恢复生态学在隔河岩库区消落带生态修复中的应用

杨 平

(三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室,湖北宜昌 443002)

三峡水库蓄水后,其库区水位以“冬蓄夏泄”的调节方式运营,在长江干支流两岸便形成了高差达30 m且与水位自然涨落节律相反的消落带.由于水位的周期性涨落,导致库区消落带水土流失严重、河流严重污染、植被破坏、生物多样性降低、生态服务功能丧失[1-2].面对这种严峻形势,消落带的生态恢复研究得到关注.

近几年,一些科研单位陆续提出了土地资源利用方式与库区生态保护模式,以及库区消落带梯度生态修复模式,并研发了一些生态与工程相结合的恢复技术,如防冲刷生态型护坡构件、新型护坡消能高渗透生态混凝土构件、构筑燕窝植生穴、植生袋等,虽取得了一定成效,但很多治理技术只是从一定角度来研究的.随着人们对环境可持续发展意识的增强,对消落带进行生态修复是非常必要的.

本文运用恢复生态学知识[3],从生态系统角度出发,以库区隔河岩水电站消落带生态修复为案例进行了分析和探讨,为日后三峡库区其他相关消落带生态工程综合治理提供了参考.

1 恢复生态学概念及理论

恢复生态学(restoration ecology)是20世纪80年代迅速发展起来的现代应用生态学的一个分支,主要致力于那些在自然突变和人类活动影响下受到破坏的自然生态系统的恢复与重建[4],它包括将所有生态学理论用来降低人类干扰的损害并恢复能自我维持的生态系统的研究.它阐述了在被破坏的生态系统自然演替的过程中,可以通过人为手段加以调控,改变演替的方向和速度,缩短生态恢复的时间过程的理论.

1.1 生态适应性原理

在与环境的长期协同进化过程中,生物对生态环境产生了生态上的依赖,其生长发育对环境就有所要求,即产生了对光、温、水、土等方面的依赖性,如果生态环境发生明显变化,生物就不能较好地生长.因此,种植植物必须考虑其生态适应性,让最适宜的植物生长在最适宜的环境中[4].

1.2 整体性原理

自然生态系统是通过生物与生境、生物与生物之间的协同进化而成的一个不可分割的有机整体,人类处在一个社会-经济-自然复合而成的巨大系统中.进行生态工程建设时,不但要考虑到自然生态系统的规律,更重要的是,还要考虑经济和社会等系统的影响力.

1.3 自生原理

生态系统的自生原理包括自我组织、自我优化、自我调节、自我再生等一系列机制,这些机制用来维护系统相对稳定的结构、功能及动态,随着时间的进程退化生态系统将根据环境条件合理地组织并会最终改变其组成,在自我稳定中达到可持续发展.

1.4 物种耐性原理

耐性指生物或生物种群能够生存的某一生态因子的范围,对任何一种环境因子都存在一个忍耐范围,称为忍耐区间,在这个范围内,所有与此有关的生物生理学过程才能正常发生,即当其接近或达到某种生物的耐受性限制时,该种生物衰退或不能生存.

1.5 干扰理论

干扰指在不同空间和时间尺度上偶然发生的,不可预知的自然事件,它直接影响着生态系统的演变过程并具有破坏性.干扰是使生态系统、群落或种群的结构遭到破坏,使资源、基质的有效性或是物理性质或是物理环境发生变化[5-6].多数自然或人为的不间断或者周期性的干扰会导致正常生态结构的破坏,生态平衡的失调和生态功能的退化.

2 库区生态修复的目标

2.1 减少水土流失

由于库区水位周期性地涨落,涌浪对岸坡的频繁冲刷,植物赖以生存的土壤和环境丧失,植被逐渐退化,使得水土流失相当严重,通过植物筛选、培育、繁殖,采用合适的生境构筑技术,营造适宜植物生长的生境基材,运用生态工程综合治理模式对消落带进行生态修复,通过河岸植物根系增强河岸亚表层强度,提高库岸稳定性,减少水土流失.

