缓解集中流影响的植被缓冲带优化策略探讨

杨 渊

王天星

蔡心怡

江明艳*

河岸植被缓冲带，简称“植被缓冲带”(Vegetation Buffer Strip，VBS)，也被称为“植被过滤带”[1]“河岸缓冲区”[2]，是位于污染源与水体(河流、河道及溪流等)之间的植被种植(林地、灌木丛、草坪地被)区域，具有污染物截留、保护水质、保护生物多样性等生态功能。迄今为止，学术界关于VBS的研究主要集中在其防止农业非点源污染的作用[3]、地形特征[4-5]、植被环境[6-7]、土壤特征[8]、水文环境[9]以及研究模型[10]等方面。

一些特殊的水文条件，如集中流[11]、冲蚀水沟[8]等在VBS中出现并频繁发生，大大削弱甚至完全抵消VBS的截污净化效应[12-14]。目前，关于这类特殊水文条件对VBS功能效应的影响研究还处于实地调研阶段[7，8，15]，对缓解特殊水文条件影响的技术措施研究也只进行了少数探索性实验[16-17]。本文在归纳总结集中流的概念、形成及其对VBS影响的基础上，针对性地提出了缓解集中流影响的VBS优化策略，对VBS前端、中端、末端适用的各项工程技术措施进行量化研究，以期为完善VBS营建技术体系提供参考。

1 集中流对植被缓冲带的影响

1.1 集中流的概念与形成

“Concentrated Flow Path”(CFP)译为“集中流”[7，11，12]，是指随着时间的推移，在植被缓冲带内部或相邻区域，由泥沙沉积形成的阶地所滞留的地表径流在阶地海拔最低点突破之后所形成的相对狭窄且流速较快、流量较大的地表径流形式，国内有学者将其称为“股流”[12，18]。CFP是水文、地形、土壤、降雨、植被环境和人为活动等多方面因素共同作用的结果，使其形成的直接原因是沉积物堆积形成的阶地[12]以及地表径流量的增加。

表1 缓解集中流影响的植被缓冲带优化策略

表2 植被缓冲带前端散流结构的技术要点

1.2 集中流对植被缓冲带的影响

CFP对VBS的影响主要表现在2个方面。首先是CFP上升的流速、流量和水位对VBS自身环境的侵蚀与破坏作用[12]，这是CFP负面影响的直接体现。CFP作为一种特殊的水文条件，其存在直接反映出VBS水文条件的变化；同时，与一般的层片流相比，CFP对VBS表层土壤和植被的冲刷作用更加明显[13]，这会导致VBS土壤结构与植被环境恶化[7]，并随着时间的积累改变VBS的地形特征，例如形成侵蚀水沟[6]或更陡的坡度等。其次是VBS自身环境的恶化会减弱甚至完全抵消其生态效应[6-7]，这是CFP负面影响的间接体现。VBS生态效应的发挥受到水文、地形、土壤及植被等多重因素及各因素之间相互作用的影响；而CFP的发生被认为是区域生态系统退化的标志[13]，这意味着区域内水文条件[19]、土壤结构[20]、地形特征[21-22]或植被环境[23]等已经出现变化甚至恶化现象，这会严重阻碍VBS生态效应的发挥。

2 缓解集中流影响的植被缓冲带优化策略

VBS优化策略旨在缓解CFP的侵蚀和恢复被破坏的生态环境，因此缓解措施有3个切入点：减速分流、渗透吸收和固土净化。以此为指导原则，将植被类型与配置、河岸地形(坡度和宽度)、驳岸处理等作为主要因素，从VBS的前端、中端、末端3个空间层次上构建一套完整的VBS优化策略(表1)。

图1 草地过滤带结构示意

图2 梢捆结构示意

图3 灌木树篱结构示意

图4 石头堰结构示意

3 植被缓冲带前端散流结构的设置

目前已有基于实地调查数据的分析指出，在VBS前端设置草地或湿地能够有效缓解CFP带来的风险[7，25]，植物过滤带或缓冲屏障对VBS的环境和生态效应具有防护作用[11，16]，现场实验也证实植物散流带能够分散CFP并减轻CF P 的侵蚀效应[18]。但是，目前相关研究均停留在现场调查和实验分析阶段，各种技术结构对应的指标参数尚不明确。

