生態袋護坡技術在三峽水庫消落帶植被恢復中應用的可行性研究

簡尊吉,郭泉水,*,馬凡強,秦愛麗,程瑞梅,肖文發,康 義,梁洪海

1 中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所,國家林業和草原局森林生態環境重點實驗室,北京 100091 2 河北省塞罕壩機械林場, 承德 068450 3 重慶市巫山縣林業局, 重慶 404700

三峽水庫消落帶總面積348.93 km2,冬季最高蓄水位海拔175 m,夏季最低保持水位海拔145 m,相對高差30 m,是目前我國最大的水庫消落帶,也是三峽水庫最不穩定的生態脆弱帶[1- 3]。自2003年三峽水庫運行以來,受周期性水庫水位漲落的影響,消落帶植被已遭到嚴重破壞[4- 7]。在一些坡度較大,土壤沖刷嚴重的地段,消落帶植被已不復存在,并開始出現與三峽優美環境不協調的似“荒漠化”景觀[3]。因此,恢復消落帶植被,已成為當前三峽水庫生態環境治理的重要任務之一。

近年來,圍繞消落帶植被恢復,許多專家和學者從穩固消落帶邊坡和篩選適生植物入手,開展了大量理論探討和試驗研究,并開發了一些卓有成效的恢復方法。任雪梅等[8]和湯顯強等[9]從理論上探討了在三峽水庫消落帶的土質緩坡上構建植被生態工程的可能性；吳江濤等[10]提出了在巖石坡面構造的燕窩式植生穴內和在裸地邊坡鋪砌的防沖刷生態型護坡構件上,種植耐水淹的灌木和挺水植物的植被恢復技術；鮑玉海等[11]和鐘榮華等[12]提出了依靠鋼筋相互串聯和構件體自嵌銜接鉸鏈式覆蓋消落帶坡面,在磚體種植穴中種植耐濕植物的自鎖定消浪植生型生態護坡技術和串珠式柔性護岸技術；周明濤等[13]驗證了植物與工程(混凝土菱形框格梁)相結合的治理模式在三峽水庫消落帶應用的可行性。目前,這些技術在三峽水庫消落帶植被恢復實踐中已有應用,但推廣范圍有限。其原因可能與混凝土、鋼筋等建筑材料的大量使用,以及施工難度大、成本高,或植被恢復效果不甚理想有關。生態袋護坡技術是集柔性結構、生態、環保、節能四位一體的一種新型生物工程技術。它通過將生態袋沿破損邊坡層層堆疊,袋體間用專用聯結扣聯結,在生態袋上種植植物來實現穩固邊坡和復綠的目標[14-15]。生態袋是由聚丙烯或聚酯纖維材料制成的雙面熨燙針刺無紡布加工而成,具有透水不透土、耐酸堿、不助燃、零污染、抗老化、使用壽命可達70年之久等優點[14-15]。生態袋內的填充物可就地取材,成本低廉,施工便捷。與現有技術比較[8- 13],采用生態袋護坡技術不僅可有效避免高能源消耗和高污染建筑材料的過多使用,還可徹底解決植物生長基質因涌浪沖刷而流失的問題[14- 15]。近十幾年來,生態袋護坡技術已在堤防工程和道路邊坡綠化等領域廣泛應用[15- 22],但在三峽水庫消落帶植被恢復中的應用還鮮見報道。

生態袋、填充物、生態袋上種植的植物是生態袋護坡技術的3個重要元素。實現生態袋護坡復綠功能的核心是適生植物選擇,基本保障是生態袋的使用壽命和填充物肥力的持久供應[22]。三峽水庫消落帶水陸生境交替變化,生態袋上種植的植物不僅要具備耐淹和耐旱雙重特性,而且其根系要有較強的穿透能力；同時,生態袋內的土壤養分也不能因水庫水位漲落過程中的反復淋溶而發生過多流失。這些都是制約生態袋護坡技術在三峽水庫消落帶植被恢復中應用的關鍵因素。

本文以2009年5月在三峽水庫重慶市巫山縣雙龍鎮段消落帶(簡稱雙龍鎮試驗地)和巫峽鎮段消落帶(簡稱巫峽鎮試驗地)設置的生態袋護坡和復綠試驗示范基地為依托,于2016年8月,對生態袋上(內)和其堆疊處上方和左側消落帶狗牙根(Cynodondactylon)種群密度、表型生長性狀、地上和地下生物質量,以及土壤理化性質進行測定和分析,試圖回答兩個科學問題：(1)生態袋上與其堆疊處周邊消落帶狗牙根的種群密度、表型生長性狀和生物質量是否存在差異？(2)生態袋內與其堆疊處周邊消落帶的土壤養分含量有何異同？并以此為基礎,對以狗牙根為種植植物,將生態袋護坡技術應用于三峽水庫消落帶植被恢復的可行性進行分析。

