香根草在生态水利工程中的应用

刘尚蔚，何大川，2

(1.华北水利水电学院，河南郑州450011;2.南水北调中线干线工程建设管理局，北京100038)

香根草，因其根部幽香而得名，被誉为神奇之草.其根系特别发达，是保持结构工程的“绿色钢筋”，是净化环境的“过滤器”.香根草是无性繁殖，生长期可达几十年甚至上百年.水利工程岸坡的常规治理措施多采用混凝土或浆砌块石护坡，这种护坡形式切断了水陆之间的生态交换，岸栖生物基本不能生长.同时，固化的硬质景观不能演化为自然景观且不具备良好的生态功能.因此，采用常规固坡方法和植物相结合的复合固坡措施，充分利用香根草发达的根系形成复合加固体，将松散的土体固定，使岸坡水分和养分相互交流，充分过滤污染水体中的重金属，并使岸栖生物具备适宜的栖息条件，为人工营造岸坡水体中的湿地水生植物群落，培育完善的水体生态系统建立了良好基础.

香根草是我国20世纪80年代末从国外引进的植物［1］，目前已有160多个国家推广应用，应用技术日臻成熟.利用香根草进行水土保持、防治农业面源污染、处理生活垃圾及污水、净化水质、保护河岸堤坝边坡、建设生态水利等具有重要的现实意义.

1 香根草的特点

1.1 香根草的生物特点

香根草是多年生植物，当年即可迅速形成浓密而持久的绿篱，经久不衰.香根草叶片尖利，根部含有岩兰草醇(香精)，散发香气，可以驱除白蚁、鼠类、蛇类及其他各种害虫.香根草没有根茎和匍匐茎，因此，没有成为杂草之虞，更没有成为有害物种.其分蘖节埋在地下，即使牲畜过度啃食或者偶遇火灾，也不致死亡.一次栽种多年收益，而且只需极少的维护.

香根草既是一种旱生植物，又是一种水生植物，适应生存范围广，可在年降雨量200～6 000 mm，温度范围在－9～55℃的环境下生长，在我国南方能够成长，而且在南、北方交界地带的河南省南阳市也成功种植并应用于工程中.

1.2 香根草的工程特点

香根草发达的根系，通过抗张力、摩擦力和粘附作用等［2］，对土壤发挥钢筋似的增强作用.对有根系和无根系的土壤同时测定其剪切力，测量结果表明，香根草发达的根系和根间土壤共同形成了复合作用体系，明显增大了土壤的剪切强度.

只有确定香根草根系的抗张强度，才能有效地评价香根草的岸坡稳定作用.因为，植物根系在土壤剖面中下扎穿过潜在剪切面时，剪切面的畸变会对根系产生张力，此张力相对剪切面的正切分量对剪切力施加直接的阻抗，而直交分量则对剪切力平面产生限制性压力.

为了确定根系的抗张强度，选取堤坝斜坡上生长的草龄为2 a的香根草植株中熟根的样本(供试的样本保持新鲜，采样时间与测试时间间隔，最长不得超过2 h，供试的根无分枝，长约15～20 cm).试样一头用一个木夹子与一台悬挂的弹簧秤相连，垂直向下，另一头固定在一个拉手上，将拉手下拉，直到试样根断开为止，读出根断的最大负荷数.根的抗张强度定义为:草根最终张力与草根截面积(根皮强度忽略不计)之比.当草根直径范围为0.2～2.2 mm时，香根草草根的抗张强度约为40～120 MPa;当草根直径范围为0.7～0.8 mm时，抗张强度约为75 MPa，该抗张强度约相当于一般钢材极限抗张强度的1/6.与许多硬木树种相比，香根草根系的抗张强度非常高，尽管在0.7～0.8 mm径级上，一些硬木根的抗张强度比香根草草根的平均抗张强度高，但硬木根的平均抗张强度却比较低，见表1.

表1 植物的抗张强度

另外，由于地表下香根草根系密度大，数量多，每1单位草根密度的剪切强度增加量(即6～10 kPa/(kg·m3)土壤)比树木(3.2～3.7 kPa/(kg·m3)土壤)大很多.

