超強大孔徑植生布在潮間帶生態修復工程中的應用

張中楨 葉 清

(上海新紡織產業用有限公司， 上海 200125)

超強大孔徑植生布在潮間帶生態修復工程中的應用

張中楨 葉 清

(上海新紡織產業用有限公司， 上海 200125)

以土工材料為基礎，通過試驗，研究土工材料對波、流、植物、微生物生長等的影響規律，探究波、流等海洋動力作用下土工材料對潮間帶的防護機理及植物生長特性，對土工材料結構、孔徑和材料進行設計,確定既能滿足海灘防護又能適合植物生長的防護材料。產品提供了岸灘在受侵蝕時護底保灘、植物和微生物生長的基礎材料,解決了使用傳統土工材料影響植物生長的產品缺陷,經工程試驗綜合效果理想,符合海灘防護同時兼顧原生態保護要求。

潮間帶; 水生態修復; 濕地重建; 大孔徑植生布

近10年，我國圍填海面積超過30萬hm2，全國自然海岸線受損比例近2/3，改變岸線物理形狀和海域水動力環境，破壞濕地導致岸帶生產力降低, 降低和消滅了濕地的固碳能力，拆除了能夠過濾入海污染物的保護屏障[1]，同時全國46.5%河流受到污染, 10.6%的河流嚴重污染以及90%以上的城市水域嚴重污染[2],陸源排污加重了海洋污染,局部海域環境發生了很大改變。我國水污染形勢也已從局部河段發展到流域和近海海域、從單一污染到復合型污染、從地表水到地下水，以極快的速度擴展，危及水資源的可持續利用,水體中的藻類、致病微生物、有機危化物、重金屬等有毒有害物質嚴重威脅著用水的安全。水污染和水體富營養化等問題制約了我國經濟的發展，控制水污染、對污染水域進行治理和修復已經成為當前水危機中最緊迫的問題[3]。超強大孔徑植生布主要使用在海岸潮間帶的水位落差變化大的區域的濕地重建,克服了因使用傳統土工材料影響植物生長的產品缺陷。

1 水生植物在潮間帶生態修復工程中的作用

海灘(海岸潮間帶)是海岸帶最活躍的地貌單元，其松散的粒狀沉積物不斷地適應來自臨近水域經常變化的波浪和水流，其剖面形態的制約因素包括波浪、水流條件以及組成潮間帶的沉積物等。海灘(海岸潮間帶)不僅為人類提供旅游與休憩的水上活動場所，也為生態物種提供棲息之地。因此，海岸潮間帶給人類生活帶來很可觀的經濟效益、社會效益。

在眾多水體治理方法中，重建海洋濕地，利用植物修復法，采用高等水生植物(挺水植物、沉水植物、浮水植物和浮葉植物)及其根際微生物的共同作用去除水體的近海污染物是最佳方法之一。這些濕地首先過濾陸上來的入海徑流，植物直接吸收固定營養物、植物根莖部釋氧和植物根系中微生物降解等作用，使得海洋入海口區域能保持一個正常的水平。一定寬度的植物帶具有截留雨水、防止雨水擊濺侵蝕；減少地表徑流、防止地表水流侵蝕；防止踐踏和增加水分滲透；植物根系固定土壤和支撐作用；凈化水質，削減非點源污染；改善生物棲息地功能；提高景觀多樣性等多種功能[4]。

潮間帶中植物具有吸收富集水體中氮、磷的效果,水生植物也會向水體中釋放化感物質以抑制藻類等大量繁殖,其中水域中蘆葦帶效果最好，COD、NH3-N和TP的去除效果分別達到43.7%、79.5%和75.2%。鳳眼蓮6天內對TN、TP的去除率分別為16.7%、67.6%。水生植物能有效去除水體中的污染物，有效抑制藻類生長,防止富營養化現象的發生[5]。

2 國內外潮間帶生態修復技術現狀

一般采用生態學原理對潮間帶生態進行修復，通過生物、生態以及工程的技術與方法，改變和切斷生態系統退化的主導因子或過程，調整、配置和優化生態環境系統內部及其外界的物質、能量和信息的流動過程和時空次序，使生態系統的結構、功能和生態學潛力盡快成功地恢復到一定的或原有乃至更高的水平。

