丁锟奇,毛 苇,宋海洋,严如玉,王以鹏,计 勇*

(1.南昌工程学院水利与生态工程学院，江西 南昌 330099;2.江西信江船闸通航中心，江西 鹰潭 335000;3.南昌工程学院土木与建筑工程学院，江西 南昌 330099)

生态护坡是一种耦合植物和工程应用的护坡形式，它在除了保证传统护坡的基本功能正常运行外，还可以起到增强水体的自净能力，加强生态美学性，调节水位，保护生态系统等作用[1]。因为传统河道护坡长期以来主要关注的是边坡的稳定性与防洪防涝，多采用硬化混凝土河道、修建混凝土护堤等措施[2]。这类护坡造价成本高昂、景观性不强，不利于生态环境的保护[3]。于是兼顾岸坡稳定性与生态性的生态护坡理念应运而生，并且逐渐应用到工程建设中。生态护坡更加尊重生态自然规律，充分发挥了护坡工程在维持生态稳定中的作用，在恢复自然生境、增加生物多样性方面同样起着非常重要的作用。但生态护坡在实际工程中也存在部分局限性，强度有限，坍塌、滑坡、植被成活率低等问题依然存在。国内外目前对生态护坡的研究和应用着重于生态材料的选择和应用、工程的架构形式、植被根系的加固机理等方面[4]，对于其生态性方面的深入研究、工程运行后期的情况研究相对较少[5]。因此，如何实现护坡工程全面生态化，结合前沿理论探索发展新型护坡技术仍是当前的重点。

1 生态护坡研究及应用现状

1.1 建筑材料

生态护坡工程材料[6-7]以天然性、生态性为主，其中包括基质材料与水生植物两大部分。基质材料是湿地中不可或缺的组成部分，主要包括土壤、砂石、砾石、沸石等，这些材料主要是通过物理吸附、化学吸附等方式进行水质净化[8]。方升华[9]发现表面流人工湿地的基质材料与在生态护坡中使用的生态材料有着互通性，故在人工湿地方面对于基质材料的研究对于河道护坡使用的生态材料具有指示性意义。由国内外学者[10-12]研究可知选取合适的基质材料对于水中污染物的去除效果有积极作用，在生态护坡中可通过在工程建设时，掺杂一些净化效果好的基质材料进行优化配置，能有效增强水体与护坡工程的自净能力。

水生植物是生态护坡的重要组成部分，植被深根具有锚固作用、浅根有加筋作用，很好地维护了护坡的稳定性，有效地防止水土流失，达到了截留积累降雨、削弱洒蚀等目的。联系生态性原则，能够对空气起到良好的净化效应，有效调节局部区域小气候，改善自然生态环境。中国学者[13-15]的众多研究表明水生植物可通过其根系、茎叶对水中污染物进行吸附、降解，从而达到对水体的净化作用。在常水位以下护坡段种植水生植物能够有效地加强护坡的稳定性，满足对于生态性与景观性的需求，在不同的河段位置采用适宜的植物配置能够起到更加优质的作用。

目前国外大多数的研究都是探讨木本植物的边坡稳定机理，这种知识的不平衡导致了一种广泛的认知，即木本植被相较于草本植被更加有利。Löbmann等[16]针对这种现状进行了相关研究，结果发现木本植被与草本植被的作用效益都是高度可变的，取决于特定的当地生长条件、特定的位置要求、物种组成和植物生长情况。但草本植被比木本植被对环境变化的响应更快。因此，将与草本植被相关的生态过程整合到研究和规划方法中是很重要的。Sanchez-Castillo等[17]就对日本森林优势蕨类植物(大多为草本植被)进行了生态指标的计算和形态特征的量化，探究其保护坡岸的机理，并在实际工程中加以配置，使得护坡工程得到了良好的发展形态。

1.2 构筑形式

如今，中国水利工程河道生态护坡工程形式多种多样，技术日趋成熟，众多学者仍然投身于更为优质的构筑形式研究中。李宏钧[18]对植物纤维毯护坡机制深入研究，综合评估了其生态防护效益，发现因纤维毯的不同，对植物的生长促进作用也不同。北京市水科学技术研究院[19]研发了“坡改平”生态护坡技术，获得国家专利并在北京市昌平区生态清洁小流域示范区建设中采用。梁慷[20]在对植生混凝土进行研究中，采用了粉煤灰进行大量掺杂的实验方法，不仅能降低混凝土的碱性，更适合植物的生长，还有利于加强护坡工程的稳定性，在黄河下游险工护坡工程中取得了良好效益。当前常用的生态护坡构筑类型及其特性见表1，不同的护坡构筑形式适应不同的实际工程要求，在进行护坡的建造工程前，需要对该工程地区进行勘察，结合当地的水文条件，实际功能等综合联系起来以确定适宜的护坡形式。

