（草业科学专业论文）受损河岸生态系统生态恢复的效果研究.pdf

摘要 为探索受损河岸生态修复的理论与技术，本文以长春市伊通河支流受损的小河沿子 河为研究对象，采用生态工程的原理和生态化的设计方法，对受损河岸进行修复、构建。 本文从河岸植被、河岸土壤生物变化、河岸土壤理化性质、河流底栖动物、河岸侵蚀程 度等几个方面对于实验区经过4 年的恢复效果进行了分析和评价，结果表明： 1 修复构建后的实验区河岸植被恢复良好。经过4 年的演替，实验区的植被群落的 恢复效果明显优于对照区。( 1 ) 近水区构建的芦苇群落生长良好，平均株高由2 0 0 2 年 的1 2 m 增加到2 0 0 6 年的1 8 m ，覆盖率达到9 5 ；( 2 ) 实验区河岸草本植物群落的物 种数为1 5 种，比对照区多3 种。实验区的草本植被群落覆盖度高于对照区。实验区草 本植被生物量高于对照区。生物多样性和均匀度实验区较对照区有了提高；( 3 ) 实验区 河岸乔木和灌木植物群落的生长情况均好于对照区；( 4 ) 实验区构建成了较为稳定的乔 灌草的植物群落结构，郁闭度约为0 9 5 ，对照区的群落结构为乔一草，郁闭度约为o 2 5 。 2 实验区土壤微生物的数量远远高于对照区。表现出实验区内的水湿条件、土壤条 件、群落构成和生产力均要优于对照区。实验区河岸生态系统土壤微生物的数量分布较 对照区已向健康方向发展。 3 实验区的土壤动物采集到1 1 类，对照区的土壤动物采集到7 类，实验区内土壤 动物的种类、数量、生物量、均高于对照区，实验区内土壤动物群落的生物多样性、均 匀度和优势度均优于对照区。实验区内良好的土壤动物群落特征，有利于进一步改善了 土壤的物理特性和化学特性，使所构建的河岸生态系统健康的发展。 4 实验区构建的河岸生态系统的土壤恢复效应较对照区更明显，土壤的理化性质 好于对照区。( 1 ) 实验区各土层的土壤有机质含量高于对照区，平均约高出1 8 6 ； ( 2 ) 实验区各土层的土壤n 含量高于对照区，平均约高出2 1 7 。实验区各土层的土 壤p 含量高于对照区，平均约高出2 8 9 。实验区各土层的土壤k 含量高于对照区，平 均约高出3 4 1 ：( 3 ) 实验区土壤含水量高于对照区，实验区土壤容重低于对照区； ( 4 ) 实验区各土层的土壤p h 值高于对照区。实验区土壤各土层的土壤电导率高于对照 区。土壤理化性质的改善，为河岸生态系统向健康的发展提供了有利的基础， 5 实验区内底栖动物的种类、数量、多样性较未修复的对照区都有了很大的提高。 实验区内调查到底栖动物8 种，对照区调查到了4 种。实验区寡毛类在底栖动物中的比 重为5 4 ，对照区为7 7 ，较对照区有明显的下降，对照区的物理生境质量劣于实验区。 6 实验区内设计的芦苇一旱柳一紫穗槐一垂榆的群落结构已经演替为较高的植被 覆盖率和郁闭度的系统，实验区的河岸侵蚀程度低于对照区，2 0 0 6 5 至2 0 0 7 5 实验区 被侵蚀的土壤量为6 3 1 5t - k m 也，远远低于对照区的2 4 6 0 8t k m 之，并且对照区坡脚存在崩 塌现象，河流冲蚀作用明显，实验区没有发现坡脚坍塌，抗河流冲蚀效果明显。 关键词：受损河岸；生态修复；河岸植被；土壤微生物；土壤动物；土壤理化性质；底 栖动物；河岸侵蚀 a b s t r a c t i no r d e rt oe x p l o r et h et h e o r ya n dt e c h n i q u eo fr e s t o r i n gt h ed a m a g e dr i v e rb a n k e c o s y s t e m ，t a k i n gy i t o n gr i v e ra st h er e s e a r c hs u b j e c ta n da p p l y i n gp r i n c i p l e sa n dd e s i g n s o fe c o l o g i c a le n g i n e e r i n g ，w eb e g a nr e s t o r a t i o na n dc o n s t r u c t i o nf o u ry e a r sa g o i nt h a t p r o c e s s ，w ea n a l y z e da n de v a l u a t e dt h ee f f e c t so ft h er e s t o r a t i o ni nt h ee x p e r i m e n t a la r e a , m a i n l yf r o mt h ea s p e c to fv e g e t a t i v ec o v e r ，s o i lo r g a n i s mc h a n g e s ，p h y 7 s i c a la n dc h e m i c a l c h a r a c t e r s ，b e n t h o na n dc o r r o s i o ne x t e n to ft h eb a n k ，w h i c hc