浙江省仙居縣永安溪支流河道護(hù)坡植物水分生態(tài)效應(yīng)研究

吳佩佩，韓玉玲

(1.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江杭州311231;2.浙江省河道管理總站，浙江杭州310009)

近年，隨著生活水平的提高，人們對(duì)水環(huán)境的要求也越來越高，河道已不僅僅具有“泄洪、排澇、蓄水、引清、航運(yùn)”等基本功能，而且還具有“景觀、旅游、生態(tài)、與周邊環(huán)境呼應(yīng)”等功能。生態(tài)護(hù)岸是融現(xiàn)代水利工程學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生物科學(xué)、生態(tài)學(xué)、美學(xué)等學(xué)科于一體的水利工程［1］，近年來在平原以及城市內(nèi)河的生態(tài)修復(fù)及治理工程中應(yīng)用廣泛，并已形成生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式、生態(tài)護(hù)坡材料、生態(tài)體系構(gòu)架、植物配置及與水流的相互作用等多個(gè)研究領(lǐng)域［2－8］。然而，對(duì)于山區(qū)河道植物護(hù)坡的研究報(bào)道還不多見。

山區(qū)地形起伏較大，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，河道坡降陡，河流源短流急，水位暴漲暴落、洪枯變幅大，暴雨時(shí)洪峰流量大，水流速度快，挾沙能力和沖刷力強(qiáng)，水土流失嚴(yán)重。山區(qū)河道往往是河流的源頭或中上游區(qū)，也是河流系統(tǒng)中最具活力、最需要給予特別保護(hù)的區(qū)域。山區(qū)河道中以植物護(hù)坡為主要內(nèi)容的生態(tài)護(hù)坡，將對(duì)流域產(chǎn)生多方面的環(huán)境生態(tài)效應(yīng)，除了對(duì)生物多樣性保護(hù)和水質(zhì)改善有重要作用外，還將對(duì)污染物的截流、水土流失的防治等產(chǎn)生重要影響。

仙居縣位于浙江省東南沿海山區(qū)，介于北緯28°30'—28°50'、東經(jīng) 120°20'—120°54'之間，屬亞熱帶南緣海洋性季風(fēng)氣候區(qū)。仙居縣南、北、西三面環(huán)山，地勢(shì)較高，中部是河谷盆地，地形以丘陵為主，整個(gè)地勢(shì)西高東低，是浙江省臺(tái)州市西部重要的生態(tài)屏障和水源涵養(yǎng)區(qū)。永安溪源于仙居縣與縉云縣交界的天堂尖，入仙居縣境后，自西向東橫貫仙居縣全境，至臨海市城西三江村與始豐溪會(huì)合后匯入靈江，全長(zhǎng)141.1 km(仙居縣境內(nèi)116 km)，流域面積2702 km2(仙居縣境內(nèi)1983.7 km2)，占靈江流域面積的47.1%。永安溪不但是仙居縣的“母親河”，也是靈江的干流，是溫黃平原的主要供水源。但永安溪流域5—6月的梅雨季和7—9月的臺(tái)風(fēng)期的降水量占全年的71.9%，時(shí)有山洪暴發(fā)，使永安溪溪水泛濫，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活帶來了危害。本試驗(yàn)選擇自然生長(zhǎng)在永安溪支流河道上且在該流域分布較廣的4種野生草本植物為研究材料，分析其在7月份高溫天氣條件下的生長(zhǎng)狀況和水文效應(yīng)，旨在為篩選、開發(fā)利用適應(yīng)浙江省山區(qū)河道的生態(tài)護(hù)坡植物提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究地點(diǎn)

研究地點(diǎn)位于仙居縣步路鄉(xiāng)七里村旁的一條永安溪的支流河道上。該支流總長(zhǎng)為21.5 km，平均河寬為8 m，沿岸土壤為潮土類，以培泥砂土、培砂土、卵石培泥砂土、卵石培砂土為主，屬典型的山間河谷地貌。該地年平均氣溫17.2℃，年無霜期246 d左右，年平均降水量1444 mm，年平均相對(duì)濕度79%，年日照時(shí)數(shù)1786 h，年平均風(fēng)速1.5 m/s。

1.2 研究材料與方法

研究材料選擇廣泛分布于河岸的4種植物，分別為辣蓼(Polygonum hydropiper Linn.)、五節(jié)芒(Miscanthus floridulus)、水芹(Oenanthe javanica)、羊蹄(Rumex japonicus Houtt.)。

取河岸上生長(zhǎng)正常的成年植物，分別對(duì)其葉片數(shù)、株高、根數(shù)、鮮質(zhì)量和干質(zhì)量進(jìn)行測(cè)定。其中根數(shù)取地表至地下20 cm范圍內(nèi)的根系;干質(zhì)量使用電熱恒溫干燥箱在105℃恒溫下烘干測(cè)得。

