冷瑜, 曹麗娜, 張振興, , *, 孫偉, 楊海軍, 林晨鷺, 高玉福

基于土壤生物工程的小流域侵蝕溝治理研究進(jìn)展

冷瑜1, 曹麗娜2, 張振興1, 2, *, 孫偉1, 楊海軍3, 林晨鷺1, 高玉福1

1. 東北師范大學(xué)植被生態(tài)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長春 130024 2. 東北師范大學(xué)國家環(huán)境保護(hù)濕地生態(tài)與植被恢復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長春 130024 3. 云南大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院, 昆明 650000

水土保持是生態(tài)文明建設(shè)的重要組成部分, 是國家重點(diǎn)資助應(yīng)用基礎(chǔ)研究, 是踐行“綠水青山就是金山銀山”治理理念的經(jīng)濟(jì)發(fā)展領(lǐng)域。當(dāng)前我國水土流失問題依然嚴(yán)峻, 仍有超過國土四分之一水土流失面積, 且分布廣、治理難度大, 給生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)造成嚴(yán)重破壞, 亟待加快推進(jìn)小流域侵蝕溝治理?；谕寥郎锕こ碳夹g(shù)的小流域侵蝕溝治理已受到國內(nèi)外學(xué)者高度關(guān)注, 國內(nèi)相關(guān)研究理論儲備較充分, 但理論結(jié)合實(shí)踐方面距世界先進(jìn)水平仍有較大差距。為進(jìn)一步推動該技術(shù)在我國的應(yīng)用和發(fā)展, 文章綜述了土壤生物工程的需求背景、概念和發(fā)展; 其次, 從生態(tài)視角梳理其地上-地下生態(tài)功能, 論述其優(yōu)缺點(diǎn), 探討影響工程建設(shè)與實(shí)施的主要因素; 最后, 做了適合我國國情的土壤生物工程研究展望。結(jié)果表明土壤生物工程技術(shù)不僅是高效的小流域侵蝕溝生態(tài)治理方法, 還兼具經(jīng)濟(jì)與景觀功效。建議在系統(tǒng)開展基于土壤生物工程技術(shù)的小流域侵蝕溝治理的同時, 進(jìn)一步加強(qiáng)其理論和技術(shù)研究, 以期提供更完善的理論支撐和因地制宜的技術(shù)方法, 進(jìn)而為科學(xué)推進(jìn)我國水土流失綜合治理工作奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

侵蝕溝; 水土流失; 生態(tài)修復(fù); 土壤生物工程

0 前言

減少土壤侵蝕是世界范圍不同國家學(xué)者和組織所共同面臨的環(huán)境挑戰(zhàn)和科學(xué)熱點(diǎn)難題[1]。眾所周知, 土壤侵蝕是指外營力(水力、風(fēng)力、凍融、重力等)對土壤及其母質(zhì)破壞、剝蝕、搬運(yùn)和沉積[2]。根據(jù)外營力源的不同, 將土壤侵蝕類型劃分為水力侵蝕、風(fēng)力侵蝕和凍融侵蝕。其中水力侵蝕最為常見, 也是小流域水土流失的主因[3]?，F(xiàn)階段, 小流域侵蝕溝的水土流失約占總侵蝕土地面積的55%[4], 因此侵蝕溝的治理至關(guān)重要。據(jù)西班牙科爾多瓦大學(xué)的Castillo在2016年Earth Science Review文章中所述, 近一百多年來, 具有應(yīng)用推廣價值的侵蝕溝治理研究只占侵蝕溝總研究的4.2%[5], 這表明侵蝕溝治理雖長期位列科學(xué)研究熱點(diǎn)榜單, 但實(shí)踐研究在量上的缺失, 進(jìn)一步加劇了有效的治理方案難以在實(shí)踐層面有所突破。自上個世紀(jì)中葉產(chǎn)生生態(tài)危機(jī), 進(jìn)入新世紀(jì)以來, 人們在處理人與自然關(guān)系的問題上尤為理性, 更加注重人與自然的和諧相處, 并對生態(tài)系統(tǒng)功能和服務(wù)價值有了新的認(rèn)知和理論發(fā)展。土壤生物工程不僅有效結(jié)合系統(tǒng)生態(tài)學(xué)原理, 融合人類社會與自然環(huán)境[6], 修復(fù)退化土地, 提高土壤、空氣和水的質(zhì)量[7-8], 控制水土流失減少災(zāi)害[9], 還在生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能上具有多樣性和適宜性, 兼具經(jīng)濟(jì)與景觀效益, 對人類日益減少的土地資源可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。因此, 近年來土壤生物工程治理侵蝕溝的研究逐漸受到更多關(guān)注, 并有望成為侵蝕溝治理的重要技術(shù)。

