护岸柳树表层根系生长的影响因素1)

王 兵 高甲荣 陈 琼 王 舒 张 栋 郭凯力

(北京林业大学，北京，100083)

河岸带是河流与陆地进行物质、能量、信息交换的一个重要的过渡带，对河流和陆地生态系统的健康都起着重要的作用［1］。人类在社会发展的过程中，采用了较多水利工程方法对河流两岸进行防护，但大量使用钢筋混凝土，严重破坏了河岸的生态系统，由此引发了许多的生态问题，如河流水质变差和生物多样性下降等。在这种大的背景下，生态护岸作为一种新的河岸治理措施已被国内外接受，其中运用柳树为主要材料的土壤生物工程护岸技术已成为国内外研究的热点。土壤生物工程护岸技术是采用活体植物及其它辅助材料来构筑各类江河湖库堤岸和海岸坡岸的结构，在实现稳定边坡、减少水土流失的同时改善河岸的生物栖息环境的集成生态工程技术［2－5］。

河岸带生态护岸的难点在于水岸接触区，一方面水岸接触区的土壤含水量较高，而含水量的增加使土的强度降低［6］，另一方面接触区也容易受到流水和波浪的冲刷侵蚀，所以该区域河岸防护压力最大。目前解决这个问题的方式主要是采用复合工程的办法，即在接触区采用工程技术如石笼护岸［7］，接触区以外采用生物护岸材料如柳树等，这种复合方式虽然在一定程度上满足了护岸的生态要求，但工程护岸的缺点也无法消除。因此，如何既能解决河岸接触区的护岸压力，又能最大限度地较少工程措施的使用是目前亟待解决的问题。

为了寻找一种可以替代水岸接触区工程护岸的生物材料或方法，笔者对北京市怀柔区琉璃河土壤生物工程护岸试验区进行了连续5 a 的跟踪调查研究。在调查的过程中发现，柳树在靠近水面的地方会生发大量浓密的细根，相互缠绕固结在土壤表层(见图1)，能够很好地保护河岸来抵抗流水和降雨侵蚀。结合柳树这种生根特点和护岸作用，可以利用柳树的这种特性替代河岸接触区的工程护岸措施，但目前对柳树的这种特性缺乏足够的认识。为此，笔者调查了试验区柳树的表层根系生长特性及其影响因素，并根据研究结果提出了柳树生态护岸的新模式，对今后国内外开展土壤生物工程护岸技术具有重大意义，并为今后土壤生物工程护岸技术的进一步发展提供重要的参考和借鉴。

图1 灌丛垫区表层根系生发现状图

1 试验区概况

调查区位于北京市怀柔区白河支流琉璃河段，属于山区河流，内有常流水，示范区长100 m、宽4 m。沿岸采用了活体的柳树茎干，按照扦插(图2a)、灌丛垫(图2b)和篱墙(图2c)3 种护岸措施进行了河岸带近自然治理，长度分别为灌丛垫30 m、扦插40 m、篱墙30 m。该试验区竣工于2009年，至今已有近5 a 的时间，试验区内柳树长势较好，能够为本次试验提供丰富的材料和条件。

图2 3 种形式柳树护岸的施工图

2 研究方法

2.1 调查时间与方法

本调查试验于2013年9月在北京市怀柔区白河湾琉璃河段生态护岸示范基地进行，主要是对示范区内3 种不同护岸方式下柳树表层根系的调查研究。具体方法为:分别在每一种护岸形式内部垂直于河流的方向从近水处向远水处一端随机选取5 条150 cm×20 cm 的样方带，样方带内划定10 cm ×20 cm 的调查样方。在样地内部划定的调查样方，分为a区(扦插)、b 区(灌丛垫)和c 区(篱墙)，从近水端一侧往远水端一侧分别编号1—16，调查样方内部表层根系生物量、土壤有机质质量分数和土壤含水量。