于7月中旬，選擇天氣晴好、自然光照條件下的植物，取外觀上生長(zhǎng)正常的葉片，使用快速稱重法測(cè)定植物蒸騰速率。測(cè)定時(shí)間為每天6:00—18:00，每隔2 h測(cè)定1次［9］。使用儀器為梅特勒－托利多儀器有限公司生產(chǎn)的AL204電子天平，精度0.0001 g，每次稱量在5 min內(nèi)葉片損失的質(zhì)量(m)，測(cè)定葉片的面積(S)。則植物的蒸騰速率計(jì)算公式為

式中:e為蒸騰速率，mmol/(m2·s);m為葉片損失的質(zhì)量，g;S為葉片面積，m2;18為水的摩爾質(zhì)量，g/mol。

日蒸騰總量計(jì)算公式為

式中:E為測(cè)定日的蒸騰總量;ei為初時(shí)測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)蒸騰速率，mmol/(m2·s);ei+1為下一時(shí)刻測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)蒸騰速率，mmol/(m2·s);ti為初測(cè)點(diǎn)的時(shí)間;ti+1為下一測(cè)點(diǎn)的時(shí)間;i為測(cè)定次數(shù)。

換算為測(cè)定日全天釋放水的質(zhì)量為

式(3)中:18 為水的摩爾質(zhì)量，g/mol［10］。

液態(tài)的水經(jīng)過植物的蒸騰作用，由葉片的氣孔和角質(zhì)層以氣態(tài)形式散發(fā)到空氣中，并從環(huán)境中吸收熱量，降低周圍環(huán)境中的溫度，增加濕度，從而達(dá)到改善周圍環(huán)境小氣候條件的作用。設(shè)1 m2葉片在一天中因蒸騰作用散失水分而吸收的熱量為Q，則蒸騰耗熱計(jì)算方法為

式中:Q為單位葉面積每日吸收的熱量，J/(s2·d);l為蒸發(fā)耗熱系數(shù)，l=597－0.57t(t為測(cè)定日的氣溫);4.18為換算系數(shù)，1 cal=4.18 J。由此可計(jì)算出各植物1 m2葉片在測(cè)定日吸收熱量的值。7月份測(cè)定平均氣溫為27℃。

蒸騰降溫值計(jì)算公式為

式中:ΔT為降溫值，℃;Q為護(hù)坡植物蒸騰使其單位體積空氣損失的熱量，J/(m3·h);PC為空氣的容積熱容量，其值為1256 J/(m3·h)。

2 結(jié)果與分析

2.1 山區(qū)河道護(hù)坡植物單株生物量

生物量通常是指生態(tài)系統(tǒng)中某特定植物有機(jī)物質(zhì)的質(zhì)量［11］，是評(píng)定植物生長(zhǎng)情況的一個(gè)常用指標(biāo)，生物量大一般都表明植物有較好的適應(yīng)性。4種護(hù)坡植物的生物量見表1。

表1 山區(qū)河道護(hù)坡植物單株生物量

從表1可以看出，從單株鮮質(zhì)量來看，羊蹄最大，辣蓼最小，而從單株干質(zhì)量來看，則五節(jié)芒最大，辣蓼同樣為最小，說明五節(jié)芒在山區(qū)河道中的生長(zhǎng)適應(yīng)性較強(qiáng)。

生態(tài)護(hù)坡就是利用植物比較發(fā)達(dá)的根系，深入土層，使表土固結(jié)。隨著含根量的增加，根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度有提高的趨勢(shì)［12］。水芹和辣蓼的總根數(shù)較多，分別達(dá)到每株1221根和954根，所以這兩種植物也是比較優(yōu)良的山區(qū)河道護(hù)坡植物。

2.2 河道護(hù)坡植物的水分生態(tài)效應(yīng)

經(jīng)過植物蒸騰作用，液態(tài)水由氣孔和角質(zhì)層以氣態(tài)形式散發(fā)到空氣中，并從環(huán)境中吸收熱量，降低周圍環(huán)境的溫度，達(dá)到改善周圍環(huán)境小氣候的作用。蒸騰速率的高低直接影響著日蒸騰總量、日蒸騰吸熱量的大小。7月是浙江省山區(qū)植物日釋水總量和日蒸騰吸熱量差異較為明顯的月份。表2表明，4種河道護(hù)坡植物的單位葉面積蒸騰速率、日蒸騰總量、日蒸騰吸熱量和降溫幅度均有很大程度的區(qū)別，蒸騰速率五節(jié)芒最高，為 1.16 mmol/(m2·s)，羊蹄最低，為 0.24 mmol/(m2·s)，前者為后者的4.8倍。單位葉面積蒸騰速率、日蒸騰總量、日蒸騰吸熱量和降溫幅度呈明顯正相關(guān)，其中五節(jié)芒單位葉面積日蒸騰總量和日蒸騰吸熱量均最高，分別為352.78 mmol/(m2·d)和4369.75 kJ/(m2·d)，降溫可達(dá) 0.28 ℃ /(m2·h);羊蹄最低，單位葉面積日蒸騰總量為21.04 mmol/(m2·d)，單位葉面積日蒸騰吸熱量為913.69 kJ/(m2·d)，降溫幅度為0.06 ℃ /(m2·h)，前者降溫幅度為后者的4.7倍。

