土壤生物工程是一項(xiàng)建立在可靠的土壤工程基礎(chǔ)上的生物工程，即采用存活植物及其他輔助材料來(lái)構(gòu)筑各類(lèi)邊坡（山地斜坡、江河湖庫(kù)堤岸、海岸坡岸等）結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定邊坡，減少水土流失和改善棲息地生境等功能的集成工程技術(shù)。利用植物穩(wěn)定邊坡的方法自古就有，近20年來(lái)又在歐美風(fēng)靡一時(shí)，成為邊坡穩(wěn)定、侵蝕控制和生境修復(fù)的重要工程手段。
土壤生物工程的生態(tài)修復(fù)作用與效果，已經(jīng)越來(lái)越為人們所認(rèn)識(shí)?，F(xiàn)代土壤生物工程要求運(yùn)用生態(tài)學(xué)的原理，對(duì)實(shí)際的植物和土壤系統(tǒng)作出周密的考察和設(shè)計(jì)，利用植物對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化，對(duì)表層土壤顆粒運(yùn)動(dòng)的限制，以及對(duì)邊坡生態(tài)系統(tǒng)的改善等作用，不僅能夠穩(wěn)定邊坡和控制水土流失，還能確保邊坡植被水平和垂直結(jié)構(gòu)合理，生態(tài)系統(tǒng)演替有序和景觀優(yōu)美。同傳統(tǒng)的工程技術(shù)相比，土壤生物工程的技術(shù)、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和美學(xué)優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的。當(dāng)然，土壤生物工程不能完全替代傳統(tǒng)的工程技術(shù)，在工程實(shí)際中通常是兩者聯(lián)合使用、相互完善。
土壤生物工程的原理
與其他工程不同，土壤生物工程采用有生命力植物的根、莖（枝）或整體作為結(jié)構(gòu)的主體元素，把它們按一定的方式、方向和排列插扦、種植或掩埋在邊坡的不同位置；在植物群落生長(zhǎng)和建群過(guò)程中加固和穩(wěn)定邊坡，控制水土流失和實(shí)現(xiàn)生態(tài)修復(fù)。
眾多研究表明：植物能降低土壤空隙的壓力，吸收土壤水分；同時(shí)植物根系能提高土壤的剪切力，增強(qiáng)土體的黏附力，從而使土壤結(jié)構(gòu)趨于堅(jiān)固和穩(wěn)定。邊坡植物可以截留降雨，延滯徑流，調(diào)節(jié)土壤濕度，減少風(fēng)力對(duì)土壤表面的影響；還可以通過(guò)攔截、蒸發(fā)蒸騰和存儲(chǔ)等方式來(lái)促進(jìn)土壤水循環(huán)，促進(jìn)土壤發(fā)育和表層活土的形成，調(diào)節(jié)近地面溫度和濕度以促進(jìn)植物生長(zhǎng)，提供并改善多種生境，恢復(fù)邊坡的生態(tài)功能和生物多樣性。
土壤生物工程的基本技術(shù)
土壤生物工程要求使用大量的可以迅速生長(zhǎng)新根的木本植物，最常用的木本灌木和喬木是：柳、楊類(lèi)、山茱萸類(lèi)、或其他當(dāng)?shù)匚锓N。除了要求迅速生根之外，用于河道坡岸的植物，特別是在水位線附近的植物還必須有良好的耐水性能。土壤生物工程的種植技術(shù)比較簡(jiǎn)單，主要有3種形式（見(jiàn)圖）：
?。?）單枝扦插：直接扦插能夠成活并生長(zhǎng)根系的喬灌木枝干（如柳枝條等）。其工程特點(diǎn)為工作量小，成本低，有廣泛的適應(yīng)性，經(jīng)常與柴籠和灌叢墊聯(lián)合使用。
（2）捆栽：也叫柴籠，將枝條捆扎成一束，通常按等高線水平淺埋入岸坡高水位以上的位置。其工程特點(diǎn)為施工簡(jiǎn)單，造型容易，多用于坡度較緩的邊坡水土流失控制。柴籠生長(zhǎng)成型后具有很好的景觀效果。
?。?）層栽：也稱(chēng)灌叢墊，植物枝條的結(jié)構(gòu)是交互成層或成排形狀，枝條組成籬笆狀，既可按水平或垂直方向布置，也可按不同的角度插栽。通常與其他結(jié)構(gòu)例如土工布、石籠、堆石等聯(lián)合使用，其施工技術(shù)較為復(fù)雜。生長(zhǎng)成型后，具有較強(qiáng)的抗侵蝕、抗沖蝕和穩(wěn)固岸坡的功能，而且景觀效果很好。
