河岸植被缓冲带生态功能及其过滤机理的研究进展

孙金伟，许文盛

(长江科学院 水土保持研究所，武汉 430010)

河岸植被缓冲带生态功能及其过滤机理的研究进展

孙金伟，许文盛

(长江科学院 水土保持研究所，武汉 430010)

河岸植被缓冲带作为河岸生态系统的重要组成部分，是控制水土流失和面源污染、改善水环境的关键措施,对河岸生态系统的生态及水文过程具有重要的影响。概述了国内外关于河岸植被缓冲带研究的现状，总结了河岸植被缓冲带的主要功能、影响其功能发挥的主要因素和作用机理，并对河岸植被缓冲带的设计、管理和效益评估进行阐述，提出了我国在未来关于河岸植被缓冲带研究的发展趋势及后续研究中仍需加强和关注的重要方向，为今后河岸植被缓冲带的研究提供参考和借鉴，具有一定的理论价值和实际意义。

植被缓冲带；水环境污染；水土流失；面源污染；过滤机理；生态服务

1 研究背景

随着人口的迅速增加和社会经济的快速发展，人类的生产生活对河流的干预不断加剧，水环境恶化的问题日益严重，直接导致水生生态系统的破坏。河岸缓冲带能够有效地控制污染物输入水体，在水环境污染防治中发挥了重要的作用，河岸植被缓冲带的研究也越来越多地受到众多研究者的关注。河岸植被缓冲带是陆生生态系统与水生生态系统的过渡地带，具有明显的边缘效应，是指岸边向岸坡延伸的乔木、灌木和草本组成的缓冲区域，能够防止地表径流、地下径流、废水排放等携带的养分、有机质和其他污染物等汇入水体[1-2]，河岸植被缓冲带又称为植被过滤带、保护带等，被认为是防治面源污染的最佳管理措施。

关于植被缓冲带的研究最早始于1967年，Wilson通过试验发现植被缓冲带的宽度与沉降物及其颗粒大小呈反相关关系[3]。后续研究中关于植被缓冲带的过滤机理、影响因素、设计与管理、效益分析、模型等方面的研究逐渐展开。在美国的一些地区，植被缓冲带的建设多以保护区项目和共同出资项目的形式得到资助[4-5]；加拿大将植被缓冲带列入相关环境规划和水土管理措施当中[6]；欧洲的许多国家也开展了许多植被缓冲带的研究并提倡该措施的应用。

我国关于植被缓冲带的研究起步较晚，在20世纪90年代以前多是作为湿地研究的一部分，因此关于植被缓冲带的基础研究较为薄弱，严重限制了我国河岸带修复重建和水体健康的维护等工作。随着国内外对面源污染的重视和相关研究的开展，证明了植被缓冲带对控制水体污染的良好效果，继续开展河岸植被缓冲带生态功能的相关研究具有十分重要的理论和现实意义。本文综述了河岸植被缓冲带的生态功能、过滤机理等的研究进展，以期为后续河岸植被缓冲带的研究提供参考和借鉴。

2 植被缓冲带的功能作用

河岸缓冲带处于陆、水生态系统的过渡区，位置特殊，能够发挥过滤、廊道和屏障的作用。具体包括以下几个功能。

2.1 自然保护功能

2.1.1 稳固堤岸

河岸缓冲带具有良好的水土保持功能，对于保护堤岸、降低土壤侵蚀均具有良好的效果。河岸植被缓冲带的存在可以有效减小裸露地表面积，减少外营力对土壤的干扰，从而降低地表径流对河岸的冲刷。此外，植被的根系、凋落物等可以较好地固持河岸的土壤，增加堤岸的抗侵蚀能力。许多研究证明存在植被缓冲带的河岸稳定性明显高于缺少植被生长的河岸[7];河岸缓冲带对径流沉积物的截留能力，不仅与径流流速和沉积物的性质有关，更与河岸缓冲带的植被类型和结构密切相关[8]。