本研究綜述了土壤生物工程技術(shù)的概念與發(fā)展, 從生態(tài)環(huán)境角度分析其地上與地下部分的功能作用, 將其與傳統(tǒng)侵蝕溝的治理工作方式相比較, 總結(jié)土壤生物工程治理侵蝕溝的優(yōu)缺點(diǎn), 指出植物與工程兩部分相輔相成的重要性, 最后根據(jù)我國土壤生物工程的研究現(xiàn)狀指出當(dāng)前研究的不足之處, 從生態(tài)修復(fù)的角度提出科學(xué)合理的建議, 以期為今后侵蝕溝治理提供可借鑒的理論參考和技術(shù)支撐。

1 概念、發(fā)展概述

土壤生物工程(soil bioengineering)概念的雛形、變化和發(fā)展, 歷經(jīng)波折。從中國古代黃河流域的治水到歐洲羅馬時期水利工程, 再到歐洲工業(yè)文明興起及近代社會人與自然關(guān)系的重塑, 土壤生物工程經(jīng)歷了從雛形階段、發(fā)展階段、確立階段到興起階段, 并最終伴隨人類社會發(fā)展日趨完善、逐步成熟。當(dāng)前, 在充分借鑒國內(nèi)外現(xiàn)有研究成果和科學(xué)共識的基礎(chǔ)上, 及基于作者多年實(shí)踐中的理解和感悟, 土壤生物工程概念可總結(jié)為, 土壤生物工程是一種以活體植物(或部分植物體)為主體、天然土石、人工鐵絲和混凝土等為輔助材料, 配以適宜的工程結(jié)構(gòu)和參數(shù), 一方面充分利用植物地下發(fā)達(dá)根系及其適應(yīng)性生長特性, 固土保水、維持工程整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、減少水土流失[10], 另一方面構(gòu)建地上生態(tài)群落演替早期的植物先鋒種群。土壤生物工程可作用于邊坡、河岸、道路等區(qū)域, 是一系列以減少侵蝕和改善生境為目的生態(tài)工程技術(shù)集[11-13], 是真正意義的固土保水技術(shù), 而非一般的植被綠化和恢復(fù)工程[14]。

注: 圖a, 經(jīng)典土壤生物工程示意圖[15]; 圖b—f均加工自文獻(xiàn)[16], 其中, 圖a是侵蝕溝現(xiàn)狀; 圖b是生態(tài)修復(fù)前; 圖c是施工中; 圖d是剛竣工; 圖e是修復(fù)5個月后; 圖f是修復(fù)15個月后。

Figure 1 Sketch map of soil bioengineering

土壤生物工程主要發(fā)展階段論述如下(見表1): (1)雛形階段。幾千年前, 類似土壤生物工程的技術(shù)就已經(jīng)出現(xiàn)。中國古代便有“榆、柳盤根最固, 取材最宜, 既可御水, 兼可衛(wèi)堤, 實(shí)為河工要需”的相關(guān)記載[17]。公元前歐洲凱爾特和伊利里亞村民發(fā)展了將柳樹枝條編織在一起以創(chuàng)造柵欄和墻壁的技術(shù), 同時羅馬人也將捆成束狀的柳樹枝用于水利工程[18-19]。(2)發(fā)展階段。工業(yè)革命時期, 歐洲國家生產(chǎn)力大發(fā)展, 但普遍缺乏生態(tài)環(huán)保意識, 面對山地、坡道、河道侵蝕問題, 片面地采用土壤生物工程施工材料, 通過植被和自然材料單一組合, 暫時延緩了侵蝕加劇。這一時期實(shí)踐研究在法語國家被稱為“山地恢復(fù)”(RTM), 在德語國家被稱為“山澗建筑”(WLB), 在意大利語國家被稱為“林地水力系統(tǒng)”(SIF)[20]。當(dāng)時RTM-WLB-SIF的研究常被誤認(rèn)為是土壤生物工程的發(fā)展, 然而RTM-WLB-SIF并沒有從環(huán)境和生態(tài)景觀的角度考慮, 僅僅是套用土壤生物工程方法, 忽視了土壤生物工程控制侵蝕、恢復(fù)生態(tài)、改善生境的核心思想。因此土壤生物工程在這一時期并沒有得到健全發(fā)展[21]。(3)確立階段。土壤生物工程技術(shù)的正式確立是在19世紀(jì)下半葉, 學(xué)界普遍認(rèn)為是從V.Kruedener在1951年寫的一書開始。工業(yè)革命促使以硬質(zhì)混凝土鋼筋為代表的傳統(tǒng)工程被過度使用, 歐洲的山區(qū)景觀坡道和河道區(qū)域出現(xiàn)大面積侵蝕最終, 對人們賴以生存的環(huán)境破壞日趨嚴(yán)重, 生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能嚴(yán)重受損, 爆發(fā)不可逆的生態(tài)危機(jī), 人們對于這種嚴(yán)重的侵蝕退化現(xiàn)象感到擔(dān)憂, 迫切需要新技術(shù)解決這類環(huán)境問題[21]。為此, 人們嘗試重新發(fā)掘?qū)ⅰ盎睢钡闹参锖汀八馈钡墓こ滩牧辖Y(jié)合起來的土壤生物工程技術(shù), 并以一種全新的方式在山坡、陡坡和河岸中使用, 實(shí)現(xiàn)力學(xué)穩(wěn)定的同時最大程度降低對環(huán)境和景觀的負(fù)影響[22]。(4)興起階段。從20世紀(jì)70年代開始, 土壤生物工程師開始傳播這種技術(shù)并取得了巨大成功, 土壤生物工程技術(shù)從歐洲傳至世界各地, 國際自然保護(hù)聯(lián)盟(IUCN)提倡使用基于自然手段的方法來維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性, 并將土壤生物工程技術(shù)列為一種有效的防御自然災(zāi)害的技術(shù)工法[23]。

