土壤生物工程技艺在河岸环境修复中运用效果研究

　　土壤生物工程技艺在河岸环境修复中运用效果研究1.引言1.1研究背景20世纪60年代后期，德国及瑞士等欧洲国家认识到传统的河流治理工程是导致河溪生态系统退化的根本原因，并开始把生态学原理引入河流的治理工程当中，开展河溪近自然恢复的试验研究。Seifert(1938)提出近自然河溪治理的概念，其基木理念是从维持生态系统平衡的观点出发，减轻人为活动对河溪的干扰和胁迫、维持河溪生境多样性、物种多样性及其河溪生态系统平衡并逐渐恢复自然(高甲荣，2002)。瑞士、德国等国家在20世纪80年代末提出了自然型护岸技术，日本在20世纪90年代初提出了多自然型河道治理技术，目前，许多国家则利用土壤生物工程来对河流进行生态修复，如:美国阿拉斯加Kenai河护岸、加拿大Jacquesartier公园河岸保护、英国约克郡戴尔斯三峰地区国家公园自然环境恢复和欧盟水体修复等项目都采用了该技术。河流治理工程对我国国民经济的发展起到了举足轻重的作用。目前我国河流生态系统受损严重。传统技术的核心是工程结构的安全性及耐久性，材料主要是施工性好、耐久性好的混凝土或钢筋混凝土。其缺点在于没有考虑人工构造物对生物及其生态环境的影响。由此产生的结果是自然河流形态的直线或渠道化和河岸的混凝土化，这必然导致河流的生态作用越来越小、水质恶化、生境的丧失或被阻断、物种减少等河流生态系统的退化。我国有近2/3的河溪受到不同程度人类活动干扰，北京地区河溪状况更令人担忧。在传统的河岸带保护措施和治理技术多采用浆砌石或干砌石、现浇混凝土、预制混凝土块体等结构形式。传统的河流治理工程在一定程度上起到立杆见影的作用，使河溪看上去整洁、千净、漂亮，但是却忽略了许多的负面影响。比如河道治理后，径流速度加快，导致下游地区大量泥沙沉积。整齐划一的石砌护岸消弱了河床、河岸的自然特征和功能，使视觉美感减弱。垂直陡峭的河岸，快速流动的水流使得人们走在河边有一种畏惧感，河流的亲水性大大下降。硬化的河道破坏了河道两岸动植物的生存环境，两栖动物的生境走廊被切断，水生昆虫不能正常羽化。由于人类对河溪的长期开发利用，己经形成了一个新的河流生态系统，而这个系统与原始的自然动态生态系统是不一致的。 通过河流地貌及生态多样性的恢复，达到建设一个具有地貌多样性和生物群落多样性的动态稳定的、可以自我调节的河流系统(董哲仁，2004)。人为的干扰导致河流退化，生态环境不断恶化，不仅表现在水质退化方面，也表现在河流系统结构与功能退化方面。目前国内对河溪恢复与重建的方法多是集中在对河溪水质的恢复，针对河流生态系统结构、功能的修复则所见不多。在当前以生态修复和保护的河溪治理工程中，应当考虑如何发挥或重建自然河溪的环境效应和多方面的生态功能，利用目前国际上普遍认可的土壤生物工程技术进行的河流生态修复，并进行机理性的研究对于我国的河流生态修复工作具有重要的意义。1.2河溪生态治理研究概况国际上到20世纪50年代末才开始真正将河溪看作一个生态系统加以研究(陈吉泉，1996)。近期发展为以着重研究各种自然生态过程运行机制的理论方向和以研究土地利用变化或人类活动方式及其影响河溪自然属性的应用方向(吴兆录等，2001)。目前国内外对河溪生态系统的研究，主要有河岸带、河溪地貌、污染防治、人为影响等方面。河岸带研究方面，陈吉泉(1996)基于北美地区60年代以来关于河溪生态系统及景观中的结构、功能以及资源经营管理现状进行了概括和总结。张建春(2001)对河岸带的定义与陈吉泉的略有不同。河岸带是连接陆地生态系统和水域生态系统的关键系统，被认为是温带地区物种最丰富和生产力最高的系统(Naimaal.，1993;汪明喜等，2002)。邓红兵等(2001)提出了河岸植被缓冲带的定义。河溪两岸一定宽度的缓冲带可以通过过滤、渗透、吸收、滞留、沉积等河岸带机械、化学和生物功能效应使进入地表和地下水的污染物毒性减弱、污染程度降低;植被还能提高河岸的抗侵蚀能力(张建春，2001)。李冬(2005)在二道白河开展了河岸带珍稀植物的分布格局的研究和河岸带植物群落最小面积与物种丰富度的研究;刘世岩(2003)对美国在有关河岸保护带对磷输移影响的研究做了介绍;蔡锡安(2004)做了河岸缓冲带生态治理的优良草种筛选的有关试验;杨海军(2004)提出一种用芦苇恢复受损河岸的工程化方法，能够更容易的恢复浅水带和河岸缓冲带芦苇群落。