河岸帶植被對河流生態(tài)功能影響研究進展

胡 彬，翟文靜，趙警衛(wèi)

(中國礦業(yè)大學藝術與設計學院，江蘇 徐州 221116)

河岸帶植被對河流生態(tài)功能影響研究進展

胡 彬，翟文靜，趙警衛(wèi)

(中國礦業(yè)大學藝術與設計學院，江蘇 徐州 221116)

綜述了河岸帶植被的遮蔭作用，廊道效應，截污效應，及外來生物入侵等對河流生態(tài)功能影響的相關研究成果。結果表明，河岸帶植被的遮蔭可以影響河水的化學過程和生物過程；河岸帶植被在地域景觀中還起著重要的廊道功能，對生物多樣性保護有重要意義；河岸帶植被對于控制面源污染，過濾污染物，保護水質(zhì)起著緩沖作用。外來生物入侵對河岸帶植被生態(tài)功能造成了較大的負面影響，消除河岸帶中入侵生物的不利影響，恢復河岸帶植被是一項刻不容緩的任務。

河岸帶植被；河流；生態(tài)功能；生態(tài)恢復

河岸帶研究開始于20世紀70年代。Naiman等[1]將河岸帶定義為：水陸之間的過渡帶，其范圍是從河流水體邊緣到陸生群落的邊界。夏繼紅等[2]認為：河岸帶是一個完整的生態(tài)系統(tǒng)，除了河水的影響區(qū)域和河岸植物外，還應包括動物和微生物，并且河岸帶生態(tài)系統(tǒng)具有動態(tài)性。河岸帶植被作為河岸生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，對于河流的生態(tài)功能具有重要影響[3]。當前國內(nèi)外關于河岸帶植被對于生態(tài)功能的影響研究主要集中在：①河岸帶植被遮蔭的生態(tài)效應；②對水陸生態(tài)系統(tǒng)間的物流、能流、信息流和生物流的廊道效應；③保護生物多樣性的功能；④截污效應；⑤保護河岸，調(diào)節(jié)微氣候和美化環(huán)境的功效。同時河岸帶植被的恢復和重建研究也成為近年河岸帶植被研究的熱點。生態(tài)功能與人類的自身利益密切相關，人類在環(huán)境方面的努力其最終的目的就是要獲得某種生態(tài)功能，因此本文以河岸帶植被的生態(tài)功能為研究對象，總結國內(nèi)外相關研究成果，期望能為我國河岸帶的研究提供參考。

1 河岸帶植被遮蔭對河流生態(tài)功能的影響

河岸帶植被對河流水體的遮蔭主要在影響水溫和入射光的強度[4]2個方面影響河流生態(tài)系統(tǒng)，水溫的降低既可以影響水體的化學過程，也可以影響水體的生物過程。較低的水溫一方面增加了水中溶解氧的含量，另一方面降低了水生動物的活性，從而降低了水中氧氣被耗盡的風險，增強了河流的自凈能力；同時植被對河流的遮蔭也可大大緩解水體熱污染所帶來的不利影響[5]。Boothroyd等[6]觀察表明，當把河岸帶的植被砍伐后，河水溫度就明顯增高，對普通魚類和無脊椎動物的多樣性有著重要影響。能夠入射到水體中的光量對于藻類和水生植物的生長往往都是一個限制因素，植被對入射光的攔截很可能是水生附著生物生物量大小的決定因素[7]。因此，河岸帶植被的遮蔭效應能顯著地影響中小河流的水體質(zhì)量，尤其對于那些在夏季深受藻類爆發(fā)之害的河流更是如此。Andrea Ghermandi等[8]對位于比利時的奈特(Nete)河一段長為19.5 km的河道研究后得出，河道遮蔭可使浮游性藻類的生產(chǎn)量減少44.9%。

植被遮蔭對河流水溫和光照的影響程度與以下幾個因素有關：①河流的寬度，一般來講遮蔭對于寬度在5 m以下的河流的影響比較明顯，而對于寬度超過10 m的河流作用則很??；②河岸帶植被本身的特性，如植被類型、樹冠的高度、植被的寬度、樹葉的密度等；③地理和氣候特點(太陽高度角、太陽輻射強度、河流方向)以及水體自身的理化特征[6]。Hill等[9]研究認為，對于小河流，發(fā)育良好的河岸帶植被可以遮擋95%的入射光，使得僅有5%的入射光可以到達水面。Caissie等[10]在加拿大的研究表明，河岸帶可以遮擋一條9 m寬河流的55%的入射光，而對于寬為80 m的河流，這一數(shù)字減少為8%。針對植被遮蔭對河水的降溫作用的定量化研究方面，Quinn等[11]在新西蘭的研究認為，對于小型河流，遮蔭的降溫范圍是4～10 ℃；在對加拿大的一條人工河流遮蔭的研究中，Johnson[12]認為降溫范圍是4～5 ℃；Binkley等[13]在北美把一條河流的河岸帶的一段全部清除了植被，測定的結果是，這段河流的水溫較仍保留植被的河段的水溫增高了2～6 ℃。