1 試驗地概況

試驗地設在三峽水庫重慶市巫山縣雙龍鎮和巫峽鎮段消落帶內。地理位置和調查樣方設置見圖1。雙龍鎮試驗地設在三峽水庫大寧河支線,地理坐標為31°11′25.0″N,109°52′15.4″E,海拔155 m左右,坡度26°,坡向為北偏東30°。試驗前為農用梯田,土層厚度40 cm左右,土壤類型為在紫色砂巖上發育的紫色土。巫峽鎮試驗地設在三峽水庫干線沿岸,地理坐標為31°04′17.8″N,109°55′44.4″E,海拔160 m左右,坡度40°,坡向為南偏東20°。試驗前為坡耕地,土層厚度60 cm左右,土壤類型為在石灰巖上發育的黃色石灰土。兩地氣候類型相同,均屬于亞熱帶季風性濕潤氣候。年均溫18.4℃,≥10℃年積溫5857.0℃,無霜期305 d,年均降雨量1049.3 mm[23-24]。

圖1 三峽水庫消落帶生態袋護坡試驗地位置和示意圖Fig.1 Location and schematic diagram of the ecological bag slope protection in the water level fluctuation zone of the Three Gorges Reservoir圖中倒三角、實心圓和正方形分別代表生態袋上(位置A)、生態袋堆疊處上方(位置B)和生態袋堆疊處左側(位置C)

在雙龍鎮試驗地,生態袋護坡技術應用在上下兩塊梯田交匯處的垂直界面上。試驗前,該界面上的土壤因水庫涌浪沖蝕殆盡,植被全無。試驗設置的生態袋堆疊長度為50 m,高度1 m。在巫峽鎮試驗地,生態袋護坡技術應用在消落帶崩塌地段,生態袋堆疊面積200 m2。試驗前,生態袋堆疊處周邊消落帶已被狗牙根單優種群所覆蓋,蓋度接近100%,且長勢良好。

2 研究方法

2.1 生態袋護坡施工和植物種植

生態袋購于廣東東莞金字塔綠色科技有限公司。規格為114 cm×51 cm。填充土壤后,長約94 cm,寬約42 cm,厚約20 cm。袋內填充的土壤取自試驗地附近的棄耕地,土壤理化性質見表1。生態袋填裝土壤后,用生態袋專用扎口帶扎口,而后沿邊坡自下而上按“品”字形堆疊(圖1)。袋體間用生態袋專用聯結扣聯結。堆疊完成后,用平鏟從試驗地附近棄耕地上生長的狗牙根種群中鏟取厚度約5 cm左右的帶根草皮,平鋪在生態袋的表面和嵌入袋與袋之間的縫隙中；之后,每隔1天澆1次水,以保持狗牙根草皮處于濕潤狀態。當狗牙根萌出新芽(約7 d左右),停止澆水,任其自然生長。生態袋護坡施工和植物種植時間為2009年5月。

表1 雙龍鎮和巫峽鎮試驗地土壤理化性質

2.2 狗牙根種群密度、表型生長性狀和生物質量調查

調查時間為2016年8月。調查方法采用樣方法和土柱挖掘法。樣方調查內容主要是種群密度和表型生長性狀。樣方大小40 cm×40 cm。每塊試驗地設9個(圖1)。其中,3個樣方設在生態袋上(位置A),3個樣方設在其堆疊處上方消落帶上(位置B),3個樣方設在其堆疊處左側消落帶上(位置C)。調查時,先查數樣方內狗牙根的植株數量(以地面或生態袋表面萌生的植株為單元),再隨機抽取15株,用鋼卷尺和游標卡尺測量每個植株的長度、基徑、節間長度、一級分枝長度和一級分枝節間長度(精度：0.01),同時,查數各植株的節間數量、一級分支數量和一級分枝節間數量。調查完成后,割取植株地上部分,裝入布袋；而后向下挖取長、寬、深為40 cm×40 cm×20 cm的土柱[23]進行根系生物質量調查。調查時,先按0—5、5—10、10—15、15—20 cm分層,而后用鋒利的鋼刀分層切割,并分別放入盆中用清水浸泡,待土壤松軟后,用清水將附著在根系上的土壤沖洗干凈,裝入布袋。在實驗室內,將所有植物樣品一并置入溫度設置為70℃的鼓風干燥箱中進行烘干處理。烘至48 h后,用1/100電子天平稱其干質量。

