河岸保护生物工程对河岸生态系统服务功能的影响

孙 逊

(山东泰信岩土工程有限公司，山东 淄博 256100)

几个世纪以来，河流和漫滩一直受到人类活动的影响[1]。密集的土地利用极大地影响了生态环境。在自然状态下，漫滩是生物多样性的中心，其植物和动物物种比河道内其他地方多[2]。除此之外，它们还可以充当迁徙走廊，使物种能够远距离进行基因交换[3]。漫滩的生态价值日益得到认可，因此，河岸修复在过去几十年中变得越来越重要。人为改变河岸结构(如基底和河岸倾斜)会导致栖息地多样性的丧失[4]。从生态学的角度来看，动态的和未受破坏的河岸对河流的可持续性至关重要[5]。

河岸保护生物工程技术有助于保护河道的自然环境[6]。在该方法中，传统的河岸固定设施被可以保持河岸稳定的生物成分所取代[7]。河岸保护生物工程技术创造的栖息地提供了更多的生态资源[8]。越来越多的研究表明了该技术对生物多样性的积极影响。尽管河岸保护生物工程技术的使用在过去几十年中有所增加，但其使用数量仍然有限，目前只应用于小部分河岸[9]。在河道修复中，生态方面的影响仍未受到足够重视[10]。

本研究旨在通过应用生态系统服务，为河岸保护生物工程技术的实施引入新的论据。在世界范围内，生态系统有着较为广泛的功能。如：漫滩提供了大量的生态系统服务，特别是在粮食生产、燃料、气候调节、土壤形成和养分循环方面。总之，湿地(包括漫滩)的总体生态效益高于其他陆地生态系统。

在本研究中，关注的是由天然漫滩提供的主要生态调节服务。地表水中氮(N)和磷(P)等营养物质的去除或保留对生态的影响非常大，同时河流生态系统能够自我净化，并通过细菌分解或过滤减少河道中的营养物质。此外，它们可以通过将有机碳吸收到河道中，来降低温室气体的含量。

本研究基于数学模型来估计河岸保护生物工程技术对山东某河道上的脱氮和磷保留的影响。此外，还研究了河岸植被生物中的碳固存。旨在表明，大规模应用河岸保护生物工程技术有助于提高水质和缓解气候变化。

1 研究背景

1.1 河岸类型

本文的研究河道位于山东省，其河流宽度约为80m，平均流量为180m3/s。河岸以抛石沉积为主。将选定的河岸保护生物工程技术试验河道与常规河岸(河岸以抛石沉积为主)进行比较。所有调查的河岸区域的长度为30m，宽度为5m，对应的面积为150m2。常规河岸的坡度约为20°，突出的抛石覆盖层厚度为0.6m，在第1个选定的试验河道，抛石被清除至平均水位以下0.4m，为防止河岸侵蚀，安装了柳树灌木垫(如图1所示)，经过28年的生长，灌木垫发展成一个密集的软木矮林(如图2所示)；在第2个选定的试验河道，抛石也被移除，此外，斜坡倾斜度减小到10°以下(如图1所示)，用普通芦苇进行初始种植，并发展成一个生长茂密的芦苇床(如图2所示)。

图2 试验河道的类型

1.2 河道中的营养物质

河水中氮的去除主要是通过洪水期间漫滩区域内的脱氮过程进行的。河道中的含磷量主要由洪水期间漫滩区域内的沉积过程所决定。植被表面粗糙度和洪水持续时间是影响沉积的决定性因素。

使用2个数学模型来估计图1中特定河岸段中营养物质的留存率。影响模型的因素有土地利用类型、土壤类型、漫滩条件和地表粗糙度。所有数值均为每年每公顷减少的氮或磷(kgha-1yr-1)。由于河岸与水体直接接触，所有研究的河岸类型均可归类为活动漫滩。

