淺談水岸帶的生態(tài)功能

淺談水岸帶的生態(tài)功能

1水生生態(tài)系統(tǒng)及其生境和功能特征1.1aquatchefficid自然產(chǎn)生機(jī)理20世紀(jì)70年代，人們開(kāi)始關(guān)注水岸帶的研究。有兩種定義海岸帶。廣義上是指靠近水面的植物群落和生長(zhǎng)環(huán)境，這些水域直接受水流的影響。狹義上是指從水和陸地交匯處到河流和湖泊消失的區(qū)域。根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)的水分特征,筆者將自然生態(tài)系統(tǒng)分為3大類(lèi)型:陸地或高地生態(tài)系統(tǒng)(Uplandecosystem),指旱地或地形較高處一般從不會(huì)被水淹沒(méi)的地段或區(qū)域;水生生態(tài)系統(tǒng)(Aquaticecosystem),指長(zhǎng)期有水淹沒(méi)的低洼地段,具有較開(kāi)闊的水域;水岸生態(tài)系統(tǒng)(Riparianecosystem),指水陸界面被水間歇性淹沒(méi)的地段。一般將河岸、溪岸、海岸、湖岸以及溝渠塘岸等各種水陸交錯(cuò)區(qū)域,通稱為水岸帶(RiparianZone)。水岸帶中的生物成分與非生物成分構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng),稱為水岸生態(tài)系統(tǒng)。水岸生態(tài)系統(tǒng)是介于陸地與水體之間的過(guò)渡地帶,是非常重要的典型生態(tài)交錯(cuò)區(qū),是連接水生生態(tài)系統(tǒng)和陸地生態(tài)系統(tǒng)的樞紐。它是陸地或水生生態(tài)系統(tǒng)的組成部分,在結(jié)構(gòu)和功能上與它們又有顯著的區(qū)別。水岸帶作為水-陸交錯(cuò)帶的一種類(lèi)型,一般可以劃分為3個(gè)區(qū)域(圖1):陸向輻射區(qū),該區(qū)域是指沒(méi)有被水淹沒(méi),但是受水體影響,土壤水分間隙性飽和的地段,植物以中生或耐水濕的喬木或灌木成分為主,一般喬木是該區(qū)域的建群種;水位變幅區(qū),該區(qū)域是指被水間隙性淹沒(méi)的地段,土壤水分常年處于飽和狀態(tài),植物以耐水、濕生的草本植物、灌木與喬木成分為主,一般灌木或濕生植物為該區(qū)域的建群種;水向輻射區(qū),該區(qū)域是指長(zhǎng)期被水淹沒(méi)的地段,一般水深在2m以內(nèi)。植物組成以浮水植物、挺水植物以及部分沉水植物為主,一般以挺水植物為建群種。1.2水岸帶的生態(tài)功能水岸帶位于水陸過(guò)渡地帶,受水生生態(tài)系統(tǒng)和陸地生態(tài)系統(tǒng)的共同影響,形成了獨(dú)特的生境類(lèi)型,其具體表現(xiàn)在:動(dòng)植物區(qū)系不同,生物多樣性高;土壤以沖積土壤為主,土壤比較深厚;pH較高;土壤長(zhǎng)期處于厭氧與好氧交替的環(huán)境中,強(qiáng)烈積累有機(jī)物質(zhì)并且分解緩慢,故有機(jī)質(zhì)豐富;具有多種多樣的適應(yīng)淹水或土壤飽和條件的動(dòng)物和植物,缺乏不耐水淹的植物。水岸帶應(yīng)該是一個(gè)包括岸生植被、動(dòng)物和微生物及其環(huán)境組成的完整生態(tài)系統(tǒng),水岸生態(tài)系統(tǒng)具有水域與陸地的雙重屬性。發(fā)育良好的水岸帶具有一定的結(jié)構(gòu),在自然條件下,這種結(jié)構(gòu)的分布常呈現(xiàn)與水邊相平行的帶狀。其微地貌常以“水體-沼澤帶-洲灘帶-低濕地帶-陸地”結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。其植被依當(dāng)?shù)氐臍夂颉⑼寥?、坡度以及水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度和水文特點(diǎn)各異。有的水岸帶因受人類(lèi)活動(dòng)的長(zhǎng)期影響,其微景觀不再具有平行層次而主要受地下水位高低的影響表現(xiàn)出不同的結(jié)構(gòu)。水岸生態(tài)系統(tǒng)的作用與功能,在20世紀(jì)70年代以后,得到生態(tài)學(xué)者的廣泛關(guān)注。