全 文 ：植被与侵蚀控制 :坡面生态工程基本原理探索 3
周　跃　(云南省地理研究所 ,昆明 650223)
【摘要】　在与近地面大气和与表层至浅层土壤的相互作用中 ,植被表现出相应的水文2机械效应 ,形成一定的抗
蚀护坡工程性状. 坡面生态工程把这些植被性状和土壤结合起来 ,用于斜坡的保护工程. 在过去几十年中 ,随着
对植被2土壤相互作用及其侵蚀控制意义认识的深化 ,使坡面生态工程应用得到迅速发展 ,成为生态环境建设和
工程坡面保护的重要手段. 这个生物学途径的一个重要内容是“土壤2植被系统”的概念 ,以及由此推导出的系统
生物学和工程学内涵. 土壤2植被系统概念是一个理论实体 ,其生物生态学属性、工程性能和系统的内在关系是
该实体的理论假设. 它们是坡面生态工程基本原理的重要组成部分.
关键词 　植被 　侵蚀控制 　坡面生态工程
Vegetation and erosion control : exploration on basic principle of slope engineering. ZHOU Yue ( Yunnan Institue of
Geography , Kunming (650223) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2000 ,11 (2) :297～300.
During its interaction with local climate and surface and shallow soil ,vegetation appears to be of certain hydro2mechani2
cal effects ,and provides with some engineering properties on erosion control and slope protection. Slope eco2engineering
integrates these properties with soil for slope protection projects. Along with the increasing awareness of the interac2
tions between vegetation and soil and their significance in erosion control during the past few decades ,this biological ap2
proach has been widely applied in physical environment improvement and engineered slope protection world wide. Some
important contents in slope eco2engineering are the concept of“soil2vegetation system”and the related biological na2
tures and engineering properties. The“soil2vegetation system”concept is a theoretical substance ,and its eco2biological
natures ,engineering properties and some internal regulations are the theoretical hypothesis of the substance , which
could be the basic materials for setting up the scientific principles of slope eco2engineering.
Key words 　Vegetation , Erosion control , Slope eco2engineering.
　　3 国家自然科学基金 (4921003 和 498710154) 、云南省应用基础研
究基金 (97D006R 和 98D007M) 、国家教委留学回国人员科研启动基金资
助项目和云南省中青年学术与技术带头人培养计划资助项目.
　　3 3 通讯联系人.
　　1998 - 06 - 25 收稿 ,1999 - 01 - 04 接受.
1 　引 　　言
坡面生态工程 ( Slope Eco2engineering ,简称 SEE)
指以环境保护和工程建设为目的的生物控制或生物建
造工程[4 ] ,也指利用植被进行坡面保护和侵蚀控制的
途径与手段[3 ] . 这一生物学途径从本世纪 60 年代开始
就已经在世界范围内出现 ,随着人们对植被与侵蚀的
关系以及对植被坡面保护作用认识的不断加深 ,使
SEE 越来越成为控制侵蚀和稳定斜坡的一个有效手
段 ,并已广泛应用于许多发达和包含中国在内的发展
中国家. 但是 ,从目前来看 ,无论 SEE 途径已经发展到
怎样的程度 ,人们更多地把它理解为是一种建立在工
程经验和判断上的“技艺”,而不是包含了理论解释、科
学计量和客观判定的一门“科学技术”[2 ,3 ] . 主要原因
有二 :一是目前对植被作用的研究 ,特别是定量的研
究 ,还不能充分认识植物抗蚀护坡作用的机制和潜能 ,
因而不足以从微观认识和计量技术上支持这一生物学
途径 ;二是对该途径的理论基础探讨较少 ,人们不能用
严密的科学理论来建立 SEE 的学科体系. 本文试图回
顾国内外对植被抗蚀护坡作用机制与潜能的认识和应
用现状 ,探索坡面生态工程的基本原理的有关内容.
