土壤生物工程———边坡生态修复的新技术

土壤生物工程是一项建立在可靠的土壤工程基础上的生物工程，即采用存活植物及其他辅助材料来构筑各类边坡（山地斜坡、江河湖库堤岸、海岸坡岸等）结构，实现稳定边坡，减少水土流失和改善栖息地生境等功能的集成工程技术。利用植物稳定边坡的方法自古就有，近20年来又在欧美风靡一时，成为边坡稳定、侵蚀控制和生境修复的重要工程手段。
　　土壤生物工程的生态修复作用与效果，已经越来越为人们所认识。现代土壤生物工程要求运用生态学的原理，对实际的植物和土壤系统作出周密的考察和设计，利用植物对土壤结构的强化，对表层土壤颗粒运动的限制，以及对边坡生态系统的改善等作用，不仅能够稳定边坡和控制水土流失，还能确保边坡植被水平和垂直结构合理，生态系统演替有序和景观优美。同传统的工程技术相比，土壤生物工程的技术、生态、经济和美学优势是显而易见的。当然，土壤生物工程不能完全替代传统的工程技术，在工程实际中通常是两者联合使用、相互完善。
　　土壤生物工程的原理
　　与其他工程不同，土壤生物工程采用有生命力植物的根、茎（枝）或整体作为结构的主体元素，把它们按一定的方式、方向和排列插扦、种植或掩埋在边坡的不同位置；在植物群落生长和建群过程中加固和稳定边坡，控制水土流失和实现生态修复。
　　众多研究表明：植物能降低土壤空隙的压力，吸收土壤水分；同时植物根系能提高土壤的剪切力，增强土体的黏附力，从而使土壤结构趋于坚固和稳定。边坡植物可以截留降雨，延滞径流，调节土壤湿度，减少风力对土壤表面的影响；还可以通过拦截、蒸发蒸腾和存储等方式来促进土壤水循环，促进土壤发育和表层活土的形成，调节近地面温度和湿度以促进植物生长，提供并改善多种生境，恢复边坡的生态功能和生物多样性。
　　土壤生物工程的基本技术
　　土壤生物工程要求使用大量的可以迅速生长新根的木本植物，最常用的木本灌木和乔木是：柳、杨类、山茱萸类、或其他当地物种。除了要求迅速生根之外，用于河道坡岸的植物，特别是在水位线附近的植物还必须有良好的耐水性能。土壤生物工程的种植技术比较简单，主要有3种形式（见图）：
　　（1）单枝扦插：直接扦插能够成活并生长根系的乔灌木枝干（如柳枝条等）。其工程特点为工作量小，成本低，有广泛的适应性，经常与柴笼和灌丛垫联合使用。
　　（2）捆栽：也叫柴笼，将枝条捆扎成一束，通常按等高线水平浅埋入岸坡高水位以上的位置。其工程特点为施工简单，造型容易，多用于坡度较缓的边坡水土流失控制。柴笼生长成型后具有很好的景观效果。
　　（3）层栽：也称灌丛垫，植物枝条的结构是交互成层或成排形状，枝条组成篱笆状，既可按水平或垂直方向布置，也可按不同的角度插栽。通常与其他结构例如土工布、石笼、堆石等联合使用，其施工技术较为复杂。生长成型后，具有较强的抗侵蚀、抗冲蚀和稳固岸坡的功能，而且景观效果很好。
　　上述3种基本的种植技术和方法，从点、线、面结合起来，可以构筑各种不同类型的边坡、不同形状的坡面和不同景观效果的生态坡岸。
　　在河道生态坡岸上的应用
　　上海市环境科学研究院和华东师范大学河口海岸国家重点实验室对土壤生物工程技术和方法进行了系统的研究和开发，并于2004年初在上海市浦东新区机场镇使用土壤生物工程技术构筑生态河道的生态坡岸。示范工程表明，土壤生物工程对河道坡岸的生态系统有明显的修复和改善作用：
　　（1）植物根系对坡岸的稳定作用
　　许多研究表明，土壤的剪切力或黏结力与土壤中根系的生物量成正比关系。经过9个月的生长，坡岸土壤中植物根系新增生物量达每立方米0.12～0.34公斤（干重），大大增强了河道坡岸的稳定性。而没有采用土壤生物工程的坡岸，虽然经过疏浚和整治，但坡岸长期裸露，植被得不到恢复，造成严重的坡岸侵蚀，先前的疏浚和整治功亏一篑。
　　（2）对河道坡岸栖息地的改善
　　三次生物学调查表明，随着先锋物种杞柳群落的逐渐形成，灌丛垫下草本植物的生境得到改善，草本物种数量逐渐增加，由建设初期的3种增加到13种。坡岸的植物生态系统得到了恢复。
　　（3）减少了底栖动物对坡岸的破坏
　　底栖动物如无齿相手蟹等喜好在坡岸潮间带打洞筑巢，坡岸在潮汐的影响下很容易侵蚀剥落。采用柴笼技术的生态坡岸既保留了底栖动物的栖息地，同时也显著减少了它们对坡岸的破坏作用。统计表明，在没有柴笼保护的坡岸，坡岸潮间带的无齿相手蟹洞穴每平方米高达20个；而在种植柴笼的坡岸，坡岸潮间带的洞穴每平方米仅为2～3个，有效地保护了潮间带坡岸。
　　（4）明显改善了人居生活环境和质量
　　土壤生物工程对人类与其他生物的生活环境和质量有明显的改善作用。经过土壤生物工程和其他生物技术（例如水生植物全／半系列技术）改造过的坡岸，仅几个月的时间，先锋物种杞柳和垂柳群落、结缕草群落、挺水植物茭草和菖蒲群落等都已在坡岸长成，为其他物种（包括动物和植物）的生长创造了良好生境，而且美学效果极佳。更重要的是，用土壤生物工程建设的边坡，将随着植物群落的长成和成熟，植物根系网络的生长和扩张，边坡生态系统的完善和有序，越来越坚固和稳定；它对水土流失和土壤侵蚀的控制，对整个河道生态系统（包括陆生和水生生态系统）的影响，乃至对河流水质的改善，越来越明显和突出。
　　还值得一提的是，采样土壤生物工程建设的河道坡岸造价很低，仅为石砌驳岸的1／10；上海浦东新区机场镇生态坡岸自2004年春建成之后，除了例行的巡视之外，尚未需要其他管理费用。

