緩解集中流影響的植被緩沖帶優(yōu)化策略探討

楊 淵

王天星

蔡心怡

江明艷*

河岸植被緩沖帶，簡(jiǎn)稱“植被緩沖帶”(Vegetation Buffer Strip，VBS)，也被稱為“植被過濾帶”[1]“河岸緩沖區(qū)”[2]，是位于污染源與水體(河流、河道及溪流等)之間的植被種植(林地、灌木叢、草坪地被)區(qū)域，具有污染物截留、保護(hù)水質(zhì)、保護(hù)生物多樣性等生態(tài)功能。迄今為止，學(xué)術(shù)界關(guān)于VBS的研究主要集中在其防止農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的作用[3]、地形特征[4-5]、植被環(huán)境[6-7]、土壤特征[8]、水文環(huán)境[9]以及研究模型[10]等方面。

一些特殊的水文條件，如集中流[11]、沖蝕水溝[8]等在VBS中出現(xiàn)并頻繁發(fā)生，大大削弱甚至完全抵消VBS的截污凈化效應(yīng)[12-14]。目前，關(guān)于這類特殊水文條件對(duì)VBS功能效應(yīng)的影響研究還處于實(shí)地調(diào)研階段[7，8，15]，對(duì)緩解特殊水文條件影響的技術(shù)措施研究也只進(jìn)行了少數(shù)探索性實(shí)驗(yàn)[16-17]。本文在歸納總結(jié)集中流的概念、形成及其對(duì)VBS影響的基礎(chǔ)上，針對(duì)性地提出了緩解集中流影響的VBS優(yōu)化策略，對(duì)VBS前端、中端、末端適用的各項(xiàng)工程技術(shù)措施進(jìn)行量化研究，以期為完善VBS營(yíng)建技術(shù)體系提供參考。

1 集中流對(duì)植被緩沖帶的影響

1.1 集中流的概念與形成

“Concentrated Flow Path”(CFP)譯為“集中流”[7，11，12]，是指隨著時(shí)間的推移，在植被緩沖帶內(nèi)部或相鄰區(qū)域，由泥沙沉積形成的階地所滯留的地表徑流在階地海拔最低點(diǎn)突破之后所形成的相對(duì)狹窄且流速較快、流量較大的地表徑流形式，國(guó)內(nèi)有學(xué)者將其稱為“股流”[12，18]。CFP是水文、地形、土壤、降雨、植被環(huán)境和人為活動(dòng)等多方面因素共同作用的結(jié)果，使其形成的直接原因是沉積物堆積形成的階地[12]以及地表徑流量的增加。

表1 緩解集中流影響的植被緩沖帶優(yōu)化策略

表2 植被緩沖帶前端散流結(jié)構(gòu)的技術(shù)要點(diǎn)

1.2 集中流對(duì)植被緩沖帶的影響

CFP對(duì)VBS的影響主要表現(xiàn)在2個(gè)方面。首先是CFP上升的流速、流量和水位對(duì)VBS自身環(huán)境的侵蝕與破壞作用[12]，這是CFP負(fù)面影響的直接體現(xiàn)。CFP作為一種特殊的水文條件，其存在直接反映出VBS水文條件的變化；同時(shí)，與一般的層片流相比，CFP對(duì)VBS表層土壤和植被的沖刷作用更加明顯[13]，這會(huì)導(dǎo)致VBS土壤結(jié)構(gòu)與植被環(huán)境惡化[7]，并隨著時(shí)間的積累改變VBS的地形特征，例如形成侵蝕水溝[6]或更陡的坡度等。其次是VBS自身環(huán)境的惡化會(huì)減弱甚至完全抵消其生態(tài)效應(yīng)[6-7]，這是CFP負(fù)面影響的間接體現(xiàn)。VBS生態(tài)效應(yīng)的發(fā)揮受到水文、地形、土壤及植被等多重因素及各因素之間相互作用的影響；而CFP的發(fā)生被認(rèn)為是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)退化的標(biāo)志[13]，這意味著區(qū)域內(nèi)水文條件[19]、土壤結(jié)構(gòu)[20]、地形特征[21-22]或植被環(huán)境[23]等已經(jīng)出現(xiàn)變化甚至惡化現(xiàn)象，這會(huì)嚴(yán)重阻礙VBS生態(tài)效應(yīng)的發(fā)揮。