上述3種基本的種植技術(shù)和方法，從點(diǎn)、線、面結(jié)合起來(lái)，可以構(gòu)筑各種不同類(lèi)型的邊坡、不同形狀的坡面和不同景觀效果的生態(tài)坡岸。
在河道生態(tài)坡岸上的應(yīng)用
上海市環(huán)境科學(xué)研究院和華東師范大學(xué)河口海岸國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)土壤生物工程技術(shù)和方法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)，并于2004年初在上海市浦東新區(qū)機(jī)場(chǎng)鎮(zhèn)使用土壤生物工程技術(shù)構(gòu)筑生態(tài)河道的生態(tài)坡岸。示范工程表明，土壤生物工程對(duì)河道坡岸的生態(tài)系統(tǒng)有明顯的修復(fù)和改善作用：
（1）植物根系對(duì)坡岸的穩(wěn)定作用
許多研究表明，土壤的剪切力或黏結(jié)力與土壤中根系的生物量成正比關(guān)系。經(jīng)過(guò)9個(gè)月的生長(zhǎng)，坡岸土壤中植物根系新增生物量達(dá)每立方米0.12～0.34公斤（干重），大大增強(qiáng)了河道坡岸的穩(wěn)定性。而沒(méi)有采用土壤生物工程的坡岸，雖然經(jīng)過(guò)疏浚和整治，但坡岸長(zhǎng)期裸露，植被得不到恢復(fù)，造成嚴(yán)重的坡岸侵蝕，先前的疏浚和整治功虧一簣。
?。?）對(duì)河道坡岸棲息地的改善
三次生物學(xué)調(diào)查表明，隨著先鋒物種杞柳群落的逐漸形成，灌叢墊下草本植物的生境得到改善，草本物種數(shù)量逐漸增加，由建設(shè)初期的3種增加到13種。坡岸的植物生態(tài)系統(tǒng)得到了恢復(fù)。
（3）減少了底棲動(dòng)物對(duì)坡岸的破壞
底棲動(dòng)物如無(wú)齒相手蟹等喜好在坡岸潮間帶打洞筑巢，坡岸在潮汐的影響下很容易侵蝕剝落。采用柴籠技術(shù)的生態(tài)坡岸既保留了底棲動(dòng)物的棲息地，同時(shí)也顯著減少了它們對(duì)坡岸的破壞作用。統(tǒng)計(jì)表明，在沒(méi)有柴籠保護(hù)的坡岸，坡岸潮間帶的無(wú)齒相手蟹洞穴每平方米高達(dá)20個(gè)；而在種植柴籠的坡岸，坡岸潮間帶的洞穴每平方米僅為2～3個(gè)，有效地保護(hù)了潮間帶坡岸。
?。?）明顯改善了人居生活環(huán)境和質(zhì)量
土壤生物工程對(duì)人類(lèi)與其他生物的生活環(huán)境和質(zhì)量有明顯的改善作用。經(jīng)過(guò)土壤生物工程和其他生物技術(shù)（例如水生植物全／半系列技術(shù)）改造過(guò)的坡岸，僅幾個(gè)月的時(shí)間，先鋒物種杞柳和垂柳群落、結(jié)縷草群落、挺水植物茭草和菖蒲群落等都已在坡岸長(zhǎng)成，為其他物種（包括動(dòng)物和植物）的生長(zhǎng)創(chuàng)造了良好生境，而且美學(xué)效果極佳。更重要的是，用土壤生物工程建設(shè)的邊坡，將隨著植物群落的長(zhǎng)成和成熟，植物根系網(wǎng)絡(luò)的生長(zhǎng)和擴(kuò)張，邊坡生態(tài)系統(tǒng)的完善和有序，越來(lái)越堅(jiān)固和穩(wěn)定；它對(duì)水土流失和土壤侵蝕的控制，對(duì)整個(gè)河道生態(tài)系統(tǒng)（包括陸生和水生生態(tài)系統(tǒng)）的影響，乃至對(duì)河流水質(zhì)的改善，越來(lái)越明顯和突出。
還值得一提的是，采樣土壤生物工程建設(shè)的河道坡岸造價(jià)很低，僅為石砌駁岸的1／10；上海浦東新區(qū)機(jī)場(chǎng)鎮(zhèn)生態(tài)坡岸自2004年春建成之后，除了例行的巡視之外，尚未需要其他管理費(fèi)用。
在其他邊坡生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用