1.2.1土地类别

图1中的土地类别可分为：A段的陆上抛石由岩石、下方的人造土工布和岩石间隙中生长的少量植物组成，因此，该河岸类型可被视为“无植被”栖息地；河岸保护生物工程技术下的水域B和D的土地利用类别属于“水域”；陆地C区由柳树灌木丛垫组成，被划分为土地利用类别“森林”；E段被划为土地利用类别“湿地”，因为坡度降低会增加淹没频率，且该区域芦苇生长量较高。

图1 不同类型的河岸示意图

1.2.2脱氮速率计算方法

土地中研究脱氮的方法如图3所示。非植被的河岸与脱氮作用无关。在抛石中不能排除水和漫滩土壤之间的物质交换，并且很少有现有植物可以在岩石之间产生少量的自生有机土壤。因此，A段脱氮水平较低(5kg N ha-1yr-1)；河岸类型“软木”和“芦苇”的水域B和D的估计脱氮速率为300kg N ha-1yr-1；在C段平均脱氮速率为100kg N ha-1yr-1；E段的脱氮速率估计为250kg N ha-1yr-1。

图3 评估土地脱氮水平的方法

1.2.3磷保留计算方法

在河岸类型为“抛石”的河段，本文采用最低的磷保留水平0.5kg P ha-1yr-1。虽然在河流的大部分区域通常不会发生相关的沉积，但在水生河岸区域测得的磷保留率非常高。因此，河岸类型为“软木”和“芦苇”的B段和D段的磷保留率高达50kg P ha-1yr-1；在C段和E段的磷保留率为5kg P ha-1yr-1。相应河岸的脱氮率和磷保留率见表1。

表1 不同河岸中河段的脱氮和磷保留情况

1.3 碳固存

通过比较研究河岸类型的植被覆盖来估算河岸保护生物工程技术产生的额外碳储量，本文使用了异速方程来估算植物中的碳含量。河岸型为“抛石”的河道中通常不存在植被覆盖，该河岸类型的总生物量可忽略不计；河岸型为“软木”的河道中的植被通常由灌木和柳树组成。一般而言，干生物量中的碳比例约为50%，因此，通常将生物量乘以系数0.5，得出植物的碳含量；河岸型为“芦苇”的河道中的碳储量通常由生物量乘以0.45来获得芦苇植物的总碳含量。

2 计算结果

2.1 河道中的营养物质

采用河岸保护生物工程技术的两种河道中的营养物质比初始类型河道(“抛石”型河道)中的更高。这主要是由于河道中抛石的移除使得河流与发生脱氮作用的天然洪泛区土壤之间能够直接接触。此外，天然河岸植被发展，增加了河道中的沉积过程。河流向内陆扩张，使得更多水域中的养分增加。河岸类型为“芦苇”的河道额外斜率的降低使得该河道拥有较高的磷保留率。结果总结在表1中。

2.1.1脱氮

与采用河岸保护生物工程技术的河岸相比，“抛石”型河岸的脱氮潜力较低，约为0.075kg N yr-1。由图1可以看出，去除抛石使得平均水位以下的区域扩大了1m以上(B部分)，与去除抛石之前相比，脱氮率增加了60倍。C部分由原先的河岸转变为天然洪泛区栖息地(软木)，该段洪泛区状况显着改善，脱氮率提高了20倍。在“芦苇”型河岸中，坡度的进一步降低使得水域D扩大到2.8m，陆地部分的脱氮率比“抛石”型河岸高50倍。

2.1.2磷保留

类似于脱氮作用，“抛石”型河岸中的磷保留率很低，相对光滑的岩石结构使得该类型河岸只能有有限的沉降捕集效率，因此该类型河岸中只有可忽略不计的少量年磷保留量。在“软木”型河岸水域B区，磷保留率比“抛石”型河岸中陆地部分的磷保留率高出百倍。C区域中的灌木丛植被有着更高的表面粗糙度，因此C区域的磷保留率比B区域的还要高。“软木”型河岸中磷保留的总体收益为0.23kg yr-1。由于“芦苇”型河岸水域D区的规模较大。因此，“芦苇”型河岸的磷保留率最高，磷保留的净收益超过0.44kg P yr-1。