在其他边坡生态修复中的应用

土壤生物工程是融现代工程学、生态学、生物学、地学、环境科学、美学等学科为一体的工程技术，为我国各类边坡（山地斜坡、江河湖库堤岸、海岸坡岸等）的侵蚀控制和生态修复提供了新的工程技术和方法。土壤生物工程方法可以在我国发达地区使用，更应当在贫困地区推广。
　　由于土壤生物工程方法简单，造价便宜，效果明显，可以大规模在我国西部、东北、西南和中原等落后地区的土壤侵蚀，水资源管理和水土保持上广泛应用。应用土壤生物工程的方法和当地的植物资源对这些地区的各类边坡（山地斜坡、江河湖库堤岸等）实现稳定加固、水土流失控制和生态修复，可在很大程度上改善这些地区的生态环境。例如西部地区有适生性较好的沙柳、柠条、沙棘等灌木，其根深枝繁叶茂，较耐干旱，且抗风护沙能力最强，在其丛下构成优良的小生态环境与土壤条件，从而形成荒漠与草原中独特的灌丛“小生境”，具有很强的复壮更新能力。我国不少湖泊水库汇水流域水土流失严重，采样土壤生物工程方法在水土流失严重的冲刷水沟、塌陷和侵蚀坡面构筑以活体植物为主体的边坡，可以有效地控制水土流失，恢复边坡的生态环境。
　　土壤生物技术在生态护坡的应用中应注意研究：（1）影响边坡稳定性的地质、地形、气候和水文条件等自然因素，以及合适的坡面加固技术；（2）不同地区和地点边坡乔灌草种的最佳组合，可能限制或促进植物工程物种存活的生物和物理因素，以建立稳定的坡面植物群落。