浙江省仙居縣永安溪支流河道護坡植物水分生態效應研究

吳佩佩，韓玉玲

(1.浙江同濟科技職業學院，浙江杭州311231;2.浙江省河道管理總站，浙江杭州310009)

近年，隨著生活水平的提高，人們對水環境的要求也越來越高，河道已不僅僅具有“泄洪、排澇、蓄水、引清、航運”等基本功能，而且還具有“景觀、旅游、生態、與周邊環境呼應”等功能。生態護岸是融現代水利工程學、環境科學、生物科學、生態學、美學等學科于一體的水利工程［1］，近年來在平原以及城市內河的生態修復及治理工程中應用廣泛，并已形成生態護岸結構型式、生態護坡材料、生態體系構架、植物配置及與水流的相互作用等多個研究領域［2－8］。然而，對于山區河道植物護坡的研究報道還不多見。

山區地形起伏較大，地質結構復雜，河道坡降陡，河流源短流急，水位暴漲暴落、洪枯變幅大，暴雨時洪峰流量大，水流速度快，挾沙能力和沖刷力強，水土流失嚴重。山區河道往往是河流的源頭或中上游區，也是河流系統中最具活力、最需要給予特別保護的區域。山區河道中以植物護坡為主要內容的生態護坡，將對流域產生多方面的環境生態效應，除了對生物多樣性保護和水質改善有重要作用外，還將對污染物的截流、水土流失的防治等產生重要影響。

仙居縣位于浙江省東南沿海山區，介于北緯28°30'—28°50'、東經 120°20'—120°54'之間，屬亞熱帶南緣海洋性季風氣候區。仙居縣南、北、西三面環山，地勢較高，中部是河谷盆地，地形以丘陵為主，整個地勢西高東低，是浙江省臺州市西部重要的生態屏障和水源涵養區。永安溪源于仙居縣與縉云縣交界的天堂尖，入仙居縣境后，自西向東橫貫仙居縣全境，至臨海市城西三江村與始豐溪會合后匯入靈江，全長141.1 km(仙居縣境內116 km)，流域面積2702 km2(仙居縣境內1983.7 km2)，占靈江流域面積的47.1%。永安溪不但是仙居縣的“母親河”，也是靈江的干流，是溫黃平原的主要供水源。但永安溪流域5—6月的梅雨季和7—9月的臺風期的降水量占全年的71.9%，時有山洪暴發，使永安溪溪水泛濫，給農業生產和居民生活帶來了危害。本試驗選擇自然生長在永安溪支流河道上且在該流域分布較廣的4種野生草本植物為研究材料，分析其在7月份高溫天氣條件下的生長狀況和水文效應，旨在為篩選、開發利用適應浙江省山區河道的生態護坡植物提供理論依據。

1 研究方法

1.1 研究地點

研究地點位于仙居縣步路鄉七里村旁的一條永安溪的支流河道上。該支流總長為21.5 km，平均河寬為8 m，沿岸土壤為潮土類，以培泥砂土、培砂土、卵石培泥砂土、卵石培砂土為主，屬典型的山間河谷地貌。該地年平均氣溫17.2℃，年無霜期246 d左右，年平均降水量1444 mm，年平均相對濕度79%，年日照時數1786 h，年平均風速1.5 m/s。

1.2 研究材料與方法

研究材料選擇廣泛分布于河岸的4種植物，分別為辣蓼(Polygonum hydropiper Linn.)、五節芒(Miscanthus floridulus)、水芹(Oenanthe javanica)、羊蹄(Rumex japonicus Houtt.)。

取河岸上生長正常的成年植物，分別對其葉片數、株高、根數、鮮質量和干質量進行測定。其中根數取地表至地下20 cm范圍內的根系;干質量使用電熱恒溫干燥箱在105℃恒溫下烘干測得。