2.3 土壤理化性質測定

土壤容重和化學性質測定。取土位置設在土柱挖取后形成的空穴邊緣(0—20 cm土層)。每個樣方取1個環刀土樣(100 cm3)和1個混合土樣(約1 kg)。土樣采集后帶回實驗室自然風干,剔除礫石、植物根系等雜物,用研缽研磨,過2 mm和0.154 mm網篩,而后裝入信封備用。測定指標包括：容重、全氮、全磷、全鉀、速效氮、有效磷、速效鉀、有機質和pH 值。測定方法參照《森林土壤分析方法》[25]。其中,全氮含量測定采用半微量凱氏定氮法,全磷和全鉀含量測定采用硝酸、高氯酸和氫氟酸混合溶液消解—等離子發射光譜法,速效氮含量測定采用堿解—擴散法,有效磷含量測定采用鹽酸和硫酸混合溶液浸提—等離子發射光譜法,速效鉀含量測定采用乙酸銨溶液浸提—等離子發射光譜法,有機質含量測定采用重鉻酸鉀氧化外加熱法,pH值測定采用1∶2.5(v∶v)水提—pH酸度計法。測定分析工作在國家林業局森林生態環境重點實驗室中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所分析測試中心完成。

2.4 數據分析

采用SPSS 19.0軟件的單因素方差分析(one-way ANOVA)中的Duncan法對生態袋上(內)與其堆疊處周邊狗牙根的種群密度、生長特征和土壤理化指標進行差異顯著性檢驗(α=0.05)；采用Pearson法對狗牙根種群特征與土壤理化指標進行相關性分析。采用Origin 9.0 軟件作圖。數據整理用Excel 2003。圖表中數據為均值±標準差。

3 結果與分析

3.1 生態袋上與其堆疊處不同方位消落帶上狗牙根種群密度的比較

由圖2可以看出,各試驗地生態袋上(位置A)與其堆疊處上方(位置B)和左側(位置C)消落帶狗牙根種群密度的差異不顯著(P>0.05)。種群密度的高低因地和在生態袋堆疊處的方位不同而變化。在雙龍鎮試驗地為生態袋堆疊處左側消落帶>生態袋堆疊處上方消落帶>生態袋上；在巫峽鎮試驗地為生態袋上>生態袋堆疊處左側消落帶>生態袋堆疊處上方消落帶。

圖2 生態袋上(位置A)與其堆疊處上方(位置B)和左側(位置C)消落帶上狗牙根的種群密度Fig.2 Population density of Cynodon dactylon on the ecological bag (position A) and around the ecological bag stacking (position B and position C) at the same plot不同小寫字母表示不同生態袋位置間在0.05水平下差異顯著

3.2 生態袋上與其堆疊處不同方位消落帶上狗牙根表型生長性狀的比較

生態袋上(位置A)與其堆疊處上方(位置B)和左側(位置C)消落帶狗牙根的表型生長性狀因地而異(表2)。在巫峽鎮試驗地,生態袋上與生態袋堆疊處上方和左側消落帶各項表型生長指標的差異均不顯著。在雙龍鎮試驗地,生態袋上與其堆疊處左側消落帶各表型生長指標的差異也不顯著,但比其堆疊處上方消落帶的植株長度和節間長度分別降低了23.9%和22.6%(P<0.05),除此之外的其他指標的差異均不顯著。

3.3 生態袋上(內)與其堆疊處不同方位消落帶上狗牙根生物質量的比較

各試驗地生態袋上(位置A)與其堆疊處上方(位置B)和左側(位置C)消落帶狗牙根地上生物質量的差異均不顯著,地下生物質量則因地和土層不同而異(圖3)。在雙龍鎮試驗地,生態袋內0—5 cm土層中狗牙根的根系生物質量比其堆疊處上方消落帶增加了75.7%(P<0.05),但比其堆疊處左側消落帶降低了11.8%；在5—10 cm和10—15 cm土層中,生態袋內比其堆疊處上方和左側消落帶降低了91.6%—96.9%(P<0.05)；在15—20 cm土層中的差異不顯著。在巫峽鎮試驗地,生態袋內0—5 cm土層中的根系生物質量比其堆疊處上方和左側消落帶增加了138.7%和98.8%(P<0.05)；在5—10 cm、10—20 cm和15—20 cm土層中,生態袋內比其堆疊處上方和側方消落帶增加了20.0%—136.3%(P>0.05)。