土壤生物工程是融現(xiàn)代工程學(xué)、生態(tài)學(xué)、生物學(xué)、地學(xué)、環(huán)境科學(xué)、美學(xué)等學(xué)科為一體的工程技術(shù)，為我國(guó)各類(lèi)邊坡（山地斜坡、江河湖庫(kù)堤岸、海岸坡岸等）的侵蝕控制和生態(tài)修復(fù)提供了新的工程技術(shù)和方法。土壤生物工程方法可以在我國(guó)發(fā)達(dá)地區(qū)使用，更應(yīng)當(dāng)在貧困地區(qū)推廣。
由于土壤生物工程方法簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜，效果明顯，可以大規(guī)模在我國(guó)西部、東北、西南和中原等落后地區(qū)的土壤侵蝕，水資源管理和水土保持上廣泛應(yīng)用。應(yīng)用土壤生物工程的方法和當(dāng)?shù)氐闹参镔Y源對(duì)這些地區(qū)的各類(lèi)邊坡（山地斜坡、江河湖庫(kù)堤岸等）實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定加固、水土流失控制和生態(tài)修復(fù)，可在很大程度上改善這些地區(qū)的生態(tài)環(huán)境。例如西部地區(qū)有適生性較好的沙柳、檸條、沙棘等灌木，其根深枝繁葉茂，較耐干旱，且抗風(fēng)護(hù)沙能力最強(qiáng)，在其叢下構(gòu)成優(yōu)良的小生態(tài)環(huán)境與土壤條件，從而形成荒漠與草原中獨(dú)特的灌叢“小生境”，具有很強(qiáng)的復(fù)壯更新能力。我國(guó)不少湖泊水庫(kù)匯水流域水土流失嚴(yán)重，采樣土壤生物工程方法在水土流失嚴(yán)重的沖刷水溝、塌陷和侵蝕坡面構(gòu)筑以活體植物為主體的邊坡，可以有效地控制水土流失，恢復(fù)邊坡的生態(tài)環(huán)境。
土壤生物技術(shù)在生態(tài)護(hù)坡的應(yīng)用中應(yīng)注意研究：（1）影響邊坡穩(wěn)定性的地質(zhì)、地形、氣候和水文條件等自然因素，以及合適的坡面加固技術(shù)；（2）不同地區(qū)和地點(diǎn)邊坡喬灌草種的最佳組合，可能限制或促進(jìn)植物工程物種存活的生物和物理因素，以建立穩(wěn)定的坡面植物群落。
土壤生物工程的生態(tài)修復(fù)作用與效果，已經(jīng)越來(lái)越為人們所認(rèn)識(shí)?，F(xiàn)代土壤生物工程要求運(yùn)用生態(tài)學(xué)的原理，對(duì)實(shí)際的植物和土壤系統(tǒng)作出周密的考察和設(shè)計(jì)，利用植物對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化，對(duì)表層土壤顆粒運(yùn)動(dòng)的限制，以及對(duì)邊坡生態(tài)系統(tǒng)的改善等作用，不僅能夠穩(wěn)定邊坡和控制水土流失，還能確保邊坡植被水平和垂直結(jié)構(gòu)合理，生態(tài)系統(tǒng)演替有序和景觀優(yōu)美。同傳統(tǒng)的工程技術(shù)相比，土壤生物工程的技術(shù)、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和美學(xué)優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的。當(dāng)然，土壤生物工程不能完全替代傳統(tǒng)的工程技術(shù)，在工程實(shí)際中通常是兩者聯(lián)合使用、相互完善。
土壤生物工程的原理
與其他工程不同，土壤生物工程采用有生命力植物的根、莖（枝）或整體作為結(jié)構(gòu)的主體元素，把它們按一定的方式、方向和排列插扦、種植或掩埋在邊坡的不同位置；在植物群落生長(zhǎng)和建群過(guò)程中加固和穩(wěn)定邊坡，控制水土流失和實(shí)現(xiàn)生態(tài)修復(fù)。