o l l a b o r a t e l yd e m o n s t r a t e dt h e f o l l o w i n gr e s u l t s ： 1 r e c o n s t r u c t e d e x p e r i m e n t a l a r e ah a sb e e nr e s t o r e dw e l l a f t e rs u c ha 4 - y e a r - s u c c e s s i o n ，t h ep l a n tp o p u l m i o ni nt h ee x p e r i m e n t a la r e aw a sr e s t o r e dm u c hb e r e rt h a n c o n t r 0 1 ( 1 ) r e e dc o m m u n i t yg r e ww e l ln e a rt h ew a t e r ：a v e r a g eh e i g h to ft h es t o c ki n c r e a s e d f r o m1 2 mi n2 0 0 2t o1 8 mo f2 0 0 6 ，w h i c hc o v e r e d9 5 a r e a ；( 2 ) t h e r ew e r e15h e r b a g e s p e c i e si nt h ee x p e r i m e n t a lr i v e rb a n kw h e r e a so n l y12s p e c i e si nt h ec o n t r o la r e a m e a n w h i l e ， i nt h ef o r m e ra r e a , h e r b a g ec o v e r a g er a t e ，b i o m a s s ，b i o d i v e r s i t ya n di t s c o r r e s p o n d i n g u n i f o r m i t yw e r ea l s os i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nt h o s ei nt h el a t t e ro n e ；( 3 ) a r b o r sa n ds h r u bi n e x p e r i m e n t a lr i v e rb a n ka l w a y sg r e wb e a e rt h a nt h o s ei nc o n t r o la r e a ；( 4 ) as t a b l e a r b o r - s h r u b g r a s sp l a n tc o m m u n i t yw a sc o n s t r u c t e di nt h ee x p e r i m e n t a la r e aw i t hao 9 5 c r o w nc l o s u r ei nc o n t r a s tw i t h0 2 5c r o w nc l o s u r ei nc o n t r 0 1 2 e x p e r i m e n t a la r e ah a sm o r ek i n d so fe d a p h o nt h a nc o n t r o la r e a t h em o i s t u r ea n ds o i l c o n d i t i o n ，o r g a n i z i n go ft h ep l a n tc o m m u n i t ya n dp r o d u c t i v i t yw e r ea l lb e r e rt h a nt h o s ei n t h ec o n t r o la r e a e d a p h o nd i s t r i b u t i o no ft h ee x p e r i m e n t a la r e aw e r ed e v e l o p i n gw e l l 3 i nt h ee x p e r i m e n t a la r e a , w ec o l l e c t e d1 1k i n d so f e d a p h o n ，w h i c hi sc o n t r a s tw i t ho n l y 7k i n d si nt h ec o n t r o la r e a t h eq u a n t i t y ，b i o m a s s ，b i o d i v e r s i t y ，u n i f o r m i t ya n dd o m i n a n c y a l s os h o w e dt h es a n l ep h e n o m e n ai ne x p e r i m e n t a la r e a t h eh e a l t h ye d a p h o nc o