香根草在生態(tài)水利工程中的應(yīng)用

劉尚蔚，何大川，2

(1.華北水利水電學(xué)院，河南鄭州450011;2.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局，北京100038)

香根草，因其根部幽香而得名，被譽(yù)為神奇之草.其根系特別發(fā)達(dá)，是保持結(jié)構(gòu)工程的“綠色鋼筋”，是凈化環(huán)境的“過濾器”.香根草是無性繁殖，生長期可達(dá)幾十年甚至上百年.水利工程岸坡的常規(guī)治理措施多采用混凝土或漿砌塊石護(hù)坡，這種護(hù)坡形式切斷了水陸之間的生態(tài)交換，岸棲生物基本不能生長.同時(shí)，固化的硬質(zhì)景觀不能演化為自然景觀且不具備良好的生態(tài)功能.因此，采用常規(guī)固坡方法和植物相結(jié)合的復(fù)合固坡措施，充分利用香根草發(fā)達(dá)的根系形成復(fù)合加固體，將松散的土體固定，使岸坡水分和養(yǎng)分相互交流，充分過濾污染水體中的重金屬，并使岸棲生物具備適宜的棲息條件，為人工營造岸坡水體中的濕地水生植物群落，培育完善的水體生態(tài)系統(tǒng)建立了良好基礎(chǔ).

香根草是我國20世紀(jì)80年代末從國外引進(jìn)的植物［1］，目前已有160多個(gè)國家推廣應(yīng)用，應(yīng)用技術(shù)日臻成熟.利用香根草進(jìn)行水土保持、防治農(nóng)業(yè)面源污染、處理生活垃圾及污水、凈化水質(zhì)、保護(hù)河岸堤壩邊坡、建設(shè)生態(tài)水利等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

1 香根草的特點(diǎn)

1.1 香根草的生物特點(diǎn)

香根草是多年生植物，當(dāng)年即可迅速形成濃密而持久的綠籬，經(jīng)久不衰.香根草葉片尖利，根部含有巖蘭草醇(香精)，散發(fā)香氣，可以驅(qū)除白蟻、鼠類、蛇類及其他各種害蟲.香根草沒有根莖和匍匐莖，因此，沒有成為雜草之虞，更沒有成為有害物種.其分蘗節(jié)埋在地下，即使牲畜過度啃食或者偶遇火災(zāi)，也不致死亡.一次栽種多年收益，而且只需極少的維護(hù).

香根草既是一種旱生植物，又是一種水生植物，適應(yīng)生存范圍廣，可在年降雨量200～6 000 mm，溫度范圍在－9～55℃的環(huán)境下生長，在我國南方能夠成長，而且在南、北方交界地帶的河南省南陽市也成功種植并應(yīng)用于工程中.

1.2 香根草的工程特點(diǎn)

香根草發(fā)達(dá)的根系，通過抗張力、摩擦力和粘附作用等［2］，對(duì)土壤發(fā)揮鋼筋似的增強(qiáng)作用.對(duì)有根系和無根系的土壤同時(shí)測定其剪切力，測量結(jié)果表明，香根草發(fā)達(dá)的根系和根間土壤共同形成了復(fù)合作用體系，明顯增大了土壤的剪切強(qiáng)度.

只有確定香根草根系的抗張強(qiáng)度，才能有效地評(píng)價(jià)香根草的岸坡穩(wěn)定作用.因?yàn)?，植物根系在土壤剖面中下扎穿過潛在剪切面時(shí)，剪切面的畸變會(huì)對(duì)根系產(chǎn)生張力，此張力相對(duì)剪切面的正切分量對(duì)剪切力施加直接的阻抗，而直交分量則對(duì)剪切力平面產(chǎn)生限制性壓力.