2 　植被的生态工程性能
211 　坡面过程及其受植被的影响
坡面过程是指由于斜坡上发生的物质和能量的交
换引起的坡面形态的变化过程 ,其结果是以侵蚀形式
发生的坡面物质的移迁 ,主要包括地表侵蚀和浅层块
体运动. 影响土壤侵蚀的重要因素有气候、土壤、水文
和地形 ,其中前 3 个可在一定程度上以一定方式受植
被的影响. 对于地表侵蚀 ,植被 (尤其是草本植物)可以
不同程度地控制主要由降雨造成的土壤侵蚀 ,所起作
用主要包括 :降雨截留作用 (调节气候因素) ;径流延滞
作用 (影响水文因素) ;土壤增渗作用 (影响土壤因素) ;
蒸腾作用 (影响水文和土壤因素) ;土层固结作用 (影响
土壤和水文因素) [1 ,3 ,4 ] ;对于浅层不稳定现象 ,植被
(尤其是木本植物)通过影响斜坡土力学和水文状况能
够不同程度地影响块体运动 ,影响的方式主要有 :根系
的土壤增强作用、根系的土层锚固作用、土壤湿度调节
应 用 生 态 学 报 　2000 年 4 月 　第 11 卷 　第 2 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Apr. 2000 ,11 (2)∶297～300
作用、土体支撑和拱顶作用、负重作用、根的楔劈作用
和风力传递作用[3 ,4 ] .
斜坡的不稳定性通常表现为表层不稳定、浅层不
稳定和深层不稳定[2 ] . 草本植物及灌木枝叶和根系集
中分布于土壤表面 ,能够在较大程度上控制由水造成
的斜坡表层物质迁移 ,对表层不稳定性有抑制潜能 ;乔
木也能影响表层移动. 根系深的植物 ,包括灌木和乔
木 ,通过影响斜坡水理性质和土力学状况 ,对提高土壤
强度、加强和锚固土层具有明显的效果 ,对浅层不稳
定性有重要影响. 在我国广大山地 ,表层和浅层的不稳
定过程是斜坡最常见的两类侵蚀类型 ,植被对解决这
两类不稳定性具有很大潜力.
212 　植被抗蚀护坡的突出作用 植被抗蚀护坡和影响坡面过程的功能可以通过它的水文效应和机械效应来实现 (表 1) [1 ] . 在水文方面 ,植被调节近地面气候、地表和地下水文状况 ,使植被生长地区的水循环途径发生变化 ,因而影响了侵蚀过程 ,减少水土流失. 在机械方面 ,植被通过其枝杆和根系与土壤的机械作用 ,增加根际土层的机械强度 ,甚至直接加固土壤 ,起到固土护坡的作用. 根系对根际土层土壤的加强作用是植被稳定土壤的最有效的机械途径. 侧根加强土壤的聚合力 ,在土壤本身内摩擦角度不变的情况下 ,通过土壤中根的机械束缚增强根际土层的抗张强度 ;同时垂直生长的根系把根际土层稳固地锚固到深处的土层上 ,更增加了土体的迁移阻力 ,提高土层对滑移的抵抗力[4 ] .
表 1 　植被抗蚀护坡的水文效应和机械效应
Table 1 Hydro2mechanical effects of vegetation on erosion control and slope protection
水文效应 Hydrological effect 作用 Action 机械效应 Mechanical effect 作用 Action
植枝叶截留降雨 ,引起
1)雨水被吸受和蒸发 ,减少了产生土壤渗透的水分 B
2)减少雨滴的动能和侵蚀能力 B
3)通过形成叶滴增加水滴尺寸 ,因而增加了林下溅蚀 A
植物枝叶阻拦地表径流 ,引起
1)蓄积地表雨水 ,导致较高潜在渗透水量 A/ B
2)提高气流和水流的阻隔程度 ,减低两者的流速 B
3)簇团植物引起局部增强的水流 ,增加其侵蚀力 A
根穿透土壤 ,引起
1) 在土壤中产生空隙 ,增加土壤渗透 A
2)吸收土壤水分 ,降低孔隙水压 ,提高土壤负压 ,增强土壤强度 B
3)加重地表干裂 ,导致高渗透 A
根束缚土壤颗粒并穿透土层 ,引起
1) 抑制土壤迁移 ,增加土壤抗蚀性 B
2)通过根系提高土壤强度 B
3)表面根系产生根网效应 ,固持下层土层 B
深根穿入深层土层 ,引起
1) 把浅层土壤锚固到稳固的土层或基岩上 ,固持土体 B
2)通过拱顶和斜向支撑稳定上坡一侧土壤 B
生长高大的树木 ,引起
1)提高坡面负载 ,增加土体下滑力和正压力 A/ B
2)在有风情况下 ,树木把风力转变为地面的推力 A
枝叶覆盖于地表 ,引起
1) 保护地表免遭车辆碾压破坏 B
2)枝叶削弱湍急水流的冲击力并保护土壤 B
3 4〗
A :有利影响 Beneficial effect ,B :不利影响 Adverse effect .
