緩解集中流影響的植被緩沖帶優化策略探討

楊 淵

王天星

蔡心怡

江明艷*

河岸植被緩沖帶，簡稱“植被緩沖帶”(Vegetation Buffer Strip，VBS)，也被稱為“植被過濾帶”[1]“河岸緩沖區”[2]，是位于污染源與水體(河流、河道及溪流等)之間的植被種植(林地、灌木叢、草坪地被)區域，具有污染物截留、保護水質、保護生物多樣性等生態功能。迄今為止，學術界關于VBS的研究主要集中在其防止農業非點源污染的作用[3]、地形特征[4-5]、植被環境[6-7]、土壤特征[8]、水文環境[9]以及研究模型[10]等方面。

一些特殊的水文條件，如集中流[11]、沖蝕水溝[8]等在VBS中出現并頻繁發生，大大削弱甚至完全抵消VBS的截污凈化效應[12-14]。目前，關于這類特殊水文條件對VBS功能效應的影響研究還處于實地調研階段[7，8，15]，對緩解特殊水文條件影響的技術措施研究也只進行了少數探索性實驗[16-17]。本文在歸納總結集中流的概念、形成及其對VBS影響的基礎上，針對性地提出了緩解集中流影響的VBS優化策略，對VBS前端、中端、末端適用的各項工程技術措施進行量化研究，以期為完善VBS營建技術體系提供參考。

1 集中流對植被緩沖帶的影響

1.1 集中流的概念與形成

“Concentrated Flow Path”(CFP)譯為“集中流”[7，11，12]，是指隨著時間的推移，在植被緩沖帶內部或相鄰區域，由泥沙沉積形成的階地所滯留的地表徑流在階地海拔最低點突破之后所形成的相對狹窄且流速較快、流量較大的地表徑流形式，國內有學者將其稱為“股流”[12，18]。CFP是水文、地形、土壤、降雨、植被環境和人為活動等多方面因素共同作用的結果，使其形成的直接原因是沉積物堆積形成的階地[12]以及地表徑流量的增加。

表1 緩解集中流影響的植被緩沖帶優化策略

表2 植被緩沖帶前端散流結構的技術要點

1.2 集中流對植被緩沖帶的影響

CFP對VBS的影響主要表現在2個方面。首先是CFP上升的流速、流量和水位對VBS自身環境的侵蝕與破壞作用[12]，這是CFP負面影響的直接體現。CFP作為一種特殊的水文條件，其存在直接反映出VBS水文條件的變化；同時，與一般的層片流相比，CFP對VBS表層土壤和植被的沖刷作用更加明顯[13]，這會導致VBS土壤結構與植被環境惡化[7]，并隨著時間的積累改變VBS的地形特征，例如形成侵蝕水溝[6]或更陡的坡度等。其次是VBS自身環境的惡化會減弱甚至完全抵消其生態效應[6-7]，這是CFP負面影響的間接體現。VBS生態效應的發揮受到水文、地形、土壤及植被等多重因素及各因素之間相互作用的影響；而CFP的發生被認為是區域生態系統退化的標志[13]，這意味著區域內水文條件[19]、土壤結構[20]、地形特征[21-22]或植被環境[23]等已經出現變化甚至惡化現象，這會嚴重阻礙VBS生態效應的發揮。

2 緩解集中流影響的植被緩沖帶優化策略

VBS優化策略旨在緩解CFP的侵蝕和恢復被破壞的生態環境，因此緩解措施有3個切入點：減速分流、滲透吸收和固土凈化。以此為指導原則，將植被類型與配置、河岸地形(坡度和寬度)、駁岸處理等作為主要因素，從VBS的前端、中端、末端3個空間層次上構建一套完整的VBS優化策略(表1)。

圖1 草地過濾帶結構示意

圖2 梢捆結構示意

圖3 灌木樹籬結構示意

圖4 石頭堰結構示意

3 植被緩沖帶前端散流結構的設置

目前已有基于實地調查數據的分析指出，在VBS前端設置草地或濕地能夠有效緩解CFP帶來的風險[7，25]，植物過濾帶或緩沖屏障對VBS的環境和生態效應具有防護作用[11，16]，現場實驗也證實植物散流帶能夠分散CFP并減輕CF P 的侵蝕效應[18]。但是，目前相關研究均停留在現場調查和實驗分析階段，各種技術結構對應的指標參數尚不明確。