2 河岸帶植被的廊道效應

河岸帶是在一個地區(qū)的景觀格局中起著廊道作用的景觀元素。河岸帶的廊道效應主要表現(xiàn)在：保護生物多樣性，促使相鄰地區(qū)之間物質(zhì)和能量的交換，為該地區(qū)物種提供安全地帶或其他資源，為生物提供分散和遷移的路徑，而其中河岸帶廊道的生物多樣性保護功能顯得最為重要。廊道通?？梢赃B接由于人類干擾而造成的破碎生境，而生境的破碎化是造成物種滅絕的原因之一，對生物多樣性造成了嚴重威脅；廊道有利于生物在生境間的遷移，從而減少了局域種群滅絕的偶然性，同時廊道也是一些生物的棲息繁殖地，生存有大量的生物物種[14]，如Nilsson[15]在其研究報告中稱，僅僅在瑞典境內(nèi)的一條河的河岸帶廊道中就擁有瑞典維管植物的13%，雷平等[16]在武夷山自然保護區(qū)調(diào)查了3條河流的河岸帶植被，結果表明：3條河流河岸帶上分布的維管植物種類在科級水平上占武夷山保護區(qū)總維管束植物的41.5%，在屬級水平上占其18.0%，在種級水平上占其11.9%。

河岸帶廊道的寬度、植被類型、內(nèi)部生境條件以及位置都會對廊道功能的發(fā)揮造成影響，其中寬度是影響廊道效應的最重要因素[17-19]。很多學者認為，較寬的河岸帶廊道更加有利于生物的遷移，相對來講，較寬的河岸帶廊道具有較高的生境多樣性，能夠滿足更多生物的需求[19]。關于河岸帶廊道的寬度，Howell等[20]對霍克斯布里·尼皮恩(Hawkesbury-Nepean)河的建議是每邊50 m。顯而易見，河岸帶廊道的寬度應根據(jù)河流自身寬度和管理目標的不同而變化。如果要減少水土流失和河岸侵蝕，植被的寬度應達到臨近河漫灘的地方[21]。然而Frank等[22]的研究認為，河岸帶寬度對動物物種豐富度的影響并不顯著，動物物種豐富度與河岸帶距陸地森林的距離有較強的相關度，在構建河岸帶植被時，不但要考慮構建的寬度，還應注意內(nèi)部生境的復雜性。

3 對截污的影響

隨著經(jīng)濟發(fā)展和人口增加，世界范圍內(nèi)水體污染日趨嚴重，已經(jīng)成為限制經(jīng)濟社會發(fā)展和威脅人類健康的重大環(huán)境問題。從形式上，一般把水體污染分為點源污染和面源污染。在發(fā)展中國家，面源污染已經(jīng)成為惡化河流生態(tài)的重要原因之一，并且相對來講，點源污染比較容易控制和治理，而要控制面源污染就要困難得多[23-24]，居于水陸交界處的河岸帶植被被認為是行之有效的控制水體面源污染的重要方法[25]。針對河岸帶截污功能的研究以對氮素的截留研究最多，其次為對磷和固體顆粒物的截留。大多數(shù)研究認為，通過反硝化作用、植物吸收和化學吸附作用，河岸帶可以過濾掉大量的氮元素，從而大大減少輸入到河流中的氮素[26-28]。磷的凈化機制有：通過土壤和沉淀物吸附、植物吸收、微生物吸收等，其中最主要的是在地表徑流中通過吸附在土壤顆粒和沉淀物中實現(xiàn)的[29-30]。固體顆粒物的去除主要在于河岸帶植被攔截降雨，減少地表徑流量，同時減緩水流，使得固體顆粒物在河岸帶上得到沉積[31]。

河岸帶的氮、磷、固體顆粒物的截流轉化效率受植被類型、緩沖帶寬度以及植被年齡等因素的影響。為期2 a的研究證明，森林河岸帶對N的截留要比純草本河岸帶大得多，但是對草本植物進行定時收割可大大提高草本緩沖帶對N的過濾效果[32]。Osborn等[33]認為森林河岸帶對N的截留要比純草本河岸帶大的原因在于：①森林河岸帶具有較多的可利用態(tài)有機碳，使得反硝化作用更為強烈；②森林植被根系分布范圍更廣，加大了植物吸收范圍。而Syversen[34]的研究認為森林河岸帶和草本河岸帶對于N、P的過濾效率沒有顯著區(qū)別，而森林河岸帶對于顆粒狀污染物的過濾效果遠高于草本河岸帶。