m m u n i t y p r o m o t e dt h ep h y s i c a la n dc h e m i c a li m p r o v e m e n to ft h es o i l ，w h i c hm a k et h ec o n s t r u c t e d r i v e rb a n ks y s t e mh e a l t h i l yd e v e l o p 4 t h er e c o v e r ye f f e c t sc a u s e db yt h ec o n s t r u c t e db a n ks y s t e mi nt h ee x p e r i m e n t a la r e a w e r em o r eo b v i o u st h a nt h o s ei nc o n t r o la r e a ( 1 ) t h ec o n t e n to fo r g a n i cm a t t e ri nt h es o i l l a y e ro fe x p e r i m e n t a la r e aw a sa v e r a g e l y18 6 h i g h e rt h a nt h a ti nc o n t r o la r e a ；( 2 ) t h e n i t r o g e na n dp o t a s s i u mc o n t e n to fe v e r ys o i ll a y e rw e r ea l lh i g h e rt h a nt h o s ei nc o n t r o la r e a , w h i c hw e r ea b o v e21 7 a n d3 4 1 ，r e s p e c t i v e l y ；( 3 ) s o i li ne x p e r i m e n t a la r e ac o n t a i n e d m o r ew a t e rt h a nt h ec o n t r o la r e a h o w e v e r ，b u l kd e n s i t yi nt h ef o r m e ra r e ai sl o w e rt h a nt h a t i nt h el a t t e r ；( 4 ) p hv a l u e so ft h el a y e r si ne x p e r i m e n t a la r e aw e r em u c hh i g h e rt h a nt h o s ei n i i i t h ec o n t r o la r e a ，w h i c hr e s u l t e di nh i g h e rc o n d u c t i v i t yi ne x p e r i m e n t a la r e a t h ei m p r o v e m e n t o ft h es o i li np h y s i c a la n dc h e m i c a la s p e c tp r o v i d e dap o s i t i v ef o u n d a t i o nf o r t h ef i v e rb a n k s h e a l t h yd e v e l o p m e n t 5 t h ee x p e r i m e n t a la r e ah a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e di nt h ek i n d s ，q u a n t i t ya n dd i v e r s i t y o ft h eb e n t h o nc o m p a r e dw i t ht h ec o n t r o la r e a 8k i n d sa n d4k i n d so fb e n t h o nw e r e c o r r e s p o n d i n gf o u n di nt h ee x p e r i m e n t a la n dc o n t r o la r e a i nt h ea b o v ea r e a s ，o l i g o c h a e t a h y d r o d y n a m i co c c u p i e d5 4 a n d7 7 ，r e s p e c t i v e l y t h i ss i g n i f i c a n td e c r e a s er e f l e c t e dt h e w o r s el i v i n gs u r r o u n d i n gi nc o n t r o la r e aw i t hr e g a r dt ot h ee x p e r i m e n t a la r e a 6 t h er e e d w i l l o w - a m o r p