植物抗逆研究在生態護岸工程中的應用

呂曉彤，張偉忠，吳 波，王豐毅，王 強

（1.華東師范大學生態與環境科學學院 上海城市化生態過程與生態恢復重點實驗室，上海200241；2.華東師范大學 長江口濕地生態系統野外監測研究站，上海 200241；3.浙江省平湖市自然資源和規劃局，浙江 314200；4.中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津300222；5.華東師范大學 河口海岸學國家重點實驗室，上海 200241）

關鍵字：生態護岸；工程植物；逆境；植物抗逆

引 言

傳統護岸工程主要側重于某些實用性價值如防洪、水運、灌溉等[1-2]，往往是剛性護岸，不重視與本土環境的融合，造成河岸帶生境條件單一、生物群落多樣性減少等問題。隨著生態學理論不斷發展，河岸的生態與景觀美化功能受到人們關注，應用景觀生態學原理對岸堤展開多尺度、多學科的綜合研究，實現生態型的護岸作用是實現“自然-人類-水體”可持續發展的必然趨勢[3]。

1 生態護岸工程的特點

傳統護岸工程多采用干砌塊石、現澆混凝土、預制混凝土塊體等結構，在耐久性、穩定性、防止水土流失、防洪安全等方面有一定作用，但不同程度上對當地景觀、生態環境造成不良影響，因此近年來生態型護岸工程日益受到關注[4]。Coppin把生態護岸定義為“單獨用植物或植物與土木工程措施及其他非生物材料相結合，以減輕坡面不穩定性、水流侵蝕作用的護岸工程[5]”；黃岳文等認為生態護岸是融現代水利工程學、生物科學、生態學、景觀學等學科的水利工程[6]。總之，生態護岸是利用人工措施選用適當生物及工程技術，確保護岸結構穩定和安全性的前提下兼顧生態效應，使岸堤與當地河流、土壤、生物相融合，達到仿自然狀態的護岸形式，實現生態系統可持續發展。

生態護岸工程中，植物護坡起關鍵作用，水文效應上，植物通過滲透、過濾、吸收、沉積和截留等作用削弱徑流量及排污量，在水陸之間充當緩沖帶[7]；力學效應上，植物可增加坡面粗糙度，阻截徑流，同時根系能夠固土，減少水流對坡面基質的侵蝕，防止水土流失；生態效應上，植物可以發揮生態系統服務功能，維持生物多樣性，防止堤岸生態系統的退化。因此選擇植物是生態護岸工程的重點，這方面的研究沒有成熟的參考體系和規范[8]。本文結合護岸植物可能面臨的脅迫進行分析，以期為工程中植物合理化配置提供參考。

2 生態護岸植物面臨的脅迫及工程中的選擇

景觀生態學角度看，岸坡生態系統屬于生態交錯帶的一種，具有生物多樣性高、空間異質性強、生態脆弱等特性[9-10]，植物在這種環境下，易遭受外界脅迫。由于生態護岸工程中植物的特殊角色及作用，所篩選的工程植物往往需要具備以下幾個特點：本土種優先，引種適宜當地環境，無入侵性；管理粗放，抗性強，根莖發達；觀賞性強。實際護岸工程中，結合特殊逆境與普遍規律，進行工程植物的篩選工作。

2.1 水文周期變化的脅迫

生態護坡應滿足防洪、護岸的要求，其次，作為陸地-水體過渡帶水位周期變化的水文條件下，物種應具有良好的水陸兩棲性。工程中死水區指坡底到枯水位間的部分，常年在水下，選擇適宜的沉水植物；水位變化區指枯水位與高水位間的區域，受豐水期與枯水期交替作用，水位變化大，風浪淘蝕嚴重，易造成短期淹水及干旱，對護岸植物造成脅迫；無水區指洪水位到坡頂間的區域，多種植本土陸生植物[11-12]。