于7月中旬，選擇天氣晴好、自然光照條件下的植物，取外觀上生長正常的葉片，使用快速稱重法測定植物蒸騰速率。測定時間為每天6:00—18:00，每隔2 h測定1次［9］。使用儀器為梅特勒－托利多儀器有限公司生產的AL204電子天平，精度0.0001 g，每次稱量在5 min內葉片損失的質量(m)，測定葉片的面積(S)。則植物的蒸騰速率計算公式為

式中:e為蒸騰速率，mmol/(m2·s);m為葉片損失的質量，g;S為葉片面積，m2;18為水的摩爾質量，g/mol。

日蒸騰總量計算公式為

式中:E為測定日的蒸騰總量;ei為初時測點的瞬時蒸騰速率，mmol/(m2·s);ei+1為下一時刻測點的瞬時蒸騰速率，mmol/(m2·s);ti為初測點的時間;ti+1為下一測點的時間;i為測定次數。

換算為測定日全天釋放水的質量為

式(3)中:18 為水的摩爾質量，g/mol［10］。

液態的水經過植物的蒸騰作用，由葉片的氣孔和角質層以氣態形式散發到空氣中，并從環境中吸收熱量，降低周圍環境中的溫度，增加濕度，從而達到改善周圍環境小氣候條件的作用。設1 m2葉片在一天中因蒸騰作用散失水分而吸收的熱量為Q，則蒸騰耗熱計算方法為

式中:Q為單位葉面積每日吸收的熱量，J/(s2·d);l為蒸發耗熱系數，l=597－0.57t(t為測定日的氣溫);4.18為換算系數，1 cal=4.18 J。由此可計算出各植物1 m2葉片在測定日吸收熱量的值。7月份測定平均氣溫為27℃。

蒸騰降溫值計算公式為

式中:ΔT為降溫值，℃;Q為護坡植物蒸騰使其單位體積空氣損失的熱量，J/(m3·h);PC為空氣的容積熱容量，其值為1256 J/(m3·h)。

2 結果與分析

2.1 山區河道護坡植物單株生物量

生物量通常是指生態系統中某特定植物有機物質的質量［11］，是評定植物生長情況的一個常用指標，生物量大一般都表明植物有較好的適應性。4種護坡植物的生物量見表1。

表1 山區河道護坡植物單株生物量

從表1可以看出，從單株鮮質量來看，羊蹄最大，辣蓼最小，而從單株干質量來看，則五節芒最大，辣蓼同樣為最小，說明五節芒在山區河道中的生長適應性較強。

生態護坡就是利用植物比較發達的根系，深入土層，使表土固結。隨著含根量的增加，根土復合體的抗剪強度有提高的趨勢［12］。水芹和辣蓼的總根數較多，分別達到每株1221根和954根，所以這兩種植物也是比較優良的山區河道護坡植物。

2.2 河道護坡植物的水分生態效應

經過植物蒸騰作用，液態水由氣孔和角質層以氣態形式散發到空氣中，并從環境中吸收熱量，降低周圍環境的溫度，達到改善周圍環境小氣候的作用。蒸騰速率的高低直接影響著日蒸騰總量、日蒸騰吸熱量的大小。7月是浙江省山區植物日釋水總量和日蒸騰吸熱量差異較為明顯的月份。表2表明，4種河道護坡植物的單位葉面積蒸騰速率、日蒸騰總量、日蒸騰吸熱量和降溫幅度均有很大程度的區別，蒸騰速率五節芒最高，為 1.16 mmol/(m2·s)，羊蹄最低，為 0.24 mmol/(m2·s)，前者為后者的4.8倍。單位葉面積蒸騰速率、日蒸騰總量、日蒸騰吸熱量和降溫幅度呈明顯正相關，其中五節芒單位葉面積日蒸騰總量和日蒸騰吸熱量均最高，分別為352.78 mmol/(m2·d)和4369.75 kJ/(m2·d)，降溫可達 0.28 ℃ /(m2·h);羊蹄最低，單位葉面積日蒸騰總量為21.04 mmol/(m2·d)，單位葉面積日蒸騰吸熱量為913.69 kJ/(m2·d)，降溫幅度為0.06 ℃ /(m2·h)，前者降溫幅度為后者的4.7倍。