h a - w e e p i n ge l mc o m m u n i t ys t r u c t u r ei nt h ee x p e r i m e n t a l a r e ah a sg o n et h r o u g ht h es u c c e s s i o np r o c e s st oas y s t e mw i t hh i g h e rv e g e t a t i o n a lc o v e rr a t e a n dc r o w nd e n s i t y t h ee r o s i o ne x t e n to ft h ee x p e r i m e n t a la r e aw a sa l s ol o w e rt h a nt h e c o n t r o la r e a d u r i n gt h et i m eo fm a y ，2 0 0 6t om a y ，2 0 0 7 ，t h ee r o d e ds o i li ne x p e r i m e n t a la r e a w a s6 315t k m - 2 w h i c hw a ss i g n i f i c a n t l yl o w e rt h a n2 4 6 0 8t k m o ft h ec o n t r o la r e a w h a t s m o r e ，c o m p a r e dw i t ht h el a t t e rc o n t r o la r e a ，t h ef o r m e ra r e ah a sf e w e rp h e n o m e n ao f c o l l a p s e a tt h ef o o to ft h es l o p ew i t hg r e a tr e s i s t a n c et ot h ea f f l u xe r o s i o n 。 k e yw o r d s ：d a m a g e dr i v e rb a n k ；e c o l o g i c a lr e s t o r a t i o n ；v e g e t a t i v ec o v e ro nt h e r i v e r b a n k ；e d a p h o n ；s o i la n i m a l ；p h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r s ；b e n t h o n ；e r o s i o no f r i v e rb a n k i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注 和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得东北师范大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：东 北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：磊幽 日 期：扫鲤星sz 五，秒 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 指导教师签名： 日期： 电话： 邮编： 东北师范大学硕士学位论文 1 引言 1 1 立题依据 河岸生态系统，作为自然生态系统的重要组成部分，是河流生态系统和陆地生态系 统之间的过渡区。作为一种重要的生态交错带，据有明显的边缘效益和丰富的生物多样 性，是生物圈中最复杂的生态系统之一，具有一系列的环境、社会和经济功能。然而随 着人口的剧增、工农业生产和社会经济的迅速发展，人类对河流进行了多目标、全方位、 大规模、高频次的干预，河岸生态系统由于受到人类活动的干扰而严重的退化。据统计， 世界上2 0 的河岸带植被已经不复存在，剩余部分也在极迅速的消失。在过去的2 0 0 年 间，欧洲与北美地区超过8 0 的河岸带廊道已经消失。在日本，城市化以及农业的发展 导致了河岸带植被迅速的消失，河岸带地区被大量地开发为畜牧业和农业用地。在我国， 自2 0 世纪8 0 年代以来河流沿岸河岸带的土地利用程度综合指数一直在增加。退化的河 岸带生态系统导致了植被破坏、生物多样性下降、小气候恶化、河床及河岸遭受侵蚀、 洪涝灾害频繁等一系列严重的环境问题。因此受损退化河岸带生态系统恢复与重建的研 究已经成为当今恢复生态学、流域生态学的学科研究的重要内容之一l l 刎j 。 1 2 国内外研究进展 发达国家对河岸环境和生态退化的问题研究较早。2 0 世纪6 0 年代后期，德国及瑞 士认识到传统的水利设计及管理思想是导致河流自然生态系统受损的根本原因，开始进 行如何把生态学原理应用于土木工程修复受损的河岸生态系统的实验研究；2 0 世纪8 0 年代同本开始学习欧洲河流治理经验，并在理论、施工及高新技术的各个领域丰富发展 了受损河岸生态修复技术，由此诞生了生态学与土木工程学有机融合的“应用生态工学” 及其理论。