2.1.2 过滤、净化水质

植被缓冲带可以通过过滤、吸渗、滞留、沉积等作用，有效地阻止地表径流中颗粒物、各种氮、磷有机物和农药等进入地表水和地下水，发挥其防治水土流失、拦截泥沙、降解污染物、保护水环境的重要作用。Lim等[9](1998)通过试验研究发现，含有粪肥的径流经过长6 m的植被缓冲带的过滤后，约有75%的氮、磷、有机物和悬移质被滞留，大肠杆菌被完全过滤。黄沈发等[10-11]对不同坡度的植被缓冲带开展面源污染的防治试验，研究结果证明不同坡度的植被缓冲带均具有明显的净化效果。

2.1.3 调节小气候

植被缓冲带可以形成缓和的微气候。首先，河岸的植被为河流形成遮挡，在夏季可以一定程度上降低水温，冬季由于植被缓冲带对水体反向辐射的吸收，会产生一定程度的增温效果；其次，植被缓冲带还可以减少流域附近的蒸发和对流。有研究分析了植被缓冲带对气温、土壤温度的影响，结果表明不同的植被类型均能减小温度的变化幅度[12]。

2.1.4 保护生物多样性

植被缓冲带处于水、陆过渡区这一特殊的地理位置，是水陆生态系统相互联系的重要通道。该区域多生存着丰富的鸟类、两栖类、无脊椎动物和微生物等野生生物，河岸的植被、甚至倒木和枝干、树根均可以形成适合不同生物生存的生境，为野生动物创造重要栖息地[13]。Fry等[14]的研究认为70%的脊椎动物的栖息地分布于河湖滨岸的缓冲带，Wenger[13]的研究表明距离河岸150～170 m的植被缓冲带大约包含了90%的鸟类栖息地。

2.1.5 供给物质

水流经过与岸边植被的撞击，可以增加水的溶氧量，另外，河岸植被缓冲带可向河水中输入大量的枯枝落叶、果实等，这些有机物质可为河水中的细菌和菌类提供食物，也为水体中的生物提供物质来源。

静压力桩加固施工技术同样是预制桩施工中常用的一种地基基础加固技术，具有造价低、环保性强等优势。通常情况下，在应用该技术进行施工时，需对房屋建筑地基基础施工要求具有明确的认知与掌握，并根据已有资料，做好单桩承载力、压桩速度等参数的计算工作。与此同时，采用分阶层压桩法，进行基坑开挖与压桩操作，在此过程中需保证上节桩与下节桩轴线的相一致[2]。此外，应依据有关规定与技术标准，有效控制桩顶水平偏位量以及柱升降量，减少桩基施工误差，提升桩基施工质量与效率。

2.2 社会功能

河岸植被缓冲带形成的景观具有多样性，水陆镶嵌的景观格局提高了流域景观的美学价值。河岸植被缓冲带植物资源丰富，湿地、草地和森林生态系统使流域的景观效应更加优化。植被缓冲带上可以设置供人们休闲娱乐的设施，也为居民和游客的旅行、摄影等创造良好的条件，提高人们生活质量、保持良好的身心健康。另外，由于河岸植被缓冲带不仅有丰富的动植物资源，还存在生态环境因子与动植物群落的复杂关系，常被人们选为教育和科研基地。