人工方法恢復和重建濕地是潮間帶生態恢復的重要措施，在美國得克薩斯州(Taxas)加爾維斯頓海灣(Galveston Bay),利用工程棄土填升逐漸消失的濱海濕地,當潮間帶抬升到一定高度,種植先鋒植物來恢復沼澤植被。在路易斯安娜薩賓自然保護區和得克薩斯潮間帶地區,利用“梯狀濕地”技術(marsh terracing technique),在淺海區域修建緩坡狀濕地,濕地建好后在上面種植互花米草及其他濕地植被,修建梯狀濕地可以減弱海浪沖擊、促使泥沙沉積、保護海灘,同時也可以為海洋生物提供棲息地[6]。隨著20世紀80年代中期入侵生態學的興起，互花米草從美國東部流入西部后顯現出嚴重入侵性。美國學界對互花米草入侵性的批判很快影響到國內。批判的主要觀點認為，互花米草的入侵改變了淤泥質光灘的景觀，侵占了本土物種堿蓬、紅樹林和貝類的生態位，威脅貝類水產養殖，加快了灘涂和港區的淤積速度等[7]，采用互花米草先鋒植物技術存在一定風險。

3 潮間帶濕地重建新思路

圍海造地工程中采用土工材料已在國內廣泛應用,雖然土工材料有著優越的保灘護底功能和反濾效果,但也成了滅絕海灘濕地水生植物群、影響生態平衡的主兇,土工材料鋪設后致密的織物組織阻擋住來自土工材料底下沙土層中植物根莖(如蘆葦匍匐莖)的生長以及能量和物質交換,原有海灘上的高等植物幾乎難覓蹤跡。工程人員曾嘗試在土工材料下預埋蘆根,期待蘆根芽尖能萌發頂破土工材料層在海灘上重新生長,也嘗試在土工材料上栽種蘆葦等水生植物但均以失敗而告終。究其原因，傳統土工材料組織經緯紗線排列緊密所致,組織結構致密影響植物根莖自由穿透,造成植物生長困難，成活率降低，高等水生植物總量達不到作為凈化水質所需的標準。超強大孔徑植生布是以保持傳統土工材料基本特性為基礎，結合植物生長生理特性，應用多學科交叉，研發出的一款既能滿足護底保灘要求又具備保證植物根莖容易穿透的新型土工材料。材料以有效解決使用傳統土工材料影響植物生長的產品缺陷為設計目標,以海灘防護同時兼顧原生態保護要求為設計理念,對傳統土工材料織物組織結構進行重新設計。

改變致密的布層結構成為實現在濱海潮間帶水生高級植物獲得重生的途徑之一,織物的組織結構設計主要圍繞土工材料植物根莖可自由穿越以及提升材料生物相容性兩方面進行。產品結構設計為結構層和生態維持層兩層結構, 結構層以保持傳統土工紡織材料平紋組織強度為基礎，以改變組織結構不影響土工材料水域保灘護底功能為條件,在結構層織物上“開洞”成為了產品設計的思路,當植物根莖遇到土工材料后依照植物根莖向上生長規律在材料上“開洞”,提供可讓根莖向上發展的基礎條件。生態維持層材料采用經高分子合成纖維表面改性處理的方法改善材料的親水性和微生物附著性,通過提升材料的親水性和生物相容性，增加土工材料的生物相容性，實現水生植物的根莖自由生長和微生物在材料上的附著,在水體中形成微生物-底棲生物-浮游生物-植物一體的生態循環系統。

4 實驗室理化及水體凈化測試

4.1 物理指標測試

經上海勘察設計院檢測,材料各項指標見表1。

表1 材料物理指標

測試表明超強大孔徑植生布抗拉強度已經達到傳統土工布的基本值,動態穿孔破洞直徑達28mm,可基本滿足蘆葦等水生植物根莖的穿越。

4.2 水體凈化試驗

超強大孔徑植生布經生物載體材料模擬污水凈化系統實驗室處理,經兩個月試驗對COD、氨氮、總氨去除進行測試:

a.系統對COD 有較高的去除率。對COD的去除率可以穩定地達到85%左右。材料表面微生物采用附著生長方式，系統內單位體積微生物的數量較多，使得系統具有優異的COD去除效果,見圖1。

圖1 系統對COD的去除效果

b.系統對氨氮具有良好的去除效果。系統對氨氮的去除率達到了 90%以上，見圖2。

c.系統具有良好的總氮脫除能力。系統對總氮的脫除能力達到 70%～90%，表現出優異的脫氮能力,見圖3。

圖2 系統對氨氮的去除效果

圖3 系統對總氮的去除能力

d.微生物填料參數見表2。

表2 微生物填料參數

水體凈化測試表明,超強大孔植生布有較強的生物凈水能力,有極強微生物掛膜性能,若應用在水體中同時可去除COD、氨氮、總氮等物質。

5 超強大孔徑植生布在潮間帶生態修復工程中的應用

超強大孔徑植生布在膠東半島濱岸實施潮間帶生態護坡工程試驗，工程位于防潮堤外側的潮間帶的水生植物種植區域，栽植區域海水鹽度高達30‰以上,水生植物根莖長期浸泡在海水中,并受潮汐影響植物種植初期整株植物時常受浸沒,工程采用超強大孔徑植生布作為護灘和修復維持植物生態的基礎結構材料。