2.2 控制污染提高水体自净能力

库区消落带生态修复的最终目的是通过健康的流域生态系统提高河道水体的质量.由于建库后水流速度减慢,导致水体的自净能力降低,污染加剧,水体严重富营养化[7].故应构筑植被缓冲带,通过植物吸收及降解污染物,减少污染物进入水库水体,提高河道的自净能力.

2.3 重建库区景观

绿化是库区景观最重要的要素,消落带的生态修复除了生态效益之外,还有视觉和心理上的景观效益,单方面强调河流的生态功能是不充分的[8].在库区消落带的生态修复设计中,必须考虑景观结构的要素,通过对原有景观要素的优化组合,引入新的景观成分,调整或构造新的库区景观格局,创造一条和谐、近自然河道的“绿色金腰带”,给库区旅游资源开发和利用带来新的机遇.

2.4 保持物种多样性

通过对库区岸坡进行生态修复,提供水生生物的生长环境,并确保了陆地生态系统和水域生态系统的连续性.水生植物是草食食物链的起点,是水体生物多样性赖以维持的基础[9],这样可以丰富物种的多样性.

3 工程实例

3.1 工程概况

清江是长江出三峡后接纳的第一条较大支流,全长423km,流域面积17000km2,流域内气候温和,雨量丰沛,河床坡度大,泄流快,调节能力小.隔河岩水电站距清江河口62km,由于发电和调洪的需要,隔河岩水电站库区的蓄水位会在180～200m之间调节变化,这样就在库区两岸形成了落差高达20 m的消落带.

由于受库水长期浸泡和冲刷,导致边坡上土壤严重流失,形成大面积裸露的岩质边坡.岸坡自然生态条件恶劣,缺少植被生长所必需的土壤条件及养分条件,坡体保水功能差且边坡坡度大,其中有许多岩石立面部分坡度达90°.

本试验运用恢复生态学和生态工程学的原理,结合清江隔河岩水电站库区消落带进行植被生态恢复的现场试验研究,试验位于清江隔河岩大坝右岸取水口附近消落区内,距离大坝右岸坝肩约200m.整个实验区域长45 m,坡面垂直高度15 m,坡面宽度18 m,坡面倾斜度约60°,总面积810 m2.

3.2 物种选择

根据隔河岩库区的地理、气候、水文条件和库区消落带植物生境的实际情况,为了满足物种多样性,运用恢复生态学的物种耐性原理及生态适应性原理,根据库区生态修复的目标,优先采用乡土物种和地带性植物[10],在物种选择时遵循以下原则:

(1)植物要有较好的抗旱和耐贫瘠能力及耐淹能力,能够承受20m深,3个月时间的水淹.

(2)植物应繁殖容易,成活率高,既可有性繁殖又可无性繁殖为佳,

(3)具有发达的根系,既能遮挡漂浮物,又能抗浪冲刷,且能持水固土.

(4)植物截污和富集污染物能力强,能有效地消除岸坡流向库区的有害化学物质.

遵循以上原则,拟选取以下物种:秋华柳:根系发达,再生能力强,喜湿耐涝,能经历长达6个月,深度达10余m的水淹,以扦插繁殖为主,也可压条繁殖.疏花水柏枝:喜温湿、耐水淹和生长反季,根系十分发达,具有种子多、易扦插的繁殖优势.水烛:为喜光植物,具有一定耐寒能力,适应性较强,水烛采用分株进行繁殖和种子繁殖.水蓼:为一年生挺水草本植物,喜湿耐淹,多用播种法繁殖,可自行繁衍,有景观用途.狗芽根:禾本科狗芽根属多年生草本植物,具发达的根状茎和匍匐枝,质地较粗,耐寒能力差,养护管理粗放,喜光、耐热、耐践踏,生态适应性广,本试验选用湿生型狗芽根.