3 植被缓冲带的影响因素及机理

3.1 植被的种类、结构和布局

按照植被缓冲带的植被组成可划分为草地缓冲带、灌木缓冲带、林木缓冲带和以上几种植被构成的复合缓冲带。不同的植被类型对于陆源污染物的阻控能力不同。

有研究表明，乔木植被缓冲带对氮元素的吸收效果优于草本植被[15-17]，但草本植被对粗颗粒泥沙和泥沙结合的污染物和磷元素的拦截效果显著，这是由于磷难溶于水，往往与颗粒泥沙等物质集中在地表[18-19]。有学者认为草本和乔木在缓冲作用上区别明显，草地对营养物质的吸收、滞留效果较好，而乔木稳固河岸的效果优于草本[20]。此外，黄沈发等[21]研究表明，草本植被中不同种类的草本对农田径流污染物的去除率也存在差异(百慕大草皮>白花三叶草>高羊茅草)。植被缓冲带的植物配置包括水平和垂直2个层面，垂直结构分层往往考虑不同生活性的乔木、灌木、藤木和地被植物，垂直结构越丰富生态系统稳定性越高[22]；植被缓冲带植物配置的水平结构主要考虑不同物种的密度和不同物种植物共存的问题。植被缓冲带通常分布在河岸下坡的位置，并垂直于地表径流方向分布，植被缓冲带的空间布局十分重要，它的选址直接影响到植被缓冲带各项功能能否有效发挥[23]。

3.2 植被缓冲带宽度

植被缓冲带多呈长方形，设于岸边下坡处。关于植被缓冲带的宽度，国内外许多研究者从生态功能的实现和污染物截留效率等方面对宽度要求进行了研究[24-26]。尽管地表径流经过的植被缓冲带越宽，过滤效果越明显，然而，由于土地资源和管护成本的限制，如何确定植被缓冲带的适宜宽度，使其最大地发挥植被缓冲带的功能成为众多研究者关注的问题。黄沈发等[21]把径流污染物去除率达80%时的宽度定为植被缓冲带的最佳宽度。罗坤[27]对崇明岛河岸植被缓冲带的宽度进行分析，依托于空间数据库计算河岸植被缓冲带所需的最小宽度。目前，关于河岸植被缓冲带宽度的计算方法大概包括基于河岸带物理过程的复杂模型的计算方法、基于不同参数的简单模型计算方法和考虑应用目的和对象的其他确定方法。

3.3 植被缓冲带坡度

3.4 土壤性质

土壤理化性质的差异会对地表径流通过植被缓冲带时的流速和路径均产生影响，此外，土壤理化性质也会引起土壤中氧含量的差异，进而影响植被缓冲带各生态功能的发挥[30]。当土壤中有机质含量较高时，更利于地表径流中疏水性有机物的吸收。有机物质被吸收后，通过反硝化作用，进行氮元素的矿化，该矿化过程受到土壤中矿物质含量的影响，氮元素的矿化作用表现为矿物质含量低的细质土高于矿物质含量高的粗质土，此外，土壤PH值和土壤微生物的含量也会对碳、氮元素的矿化产生影响，PH值升高促进矿化作用，土壤微生物含量越高，越利于矿化作用[30-32]。

3.5 气象因子

土壤的温湿度与土壤中有机氮的矿化密切相关，土壤的温度越高，氮元素的矿化速率越大。春、夏季期间，由于温度较高，植物缓冲带反硝化作用相对活跃，氮元素矿化后更容易被植被缓冲带截留、转化和吸收，冬季植物处于休眠期，较低的土壤温度限制了氮元素的矿化速率[33]。有研究证明，温度较低时植被缓冲带的缓冲能力下降，水土中氮元素的含量会上升[34]。

3.6 水文因素

水文过程对植被缓冲带缓冲效果的影响主要表现在水文过程影响土壤和植被的变化。有研究表明地下水文会影响植被缓冲带对氮、磷元素的截留转化：地下水位较高，缓冲带植被的根系和土壤可以与径流充分接触，提高植被缓冲带对径流中营养物质的拦截；当地下水位较低时，则大大降低了植被缓冲带的拦截转化效率[35]。

