浙江省仙居县永安溪支流河道护坡植物水分生态效应研究

2012-07-26吴佩佩韩玉玲

中国水土保持 2012年11期

吴佩佩，韩玉玲

(1.浙江同济科技职业学院，浙江杭州311231;2.浙江省河道管理总站，浙江杭州310009)

近年，随着生活水平的提高，人们对水环境的要求也越来越高，河道已不仅仅具有“泄洪、排涝、蓄水、引清、航运”等基本功能，而且还具有“景观、旅游、生态、与周边环境呼应”等功能。生态护岸是融现代水利工程学、环境科学、生物科学、生态学、美学等学科于一体的水利工程［1］，近年来在平原以及城市内河的生态修复及治理工程中应用广泛，并已形成生态护岸结构型式、生态护坡材料、生态体系构架、植物配置及与水流的相互作用等多个研究领域［2－8］。然而，对于山区河道植物护坡的研究报道还不多见。

山区地形起伏较大，地质结构复杂，河道坡降陡，河流源短流急，水位暴涨暴落、洪枯变幅大，暴雨时洪峰流量大，水流速度快，挟沙能力和冲刷力强，水土流失严重。山区河道往往是河流的源头或中上游区，也是河流系统中最具活力、最需要给予特别保护的区域。山区河道中以植物护坡为主要内容的生态护坡，将对流域产生多方面的环境生态效应，除了对生物多样性保护和水质改善有重要作用外，还将对污染物的截流、水土流失的防治等产生重要影响。

仙居县位于浙江省东南沿海山区，介于北纬28°30'—28°50'、东经 120°20'—120°54'之间，属亚热带南缘海洋性季风气候区。仙居县南、北、西三面环山，地势较高，中部是河谷盆地，地形以丘陵为主，整个地势西高东低，是浙江省台州市西部重要的生态屏障和水源涵养区。永安溪源于仙居县与缙云县交界的天堂尖，入仙居县境后，自西向东横贯仙居县全境，至临海市城西三江村与始丰溪会合后汇入灵江，全长141.1 km(仙居县境内116 km)，流域面积2702 km2(仙居县境内1983.7 km2)，占灵江流域面积的47.1%。永安溪不但是仙居县的“母亲河”，也是灵江的干流，是温黄平原的主要供水源。但永安溪流域5—6月的梅雨季和7—9月的台风期的降水量占全年的71.9%，时有山洪暴发，使永安溪溪水泛滥，给农业生产和居民生活带来了危害。本试验选择自然生长在永安溪支流河道上且在该流域分布较广的4种野生草本植物为研究材料，分析其在7月份高温天气条件下的生长状况和水文效应，旨在为筛选、开发利用适应浙江省山区河道的生态护坡植物提供理论依据。

1 研究方法

1.1 研究地点

研究地点位于仙居县步路乡七里村旁的一条永安溪的支流河道上。该支流总长为21.5 km，平均河宽为8 m，沿岸土壤为潮土类，以培泥砂土、培砂土、卵石培泥砂土、卵石培砂土为主，属典型的山间河谷地貌。该地年平均气温17.2℃，年无霜期246 d左右，年平均降水量1444 mm，年平均相对湿度79%，年日照时数1786 h，年平均风速1.5 m/s。

1.2 研究材料与方法

研究材料选择广泛分布于河岸的4种植物，分别为辣蓼(Polygonum hydropiper Linn.)、五节芒(Miscanthus floridulus)、水芹(Oenanthe javanica)、羊蹄(Rumex japonicus Houtt.)。

取河岸上生长正常的成年植物，分别对其叶片数、株高、根数、鲜质量和干质量进行测定。其中根数取地表至地下20 cm范围内的根系;干质量使用电热恒温干燥箱在105℃恒温下烘干测得。

于7月中旬，选择天气晴好、自然光照条件下的植物，取外观上生长正常的叶片，使用快速称重法测定植物蒸腾速率。测定时间为每天6:00—18:00，每隔2 h测定1次［9］。使用仪器为梅特勒－托利多仪器有限公司生产的AL204电子天平，精度0.0001 g，每次称量在5 min内叶片损失的质量(m)，测定叶片的面积(S)。则植物的蒸腾速率计算公式为

式中:e为蒸腾速率，mmol/(m2·s);m为叶片损失的质量，g;S为叶片面积，m2;18为水的摩尔质量，g/mol。

日蒸腾总量计算公式为

式中:E为测定日的蒸腾总量;ei为初时测点的瞬时蒸腾速率，mmol/(m2·s);ei+1为下一时刻测点的瞬时蒸腾速率，mmol/(m2·s);ti为初测点的时间;ti+1为下一测点的时间;i为测定次数。