2 緩解集中流影響的植被緩沖帶優(yōu)化策略

VBS優(yōu)化策略旨在緩解CFP的侵蝕和恢復(fù)被破壞的生態(tài)環(huán)境，因此緩解措施有3個(gè)切入點(diǎn)：減速分流、滲透吸收和固土凈化。以此為指導(dǎo)原則，將植被類型與配置、河岸地形(坡度和寬度)、駁岸處理等作為主要因素，從VBS的前端、中端、末端3個(gè)空間層次上構(gòu)建一套完整的VBS優(yōu)化策略(表1)。

圖1 草地過濾帶結(jié)構(gòu)示意

圖2 梢捆結(jié)構(gòu)示意

圖3 灌木樹籬結(jié)構(gòu)示意

圖4 石頭堰結(jié)構(gòu)示意

3 植被緩沖帶前端散流結(jié)構(gòu)的設(shè)置

目前已有基于實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)的分析指出，在VBS前端設(shè)置草地或濕地能夠有效緩解CFP帶來的風(fēng)險(xiǎn)[7，25]，植物過濾帶或緩沖屏障對(duì)VBS的環(huán)境和生態(tài)效應(yīng)具有防護(hù)作用[11，16]，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)也證實(shí)植物散流帶能夠分散CFP并減輕CF P 的侵蝕效應(yīng)[18]。但是，目前相關(guān)研究均停留在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和實(shí)驗(yàn)分析階段，各種技術(shù)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的指標(biāo)參數(shù)尚不明確。

表3 植被緩沖帶中端滲透系統(tǒng)優(yōu)化的技術(shù)要點(diǎn)

本文通過對(duì)相關(guān)研究成果的梳理與整合，提出VBS“前端散流結(jié)構(gòu)”，即在靠近地表徑流輸入?yún)^(qū)域一端以植物或土石為主要材料、通過一定的結(jié)構(gòu)與布局形成若干緩沖空間，提高地表粗糙度或形成緩沖屏障，對(duì)流經(jīng)VBS的CFP產(chǎn)生“減速分流”[26]效應(yīng)，起到保護(hù)地表土層、降低產(chǎn)流量、緩沖侵蝕以及初步攔截凈化等作用。前端部分整體寬度3.0～18.0m，可針對(duì)不同環(huán)境條件采用4種散流結(jié)構(gòu)，即草地過濾帶、梢捆、灌木樹籬和石頭堰，具體技術(shù)要點(diǎn)見表2。

圖5 不同土質(zhì)的植物選型示意：(a)黏土植物選型；(b)壤土植物選型；(c)砂土植物選型

圖6 微盆地結(jié)構(gòu)示意

圖7 梯級(jí)地形結(jié)構(gòu)示意

4 植被緩沖帶中端滲透系統(tǒng)的優(yōu)化

本文在綜合考慮植被環(huán)境(覆蓋度、根系[31]、莖干密度和枯枝落葉等)、土壤特征(土壤質(zhì)地、滲透率、土層厚度等)、地形條件(坡度、寬度等)等因素的前提下，以“延長(zhǎng)接觸時(shí)間、擴(kuò)大接觸面積、促進(jìn)滲透吸收”為原則，借鑒前人對(duì)根系作用[32-33]和土壤侵蝕治理技術(shù)[34-36]的研究成果，從根系的土壤改良作用、植被的防侵蝕作用和寬度效應(yīng)等方面出發(fā)，提出VBS“中端滲透系統(tǒng)”，通過不同土質(zhì)條件下的植物選型與河岸微地形的塑造，最大化地發(fā)揮VBS對(duì)CFP的滲透與吸收效應(yīng)。中端部分整體寬度5.0～30.0m，可針對(duì)不同環(huán)境條件采用5種空間優(yōu)化措施，即黏土、壤土和砂土條件下的植物選型、微盆地和梯級(jí)地形的塑造，具體技術(shù)要點(diǎn)見表3。對(duì)VBS中端結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究目前幾乎空白，鮮有可借鑒的技術(shù)參數(shù)，因此文中所提出的優(yōu)化技術(shù)尚存在一定的局限性。