香根草不仅能在陡坡(大于60°)上垂直迅速生长，而且能增强土壤的抗蚀力.所以，它在众多植物中脱颖而出，成为护坡植物.此外，香根草的根穿扎力很强，能在土壤砾石之间穿透，能穿透岩层，但这一性质尚未为人熟知.事实上，香根草草根在土深2～3 m范围内，犹如是一个“活”的土壤铆钉，起到稳定斜坡的作用.

香根草的茎秆直立挺拔，株高2 m左右，形成的绿篱可以经受得住较大径流的冲刷，并能有效地降低径流流速，据统计可以拦截60%的径流和90%的泥沙.香根草具有强大而坚韧的须根系，其纤维状根非常坚韧，可以穿入3～5 m的土壤深处.网状的须根系能够把土壤紧紧固定起来，其坚固程度可以与钢筋混凝土相媲美［3］，可以有效防止土壤开裂和山体滑坡.

香根草具有耐旱、耐淹的优点.因此，它是绿化坑塘周边和水库水位变动区的理想植物.

1.3 香根草在净化环境中的特点

夏汉平等研究了香根草、百喜草、水花生、水葫芦4种植物在垃圾渗滤液培养下的反应.试验用垃圾渗滤液采集于广州李坑垃圾填埋场渗滤液净化处理站，用于实验的2种渗滤液分别取于该站处理系统的入口与出口，入口处的为高浓度渗滤液(HCL)，从垃圾堆填区流出未经处理;出口的为低浓度渗滤液(LCL)，已经过处理站的物理净化处理.在HCL中，COD、总氮(TN)、氨氮(N-NH4)、总磷(TP)、Cl－含量很高，见表2，为工业废水最大允许排放标准和农业用水标准的几倍到十几倍;经该站净化处理后，上述因子在LCL中，仍超过排放标准.

表2 广州李坑垃圾渗滤液处理站2种渗滤液的水质及经该站的净化率 g/L(pH值除外)

香根草、百喜草采自华南植物所苗圃，水花生、水葫芦来自沟渠和池塘.这4种草都有快速生长、大生物量、稍微或较强的耐性等特点.该研究结果表明:

a.水葫芦在HCL和LCL 2种污水中均受毒害致死;百喜草在HCL中不能存活，在LCL中受严重伤害;水花生在HCL中受较重伤害，但在LCL形成庞大的生物体，这可能是污水的“富营养化”所致;香根草在2种污水中亦受伤害，但其受害症状在4种植物中最轻.

b.在净化 LCL方面，水花生总体上优于香根草，尤其在 TP和NO3-N(硝氮)净化方面;但是在HCL中，被观测的7个水质指标中，香根草的净化均优于水花生，其中N—NH4被净化效率最高，为77%～91%，此外，香根草对磷也有较强的净化率(＞74%).

c.广州李坑垃圾填埋场渗滤液含高浓度的污染物，未达排放标准，渗滤液具较强的植物毒性，可能对植物及周围环境有损害，因而需要进一步净化.香根草和水花生可分别用于净化高浓度和低浓度的渗滤液.

d.香根草能够高效吸收污染水中的氮、磷、汞、镉、铅等元素［4］，消除水的富营养化，净化水质，是生物净化水质的理想植物.

香根草对农作物有保护作用，但不会与农作物发生竞争和产生负面影响，相反，它能使临近的农作物增产.在坡地上种植香根草绿篱，使降水的有效性提高40%，拦截的泥沙几年后使坡地自然成梯，减少了坡改梯的用工和由此造成的新的水土流失.在梯田土埂上和石坝梯田边上种植香根草绿篱，可以避免田埂土坝被冲垮.

香根草绿篱建造成本低、技术简易，生物护坡成本低于混凝土护坡费用的1/10.若不再需要绿篱，将其铲除的方法简单且花费极小.