表1 生态护坡构筑形式

生态护坡在国外发展历史悠久，早在1633年日本就采用铺设草皮、栽种树木的方法治理荒坡。20世纪70年代末，瑞士将德国的生物护岸法发展为近自然工法，使之得到迅速发展，后在80年代末提出自然型护岸技术，在梅尔克流域的治理中，运用该种技术使得河流生态性得到了可观的恢复，尤其是鱼类的数量得到了明显的增加[21]。在美国新泽西州雷里坦河保护工程中采用了植生袋护坡技术，其稳定性与可行性在经受了一次飓风洪水后得到验证[22]。如今在美国和欧洲的一些国家使用较多的河道护坡治理手段为土壤生物工程技术，近些年来在欧美风靡一时，成为边坡稳定、侵蚀控制和生境修复的重要工程手段。这种技术是通过采用具有生命力的植物根茎或完整的植物体为主要结构元素，按一定的方式与方向，序列将其扦插、种植在不同的坡面位置。在植物生长过程中，就能起到稳定边坡，防止水土流失的作用，具有良好的生态效益。

1.3 功能定位

尽管目前生态护坡技术运用广泛，但还是一门比较新型的边坡防护的技术，对其概念与功能定位还没有一个比较一致的提法[27]。陈佳伟等[28]学者初步定义生态护坡为一种在滑坡等自然力量或人为力量形成的裸露边坡上，多种学科综合交融，利用生物的各种生命活动来增强边坡的稳定性，减少自然灾害的发生，能减少因人为工程对环境产生的不利影响的水利工程边坡。赫晓磊[29]认为生态护坡是要综合考虑“水环境、水资源、水景观、水安全”，满足护坡最基本的功能以外，要充分考虑其生态效益，采用新型的护岸材料的边坡工程。本文认为生态护坡的概念不仅仅指在护岸边上种植植物，它应该是一个系统的含义。首先其应该承载着防洪排涝的功能，保证岸坡的稳定性与可用性。其次，是一个开放的，动态平衡的系统，与外界保持着物质交换，能量传递，有着完整且复杂的食物链，维持整个生态环境的动态平衡，是一个集“稳定性、生态性、亲水性、景观性”为一体的新型岸坡[30]。

生态护坡的功能定位上保留了重要的稳定性，调节流速功能，还增加了生态性的基础元素，既保留护坡的基本作用，又增加生态方面的意义[31]。水生植物的种植既可以加筋锚固又能增加水流阻力，有效降低流速，但在一定程度上会影响河道的防洪能力[32]。故在河道防洪能力计算、生态护坡的设计中，对植物河道类型的水流阻力进行研究具有实际意义。水生植物主要是通过自身的茎叶刚度、高度、直径等影响河道的糙率系数，进而使得流速降低[33]。图1为生态护坡恢复自然环境模式示意，其建造应该结合当地的生态环境，兼顾流域的生态平衡条件，制定因地制宜的可行规划与措施。坚持生态化的理念，这样不仅能够有效的执行护坡的基本功能，还能促进流域的生态环境发展与周边的经济社会发展，促进生态化、城市化的和谐发展，维持植物生境与动物栖息地的良好质量并改善人们居住环境的健康形态。

图1 生态护坡恢复自然环境模式示意

2 生态护坡研究应用中存在的主要问题

2.1 缺乏因地制宜的生态材料

在生态护坡工程建造中采用合适的材料十分重要，对后续工程的实用性、耐久性、稳定性等都有不可忽略的影响[34]。目前，很多工程中为了美学效益仍在采用浆砌片石骨架护坡以及框格梁生态护坡，这些工程应用后的植被存活率相对较低，成本偏高，经济性不强，耗费大量的人力、物力。且在护坡工程建造中，难免会使用人工合成材料，对水质、生态环境会有一定的影响。而为了实现影响最小化，护坡材料技术亟待改进。中国大部分护坡技术都是直接从国外引进，是否与中国实际工程应用条件相匹配并没有考虑，以至于存在诸多问题：造价高，护坡效果不明显等。因此，中国应坚持科技创新的原则，研究适合中国的新型的护坡材料。在工程应用中，尽量选取选择当地的自然材料或有生态效益的工程材料，尽量减少人工合成材料的使用，避免工程建设中造成二次环境污染。

在种植植被的选取中，有些工程为了与发达国家接轨，过多地采用外国植被，没有对本地的草种植被进行选择利用，且对乡土植物关注重心不足，这可能会造成物种入侵，威胁生物多样性等生态问题。在香港、澳门、广东和广西等地，薇甘菊通过攀缘缠绕并覆盖附主植物，对当地植被造成严重的破坏[35]。土荆芥原产于热带美洲，如今在中国多地都有野生种，其喜生长于河岸边，常常是杂草群落的优势种，因为对生境质量要求不高，故发展速度快，数量多，分布范围广，容易威胁到种植在护坡上的草种[36]。与人类活动影响相比，物种入侵造成的后果更加严重。当人类停止对某环境的破坏，基于自我修复能力，生境能逐渐恢复，但是当入侵物种停止对某环境的输入后，已传入的个体是不会自动衰败的，因物种入侵而灭绝的本地乡土植被不会再生[37]。