雖然土壤生物工程在我國歷史悠久, 人們一直使用樹木、林秸、塊石捆扎穩(wěn)定河岸[24], 但理論研究處于停滯狀態(tài)。近年, 國內(nèi)學(xué)者在該領(lǐng)域做出了卓越貢獻(xiàn)和啟發(fā)性探究, 相應(yīng)研究成果為該領(lǐng)域的不斷發(fā)展提供了寶貴借鑒和參考。如夏繼紅和嚴(yán)忠民歸納生態(tài)型護(hù)岸為單純植物護(hù)岸和植物與工程結(jié)合護(hù)岸[18]。2006年, 李小平等論述了土壤生物工程在我國的發(fā)展?jié)摿25]。高甲榮等(甲榮集團(tuán))對土壤生物工程開展了較為系統(tǒng)的研究(施工技術(shù)、植物材料、植物生長、根系固土及環(huán)境影響), 為土壤生物工程在北方地區(qū)廣泛應(yīng)用提供理論支撐和技術(shù)參考[26]。張振興等2006-2008年間, 在長春市郊修建了長2.4km的土壤生物工程護(hù)岸, 并對其修復(fù)效果和后期管理做了必要探討[27-28]。近些年, 湖北工業(yè)大學(xué)的劉瑛團(tuán)隊(duì)在不同土壤生物工程技術(shù)固坡效果研究取得突破性進(jìn)展, 并極大推動該領(lǐng)域發(fā)展[29]。

2 生態(tài)功能

在生態(tài)角度看, 地上-地下兩部分是土壤生物工程的核心構(gòu)件, 只有這兩部分的協(xié)同作用才能充分發(fā)揮其生態(tài)功能。目前, 較為常見的基于土壤生物工程的侵蝕溝治理方式是利用植被快速覆蓋土壤, 即: 將活的插條和活莖埋在土壤中作為加固材料, 并設(shè)置排水溝及阻礙泥土移動的工程措施。如在用植物和土木材料穩(wěn)定加固侵蝕溝邊坡土壤、在侵蝕溝的溝頭設(shè)置防護(hù)林等防護(hù)措施改善上游的徑流條件等。在功能需求和解決方案方面, 土壤生物工程與傳統(tǒng)的恢復(fù)、修復(fù)和再生技術(shù)有相似之處[30], 但不同的是, 傳統(tǒng)治理措施都是對侵蝕溝地表和植被的治理恢復(fù), 往往只將植物對水蝕控制的適宜性歸因于地上植被能夠降低侵蝕率的作用[31]。研究發(fā)現(xiàn), 侵蝕溝的發(fā)育不僅與地表徑流有關(guān), 還與地下徑流侵蝕密切相關(guān), 而傳統(tǒng)治理措施往往忽略了地下根系的固土保水作用[32]。

表1 土壤生物工程發(fā)展史

2.1 地下—固土保水

國內(nèi)外許多研究表明, 土壤生物工程的固土保水功能主要體現(xiàn)在降低土壤侵蝕速率、減小徑流能量、截留降雨、持續(xù)地發(fā)揮固土作用方面[33]。土壤生物工程的植物通過復(fù)雜的根系網(wǎng)絡(luò)結(jié)合土壤顆粒, 固定溝道邊坡土壤, 提高整體穩(wěn)定性[7]; 在墨西哥馬德雷德爾蘇爾山脈侵蝕溝水土流失控制項(xiàng)目中, 研究人員用土壤生物工程抬高石壩, 設(shè)置侵蝕溝植物屏障, 最終該地區(qū)平均土壤侵蝕速率有效降低了38.7%[34]; 另有研究表明, 土壤生物工程對傳統(tǒng)河岸到高地過渡區(qū)的防護(hù)作用極為顯著, 可有效降低徑流能量、截留降雨, 防止徑流造成侵蝕破壞[35]; 最終土壤生物工程的固土保水效果還是依賴于植物選取和工程構(gòu)建參數(shù)的搭配, Simon在埃塞俄比亞高原西北部半濕潤地區(qū), 利用根系加固模型分析植物根系和土壤附加剪切阻力, 比較本土和外來植物根系固土效果, 量化保水能力, 結(jié)果表明不同種植物根系對侵蝕控制具有較大差異性[36]。此外, 土壤生物工程能夠?qū)崿F(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的自我修復(fù)[35], 其地下根系形成了低速和低剪切阻力帶, 在抵抗侵蝕時, 根系的生長往往會隨侵蝕的發(fā)生而進(jìn)行移動, 一旦被徑流沖斷或被連根拔起沖刷至下游地區(qū), 它們也能從新的土壤基質(zhì)中吸收養(yǎng)分, 持續(xù)生長以達(dá)到固持水土的目的[37]。