水文周期明顯的岸堤會受到水位消長的影響，首先根據水位變化及水深，形成水生-沼生-溫生-中生群落帶[13-14]。同時考慮適應水位變化，間種耐受周期性淹水的物種：一年生草本植物，生長周期短繁殖力強，在岸堤一定水淹條件下也能完成生活史，次年可依靠土壤中種子庫或者臨近種源開始新的生長周期。如可耐受重度淹沒的植物水蓼、狗牙根、扁蓄等；短時間水淹工程種水蓼、苔草、天胡宴、白茅、棒頭草和牛筋草等[15]，實現一個適用性、多層次、實用美觀的護岸[16]。

2.2 污染物脅迫

污染是工程植物面臨另一威脅，包括材料的水化反應及各種添加劑等工程原因造成的污染，工農業發展、城市化進程造成的過量營養鹽、重金屬、航船油污等污染。適宜的植物能夠截留陸地污染物向水體排放，也可長期耐受，對污水起到一定的凈化作用，同時改善景觀，避免產生新的環境問題。如富營養化生活污水中，合適的生態工程植物會表現出較強的耐受及去除能力[11]，適宜的工程植物有香菇草、細葉莎草和水生美人蕉等[17]。同時大部分植物春夏季發芽生長，對污染物的耐受及處理能力較強，秋冬季枯萎衰亡，對污染物處理效果和抗性下降[18]。但冬季水蔥、燈心草、水芹、狐尾藻、輪藻和小茨藻等也能較好生長，可以在低溫下耐受污染起到一定的凈化作用[17-19]，可搭配種植，保證岸堤常年具有功能性。

2.3 鹽堿脅迫

濱海鹽堿岸堤一直是濱海護岸的難點之一，我國11個省（區）分布在海岸線上，約1.8萬km濱海地帶和島嶼沿岸[20]，需引進或培育適宜的鹽生植物或耐鹽植物[21]。利用隸屬函數法得出抗鹽性度量值對抗鹽植物的耐鹽性進行評價[22-23]，研究顯示馬鞍藤耐鹽堿，對土壤要求不高，景觀效應好，可作為濱海護堤植物[24]；康俊水等篩選出 36種適應性強的植物，適合在濱海護岸中引進的物種有矮鳶尾、三七景天、八寶景天、費菜、荷蘭菊等[25-26]。

2.4 寡營養基質的脅迫

目前一類常用的生態護坡為鏤空網結合塊石進行護岸，這種護岸工程結構穩定，植物根系可以纏繞在網格上，抗洪、保護河堤能力強，但處于坡面、水流洗刷易造成前期營養不充分，且保水能力差，工程栽培植物難以自身繁殖、建群和穩定生長。調查顯示，三年后格賓網片護岸上人工栽培植物全部演替為自然生長的野生植物[27]。

面對這種營養不足、保水性不強的基質條件，需要選擇根系發達能透過網格石塊，耐受貧瘠環境的植物，如紫穗槐以及丁香等；豆科植物有固氮能力，根部能共生根瘤菌固定大氣中的氮，改善貧瘠土質，促進后續植物的生長；灌木和喬木（小喬木）生命周期長、有龐大的根系。因此可結合上述類群混植，充分利用空間生態位，構建穩定的群落結構。

2.5 水流沖刷的脅迫

河道急速水流的沖刷、臺風、船行波等都會對堤岸造成嚴重損壞，在水流、波浪的共同作用下產生侵蝕效應，使護岸垮塌。適宜的工程植物枝葉，特別是柔性枝葉對波浪有能量吸收、消散的作用，原水波對基質造成的拖曳力一部分由植物承擔，可以降低水體動能，減少波浪對堤身的沖擊力。水流速小（≤3 m/s），沖刷不嚴重時，可以選擇植物覆蓋能力強，綠化效果好的植物；當水流速大，河道洪水流速（＞3 m/s）或風浪、船行波通過堤岸反射，強烈地直接拍打或搖動植物體，會對植物造成一定的脅迫，植物葉片破碎、莖折斷，甚至連根拔起。

適宜的工程物種可起到一定的緩沖作用，柔性植物莖葉可減緩水流對岸坡的沖刷與侵蝕，發達的根系能夠增加土壤抗剪切強度，起到固土的作用，保護岸坡穩定。同時根據波浪特點結合工程手段，在種植物前用松木樁、毛竹樁等進行消浪、護岸加固技術措施。隨后選擇根系發達，柔性好抗折能力強的植物，例如長勢良好的挺水植物，特別是梭魚草，水生鳶尾，黃菖蒲，花葉蘆竹等[28]。

