李晋鹏，吴 磊，刘 殊，宣 昊，王学霞

(1. 交通运输部水运科学研究所，北京 100088; 2.中南林业科技大学 林学院, 长沙 410004; 3.生态环境部环境工程评估中心, 北京 100012; 4.北京市农林科学院 植物营养与资源研究所, 北京 100097)

1 研究背景

河岸带作为陆生和水生生态系统之间最重要的生态过渡带，其空间异质性高，物质流、能量流和信息流交换频繁，具有较高的生物多样性和生产力[1-2]，其组成结构对外界干扰和水文情势变化敏感，并日益受到人工工程的强烈影响[3-4]。护岸工程作为天然河流航道整治工程的重要内容，传统上多采用混凝土和抛石等硬质材料，强调结构的稳定性、安全性和防洪能力，从而忽视了河岸带的审美价值、生态功能、河流生态完整性及水生陆生生态系统的连通性[5-7]。近年来，生态护岸作为航道整治工程生态建设的重要实现途径备受国内外关注，相关的研究和应用日益增加，并已成为航道整治工程的发展趋势[8-10]。生态护岸的建设不仅满足了工程设计的要求，还便于植物的生长、生物体的交流、地表径流和地下水的流动，提高了河岸带生态系统的稳定性，并为生物提供了适宜的栖息地[11]。

长江航道在航运方面具有独特优势和巨大发展潜力，被誉为“黄金水道”，是构建长江经济带综合立体交通走廊的主骨架。近年来，长江航道整治工程先后采用了混凝土网格、钢丝网石笼、土工格栅等新型护岸护滩结构，为生态护岸的建设开展了有益的探索[10,12]。长江南京以下深水航道二期工程在建设过程中研发了多种生态护岸形式，并在部分河段开展了相应试验。当前，生态护岸的生态性评价多采用植物体高度、植被覆盖度、物种丰富度和组成、生物多样性指数、大型底栖动物和微生物等相关指标，对其植被恢复情况跟踪研究相对较少[13-14]。研究区所在河段为冲积平原，水动力及泥沙运动复杂，不同程度受到潮流的影响，生态护岸的建设及植被恢复情况备受关注[15]。因此，采用数量生态学方法对二期工程生态护岸的陆生植被恢复及实施效果进行评价具有重要的理论意义和实践价值。基于上述分析，本研究选取长江南京以下深水航道二期工程典型生态护岸和传统抛石护岸，对工程竣工后1 a的陆生植被自然恢复状况进行采样调查，定量评价不同类型生态护岸的植被恢复效果，揭示生态护岸植被恢复的影响因素，在此基础上探究不同生态护岸的生态性及其生态效应，进而为航道整治工程生态护岸的结构设计提供理论依据，为长江生态保护及修复提供重要指导。

2 研究区域与研究方法

2.1 研究区域概况

长江南京以下12.5 m深水航道二期工程是我国“十二五”和“十三五”期间内河水运投资规模最大、技术和建设环境最复杂的重点工程，涉及河段全长227 km，重点整治福姜沙水道、口岸直水道、和畅州水道和仪征水道[16]，工程于2015年6月开工，2017年6月交工验收。本研究选取口岸直河段2017年5月建成的传统抛石护岸(图1(a))及2种典型生态护岸为例，包括格状石笼压载植生垫护岸(图1(b))、立体网状栅格护岸(图1(c))，于2018年秋季开展植被恢复状况采样调查研究，护岸所在区域均为自然恢复植被。调查表明:传统抛石护岸采用块石，泥沙于石缝中淤积，植物生长条件较差;格状石笼压载植生垫护岸和立体网状栅格护岸泥沙分别于格宾和混凝土立体网格构件内淤积，促淤效果好，可以为植物提供充足的生长空间。

图1 长江深水航道工程生态护岸植被恢复调查采样点Fig.1 Sampling sites of vegetation restoration by ecological riverbank in the deep waterway regulation of Yangtze River