在河岸帶寬度對氮、磷、固體顆粒物的攔截效果也有重要影響，一般認為，河岸帶越寬，污染物截留轉化效率越高。Daniels等[35]在美國弗吉尼亞州的研究發(fā)現(xiàn)，9.1 m寬的草地河岸帶可消除84%的懸浮顆粒物，當寬度減小到4.6 m時，懸浮顆粒物消除率則為70%，地表徑流中總氮截留轉化率從73%減少到54%。Vought等[36]研究發(fā)現(xiàn)，河岸帶寬度由8 m增加到16 m時，地表徑流中硝態(tài)氮清除率由20%增加到50%。Syversen[34]的研究表明，10 m寬的河岸植被帶對污染物的過濾效果要高于5 m寬的河岸植被帶，但單位面積的過濾效率卻是5 m寬的河岸植被帶的高。

4 外來植物入侵對河流生態(tài)功能的影響

大家普遍認為，外來植物入侵對全球生態(tài)將會造成嚴重影響，這些影響包括：鄉(xiāng)土植物的大量減少，改變了自然干擾的規(guī)律，富營養(yǎng)化，增加水分的散失以及對于傳粉昆蟲的競爭等。河岸帶一般位于低海拔地區(qū)，再加上頻繁的人類干擾，使得河岸帶成為極易受到外來植物入侵的生態(tài)系統(tǒng)[37]。河岸帶生態(tài)系統(tǒng)的退化往往伴隨著原始植被的退化和大量外來物種的入侵。外來植物入侵可以改變河岸帶的功能，是造成河岸帶退化的重要原因之一。入侵植物主要依靠其繁殖優(yōu)勢、強大的擴張能力以及對環(huán)境的適應能力，來獲得對鄉(xiāng)土種的競爭優(yōu)勢或者占據(jù)河岸帶鄉(xiāng)土種不能利用的生態(tài)位[38]。外來植物由于其對水肥強大的競爭力，往往比鄉(xiāng)土植物有更快的生長率，從而也可產(chǎn)生更多的枯枝落葉，較厚的枯枝落葉層可抑制一些植物幼苗的生長，大大減少了地被植物的覆蓋率[39]。

人類的干擾是造成外來植物入侵的主要原因，人類為了某一特定的利益而對河流進行工程處理，破壞了河岸帶的原生植被，從而給外來生物入侵提供了機會。例如水利工程的建設改變了河流的水文過程，消除了河流的周期性洪水，使得洪水對河岸土壤中鹽分的沖刷、稀釋作用大為降低，土壤中鹽分的不斷提高改變了河岸帶的立地條件，使得鄉(xiāng)土植物逐漸消失，而一些耐鹽性的外來植物定居繁衍。外來入侵植物還可能減少一些干旱地區(qū)的河水流量，從而降低了河水位[40]。外來植物入侵對河流生態(tài)造成的不良影響還有：改變了野生動物的棲息地，造成野生動物種類和數(shù)量的大幅減少；加劇河岸帶的侵蝕；降低河道的行洪能力、降低土地的生產(chǎn)力[41-42]。Anne-Marie Truscott等[43]在對英國蘇格蘭地區(qū)迪河(River Dee)的一條支流的植被入侵研究中，對比研究了3種不同處理(被入侵的地塊、被入侵但去除入侵植物的地塊、沒有被入侵的地塊)的植物物種豐富度變化情況，結果表明，在處理前，植物種類平均數(shù)分別為12.5、12.1、15.6種，在處理60 d后，其植物種類分別為11.5、14.6、14.9種，在處理120 d后，其植物種類分別為11.2、16.4、15.6種。被入侵的地塊與沒有被入侵地塊的植物種類在120 d的試驗期數(shù)量變化不大，但沒有被入侵地塊的種類數(shù)量顯著高于被入侵地塊，而在把入侵植物去除后，植物的種類就顯著增加。因此，清除外來入侵植物成了河流生態(tài)恢復的一個重要環(huán)節(jié)。

