向家壩水電站工程擾動(dòng)邊坡生態(tài)修復(fù)人工調(diào)控研究

侯燕梅，許文年，2，夏振堯，2，周正軍

(1.太原市建筑設(shè)計(jì)研究院巖土所，山西太原 030002;2.三峽大學(xué)三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心，湖北宜昌 443002)

在水電站建設(shè)過(guò)程中，時(shí)常伴隨著因工程建設(shè)擾動(dòng)而形成的大量裸露邊坡，這些邊坡坡面的植物種類單一、覆蓋度低、表層土壤易碎落和滑塌，容易引起局部水土流失和物種退化等生態(tài)問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)這種狀況研究出了一系列植被恢復(fù)技術(shù)，如植被混凝土生態(tài)護(hù)坡技術(shù)(VCT)、厚層基材植被護(hù)坡技術(shù)(TBS)等。這些技術(shù)的應(yīng)用不僅能夠改善工程擾動(dòng)區(qū)的水土流失狀況，使受損的生態(tài)環(huán)境得到恢復(fù)，而且還能有效改善擾動(dòng)區(qū)的景觀效果，因此得到了廣泛的應(yīng)用［1-2］。但是，關(guān)于這些技術(shù)的應(yīng)用效果，目前還沒(méi)有建立一個(gè)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)體系來(lái)進(jìn)行比較和綜合分析，同時(shí)對(duì)于植被群落建立后存在的問(wèn)題也沒(méi)有提出相關(guān)的調(diào)控建議［3］。筆者針對(duì)生態(tài)恢復(fù)后的邊坡進(jìn)行分析并提出一些修復(fù)邊坡的人工調(diào)控方法，在此基礎(chǔ)上又結(jié)合向家壩水電站生態(tài)修復(fù)TBS示范樣地進(jìn)行研究，以期為加快擾動(dòng)邊坡植被恢復(fù)及演替提供新的思路和方法。

1 生態(tài)工程調(diào)控技術(shù)

1.1 擾動(dòng)邊坡生態(tài)修復(fù)存在的問(wèn)題

目前，在工程邊坡進(jìn)行植被恢復(fù)，考慮較多的是修復(fù)基材在擾動(dòng)坡體上的穩(wěn)定性、先鋒物種對(duì)修復(fù)基材的適應(yīng)性等問(wèn)題。植被群落建立后，缺乏有針對(duì)性的調(diào)控建議，各坡面植被群落獨(dú)自正向或逆向演替，邊坡生態(tài)工程完全呈現(xiàn)“自由”狀態(tài)，不利于實(shí)現(xiàn)恢復(fù)“自然”的目標(biāo)［3］。當(dāng)前工程擾動(dòng)邊坡生態(tài)修復(fù)存在的問(wèn)題主要有生境構(gòu)筑不合理等(表1)。

1.2 調(diào)控理論基礎(chǔ)

調(diào)控的目的是通過(guò)各種手段使生態(tài)工程實(shí)現(xiàn)良好的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。生態(tài)工程技術(shù)調(diào)控通常是指通過(guò)對(duì)現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)中的某個(gè)環(huán)節(jié)或某幾個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行擴(kuò)大、縮小、置換、添加或功能變換以及對(duì)其所處的生態(tài)經(jīng)濟(jì)環(huán)境進(jìn)行適當(dāng)?shù)母淖?，最終達(dá)到不斷提高生態(tài)工程整體效益的目的。由于生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)穩(wěn)定既受自然規(guī)律的支配，又受社會(huì)經(jīng)濟(jì)規(guī)律的調(diào)節(jié)，因此生態(tài)工程的調(diào)控是以自然調(diào)控與人工調(diào)控相結(jié)合為基礎(chǔ)的。

表1 擾動(dòng)邊坡生態(tài)修復(fù)存在的問(wèn)題

1.2.1 自然調(diào)控原理［4-5］

生態(tài)系統(tǒng)在自然發(fā)展過(guò)程中有趨于穩(wěn)定的性能，即具有受到干擾后能維持穩(wěn)定并恢復(fù)到原態(tài)的能力，這被稱為穩(wěn)態(tài)調(diào)控。穩(wěn)態(tài)調(diào)控不僅受到多種機(jī)制的作用，而且在基因、酶、細(xì)胞、組織、個(gè)體、種群甚至群落中均有豐富的表現(xiàn)形式。穩(wěn)態(tài)調(diào)控中最主要的環(huán)節(jié)是內(nèi)部的反饋機(jī)制，即系統(tǒng)的輸出成分被回送，重新成為同一系統(tǒng)的輸入成分，成為同一系統(tǒng)輸入的控制信息。