换算为测定日全天释放水的质量为

式(3)中:18 为水的摩尔质量，g/mol［10］。

液态的水经过植物的蒸腾作用，由叶片的气孔和角质层以气态形式散发到空气中，并从环境中吸收热量，降低周围环境中的温度，增加湿度，从而达到改善周围环境小气候条件的作用。设1 m2叶片在一天中因蒸腾作用散失水分而吸收的热量为Q，则蒸腾耗热计算方法为

式中:Q为单位叶面积每日吸收的热量，J/(s2·d);l为蒸发耗热系数，l=597－0.57t(t为测定日的气温);4.18为换算系数，1 cal=4.18 J。由此可计算出各植物1 m2叶片在测定日吸收热量的值。7月份测定平均气温为27℃。

蒸腾降温值计算公式为

式中:ΔT为降温值，℃;Q为护坡植物蒸腾使其单位体积空气损失的热量，J/(m3·h);PC为空气的容积热容量，其值为1256 J/(m3·h)。

2 结果与分析

2.1 山区河道护坡植物单株生物量

生物量通常是指生态系统中某特定植物有机物质的质量［11］，是评定植物生长情况的一个常用指标，生物量大一般都表明植物有较好的适应性。4种护坡植物的生物量见表1。

表1 山区河道护坡植物单株生物量

从表1可以看出，从单株鲜质量来看，羊蹄最大，辣蓼最小，而从单株干质量来看，则五节芒最大，辣蓼同样为最小，说明五节芒在山区河道中的生长适应性较强。

生态护坡就是利用植物比较发达的根系，深入土层，使表土固结。随着含根量的增加，根土复合体的抗剪强度有提高的趋势［12］。水芹和辣蓼的总根数较多，分别达到每株1221根和954根，所以这两种植物也是比较优良的山区河道护坡植物。

2.2 河道护坡植物的水分生态效应

经过植物蒸腾作用，液态水由气孔和角质层以气态形式散发到空气中，并从环境中吸收热量，降低周围环境的温度，达到改善周围环境小气候的作用。蒸腾速率的高低直接影响着日蒸腾总量、日蒸腾吸热量的大小。7月是浙江省山区植物日释水总量和日蒸腾吸热量差异较为明显的月份。表2表明，4种河道护坡植物的单位叶面积蒸腾速率、日蒸腾总量、日蒸腾吸热量和降温幅度均有很大程度的区别，蒸腾速率五节芒最高，为 1.16 mmol/(m2·s)，羊蹄最低，为 0.24 mmol/(m2·s)，前者为后者的4.8倍。单位叶面积蒸腾速率、日蒸腾总量、日蒸腾吸热量和降温幅度呈明显正相关，其中五节芒单位叶面积日蒸腾总量和日蒸腾吸热量均最高，分别为352.78 mmol/(m2·d)和4369.75 kJ/(m2·d)，降温可达 0.28 ℃ /(m2·h);羊蹄最低，单位叶面积日蒸腾总量为21.04 mmol/(m2·d)，单位叶面积日蒸腾吸热量为913.69 kJ/(m2·d)，降温幅度为0.06 ℃ /(m2·h)，前者降温幅度为后者的4.7倍。

表2 山区河道护坡植物单位叶面积的日蒸腾释水量及日蒸腾吸热量

边坡的失稳与水压力的大小密切相关，水分是诱导滑坡的重要因素，植物蒸腾作用是降低孔隙水压力的关键，单位叶面积蒸腾速率越大降低土壤孔隙水压力越快，越能增加边坡的抗剪强度和稳定性［13－14］。因此，山区河道植物五节芒降低孔隙水压力能力最强，而羊蹄和辣蓼则较差。

3 结语

(1)河道植物护坡是指单独用活的植物，或把植物培育与工程措施相结合，利用植物对边坡的覆盖作用和植物根系对边坡的加固作用，以减轻工程坡面的不稳定性和侵蚀;利用植物的降雨截留、径流延滞、土壤增渗、蒸腾、土层固结、土壤湿度调节、土体支撑和拱顶等作用来保护河道坡岸的稳定，恢复和维持河道的生态功能和生物多样性。植物护坡将水、河道、堤岸、植被、微生物、水生生物等结合构成了一个完整的河流生态体系，从而利用本身的生态功能对河坡进行生态保护。

(2)山区河道坡面上所生长的植物通过吸收和蒸腾消耗土壤水分，降低土壤的孔隙水压力，增加土壤颗粒间的接触程度，增强了土壤对变形和滑动应力的抵抗能力，提高了土壤的强度。另外，植物的蒸腾作用还减轻了土体的重量，从而减少了导致土体滑动的剪切分力，有利于山区河道坡面的稳定。本研究的结果表明，五节芒在山区河道中的护坡效果最好，其他植物依次为水芹、辣蓼、羊蹄。

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