村镇河网水系不同类型护坡生态效应的研究

村镇河网水系不同类型护坡生态效应的研究

张饮江　范鑫丽　张琴娟　魏小杰　罗坤　徐珊楠　何培民

(上海水产大学　上海200090)

(农业部水产种质资源与养殖生态重点开放实验室　上海200090)

［摘　要］对上海崇明前卫村水系的木桩护坡、土壤护坡与水泥护坡的不同断面，跟踪监测和比较研究，分析了三种护坡植物时空分布与变化规律，以及护坡稳定性、河流水质与生态效应间的关系。结果表明:三种护坡对地表径流污染阻挡能力有限，对于崇明岛沙质土，木桩护坡和土壤护坡比水泥护坡阻挡面源污染能力更脆弱。水泥护坡稳定性较高，生物多样性较低，对水质影响较小，护坡植物对坡岸稳定性影响小，其生态效应较差;土壤护坡植物的生物量和多样性较大，易受气候条件影响，对应水质较不稳定，护坡具有自然景观性;木桩坡岸相对其他两种护坡类型对应水质较稳定，护坡植物盖度较高，新生枝叶和根系发达，护坡具有人工生态景观性，对其护坡的水土流失也能得到一定的改善。

［关键词］水系;生态坡岸;坡岸稳定性;生态效应

河岸是水陆交错带，具有调节气候、保持水土、防洪等生态功能。健康的河岸生态系统能使物质通过其界面区的速度和形式保持适当，从而使陆地加强了“水土保持”。生态护坡能依靠植物良好的根系而使护坡具有一定的固土和抗冲能力，防止了水体“富营养化”的出现。因此，河道生态护坡是河网地区加强水土保持工作的关键。当今积极提倡生态文明、可持续发展的大背景下，水利工程结合生态建设，是一个发展的必然趋势，在欧美已经提出“自然设计方法”，日、韩等国提出“与自然亲近的治河工程”理念，我国河流护坡的建设也从原来注重“防洪、排涝”功能逐步转向生态功能的发展，台湾省也正开发“生态工法”技术。目前，对河流生态护坡的理论和护坡技术的研究比较多，但大多集中在对生态护坡的定义、功能的定性描述，或是只关注护坡技术本身，而往往忽视了对生态护坡工程进行跟踪监测和生态效应研究，对其演变过程和生态功能认识不足。本文针对村镇三种不同护坡植物和水质的跟踪监测，对其不同护坡的生态效应进行研究，以期对村域水系生态环境建设提供科学技术支撑。

1研究区位

崇明岛是中国第三大岛，也是世界上最大的河口冲积岛，位于长江流域和东部沿海地区“T”字形格局的交汇点，是上海最具潜在战略意义的发展空间之一。前卫村位于崇明县的中北部，开展了“生态护坡”的建设，2007年2月至11月对上海崇明前卫村的中心横河、西竖河与环村河等景观河道三种不同护坡的不同断面进行研究。

1.1三种不同类型护坡的特征

1.1.1土壤护坡

选取中心横河的自然土坡作为实验区位，其坡度约为45°。护坡植物呈自然散布状态分布，主要为沙质土。

图1　前卫村水系规划图

图2　护坡监测部位

1.1.2木桩护坡

选取西竖河的木桩护坡作为实验区位，其坡度约为60°。在河流和岸的交界处，建立了一排木桩，根基深入河底，露水面部分与岸坡齐平，形成木桩护坡，对雨水冲刷有一定缓冲作用，也给底栖动物提供了良好的生存环境。

1.1.3水泥护坡

选取环村河的水泥护坡作为实验区位，其坡度约90°。土壤护坡砌成坡度90°的直立型水泥护坡，外形整体美观，施工砌筑简便，稳定性较好。

2研究方法

采用固定样带法，在中心横河、西竖河、环村河三种类型的生态护坡各选取2个固定样带，从坡顶向常水位延伸，1米×1米的样方(见图1)，分别在每个样带的坡顶、坡腰及常水位部位进行监测(见图2)。对沿岸护坡植物、沿岸水质采样，频率每月2次，分别为每月的上旬和下旬。