　　植被的水文2机械效应受降雨、坡面、土壤和植被
状况的影响 ,可以表现出有利或不利的作用效果 (表
1) . 比如降雨强度大时 ,林冠截留率降低 ;强度小时 ,林
冠溅蚀量增加[6 ,8 ] . 又如坡面的草丛或林下枯枝落叶
层 ,发育好时可以降低斜坡地表径流和土壤流失量 ,发
育差则面蚀和溅蚀得不到控制[6 ,7 ,9 ] . 再如 ,在深层土
壤较稳定的缓坡上 ,森林植被具有较明显的土壤加强
和锚固作用 ;在不稳定土层厚度超过根系主要分布范
围的陡坡上 ,森林植被会因自身的重量和对风力的传
导反而造成坡面的不稳定. 植被的水文效应和机械效
应还相互作用 ,形成复杂的因果关系 ;改变其中一个因
素可能对斜坡产生不稳定或者稳定的最终效果. 例如
植被可增加土壤渗透 ,因而减少地表径流 ,限制面蚀 ;
而渗透性的提高可能也增加土壤的孔隙水压 ,降低土
壤强度及根系的土壤加强作用 ,增大发生滑坡的可能
性. 但是又因为植物根系吸收土壤水分 ,遏止了土壤强
度的降低. 这种机械效应和水文效应相互作用的程度
在不同地方不同时间会有不同的表现 ,它决定于特定
地点的气候、土壤和植被状况.
213 　植被护坡潜能举例 根据 1993～1994 年在云南西北部的虎跳峡的研究[3 ] ,云南松林 ( Pi nus yunnanensis) 具有侵蚀控制和坡面保护的功效 ,其综合作用可用一概念模型加以描述 (图 1) . 该模型表明 ,云南松影响着水循环过程中降水从大气向土壤的转移. 松树的地上部分可部分吸收降雨侵蚀能量 ,减少到达地表的水量 ,因而减少了土壤的侵蚀程度. 同时 ,松树地下部分 (树桩、根系) 通过包括侧根牵引效应在内的多种作用 ,提高根际土层水平向抗张强度 ,增强了土体抵抗潜在滑动的能力. 图 1定性地表明了这些作用的过程、方式和步骤 ,以及上述过程中的作用链.214 　对植被作用认识的局限性人们对植被侵蚀控制作用进行的定性研究开始于20 年代 ,定量研究见于 60 年代[3 ] . 最近 30 年来 ,人们已创立和发展了许多定量技术来预测和实测植被对陆地表面稳定性的影响 ,有关植被作用及其在斜坡保护中应用的知识积累越来越多. 然而 ,从总的来讲 ,人们的认识还局限于少数地区、少数种类和一些特殊情况 ,尚缺乏系统性和普遍性 ,定性的多而定量的少. 相比较而言 ,国内外对植被水文效应的研究比较充分 ,但对植
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图 1 　云南松林土壤侵蚀控制和坡面保护的综合效应的概念模型
Fig. 1 A conceptual model of the comprehensive effects of the Yunnan pine
forest on soil erosion control and slope protection.
+ R :促进行为 Accelerating action , - R :削弱行为 Weakening action , B :
有利效果 Beneficial effect , A :不利效果 Adverse effect , ∴、←和→:反应
方向 Reaction direction.
被机械作用研究较少. 在我国 ,后者尚不为多数人所了
解. 由于对微观过程缺乏充分的了解和计量技术的落
后 ,使对植被工程性状的认识表现出不确定性. 例如 ,
植被生长发育有极大的时空变化 ,植物体不可能是标
准件 ,工程性状随机性强 ,再加上土壤条件的变化 ,使
SEE 尚不能用精确的科学理论来定量描述 ,也使 SEE
的结果缺乏可测性和可控性.