在河岸带的管理方面，范小华(2006)介绍了国外河岸带研究的最新成果河岸带生态系统管理模型REMM，这种模型可以模拟河岸带的水文、C、N、P营养物质循环、迁移及植被的生长过程，可以为建立植物缓冲带提供决策依据。河溪生态系统研究方面，1980年Vannote等提出河溪连续统概念，使河溪生态系统的研究进入了崭新的阶段(陈吉泉，1996;邓红兵等，1998;蔡庆华等，2003)。河溪连续统把河溪网络看成一个整体系统(阎水玉和王祥荣，2001)，强调生态系统中构成河溪群落及其一系列功能与流域的统一性。 河溪生态系统最重要的地貌(景观)特征之一是散布着粗木质。在自然状况下，河溪中的粗木质形成一系列阶梯，发挥其稳固河岸，调节流水(如降低洪峰)，影响沉积物的分布与变化，或形成临时积水池塘，为鱼类和其它水生动物用作栖息地的功能(陈吉泉，19%)。粗木质积累能形成先锋岛屿，而河溪中的岛屿对水中及河岸的生物多样性起重要作用。在有森林植被覆盖的Navarro河中，大的木头形成阶梯，通过截获泥沙来延长细粒泥沙的沉降时间，这有利于保护下游溯河鱼类及其它水生生物的栖息地(Joaal.，2001)。Christine和Robert(2003)认为，大的木头在河溪源头的沉积物积累中占有相当大的比例，且体积也大。陈吉泉(1996)也有相似的结论。光能也是河溪生态系统的重要能量(于丹，1996)。杜强(2005)指出，水文过程是影响河溪生态系统的控制性变量。奕建国(2004)从纵向、横向、垂向和时间分量等四维框架模型对河溪生态系统的结构进行了描述。2研究区概况2.1自然环境特点怀柔区位于北京东北部(图2-l)，是北京市远郊区县之一，位于东经116017-16053，北纬40014-41004，，距北京东直门50玩。怀柔南邻顺义，东接密云，西接昌平，北部则由西至东分别与延庆、河北省的赤城、丰宁、滦平县接壤。南北狭长，约128km;东西较窄，最宽处46km，最窄处仅10km。全区总面积2128.7kmZ，其中山区面积1894.3kmZ，占总面积的88.990，0;平原面积234.4kmZ，占总面积的11.01%。属华北经燕山山脉向内蒙古高原过渡的阶梯地带。怀柔区山区河流的径流补给主要是降雨，因此径流的年内分配与降水年内分配基本一致，多年平均4-6月径流量占年径流量的7.9%，主汛期7-9月占44.9%，最大连续4个月7-10月占78.7%，枯季10月至翌年3月占35.6%。径流的多年变化与水资源的开发利用关系甚大，它直接影响供水的保证率和调蓄工程的规模。怀柔区多年平均径流量，连丰、连枯及每个连丰(枯)周期中的丰平枯交替变化过程比较明显，多年平均值变化较大，水量不稳定。天然地表水量的年际变化较大，丰、枯比例悬殊。3研究目标、内容和方法........................36-393.1研究目标........................363.2主要研究内容........................363.3研究方法........................36-373.4研究技术路线........................37-39 4土壤生物工程技术及研究进展........................39-454.1土壤生物工程的内涵........................39-424.2土壤生物工程技术的国外研究进展........................42-434.3土壤生物工程技术的国内研究进展........................43-455植物适宜性及固土力学机理........................45-815.1研究方法........................46-505.2植物对环境适宜性分析........................50-545.2.1成活率对比分析........................50-515.