對于外來入侵植物，在傳統(tǒng)方法去除無效的情況下，可采用生物防治的方法，這種方法可以大規(guī)模地清除入侵生物。不過有的學者認為，外來植物入侵是多種原因造成的，其中由于人類干擾造成水流條件的變化是重要的原因之一，在沒能恢復原有的水流條件的情況下，盲目地清除入侵植被，可能造成河岸帶植被的破壞。據(jù)在南非的研究[44]，在清除了河岸帶的入侵植物后，一部分河岸帶的植被基本恢復到了被入侵前的狀態(tài)，但也有一些河岸帶，原生植被恢復困難，不但造成新的外來植物入侵，而且還造成了較為嚴重的水土流失。對于大范圍內(nèi)的鄉(xiāng)土植物的恢復，人們希望依靠自然的力量，以便減少費用[45]，然而對于那些外來植物密度很高，存在時間較長，在清除外來植物后，僅靠自然的力量鄉(xiāng)土植物已不能恢復的地區(qū)來講，就需要利用人工加強植被管理，調(diào)整河流水文特征，以幫助鄉(xiāng)土植被的恢復[46]。

5 河岸帶植被恢復研究

在過去的一個多世紀里，人類為了特定的利益在河流上修建了大量的水利工程，深刻改變了河流的水文特征，這些變化直接或間接地改變了河岸帶植被的生存環(huán)境，導致植被的退化和植被類型的改變[47]，再加上人類對河岸帶的植物直接砍伐和對河岸帶土地的占用，已使全球20%的河岸帶植被消失，剩余部分仍在迅速消失之中[48]。植被的消失必然導致生活在河岸帶內(nèi)部的動物種類的減少甚至消亡。所謂河岸帶植被恢復，是指通過生物、工程、管理等手段，恢復植被的結構、種類組成和生態(tài)功能。Hobbs等[49]認為，對于河岸帶植被的恢復應根據(jù)特定的目標，重新構建系統(tǒng)的功能，而不是恢復到原始狀態(tài)，這既不可能，也無必要。許多研究者認為，在進行生態(tài)恢復時，應優(yōu)先考慮河岸帶植被的自然恢復[50]。因此，在進行生態(tài)恢復前首先應明確在干擾行為排除后，河岸帶是否能夠自然恢復，當自然恢復無法達到預期目標時，再采取針對性的措施和主動的恢復方法。在尺度上，河岸帶植被的恢復應在流域尺度上進行考慮，否則成功恢復的幾率就會變小，如Stromberg[51]對美國西南地區(qū)的河岸帶生態(tài)恢復工程總結分析時發(fā)現(xiàn)：20世紀90年代初在美國西南地區(qū)，河岸帶恢復就是簡單地種植三葉楊(Populusfremontii)，而缺乏從流域尺度上思考，最終沒有達到恢復的目的。

選擇合適植物種類是植被恢復的前提條件，過去人們常常選擇一些外來植物種類應用到河岸帶植被恢復中，從而造成這些植物的成活率不高。為了選擇適生的鄉(xiāng)土植物種類，最有效的方法就是對河岸帶殘存自然生長的植物進行全面調(diào)查。在植被調(diào)查中，可能會發(fā)現(xiàn)一些經(jīng)過多年的考驗仍然生長良好的植物，但在應用時還必須考慮到剛栽植的小苗，其抗洪水沖刷能力較低，即使在發(fā)生較小洪水時，也有被沖走的危險，還要考慮到泥沙淤積的影響，盡量選擇那些抗侵蝕能力和抗泥沙淤埋能力較強的植物種類。同時，掌握河流自身的排洪能力以及洪水發(fā)生的頻率也是非常有必要的。在空間形態(tài)上，應根據(jù)河岸帶各部分的立地條件，種植不同的植物種類；在時間序列上，應根據(jù)各植物不同的生理生態(tài)特性，考慮植物間的搭配，如速生與慢生、長壽命與短壽命等，既考慮短期的效果，又著眼于長期利益[52]。在國外，楊屬(PopulusSpp)和柳屬(SalixSpp)的植物一般被認為是河岸帶植被恢復的先鋒樹種，能快速成林[53]，而國內(nèi)的研究則認為：蘆葦(Phragmitescommunis)[54]、大雀稗(Paspalumgiganteum)、彎葉畫眉草(Eragrostiscurvula)和香根草(Vetiveriazizanioides)[55]為理想的河岸帶植物。