3 　植被生态工程性能的应用
由于植被水文效应和机械效应使其具备了抗蚀护
坡的工程性能 ,在 SEE 中得到充分运用. 植被的工程
现状使 SEE 具有不少优越性 ,比如自我修复和持久作
用、低能耗低物耗、费用 - 效益综合优势、环境兼容性、
劳力 - 技术密集型等. 当植被结构和工程结构联合使
用时 ,两者能够相互加强 ,相互补充. SEE 最突出的特
点是具有生物生态学属性 , 其结构在发生坡面不稳定
时可以调整自身状况来适应坡面变化 ,维持较高侵蚀
控制能力 ,持续发挥抗蚀护坡的工程潜能. 目前 ,SEE
已被广泛应用于水土保持、滑坡泥石流防治、矿山环境
建设、山地生态环境整治、斜坡农耕地侵蚀控制和流域
治理 ,以及河岸加固、交通沿线边坡保护、堤坝和宅基
地加固等.
另一方面 ,尽管植被对斜坡稳定显然有多方面的
积极作用 ,但是这种作用并非存在于所有斜坡 ,植被对
斜坡能发挥有利和不利影响 (表 1) ,而且任一类型植
被在作为 SEE 材料运用时都有其利弊之处 ,并有时间
和空间上的变化. 这使得 SEE 的运用效果并不能完全
确定. 因此 ,对于具有特定坡面负荷要求或特定安全因
素 ( F 值)的斜坡保护工程 ,植被作为 SEE 工程材料不
能单独投入实际运用. 目前 , SEE 的应用有两种突出
的和有效的途径 :一是控制土壤流失 ,减少由于坡地环
境或土壤状况自然改变而发生的坡面运动的危险性 ;
另一种是提高常规土木工程结构抵御潜在不稳定性的
总体控制能力 ,即利用植被来补充和加强传统的工程
措施.
4 　土壤植被系统及其坡面生态工程意义
SEE 就是把植被的护坡水文2机械效应应用于工
程目的 ,把植被工程性状与土壤结合起来 ,在坡面构建
各种各样的土壤 - 植被综合保护体系 ,通过体系本身
固有的护坡工程性能保护整个斜坡. 保护系统是特殊
的复合材料系统 ,其中的植被、土壤及其相互间的生物
学、水文学和机械力学关系是 SEE 的物质基础和根本
依据. 因此 ,土壤 - 植被的综合坡面保护体系是 SEE
的中心内容 ,也是 SEE 基本原理的重要组成部分.
411 　土壤植被系统概念
土壤和植被在它们形成和演化的过程中形成了互
为条件、共同兴衰的生命功能体 ;植被的水文2机械效
应与土壤的土力学和水理性质结合 ,使两者形成了具
有一定抗蚀护坡功能的工程功能体. 这个生命2工程
功能体就是土壤植被系统 ,其可定义为 :在一定地区 ,
由植物根系分布范围内的土壤、母质和岩石以及以植
被为主的生物群所构成的有机整体称为土壤植被系统
(Soil Vegetation System ,简称 SVS) . SVS 有不同的发
育阶段和不同的类型 ,有一定的组成要素和空间结构 ,
可以是自然发育的 ,也可以是人工培育的.
412 　SVS 的生物生态学属性
41211 系统的自我发展属性 　SVS 中生物生命活动和
土壤发育总是持续不断的 ,使系统具有生命的特征 ,推
动着系统的发生和发展.
41212 系统的自适应属性 　SVS 是一个自然调节的平
衡系统. 系统中的植物在一定程度上适应和改造其生
长的环境 ,自动保持着系统组分和环境因素间的平衡
关系 ,维系着系统能量流动和物质循环的有序性. SVS
是一个开放系统 ,环境的改变将迫使它发生相应变化.
41213 系统的环境控制属性 　环境因素影响着 SVS
的发育. 由于系统本身具有自我发展和自适应属性 ,在
不同环境条件下 ,它将沿该条件规定的方向和途径发
育 ,形成不同的系统发育模式、类型和工程性能.
41214 系统的竞争发展属性 　SVS 的发展过程是植物
生长与土壤侵蚀相互竞争的过程[5 ] . 在侵蚀因子存在
的坡面 ,竞争的结果要么是旺盛生长的植物控制了侵
蚀 ,要么是强烈的侵蚀限制了植物的发育. 两种进程谁
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强谁弱 ,决定了 SVS 是发展还是退化 ,也决定了 SEE
项目的成败.