主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面:(1)連接陸地生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)的紐帶,是陸地和水體之間能量、物質(zhì)、信息交換的通道;(2)岸坡植被具有護(hù)岸功能;(3)一定寬度的水岸生態(tài)系統(tǒng),可以過(guò)濾、滲透、吸收、滯留和沉積流向水體的有機(jī)物和無(wú)機(jī)物,使進(jìn)入地表和地下水的徑流污染物毒性減弱或污染程度降低,提高水體的水質(zhì);(4)岸坡植被為河流水體生物提供養(yǎng)分和能量;(5)水岸生態(tài)系統(tǒng)具有豐富的動(dòng)植物資源,是許多動(dòng)物(特別是兩棲類(lèi))和鳥(niǎo)類(lèi)的棲息地。2海岸生態(tài)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀2.1水岸帶功能到20世紀(jì)50年代國(guó)際上才真正將水岸作為生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行研究,Odum在生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)理論的基礎(chǔ)上,研究了生態(tài)系統(tǒng)食物鏈與水岸的動(dòng)態(tài)。60年代中期一些動(dòng)物學(xué)家開(kāi)始對(duì)美國(guó)Arizona河岸的鳥(niǎo)類(lèi)進(jìn)行調(diào)查研究。自1977年,在Arizona召開(kāi)的“水岸棲息地的保護(hù)、管理和重要性”以及在Georgia召開(kāi)的“全國(guó)沖積平原濕地及其他河溪生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)經(jīng)營(yíng)對(duì)策”學(xué)術(shù)討論會(huì)以來(lái),特別是Vannote等提出河溪連續(xù)系概念,使水岸生態(tài)系統(tǒng)的研究進(jìn)入了一個(gè)新的階段。2003年,Michael等論述了水-陸交錯(cuò)帶的作用和功能。張建春等將水岸帶功能概括為廊道功能、緩沖帶功能和護(hù)岸功能。由于水岸生態(tài)系統(tǒng)與流水或地表水相鄰,他們是一類(lèi)具有高地下水位的生態(tài)系統(tǒng),有明顯不同的植被和土壤特性。對(duì)于水岸帶功能的研究也應(yīng)主要從植被和土壤兩方面進(jìn)行。水岸帶生態(tài)環(huán)境的突出特點(diǎn)是水分多,土壤肥力較高,空氣濕度也較高。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于水岸帶土壤特性的研究較少,尚處于起步階段。張興正等通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江口北支潮灘沉積物-水界面無(wú)機(jī)氮的交換通量及季節(jié)變化研究發(fā)現(xiàn),濱岸地區(qū)的沉積物對(duì)水體中的氮有良好的去除能力,是水體中硝氮、氨氮的匯;同時(shí)由于河口濱岸生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)脆弱的并且處于動(dòng)態(tài)變化的系統(tǒng),隨著外界條件的變化,河口沉積物—水界面的物質(zhì)交換會(huì)受到很大的影響,有可能從營(yíng)養(yǎng)鹽的匯轉(zhuǎn)化為營(yíng)養(yǎng)鹽的源,對(duì)水體造成二次污染。水岸生態(tài)系統(tǒng)也是河流、湖泊或水塘生態(tài)系統(tǒng)的組成部分,一個(gè)完整的水岸生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)該包括一定寬度的完整植被結(jié)構(gòu)。岸坡植被是陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)的活動(dòng)邊界,是環(huán)境活力和變化的敏感標(biāo)志。岸坡植被在形成河流物理和生物特性的過(guò)程中起著重要的作用。陳吉泉認(rèn)為岸坡植被能夠提供物種源和棲息地,形成微氣候,是水體中粗木質(zhì)碎屑和養(yǎng)分能量的來(lái)源,過(guò)濾、調(diào)節(jié)由陸地流向水體的有機(jī)物和無(wú)機(jī)物,同時(shí)還具有景觀廊道功能。水岸植被保護(hù)帶(由草地過(guò)濾帶、林木保護(hù)帶和河道邊緣區(qū)三部分組成)能夠有效地限制富含磷的沉積物和富含可溶解磷的地下水進(jìn)入河道。王超等通過(guò)對(duì)江蘇如泰運(yùn)河農(nóng)村段和城區(qū)段的對(duì)比觀測(cè),發(fā)現(xiàn)河道兩岸蘆葦對(duì)氨氮具有很強(qiáng)的吸附和截流作用,城區(qū)護(hù)坡工程破壞了河道兩岸濕地,對(duì)水生態(tài)環(huán)境造成負(fù)面影響。