植物抗逆研究在生态护岸工程中的应用

吕晓彤，张伟忠，吴 波，王丰毅，王 强

（1.华东师范大学生态与环境科学学院 上海城市化生态过程与生态恢复重点实验室，上海200241；2.华东师范大学 长江口湿地生态系统野外监测研究站，上海 200241；3.浙江省平湖市自然资源和规划局，浙江 314200；4.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津300222；5.华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200241）

关键字：生态护岸；工程植物；逆境；植物抗逆

引 言

传统护岸工程主要侧重于某些实用性价值如防洪、水运、灌溉等[1-2]，往往是刚性护岸，不重视与本土环境的融合，造成河岸带生境条件单一、生物群落多样性减少等问题。随着生态学理论不断发展，河岸的生态与景观美化功能受到人们关注，应用景观生态学原理对岸堤展开多尺度、多学科的综合研究，实现生态型的护岸作用是实现“自然-人类-水体”可持续发展的必然趋势[3]。

1 生态护岸工程的特点

传统护岸工程多采用干砌块石、现浇混凝土、预制混凝土块体等结构，在耐久性、稳定性、防止水土流失、防洪安全等方面有一定作用，但不同程度上对当地景观、生态环境造成不良影响，因此近年来生态型护岸工程日益受到关注[4]。Coppin把生态护岸定义为“单独用植物或植物与土木工程措施及其他非生物材料相结合，以减轻坡面不稳定性、水流侵蚀作用的护岸工程[5]”；黄岳文等认为生态护岸是融现代水利工程学、生物科学、生态学、景观学等学科的水利工程[6]。总之，生态护岸是利用人工措施选用适当生物及工程技术，确保护岸结构稳定和安全性的前提下兼顾生态效应，使岸堤与当地河流、土壤、生物相融合，达到仿自然状态的护岸形式，实现生态系统可持续发展。

生态护岸工程中，植物护坡起关键作用，水文效应上，植物通过渗透、过滤、吸收、沉积和截留等作用削弱径流量及排污量，在水陆之间充当缓冲带[7]；力学效应上，植物可增加坡面粗糙度，阻截径流，同时根系能够固土，减少水流对坡面基质的侵蚀，防止水土流失；生态效应上，植物可以发挥生态系统服务功能，维持生物多样性，防止堤岸生态系统的退化。因此选择植物是生态护岸工程的重点，这方面的研究没有成熟的参考体系和规范[8]。本文结合护岸植物可能面临的胁迫进行分析，以期为工程中植物合理化配置提供参考。

2 生态护岸植物面临的胁迫及工程中的选择

景观生态学角度看，岸坡生态系统属于生态交错带的一种，具有生物多样性高、空间异质性强、生态脆弱等特性[9-10]，植物在这种环境下，易遭受外界胁迫。由于生态护岸工程中植物的特殊角色及作用，所筛选的工程植物往往需要具备以下几个特点：本土种优先，引种适宜当地环境，无入侵性；管理粗放，抗性强，根茎发达；观赏性强。实际护岸工程中，结合特殊逆境与普遍规律，进行工程植物的筛选工作。

2.1 水文周期变化的胁迫

生态护坡应满足防洪、护岸的要求，其次，作为陆地-水体过渡带水位周期变化的水文条件下，物种应具有良好的水陆两栖性。工程中死水区指坡底到枯水位间的部分，常年在水下，选择适宜的沉水植物；水位变化区指枯水位与高水位间的区域，受丰水期与枯水期交替作用，水位变化大，风浪淘蚀严重，易造成短期淹水及干旱，对护岸植物造成胁迫；无水区指洪水位到坡顶间的区域，多种植本土陆生植物[11-12]。