2.2 样地调查及分析测试

本研究于2018年秋季枯水期开展口岸直河段传统抛石护岸及2种生态护岸的陆生植物群落及分布格局调查，每个采样点设置1个植被调查样方(图1)。具体过程如下：①立体网状栅格护岸，垂直于河流方向设置3条调查样带，每条样带沿河岸带横向梯度等距离(由近及远分别表示为a，b，c，d)设置 4个植被调查样方，共计12个样方(E1—E12)；②格状石笼压载植生垫护岸，随机选取2个石笼，设置2个样方(L1,L2)；③抛石护岸，垂直于河流方向设置3条调查样带，每条样带沿河岸带横向梯度等距离(由近及远分别表示为a、b、c)设置3个调查样方，共计9个样方(S1—S9)；④分别于立体网状栅格护岸和传统抛石护岸工程区影响范围外，设置2个对照样方D1和D2(图1)。

2.3 数据处理

2.3.1 重要值及优势种确定

样方中各植物物种的重要值(Important Value, IV)可以采用以下公式进行计算[18]：IV=(相对密度+相对频度+相对盖度)/300。其中：相对密度为某一物种的个体数占所有物种总个体数的百分比;相对频度为该物种的频度占所有物种频度的百分比；相对盖度为某一物种的盖度占所有物种总盖度的百分比。

采用重要值这一综合数量指标来确定各样方的优势种，样方中重要值>0.10的物种可以确定为该样方的优势种。

2.3.2 生物多样性指数

生物多样性指数能较好地反映植物群落的种类组成、结构稳定性和复杂性[19]。计算各采样点植物样方的生物多样性指数，公式如下：

(1)Margalef丰富度指数d为[20]

d=(S-1)/lnN。

(1)

(2)Shannon-Weaver指数(H′)为[21]

(2)

(3)Pielou均匀度指数(J)为[22]

J=H′/lnS。

(3)

式中：Pi为样方中第i个物种个体数占总个体数的比例；N为样方中所有物种个体数之和；n为样方中植物物种总数；S为样方中的植物种类分类单元数。

2.3.3 相关统计和CCA分析

3 结果与分析

3.1 植物群落种类组成

护岸工程25个植被样方调查共采集到维管束植物12科19属19种，其中1种为蕨类植物，其余18种均为被子植物(表1)。立体网状栅格护岸植物种类为8种，其中一年生草本植物4种，占50%，优势种为马兰(Kalimerisindica)、碎米荠(Cardaminehirsute)等；格状石笼压载植生垫护岸为6种，其中一年生草本植物2种，占33%，优势种为碎米荠、芦苇(Phragmitesaustralis)、蔊菜(Rorippaindica)等；抛石护岸植物种类为6种，其中一年生草本植物2种，占33%，优势种为北水苦荬(Veronicaanagallis-aquatica)，碎米荠等；对照样点植物种类为12种，其中一年生草本植物2种，占17%，优势种为芦苇、土牛膝(Achyranthesaspera)、水蓼(Polygonumhydropiper)、五月艾(Artemisiaindica)等。此外，研究区河岸带还分布有朴树(Celtissinensis)、榔榆(Ulmusparvifolia)、构树(Broussonetiapapyrifera)、八角枫(Alangiumchinense)等乔灌木植物种类。

表1 长江深水航道工程生态护岸植物群落种类组成Table 1 Composition of species in ecological riverbank in the deep waterway regulation of Yangtze River

表2 长江深水航道工程生态护岸沉积物物理化学性质Table 2 Physicochemical properties of sediments in ecological riverbanks in the deep waterway regulation of Yangtze River

3.2 植物群落生物多样性及生物量

生物多样性指数计算结果(图2)表明，立体网状栅格护岸的Margalef丰富度指数(d)和Shannon-Weaver 指数(H′)均表现为沿河岸带横向梯度逐渐增大，靠近内陆一侧具有较高的生物多样性，靠近河流一侧样点(E-a、E-b)则没有植物种类的分布；格状石笼压载植生垫护岸具有相对较高的生物多样性；抛石护岸沿河岸带横向梯度生物多样性随机变化较大，且均有植物种类的分布；对照样点具有最高的生物多样性。Pielou指数(J)作为衡量植物群落物种分布均匀程度的指标，可以看出对照样点、格状石笼压载植生垫护岸和立体网状栅格护岸靠近内陆一侧物种分布均匀度较低；抛石护岸则沿河岸带横向梯度物种分布均匀程度随机变化较大。