413 　SVS 的生态工程意义
SVS 的概念表明了 SEE 建造实体 (即前述的土壤2植被综合坡面保护体系) 的内涵 ,确定了它的理论称
谓. 任何土木工程实践都以它的建造实体作为它的工
程结果. 在 SEE 实践中 ,土壤植被系统就是这样一个
建造实体. 认识这一点很重要. 从理论上讲 ,它可以
为 SEE 学科基础的构建确定一个基准点和出发点. 从
实践上讲 ,人们认识了这一建造实体就能更好地运用
它.
SVS 的概念确认系统与其组分间的有机联系和
整体性 ,有助于分析 SVS 各组分及其综合工程性能.
过去曾有人认为 ,认识了植被的作用就认识了 SEE 的
全部. 大量的工作被局限在植被本身的土壤保护作用
方面 ,而没有从包括植被、土壤等要素的整个系统的高
度进行综合分析. 这是一个误区. 在 SEE 的研究中 ,对
每一个组分进行深入考察是必要的 ,但必须以考察整
体的效果为最终目的.
SVS 的属性和综合性能是 SEE 工程实践的依据
和保证. 对于一个给定的 SEE 项目 ,怎样设计相应的
SVS ? 选用的植物应具备什么性能 ? 如何建造如何管
理 ? 工程结果将会如何 ? 等等. 这些问题都取决于相
应的 SVS 的属性和性能.
SVS 的生物生态学属性决定了 SEE 建造体具有
发展和动态的特征 ,使 SEE 区别于常规土木工程. 最
大区别在于 ,在发生斜坡不稳定时可以调整自身状况
来适应变化 ,持续发挥护坡的工程潜能.
SVS 在 SEE 中的作用具有双重性 :既进行斜坡保
护 ,又进行自身保护. 与其他许多工程建筑体 (如河海
岸护堤和边坡挡护墙等) 一样 , SVS 行使着自身维护
和斜坡保护的功能 :首先控制土壤面蚀 ,进而保护由浅
到深的斜坡土层. 前者是必要的前提 ,后者是工程的目
的.如果 SVS 遭到植被破坏和表土流失 ,最终将引起
坡面一系列的侵蚀.
5 　结 　　语
在与近地面大气和与表层至浅层土壤的相互作用
中 ,植被表现出相应的水文2机械效应 ,形成一定的抗
蚀护坡工程性状. SEE 把该性状与土壤的性状结合起
来 ,用于斜坡的保护工程. 因为动态和自我发展的属
性 ,SEE 与传统的土木工程有较大区别. 在过去几十
年中 ,随着对植被作用认识的深化 ,使 SEE 的应用得
到迅速发展 ,成为生态环境建设和工程坡面保护的重
要手段.
SVS 概念是针对土壤 - 植被坡面保护体系提出
的 ,它是 SEE 基本原理的重要组成部分. 它有其生物
和工程内涵 ,有其特定的发展过程. 其生物生态学属性
是 SEE 工程建造体具有动态特征的根源. 从理论上
讲 ,SVS 概念是一个理论实体 , SVS 的生物生态学属
性、工程性能和系统的内在关系是该实体的理论假设.
通过逻辑学和科学哲学分析 ,不难证明它们的真实存
在.
科学创造需要概念化、抽象化和假设的理论 ,用于
判断和深化对研究对象的理解. 一个完整的学科领域
应有其完整的理论体系 ,其中的理论实体是该体系的
基本内容之一. SVS 的概念和 SVS 的属性与性能可以
成为 SEE 的科学原理的重要组成部分 ,即它的理论实
体和假设. 要使 SEE 成为一门真正的科学技术 ,应该
建立这样的认识基础 ,同时还必须创造科学计量的理
论和方法. 这两者结合起来才能构建 SEE 的科学理
论.
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9 　Zhou Y(周 　跃) . 1999. Potential of Yunnan Pine Forest on Erosion
Control and Slope Stabilization. Kunming : Yunnan Science and Tech2
nology Press. (in Chinese)
作者简介 　周跃 ,男 ,40 岁 ,博士 (英国赫尔大学) ,研究员 ,主要
从事植被侵蚀控制和坡面生态工程研究 ,已在国内外发表论文
近 40 篇 ,出版专著 2 部. E2mail :yuezhou @ public. km. yn. cn
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