2.2 缺乏提供水生生物栖息地

护坡工程地理位置十分特殊，处于具有动态性、开放性的水陆交错带，具有独特的生态结构特征和生态功能，能为动植物提供良好的栖息地生境。多样的环境条件、多样的地形因素、多样的植被分布等成就了其适合不同生物生存的先天条件，为不同生物的迁移、生存、庇护提供了栖息场所，故其具有较高的生物多样性。Fry等[38]在研究中发现有70%的脊椎动物的栖息地都分布在河岸缓冲带，Wenger[39]在研究中发现有90%的鸟类的栖息地都分布在距离河岸150～170 m的植被缓冲带，并且河道两侧的植被还能够为虫类、鸟类提供觅食的良好天然环境[40]。故生态护坡在保护生物多样性方面具有优势性、代表性。

目前对于护坡的研究主要是放在坡面上，较少涉及到坡脚的生态性研究，仅有少数工程形式会在长期处于浸水状态的坡脚设置适合水生动物生活的区域，如多孔结构护坡，与水生生物之间有良好的相关性。因其特殊的孔隙结构使得其会天然形成鱼道、鱼巢，可以提供给水生生物栖息、繁殖的场所。植被的根、茎能够为鱼类的产卵、幼鱼的生长提供空间，对保护生物多样性有一定的积极作用。其他的构筑形式并没有过多的考虑到水生生物栖息地的问题，水生生物是生态系统中不可或缺的一个部分，探讨生态护坡与水生生物之间的链接关系对其生态性的研究具有指导意义。

2.3 缺乏基于生物的生态系统恢复目标

虽然生态护坡在国内外应用广泛，技术较为成熟，但大多数护坡的植物景观效果单调，动植物栖息生境条件和生态系统结构整体性差，造成生物多样性与丰度不高。在长江中下游航道整治工程中建设的生态护坡就存在上述问题，单一的植被播种使得坡岸的自然恢复效果不强。保证河流的生物多样性能够促进水体的更新净化，提升河道的整体价值性，恢复河道中的生物链接关系，能够使得系统更加的稳定。现在的生态护坡设计原理主要考虑的是植物的生态作用，对微生物与水生微型动物的作用没有更深入的了解，忽略了生态护坡作为一个完整的生态系统的功能[41]，且现如今对该方面的研究资料较少，研究重心偏移不足。

微生物群落是生态系统内充满生气的一部分，从某种意义上说，微生物群落的发展直接导致了生物的发展[42]。微生物处理在中国污水处理中是主要的方法之一，其借助微生物的分解作用可以把污水中的有机物转化为无机物，提升水体质量[43]。微生物种类多、分布广、个体数量多、体积小、代谢能力强、繁殖速度快。微生物的这些基本特征，使其在水处理方面发挥巨大效能，对有机物的降解、水体发黑发臭问题起到良好的处理作用。郭伟杰等[44]在研究中发现生态护坡相较于无植物护坡而言微生物的数量及丰度更多，反映了护坡兼具净化和生态景观效应。基于微生物的净化水质特性，探究其与生态护坡之间的耦合作用，能够为目前的生态护坡进行赋能，发挥更大的效能。

水生微型动物往往被用作监测污染的指示生物，对有毒物质比细菌更为敏感，可用以确定污水中的毒性阈值，在研究水生态和环境质量方面的应用日益增多，其种类和数量可以反映环境因子的变化，进而可以反映污水处理结果的质量水平。水生微型动物在净化水质方面也有着独特的生态效益，首先，其自身就能代谢可溶性的有机物，其次，还能通过分泌粘液等有利于细菌凝聚的物质，使得在沉降过程中可以挟带着细菌下沉，从而能有效改善污泥的沉降性能。如今，在以生态系统恢复为目标中对水生微型动物的关注度往往不够，进而会导致恢复自然环境水平出现一定的偏差。

