均达到9种，恢复后本地草本的总盖度和平均高度均有所增加，由2005年夏季的17 和15 cm，分别上升至2006年夏季的37%和46cm。活枝扦插与柴笼组合护坡的本地植物群落恢复迅速，连续3年坡岸的草本植物群落总盖度均超过90 ，生态护坡的水土保持效应增强。对未施工对照岸坡的植被进行了同步调查，3年中整个坡面植被稀少，裸土面积达到75%以E。 　　4．3 土壤的抗侵蚀性 表2 不同类型岸坡的地表土壤抗剪强度比较 kPa土壤抗剪强度是土壤抗侵蚀性的一个重要指标，生态护坡工程通过植物的作用增强土壤抗剪强度。监测结果显示，未施工对照岸坡和灌丛垫护坡的地表土壤抗剪强度小于其他生态岸坡类型，尤其在坡腰部位表现更加突出(表2)。这是因为柴笼和活枝扦插组合护坡以及全系列生态护坡的坡面草本均生长较好，草本植物紧贴地面生长，对地表土壤的固结作用非常明显；而灌丛垫岸坡和未施工对照岸坡的地表草本植物较少，表层土壤缺少低矮草本根系的作用，地表抗剪强度下降。全系列生态护坡的常水位处地表土壤抗剪强度最高，与挺水植物的促淤作用有关。浅层土壤抗剪强度实际上是土壤与植物根系复合体的抗剪强度，更能反映植物根系的固土作用。早I口]方差分析结 表3 不同类型岸坡的浅层土壤抗剪强度 kPa果显示，生态护坡与对照岸坡之间的浅层土壤抗剪强度变化具有显著性差异(P一0．004< 0．O1)。工程完成后的初期(2005年2月)，生态护坡的浅层土壤抗剪强度均比较小，灌丛垫的坡顶、坡腰的抗剪强度均小于对照岸坡，但常水位处的抗剪强度明显高于对照岸坡(表3)。2005年7YJ和2006年8月测定结果表明，随着生态护坡植物生长和系统自我完善，各类生态护坡的土壤抗剪强度不断增大，尤其是坡腰和常水位处的抗剪强度明显高于对照岸坡。灌丛垫的浅层土壤抗剪强度随着时间增长最快，明显大于其他土壤生物工程(活枝扦插与柴笼)和全系列生态护坡。灌丛垫护坡的坡腰和常水位处土壤抗剪强度达到对照岸坡的3——8倍(表3)。 　　5 结 论 　　(1)护坡工程完成后进行了近3年(2004——2006年)的连续现场监测结果表明，种植的护坡植物生长良好，水土保持效益明显。全系列生态护坡的结缕草对表层土壤的防护非常有效，挺水植物的促淤作用明显，解决了以往常水位线的土壤侵蚀问题。土壤生物工程的坡面形成庞大的根系网络，具有良好的水土保持作用。复合式生物稳定技术的杞柳枝生长状况与灌丛垫相似，与土工布、石笼共同构成稳定的岸坡结构。 　　(2)护坡植物作为建群种为河岸本地植被的恢复创造了稳定的生境。调查结果表明，近3年中生态护坡的本地草本植物恢复很快，总体上草本植物的盖度和多样性呈逐年增加的趋势，与护坡植物共同发挥水土保持效益。 　　(3)土壤抗剪强度是表明土壤抗侵蚀性的重要指标，灌丛垫护坡的地表土壤抗剪强度与未施工的对照岸坡接近，明显小于其他类型的生态护坡，表明草本植物对地表土壤的水土保持作用。随着护坡植物的生长，生态护坡的浅层土壤抗剪强度增长很快，尤其是坡腰和常水位处的抗剪强度明显高于对照岸坡；灌丛垫护坡的浅层土壤抗剪强度增长最快，大于其他类型的生态护坡。 参考文献： [1] 刘刚才，李兰，周忠浩，等．紫色土丘陵区坡耕地退耕对水土流失的影响及其效益评价[J]．中国水土保持科学，2005，3(4)： 32— 36． [2] 杨文元，张奇，张建华，等．紫色丘陵区土壤抗冲性研究[J]．水土保持学报，1997，3(2)：22—28． [3] 丁军，王兆骞，陈欣，等．红壤丘陵区林地根系对土壤抗冲增强效应的研究口]．水土保持学报，2002，16(4)：9—12． [4] 张建辉，刘刚才，倪师军，等．紫色土不同土地利用条件下的土壤抗冲性研究[J]．中国科学(E辑)，2003，33(B12)：61—68． [5] 张建军，张宝颖，毕华兴，等．黄土区不同植被条件下的土壤抗冲性[J]．北京林业大学学报，2004，26(6)：25—29． [6] 胡建忠，周心澄，李文忠，等．退耕地青海云杉人工林土壤抗冲性试验研究[J]．水土保持学报，2004，18(6)：6—10． [7] 邹翔，崔鹏，陈杰，等．小江流域土壤抗冲性实验研究[J]．水土保持学报，2004，18(2)：71—73．

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