徐德福等的研究表明濕地植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中氮、磷的吸收量與其生物量呈顯著正相關(guān)。有關(guān)水岸緩沖植被帶對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染防治的研究已有不少報(bào)道,農(nóng)田林網(wǎng)及溝渠林帶在面源污染控制中起著較為重要的作用。當(dāng)?shù)乇硭畯霓r(nóng)田流向水體時(shí),林帶一方面對(duì)地表徑流起到滯緩作用,調(diào)節(jié)入河洪峰流量,另一方面能有效地減少地表和地下徑流中固體顆粒和養(yǎng)分含量。張建春等的研究結(jié)果表明,位于農(nóng)田與河流間50m寬的植被能減少進(jìn)入河流89%的氮和80%的磷;一個(gè)寬10m的植被緩沖帶可以通過(guò)固定表面土壤而減少95%磷的流失;不管是天然的還是人工的河岸森林和濕地,都可以通過(guò)一些微生物過(guò)程(如反硝化反應(yīng)),使幾乎100%的硝酸鹽在這里被去除或轉(zhuǎn)化。2.2生態(tài)護(hù)坡研究瑞士、德國(guó)于20世紀(jì)80年代末就已提出了“自然型護(hù)岸”技術(shù),日本在20世紀(jì)90年代初提出“多自然型河道治理”技術(shù),并且在生態(tài)型護(hù)坡結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了實(shí)踐。目前,在美國(guó)以及歐洲一些國(guó)家較為常用的技術(shù)是“土壤生物工程”護(hù)岸技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)從最原始的柴木枝條防護(hù)措施發(fā)展而來(lái),經(jīng)過(guò)多年的研究,現(xiàn)已形成一套完整的理論體系和施工方法,并得到了廣泛應(yīng)用。張誼認(rèn)為在駁岸的處理上應(yīng)該鼓勵(lì)采用軟式穩(wěn)定法代替鋼筋混凝土和石砌擋土墻的硬式駁岸,即推廣生態(tài)駁岸;提出根據(jù)不同的河道斷面可選擇自然原型駁岸、自然型駁岸及臺(tái)階式人工自然駁岸。而夏繼紅等認(rèn)為生態(tài)護(hù)坡不僅僅包括植物,首先是護(hù)坡,其次是生態(tài);提出了生態(tài)護(hù)坡的設(shè)計(jì)原則,即水力穩(wěn)定性原則和生態(tài)原則。季永興等在吸取國(guó)內(nèi)外有關(guān)城市河道整治和其他領(lǐng)域生態(tài)護(hù)坡經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,提出在河道護(hù)坡結(jié)構(gòu)中使用發(fā)達(dá)根系固土植物、土工材料復(fù)合種植基、植被型生態(tài)混凝土、水泥生態(tài)種植基、土壤固化劑等生態(tài)護(hù)坡方法。目前國(guó)內(nèi)生態(tài)型護(hù)岸技術(shù)綜合起來(lái)可歸納為兩類(lèi):一類(lèi)是單純利用植物護(hù)岸,另一類(lèi)是植物護(hù)岸與工程措施相結(jié)合的護(hù)岸技術(shù)。胡海泓在廣西漓江治理工程中提出了籠石擋墻、網(wǎng)籠墊塊護(hù)坡、復(fù)合植被護(hù)坡等生態(tài)型護(hù)岸技術(shù)。在引灤入唐工程中,陳海波提出網(wǎng)格反濾生物組合護(hù)坡技術(shù)。王準(zhǔn)針對(duì)上海的立地條件,把河岸綠化根據(jù)岸體的自然斜坡或垂直駁墻形式,分為坡岸與直岸等設(shè)計(jì)形式,并予以分析、提煉,提出多種護(hù)岸技術(shù)。俞孔堅(jiān)等在廣東中山岐江公園的湖岸設(shè)計(jì)中使用了一種親水生態(tài)護(hù)岸設(shè)計(jì)——棧橋式生態(tài)親水湖岸,實(shí)現(xiàn)了在水位變化較大的情況下,仍然具有親近人、生態(tài)和美的效果。2.3水岸帶生態(tài)恢復(fù)與重建的理論研究水岸生態(tài)系統(tǒng)退化的根本原因在于水利工程設(shè)計(jì)上。基于牛頓力學(xué)而形成的以“還原論”思想為基礎(chǔ)的工程技術(shù)體系,其核心是工程結(jié)構(gòu)的安全性及耐久性,材料主要是施工性好、耐久性強(qiáng)的混凝土或鋼筋混凝土;缺點(diǎn)在于沒(méi)有考慮人工構(gòu)造物對(duì)生物及其生態(tài)環(huán)境的影響,其必然導(dǎo)致水體的生態(tài)作用越來(lái)越小、水質(zhì)惡化、生境的喪失或被阻斷、物種減少等水生生態(tài)系統(tǒng)的退化。