4 植被缓冲带的设计、 管理和效益评估

4.1 植被缓冲带的设计与管理

降雨形成地表径流后通过集中汇入和坡面缓冲汇入2种方式进入水体，然而只有当地表径流经过植被缓冲带，以缓冲汇入的方式进入水体时，径流中携带的污染物才能够被拦截，地表径流集中入河时，地表径流污染物主要通过汇入支流进入水体，造成水体污染[36]。国内外许多研究利用遥感手段，结合研究区的土地利用现状、地形和降水特征等信息对植被缓冲带的空间布局和定量规划进行了研究[37-39]。植被缓冲带建成初期，会在不完整的植被缓冲区形成“木桶效应”。此外，对于长期投入使用的植被缓冲带，随着径流污染物在缓冲带中的逐渐积累，会变为“氮库”等污染物的输出来源，因此，对于植被缓冲带需要进行适当的管护，才能保证植被缓冲带功能的正常发挥[40-41]。植被缓冲带的管护被认为是对自然资源进行经营和管理的重要环节[42]。

4.2 植被缓冲带效益评估

构建植被缓冲带需要占用一部分土地资源，因此人们对植被缓冲带的构建常常比较消极和被动。然而，近年来，众多学者对植被缓冲带发挥的生态效益进行了评估，人们开始意识到植被缓冲带带来的重要生态效益。Qiu[43]对密苏里州2个植被缓冲带10 a的生态效益进行评估，估算结果显示，植被缓冲带会给建设者带来收益。Santhi等[44]对美国“国家保护缓冲带倡议”规划中植被缓冲带的效益进行评估，研究结果认为植被缓冲带工程产生的效益十分显著，而且当植被缓冲带长度倍增时，其效益率也会增加。

5 植被缓冲带研究的总结和发展趋势

(1) 植被缓冲带已在世界范围内被认为是流域治理的最佳经营措施之一。植被缓冲带不仅可保持水土，防治水体污染，同时具有美化环境和为野生动物提供栖息地等其他多种生态和社会效益。因此，应加强植被缓冲带的研究，分析其适用性。

(2) 随着“3S”技术的迅速发展，“3S”技术在植被缓冲带研究中的应用逐渐展开，例如，利用“3S”技术建立数据库，进一步开展汇流路径、面源污染负荷等的定量模拟以及植被缓冲带定量规划等的研究。以“3S”技术为平台开展缓冲带相关研究，拓宽了研究思路，是后续研究中仍需加强和关注的重要方向。

(3) 关于植被缓冲带的模拟，国内外已有很多试验结果和多种数学模型，但仍很难确定植被缓冲带的最佳设计宽度，需要不断开发适合我国地区特点的模型，对植被缓冲带的结构、过程和功能进行研究，探讨与各种干扰因子间的作用机制，为植被缓冲带的设计和管理提供科学的参考依据。

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(编辑：姜小兰)

Research Advances in Ecological Functions andFiltration Mechanism of Riparian Buffer

SUN Jin-wei, XU Wen-sheng

(Soil and Water Conservation Department,Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China)

As an important component of riparian ecosystem, riparian vegetative buffer strip is a key measure to control water and soil loss and non-point source pollution and to improve water environment. And it has an important influence on the ecological and hydrological processes of riparian ecosystem. In this article, the research status of riparian vegetative buffer strip in China and abroad is reviewed and the main functions, main factors and mechanism affecting its functional performance are summarized. Moreover, the design, management and benefit evaluation of the riparian vegetative buffer strip are expounded. The development trend of researches on riparian vegetative buffer strip in the future and the important directions which need focuses are also put forward. This article could provide reference and draw lesson for future researches on riparian vegetative buffer strip and have theoretical value and practical significance.

riparian vegetative buffer strip; water environment pollution; water and soil loss; non-point source pollution; filtration mechanism; ecological service

2016-07-11

水利部科技推广项目(TG1518)；中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(CKSF2016007/TB)

孙金伟(1986-)，女，山东潍坊人，工程师，博士，主要从事生态学方面的研究，(电话)027-82927816(电子邮箱)sunjinwei615@126.com。

10.11988/ckyyb.20160706

2017,34(3):40-44

X171.1

A

1001-5485(2017)03-0040-05