注：a、b、c和d表示垂直于河流方向，生物多样性指数和生物量沿河岸带横向梯度等距离由近及远的变化 图2 长江深水航道工程生态护岸生物多样性指数和 生物量Fig.2 Biodiversity index and biomass of ecological riverbanks in the deep waterway regulation of Yangtze River

植物地上部分生物量计算结果表明(图2)，立体网状栅格护岸生物量垂直于河流方向逐渐增大，靠近内陆一侧具有较高的生物量；格状石笼压载植生垫护岸具有相对较高的生物量，且与对照样点较为接近；抛石护岸生物量较低且垂直于河流方向随机变化较大。

3.3 沉积物物理化学性质

3.4 植物群落特征与沉积物物理化学性质的关系

表3 长江深水航道工程生态护岸植物群落特征与沉积物物理化学性质的Pearson相关系数Table 3 Coefficient of Pearson correlation between vegetation community characteristics and sediment’s physicochemical properties in ecological riverbank of the deep waterway regulation of Yangtze River

3.5 CCA

表4 生态护岸工程植被恢复调查采样点CCA排序轴 特征值及物种环境相关性Table 4 Eigenvalues and species-environment correlation of CCA axes for sampling sites of ecological riverbank vegetation restoration

图3 长江深水航道生态护岸工程植被恢复CCA排序Fig.3 CCA ordination diagrams of ecological riverbank vegetation restoration in the deep waterway regulation of Yangtze River

4 讨 论

4.1 生态护岸工程植物群落结构、生物多样性及生物量

当前，我国河流及航道整治工程中普遍过度硬化，导致河岸带生态系统不断退化和生物多样性的丧失[23]。生态护岸作为符合生态保护理论的一种护岸工程结构形式，在确保结构稳定性和安全性前提下，可以恢复及形成稳定的河岸带生态系统[8]。植物群落物种组成及优势种变化是群落演替的重要标志[19]。植被是生态护岸的重要组成部分，生态护岸特有的结构形式可以促进植物的定植、生长和沉积物的淤积，不同的结构形式其植被演替及恢复效果具有明显差异性[24]。长江深水航道生态护岸工程经竣工后一年多的植被恢复，调查共记录植物19种，分别隶属于12科19属，护岸工程区植物种类均低于自然对照区(12种)。研究结果表明，格状石笼压载植生垫护岸植被(6种)恢复效果较好，以多年生植物芦苇占优势，具有较高的生物多样性指数和生物量，并与自然对照区河岸带广泛分布的芦苇群落较为相似。立体网状栅格护岸植被(8种)以马兰和碎米芥为优势种，一年生植物种类较多，生物多样性指数和生物量沿着河岸带横向梯度增加，靠近内陆一侧具有较高的生物量，靠近河流的一侧未发现植物种类的定植。相关研究表明，生物多样性与生态系统稳定的关系较为复杂，物种数量最高的群落通常为短暂过渡类型[25]，因此立体网状栅格护岸植被恢复尚处于演替的初级阶段。抛石护岸植被(6种)恢复效果较差，仅在沉积物淤积处有植物生长，优势种为北水苦荬，碎米荠等，生物多样性和生物量沿着河岸带横向梯度随机变化较大，生物量较低。

4.2 生态护岸沉积物物理化学性质与植物群落分布相互关系

5 结 论

本研究以长江深水航道整治工程为研究案例，选取2种新型生态护岸及传统抛石护岸工程，开展了工程区陆生植物群落恢复情况研究，主要结论如下：

(1)工程区共有植物19种，隶属于12科19属，其中1种为蕨类植物，其余18种均为被子植物，生态护岸工程区植物种类和生物量高于传统抛石护岸区。

(2)沿着河岸带横向梯度，立体网状栅格护岸的生物多样性增大，抛石护岸生物多样性变化较大，格状石笼压载植生垫护岸具有较高的生物多样性。

(4)综合不同护岸工程的结构形式，植物群落恢复及沉积物营养盐含量状况分析，格状石笼压载植生垫护岸植被恢复效果最好，立体网状栅格护岸次之，传统抛石护岸相对较差。

(5)研究区生态护岸的植被恢复还处于动态演替过程，其生态效应有待于长期深入研究。此外，长江下游深水航道整治工程仅在部分河段开展了生态护岸试验，生态护岸在工程建设、施工和后期维护等方面还有待于进一步评估。