6 存在問題與研究展望

6.1 存在問題

由于河岸帶植被具有生態(tài)、經(jīng)濟、社會和景觀等多種功能，目前已成為生態(tài)學、水利工程、水文學等學科研究的熱點。但就研究現(xiàn)狀來看，依然存在許多不足之處：①目前的現(xiàn)實情況是河岸帶植被依然在快速地退化和消失，學界對于如何處理經(jīng)濟發(fā)展、河岸帶植被保護之間的關系還沒有形成一套行之有效的技術方法；②在尺度上，多數(shù)研究依然以微觀與中觀為主，針對景觀尺度和流域尺度的研究成果缺乏，這就為河岸帶植被的規(guī)劃和管理帶來障礙；③河岸帶植被景觀空間鑲嵌格局、不同尺度下物種多樣性與植被格局動態(tài)及影響因素等研究不夠深入，植被動態(tài)演替機制與其生態(tài)功能發(fā)揮的長期定位研究較少；④不同種類河岸帶植物的形態(tài)和生理生態(tài)水文效應機理與不同尺度下植物群落的水文、生態(tài)過程及耦合機制研究不夠系統(tǒng)，缺乏多尺度耦合下的植被水文生態(tài)效應，以及多種尺度下的轉換機制；⑤理論研究與工程實踐脫節(jié)現(xiàn)象嚴重，現(xiàn)有的研究還是以現(xiàn)存的河岸帶植被為主，對于可設計的河岸帶植被的多種情景的生態(tài)效應的研究還未見報道，而這方面的研究對于河岸帶植被恢復和重建的工程實踐具有直接的指導意義。

6.2 研究展望

依據(jù)以上分析，筆者認為在今后針對河岸帶植被的研究中，應重點在如下幾個方面開展研究。

1)在河流水文特征受到人類修建水利工程等的嚴重干擾，并已發(fā)生巨大改變的情況下，河岸帶植被的演替和發(fā)展方向。河岸帶與河流水體構成了一個完整的生態(tài)系統(tǒng)，彼此相互影響，而當前不受人類影響的河流很少，因此研究人工影響條件下的河岸帶自然植被的演替和發(fā)展更具現(xiàn)實意義，可以為河岸帶植被的管理和恢復提供理論依據(jù)。

2)人類所賦予的某種特定功能對河岸帶植被生態(tài)功能的影響。在人口稠密的農(nóng)村地區(qū)，河岸帶植被往往被賦予一定的物質(zhì)生產(chǎn)功能，如在我國的東部地區(qū)很多河岸帶具有木材生產(chǎn)的功能，而在城市地區(qū)河岸帶多被建設為城市綠地的一部分，承擔著休閑、娛樂和審美的功能。理清這些特定功能的建立將會對其生態(tài)功能產(chǎn)生什么樣的影響，對于河岸帶的使用具有指導意義。

3)與一個地區(qū)的土地利用情況、經(jīng)濟發(fā)展水平、自然環(huán)境條件相適應的河岸帶植被管理對策。河岸帶植被的保護、管理和利用不單單是一個科學問題，同時還是一個社會問題，尤其在我國，河岸帶植被被破壞的主要原因在于與經(jīng)濟發(fā)展的矛盾(生態(tài)用地與經(jīng)濟用地之間的矛盾)。研究在河岸帶植被保護和社會經(jīng)濟的可承受度以及與當?shù)刈匀画h(huán)境條件之間獲得某種平衡的策略是當務之急。

4)利用3S技術和現(xiàn)代空間分析技術，在流域尺度上開展河岸帶植被的人地關系及其時空動態(tài)變化研究，特別加強人類活動對河岸帶植被的影響研究。

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Progresses in Researches on the Influence of Riparian Vegetation on River Ecological Functions

HU Bin，ZAI Wen-jing，ZHAO Jing-wei

(SchoolofArtsandDesign，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou221116，Jiangsu，China)

This article summarizes the influences of shading，corridor effect and buffering pollution of riparian vegetation as well as alien plants′ invasion on river′s ecological functions based on a review of related findings.The main results indicate that the shade of riparian vegetation influences chemical and biological processes of river；riparian vegetation in al landscape plays a role of corridor which promotes biodiversity conservation；at the same time riparian vegetation is a buffer belt in controlling non-point pollution，contributing to protect water quality；invasion of alien plants puts a huge negative impact on the ecological functions of riparian vegetation，accordingly，it is an urgent task to eliminate the adverse effects of alien invasion，and continuously restore riparian vegetation.

riparian vegetation；rivers；ecological functions；ecological restoration

2014-09-25；

2014-11-10

中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助(2014wx02)

胡彬(1981—)，女，江蘇徐州人，中國礦業(yè)大學藝術與設計學院講師，碩士，從事城市景觀和生態(tài)規(guī)劃研究。E-mail：852683076@qq.com。

10.13428/j.cnki.fjlk.2015.03.049

S718.57；X171.4

A

1002-7351(2015)03-0233-07