2.2 地上—構(gòu)建生境

土壤生物工程除了地下根系所具有的強(qiáng)大生態(tài)-力學(xué)固土功能之外, 地上植株和土木工程結(jié)構(gòu)復(fù)合體所起到的固土保水作用同樣不容忽視。地上生境的構(gòu)建為溝道提供了一定的粗糙度從而形成侵蝕緩沖帶, 可以有效降低徑流流速并攔截沉積物, 從生態(tài)功能的角度上改善土壤地質(zhì)條件、凈化水質(zhì), 并為昆蟲、兩棲類和鳥類等小型哺乳動物提供優(yōu)質(zhì)棲息地。在地上生境的構(gòu)建方面, 優(yōu)選本土植物種是國際共識的植株選用原則, 本土植物種相對容易獲得, 并且在長期的競爭中適應(yīng)了當(dāng)?shù)氐臍夂蚝屯寥罈l件并具有一定的水生和陸地生境價值; 在地上工程結(jié)構(gòu)的建立方面, 土木工程材料均為當(dāng)?shù)啬軌蚴占降牟牧? 通過人工運(yùn)輸可以便捷高效地移至項(xiàng)目地。

據(jù)多年監(jiān)測表明, 土壤生物工程具有較高的初始強(qiáng)度, 隨著植被的建立生長以及時間的推移, 土壤生物工程的強(qiáng)度會不斷增強(qiáng)。從科學(xué)角度分析, 土壤生物工程的技術(shù)優(yōu)勢在于依靠前期土木工程穩(wěn)固地上地下的土壤, 優(yōu)先保證先鋒植物能夠得以迅速生長, 隨著植被演替, 土木結(jié)構(gòu)逐漸腐爛、喪失其工程力學(xué)功能之后, 植株最終依靠其強(qiáng)大的地下根系和地上生物量實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)[38]。地上植被(莖, 枝和葉)能夠增加流動阻力, 降低局部流速, 將動能耗損在發(fā)生形變的植物上[8], 侵蝕溝中生長的植被與土壤生物工程措施相互作用, 有利于其他植物的定殖和演替, 進(jìn)而提升植被總體覆蓋率[39]。

當(dāng)植物發(fā)育完整后, 根系會加固土壤, 并從土壤剖面去除多余的水分, 這也是土壤能夠長久穩(wěn)定的關(guān)鍵, 并為工程區(qū)提供優(yōu)質(zhì)的景觀和適宜的棲息地[40]。即使植物死亡, 根和表面的枝干及有機(jī)廢物將繼續(xù)發(fā)揮重要作用, 為其它植物體的構(gòu)建提供平臺。

3 較傳統(tǒng)措施的優(yōu)缺點(diǎn)

傳統(tǒng)的侵蝕溝預(yù)防、治理的傳統(tǒng)措施主要分為(1)工程措施、(2)生物措施、和(3)農(nóng)業(yè)措施。其概述如下: (1)工程措施方面, 通過各種尺寸和材料的工程結(jié)構(gòu)來控制侵蝕溝是世界范圍內(nèi)的一種普遍治理方式。首先侵蝕控制措施通常是直接建在溝道上或跨越侵蝕溝溝谷的大型土壩、大型石壩、石籠, 其次是建立在侵蝕溝外, 以防止水進(jìn)入侵蝕溝溝道造成溝頭削減。而對于常見的溝頭侵蝕, 按照侵蝕溝流量大小以及地形條件需要采取不同的工程措施: 當(dāng)溝頭流量較小時, 一般沿著溝邊修建土埂、石擋墻攔水, 形成攔蓄式建筑; 而當(dāng)溝頭流量較大、徑流較為集中時, 在攔蓄式建筑的基礎(chǔ)上修建溝頭跌水或溝頭挑水建筑, 利用工程結(jié)構(gòu)消減水流侵蝕能力[41]。(2)生物措施方面, 侵蝕溝治理的生物措施主要利用植物替代巖石、混凝土等工程結(jié)構(gòu)材料, 通過這類柔性屏障控制徑流, 減少水土流失, 以達(dá)到穩(wěn)定侵蝕溝的目的[42]。樹籬和草籬都是有效的篩網(wǎng)結(jié)構(gòu), 將樹枝木樁安置在溝坡溝底之中, 作為侵蝕溝的多孔植物水壩, 從而將徑流中的泥沙通過植物之間的天然孔隙過濾掉, 并且可以將一些植物栽植在木樁上, 使得他們可以發(fā)芽生長, 形成活的篩子, 在熱帶地區(qū), 種植香根草作為篩網(wǎng)并且應(yīng)用于水土保持的生物治理措施已經(jīng)有50多年的歷史[43]。(3)農(nóng)業(yè)措施方面, 治理侵蝕溝的農(nóng)業(yè)措施主要依靠當(dāng)?shù)氐耐恋毓芾碇贫?。一般政府部門提倡在坡耕地采取深耕地、輪作、間作套作等耕作制度, 并配合深松犁耕以及農(nóng)業(yè)機(jī)械共同作用, 而在其他類型的土地上則采用禁牧、圍欄封育等措施, 以此增加土壤抗蝕能力以及地表植物覆蓋度, 減少侵蝕溝徑流, 提高土地蓄水能力, 從而起到控制侵蝕溝發(fā)生發(fā)展的作用, 并且改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境[44]。