表3 植被緩沖帶中端滲透系統優化的技術要點

本文通過對相關研究成果的梳理與整合，提出VBS“前端散流結構”，即在靠近地表徑流輸入區域一端以植物或土石為主要材料、通過一定的結構與布局形成若干緩沖空間，提高地表粗糙度或形成緩沖屏障，對流經VBS的CFP產生“減速分流”[26]效應，起到保護地表土層、降低產流量、緩沖侵蝕以及初步攔截凈化等作用。前端部分整體寬度3.0～18.0m，可針對不同環境條件采用4種散流結構，即草地過濾帶、梢捆、灌木樹籬和石頭堰，具體技術要點見表2。

圖5 不同土質的植物選型示意：(a)黏土植物選型；(b)壤土植物選型；(c)砂土植物選型

圖6 微盆地結構示意

圖7 梯級地形結構示意

4 植被緩沖帶中端滲透系統的優化

本文在綜合考慮植被環境(覆蓋度、根系[31]、莖干密度和枯枝落葉等)、土壤特征(土壤質地、滲透率、土層厚度等)、地形條件(坡度、寬度等)等因素的前提下，以“延長接觸時間、擴大接觸面積、促進滲透吸收”為原則，借鑒前人對根系作用[32-33]和土壤侵蝕治理技術[34-36]的研究成果，從根系的土壤改良作用、植被的防侵蝕作用和寬度效應等方面出發，提出VBS“中端滲透系統”，通過不同土質條件下的植物選型與河岸微地形的塑造，最大化地發揮VBS對CFP的滲透與吸收效應。中端部分整體寬度5.0～30.0m，可針對不同環境條件采用5種空間優化措施，即黏土、壤土和砂土條件下的植物選型、微盆地和梯級地形的塑造，具體技術要點見表3。對VBS中端結構優化的研究目前幾乎空白，鮮有可借鑒的技術參數，因此文中所提出的優化技術尚存在一定的局限性。

5 植被緩沖帶末端駁岸形式的改造

目前關于生態護坡技術[29，42-44]和土壤生物工程技術[45-47]的研究已證實它們具有污染控制和駁岸保護的功能，但是與之相對應的技術結構、地形和植物配置等參數尚不明確。本文通過對各種駁岸營建技術的整合，以“截污凈化”和“穩固河岸”為主要原則，提出VBS“末端駁岸形式”，以植物作為主要材料，充分考慮生態系統的自我修復能力。末端部分整體寬度2.0～12.0m，可針對不同環境條件采用“草本+灌木”型、“活枝柴籠+灌叢墊”型和“植物+石塊”型3種生態駁岸結構形式，具體技術要點見表4。

表4 植被緩沖帶末端駁岸形式改造的技術要點

6 討論與展望

本文在綜合前人相關理論與實驗研究成果的基礎上，從CFP對VBS的負面影響出發，從前端、中端和末端3個空間層次上提出針對性的VBS優化策略。由于研究條件與時間的限制，目前還未在特定的場地中進行相應的VBS優化效應測試。因此文中提出的VBS優化技術結構還處于示意階段，未根據某一特定的環境條件和優化目標給出具有對照意義的自然植被參照系、優化前的植被現狀、優化后的植被配置方案，以及VBS優化前后截污凈化效果的數據對比分析。后續研究可在本文提出的VBS優化策略的基礎上，針對性地進行某種特定環境的VBS優化設計和優化效應測試，以進一步論證和完善VBS優化策略。

CFP的形成是水文、地形、土壤、降雨、植被環境和人為活動等多方面因素共同作用的結果，其中部分因素在不同環境中具有很大差異，難以在未確定具體場地的背景下全面考慮。因此，文中VBS優化策略是基于地形和植被環境2個可控因素，以及理化特征相對固定的土壤因素提出的，對于水文、降雨、人為活動等不確定因素的考慮不足。后續研究可針對某種特定環境，結合文中提出的VBS優化策略進行實驗設計，測試不同水文、降雨、人為活動條件下VBS優化策略的功能效應，進一步提升其科學性和適應性。

后續研究還應關注VBS作為河岸景觀的重要組成部分所應體現的景觀美學價值(如駁岸和植被空間的美化、內部景觀與微地形的結合等)，同時結合現代生活需求挖掘其潛在價值(如園藝、康養等)，實現其生態、景觀與生活價值的和諧統一。

注：文中圖1～7由王天星繪制，圖8～10由楊淵繪制。

圖8 “草本+灌木”型結構示意

圖9 “活枝柴籠+灌叢墊”型結構示意

圖10 “植物+石塊”型結構示意