我国对退化河岸带生态系统的恢复的研究起步较晚，近年来，我国水利学专 家董哲仁先生等大批学者已经深刻地认识到在水利工程设计及施工中对生态环境的影 响，从理论上探索“生态水工学”的理论框架，并在北京、上海、杭州等一些城市开展 了一些小规模实验研究，探索修复受损河岸生态系统的技术手段。目前国内外关于受损 河岸生态系统恢复的研究主要集中在以下几个方面： 1 2 1 受损河岸生态系统恢复研究尺度的选择 选择河岸生态恢复的尺度是受损河岸生态恢复的基础，导致河岸生态系统退化的原 因是复杂的，应该从大尺度上对河岸生态系统退化的原因进行思考，多数研究者认为受 损的河岸生态系统的恢复应该在景观和流域尺度上进行考虑【2 m 5 1 。其中，h a r r i s 等认为， 受损河岸生态恢复应从多个尺度上综合治理，并为此提出了受损河岸生态恢复的四个尺 东北师范大学硕士学位论文 度：流域尺度；河流尺度；植物群落尺度；特定尺度【2 。在景观或者流域尺度上进行河 岸的生态恢复研究，更易于了解河岸带地区水和沉积物的传输规律、识别影响河岸生态 系统的生物和物理过程，易于取得理想效果。 1 2 2 受损河岸生态系统的恢复策略与方法 1 2 2 1 受损河岸生态系统的恢复策略 退化河岸带恢复过程是人为或自然干扰破坏河岸带生态系统的逆向演替，是通过生 物、生态及工程和管理手段，使河岸带生态系统结构、功能和生态学潜力恢复到一定的 或者干扰前的水平。许多研究者认为【1 击，2 1 ，2 6 2 7 1 ，在进行生态恢复时，应该优先考虑河岸 带的自然恢复。受损河岸生态系统恢复应该基于景观生态学从流域尺度上进行考虑在详 细了解流域景观的时间和空间动力学变化特征( 如河流连接度和功能、河岸带和陆地生 态组成等) 的基础上，识别影响河岸生态系统的生物和物理作用过程以及导致河岸生态 系统退化的干扰因子，在此基础上确定最适合的恢复工程地址，并针对不同的干扰类型 采取相应的对策措施其中，j 下确识别自然影响和人为干扰所造成的河岸带功能和特性的 改变最为关键。 就目前恢复策略的研究而言，国内外学者就退化河岸带生态恢复提出了一些策略。 其中，w i s s m a r 等【2 5 】认为有效的河岸生态恢复工程应包括：确定生态恢复目标( 生态目标 和物理目标) ；基础数据和历史资料收集( 地形地貌、水力条件调查等) ；基于当地残遗 生物物种特性的工程设计；长远的生态恢复规划、实施和监测。张建春等【2 8 , 2 9 1 认为，河 岸带生态恢复首先必须根据河岸带的物理和生态特征以及受干扰的状况，正确地进行诊 断分类，同时对影响河流的干扰类型和频率进行分类并预测其物理和生物特征的变化。 然后根据不同的自然地带性规律、生态演替及生态位原理选择适宜的先锋植物、构造种 群和生态系统，实行土壤、植被与生物同步分级恢复。k e n t u l a l 2 3 】提出了一套基于流域分 析方法的退化河岸带生态恢复方法，包括：流域系统特征分析；主要问题识别；现状评 价；参考状态( 退化前) 描述；生态恢复目标确立；综合分析；恢复对策措施7 个步骤。 该方法主要侧重于分析的过程为确立推荐方案提供基础。 1 2 2 2 受损河岸生态系统的恢复方法 鉴于河岸带植被在其生态系统中的重要作用，就目前恢复方法的研究而言，大多数 河岸带生态恢复工程以植被重建为主要目的。国外学者如美国的e r i c a 和c h r i s l o p h e r 等 人研究了美国佐治亚州东部受核电站排出的热水和淤泥影响的s a v a n n a h 河的河岸带退 化生态系统，通过植树造林恢复了河岸带生态系统。加拿大学者s t e w a r tr o o d 应用生态 生理学原理和选择白杨树种，通过3 个河坝放水控制试验，成功地恢复了美国内华达州 t r u c k e e 河的河岸带滩地生态系统。此外，国外学者在实验的基础上对河岸带植被重建 也进行了大量研究，这些研究强调了在植被重建过程中减少食草动物以及各类植物干扰 因子对植被伤害影响的重要性。 国内学者在进行河岸带生态恢复研究时多以河岸带植被重建为手段，如杨海军等【8 3 0 】 研究了用芦苇恢复受损河岸生态系统的工程化方法，恢复后的河岸带生态系统生物多样 性和稳定性增加，土壤结构和养分条件得到改善；蔡锡安【3 l 】等在对广州流溪河河岸带进 2 东北师范大学硕士学位论文 行生态治理时，对河岸带优良草种进行筛选，发现大雀稗、弯叶画眉草和香根草为理想 的河岸带草种。张建春等【2 8 , 2 9 1 对安徽潜水退化河岸带进行了为期6 年的人工重建河岸带 植被试验研究，采用先锋物种引入技术和生物工程措施，设计了两种河岸带植物群落结 构优化配置模式。 1 2 3 受损河岸生态恢复评价对象与指标 较早期的河岸生态恢复多以河岸带植被作为评价对象，如：植被覆盖率、植物生长量、 植被郁闭度等。随着研究的进一步深人，单一的生态指标开始转向综合性指标，评价的 对象包括动植物种群、土壤结构与性质、生物多样性和结构稳定性等。