2.2 测定方法

表层根系生物量的测定方法为，将样方内的土壤表层深度在2 cm 范围内的活体柳树根系收集到收集袋中带回室内烘干称其干质量。土壤有机质质量分数的测定方法为，用环刀取小样方内的土壤带回实验室内采用灼烧法［8］测定其土壤有机质质量分数，即在105 ℃下除去吸湿水的土样称质量后置于350 ～1 000 ℃灼烧一段时间，再称质量，两次称质量之差即是土样中有机碳的质量。土壤含水量的测定方法为，用环刀取小样方内的土壤带回实验室内采用烘干法［9］测定其土壤含水量，即取土样放入烘箱，在105 ～110 ℃条件下，烘至恒质量，为烘干土质量，以此为基础计算水分质量(蒸发损失量)的百分比(%)，从而获得土壤水分含量。

2.3 数据分析

用Excel 分别计算每种护岸形式下5 个样带相同样方土壤含水量、土壤有机质和表层根系生物量数据的平均值和标准误差，然后运用Spss 软件对数据进行组内和组间方差分析(ANOVA)，同时采用Pearson 分布对土壤含水量和表层根系生物量、土壤有机质质量分数和表层根系生物量之间的相关性进行分析。

3 结果与分析

3.1 土壤含水量

表1中3 个区域的土壤含水量在组内都存在着显著的差异性，总体上有随着离岸距离的增加而降低的趋势，分析原因是靠近水面的土壤在毛管力［10］的作用下，将河流的水分吸收到土壤中，从而增加了靠近水面土壤的含水量。另外根据表1可知a、b、c3 区的含水量数据在编号1、2 近水端和编号15、16远水端差异性并不明显，是因为在近水端由于太靠近水面，此时土壤含水量的提高主要是受土壤空隙毛管力的影响，所以相差不大;而在远水端枝干的导管又无法将水分运送到，含水量是土壤自然含水量，所以相差也不大;而3 个区在编号3—14 间的数据差异性较为显著，其中b 区最为突出。这是因为灌丛垫区和篱墙区存在大量的腐烂柳树枝干，枝干本身起到类似导水管的作用，将靠近水面的水分运输到上部岸坡提高了土壤水分含量;另外腐烂的树枝覆盖在土壤表层也能有效地减少土壤水分的蒸发，而灌丛垫区、篱墙区的腐烂柳树枝干要多于扦插区。综合分析认为灌丛垫区和篱墙区的土壤含水量在一定范围内要高于扦插区，因此灌丛垫和篱墙护岸形式相比较扦插具有更好地提高和保持土壤含水量的作用，其中最好的是灌丛垫形式。

表1 土壤含水量

3.2 土壤有机质质量分数

从表2中可以看出扦插区有机质质量分数基本维持在8.22 ～9.12 g/kg，灌丛垫区有机质质量分数基本维持在10.42 ～12.90 g/kg，篱墙区有机质质量分数基本维持在9.78 ～11.06 g/kg。3 种护岸形式下土壤有机质质量分数在组内差异性不明显，而组间差异性显著，其中灌丛垫区平均土壤有机质质量分数最高，篱墙区次之，土壤平均有机质质量分数最低的是扦插区。分析原因认为，灌丛垫和篱墙由于施工采用了较多的柳枝，在5 a 的腐化过程中生成大量有机质，从而提高了土壤有机质质量分数，而扦插区护岸形式施工时使用了较少的柳树材料，故没有过多的腐殖质形成。综合分析认为，灌丛垫和篱墙的护岸形式有利于提高土壤的有机质质量分数，其中灌丛垫的护岸方式最为明显。

表2 土壤有机质质量分数

3.3 表层根系生物量

表3中可以看出灌丛垫区编号1—14 的土壤表层根系生物量与篱墙区和扦插区组间差异性显著，相同样方编号内根系生物量明显高于其他两种，而编号15—16 的数值差异性不显著;编号1—11 篱墙区数值高于扦插区，且差异性显著，编号1—5 和12—16 的扦插区与篱墙区数值差异性不显著。另外，从表3中还可以看出各区域组内差异性显著，有随着离岸距离的增加而降低的趋势。为了弄清3 个区域内表层根系生长状况的差异原因，通过运用Spss 软件对土壤含水量和表层根系生物量、土壤有机质质量分数和表层根系生物量做了统计量为均值和标准差的Pearson 相关性分析。结果显示土壤含水量与表层根系生物量的相关系数为0.907，在0.01 的检验水平上非常强地相关;而土壤有机质质量分数与表层根系生物量的相关系数为0.491，在0.01 的检验水平上弱相关，可认为表层根系的生发与土壤含水量和土壤有机质质量分数有关。因此，认为较高的土壤含水量和土壤有机质质量分数都有利于柳树表层根系的生长，这符合根系有向水肥生长的特性［11］。