3 生态护坡研究应用展望

3.1 开展基于河道生态系统保护的构筑形式及材料研究

a)发展生态护坡新结构。人类活动对于河流的生态系统的破坏短时间难以完全恢复，在建造生态护坡时，应该结合河道的特点实施具体有效的护坡形式。不能一味地追求美观性与经济性等，忽视了因地制宜作用的重要性。在工程建造中，要结合原始河道特征与河岸社会条件，因地制宜地确定合理的、经济的构造形式，注重生态自然，完善河道的护坡系统。在构筑形式选取中，尽量考虑水生生物的栖息地问题，执行与自然环境的互助互利原则，健全保护生态系统的完整体系。

b)发展生态护坡新材料。随着相关研究的进展，市场上有关生态护坡材料多种多样，在工程实施初期都起到令人满意的效果，当前工程中常用的优质材料与植物种类见表2，生态价值与效益俱佳。但是护坡工程在应用时间中后期，其耐久性、对生态环境的影响、周边环境等不确定因素对其稳定性与生态性的影响都是未知的，现阶段，国内外并未过多对此类问题进行深入研究。在基于河道生态系统保护的材料研究亟待进一步拓展以完善生态护坡的天然性与生态性。

表2 常用的护坡材料与植物

3.2 开展基于水生生物繁育的生态护坡水力学研究

发展生态护坡多功能。许多水生生物的自然繁殖是在水温、水流、溶解氧、光照条件、水位变化，以及卵的附着物等外界条件制约下进行的。生态护坡作为水陆交错带的重要存在之一承担着为生物的繁育、生长、栖息构建良好生境的责任，尤其是其坡脚处，天然地构成了鱼道与鱼巢，非常有利于水生生物的自然繁殖。在坡脚生长的植物根系是产黏性卵的鱼类主要的产卵场地，例如鲤、鲫、团头鲂。此种鱼类的卵可以附着或缠绕在植物上生长发育，这样就不会使得鱼卵脱落，沉至水底导致窒息死亡，有效地保证了种群的数量增长。

部分新型的具有生态价值的生态护坡形式见表3，对生物的生长、繁衍有促进作用。就水生生物的繁育而言，其对生态水文、水力条件有着特殊的要求，其中的流速与水深是极其重要的影响因子。戴凌全等[49]通过研究发现金沙江下游宜宾江段四大家鱼产卵繁殖期的最佳流速为0.9～1.0 m/s，最佳水深为9.0～12.0 m。张俊等[50]的研究表明流动不均匀的低速涡流区有利于聚集鱼群，反映了合适的低速水流状态能为鱼群的栖息、繁育、庇护提供良好的生存条件。水生植物通过影响河道的糙率系数，从而导致流速改变，使得生态护坡能够消能、消浪，有效减缓近岸流速，对于水生生物的繁育机制提供良好的基础。现阶段，可将研究聚焦于对水生生物繁育的生态护坡水力学研究，可通过建立完备的理论体系，扩充丰富生态护坡生态性的基本内容。

表3 具有生态价值的生态护坡形式

3.3 开展基于完整生态廊道的生态护坡技术研究

发展生态护坡落地推广。“廊道”这一概念来自于生态景观学，其本义是指不同于周围景观基质的线状或带状景观要素[54]，而生态廊道是指具有连接孤立而分散的生态单元的能力，在保护生物多样性方面优点突出，可增加生态系统连通性的一种廊道类型。其中河道护坡的建设就是构成河流生态廊道的重要部分，河流廊道的不同组成元素对应着不同的功能属性，见表4。在构建生态廊道中应该充分尊重、合理利用河流沿岸的自然条件，在河道护坡建设中应避免生态环境的破坏，从生态性的角度切入设计，真正将生态性与景观性统筹发展。

表4 河流生态廊道组成部分与功能

在绿化方面应该合理选取植物类型，根据本土的植物种类，植物的生长环境与生长要求等综合考量确定工程使用的植物类型，并且将工程的植被环境融入河道及沿岸区域内的整体生态系统环境，达到和谐统一的景观效果，避免方枘圆凿的情况出现。在亲水方面应该关注人们的亲水情结，在工程建设时注重公共性原则，丰富人们的文化娱乐氛围，增加闲暇娱乐的场地，构建游憩一体化的空间结构，有利于提高人们的环保意识，提高大家热爱、善待大自然的觉悟。在恢复生态系统方面应该更加注重除植物以外的生态群落，探究生态链间的协同竞争关系与制约机制，充分了解和掌握不同生态群落在生态护坡系统中所处的地位，达到促进的协同效应。基于现有对生态护坡研究的基础上，将生态护坡置于生态廊道中综合考虑，是值得反复探究的内容。

4 结论

河道护坡是综合了景观学、生态学和植物学等学科的综合研究领域，从生态性、亲水性、景观性3个方面而言，生态护坡较传统护坡有更大的实际优势，基于传统护坡的种种不足与局限性，生态护坡的发展存在一定的必然性，正在逐渐成为中国实际护坡工程的首选。目前中国的生态护坡还存在许多不足，对于实现全面生态化有不小的差距，应结合中国实际情况与水文条件，进一步对生态护坡进行深入研究。强调创新、科学、合理，完善相关的理论体系，拓广度，挖深度，丰富中国河道生态护坡新内涵，实现护坡工程全面生态化。