由上述分析可知, 傳統(tǒng)措施都是針對侵蝕溝地表和植被的治理恢復(fù), 忽視了地下生物量的作用。而土壤生物工程不同于傳統(tǒng)侵蝕溝治理措施, 它通過聯(lián)系地上地下的特殊性, 將工程結(jié)構(gòu)與植被相結(jié)合, 在滿足恢復(fù)治理需求的前提下, 秉承人與自然和諧共生的理念, 竭力尋求景觀的美化以及生態(tài)系統(tǒng)的有序演替, 是解決侵蝕問題的新興方法。

該研究中選取2012年7月—2013年7月在該單位接受口腔種植骨結(jié)合治療的糖尿病患者與非糖尿病患者各50例，并對這些患者進(jìn)行隨訪5年，對接受治療的兩組患者的牙齒成活情況進(jìn)行分析比較，對所得的糖尿病患者與非糖尿病患者種植體修復(fù)牙齒的3個月、1年以及5年失敗率的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)計(jì)算得出，數(shù)據(jù)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。通過得出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)糖尿病的種植體修復(fù)牙齒失敗率略高于非糖尿病患者，所以糖尿病是可以對種植體骨結(jié)合有所影響的。

3.1 可持續(xù)性和富有生命力

目前傳統(tǒng)上對于侵蝕溝的控制方法主要依賴于固體屏障的建立, 在受侵蝕區(qū)域搭建石墻、石籠, 注入混凝土以此形成剛性的屏障結(jié)構(gòu)。雖然這一系列的措施能夠在一定程度上捕獲沉積物并且抵消侵蝕運(yùn)動, 但是長期暴露在野外環(huán)境之下, 環(huán)境因素嚴(yán)重影響了土木結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性, 降雨會將巖石沖刷至下游, 而徑流會導(dǎo)致混凝土的破裂, 承載土木結(jié)構(gòu)的土壤隨時間的流逝逐漸瓦解直至坍塌, 所以通常情況下傳統(tǒng)措施多以失敗而告終[45]。

區(qū)別于傳統(tǒng)工程, 土壤生物工程的獨(dú)特之處在于它通過植物根系的生長賦予巖石、土塊以“生命”。Cavaille等研究發(fā)現(xiàn)根系的空間結(jié)構(gòu)、抗拉強(qiáng)度、粘附特性可以有效地加固土壤[46], 垂直于土體表面的根系通過增加剪切強(qiáng)度加固土體, 而平行于土壤表面生長的根系則通過增加平面張力來加固土壤[47], 縱橫交錯的根系網(wǎng)絡(luò)作為聯(lián)結(jié)土壤、土木材料、巖石的紐帶, 給土壤生物工程提供了良好的初始強(qiáng)度, 在設(shè)立之初就能夠承受較強(qiáng)的雨水沖刷, 并且隨著植被的成長, 植物根系網(wǎng)絡(luò)更加發(fā)達(dá), 土壤生物工程的強(qiáng)度隨著根系的生長逐漸增強(qiáng), 即使栽植的植被不幸死亡, 殘留的植物根系和枝葉也會在重建過程中充當(dāng)緩沖材料, 并作為營養(yǎng)成分的提供者繼續(xù)完成其固土保水的使命。

表2 侵蝕溝治理傳統(tǒng)措施

3.2 高生態(tài)效益/低環(huán)境破壞

土壤生物工程技術(shù)通常與其他系統(tǒng)結(jié)合, 并運(yùn)用在土壤和水利工程方面, 尤其是在防治侵蝕和穩(wěn)定邊坡與河岸時, 防護(hù)系統(tǒng)和生活系統(tǒng)結(jié)合起來的護(hù)坡系統(tǒng)是近自然治理措施的重點(diǎn), 它往往比單獨(dú)處理植被或植被結(jié)構(gòu)的解決方案更經(jīng)濟(jì)有效, 而且這種結(jié)合有助于維持長期穩(wěn)定, 減少對生物和環(huán)境沉積物的影響, 有利于該地區(qū)生態(tài)環(huán)境的優(yōu)化, 并能創(chuàng)造多樣化的棲息地, 提供一種健全的管理方式。土壤生物工程提高了植物的保留率, 利用較少的投資成本建立、發(fā)展更多的植被, 明顯改善人類與動植物的生境, 為當(dāng)?shù)貏?chuàng)造了和諧的生活環(huán)境[48]。在生態(tài)功能上, 土壤生物工程或減少或避免了侵蝕災(zāi)害造成的損失, 提高生物棲息地的多樣性, 維持生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)平衡和相對穩(wěn)定。土壤生物工程運(yùn)用恢復(fù)生態(tài)學(xué)原理, 基于群落構(gòu)建的生態(tài)位理論與中性理論, 根據(jù)植被科學(xué)中的演替理論, 通過人工與天然相結(jié)合, 創(chuàng)建一系列植被恢復(fù)技術(shù), 能夠在恢復(fù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)功能、創(chuàng)造良好的景觀環(huán)境的同時在一定程度上創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價值[49]。