為了確定根系的抗張強(qiáng)度，選取堤壩斜坡上生長的草齡為2 a的香根草植株中熟根的樣本(供試的樣本保持新鮮，采樣時(shí)間與測試時(shí)間間隔，最長不得超過2 h，供試的根無分枝，長約15～20 cm).試樣一頭用一個(gè)木夾子與一臺(tái)懸掛的彈簧秤相連，垂直向下，另一頭固定在一個(gè)拉手上，將拉手下拉，直到試樣根斷開為止，讀出根斷的最大負(fù)荷數(shù).根的抗張強(qiáng)度定義為:草根最終張力與草根截面積(根皮強(qiáng)度忽略不計(jì))之比.當(dāng)草根直徑范圍為0.2～2.2 mm時(shí)，香根草草根的抗張強(qiáng)度約為40～120 MPa;當(dāng)草根直徑范圍為0.7～0.8 mm時(shí)，抗張強(qiáng)度約為75 MPa，該抗張強(qiáng)度約相當(dāng)于一般鋼材極限抗張強(qiáng)度的1/6.與許多硬木樹種相比，香根草根系的抗張強(qiáng)度非常高，盡管在0.7～0.8 mm徑級(jí)上，一些硬木根的抗張強(qiáng)度比香根草草根的平均抗張強(qiáng)度高，但硬木根的平均抗張強(qiáng)度卻比較低，見表1.

表1 植物的抗張強(qiáng)度

另外，由于地表下香根草根系密度大，數(shù)量多，每1單位草根密度的剪切強(qiáng)度增加量(即6～10 kPa/(kg·m3)土壤)比樹木(3.2～3.7 kPa/(kg·m3)土壤)大很多.

香根草不僅能在陡坡(大于60°)上垂直迅速生長，而且能增強(qiáng)土壤的抗蝕力.所以，它在眾多植物中脫穎而出，成為護(hù)坡植物.此外，香根草的根穿扎力很強(qiáng)，能在土壤礫石之間穿透，能穿透巖層，但這一性質(zhì)尚未為人熟知.事實(shí)上，香根草草根在土深2～3 m范圍內(nèi)，猶如是一個(gè)“活”的土壤鉚釘，起到穩(wěn)定斜坡的作用.

香根草的莖稈直立挺拔，株高2 m左右，形成的綠籬可以經(jīng)受得住較大徑流的沖刷，并能有效地降低徑流流速，據(jù)統(tǒng)計(jì)可以攔截60%的徑流和90%的泥沙.香根草具有強(qiáng)大而堅(jiān)韌的須根系，其纖維狀根非常堅(jiān)韌，可以穿入3～5 m的土壤深處.網(wǎng)狀的須根系能夠把土壤緊緊固定起來，其堅(jiān)固程度可以與鋼筋混凝土相媲美［3］，可以有效防止土壤開裂和山體滑坡.

香根草具有耐旱、耐淹的優(yōu)點(diǎn).因此，它是綠化坑塘周邊和水庫水位變動(dòng)區(qū)的理想植物.

1.3 香根草在凈化環(huán)境中的特點(diǎn)

夏漢平等研究了香根草、百喜草、水花生、水葫蘆4種植物在垃圾滲濾液培養(yǎng)下的反應(yīng).試驗(yàn)用垃圾滲濾液采集于廣州李坑垃圾填埋場滲濾液凈化處理站，用于實(shí)驗(yàn)的2種滲濾液分別取于該站處理系統(tǒng)的入口與出口，入口處的為高濃度滲濾液(HCL)，從垃圾堆填區(qū)流出未經(jīng)處理;出口的為低濃度滲濾液(LCL)，已經(jīng)過處理站的物理凈化處理.在HCL中，COD、總氮(TN)、氨氮(N-NH4)、總磷(TP)、Cl－含量很高，見表2，為工業(yè)廢水最大允許排放標(biāo)準(zhǔn)和農(nóng)業(yè)用水標(biāo)準(zhǔn)的幾倍到十幾倍;經(jīng)該站凈化處理后，上述因子在LCL中，仍超過排放標(biāo)準(zhǔn).