2.1沿岸护坡植物监测

在距坡岸1米的范围内随机选取1米×1米的样方。根据现场踏查，确定护坡植物的种类，同时测定每种植物的数量，株高，投影面积。在样方外，选取与样方内种类相同的植物，并连根采集，带回实验室鉴定。测定植物根系的长和生物量(干重)。从而分析其对护坡的影响。并计算样方植物的盖度、多样性、优势度、均匀度、丰富度等指数。

2.2数据分析

采用Margalef物种丰富度指数(d)，Shannon－Wiener多样性指数(H')，Pielou均匀度指数(J)以及Simpson优势度指数D测度物种多样性。

Margalef物种丰富度指数:

d=(S－1)/InN　　　　　　　　　　　　　(1)

Shannon－Wiener指数:

Pielou均匀度指数:

J'=H'/H'max，H'max=InS　　　　　　　　(3)

Simpson优势度指数:

其中，S为样地定量调查获得的总物种数;N为样地定量调查获得的总个体数，Pi为种的个体数占总个体数的比例，为最大的种类多样性。在群落的生物多样性指数中，S和N分别为群落定量调查获得的总物种数和定量调查获得的总个体数。

2.3水质监测

水样从三条河道中分别直接采取表层水，采样点均离护坡1m处。水质指标:DO、COD_Mn、TP、NH₃－N、NO₃－N、NO₂－N、水温、流速、pH、叶绿素－a，采用文献中的A类方法监测。

3结果与分析

3.1三种不同生态护坡植物的生态效应

3.1.1沿岸护坡植物概况

表1　中心横河土壤护坡植物名录

续表

表2　西竖河木桩护坡植物名录

表3　环村河水泥护坡植物名录

本研究调查记录三种类型护坡植物共48种，分属于28个科，44属。其中，土壤护坡植物占30种，分属于17科，28属;木桩护坡植物占26种，分属于16科，25属;水泥护坡植物占7种，分属于6科，6属。单子叶被子植物中优势科为禾本科(6属17种)和莎草科(3属4种);禾本科的芦苇(Phragmites australis)、菰(Zizania caduciflora)以及莎草科的藨草(Scirpus triqueter)、水莎草(Juncellus serotinus)是河边主要的水生植物，河水间隙性淹没的河边湿地主要是藨草和水莎草群落，混生菖蒲(Arcorus calamus)和华夏慈姑(Sagittaria trifolia var.sinensis)，芦苇和菰则主要分布在河湾静水区域。双子叶被子植物中菊科(8属8种)、蓼科(2属3种)、十字花科(3属3种)是最优势的三个科，反映了调查区域生态演替初期特征，这些植物多数为全球广泛分布。

土壤护坡和木桩护坡植物中多数是常见的野生杂草，美国农业遗传学家Allard所列出的12种最成功的世界性杂草中，本调查区域就有4种，即藜、繁缕、酢浆草和马齿苋。而土壤护坡由于有河水间隙性淹没地段，主要生长有藨草、香蒲、芦苇等两栖植物，也起到一定的防止水浪、降雨对坡岸的陶蚀、冲刷作用，有利于保持水土，减少淤积，减缓水体浑浊;而木桩护坡植物虽没有两栖植物，但其优势种为具直立茎，须根较深可深入土层30厘米以上的结缕草，它具坚韧的地下根状茎及地上爬地生长的匍匐枝，能够在斜坡上顽强地生长。是良好的固土护坡植物。此外还分布有具根状茎、盖度大的苔草，能有效地起到降雨截流、缓解降雨对坡岸冲刷作用。

在记录植物中，外来植物区系成分超过了乡土植物区系。乡土植物区系中，又以北温带成分(上海滩涂植物和江河湖泊植物区系的主要成分)、喜马拉雅和东亚成分为主，少有中国特有成分和亚洲热带成分。外来植物区系中，主要是归化了的外来杂草，这些种类广泛分布在上海的铁路、公路、水路和航空等渠道附近。调查区域地处崇明河道，因此也不例外。这些杂草少数是华东地区的种，甚至日本也有，还有少数是世界分布种类，如扁蓄、藜、马齿苋、繁缕等。

3.1.2沿岸护坡植物总盖度变化规律

由图3可见，土壤护坡和木桩护坡四个样点的盖度随着季节变化与气温升高都呈上升趋势，而且七月和八月上升较快。从实验中观察到，护坡植物随着气温的升高，植物的生长加快，尤其是七八月份最适宜植物生长，护坡植物长势明显，其植物株高都有不同程度的生长。由于中心横河和西竖河受人类活动的较大干扰，盖度有些波动，如土壤护坡采样点1与木桩护坡采样点1在8月、9月受到较严重的人为干扰，导致植物覆盖度明显下降。