2 香根草在水利工程中的应用

基于香根草的特性和现代水利建设的生态理念，水利工程治理将逐步走向生态治理的方向.沿河堤、库区大范围种植香根草，不仅使水利枢纽的景区更加靓丽，具有生机，而且有利于改善库区的生态环境，充分体现人、水、环境的和谐.香根草在生态水利方面的优势如图1所示.

图1 香根草在生态水利方面的优势

a.大坝背水坡和迎水坡的防护.大坝背水坡每1 m坡面沿水平线栽植1行绿篱，穴距15 cm;迎水坡在护坡砌石的石缝里栽植香根草，可使坡面更加坚固，如图2所示.

b.水库水位变动区的绿化.在水库水位变动区，沿等高线种植 5～50行香根草绿篱［5］，行距1 m，可改善水库边“光秃秃”的面貌，绿化环境.而且能够净化水库的水质，有效地防止水库外的垃圾流入库区，污染水质.

c.稳定河堤和运河的边坡.沿着河流的走向，从河流的水边到岸上，遵循种植等高的原则，依次栽植数行至数十行的香根草绿篱，能够减轻或治理侵蚀，防止山坡浅层物质流失.在高度风化的土壤条件下，香根草可以取代“硬的”或“非活性的”工程方法，是稳定河床、护堤、护岸的有效治理措施.

d.冲沟的治理.无论是山区丘陵或平原，都存在着因径流而引起的侵蚀冲沟，由微沟逐渐成为中沟、大沟.对于冲沟的治理可以采用种植香根草的方法来改变冲沟的侵蚀，在冲沟方向垂直栽植香根草绿篱，可以使冲沟的侵蚀逐渐稳定下来.如果等高密植，有半年多的时间就能形成致密的草篱带;在坡度为15% ～42%的坡地上，种植香根草草篱后，可减少土壤侵蚀 90%［6］.

图2 香根草护堤和固坡

e.保护灌溉渠道.在渠内侧两边都种上香根草，能够有效地保护水渠不受侵蚀.改变传统的采用混凝土、钢筋混凝土、干砌块石、浆砌块石等“硬”手段来治理边坡，而采用植物方法(绿色或“软”方法)来治理渠道边坡，具有显著的生态效益.

f.小流域治理.利用香根草强大的水土保持和防污治污功能，可以广泛用于小流域的清洁治理，包括生活污水、面源污染及垃圾场等的治理，使水土不再流失，使小流域流出的水达到清洁标准.

g.垃圾场、采石场、尾矿、沙滩的治理.香根草适应性很强，对其生长的介质条件适应范围很宽，在pH值3.0～8.5之间的重酸、强碱、盐碱度大以及磁性异常的地方均能生长.对土壤中的铝、锰、砷、镐、铬、镍、铅、汞、铯、锌含量容限范围很宽.在沙地、页岩地、砾石地亦能生长.

3 结语

香根草茎秆挺拔、叶茂丛生、气味清香并具有很强的吸收CO2的能力.不仅可以净化空气、美化环境，而且成本低廉，种植、施工简易.在岸坡、河堤、库区的治理过程中，采用常规工程措施与香根草生态植物相匹配的软硬结合的复合治理固坡措施，既保留了已有常规工程方法的优点，又吸收了绿色植物的优势，有利于改善岸坡、河堤、库区的自然环境，具有显著的生态效益和经济效益.不仅体现了人、水、环境三者的和谐，而且为生态水利工程的发展，提供了可行、有效的途径，对实现工程治理的可持续发展具有重要的现实意义.

［1］中国科学院中国植物志编辑委员会.中国植物志［M］.北京:科学出版社，1997.

［2］周德培，张俊云.植物护坡工程技术［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［3］夏汉平.关于香根草及其资源和利用研究［J］.国内外畜牧学，1998，81(2):1 －4.

［4］夏汉平.香根草和水花生对垃圾污水中N、P、Cl的吸收效果［J］.植物生态学报，2000，24(5):613 －616.

［5］夏汉平.50年代中国开展的有关香根草繁殖与栽培管理试验［J］.热带作物科技，1997(5):23－26.

［6］刘金祥.一种优良水土保持植物—岩兰草［J］.世界沙漠研究，1989(3):48.