河岸保護生物工程對河岸生態系統服務功能的影響

孫 遜

(山東泰信巖土工程有限公司，山東 淄博 256100)

幾個世紀以來，河流和漫灘一直受到人類活動的影響[1]。密集的土地利用極大地影響了生態環境。在自然狀態下，漫灘是生物多樣性的中心，其植物和動物物種比河道內其他地方多[2]。除此之外，它們還可以充當遷徙走廊，使物種能夠遠距離進行基因交換[3]。漫灘的生態價值日益得到認可，因此，河岸修復在過去幾十年中變得越來越重要。人為改變河岸結構(如基底和河岸傾斜)會導致棲息地多樣性的喪失[4]。從生態學的角度來看，動態的和未受破壞的河岸對河流的可持續性至關重要[5]。

河岸保護生物工程技術有助于保護河道的自然環境[6]。在該方法中，傳統的河岸固定設施被可以保持河岸穩定的生物成分所取代[7]。河岸保護生物工程技術創造的棲息地提供了更多的生態資源[8]。越來越多的研究表明了該技術對生物多樣性的積極影響。盡管河岸保護生物工程技術的使用在過去幾十年中有所增加，但其使用數量仍然有限，目前只應用于小部分河岸[9]。在河道修復中，生態方面的影響仍未受到足夠重視[10]。

本研究旨在通過應用生態系統服務，為河岸保護生物工程技術的實施引入新的論據。在世界范圍內，生態系統有著較為廣泛的功能。如：漫灘提供了大量的生態系統服務，特別是在糧食生產、燃料、氣候調節、土壤形成和養分循環方面。總之，濕地(包括漫灘)的總體生態效益高于其他陸地生態系統。

在本研究中，關注的是由天然漫灘提供的主要生態調節服務。地表水中氮(N)和磷(P)等營養物質的去除或保留對生態的影響非常大，同時河流生態系統能夠自我凈化，并通過細菌分解或過濾減少河道中的營養物質。此外，它們可以通過將有機碳吸收到河道中，來降低溫室氣體的含量。

本研究基于數學模型來估計河岸保護生物工程技術對山東某河道上的脫氮和磷保留的影響。此外，還研究了河岸植被生物中的碳固存。旨在表明，大規模應用河岸保護生物工程技術有助于提高水質和緩解氣候變化。

1 研究背景

1.1 河岸類型

本文的研究河道位于山東省，其河流寬度約為80m，平均流量為180m3/s。河岸以拋石沉積為主。將選定的河岸保護生物工程技術試驗河道與常規河岸(河岸以拋石沉積為主)進行比較。所有調查的河岸區域的長度為30m，寬度為5m，對應的面積為150m2。常規河岸的坡度約為20°，突出的拋石覆蓋層厚度為0.6m，在第1個選定的試驗河道，拋石被清除至平均水位以下0.4m，為防止河岸侵蝕，安裝了柳樹灌木墊(如圖1所示)，經過28年的生長，灌木墊發展成一個密集的軟木矮林(如圖2所示)；在第2個選定的試驗河道，拋石也被移除，此外，斜坡傾斜度減小到10°以下(如圖1所示)，用普通蘆葦進行初始種植，并發展成一個生長茂密的蘆葦床(如圖2所示)。

圖2 試驗河道的類型

1.2 河道中的營養物質

河水中氮的去除主要是通過洪水期間漫灘區域內的脫氮過程進行的。河道中的含磷量主要由洪水期間漫灘區域內的沉積過程所決定。植被表面粗糙度和洪水持續時間是影響沉積的決定性因素。

使用2個數學模型來估計圖1中特定河岸段中營養物質的留存率。影響模型的因素有土地利用類型、土壤類型、漫灘條件和地表粗糙度。所有數值均為每年每公頃減少的氮或磷(kgha-1yr-1)。由于河岸與水體直接接觸，所有研究的河岸類型均可歸類為活動漫灘。