該工程區域對于生態工程物種的生長逆境壓力較大，主要是階段性的缺水、季節性的低溫和水體的高鹽度。該產品在幫助生態工程物種對抗生長逆境起到了正面干預作用，可以起到保濕、保溫和鹽度離子濃度緩沖的作用。

目前膠東半島潮間帶生態護坡工程施工結束已有15個月，該段生態護岸上的生態工程物種已經度過一個完整的生活史，實現了移栽后的返青、越冬、萌發等關鍵階段，實現了地上部分和地下部分的生長。植株的地上部分不但實現了營養生長，也實現了繁殖生長；由于本次生態工程物種選取的是蘆葦，植株的地下部分順利穿越超強大孔徑植生布，實現了蘆葦匍匐莖的橫走生長和植株的自我克隆繁殖，見圖4。

圖4 穿越虛擬大孔徑植生布生長的蘆葦地下部分

超強大孔徑植生布主要可用于受潮汐落差較大的海洋、大江、大河和湖泊等超大水域潮間帶的防護和生態修復工程。超強大孔徑植生布曾在水位落差高、水流速度大的長江深水航道二期岸坡生態恢復工程中進行種植水生植物應用試驗,試驗結果水生植物生長良好,并且植物根莖與土工材料融為一體,實現在復雜水環境條件下水生植物生態修復的效果。

超強大孔徑植生布的應用使得生態護岸上的植被群落得到了良好的發育，生態護岸作為人工生態系統滿足了凈化水質的生態需求，微生物等其他生態組分也在逐步自我完善，未來可以實現更為完整和更大容量的生態系統服務功能。

6 結 語

我國目前整個環海域大概有20km2受污染。其中東海占到大約一半，10km2；其次是渤海、黃海；受污染最輕的是南海。海洋生態修復迫在眉睫。超強大孔徑植生布對保護和恢復潮間帶護岸保灘濕地重建有其獨特的產品特性，可有效解決使用傳統土工材料影響植物生長的產品缺陷，經工程試驗綜合效果理想,符合海灘防護同時兼顧原生態保護要求。與國外應用實例相比，具有操作簡單、施工周期短、造價低等優勢，可用作潮間帶水生植物修復用關鍵性工程材料。超強大孔徑植生布產品已獲國家專利局專利授權(專利號: 201320627374.7)，并經中國科學院上海技術查新咨詢中心“科技查新報告”檢索,綜合技術達到國際領先水平。

[1] 馬德毅.全國自然海岸線告急,2/3已受損 [N].南方周末，2016-12-8.

[2] 張立師,王豹.水生態文明建設的思考[J].水資源開發與管理,2015(3)：57-59.

[3] WANG Qiang,LU Jianjian, et al.Wetland research and eco-development through Chinese-United States EcoPartnership relationships[J]. Journal of Renewable and Sustainable Energy,2015,7(4).

[4] 趙杭美，由文輝，羅揚，等.潮間帶在河道生態修復中的應用研究[J].環境科學與技術,2008,31(4):116-122.

[5] 許列峰，陳婕，邵之劍.城市河流生物修復技術的研究進展 [J].安徽農業科學，2013(6)：2597-2600.

[6] 灞上人家.海岸帶生態修復之濕地恢復[J/OL].(2013-12-9)[2016-5-8].http://www.shidi.org/sf-F66C135B4AD5485 AB35AE13EB869EFC4-151-Chanbawetland.html.

[7] 欽佩.互花米草生態效應兩面觀[N].中國環境報， 2016-12-5.

Application of ultra-strong large-aperture vegetative cloth in ecological restoration projects of inter-tidal zone

ZHANG Zhongzhen, YE Qing

(ShanghaiNewTextileIndustrialCo.,Ltd.,Shanghai200125,China)

The influence law of geotechnical materials on wave, flow, plant, microbe growth, etc. is studied through experiment on the basis of geotechnical materials. The protection mechanism of geotechnical materials on inter-tidal zone and plant growth features under ocean dynamic actions, such as wave, flow, etc. is explored. Structure of geotechnical material, aperture and materials are designed for determining protective materials which not only can meet beach protection, but also can be suitable for plant growth. The products provide foundation materials for bottom and beach protection, plant and microbe growth during beach erosion. The product defect of affecting plant growth by using traditional geotechnical material defects is solved. The comprehensive effect is ideal according to engineering test, and the product is consistent with the requirements of beach protection and original ecological protection.

inter-tidal zone; water ecological restoration; wetland reconstruction; large aperture vegetative cloth

TV213.4

A

2096-0131(2017)03- 0033- 05