水文周期明显的岸堤会受到水位消长的影响，首先根据水位变化及水深，形成水生-沼生-温生-中生群落带[13-14]。同时考虑适应水位变化，间种耐受周期性淹水的物种：一年生草本植物，生长周期短繁殖力强，在岸堤一定水淹条件下也能完成生活史，次年可依靠土壤中种子库或者临近种源开始新的生长周期。如可耐受重度淹没的植物水蓼、狗牙根、扁蓄等；短时间水淹工程种水蓼、苔草、天胡宴、白茅、棒头草和牛筋草等[15]，实现一个适用性、多层次、实用美观的护岸[16]。

2.2 污染物胁迫

污染是工程植物面临另一威胁，包括材料的水化反应及各种添加剂等工程原因造成的污染，工农业发展、城市化进程造成的过量营养盐、重金属、航船油污等污染。适宜的植物能够截留陆地污染物向水体排放，也可长期耐受，对污水起到一定的净化作用，同时改善景观，避免产生新的环境问题。如富营养化生活污水中，合适的生态工程植物会表现出较强的耐受及去除能力[11]，适宜的工程植物有香菇草、细叶莎草和水生美人蕉等[17]。同时大部分植物春夏季发芽生长，对污染物的耐受及处理能力较强，秋冬季枯萎衰亡，对污染物处理效果和抗性下降[18]。但冬季水葱、灯心草、水芹、狐尾藻、轮藻和小茨藻等也能较好生长，可以在低温下耐受污染起到一定的净化作用[17-19]，可搭配种植，保证岸堤常年具有功能性。

2.3 盐碱胁迫

滨海盐碱岸堤一直是滨海护岸的难点之一，我国11个省（区）分布在海岸线上，约1.8万km滨海地带和岛屿沿岸[20]，需引进或培育适宜的盐生植物或耐盐植物[21]。利用隶属函数法得出抗盐性度量值对抗盐植物的耐盐性进行评价[22-23]，研究显示马鞍藤耐盐碱，对土壤要求不高，景观效应好，可作为滨海护堤植物[24]；康俊水等筛选出 36种适应性强的植物，适合在滨海护岸中引进的物种有矮鸢尾、三七景天、八宝景天、费菜、荷兰菊等[25-26]。

2.4 寡营养基质的胁迫

目前一类常用的生态护坡为镂空网结合块石进行护岸，这种护岸工程结构稳定，植物根系可以缠绕在网格上，抗洪、保护河堤能力强，但处于坡面、水流洗刷易造成前期营养不充分，且保水能力差，工程栽培植物难以自身繁殖、建群和稳定生长。调查显示，三年后格宾网片护岸上人工栽培植物全部演替为自然生长的野生植物[27]。

面对这种营养不足、保水性不强的基质条件，需要选择根系发达能透过网格石块，耐受贫瘠环境的植物，如紫穗槐以及丁香等；豆科植物有固氮能力，根部能共生根瘤菌固定大气中的氮，改善贫瘠土质，促进后续植物的生长；灌木和乔木（小乔木）生命周期长、有庞大的根系。因此可结合上述类群混植，充分利用空间生态位，构建稳定的群落结构。

2.5 水流冲刷的胁迫

河道急速水流的冲刷、台风、船行波等都会对堤岸造成严重损坏，在水流、波浪的共同作用下产生侵蚀效应，使护岸垮塌。适宜的工程植物枝叶，特别是柔性枝叶对波浪有能量吸收、消散的作用，原水波对基质造成的拖曳力一部分由植物承担，可以降低水体动能，减少波浪对堤身的冲击力。水流速小（≤3 m/s），冲刷不严重时，可以选择植物覆盖能力强，绿化效果好的植物；当水流速大，河道洪水流速（＞3 m/s）或风浪、船行波通过堤岸反射，强烈地直接拍打或摇动植物体，会对植物造成一定的胁迫，植物叶片破碎、茎折断，甚至连根拔起。

适宜的工程物种可起到一定的缓冲作用，柔性植物茎叶可减缓水流对岸坡的冲刷与侵蚀，发达的根系能够增加土壤抗剪切强度，起到固土的作用，保护岸坡稳定。同时根据波浪特点结合工程手段，在种植物前用松木桩、毛竹桩等进行消浪、护岸加固技术措施。随后选择根系发达，柔性好抗折能力强的植物，例如长势良好的挺水植物，特别是梭鱼草，水生鸢尾，黄菖蒲，花叶芦竹等[28]。