表2 廣州李坑垃圾滲濾液處理站2種滲濾液的水質(zhì)及經(jīng)該站的凈化率 g/L(pH值除外)

香根草、百喜草采自華南植物所苗圃，水花生、水葫蘆來自溝渠和池塘.這4種草都有快速生長、大生物量、稍微或較強(qiáng)的耐性等特點(diǎn).該研究結(jié)果表明:

a.水葫蘆在HCL和LCL 2種污水中均受毒害致死;百喜草在HCL中不能存活，在LCL中受嚴(yán)重傷害;水花生在HCL中受較重傷害，但在LCL形成龐大的生物體，這可能是污水的“富營養(yǎng)化”所致;香根草在2種污水中亦受傷害，但其受害癥狀在4種植物中最輕.

b.在凈化 LCL方面，水花生總體上優(yōu)于香根草，尤其在 TP和NO3-N(硝氮)凈化方面;但是在HCL中，被觀測的7個(gè)水質(zhì)指標(biāo)中，香根草的凈化均優(yōu)于水花生，其中N—NH4被凈化效率最高，為77%～91%，此外，香根草對(duì)磷也有較強(qiáng)的凈化率(＞74%).

c.廣州李坑垃圾填埋場滲濾液含高濃度的污染物，未達(dá)排放標(biāo)準(zhǔn)，滲濾液具較強(qiáng)的植物毒性，可能對(duì)植物及周圍環(huán)境有損害，因而需要進(jìn)一步凈化.香根草和水花生可分別用于凈化高濃度和低濃度的滲濾液.

d.香根草能夠高效吸收污染水中的氮、磷、汞、鎘、鉛等元素［4］，消除水的富營養(yǎng)化，凈化水質(zhì)，是生物凈化水質(zhì)的理想植物.

香根草對(duì)農(nóng)作物有保護(hù)作用，但不會(huì)與農(nóng)作物發(fā)生競爭和產(chǎn)生負(fù)面影響，相反，它能使臨近的農(nóng)作物增產(chǎn).在坡地上種植香根草綠籬，使降水的有效性提高40%，攔截的泥沙幾年后使坡地自然成梯，減少了坡改梯的用工和由此造成的新的水土流失.在梯田土埂上和石壩梯田邊上種植香根草綠籬，可以避免田埂土壩被沖垮.

香根草綠籬建造成本低、技術(shù)簡易，生物護(hù)坡成本低于混凝土護(hù)坡費(fèi)用的1/10.若不再需要綠籬，將其鏟除的方法簡單且花費(fèi)極小.

2 香根草在水利工程中的應(yīng)用

基于香根草的特性和現(xiàn)代水利建設(shè)的生態(tài)理念，水利工程治理將逐步走向生態(tài)治理的方向.沿河堤、庫區(qū)大范圍種植香根草，不僅使水利樞紐的景區(qū)更加靚麗，具有生機(jī)，而且有利于改善庫區(qū)的生態(tài)環(huán)境，充分體現(xiàn)人、水、環(huán)境的和諧.香根草在生態(tài)水利方面的優(yōu)勢如圖1所示.

圖1 香根草在生態(tài)水利方面的優(yōu)勢

a.大壩背水坡和迎水坡的防護(hù).大壩背水坡每1 m坡面沿水平線栽植1行綠籬，穴距15 cm;迎水坡在護(hù)坡砌石的石縫里栽植香根草，可使坡面更加堅(jiān)固，如圖2所示.

b.水庫水位變動(dòng)區(qū)的綠化.在水庫水位變動(dòng)區(qū)，沿等高線種植 5～50行香根草綠籬［5］，行距1 m，可改善水庫邊“光禿禿”的面貌，綠化環(huán)境.而且能夠凈化水庫的水質(zhì)，有效地防止水庫外的垃圾流入庫區(qū)，污染水質(zhì).