表3 植被缓冲带中端渗透系统优化的技术要点

本文通过对相关研究成果的梳理与整合，提出VBS“前端散流结构”，即在靠近地表径流输入区域一端以植物或土石为主要材料、通过一定的结构与布局形成若干缓冲空间，提高地表粗糙度或形成缓冲屏障，对流经VBS的CFP产生“减速分流”[26]效应，起到保护地表土层、降低产流量、缓冲侵蚀以及初步拦截净化等作用。前端部分整体宽度3.0～18.0m，可针对不同环境条件采用4种散流结构，即草地过滤带、梢捆、灌木树篱和石头堰，具体技术要点见表2。

图5 不同土质的植物选型示意：(a)黏土植物选型；(b)壤土植物选型；(c)砂土植物选型

图6 微盆地结构示意

图7 梯级地形结构示意

4 植被缓冲带中端渗透系统的优化

本文在综合考虑植被环境(覆盖度、根系[31]、茎干密度和枯枝落叶等)、土壤特征(土壤质地、渗透率、土层厚度等)、地形条件(坡度、宽度等)等因素的前提下，以“延长接触时间、扩大接触面积、促进渗透吸收”为原则，借鉴前人对根系作用[32-33]和土壤侵蚀治理技术[34-36]的研究成果，从根系的土壤改良作用、植被的防侵蚀作用和宽度效应等方面出发，提出VBS“中端渗透系统”，通过不同土质条件下的植物选型与河岸微地形的塑造，最大化地发挥VBS对CFP的渗透与吸收效应。中端部分整体宽度5.0～30.0m，可针对不同环境条件采用5种空间优化措施，即黏土、壤土和砂土条件下的植物选型、微盆地和梯级地形的塑造，具体技术要点见表3。对VBS中端结构优化的研究目前几乎空白，鲜有可借鉴的技术参数，因此文中所提出的优化技术尚存在一定的局限性。

5 植被缓冲带末端驳岸形式的改造

目前关于生态护坡技术[29，42-44]和土壤生物工程技术[45-47]的研究已证实它们具有污染控制和驳岸保护的功能，但是与之相对应的技术结构、地形和植物配置等参数尚不明确。本文通过对各种驳岸营建技术的整合，以“截污净化”和“稳固河岸”为主要原则，提出VBS“末端驳岸形式”，以植物作为主要材料，充分考虑生态系统的自我修复能力。末端部分整体宽度2.0～12.0m，可针对不同环境条件采用“草本+灌木”型、“活枝柴笼+灌丛垫”型和“植物+石块”型3种生态驳岸结构形式，具体技术要点见表4。

表4 植被缓冲带末端驳岸形式改造的技术要点

6 讨论与展望

本文在综合前人相关理论与实验研究成果的基础上，从CFP对VBS的负面影响出发，从前端、中端和末端3个空间层次上提出针对性的VBS优化策略。由于研究条件与时间的限制，目前还未在特定的场地中进行相应的VBS优化效应测试。因此文中提出的VBS优化技术结构还处于示意阶段，未根据某一特定的环境条件和优化目标给出具有对照意义的自然植被参照系、优化前的植被现状、优化后的植被配置方案，以及VBS优化前后截污净化效果的数据对比分析。后续研究可在本文提出的VBS优化策略的基础上，针对性地进行某种特定环境的VBS优化设计和优化效应测试，以进一步论证和完善VBS优化策略。

CFP的形成是水文、地形、土壤、降雨、植被环境和人为活动等多方面因素共同作用的结果，其中部分因素在不同环境中具有很大差异，难以在未确定具体场地的背景下全面考虑。因此，文中VBS优化策略是基于地形和植被环境2个可控因素，以及理化特征相对固定的土壤因素提出的，对于水文、降雨、人为活动等不确定因素的考虑不足。后续研究可针对某种特定环境，结合文中提出的VBS优化策略进行实验设计，测试不同水文、降雨、人为活动条件下VBS优化策略的功能效应，进一步提升其科学性和适应性。

后续研究还应关注VBS作为河岸景观的重要组成部分所应体现的景观美学价值(如驳岸和植被空间的美化、内部景观与微地形的结合等)，同时结合现代生活需求挖掘其潜在价值(如园艺、康养等)，实现其生态、景观与生活价值的和谐统一。

注：文中图1～7由王天星绘制，图8～10由杨渊绘制。

图8 “草本+灌木”型结构示意

图9 “活枝柴笼+灌丛垫”型结构示意

图10 “植物+石块”型结构示意