2.2 碳固存

经过统计，“抛石”型河岸中的总生物量为75kg，相当于37.5kg的碳和138kg的CO2，该数值显著低于采用河岸保护生物工程技术的河岸中的生物量。“软木”型河岸的植被积累了大量的地上和地下生物量。由计算可得，这种河岸类型的柳树碳含量在1.26～3.37t之间。由此产生的二氧化碳保存率比“抛石”型河岸产生的数值还要高30～90倍(见表2)。“芦苇”型河岸中的总生物量为375kg，相当于169kg的碳，同样意味着可以储存超过620kg的CO2。

表2 不同类型河岸的碳固存量

3 研究结论

植被丰富的河岸非常有生态价值，因为它们能通过河流去除大量的氮和磷。它们同时也是重要的缓冲区，可以阻止营养物质从农业区进入河流系统。此外，在自然状态下，它们还可以在生物质内储存大量碳。由此可以看出，植被对河岸的生态功能的重要性。本研究的结果清楚地说明了与传统“抛石”型河岸相比，采用河岸保护生物工程技术可以产生大量的生态效益。主要是通过去除碎石和降低坡度，保留了大量的氮和磷。植物的引入可以显著增加碳固存量，从而额外捕获CO2。

3.1 脱氮

河岸保护生物工程技术中去除抛石对脱氮有着根本性的影响。一方面，它可以使得河岸直接接触河水和洪泛区土壤。另一方面，河岸会由于前一层河岸的宽度而降低。这增加了洪水频率，从而改善了厌氧土壤条件，这对脱氮产生了积极影响。同时，“软木”型河岸中柳树的凋落物减少和植物的根部生物量衰减会导致有机碳输入增加，使得整体脱氮作用增加了近30倍(见表1)。

在“芦苇”型河岸中，斜坡的角度变小显着增加了洪水频率。由于大部分河岸低于平均水位，一半以上的地区会被永久淹没。即使在概率较小的洪水事件中，剩余区域也经常被淹没。这将导致更高的陆地脱氮率。因此，和没被淹没的地区相比，“芦苇”型河岸的总体脱氮作用增加了近50倍(见表1)。

3.2 磷保留

植被是保留磷的关键因素。密集生长的植物会降低洪水期间的流速，从而增加沉积过程。由于河岸表面相当光滑，与自然植被的河岸相比，“抛石”型河岸的磷保留潜力较低。相反，灌木丛的植被具有高粗糙度值，这使得“软木”型河岸中陆地的磷保留值最高，整体磷保留率比传统河岸高出20倍以上(见表1)。由本研究可得，1km的“芦苇”型河岸的磷保留高达15kg P yr-1。在洪泛区的磷保留最大值可能会更高。

3.3 碳固存

传统的“抛石”型河岸只在生物质内储存少量碳(见表2)，随着时间的增长，河岸中的抛石可能会被草本植被覆盖。但是，与天然河岸相比，植被覆盖率仍然很低。“芦苇”型河岸具有相当高的永久性碳储量。普通芦苇是一种密集而高大的多年生草本植物，具有庞大的根茎，“芦苇”型河岸中保留的附加CO2量约为0.5t(见表2)。“软木”型河岸中的木质生物中同样保留了很多的CO2。

4 结语

在自然状态下，河岸具有动态侵蚀和沉积的特点。河岸保护生物工程技术是增加河流河岸生态系统功能的一个非常有前景的工具。与传统的“抛石”型河岸相比，该技术明显改善了河岸的生态系统服务功能。研究结果表明，去除抛石，河道坡度的降低以及淹没增加对河道中营养物质的减少有重大影响。该技术的应用可以产生较大的生态收益，在河岸中减少氮和磷的含量，并通过植被来吸收CO2。然而，该技术的应用是否会对河道内其他生物造成影响仍需要进一步的研究。总而言之，河岸保护生物工程技术可以为当前河流的自我净化和缓解气候变化做出一定的贡献。