表2 山區(qū)河道護(hù)坡植物單位葉面積的日蒸騰釋水量及日蒸騰吸熱量

邊坡的失穩(wěn)與水壓力的大小密切相關(guān)，水分是誘導(dǎo)滑坡的重要因素，植物蒸騰作用是降低孔隙水壓力的關(guān)鍵，單位葉面積蒸騰速率越大降低土壤孔隙水壓力越快，越能增加邊坡的抗剪強(qiáng)度和穩(wěn)定性［13－14］。因此，山區(qū)河道植物五節(jié)芒降低孔隙水壓力能力最強(qiáng)，而羊蹄和辣蓼則較差。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)河道植物護(hù)坡是指單獨(dú)用活的植物，或把植物培育與工程措施相結(jié)合，利用植物對(duì)邊坡的覆蓋作用和植物根系對(duì)邊坡的加固作用，以減輕工程坡面的不穩(wěn)定性和侵蝕;利用植物的降雨截留、徑流延滯、土壤增滲、蒸騰、土層固結(jié)、土壤濕度調(diào)節(jié)、土體支撐和拱頂?shù)茸饔脕肀Ｗo(hù)河道坡岸的穩(wěn)定，恢復(fù)和維持河道的生態(tài)功能和生物多樣性。植物護(hù)坡將水、河道、堤岸、植被、微生物、水生生物等結(jié)合構(gòu)成了一個(gè)完整的河流生態(tài)體系，從而利用本身的生態(tài)功能對(duì)河坡進(jìn)行生態(tài)保護(hù)。

(2)山區(qū)河道坡面上所生長(zhǎng)的植物通過吸收和蒸騰消耗土壤水分，降低土壤的孔隙水壓力，增加土壤顆粒間的接觸程度，增強(qiáng)了土壤對(duì)變形和滑動(dòng)應(yīng)力的抵抗能力，提高了土壤的強(qiáng)度。另外，植物的蒸騰作用還減輕了土體的重量，從而減少了導(dǎo)致土體滑動(dòng)的剪切分力，有利于山區(qū)河道坡面的穩(wěn)定。本研究的結(jié)果表明，五節(jié)芒在山區(qū)河道中的護(hù)坡效果最好，其他植物依次為水芹、辣蓼、羊蹄。

［1］朱三華，黎開志，劉飛.生態(tài)堤防設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2005(6):76－77.

［2］高曉琴，姜姜，張金池.生態(tài)河道研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)［J］.南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，32(1):103－106.

［3］王英華，王玉強(qiáng)，秦鵬.淺析新農(nóng)村河道生態(tài)護(hù)岸型式及選用［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2010(3):102－104.

［4］夏繼紅，嚴(yán)忠民.國(guó)內(nèi)外城市河道生態(tài)型護(hù)岸研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.中國(guó)水土保持，2004(3):20－21.

［5］陳小華，李小平.河道生態(tài)護(hù)坡關(guān)鍵技術(shù)及其生態(tài)功能［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，27(3):1168 －1176.

［6］韓玉玲，岳春雷，葉碎高，等.河道生態(tài)建設(shè)－植物措施應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2009.

［7］焦志洋，拾兵，朱玉偉，等.復(fù)式河道灘地植物對(duì)水流紊動(dòng)結(jié)構(gòu)影響的試驗(yàn)研究［J］.海洋湖沼通報(bào)，2006(1):28－36.

［8］朱紅鈞，趙振興.生態(tài)河道種植圈對(duì)水流水力特性的影響［J］.水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2007(1):31 －35.

［9］陸貴巧，謝寶元.大連市常見綠化樹種蒸騰降溫的效應(yīng)分析［J］.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，29(2):65 －67.

［10］孫海燕.哈爾濱市城郊森林生態(tài)網(wǎng)絡(luò)體系建設(shè)中樹種選擇的研究［D］.哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)，2005.

［11］姚豐平，吳軍壽.慶元林場(chǎng)闊葉林主要類型生物量測(cè)定及其評(píng)價(jià)［J］.浙江林業(yè)科技，2003，23(3):74 －76.

［12］胡其志，周政，肖本林，等.生態(tài)護(hù)坡中土壤含根量與抗剪強(qiáng)度關(guān)系試驗(yàn)研究［J］.土工基礎(chǔ)，2010，24(5):85 －87.

［13］王占臣，龐軍.邊坡綠化防護(hù)技術(shù)的發(fā)展和植被護(hù)坡機(jī)理［J］.吉林交通科技，2007(2):29 －32.

［14］蔣必鳳.幾種草本植物護(hù)坡效果評(píng)價(jià)［D］.哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)，2008.