因此,退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與恢復(fù)生態(tài)學(xué)已成為國(guó)際生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。退化水岸生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建的理論基礎(chǔ)是恢復(fù)生態(tài)學(xué),即根據(jù)生態(tài)學(xué)原理,通過(guò)一定的生物、生態(tài)工程的技術(shù)與方法,依據(jù)人為設(shè)定的目標(biāo),使水岸生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和生態(tài)學(xué)潛力盡可能的恢復(fù)到原有的或更高的水平。國(guó)外對(duì)退化水岸生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建的研究發(fā)展很快。1999年加拿大學(xué)者StewartRood應(yīng)用生態(tài)生理學(xué)原理和選擇白楊樹(shù)種,通過(guò)3個(gè)河壩放水控制試驗(yàn),成功地恢復(fù)了美國(guó)內(nèi)華達(dá)州Truckee河的河岸帶灘地生態(tài)系統(tǒng);1996年完成的美國(guó)南達(dá)科他州Foster河岸帶生態(tài)恢復(fù)和示范工程,通過(guò)大量疏浚河岸帶灘地和河道泥沙,不僅闡述了河岸帶植物恢復(fù)的機(jī)理,而且驗(yàn)證了河岸帶植被恢復(fù)和數(shù)量增加可以使河流水質(zhì)得到改善,河溪灘地動(dòng)植物生境得到恢復(fù),生物多樣性增加,河道和河岸穩(wěn)定性增強(qiáng),流水的侵蝕和沉積作用降低;1998年開(kāi)始的美國(guó)佛羅里達(dá)州南部的Kissimmee河生態(tài)恢復(fù)工程,計(jì)劃在今后15年內(nèi)恢復(fù)長(zhǎng)70km的河道和11000hm2的濕地生態(tài)系統(tǒng)。此外,國(guó)外大量的水岸生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和重建實(shí)驗(yàn)研究工作主要是通過(guò)利用恢復(fù)和重建后的岸坡植被對(duì)水陸生態(tài)系統(tǒng)間的物流、能流、信息流和生物流起到廊道(Corridor)、過(guò)濾器(Filter)和屏障(Barrier)作用的功能,進(jìn)行水土污染治理,控制水土流失,保護(hù)水岸,增加動(dòng)植物物種種源,提高生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力,調(diào)節(jié)微氣候和美化環(huán)境等;Chrislopher等研究了美國(guó)佐治亞州東部受核電站排出的熱水和淤泥影響的Savannah河的河岸帶退化生態(tài)系統(tǒng),通過(guò)植樹(shù)造林恢復(fù)了河岸帶生態(tài)系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究尚處于起步階段,并且多集中在理論方面的研究。董哲仁首先提出了“生態(tài)水工學(xué)”的工程理念,認(rèn)為水工學(xué)應(yīng)吸收、融合生態(tài)學(xué)的理論,建立和發(fā)展生態(tài)水工學(xué),在滿足人們對(duì)水的各種不同需求的同時(shí),還應(yīng)滿足水生生態(tài)系統(tǒng)完整性、依存性的要求,恢復(fù)與建設(shè)潔凈的水環(huán)境,實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧。張建春等根據(jù)水岸帶的構(gòu)成和生態(tài)系統(tǒng)特征,將水岸帶的生態(tài)重建概括為生物重建、緩沖帶生境重建和生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能恢復(fù)3個(gè)部分。而楊海軍等也提出退化水岸生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的主要內(nèi)容應(yīng)包括適于生物生存的生境綴塊構(gòu)建研究、適于生物生存的生態(tài)修復(fù)材料研究以及水岸生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)過(guò)程中自組織機(jī)理研究。