c.穩(wěn)定河堤和運(yùn)河的邊坡.沿著河流的走向，從河流的水邊到岸上，遵循種植等高的原則，依次栽植數(shù)行至數(shù)十行的香根草綠籬，能夠減輕或治理侵蝕，防止山坡淺層物質(zhì)流失.在高度風(fēng)化的土壤條件下，香根草可以取代“硬的”或“非活性的”工程方法，是穩(wěn)定河床、護(hù)堤、護(hù)岸的有效治理措施.

d.沖溝的治理.無論是山區(qū)丘陵或平原，都存在著因徑流而引起的侵蝕沖溝，由微溝逐漸成為中溝、大溝.對(duì)于沖溝的治理可以采用種植香根草的方法來改變沖溝的侵蝕，在沖溝方向垂直栽植香根草綠籬，可以使沖溝的侵蝕逐漸穩(wěn)定下來.如果等高密植，有半年多的時(shí)間就能形成致密的草籬帶;在坡度為15% ～42%的坡地上，種植香根草草籬后，可減少土壤侵蝕 90%［6］.

圖2 香根草護(hù)堤和固坡

e.保護(hù)灌溉渠道.在渠內(nèi)側(cè)兩邊都種上香根草，能夠有效地保護(hù)水渠不受侵蝕.改變傳統(tǒng)的采用混凝土、鋼筋混凝土、干砌塊石、漿砌塊石等“硬”手段來治理邊坡，而采用植物方法(綠色或“軟”方法)來治理渠道邊坡，具有顯著的生態(tài)效益.

f.小流域治理.利用香根草強(qiáng)大的水土保持和防污治污功能，可以廣泛用于小流域的清潔治理，包括生活污水、面源污染及垃圾場等的治理，使水土不再流失，使小流域流出的水達(dá)到清潔標(biāo)準(zhǔn).

g.垃圾場、采石場、尾礦、沙灘的治理.香根草適應(yīng)性很強(qiáng)，對(duì)其生長的介質(zhì)條件適應(yīng)范圍很寬，在pH值3.0～8.5之間的重酸、強(qiáng)堿、鹽堿度大以及磁性異常的地方均能生長.對(duì)土壤中的鋁、錳、砷、鎬、鉻、鎳、鉛、汞、銫、鋅含量容限范圍很寬.在沙地、頁巖地、礫石地亦能生長.

3 結(jié)語

香根草莖稈挺拔、葉茂叢生、氣味清香并具有很強(qiáng)的吸收CO2的能力.不僅可以凈化空氣、美化環(huán)境，而且成本低廉，種植、施工簡易.在岸坡、河堤、庫區(qū)的治理過程中，采用常規(guī)工程措施與香根草生態(tài)植物相匹配的軟硬結(jié)合的復(fù)合治理固坡措施，既保留了已有常規(guī)工程方法的優(yōu)點(diǎn)，又吸收了綠色植物的優(yōu)勢，有利于改善岸坡、河堤、庫區(qū)的自然環(huán)境，具有顯著的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益.不僅體現(xiàn)了人、水、環(huán)境三者的和諧，而且為生態(tài)水利工程的發(fā)展，提供了可行、有效的途徑，對(duì)實(shí)現(xiàn)工程治理的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

［1］中國科學(xué)院中國植物志編輯委員會(huì).中國植物志［M］.北京:科學(xué)出版社，1997.

［2］周德培，張俊云.植物護(hù)坡工程技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［3］夏漢平.關(guān)于香根草及其資源和利用研究［J］.國內(nèi)外畜牧學(xué)，1998，81(2):1 －4.

［4］夏漢平.香根草和水花生對(duì)垃圾污水中N、P、Cl的吸收效果［J］.植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2000，24(5):613 －616.

［5］夏漢平.50年代中國開展的有關(guān)香根草繁殖與栽培管理試驗(yàn)［J］.熱帶作物科技，1997(5):23－26.

［6］劉金祥.一種優(yōu)良水土保持植物—巖蘭草［J］.世界沙漠研究，1989(3):48.