1.2.2 人工調(diào)控原理

人工調(diào)控是指按人的需求目的，在系統(tǒng)內(nèi)采取同自然調(diào)節(jié)產(chǎn)生互補(bǔ)作用的調(diào)控措施。通過(guò)對(duì)被破壞的生態(tài)系統(tǒng)實(shí)施人工設(shè)計(jì)，以人為主導(dǎo)，在人與自然共同創(chuàng)造原則的指導(dǎo)下，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修補(bǔ)和完善，以達(dá)到修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的目的。人工調(diào)控是自然調(diào)節(jié)的補(bǔ)充、調(diào)整和增強(qiáng)，目的是使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能達(dá)到最優(yōu)化。因此，在生態(tài)工程的設(shè)計(jì)建設(shè)與技術(shù)調(diào)控中必須以自然生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)機(jī)制為基礎(chǔ)，人工調(diào)控必須與系統(tǒng)內(nèi)部的自然調(diào)控相結(jié)合。

1.3 人工調(diào)控

人工調(diào)控的目的是使植物群落在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到自我維持、自我調(diào)控、自我繁殖的穩(wěn)定健康狀態(tài)，為群落演替提供良好的環(huán)境，以達(dá)到盡快恢復(fù)系統(tǒng)生態(tài)功能的目的。雖然植被群落自身具備演替功能，但從實(shí)際出發(fā)，在工程擾動(dòng)區(qū)僅依靠群落自身的作用難以達(dá)到人類對(duì)邊坡生態(tài)工程的應(yīng)用要求。因此，要達(dá)到盡快恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的目的，僅通過(guò)單次的人工建植遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，尤其是對(duì)已經(jīng)完成的邊坡生態(tài)工程，采取相應(yīng)的人工調(diào)控措施是必要的步驟。通常，將人工調(diào)控分為生物環(huán)境調(diào)控、生物調(diào)控、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)調(diào)控、輸入與輸出調(diào)控、復(fù)合調(diào)控［4-9］(表2)。

表2 人工調(diào)控概述和方式

2 工程實(shí)例

2.1 研究區(qū)概況

工程實(shí)例是向家壩水電站新開(kāi)挖的巖面生態(tài)修復(fù)工程。向家壩水電站位于四川省宜賓縣與云南省水富縣交界處，屬金沙江流域。該區(qū)域年平均氣溫17.5℃，雨量充沛，年均降水量1 070.4 mm。巖面部分為泥巖，部分為沉積砂巖，總面積約4.5萬(wàn)m2，最高處約30 m，巖面坡度55°～78°。生態(tài)修復(fù)工程自2007年5月20日開(kāi)工，于2007年10月25日完工。

2.2 生態(tài)修復(fù)工程植被恢復(fù)情況

向家壩擾動(dòng)邊坡人工植被的建植，極大地改善了坡地生態(tài)，美化了工區(qū)的環(huán)境，對(duì)整個(gè)施工區(qū)域的水土保持也起到了良好的作用，但監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)還存在一些不足，如:①構(gòu)建的植被生境與自然群落自身的土壤環(huán)境存在不同程度的差別;②在恢復(fù)初期，人工植被群落結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，具體表現(xiàn)為垂直結(jié)構(gòu)失調(diào)(基本無(wú)喬木層)、水平結(jié)構(gòu)失穩(wěn)(水平方向植物群落均質(zhì)化)、生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)料不足(樣地中群落蓋度較低、生物量較少)等問(wèn)題。

2.3 TBS示范樣地的生態(tài)調(diào)控

2.3.1 樣地存在的問(wèn)題

生物群落垂直結(jié)構(gòu)不完善、水平結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，具體表現(xiàn)為:

(1)垂直結(jié)構(gòu)中僅有草本層，不利于群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。典型情況是紫花苜蓿占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，一方面不利于其他物種的生長(zhǎng)，另一方面若遭遇病蟲(chóng)害，則樣地內(nèi)植被群落將受到嚴(yán)重打擊。

(2)水平結(jié)構(gòu)失穩(wěn)體現(xiàn)在區(qū)域內(nèi)生物類群、景觀單元在水平方向上異質(zhì)性差。典型問(wèn)題是紫花苜蓿作為建群種重要值過(guò)高，占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位，水平方向均質(zhì)化問(wèn)題嚴(yán)重，不利于向頂級(jí)群落演替。

2.3.2 調(diào)控方案

(1)生物調(diào)控。采用間苗措施，對(duì)坡面紫花苜蓿進(jìn)行部分的直接干預(yù)甚至去除，同時(shí)撒播一定量的其他草本植物種子。通過(guò)外來(lái)物種的引入，實(shí)現(xiàn)生物與生物、生物與生境之間的協(xié)調(diào)發(fā)展。