1.2.1土地類別

圖1中的土地類別可分為：A段的陸上拋石由巖石、下方的人造土工布和巖石間隙中生長的少量植物組成，因此，該河岸類型可被視為“無植被”棲息地；河岸保護生物工程技術下的水域B和D的土地利用類別屬于“水域”；陸地C區由柳樹灌木叢墊組成，被劃分為土地利用類別“森林”；E段被劃為土地利用類別“濕地”，因為坡度降低會增加淹沒頻率，且該區域蘆葦生長量較高。

圖1 不同類型的河岸示意圖

1.2.2脫氮速率計算方法

土地中研究脫氮的方法如圖3所示。非植被的河岸與脫氮作用無關。在拋石中不能排除水和漫灘土壤之間的物質交換，并且很少有現有植物可以在巖石之間產生少量的自生有機土壤。因此，A段脫氮水平較低(5kg N ha-1yr-1)；河岸類型“軟木”和“蘆葦”的水域B和D的估計脫氮速率為300kg N ha-1yr-1；在C段平均脫氮速率為100kg N ha-1yr-1；E段的脫氮速率估計為250kg N ha-1yr-1。

圖3 評估土地脫氮水平的方法

1.2.3磷保留計算方法

在河岸類型為“拋石”的河段，本文采用最低的磷保留水平0.5kg P ha-1yr-1。雖然在河流的大部分區域通常不會發生相關的沉積，但在水生河岸區域測得的磷保留率非常高。因此，河岸類型為“軟木”和“蘆葦”的B段和D段的磷保留率高達50kg P ha-1yr-1；在C段和E段的磷保留率為5kg P ha-1yr-1。相應河岸的脫氮率和磷保留率見表1。

表1 不同河岸中河段的脫氮和磷保留情況

1.3 碳固存

通過比較研究河岸類型的植被覆蓋來估算河岸保護生物工程技術產生的額外碳儲量，本文使用了異速方程來估算植物中的碳含量。河岸型為“拋石”的河道中通常不存在植被覆蓋，該河岸類型的總生物量可忽略不計；河岸型為“軟木”的河道中的植被通常由灌木和柳樹組成。一般而言，干生物量中的碳比例約為50%，因此，通常將生物量乘以系數0.5，得出植物的碳含量；河岸型為“蘆葦”的河道中的碳儲量通常由生物量乘以0.45來獲得蘆葦植物的總碳含量。

2 計算結果

2.1 河道中的營養物質

采用河岸保護生物工程技術的兩種河道中的營養物質比初始類型河道(“拋石”型河道)中的更高。這主要是由于河道中拋石的移除使得河流與發生脫氮作用的天然洪泛區土壤之間能夠直接接觸。此外，天然河岸植被發展，增加了河道中的沉積過程。河流向內陸擴張，使得更多水域中的養分增加。河岸類型為“蘆葦”的河道額外斜率的降低使得該河道擁有較高的磷保留率。結果總結在表1中。

2.1.1脫氮

與采用河岸保護生物工程技術的河岸相比，“拋石”型河岸的脫氮潛力較低，約為0.075kg N yr-1。由圖1可以看出，去除拋石使得平均水位以下的區域擴大了1m以上(B部分)，與去除拋石之前相比，脫氮率增加了60倍。C部分由原先的河岸轉變為天然洪泛區棲息地(軟木)，該段洪泛區狀況顯著改善，脫氮率提高了20倍。在“蘆葦”型河岸中，坡度的進一步降低使得水域D擴大到2.8m，陸地部分的脫氮率比“拋石”型河岸高50倍。

2.1.2磷保留

類似于脫氮作用，“拋石”型河岸中的磷保留率很低，相對光滑的巖石結構使得該類型河岸只能有有限的沉降捕集效率，因此該類型河岸中只有可忽略不計的少量年磷保留量。在“軟木”型河岸水域B區，磷保留率比“拋石”型河岸中陸地部分的磷保留率高出百倍。C區域中的灌木叢植被有著更高的表面粗糙度，因此C區域的磷保留率比B區域的還要高。“軟木”型河岸中磷保留的總體收益為0.23kg yr-1。由于“蘆葦”型河岸水域D區的規模較大。因此，“蘆葦”型河岸的磷保留率最高，磷保留的凈收益超過0.44kg P yr-1。