3.3 后續(xù)養(yǎng)護(hù)要求低

通過建造各種尺寸和材料的土木工程結(jié)構(gòu)控制侵蝕溝時幾乎不需要進(jìn)行后續(xù)的工程養(yǎng)護(hù), 但是這種單一的剛性措施初始成本極高, 并會對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境與生物結(jié)構(gòu)造成一定的影響, 土木材料在外營力的侵蝕作用下最終需要更替重建。不同于土木工程結(jié)構(gòu), 土壤生物工程是一種柔性結(jié)構(gòu), 工程建立后植被通常能夠在一個生長期內(nèi)通過再生演替和生長對侵蝕溝的土壤進(jìn)行加固, 減少水土流失率, 后續(xù)養(yǎng)護(hù)要求低, 只需要重復(fù)監(jiān)測和少量維護(hù)費(fèi)用。為了確保能夠建立可持續(xù)、有生命力的工程, 土壤生物工程建立之前就需要進(jìn)行仔細(xì)的檢查, 并且定期進(jìn)行監(jiān)控和維護(hù), 主要包括清除碎屑物質(zhì), 清除侵入性或不良物種以及重新種植, 管理植被的生長、修剪, 防止蟲害和野生動物啃食以及人為破壞等。

3.4 局限

迄今為止, 植物根系對邊坡穩(wěn)定性和土壤侵蝕控制的積極作用已得到廣泛的認(rèn)可, 也提出了一些關(guān)于根系加固土壤的量化方法[50]。然而在土壤生物工程中, 具體哪些植物根系特征在這之中起到了關(guān)鍵作用, 對于根系結(jié)構(gòu)在工程應(yīng)用中的重要性尚不明確[51], 土壤生物工程的小流域侵蝕溝治理所產(chǎn)生的具體生態(tài)效益和工程效果研究較少, 量化評價結(jié)果尚不統(tǒng)一, 值得后續(xù)進(jìn)一步深入研究。一般來說, 土壤生物工程措施不是有效解決小流域侵蝕溝治理問題的唯一方法, 它并不適用于所有的環(huán)境條件。首先, 土壤生物工程的植被建立易受限: (1)易受水分和氣候的影響的植物種無法順利生存和成長; (2)土壤養(yǎng)分和陽光的缺乏可能會影響營養(yǎng)成分的建立和生長; (3)植物可能會受到野生生物和人類的破壞。其次, 土壤生物工程受環(huán)境限制, 現(xiàn)實(shí)情況中理想的自然條件并不存在, 惡劣天氣難免會對土壤生物工程造成威脅, 因此土壤生物工程具有更高的失敗風(fēng)險, 需要詳盡的調(diào)查以及風(fēng)險地預(yù)估, 因地制宜設(shè)計(jì)考慮具體措施。最后, 土壤生物工程受勞動成本限制, 為確保工程兼具經(jīng)濟(jì)與景觀價值, 工程設(shè)備一般要求盡可能減少與勞動者的接觸, 并且對作業(yè)區(qū)域產(chǎn)生較小的擾動, 土壤生物會工程在勞動密集型區(qū)域具有較高的成本效益, 但在勞動力稀缺區(qū)域產(chǎn)生過高的成本投入。

4 影響因素

4.1 植物的選取

植物是土壤生物工程的靈魂, 植被的地上部分通過截留降水、增加水分來減少水引起的侵蝕, 植物的地下根系增加土壤顆粒的分離難度, 阻滯水土流動, 使土壤保持穩(wěn)定, 甚至能夠再增加土壤肥力[52]。正是由于土壤生物工程將植物作為聯(lián)系地上地下生境的特殊紐帶, 使其得以發(fā)揮強(qiáng)大的生態(tài)復(fù)合功能進(jìn)而保護(hù)土壤免受侵蝕, 達(dá)到固土保水、重建生境的目的[53-54]。通常來講, 土壤生物工程小流域侵蝕溝治理的最佳備選植物是本土植物與臨近區(qū)域根系深且密的植物種, 因?yàn)檫@些植物種類已經(jīng)適應(yīng)了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境, 種植成活率高, 取材便捷、易收集, 不會對原有生態(tài)系統(tǒng)造成過多的干擾。當(dāng)條件適宜時, 草和灌木可以迅速發(fā)芽, 根系可以形成較好的初期分布, 并且種植成活率較高, 能夠在相對較短的時間內(nèi)減少退化土壤上的水流侵蝕[51]。為實(shí)現(xiàn)土壤生物工程的可持續(xù)治理目標(biāo), 減少維護(hù)成本, 永續(xù)地提高土壤肥力, 可以選擇如二月蘭、沙棘、紫花苜蓿等與細(xì)菌和真菌共生的固氮植物[55], 在關(guān)注生態(tài)環(huán)境效益、維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)平衡的同時力求治理區(qū)域的相對穩(wěn)定。