表2 生態袋上(位置A)與其堆疊處上方(位置B)和左側(位置C)消落帶上狗牙根的表型生長性狀

圖3 生態袋上(內,位置A)與其堆疊處上方(位置B)和左側(位置C)消落帶上狗牙根的生物質量Fig.3 Biomass of Cynodon dactylon on/in the ecological bag (position A) and around the ecological bag stacking (position B and position C) at the same plot不同小寫字母表示不同生態袋位置間在0.05水平下差異顯著

3.4 生態袋內與其堆疊處不同方位消落帶上土壤理化性質的比較

各試驗地生態袋內(位置A)與其堆疊處上方(位置B)和左側(位置C)消落帶土壤容重的差異均不顯著,土壤化學性質因地而異(圖4)。在雙龍鎮試驗地,生態袋內比其堆疊處上方消落帶土壤全氮和速效氮含量降低了13.6%和40.9%(P<0.05),速效鉀含量增加了18.3%(P<0.05)；生態袋內的全氮和速效氮含量比其堆疊處左側消落帶降低了11.9%和33.0%(P<0.05),速效鉀含量增加了34.1%(P<0.05)；除此之外,其他各項指標的差異均不顯著。在巫峽鎮試驗地,生態袋內土壤pH值和全氮含量比其堆疊處上方消落帶分別降低了1.4%和27.9%(P<0.05),全鉀含量增加了6.1%(P<0.05)；生態袋內比其堆疊處左側消落帶的全鉀和速效鉀含量分別降低了8.1%和24.9%(P<0.05)。

圖4 生態袋內(位置A)與其堆疊處上方(位置B)和左側(位置C)消落帶土壤的理化指標Fig.4 Soil physical and chemical indicators in the ecological bag (position A) and around the ecological bag stacking (position B and position C) at the same plot不同小寫字母表示不同生態袋位置間在0.05水平下差異顯著

3.5 狗牙根種群特征與土壤理化指標的相關性分析

從表3可知,狗牙根種群的大多數測定指標與土壤理化指標的Pearson相關性未達到顯著水平,相關性顯著的很少,且因地而異。在雙龍鎮試驗地,土壤容重與植株節間長度和一級分枝節間長度,全鉀含量與植株長度,有效磷含量與0—5 cm土層中的根系干質量,速效鉀含量與種群密度呈顯著負相關(P<0.05)；有機質含量與10—15 cm土層中的根系干質量,全氮含量與5—10 cm土層和10—15 cm土層中的根系干質量,速效氮含量與植株節間長度和5—10 cm及10—15 cm土層中的根系干質量,有效磷含量與植株長度、植株節間長度、一級分枝節間長度呈顯著正相關(P<0.05)。在巫峽鎮試驗地,速效氮含量與植株節間數量顯著正相關(P<0.05),土壤容重與15—20 cm土層中的根系干質量,有效磷含量與一級分枝節間長度顯著負相關(P<0.05)。

4 討論

消落帶的土壤存在與否,是制約三峽水庫消落帶植被恢復的瓶頸。受多年水庫水位漲落或涌浪沖刷的影響,消落帶的土壤流失問題已非常嚴重。在一些坡度較大、土層較薄的地段,其表層土壤已喪失殆盡；在一些土層較厚的地段,滑坡和崩塌都有發生[3]。土壤是植物生存的基礎,沒有土壤,植被就不可能恢復。生態袋透水不透土,將生態袋堆疊在消落帶上,就等于在其地表鋪墊了一層厚厚的可永久保存的土壤,從而使植被恢復所需土壤缺失的問題得以解決。

穩固邊坡和復綠是生態袋護坡技術追求的兩個目標[14-15]。在各目標的實現過程中,所遇到的問題不盡相同。復綠目標能否實現,關鍵在于所選擇的種植植物是否與當地環境相適應,能否在生態袋上正常生長。三峽水庫消落帶生態環境特殊,種植在生態袋上的植物,不僅要具備耐淹、抗旱雙重特性,而且其根系還要有較強的穿透力,能夠穿過生態袋汲取袋內土壤養分和水分。本研究以狗牙根為生態袋上的種植植物,在試驗7年后的調查結果顯示,生態袋上(內)與其堆疊處周邊消落帶上的狗牙根種群密度和地上生物質量,以及大多數表型生長指標和地下生物質量的差異不顯著(圖2和圖3,表2)。此結果表明,狗牙根不僅能夠適應三峽水庫消落帶水陸交替變化的生境,而且能夠在生態袋上正常生長。狗牙根屬多年生匍匐莖草本植物,一旦種植成活,便可迅速蔓延[23],很快就將生態袋全部覆蓋。試驗發現,在生態袋上種植當年,其覆蓋率就達到了100%,在此之后的7年間,一直未發生改變。狗牙根是廣布于三峽水庫消落帶的鄉土植物[4-7]。已有研究表明[23,26-31],能夠在干濕交替逆境中降低代謝和提高儲能,以及積極的自我調節和光合補償能力,是狗牙根能夠在消落帶和生態袋上長期生存的重要生理機制。