就目前的研究而 言，在进行退化河岸带生态恢复时，评价的对象包括植被、生物、土壤、水文等组成河 岸带生态系统的各要素，评价的指标可归纳为以下3 类：1 ) 生态指标：在生态系统水 平及群落层次上设计指标；2 ) 结构稳定性指标：土壤结构和性质、水力侵蚀等影响河 岸带结构稳定性的指标；3 ) 安全性指标：评价周围生态系统对河岸带生态系统的干扰 和胁迫程度。 1 3 研究目的和意义 城市河流对城市的繁荣与衰落，对城市社会、经济与环境协调发展有至关重要的意 义。河岸作为河道的重要组成部分，直接影响着城市景观规划和生态环境建设。随着“生 态城市”理念的深化，恢复受损的河岸生态系统，建设生态型河岸已经成为世界水域整 治的新趋势。， 本研究以城市中小河流受损河岸生态系统为研究对象，在确保河岸力学稳定性的前 提下，在传统护岸工程纳入生态学原理，通过对河岸退化原因的确定，对受损的河岸生 态系统重新构建，进行修复，探索受损河岸的生态修复的技术方法。并在恢复过程中， 从生态健康、生态安全、结构稳定性等角度对河岸生态系统进行连续的、动态的观测研 究，从定量角度进行分析，评价河岸生态恢复的效果，丰富受损河岸的生态修复的评价 指标体系。本研究为其它受损河岸生态系统的恢复提供了新技术模式，起到示范作用， 对我国新时期的城市河岸建设，构建生态城市，社会的可持续发展具有一定的现实意义。 3 东北师范大学硕士学位论文 2 研究方法 2 1 实验区概况 研究地点位于长春市东北师范大学净月校区内，实验河流为流经校区的伊通河支流 小河沿子河，距离净月潭国家森林公园约1k m 。 该区属于温带大陆性半湿润季风气候，四季盛行西南风。年平均气温4 6 。冬季 1 月份最冷，最低气温达一3 6 5 ，平均气温为1 7 2 ；夏季7 月份最热，最高气温达 3 8 ，平均气温为2 3 。年平均同照约2 6 8 8h ，无霜期1 4 0 1 5 0d 。年平均降水量为 5 7 6 3m m ，降雨量集中在4 - - 9 月，约占全年降雨量的9 0 。 实验河段长约7 0 0m ，宽约8 0m ，河床比降约为1 1 0 0 0 ，河道深度为1 5 2 0m ， 河床构成为淤泥和砾石，最大洪水流速约0 1r n s 。河流南侧为混凝土护岸北侧为自然裸 露的土质岸坡，坡度约为3 0 0 4 5 0 ，坡脚冲刷侵蚀严重，河岸土壤退化也比较严重。2 0 0 2 年东北师范大学净月校区绿化队对河流北侧岸坡进行平整，并沿岸坡栽植河柳( s a l i x c h a e n o m e l o i d e s ) ，林下杂草优势种主要有野稗( e c r u s g a l l i 化夕b e a u v ) ，狗尾草 ( s v i r i d i s ( l ，b e a u v ) ，苋菜( a r e t r o f l e x u sl ) 等。 2 2 实验区的构建 2 2 1 设计理念与技术路线 受损河岸生态系统修复的理论基础是恢复生态学，即通过河岸生态系统受损的原 因及退化机理的诊断，运用生物、生态及工程的技术与方法，依据人为设定的目标，使 河岸生态系统的结构、功能和生态学潜力尽可能地恢复到健康的水平。受损河岸生态系 统的修复根据不同的自然地带性规律、生态演替及生态位原理选择适宜的先锋植物、构 造种群和生态系统，实行土壤、植被与生物同步分级恢复，以逐步使退化河岸带生态系 统恢复到一定的功能水平。确保大系统支持和保持最高的生物多样性；修复河段的河岸 带与周围毗邻的生态系统横向或纵向联系密切；修复的河岸生态系统类型与毗邻的生态 系统类型一致；人为活动的影响较小【5 9 1 。根据河岸的构成和生态系统特征，河岸的生态 修复将分为：河岸生物重建、河岸生境重建和河岸生态系统结构与功能恢复三个部分。 生态河岸设计时，要了解区域的生态背景、水文、地质等情况。在保证河道安全的 同时，尽可能的为生物营造良好的栖息环境，维持良好的河岸生态环境，保证河流生态 系统健康的发展，考虑到区域具有自然环境特征的同时，还要充分考虑由土壤和植被等 所构成的自然河岸所具有的抗洪能力和生态系统的自身恢复能力【8 l 。从河岸植被的变化、 土壤生物的变化、土壤基质的变化、河流底栖动物的变化等几个方面的指标对河岸生态 4 东f l t 0 $ 范大学硕士学位论文 修复的效果进行综合的评述，并通过数据分析和评价来不断的修正在河岸生态设计和构 建方法上的不足，从而促进河岸生态系统不断朝向良性方向发展。总结经验和结论，不 断推进和丰富河流生态修复技术的内涵。 图1 技术路线图 2 2 2 实验区构建 本研究于2 0 0 2 年5 月一月对实验地进行构建，选取5 0 m 长、1 4 m 宽的典型退化 自然裸露的土质坡岸，构建河岸生境斑块，作为实验区；选取5 0 m 长、1 4 m 宽的典型 退化自然裸露的土质坡岸，作为对照区。 ( 1 ) 近水区河岸生境斑块的构建( 最大水位变化以下的区域) 传统的混凝土护岸没有动植物及微生物生存的空间。本研究在防止河岸坍塌及侵蚀 的同时，创造出动植物及微生物能够生存的多孔隙生境斑块。根据实验区河流水流流速 低、冲蚀小、水较浅、坡度缓等水文特点，在近水区采用工程和植物措施相结合的方法 护岸，在正常水位线以下的区域铺设石块，同时在石缝隙中插栽芦苇( p h r a g m i t e s c o m m u n i st r i n ) 菖蒲( a c o r u sc a l a m u sl ) 。