表2 山區河道護坡植物單位葉面積的日蒸騰釋水量及日蒸騰吸熱量

邊坡的失穩與水壓力的大小密切相關，水分是誘導滑坡的重要因素，植物蒸騰作用是降低孔隙水壓力的關鍵，單位葉面積蒸騰速率越大降低土壤孔隙水壓力越快，越能增加邊坡的抗剪強度和穩定性［13－14］。因此，山區河道植物五節芒降低孔隙水壓力能力最強，而羊蹄和辣蓼則較差。

3 結語

(1)河道植物護坡是指單獨用活的植物，或把植物培育與工程措施相結合，利用植物對邊坡的覆蓋作用和植物根系對邊坡的加固作用，以減輕工程坡面的不穩定性和侵蝕;利用植物的降雨截留、徑流延滯、土壤增滲、蒸騰、土層固結、土壤濕度調節、土體支撐和拱頂等作用來保護河道坡岸的穩定，恢復和維持河道的生態功能和生物多樣性。植物護坡將水、河道、堤岸、植被、微生物、水生生物等結合構成了一個完整的河流生態體系，從而利用本身的生態功能對河坡進行生態保護。

(2)山區河道坡面上所生長的植物通過吸收和蒸騰消耗土壤水分，降低土壤的孔隙水壓力，增加土壤顆粒間的接觸程度，增強了土壤對變形和滑動應力的抵抗能力，提高了土壤的強度。另外，植物的蒸騰作用還減輕了土體的重量，從而減少了導致土體滑動的剪切分力，有利于山區河道坡面的穩定。本研究的結果表明，五節芒在山區河道中的護坡效果最好，其他植物依次為水芹、辣蓼、羊蹄。

［1］朱三華，黎開志，劉飛.生態堤防設計［J］.中國農村水利水電，2005(6):76－77.

［2］高曉琴，姜姜，張金池.生態河道研究進展及發展趨勢［J］.南京林業大學學報:自然科學版，2008，32(1):103－106.

［3］王英華，王玉強，秦鵬.淺析新農村河道生態護岸型式及選用［J］.中國農村水利水電，2010(3):102－104.

［4］夏繼紅，嚴忠民.國內外城市河道生態型護岸研究現狀及發展趨勢［J］.中國水土保持，2004(3):20－21.

［5］陳小華，李小平.河道生態護坡關鍵技術及其生態功能［J］.生態學報，2007，27(3):1168 －1176.

［6］韓玉玲，岳春雷，葉碎高，等.河道生態建設－植物措施應用技術［M］.北京:中國水利水電出版社，2009.

［7］焦志洋，拾兵，朱玉偉，等.復式河道灘地植物對水流紊動結構影響的試驗研究［J］.海洋湖沼通報，2006(1):28－36.

［8］朱紅鈞，趙振興.生態河道種植圈對水流水力特性的影響［J］.水利水運工程學報，2007(1):31 －35.

［9］陸貴巧，謝寶元.大連市常見綠化樹種蒸騰降溫的效應分析［J］.河北農業大學學報，2006，29(2):65 －67.

［10］孫海燕.哈爾濱市城郊森林生態網絡體系建設中樹種選擇的研究［D］.哈爾濱:東北林業大學，2005.

［11］姚豐平，吳軍壽.慶元林場闊葉林主要類型生物量測定及其評價［J］.浙江林業科技，2003，23(3):74 －76.

［12］胡其志，周政，肖本林，等.生態護坡中土壤含根量與抗剪強度關系試驗研究［J］.土工基礎，2010，24(5):85 －87.

［13］王占臣，龐軍.邊坡綠化防護技術的發展和植被護坡機理［J］.吉林交通科技，2007(2):29 －32.

［14］蔣必鳳.幾種草本植物護坡效果評價［D］.哈爾濱:東北林業大學，2008.