表3 表层根系生物量

3 个区域中，篱墙区在编号11—16，灌丛垫区在编号15—16，篱墙区在编号13—16 的样方内的表层根系生物量都接近零，这3 个区域内相同的是土壤含水量数值都接近10%左右，而土壤有机质质量分数却不尽相同。综合分析认为土壤含水量是影响表层根系生发的限制性因素，当含水量突然低于限制值时，即使土壤有机质质量分数很高，依然不能生发表层根系。

4 结论与讨论

灌丛垫护岸形式比扦插和篱墙的护岸形式具有更好地提高和保持土壤含水量的作用;而3 种护岸形式中灌丛垫和篱墙对提高土壤的有机质质量分数有较明显的作用，其中灌丛垫的效果最为明显。从柳树表层根系的生发状况上看，灌丛垫的表层根系生发状况最好，篱墙要好于扦插。另外，土壤含水量是柳树表层根系的限制性生长因素，当土壤含水量低于限制值(调查区为10%左右)的时候，柳树几乎不能生发表层根系;而当土壤含水量大于限制值时，柳树表层根系的生长情况随着含水量的增加而变好。在其他条件相同的情况下，较高的土壤有机质质量分数有利于表层根系生发。

4.1 柳树表层根系护岸的优势

通过对柳树表层根系护岸作用和生长影响因素的研究发现，柳树表层根系特别适合用于对水岸接触带的防护，主要有以下几种优势:柳树表层根系能够在水中及土壤含水量很高的土壤中生发，且生长状况非常好，有足够的耐水性;柳树表层根系能够匍匐在岸坡的土壤表层，形成一个毯式保护层，抵抗来自雨水和河水的冲刷，具有极好的保护功能;河流的水位往往具有浮动性，工程护岸位置相对固定，不能应对不同水位对河岸的冲刷，而柳树能够随着水位的升降在近水处快速地形成表层根系保护层;相对于工程护岸，表层根系护岸有更好的生态效益，且经济费用较低。因此，利用柳树的这种特性对防洪压力不大的河流和湖库的岸坡进行防护是一个较为可行的方案。

4.2 新柳树护岸的构建模式

根据对柳树表层根系生发的影响因素研究及不同柳树护岸形式的防护功能，设计如图3的护岸模式。该模式采用灌丛垫、篱墙和扦插3 种护岸形式相结合的方法，能够充分发挥柳树土壤生物工程护岸的功能。具体方式:在水位浮动区采用灌丛垫和篱墙相结合的措施，而在距离河岸较远防护压力小的岸坡采用扦插的形式。原因是篱墙能够阻挡水流、降低流速，具有很好的抗水流冲刷的能力，而灌丛垫是表层根系生发的最好的护岸形式，灌丛垫本身的植株体和生发的表层根系能够覆盖岸坡地表，防止河流对岸坡的直接侵蚀;扦插相对于篱墙和灌丛垫更便于施工，而且生物材料消耗较少，是比较经济可行的一种护岸方式，采用这种方式能够减少人力物力的消耗。

图3 柳树复合生态护岸模式断面

注意事项:灌丛垫使用的枝条应尽量使用长度较长的枝条，这种枝条能够将水分通过导管运输到无水区，提高土壤的含水量，促进表层根系的生长;篱墙相隔距离不宜过大，较近的间距能够更好地减缓冲击水流的流速。该模式使用纯粹的生物材料，具有很好的生态效果，但防洪能力相比工程护岸还是有一定差距，因此该模式主要适用于防洪压力不大，以水土保持和生态景观效益为主的河流、水库和湖泊岸坡。

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