2.2 碳固存

經過統計，“拋石”型河岸中的總生物量為75kg，相當于37.5kg的碳和138kg的CO2，該數值顯著低于采用河岸保護生物工程技術的河岸中的生物量。“軟木”型河岸的植被積累了大量的地上和地下生物量。由計算可得，這種河岸類型的柳樹碳含量在1.26～3.37t之間。由此產生的二氧化碳保存率比“拋石”型河岸產生的數值還要高30～90倍(見表2)。“蘆葦”型河岸中的總生物量為375kg，相當于169kg的碳，同樣意味著可以儲存超過620kg的CO2。

表2 不同類型河岸的碳固存量

3 研究結論

植被豐富的河岸非常有生態價值，因為它們能通過河流去除大量的氮和磷。它們同時也是重要的緩沖區，可以阻止營養物質從農業區進入河流系統。此外，在自然狀態下，它們還可以在生物質內儲存大量碳。由此可以看出，植被對河岸的生態功能的重要性。本研究的結果清楚地說明了與傳統“拋石”型河岸相比，采用河岸保護生物工程技術可以產生大量的生態效益。主要是通過去除碎石和降低坡度，保留了大量的氮和磷。植物的引入可以顯著增加碳固存量，從而額外捕獲CO2。

3.1 脫氮

河岸保護生物工程技術中去除拋石對脫氮有著根本性的影響。一方面，它可以使得河岸直接接觸河水和洪泛區土壤。另一方面，河岸會由于前一層河岸的寬度而降低。這增加了洪水頻率，從而改善了厭氧土壤條件，這對脫氮產生了積極影響。同時，“軟木”型河岸中柳樹的凋落物減少和植物的根部生物量衰減會導致有機碳輸入增加，使得整體脫氮作用增加了近30倍(見表1)。

在“蘆葦”型河岸中，斜坡的角度變小顯著增加了洪水頻率。由于大部分河岸低于平均水位，一半以上的地區會被永久淹沒。即使在概率較小的洪水事件中，剩余區域也經常被淹沒。這將導致更高的陸地脫氮率。因此，和沒被淹沒的地區相比，“蘆葦”型河岸的總體脫氮作用增加了近50倍(見表1)。

3.2 磷保留

植被是保留磷的關鍵因素。密集生長的植物會降低洪水期間的流速，從而增加沉積過程。由于河岸表面相當光滑，與自然植被的河岸相比，“拋石”型河岸的磷保留潛力較低。相反，灌木叢的植被具有高粗糙度值，這使得“軟木”型河岸中陸地的磷保留值最高，整體磷保留率比傳統河岸高出20倍以上(見表1)。由本研究可得，1km的“蘆葦”型河岸的磷保留高達15kg P yr-1。在洪泛區的磷保留最大值可能會更高。

3.3 碳固存

傳統的“拋石”型河岸只在生物質內儲存少量碳(見表2)，隨著時間的增長，河岸中的拋石可能會被草本植被覆蓋。但是，與天然河岸相比，植被覆蓋率仍然很低。“蘆葦”型河岸具有相當高的永久性碳儲量。普通蘆葦是一種密集而高大的多年生草本植物，具有龐大的根莖，“蘆葦”型河岸中保留的附加CO2量約為0.5t(見表2)。“軟木”型河岸中的木質生物中同樣保留了很多的CO2。

4 結語

在自然狀態下，河岸具有動態侵蝕和沉積的特點。河岸保護生物工程技術是增加河流河岸生態系統功能的一個非常有前景的工具。與傳統的“拋石”型河岸相比，該技術明顯改善了河岸的生態系統服務功能。研究結果表明，去除拋石，河道坡度的降低以及淹沒增加對河道中營養物質的減少有重大影響。該技術的應用可以產生較大的生態收益，在河岸中減少氮和磷的含量，并通過植被來吸收CO2。然而，該技術的應用是否會對河道內其他生物造成影響仍需要進一步的研究。總而言之，河岸保護生物工程技術可以為當前河流的自我凈化和緩解氣候變化做出一定的貢獻。