由图3还可见，木桩护坡的植被盖度较高，而护坡植被覆盖是防止地面水土流失的一个积极因素之一，说明西竖河的水土流失情况比中心横河要好，更能起到固土护坡、降雨截流、径流延滞的作用，而环村河由于是水泥护坡，且坡岸无坡度，护坡上植被为人工种植的蔬菜，对坡岸的稳定基本无影响。

图3　沿岸护坡植物总盖度变化规律

3.1.3沿岸护坡植物多样性比较

表4　中心横河土壤护坡植物多样性比较

表5　西竖河木桩护坡植物多样性比较

从表4、5可看出，初始护坡植物生长良好，而且其生长环境也适宜，物种数量逐渐增加，坡岸植物系统得到改善。但后期过程中，因受到较严重的人为干扰，使护坡植物多样性受到影响，而总体上土壤护坡的物种多样性较高，木桩护坡物种多样性相对较低，土壤护坡的植物区系的成分以草本植物为主，即便有一些木本植物存在也是刚刚进入该区域尚未长成的个体，反映了该区域处于生态演替的初级阶段的特征。

3.1.4沿岸护坡植物根系生物量变化规律

图4　中心横河土壤护坡和西竖河木桩护坡植物根系的干重

由图4可见，随着护坡植物的生长，植物根系的生物量也在大大的增加。土壤护坡和木桩护坡植物虽然因受到严重的人为干扰，而使得护坡植物种类和数量急剧减少。但总体来说，植物生物量随着进入夏季而不断增加，9月之后成下降趋势。许多研究表明，土壤的剪切力和黏结力与土壤中根系的生物量成正比关系。换而言之，植物根系生物量的增加，土壤紧实度就增加。所以采样点植物根系生物量的增加大大增强了河道护坡稳定性。

3.2三种不同类型生态护坡对河流水环境的效应

表6　三条河流水质参数的变化

实验期间，三条河水温度为10.0～34.1℃，流速受当日气象条件影响较大，对中心横河的泥土护坡会造成一定的水土流失，对环村河的水泥护坡影响小，对木桩护坡的影响也不明显。pH值在7～9，略微偏碱性，但环村河相对于其他两条河流较低为pH值为7.01～8.2。中心横河和西竖河的DO较高，且随着水温的下降有所上升，环村河水中DO很低，没有观察到有鱼类生存，不同护坡对DO的变化影响不明显。

不同护坡对总磷含量的变化影响不大;亚硝酸盐氮含量不稳定且易受地表径流的影响，环村河水泥护坡对水质亚硝酸有很大的影响;三条河流的硝酸盐氮含量较稳定，不同护坡对河流硝酸盐含量影响不明显。三条河流叶绿素－a的变化较大，以土壤护坡的中心横河，暴雨过后，受泥水冲刷，测定结果明显偏小。

三条河流的氨氮受地表径流的影响明显，而且7月下旬到8月上旬三条河流的氨氮浓度有一个较大提高，主要是7月到8月间，崇明连续下大暴雨，河流受地表径流污染，对于崇明沙质土壤，木桩护坡和土壤护坡比水泥护坡更脆弱，三种护坡对地表径流污染阻挡有限。

3.3三种不同类型护坡的生态效应

为营造人与自然和谐相处的生态环境，河道水利工程应与生态环境保护相结合。护坡植物是稳固护坡的积极因素之一，具有良好的生态护坡特性，茎叶具有降雨截留作用、径流延滞作用、土壤增渗作用、蒸腾作用等水文生态效应，根系具有固结土壤和支撑坡体的机械效应，从实验和观察可知，水泥护坡本身的稳定性较好，而木桩护坡的土壤生态稳定性较好，土壤护坡生态稳定性次之，水泥护坡生态性较差，但水泥护坡的环村河流人工栽种水烛、菖蒲、睡莲等水生植物对水质有一定的净化作用。土壤护坡、木桩护坡和水泥护坡对水质的影响不大。