3 不同條件下工程案例及植物選擇

3.1 不同條件下工程案例

1）水文周期脅迫下生態護岸工程——中山岐山公園

廣東省岐山公園總面積10.3 km2，日水位變化達 1.1 m，在水位變化較大的情況下，俞孔堅等人選用適宜工程植物設計了一種親水生態護岸工程-棧橋式生態親水湖，采用梯田式種植臺，在最高和最低水位之間的湖底修筑3～4道擋土墻，形成一系列梯田式水生和濕生種植臺，根據水位的變化及水深情況，選擇鄉土植物形成水生-沼生-濕生-中生植物群落帶，包括：荷花、菱白、營蒲、旱傘草、茨菇等；濕生和中生的包括蘆葦、白茅和其他茅草、苦苡等。隨著時間的推移，水際群落的不斷豐富和成熟，生物多樣性將不斷提高，護岸效果顯著[13]。

2）污染及河床淤積條件下生態護岸工程——崇明港沿鎮獨立河段

上海市崇明區港沿鎮獨立河段河床淤積并且污染嚴重，河道黑臭，顧向陽等人基于底泥固化/穩定化的技術理論，進行了崇明河道護岸生態中試工程，總長度60 m。在近岸河床底部采用置石或建筑廢料堆砌加固，護岸砌筑使用建材式生態磚和輕質生態磚，保障植物生長，護坡土層原位固化后栽種植物，分別移植和栽種了草皮、挺水植物和沉水植物護岸近水和護坡為區域劃分，近水種植美人蕉、花葉蘆葦，種植距離為20 cm，護坡鋪設草皮，在種植3周后有30 %的植株開花，護坡鋪設草皮生長迅速，護坡效果顯著[28]。

3）河岸侵蝕條件下生態護岸工程——法國阿爾卑斯山前河流

在法國羅納-阿爾卑斯地區山前河流上岸堤侵蝕區域為穩定岸線、防止沖刷侵蝕和水土流失，建造了三種護岸工程：土木結構傳統護岸工程、土木結構-生物結構混合型生態護岸工程及純生物型生態護岸工程。

土木結構傳統護岸工程主要以巖石、水泥為材料；土木結構-生物結構混合型生態護岸工程是混合硬質護岸和生物工程技術（結合工程灌木插條和人工林）；純生物型生態護岸工程是用岸堤下端種植柳樹，上端進行植物插枝和人工林。人工林選用如水楊科植物，深根、密集覆蓋，同時生長迅速。工程后觀察三種工程護岸效果相差不大，但兩種生態型護岸植物的覆蓋度和生物量顯著高于傳統硬質護岸工程，生態護岸引進的柳樹、灌木插條等工程植物提供的食物資源和棲息地引來了諸多昆蟲構建起完整的河岸生態系統，護坡的同時保證了生態可持續發展[29]。

3.2 不同逆境條件下工程植物的選擇

本文結合上述分析，總結了不同特殊逆境下可選擇的護岸工程植物（表1）。

表1 生態護岸工程中不同脅迫因子下常用的植物

4 結 語

生態護岸與傳統護岸相比，成本低、工程小同時生態景觀性好，但植物選擇上，理論研究滯后于工程應用的需要。目前大部分工程很少考慮工程中植物面臨的逆境，造成后期植物大量死亡或被原生種演替，達不到護岸的目的，本文總結了護岸植物面臨的脅迫，篩選出抗性高的工程物種，以供生態護岸工程中參考。

生態護岸工程不能只注重短期效果，只關注暫時的功能性和美觀性，應對各種長期行為進行有效的分析評估，如植被配置過程中是否存在潛在生態危害。同時應將植物措施與工程措施相結合，如在部分水流沖刷很嚴重的區域，修建相應的工程措施，如防浪墻、石籠護坡等，只有這樣才能保證生態護岸工程的正常運轉，保證整條河流生態系統的良性發展。