此外,張建春等通過(guò)水岸帶理論和實(shí)踐研究,進(jìn)一步證實(shí)了水岸帶植物,特別是植物多樣性和優(yōu)化組合是退化水岸帶恢復(fù)與重建的關(guān)鍵。而顏昌宙等認(rèn)為水位的漲幅變化和水質(zhì)條件是水岸帶最重要的決定因素,它不僅影響水岸帶生態(tài)環(huán)境的理化性質(zhì),而且也是最終選擇水岸濕地生物群落的主要因素之一。因此,在對(duì)水岸帶進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)與重建時(shí),除考慮土壤、植被、生物的恢復(fù)外,還應(yīng)考慮水位和水質(zhì)條件的恢復(fù)?？梢哉f(shuō),水質(zhì)條件恢復(fù)和水位的漲幅變化是影響水岸帶生態(tài)恢復(fù)與重建成敗的關(guān)鍵因素。目前在城市水岸帶生態(tài)恢復(fù)的設(shè)計(jì)中,開(kāi)始較多地運(yùn)用景觀生態(tài)學(xué)的原理。劉永等就提出城市湖濱帶濕地生態(tài)恢復(fù)和景觀建設(shè)應(yīng)以人工濕地技術(shù)為核心,結(jié)合水利工程技術(shù)和園林景觀技術(shù),恢復(fù)湖濱帶的自然條件和植物類(lèi)型,形成以濕地為主的濱水景觀,主要由濕地位置和面積的確定、濕地基質(zhì)恢復(fù)、水流系統(tǒng)配置及植物選擇和群落配置4部分組成。有關(guān)實(shí)踐方面的研究工作國(guó)內(nèi)開(kāi)展得較少。趙亞楠等研究了作為退化河岸帶生態(tài)修復(fù)材料——蘆葦幼苗的快速繁殖技術(shù),可以減少對(duì)蘆葦原生地的破壞,并且能夠快速、大量繁殖蘆葦幼苗,為成功開(kāi)發(fā)植物相容型混凝土河岸生態(tài)修復(fù)材料奠定了重要基礎(chǔ)。侯長(zhǎng)定通過(guò)實(shí)地調(diào)查和資料收集,就普遍關(guān)注的工程必要性和可行性問(wèn)題進(jìn)行全面分析后認(rèn)為,對(duì)云南玉溪撫仙湖湖濱帶進(jìn)行生態(tài)治理可以消除湖濱帶內(nèi)部的污染,構(gòu)筑起湖泊攔截凈化面源的天然屏障。朱季文等對(duì)太湖湖濱帶的生態(tài)建設(shè)提出了建議,即采用恢復(fù)與重建湖濱濕地植被、恢復(fù)與重建湖濱帶入湖河道沿岸與河口植被、實(shí)施農(nóng)業(yè)生態(tài)工程與水土保持工程等措施,通過(guò)綜合治理,將湖濱帶建設(shè)成為太湖的污染防護(hù)帶。黃川等針對(duì)三峽庫(kù)區(qū)湖濱帶的特殊情況,認(rèn)為最好的選擇是以植被工程為主土石工程為輔的規(guī)模性治理,實(shí)現(xiàn)庫(kù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與重建。張建春等對(duì)安徽潛山縣潛水退化河岸帶灘地進(jìn)行了近6年的生態(tài)恢復(fù)與重建試驗(yàn),研究證明通過(guò)施加優(yōu)化的人為生態(tài)工程措施,可明顯縮短重建時(shí)間,迅速提高土壤肥力,改善河岸帶下墊面的微生態(tài)環(huán)境,增加生物多樣性,使原本貧瘠荒蕪的河岸帶灘地在短短的5～6a內(nèi)演替為由喬、灌、草組成的河岸帶植物群落。而顏昌宙在云南洱海湖濱帶近3年的生態(tài)恢復(fù)與重建試驗(yàn)的生態(tài)調(diào)查結(jié)果表明,試驗(yàn)區(qū)水生植被得到恢復(fù),水質(zhì)凈化作用明顯,藻類(lèi)得到抑制,浮游動(dòng)物的構(gòu)成和數(shù)量發(fā)生變化,湖濱濕地生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性和穩(wěn)定性增加。3水岸生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的理論依據(jù)和實(shí)踐探索水岸生態(tài)系統(tǒng)的研究在我國(guó)還處于定性研究、概念分析的層次,比較深入的研究還很少有報(bào)道。因此,如何通過(guò)一些深入和定量的研究,探討水岸生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn),了解水岸生態(tài)系統(tǒng)的生物學(xué)(如土壤呼吸、土壤微生物生物量等)與生態(tài)學(xué)(如土壤C、N、P等的礦化、硝化與反硝化)過(guò)程的規(guī)律性,分析土壤污染狀況和污染類(lèi)型,了解水岸生態(tài)系統(tǒng)的植被組成和群落特征,探索退化水岸