抛石采用级配方式，抛石底层铺设碎石，由 底层往上逐级增加粒径，同时块石缝隙栽植芦苇、菖蒲幼苗，以期采用芦苇生长发育过 程中发达的根系代替传统护岸中的无纺布过滤层( f i l t e rb l a n k e t ) 采用有限元素程序 ( f i n i t ee l e m e n tp r o g r a m ) 对坡度与河岸坡面土层强度进行稳定分析。本研究抛石理论估 算参考赫得森公式。通过估算实验区块石单粒最小自重约0 2 5 k g ，粒径o 0 5 珈3 5 m 。 ( 2 ) 远水区河岸生境斑块的构建( 最大水位变化以上的区域) 参照自然河岸植物群落配置，选取抗逆性强、适合性广的先锋植物，在坡面下方以 芦苇、菖蒲和河柳为主，坡面上方栽种豆科植物紫穗槐( a m o r p h a f r u t i c o s al ) ，紫穗槐 具有固氮作用，可为实验区内的植被长期地提供养分，实现养分自给并减少后期人工维 5 东北师范大学硕士学位论文 护管理。同时从城市景观美学角度考虑，坡上路边栽植园林树种垂榆( u l m u s p u m i l a v a r p e n d u l a ) ，实验区内植物群落优化配置的模式为：芦苇、菖蒲一河柳一紫穗槐一垂榆。 2 3 研究方法 2 3 1 样点的布设与采样 2 3 1 1 河岸植被 植被调查：沿垂直河流方向在每个实验区各设置3 列( 共6 列) 宽4 m 的定点观测 带，按坡面上、坡面中、坡面下( 近水区) 设置固定样地，对各样地的乔木、灌木和草 本种类进行全部调查，其中草本采用1m x lm 样方进行调查，每个区域设置1 2 个样方 ( 共2 4 个) 【删。 2 ：3 1 2 土壤取样 ( 1 ) 土壤微生物选取4 个土壤取样点，分别为实验区的坡面上( a 1 ) 、坡面下( a 2 ) ， 对照区的坡面上( b 1 ) 、坡面下( b 2 ) ，分别用环刀按“s ”形路线采集土壤样品，并多点 混合，采集深度为o 1 0c m ，充分混合后装入无菌塑料袋，立即带回实验室0 4 保存； ( 2 ) 土壤动物土壤动物用2 5c m x 2 5c m 的取样框，取样深度5c m ，每个样地取 8 个样( 共1 6 个) ，拣出后立即用4 福尔马林溶液保存，带回实验室； ( 3 ) 土壤理化性质选取4 个土壤取样点，分别为实验区的坡面上( a 1 ) 、坡面下 ( a 2 ) ，对照区的坡面上( b 1 ) 、坡面下( b 2 ) ，分别用环刀按“s ”形路线采集土壤样品， 并多点混合，采集深度为0 - 5 c m 、5 1 0 c m 、1 0 1 5 c m 、1 5 - 2 0 c m ，充分混合后装入无菌 塑料袋，带回实验室，风干后研磨过l m m 筛子，装土封口袋保存。 2 3 1 3 底栖动物 在实验区近水区和对照区近水区坡角各设置5 0 c m x 5 0 c m x 2 0 c m 的底泥采样点3 个 ( 共6 个) ，在每个采样点采泥样3 个，混合为代表样品。 2 3 1 4 河岸的侵蚀程度 于2 0 0 6 年5 月_ 2 0 0 7 年5 月，在实验区和对照区地表分别设置观测桩进行河岸的 侵蚀程度的测定。在两个实验区和对照区地表分别将直径0 5 c m ，长6 0 c m 的钢钎分为 坡上、坡中和坡下( 近水区) 三行，每行设置三个，每个区域9 个( 共1 8 ) ，打入地下， 钉帽与地面平行，漆上红漆，进行标记，每月观测一次，观测钉帽离地面高度，来测定 抗冲刷及抗侵蚀的效果。 2 3 2 观测指标的选取与测定方法 2 3 2 1 河岸植被 河岸草本主要选择植物种类、盖度、密度、计算植物群落的生物多样性指数等指标 进行测定。其中盖度 a 1 b 2 b 1 ，表现出实验区的细菌数量要高于 对照区的趋势，这说明该区水湿条件较好，生物量积累丰富，有利于该区细菌的生长。 其次是真菌和放线菌。真菌数量和放线菌数量的大d , j 1 0 j i 序为：a 2 a 1 b 2 b 1 ，其中 a 1 区和a 2 区的真菌数量较b 1 区和b 2 区真菌数量分别增加了2 5 9 倍和2 4 4 倍，这是 由于实验区内的乔灌草的配置结构，植物枯落物中木质纤维化成份较多。固氮菌数量 的大小顺序为：a 1 a 2 b 2 b 1 ，a 1 、a 2 区土壤中固氮菌的数量明显高于b 1 、b 2 区，原因与实验区内栽植了豆科植物紫穗槐，其根系生有根瘤菌及其根系分泌物较多有 关。其中，紫穗槐多数在a 1 区，表现出a 1 区的固氮菌数量最多。 表4 各区土壤微生物的数量( x 1 0 5 个g - 1 干土) ( m 士dn = i s ) 实验区的微生物总数和细菌总数都要高于对照区，表明实验区的生态系统恢复速率 高于对照区，这可能与实验区内栽种了豆科植物紫穗槐，其具有固氮作用，促进了植物 的生长以及植被凋落物归还土壤的氮较多有关【4 l 】；真菌与放线菌都是参与土壤有机物质 分解过程的主要成员，是土壤微生物的重要类群。实验区的真菌与放线菌数量都要高于 对照区，对土壤中有机物的分解能力更强，对于土壤改良效益更好。