3.3.1中心横河土壤护坡的生态效应

中心横河土壤护坡植物的生物量较大，护坡植物多样性较高，水际生态系统结构较完善，护坡具有自然景观性，但水质不稳定，易受气候客观因素影响，而且坡岸侵蚀严重，稳定性较差，但护坡植物覆盖度较木桩护坡较少。土壤护坡虽没有木桩和水泥等人工材料来固土护坡，但其特有的两栖植物也能起到一定的缓解地面水流的冲刷作用。

3.3.2西竖河木桩护坡的生态效应

西竖河木桩护坡利用木桩对坡岸进行加固，不仅具有一定的观赏作用，阻挡了河水对坡岸的冲刷作用，使水土流失也能得到改善，相对其他两种护坡类型水质较稳定，且木桩与木桩之间的空隙，有利于水际植物的生长，植被盖度较高，新生枝叶和根系发达，相对于水泥坡岸可改善底栖动物的栖息环境，护坡具有人工生态景观性，但木桩长期浸泡于水中会造成腐烂，需定期更换。

木桩护坡上结缕草和苔草等优势种，其庞大的根系网络和大面积的覆盖度对固土护坡、降雨截流起到了明显的作用。但其护坡植物多样性低，易受季相变化影响，如苔草入秋之后就会慢慢枯萎，而缺少新的优势种来替代，导致一段时间内土壤裸露区增多，易受降雨径流的冲刷。若能适度干扰不同季节的优势种，避免不合理的人为干扰以及自然环境条件发生的干扰，将能提高木桩护坡的稳定性和生态效应。

3.3.3环村河水泥护坡的生态效应

环村河水泥护坡，通过水泥将坡岸固定，使坡岸处于稳定状态，对地表径流有阻挡作用，对河流水质影响较小，护坡植物对水泥护坡的稳定性影响不大。但垂直型护岸较高，护砌工程劣化了生态环境，隔离了水陆边际的生态效应，坡岸植物生长受到影响，破坏了底栖生物的栖息地与生境条件，造成生物多样性降低，不利于水体的自净作用。若在河流中栽种水生植物将对水质有一定的净化作用。

4结论

总体上，土壤护坡生物多样性较高，生态效应也较好，木桩护坡生态效应略次之，水泥护坡较差。但木桩护坡植物作为生态护坡稳定性的主要结构体，为建群种使生态系统的恢复创造了较理想的生境，生态护岸上的植物，能从水中吸收无机盐类营养物，尤其庞大的根系是大量微生物吸附的良好介质，有利于水质净化，同时发挥着降雨截流，径流延滞等水文的生态效应。木桩护坡相对于其他两种护坡类型，水质较稳定，同时木桩护坡减缓了河水对坡岸的冲刷作用，并对其坡岸水土流失也得到一定的改善，加强护坡植物的严格管理，避免人为不合理的干扰，注重外来植物生态入侵，增加土著植物提高生物多样性，也是增强生态护坡稳定性，可持续发挥生态系统效应的关键。

致谢:采样得到上海师范大学左本荣博士，上海水产大学杜佳沐、郑丽、吕晓岚、孔令颖、庄莉静、沈过同学大力帮助，特此致谢!

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财务净现值FNPV=28703.89元;

财务内部收益率FIRR:取I₁为38%，得出NPV₁=313.52元，取I2为39%，得出NPV₂=－69.17元，从而计算得出FIRR=38.8%。

动态投资回收期T:第7年的累计净现金流量开始出现正值，为66.78元。第6年的累计净现金流量为－6059.07元，第7年的净现金流量为6125.85元，从而求得T为6.99年(含第一年建设期)。

财务净现值FNPV'=24998.41元;

财务内部收益率FIRR':取I₁'为34%，得出NPV₁'=292.7元，取I₂'为35%，得出NPV₂'=－84.4元，从而求得FIRR'=34.77%。

动态投资回收期T':第8年的累计净现金流量开始出现正值，为2235.88元。第7年的累计净现金流量为－2659.62元，第8年的净现金流量为4895.5元，求得T'为7.54年(含第一年建设期)。

抗倒。一般认为直播稻不如常规栽插抗倒，而实践检验，超高茬麦田套稻抗倒性能较好。从1998年到2007年10年间水稻结实期遭受连续阴雨和台风影响下，严重年份面上水稻倒伏达