2.2新生枝条高度对比分析........................51-525.2.3新生枝条基径对比分析........................52-545.3坡面根系分布........................54-555.4扦插植物垂直抗拉研究........................55-695.5幼龄旱柳拉力研究........................69-745.6四年生扦插金丝柳拉力研究........................74-795.7讨论........................79-81结论本研究从生态系统结构决定功能的原理出发，展开对北京地区进行土壤生物工程的机理和应用的探讨和研究，包括对不同植物材料适宜性，根系特征和固土机理、植物枝条柔韧性和土壤生物工程效应等方面的分析和研究，得出如下主要结论:(l)在白浮供试区，对六种植物适宜性的分析结果表明:完工5个月后加拿大杨、金丝柳、馒头柳和红皮柳成活率均高达90%以上;荆条没有成活植株，该植物不适于利用枝干部分进行土壤生物工程施工;紫穗槐的成活率也非常的低，在土堤实验区为12%，在拉力实验区为20%。从新生枝条高度的分析来看，紫穗槐的新生枝条高度最低，其他四种植物无明显差异;从新生枝条基径的分析来看，在土堤区，加拿大杨>金丝柳>紫穗槐>馒头柳和红皮柳，在拉力区紫穗槐、金丝柳、馒头柳和红皮柳之间差异不显著，但均与加拿大杨差异显著(P<0.05)。从枝条干重来看，加拿大杨>馒头柳>红皮柳>金丝柳>紫穗槐，加拿大杨枝条生物量最大。总的来说，加拿大杨生长比其他四种植物枝条生长迅速，紫穗槐枝条生长速度最J漫。 (2)在白浮供试区，对加拿大杨，紫穗槐、金丝柳、馒头柳和红皮柳根系的调查结果表明:根系生物量平均值排列顺序依次为:紫穗槐>馒头柳>加拿大杨>红皮柳>金丝柳。虽然紫穗槐枝条生长情况较差，但是其根系生长最为迅速，怎样增加紫穗槐的成活率是今后需要研究问题。金丝柳根系扎根深度在5种植物种中最浅，紫穗槐扎根深度最深。5种植物的根系在下坡方向发展较差，在上坡方向发展较好。在扦插20cm范围内的土层中，根系数量最多为100%，随着范围向外扩展，根系量逐渐下降。(3)在白浮供试区，对加拿大杨，紫穗槐、金丝柳、馒头柳和红皮柳扦插植物的现场垂直抗拉试验结果表明:馒头柳所需拉力最大，然后依次为紫穗槐、加拿大杨、红皮柳和金丝柳;通过方差分析结果显示，馒头柳与紫穗槐之间差异不显著;馒头柳与加拿大杨、金丝柳和红皮柳之间差异显著(P<0.05);紫穗槐、加拿大杨、红皮柳和金丝柳4种植物间差异性不显著;由此可以得出，馒头柳具有最大的抗拉力，其固土能力也最大。金丝柳生长特征和最大拉力之间相关关系均不显著(P>0.05);馒头柳和9个生长特征因子相关关系显著(P<0.05);紫穗槐和8个生长特征因子相关关系显著(P<0.05);加拿大杨和5个生长特征因子相关关系显著(P<0.05);红皮柳和4个生长特征因子相关关系显著(P<0.05);一致的是，加拿大杨、紫穗槐、馒头柳和红皮柳等四种植物的枝条干重与最大拉力和根系数量间均表现为显著的相关关系(P<0.05)。通过以上综合分析可以得出，馒头柳是最适宜的土壤生物工程施工植物，然后依次为加拿大杨、红皮柳和金丝柳。紫穗槐扦插成活率较低，需要进一步研究其原因，并改善其成活率。(4)对幼龄旱柳和4年生扦插金丝柳垂直抗拉和水平抗拉实验结果表明:对于幼龄旱柳，最大垂直拉力和旱柳的基径相关关系非常显著(P<0.001);与其他因子，如株高、根系截面积、总根量和根系生物量的相关关系也较为显著(P<0.05);除了根系平均直径外，最大拉力和旱柳的其他6个形态特征均具有较显著的相关关系(P<0.05)。对于4年生金丝柳，最大垂直拉力和株高和基径相关关系非常显著(P<0.001);最大拉力与平均根系直径、根系横截面积和根系生物量等3个形态特征具有较显著的相关关系(P<0.05);最大水平拉力与根系横截面积相关关系非常显著(P<0.05);最大拉力与其他5个形态特征相关关系不显著;在金丝柳和旱柳垂直抗拉试验中，最大拉力和植物的高度和基径均表现出显著的相关关系。