在不同試驗地,生態袋上(內)與其堆疊處上方和左側消落帶的狗牙根少數表型生長性狀和地下根系生物質量存在差異(表2和圖3)的原因,可能與試驗地的地形條件,以及由此導致的生態袋堆疊后攔截其上方消落帶沖刷下來的或水體攜帶的泥沙(淤泥)厚度有關。已有研究表明,受泥沙(淤泥)沉積或掩埋(厚度約0—10 cm)影響,狗牙根的出苗率或萌芽能力會顯著降低[32-33]。但泥沙(淤泥)中的養分較高,對狗牙根的莖發育、葉伸長以及莖節、葉片的形成有一定的促進作用[32]。據觀察,生態袋堆疊后,生態袋上和其堆疊處上方消落帶都會沉積一層厚薄不等的泥沙(淤泥)。相比較而言,地勢較平坦(坡度26°)的雙龍鎮試驗地生態袋堆疊處上方消落帶的泥沙(淤泥)沉積較厚(1—5 cm),而坡度較大(坡度40°)的巫峽鎮試驗地上則沉積較薄。這可能是導致雙龍鎮試驗地生態袋堆疊處上方消落帶狗牙根種群密度低于其堆疊處左側消落帶(圖2),但有些表型生長性狀和根系生物質量高于生態袋上和其堆疊處左側消落帶(表2和圖3),以及巫峽鎮試驗地生態袋上與其堆疊處上方和左側消落帶狗牙根的種群密度、表型生長性狀和根系生物質量無顯著差異(圖2和圖3,表2)的主要原因。

生態袋上和其堆疊處上方和左側消落帶上狗牙根的根系生物質量在土層中的分配基本一致,主要集中在0—10 cm土層(圖3)。這與許多研究結果相一致[34-36]。野外調查發現,狗牙根的垂直根系能從一個生態袋進入另一個生態袋,也能穿出生態袋扎根于袋外的土壤中。生態袋內與其堆疊處上方和左側消落帶土壤容重的差異不顯著,大多數土壤化學指標的差異也不顯著(圖4),表明生態袋內的土壤,雖然經歷了多年水庫水體的淋溶,但仍具有較高的土壤肥力。

表3 不同樣地狗牙根種群特征與土壤理化指標間的相關系數

狗牙根種群密度、大多數表型生長指標和生物質量指標與土壤理化指標的相關性不顯著,少數指標相關顯著,且因地而異(表3)。相比較而言,在土壤肥力較高(表1,圖4)的雙龍鎮試驗地,顯著相關的指標較多,表明,狗牙根具有喜肥性,肥沃的土壤對狗牙根的生長發育有促進作用[31, 37]；在土壤肥力較低的巫峽鎮試驗地,顯著相關的指標較少。結合狗牙根在生態袋上與其堆疊處上方和左側消落帶表現生長指標和根系生物質量差異不顯著的結果(表2,圖3)分析可知,狗牙根對貧瘠的土壤也有較強適應性。已有研究表明[37],狗牙根能夠在富養和貧瘠的土壤中均能保持較高的養分競爭力。這可能是狗牙根種群密度、大多數表型生長指標和根系生物質量與土壤理化指標相關不顯著(表3)的重要原因之一。

5 結論

(1)生態袋上與其堆疊處上方和左側消落帶的狗牙根種群密度和地上部分的生物質量,以及大多數表型生長性狀和地下生物質量的差異不顯著；生態袋內大多數土壤理化指標與其堆疊處上方和左側消落帶的差異也不顯著。

(2)狗牙根種群密度、大多數表型生長指標和生物質量指標與土壤理化指標的相關性不顯著。

(3)狗牙根為廣布于三峽水庫消落帶的多年生匍匐莖草本植物,具有節節生根的生物學特性和耐淹、抗旱、耐貧瘠等生態學特性。其根系發達,能夠穿透生態袋,汲取袋內的土壤養分和水分；在生態袋上種植成活后,便可迅速蔓延,將生態袋全部覆蓋。生態袋透水不透土,可確保植物生長基質不因三峽水庫水位漲落和涌浪沖擊而流失,且具有一定的保肥能力。因此,以狗牙根為生態袋上的種植植物,將生態袋護坡技術用于三峽水庫消落帶植被恢復具有一定的可行性。