3.3 生境构造技术

由于受库水长期浸泡和冲刷,导致边坡上土壤严重流失,岸坡自然生态条件恶劣,大面积为裸露的岩石,边坡坡度大,根据边坡的地形特点和试验的要求,因地制宜,把实验的消落区划分为3个区域,采用3种不同的生境构造技术[11]:1)坡面地势较陡,坡面上地形比较复杂,有很多直立的岩石坡面,采取构筑燕窝植生穴;2)坡面坡度大约60°,坡面上有个别的岩石凸起,其他大部分为粒径R≥10cm的碎石堆积体.采用防冲刷生态型护坡构件;3)坡面地势较陡,坡面上地形复杂,有直立的岩石坡面,绝大部分为粒径R≥10cm的碎石堆积体,少数地方有凸起的大岩石,使用防冲刷基材生态护坡技术(PEB技术).这样针对不同的地形采用不同的生态修复技术可以达到节约成本,有效稳固边坡的效果.

3.4 工程实施效果

3.4.1 植被生长效果

通过大量的人工选种、育种和驯种研究,从众多的本地植物和原自然消落带植物中选出适应该消落带区域环境的物种.郭泉水等研究表明,狗牙根在0～25m淹水深度持续反季节淹没189 d条件下均能保持存活状态[12],刘云峰等用狗牙根匍匐茎或根状茎进行培植,通过一年的试验表明,狗牙根在自然消落带上表现出较强的适应性,条植的狗牙根10～15d返青,28～35d后盖度增长10%～30%,撒播的狗牙根7～10d萌生不定根及不定芽,35d盖度达到15%～25%[13].

通过合理搭配物种,保持物种多样性,植被生长良好,植被盖度达90%,且经过一年水位消落的干扰后,植被能正常恢复生长,植被覆盖率在60%以上,土壤基质也很稳定.

3.4.2 加固岸坡,防止水土流失

试验区经过现场示范实验一年时间的检验,植被覆盖率仍在60%以上,所选植物根系发达,耐淹性强,有效地防御了暴雨及浪涌冲刷,没有发现坍塌脱落现象.通过采用以上消落带生态修复技术,合理时空搭配物种,植被很好稳固了库岸边坡,提升了岸坡自身稳定性,较好地控制了水土流失,保护了宝贵的土地资源,并取得一定成效.

3.4.3 减少库水污染

植被有表现出明显退化现象,通过两次取样回实验室测定,其中TN分析采用碱性硫酸钾消解紫外分光光度法;TP分析采用钼酸铵分光光度法;COD分析采用重铬酸钾法;BOD分析采用红外感应5日生物培养法.植被群落在一年时间内平均去除了水体中污染物效果见表1.

表1 植被去除污染物效果

通过表1分析,试验区植被有效地分解或吸收了库区水体中营养物质及有毒物质,提高了河道自净能力,试验区周围水体透明度增加.因植物光合产氧,使水中溶氧量提高,光合作用吸收水中二氧化碳而使水中碱度增加,pH值由试验前6.7变化为7.1,试验区域附近水体化学成分尤其是污染成分明显降低,有效控制库区水体富营养化,减少了库区水污染.

3.4.4 增加库区景观效果

植被是库区河道的重要景观,消落带的绿化效果对于库区“黄金航道”起着重要的作用.该试验区域,通过物种合理时空配置,修筑了一道绿色金腰带(如图1所示),很好地绿化了消落带岸坡,增强了库区景观视觉效果.

图1 生态景观效果图

4 结 语

本文以恢复生态学为理论指导,以清江隔河岩水电站库区消落带生态修复试验为基础,根据库区水陆生态系统的特点,筛选、繁殖出能适应消落带生长的植物,实验性地构建与恢复具有较强稳定性且与环境相协调一定面积的消落带植被,归纳总结出了一套完整与成熟的水电工程库区消落带植被生态恢复的技术体系.并通过推广应用达到恢复库区消落带的生态功能、保护生物多样性、改善库区生态环境,有利于区域生态环境和社会与经济的可持续利用与发展.

[1] 谢德体,范小华,等.三峡库区消落带生态系统演变与调控[M].北京:科学出版社,2010.

[2] 陈 聪.三峡库区生态问题及对策研究[J].科技资讯, 2009(8):123.

[3] 孙书存,包维楷.恢复生态学[M].北京:化学工业出版社,2005.

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