3 不同条件下工程案例及植物选择

3.1 不同条件下工程案例

1）水文周期胁迫下生态护岸工程——中山岐山公园

广东省岐山公园总面积10.3 km2，日水位变化达 1.1 m，在水位变化较大的情况下，俞孔坚等人选用适宜工程植物设计了一种亲水生态护岸工程-栈桥式生态亲水湖，采用梯田式种植台，在最高和最低水位之间的湖底修筑3～4道挡土墙，形成一系列梯田式水生和湿生种植台，根据水位的变化及水深情况，选择乡土植物形成水生-沼生-湿生-中生植物群落带，包括：荷花、菱白、营蒲、旱伞草、茨菇等；湿生和中生的包括芦苇、白茅和其他茅草、苦苡等。随着时间的推移，水际群落的不断丰富和成熟，生物多样性将不断提高，护岸效果显著[13]。

2）污染及河床淤积条件下生态护岸工程——崇明港沿镇独立河段

上海市崇明区港沿镇独立河段河床淤积并且污染严重，河道黑臭，顾向阳等人基于底泥固化/稳定化的技术理论，进行了崇明河道护岸生态中试工程，总长度60 m。在近岸河床底部采用置石或建筑废料堆砌加固，护岸砌筑使用建材式生态砖和轻质生态砖，保障植物生长，护坡土层原位固化后栽种植物，分别移植和栽种了草皮、挺水植物和沉水植物护岸近水和护坡为区域划分，近水种植美人蕉、花叶芦苇，种植距离为20 cm，护坡铺设草皮，在种植3周后有30 %的植株开花，护坡铺设草皮生长迅速，护坡效果显著[28]。

3）河岸侵蚀条件下生态护岸工程——法国阿尔卑斯山前河流

在法国罗纳-阿尔卑斯地区山前河流上岸堤侵蚀区域为稳定岸线、防止冲刷侵蚀和水土流失，建造了三种护岸工程：土木结构传统护岸工程、土木结构-生物结构混合型生态护岸工程及纯生物型生态护岸工程。

土木结构传统护岸工程主要以岩石、水泥为材料；土木结构-生物结构混合型生态护岸工程是混合硬质护岸和生物工程技术（结合工程灌木插条和人工林）；纯生物型生态护岸工程是用岸堤下端种植柳树，上端进行植物插枝和人工林。人工林选用如水杨科植物，深根、密集覆盖，同时生长迅速。工程后观察三种工程护岸效果相差不大，但两种生态型护岸植物的覆盖度和生物量显著高于传统硬质护岸工程，生态护岸引进的柳树、灌木插条等工程植物提供的食物资源和栖息地引来了诸多昆虫构建起完整的河岸生态系统，护坡的同时保证了生态可持续发展[29]。

3.2 不同逆境条件下工程植物的选择

本文结合上述分析，总结了不同特殊逆境下可选择的护岸工程植物（表1）。

表1 生态护岸工程中不同胁迫因子下常用的植物

4 结 语

生态护岸与传统护岸相比，成本低、工程小同时生态景观性好，但植物选择上，理论研究滞后于工程应用的需要。目前大部分工程很少考虑工程中植物面临的逆境，造成后期植物大量死亡或被原生种演替，达不到护岸的目的，本文总结了护岸植物面临的胁迫，筛选出抗性高的工程物种，以供生态护岸工程中参考。

生态护岸工程不能只注重短期效果，只关注暂时的功能性和美观性，应对各种长期行为进行有效的分析评估，如植被配置过程中是否存在潜在生态危害。同时应将植物措施与工程措施相结合，如在部分水流冲刷很严重的区域，修建相应的工程措施，如防浪墙、石笼护坡等，只有这样才能保证生态护岸工程的正常运转，保证整条河流生态系统的良性发展。