眾多研究表明：植物能降低土壤空隙的壓力，吸收土壤水分；同時(shí)植物根系能提高土壤的剪切力，增強(qiáng)土體的黏附力，從而使土壤結(jié)構(gòu)趨于堅(jiān)固和穩(wěn)定。邊坡植物可以截留降雨，延滯徑流，調(diào)節(jié)土壤濕度，減少風(fēng)力對(duì)土壤表面的影響；還可以通過(guò)攔截、蒸發(fā)蒸騰和存儲(chǔ)等方式來(lái)促進(jìn)土壤水循環(huán)，促進(jìn)土壤發(fā)育和表層活土的形成，調(diào)節(jié)近地面溫度和濕度以促進(jìn)植物生長(zhǎng)，提供并改善多種生境，恢復(fù)邊坡的生態(tài)功能和生物多樣性。
土壤生物工程的基本技術(shù)
土壤生物工程要求使用大量的可以迅速生長(zhǎng)新根的木本植物，最常用的木本灌木和喬木是：柳、楊類(lèi)、山茱萸類(lèi)、或其他當(dāng)?shù)匚锓N。除了要求迅速生根之外，用于河道坡岸的植物，特別是在水位線附近的植物還必須有良好的耐水性能。土壤生物工程的種植技術(shù)比較簡(jiǎn)單，主要有3種形式（見(jiàn)圖）：
?。?）單枝扦插：直接扦插能夠成活并生長(zhǎng)根系的喬灌木枝干（如柳枝條等）。其工程特點(diǎn)為工作量小，成本低，有廣泛的適應(yīng)性，經(jīng)常與柴籠和灌叢墊聯(lián)合使用。
（2）捆栽：也叫柴籠，將枝條捆扎成一束，通常按等高線水平淺埋入岸坡高水位以上的位置。其工程特點(diǎn)為施工簡(jiǎn)單，造型容易，多用于坡度較緩的邊坡水土流失控制。柴籠生長(zhǎng)成型后具有很好的景觀效果。
?。?）層栽：也稱(chēng)灌叢墊，植物枝條的結(jié)構(gòu)是交互成層或成排形狀，枝條組成籬笆狀，既可按水平或垂直方向布置，也可按不同的角度插栽。通常與其他結(jié)構(gòu)例如土工布、石籠、堆石等聯(lián)合使用，其施工技術(shù)較為復(fù)雜。生長(zhǎng)成型后，具有較強(qiáng)的抗侵蝕、抗沖蝕和穩(wěn)固岸坡的功能，而且景觀效果很好。
上述3種基本的種植技術(shù)和方法，從點(diǎn)、線、面結(jié)合起來(lái)，可以構(gòu)筑各種不同類(lèi)型的邊坡、不同形狀的坡面和不同景觀效果的生態(tài)坡岸。
在河道生態(tài)坡岸上的應(yīng)用
上海市環(huán)境科學(xué)研究院和華東師范大學(xué)河口海岸國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)土壤生物工程技術(shù)和方法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)，并于2004年初在上海市浦東新區(qū)機(jī)場(chǎng)鎮(zhèn)使用土壤生物工程技術(shù)構(gòu)筑生態(tài)河道的生態(tài)坡岸。示范工程表明，土壤生物工程對(duì)河道坡岸的生態(tài)系統(tǒng)有明顯的修復(fù)和改善作用：
（1）植物根系對(duì)坡岸的穩(wěn)定作用
許多研究表明，土壤的剪切力或黏結(jié)力與土壤中根系的生物量成正比關(guān)系。經(jīng)過(guò)9個(gè)月的生長(zhǎng)，坡岸土壤中植物根系新增生物量達(dá)每立方米0.12～0.34公斤（干重），大大增強(qiáng)了河道坡岸的穩(wěn)定性。而沒(méi)有采用土壤生物工程的坡岸，雖然經(jīng)過(guò)疏浚和整治，但坡岸長(zhǎng)期裸露，植被得不到恢復(fù)，造成嚴(yán)重的坡岸侵蝕，先前的疏浚和整治功虧一簣。
?。?）對(duì)河道坡岸棲息地的改善
三次生物學(xué)調(diào)查表明，隨著先鋒物種杞柳群落的逐漸形成，灌叢墊下草本植物的生境得到改善，草本物種數(shù)量逐漸增加，由建設(shè)初期的3種增加到13種。坡岸的植物生態(tài)系統(tǒng)得到了恢復(fù)。
（3）減少了底棲動(dòng)物對(duì)坡岸的破壞
底棲動(dòng)物如無(wú)齒相手蟹等喜好在坡岸潮間帶打洞筑巢，坡岸在潮汐的影響下很容易侵蝕剝落。采用柴籠技術(shù)的生態(tài)坡岸既保留了底棲動(dòng)物的棲息地，同時(shí)也顯著減少了它們對(duì)坡岸的破壞作用。統(tǒng)計(jì)表明，在沒(méi)有柴籠保護(hù)的坡岸，坡岸潮間帶的無(wú)齒相手蟹洞穴每平方米高達(dá)20個(gè)；而在種植柴籠的坡岸，坡岸潮間帶的洞穴每平方米僅為2～3個(gè)，有效地保護(hù)了潮間帶坡岸。