(2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)調(diào)控。通過(guò)移栽一定數(shù)量的耐旱、耐貧瘠喬灌木幼苗，促進(jìn)樣地內(nèi)物種豐富度、多樣性、均勻度指標(biāo)的增加。①用不同種群合理組裝，建立新的復(fù)合群體，使系統(tǒng)各組分間的結(jié)構(gòu)與機(jī)能更加協(xié)調(diào)，系統(tǒng)的能量流動(dòng)、物質(zhì)循環(huán)更加合理。②通過(guò)建立合理的群落結(jié)構(gòu)和景觀單元的鑲嵌關(guān)系，形成種群與種群、種群與環(huán)境之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)資源的合理利用和種群的持續(xù)發(fā)展。

2.3.3 調(diào)控前后的數(shù)據(jù)比較

對(duì)樣地開(kāi)展監(jiān)測(cè)并現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行試驗(yàn)，主要從水土保持效益、生態(tài)效益和基材改良效益方面進(jìn)行比較分析，其中水土保持效益包括坡面最大沖刷深度、坡面侵蝕量、坡面裸露度和土壤根系干重增加率;生態(tài)效益包括第一優(yōu)勢(shì)種重要值、Gleason豐富度指數(shù)、香農(nóng)—維納多樣性指數(shù)、皮耶羅均勻度指數(shù);基材改良效益包括土壤有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀和土壤容重。調(diào)控前后的數(shù)據(jù)見(jiàn)表3—5。

表3 水土保持效益調(diào)控前后的數(shù)據(jù)

表4 生態(tài)效益調(diào)控前后的數(shù)據(jù)

表5 基材改良效益調(diào)控前后的數(shù)據(jù)

由表3可知:水土保持效應(yīng)的4個(gè)指標(biāo)都比原來(lái)有所好轉(zhuǎn)。由表4可知:生態(tài)效應(yīng)的4個(gè)指標(biāo)中除皮耶羅均勻度指數(shù)的實(shí)際數(shù)值增幅較小外，其他均有大幅度的改善。由表5可知:基材改良效應(yīng)5個(gè)指標(biāo)中除土壤容重、速效氮、速效鉀指標(biāo)的實(shí)際數(shù)值增幅較小外，土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷都增加到原來(lái)的2倍以上，其中有機(jī)質(zhì)增幅最大。

自然演替是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)到頂級(jí)群落需要較長(zhǎng)的時(shí)間。由表3—5知，在兩次現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研期間邊坡生態(tài)修復(fù)工程在水土保持、生態(tài)效應(yīng)、基材改良3個(gè)方面的各個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)改善十分明顯。說(shuō)明通過(guò)采取合理的人工調(diào)控措施對(duì)坡面群落加以干預(yù)，充分發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)和自我組織能力，能夠促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的正向演替，達(dá)到擬自然程度較高的層次，有利于邊坡生態(tài)修復(fù)工程各項(xiàng)服務(wù)功能的有效正常發(fā)揮，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

2.3.4 小結(jié)

理論上講，調(diào)控理論能解決全部的問(wèn)題，但從調(diào)控手段的角度出發(fā)則存在一定難度。由于各樣地的特殊環(huán)境決定了調(diào)控工作的復(fù)雜性，因此針對(duì)不同樣地人工植被群落演替初期不利因素的復(fù)雜特性，采取多種調(diào)控方法的組合形式進(jìn)行調(diào)控很有必要。同時(shí)，在調(diào)控中應(yīng)注意:①調(diào)控措施的選用要與周圍環(huán)境因素相結(jié)合，這樣才有利于邊坡植被群落的正向演替。②可以通過(guò)引入外來(lái)物種(如周邊環(huán)境中適于生長(zhǎng)的物種)，能有效增加邊坡植被種類。③將同樣的措施應(yīng)用于不同的邊坡可能會(huì)有不同的調(diào)控效果，因此要根據(jù)具體的邊坡情況選擇不同的調(diào)控措施。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)歸納，總結(jié)出人工調(diào)控技術(shù)包括生物環(huán)境調(diào)控、生物調(diào)控、結(jié)構(gòu)調(diào)控、輸入與輸出調(diào)控、復(fù)合調(diào)控。這些調(diào)控技術(shù)為解決擾動(dòng)邊坡人工植被群落生長(zhǎng)緩慢、演替方向不明等提供了一種新的方法和思路。

(2)對(duì)向家壩擾動(dòng)區(qū)邊坡生態(tài)修復(fù)工程的示范樣地進(jìn)行了調(diào)控試驗(yàn)研究。選取典型的TBS邊坡樣地進(jìn)行人工調(diào)控，得出結(jié)論:調(diào)控后，生態(tài)工程效應(yīng)中的水土保持效益、生態(tài)效益和基材改良效益方面代表指標(biāo)的數(shù)據(jù)均有不同程度的優(yōu)化，同時(shí)植被群落得到不同程度的改善，顯示出人工調(diào)控工作的成效。

(3)探討擾動(dòng)邊坡生態(tài)修復(fù)工程調(diào)控措施，對(duì)日后開(kāi)展類似的調(diào)控工作有一定的指導(dǎo)作用，同時(shí)更能提高生態(tài)修復(fù)的質(zhì)量。

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