实验区内土壤固氮 菌数量要高于对照区，土壤中固氮菌的数量的增加有利于土壤中固氮作用的不断加强， 不断地增加土壤内的氮素营养，对于整个生态系统起着良好的作用。 3 3 河岸带土壤动物的变化 在两个区域内共捕获大型土壤动物共1 2 9 6 头，分别隶属3 门5 纲1 1 类( 表5 ) 。其中 实验区共有1 1 类，隶属3 门5 纲，优势种类为膜翅目( h y m e n o p t e r a ) 和寡毛纲( o l i g o c h a e t a ) ， 膜翅目( h y m e n o p t e r a ) 占实验区捕获数量的5 2 ，寡毛纲o l i g o c h a e t a 的生物量占总生物 量的4 2 8 8 ；对照区共有7 类，隶属1 门3 纲，优势种类为膜翅目( h y m e n o p t e r a ) ，占对 照区捕获数量的6 4 5 1 ，地蜈蚣目( g e o p h i l o m o r p h a ) 、寡毛纲( o l i g o c h a e t a ) 和线虫门 ( n e m a t o d a ) 动物在对照区内未有捕获。 东北师范大学硕士学位论文 表5 各区大型土壤动物密度、生物量、类群数、多样性指数、均匀度和优势度 多样性、均匀度和优势度指数能够较好的反应实验区与对照区土壤动物生态结构上 的差异【1 8 】，实验区土壤动物群落s h a n n o n w i e n e r 指数为：2 3 9 9 1 对照区土壤动物群落 s h a n n o n w i e n e r 指数为：1 7 4 2 ；且实验区的土壤动物群落p i e l o u 均匀度指数为：1 0 0 1 ； 对照区土壤动物群落p i e l o u 均匀度指数为：0 8 9 5 ，实验区要高于对照区；实验区的土壤 动物群落s i m p s o n 优势度指数为：0 3 0 8 ；对照区土壤动物群落s i m p s o n 优势度指数为： 0 4 4 7 ，实验区要低于对照区。 因为s h a n n o n w i e n e r 多样性指数不仅和这个群落有几个物种数有关，而且也与每个 物种的个数有关，即综合反映该群落的丰富度和均匀性，实验区内物种最多，且其优势 类群只占了总数的5 2 ，因此实验区多样性指数最大。至于优势度指数c 反映了物种的数 目集中在少数几个种上的程度指标，优势度指数越大，说明群落内物种数量分布越不均匀， 优势种的地位越突出，实验区与对照区的优势类群所占各自总数的比例相一致，对照区 优势类群占到6 4 5 1 ，优势度最大，而实验区的优势类群只占总个体数的5 2 ，优势度 最小。多样性指数越高，则群落越稳定，群落的稳定性与土壤环境稳定性是相关的，这 与实验区经过构建进行生态恢复有关，较好的植被特征使土壤环境因动植物残体的分解 来维持平衡，所以群落结构稳定。多样性、均匀度和优势度指数分别说明恢复后实验区 土壤动物群落生态结构，生境条件相对优越，对照区各项指标较低，生境条件相对较差。 构建的生境缀块内的土壤营养丰富，有利于土壤动物的生存，构建的生境缀块内由于植 物的合理配置，使缀块内形成了一个有利于大型土壤动物繁衍、栖息的小环境。 土壤动物生物量是受损生态环境恢复与重建质量的重指示标志【4 2 】。实验区土壤动物 生物量是对照区土壤动物生物量2 3 倍，主要原因是由于实验区内有生物量较大的寡毛纲 1 2 东北9 币范大学硕士学位论文 生物出现，陆生寡毛纲生物主要以中以腐殖质较多的土壤为食，说明该区的土壤养分良 好。寡毛纲生物的存在对该区土壤改良效益也发挥积极作用【4 引，实验区寡毛纲o l i g o c h a e t a 生物的存在能加速该区土壤团粒结构的形成，有利于实验区土壤中微生物的繁殖和作物 根系的生长，通过其消化作用，从而又能促使土壤中的腐殖质提高，改善了土壤的物理 特性和化学特性。 3 4 河岸带土壤理化性质的变化 3 4 1 有机质含量的变化 经过4 年的恢复，由图1 可知，实验区不同深度的土壤有机质含量均高于对照区， 平均增幅约为1 4 4 。在近水区，实验区较对照区的平均增幅约为1 8 6 ，其中o 5 c m 深的土层增幅最大，约为2 9 4 。在远水区，实验区较对照区的平均增幅约为1 0 1 ， 其中o s c m 深的土层增幅最大，约为11 7 。 由于土壤有机质的累积依赖于微生物对土壤有机残体的分解和分解过程中矿质化 与腐殖化的相对强度。实验区土壤微生物的数量高于对照区，另外实验区动植物残留物 多于对照区，所以导致实验区的土壤有机质含量高于对照区。实验区与对照区相比较 o - 5 c m 深的土层增幅最大，也说明上一年的植物残留物实验区要高于对照区，实验区有 机质的积累量要高于对照区。另外，近水区水条件较好，植物生长旺盛，植物的生物量 积累高于远水区，因此，近水区的土壤有机质含量要略高于远水区。 实验区不同深度的土壤有机质含量高于对照区，说明实验区构建的河岸生态系统的 土壤有机质积累的恢复效应优于对照区。 ， 协 孚 3 豳 缸 喀 暴 证 0 一一55 一一1 01 0 一- 1 51 5 - - 2 0 土壤深度( e r a ) o 如 孚