4.2 植物的生長和維護(hù)

無論選擇何種植物, 優(yōu)先考慮限制植物生長的首要元素——水的可利用性, 水量和季節(jié)性供應(yīng)對于植物的生存周期和分布范圍有著深遠(yuǎn)影響, 良好的水分條件是土壤生物工程植物建立的關(guān)鍵[56-57]。Clewell和Aronson研究指出[58], 土壤生物工程項(xiàng)目前期以及完成后的監(jiān)管尤為重要, 良好的維護(hù)可以確保營養(yǎng)成分的建立和生長, 例如在氣候干燥降水稀少的地區(qū)需要輔以人工灌溉; 而在受生物災(zāi)害嚴(yán)重的情況下, 還需要適當(dāng)使用滅蟲劑并且驅(qū)趕野生動物; 在極端天氣造成大面積破壞后, 需要人工及時補(bǔ)種植物以防止?fàn)I養(yǎng)成分的流失, 定期篩查土壤生物工程項(xiàng)目的實(shí)施對諸如此類的意外情況做出及時補(bǔ)救。

4.3 國內(nèi)土壤生物工程的設(shè)計(jì)與選擇

目前, 我國關(guān)于土壤生物工程在侵蝕溝侵蝕治理中的應(yīng)用起步較晚、研究較少, 而且我國土地幅員遼闊, 氣候、地貌、水文、土壤等條件特殊, 很難在土壤生物工程應(yīng)用中形成統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn), 需要因地制宜地根據(jù)現(xiàn)場生態(tài)環(huán)境條件做出科學(xué)合理的決策, 逐步探索實(shí)踐[56]。近年來我國學(xué)者在原有工程措施之上結(jié)合了土壤生物工程的治理研究, 進(jìn)行了一系列土壤生物工程設(shè)計(jì)施工的探索嘗試: 劉瑛首次將土壤生物工程技術(shù)使用到北京地區(qū)河岸生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)之中, 通過植物適宜性、根系特征、固土機(jī)理以及植物枝條柔韌性這些方面評價其環(huán)境效益, 比較分析了扦插、梢捆、灌叢墊、籬墻以及埋根等不同土壤生物工程施工方式的適合度[59]; 李小平等評估了我國首個采用土壤生物工程修復(fù)河道坡岸的上海浦東新區(qū)機(jī)場河道工程, 從植物根系加固穩(wěn)定作用與棲息地改善情況兩個方面評價了工程的設(shè)計(jì)與完成效果[56]; 高甲榮等針對北京市河流生態(tài)系統(tǒng)的岸坡侵蝕問題, 為穩(wěn)固坡岸采用了不同土壤生物工程措施, 不同程度地增加了受侵蝕區(qū)域的抗侵蝕問題, 并且從不同方面改善了河岸地生態(tài)環(huán)境[60];王芳等研究柳溝小流域灌木根系形態(tài)以及可塑性, 為西北黃土高原的土壤生物工程的設(shè)計(jì)施工提供了理論基礎(chǔ)[53]; 陳瓊等分析了烏海市公路邊坡工程的保水能力、植物生長情況與水土保持能力, 利用土壤生物工程技術(shù), 根據(jù)公路邊坡的特殊情況, 選用將護(hù)坡植物與現(xiàn)澆網(wǎng)格生態(tài)護(hù)坡技術(shù)相結(jié)合的措施, 解決了目前我國護(hù)坡工程生態(tài)效果不佳的問題[61]。

由此可見, 相比于傳統(tǒng)侵蝕治理方式, 土壤生物工程尤為關(guān)注生態(tài)環(huán)境效益, 在維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)平衡的同時力求治理區(qū)域的相對穩(wěn)定, 土壤生物工程需要根據(jù)不同的侵蝕狀況和現(xiàn)場條件, 針對水流沖刷強(qiáng)度、邊坡穩(wěn)定性程度、泥沙輸移堆積狀況選擇具有適宜的設(shè)計(jì)方案[62]。

5 展望

綜上所述, 在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的今天, 生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重的背景之下, 土壤侵蝕災(zāi)害作為一個全球性的水土流失問題, 得到了人們越來越多的關(guān)注。侵蝕溝的發(fā)生發(fā)展破壞了土地資源, 影響社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展, 導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化, 因此侵蝕溝的修復(fù)治理問題迫在眉睫, 而土壤生物工程具有科學(xué)治理侵蝕溝的潛力, 是解決土壤侵蝕問題的有效方式。目前基于土壤生物工程技術(shù)的小流域侵蝕溝治理受到了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注, 雖然國內(nèi)相關(guān)理論研究儲備較為充分, 但是國內(nèi)研究多集中于侵蝕溝發(fā)生發(fā)展及其分類方面, 對于侵蝕溝的預(yù)防以及修復(fù)治理的相關(guān)研究較少, 理論結(jié)合實(shí)踐方面距世界先進(jìn)水平仍有較大差距。土壤生物工程的相關(guān)研究亟待開展, 為進(jìn)一步推動該技術(shù)在我國的應(yīng)用和發(fā)展, 未來更應(yīng)從以下幾個方面進(jìn)行探索研究:

(1)首先缺少對于侵蝕溝治理研究的完善資料體系, 應(yīng)建立一個侵蝕溝的研究網(wǎng), 以評估大尺度范圍的溝侵蝕狀況, 選定并長期監(jiān)測作為基準(zhǔn)地點(diǎn)的溝侵蝕情況;

(2)關(guān)于土壤生物工程使用植物材料進(jìn)行治理時, 很少有人嘗試測量植物對控制侵蝕溝侵蝕的所有特性, 地下根系的固土力學(xué)和根系力學(xué)方面容易被忽視, 目前缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來評估包括根在內(nèi)的整個植物的侵蝕控制策略;

(3)目前有多種可用于治理侵蝕溝的土壤生物工程處理方法, 但這些方法用于應(yīng)對處理的情況各不相同, 重要的是要了解治理背后的方法原理及其安裝方式, 以確保將合適的方法放置在適當(dāng)?shù)奈恢?。在相關(guān)措施施工完畢后, 還存在監(jiān)測管理和維護(hù)問題, 對于治理后的效果評價體系也尚不完整。

(4)最后, 需要呼吁管理人員和普通群眾提高關(guān)于侵蝕溝的生態(tài)問題, 提高對生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)意識, 普及土壤侵蝕危害的相關(guān)知識, 認(rèn)識到水土流失的危害, 理解并積極配合相關(guān)治理措施的實(shí)施, 不破壞侵蝕溝治理工程材料。

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Research progress on erosion gully control in small watershed based on soil bioengineering

LENG Yu1, CAO Lina2, ZHANG Zhenxing1, 2,*, SUN Wei1, YANG Haijun3,LIN Chenlu1, GAO Yufu1

1. Key Laboratory of Vegetation Ecology, Ministry of Education, Northeast Normal University, Changchun 130024, China 2. State Environmental Protection Key Laboratory of Wetland Ecology and Vegetation Restoration, School of Environment, Northeast Normal University, Changchun 130117, Jilin Province, China 3. Institute of Ecology and Environmental Science, Yunnan University, Kunming 650000, China

Soil and water conservation is an important part of the construction of ecological civilization. It is a national key funded application of basic research. It is a field of development to practice the governance concept of “Lucid waters and lush mountains are invaluable assets”. At present, the problem of soil and water loss in China is still serious. There is more than one quarter of the soil and water loss area, which is widely distributed and difficult to manage, causing serious damage to the ecological environment and socioeconomic conditions. Erosion gully management in small watersheds based on soil biotechnology has attracted much attention from scholars at home and abroad. In order to further promote the application and development of this technology in our country, this paper first discusses the origin and development of soil bioengineering technology; secondly, it summarizes the main methods of erosion gully management based on soil bioengineering technology, and discusses its advantages and disadvantages; finally, it discusses the main factors affecting the implementation of soil biological engineering construction and their ecological functions. The results show that soil bioengineering technology is not only an efficient ecological restoration method for the management of erosional gullies in small watersheds, but also has both economic and landscape effects. It is suggested that while systematically conducting erosion control of small watersheds based on soil bioengineering technology, their theoretical and technical research should be strengthened, in order to provide more comprehensive theoretical support and technical methods adapted to local conditions for erosion channel management, and it will lay a solid foundation for scientifically promoting the comprehensive management of soil and water loss in China.

erosion gully; soil erosion; ecological restoration; soil bioengineering

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.06.028

S157

A

1008-8873(2021)06-225-08

冷瑜, 曹麗娜, 張振興,等. 基于土壤生物工程的小流域侵蝕溝治理研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)科學(xué), 2021, 40(6): 225–232.

LENG Yu, CAO Lina, ZHANG Zhenxing, et al. Research progress on erosion gully control in small watershed based on soil bioengineering[J]. Ecological Science, 2021, 40(6): 225–232.

2020-05-19;

2020-06-21

國家自然科學(xué)基金(32071587, 41501566); 留學(xué)基金委項(xiàng)目（202006625001）；國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2017ZX07101003); 吉林省教育廳項(xiàng)目 (JJKH20211293KJ )

冷瑜(1995—), 男, 江蘇溧陽人, 碩士, 研究方向: 河流生態(tài)修復(fù), E-mail: lengy151@nenu.edu.cn

通信作者:張振興, 男, 博士, 副教授, 主要從事: 恢復(fù)生態(tài)學(xué)、流域生態(tài)學(xué)研究, E-mail: zhangzx725@nenu.edu.cn