?。?）明顯改善了人居生活環(huán)境和質(zhì)量
土壤生物工程對(duì)人類(lèi)與其他生物的生活環(huán)境和質(zhì)量有明顯的改善作用。經(jīng)過(guò)土壤生物工程和其他生物技術(shù)（例如水生植物全／半系列技術(shù)）改造過(guò)的坡岸，僅幾個(gè)月的時(shí)間，先鋒物種杞柳和垂柳群落、結(jié)縷草群落、挺水植物茭草和菖蒲群落等都已在坡岸長(zhǎng)成，為其他物種（包括動(dòng)物和植物）的生長(zhǎng)創(chuàng)造了良好生境，而且美學(xué)效果極佳。更重要的是，用土壤生物工程建設(shè)的邊坡，將隨著植物群落的長(zhǎng)成和成熟，植物根系網(wǎng)絡(luò)的生長(zhǎng)和擴(kuò)張，邊坡生態(tài)系統(tǒng)的完善和有序，越來(lái)越堅(jiān)固和穩(wěn)定；它對(duì)水土流失和土壤侵蝕的控制，對(duì)整個(gè)河道生態(tài)系統(tǒng)（包括陸生和水生生態(tài)系統(tǒng)）的影響，乃至對(duì)河流水質(zhì)的改善，越來(lái)越明顯和突出。
還值得一提的是，采樣土壤生物工程建設(shè)的河道坡岸造價(jià)很低，僅為石砌駁岸的1／10；上海浦東新區(qū)機(jī)場(chǎng)鎮(zhèn)生態(tài)坡岸自2004年春建成之后，除了例行的巡視之外，尚未需要其他管理費(fèi)用。
在其他邊坡生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用
土壤生物工程是融現(xiàn)代工程學(xué)、生態(tài)學(xué)、生物學(xué)、地學(xué)、環(huán)境科學(xué)、美學(xué)等學(xué)科為一體的工程技術(shù)，為我國(guó)各類(lèi)邊坡（山地斜坡、江河湖庫(kù)堤岸、海岸坡岸等）的侵蝕控制和生態(tài)修復(fù)提供了新的工程技術(shù)和方法。土壤生物工程方法可以在我國(guó)發(fā)達(dá)地區(qū)使用，更應(yīng)當(dāng)在貧困地區(qū)推廣。
由于土壤生物工程方法簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜，效果明顯，可以大規(guī)模在我國(guó)西部、東北、西南和中原等落后地區(qū)的土壤侵蝕，水資源管理和水土保持上廣泛應(yīng)用。應(yīng)用土壤生物工程的方法和當(dāng)?shù)氐闹参镔Y源對(duì)這些地區(qū)的各類(lèi)邊坡（山地斜坡、江河湖庫(kù)堤岸等）實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定加固、水土流失控制和生態(tài)修復(fù)，可在很大程度上改善這些地區(qū)的生態(tài)環(huán)境。例如西部地區(qū)有適生性較好的沙柳、檸條、沙棘等灌木，其根深枝繁葉茂，較耐干旱，且抗風(fēng)護(hù)沙能力最強(qiáng)，在其叢下構(gòu)成優(yōu)良的小生態(tài)環(huán)境與土壤條件，從而形成荒漠與草原中獨(dú)特的灌叢“小生境”，具有很強(qiáng)的復(fù)壯更新能力。我國(guó)不少湖泊水庫(kù)匯水流域水土流失嚴(yán)重，采樣土壤生物工程方法在水土流失嚴(yán)重的沖刷水溝、塌陷和侵蝕坡面構(gòu)筑以活體植物為主體的邊坡，可以有效地控制水土流失，恢復(fù)邊坡的生態(tài)環(huán)境。
土壤生物技術(shù)在生態(tài)護(hù)坡的應(yīng)用中應(yīng)注意研究：（1）影響邊坡穩(wěn)定性的地質(zhì)、地形、氣候和水文條件等自然因素，以及合適的坡面加固技術(shù)；（2）不同地區(qū)和地點(diǎn)邊坡喬灌草種的最佳組合，可能限制或促進(jìn)植物工程物種存活的生物和物理因素，以建立穩(wěn)定的坡面植物群落。