5 植被緩沖帶末端駁岸形式的改造

目前關(guān)于生態(tài)護(hù)坡技術(shù)[29，42-44]和土壤生物工程技術(shù)[45-47]的研究已證實(shí)它們具有污染控制和駁岸保護(hù)的功能，但是與之相對(duì)應(yīng)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、地形和植物配置等參數(shù)尚不明確。本文通過對(duì)各種駁岸營(yíng)建技術(shù)的整合，以“截污凈化”和“穩(wěn)固河岸”為主要原則，提出VBS“末端駁岸形式”，以植物作為主要材料，充分考慮生態(tài)系統(tǒng)的自我修復(fù)能力。末端部分整體寬度2.0～12.0m，可針對(duì)不同環(huán)境條件采用“草本+灌木”型、“活枝柴籠+灌叢墊”型和“植物+石塊”型3種生態(tài)駁岸結(jié)構(gòu)形式，具體技術(shù)要點(diǎn)見表4。

表4 植被緩沖帶末端駁岸形式改造的技術(shù)要點(diǎn)

6 討論與展望

本文在綜合前人相關(guān)理論與實(shí)驗(yàn)研究成果的基礎(chǔ)上，從CFP對(duì)VBS的負(fù)面影響出發(fā)，從前端、中端和末端3個(gè)空間層次上提出針對(duì)性的VBS優(yōu)化策略。由于研究條件與時(shí)間的限制，目前還未在特定的場(chǎng)地中進(jìn)行相應(yīng)的VBS優(yōu)化效應(yīng)測(cè)試。因此文中提出的VBS優(yōu)化技術(shù)結(jié)構(gòu)還處于示意階段，未根據(jù)某一特定的環(huán)境條件和優(yōu)化目標(biāo)給出具有對(duì)照意義的自然植被參照系、優(yōu)化前的植被現(xiàn)狀、優(yōu)化后的植被配置方案，以及VBS優(yōu)化前后截污凈化效果的數(shù)據(jù)對(duì)比分析。后續(xù)研究可在本文提出的VBS優(yōu)化策略的基礎(chǔ)上，針對(duì)性地進(jìn)行某種特定環(huán)境的VBS優(yōu)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化效應(yīng)測(cè)試，以進(jìn)一步論證和完善VBS優(yōu)化策略。

CFP的形成是水文、地形、土壤、降雨、植被環(huán)境和人為活動(dòng)等多方面因素共同作用的結(jié)果，其中部分因素在不同環(huán)境中具有很大差異，難以在未確定具體場(chǎng)地的背景下全面考慮。因此，文中VBS優(yōu)化策略是基于地形和植被環(huán)境2個(gè)可控因素，以及理化特征相對(duì)固定的土壤因素提出的，對(duì)于水文、降雨、人為活動(dòng)等不確定因素的考慮不足。后續(xù)研究可針對(duì)某種特定環(huán)境，結(jié)合文中提出的VBS優(yōu)化策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，測(cè)試不同水文、降雨、人為活動(dòng)條件下VBS優(yōu)化策略的功能效應(yīng)，進(jìn)一步提升其科學(xué)性和適應(yīng)性。

后續(xù)研究還應(yīng)關(guān)注VBS作為河岸景觀的重要組成部分所應(yīng)體現(xiàn)的景觀美學(xué)價(jià)值(如駁岸和植被空間的美化、內(nèi)部景觀與微地形的結(jié)合等)，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)代生活需求挖掘其潛在價(jià)值(如園藝、康養(yǎng)等)，實(shí)現(xiàn)其生態(tài)、景觀與生活價(jià)值的和諧統(tǒng)一。

注：文中圖1～7由王天星繪制，圖8～10由楊淵繪制。

圖8 “草本+灌木”型結(jié)構(gòu)示意

圖9 “活枝柴籠+灌叢墊”型結(jié)構(gòu)示意

圖10 “植物+石塊”型結(jié)構(gòu)示意