1.2 河湖岸线生态化研究进展
河湖断面包括水体经常淹没的区域、水位变动区以及正常水位以上邻接部分的滩、壁、高地等。河湖岸线水土保持与安全防护的重点一般包括常水位以下至一定频率下高水位影响的区域，俗称水体岸线工程护坡。水体岸坡是高低水位之间直到水面影响完全消失为止的生态过渡带，是陆源污染物进入水域前的最后一道生态屏障。氮磷营养盐等伴随着地下水运移等过程参与了岸坡特定生态系统的整个水文过程，是岸线生境水土界面物质交换过程的重要参与者，同时也是水污染控制及环境质量改善重点关注的营养盐污染物。岸坡特定生境通过泥沙沉降、植物吸收、沉积吸附、微生物代谢等过程使之具有削减氮磷负荷或影响氮磷物质界面微生态过程的生态功能，同时也是水生生态系统中最易受人为干预的功能区域。以人工干预生态护岸为生命载体而构建的水体岸坡特定生态系统中，生物群落结构、功能格局以及岸坡生境特征与天然土质岸坡、河床、河岸外围缓冲带等区域相比均有较大的差异性，对稳定岸坡、提高生态系统生产力、改善水质等都具有重要意义和潜在价值。
从环境污染控制和生态功能的角度来说，河湖岸线是水生生态系统与陆生生态系统进行物质、能量、信息交换的一个重要过渡带和两者相互作用的重要纽带和桥梁，并受到地表水以及地下水的共同影响，成为一种生态交错带，具有明显的边缘效应。河湖岸线生物群落的组成、结构和分布格局以及生态环境因子与远离河流区域相比有着较大的差异。河湖岸线子生态系统对增加动植物物种种源、提高生物多样性和生态系统生产力、治理水土流失、稳定河岸、调节微气候和美化环境、开展旅游活动均有重要的现实和潜在价值。从地理学角度看，河岸带是地球化学元素循环的活跃功能区；从环境科学角度看，具有多功能界面的岸坡是污染物净化的理想环境；从水文学角度看，是地表水与地下水动态交换过程的载体；从生态科学角度看，其岸坡护砌方式及其岸坡生境是河流、湖泊等水体生态系统的重要组成部分。
1.2.1 河湖岸线生态水文过程的环境效应
作为位于水体和陆地之间典型的生态过渡单元，水体岸坡是陆域和水域中生命系统的重要生境和生物载体，在涵养水源、蓄洪防旱、促淤造地、维持生物多样性、生态平衡以及生态旅游等方面具有十分重要的作用，并与相邻的生态系统存在强烈的交互作用和传质过程。岸坡生境土壤中的水位梯度控制着地表水与地下水的动态交换，同时也控制着水体与陆域间物质、能量和信息的交互作用与生态过程，继而通过岸坡特定生态系统的生物群落和水文过程及其相互作用来缓解和降低进入水体的非点源氮磷营养盐负荷。
水体岸坡具有廊道功能、缓冲功能和生态护岸功能，其独特的地貌单元为陆生环境和水域环境建立了联系，由于其生物地球化学环境多体现于生境基质——植物系统上，水体附近岸线区域的生态水文和污染控制的意义远比水面控制更为重要。岸边坡地一般具有陆域直接坡向水体的地形条件，其水土微生态界面及其下垫面构成在一定程度上影响着顺坡而下的渗流或径流水体的理化性质，岸边带作为陆生环境对水域产生强烈干扰作用的同时又受到水域环境的影响，发挥着特定的生态功能。在岸坡特定生境削减氮磷营养盐负荷的问题上，应重点关注岸坡特定生态系统中伴随水文过程的营养盐的迁移转化和输移通量控制。研究表明几乎所有的水体岸坡都具有明显的氮磷去除功能，氮磷物质输移的主要途径是地下径流，不同岸坡生境地下水赋存及运动状态对氮磷营养盐输移转化也会产生各异的环境影响。地下水位越接近表层土壤的水体岸坡生境，对氮磷化合物的吸收、吸附及去除能力越强。一般来说，岸坡生境的地下水位较高，植物生物量相应较大，氮磷负荷的迁移转化效率和去除强度也要大一些，可能存在更高的脱氮除磷效率。
1.2.2 岸线传统护坡方式
河湖岸线等地表水体的天然土质岸坡易受到侵蚀而坍塌，必须对岸坡甚至河床进行人工除险加固。长期以来，人们比较注重河道的自身功能建设，如行洪、排涝、航运等，河流治理时，往往采取裁弯取直、底泥清淤、河床和岸坡硬质护砌化等水利工程措施，使得河道断面单一、走向笔直。岸坡的护砌主要采用浆砌块石护砌、干砌块石护砌、现浇普通混凝土护砌、预制混凝土护砌或者土工模袋混凝土护砌等，这些传统的护砌方式有效地维护了岸坡的安全与稳定，使水道畅通，行洪安全条件得到改善，但同时也导致了水体与陆地互相割裂、河流的长度缩短、浅滩深潭消失、岸坡植被减少、生态系统破坏等不良后果。
水体岸坡的护砌通常采用不透水的硬质性材料，水体封闭在河道中，切断了水体生态系统中各要素间的物质、能量和信息的交流（图1.1），生物多样性降低，生态系统脆弱，自净能力下降，河流对外部污染负荷的抗冲击能力削弱甚至失去，一旦污染物进入河道即造成严重污染。
图1.1 河渠的传统硬质化护砌及局限性示意图
河湖岸线的硬质化防护对生态系统的破坏程度逐渐加剧，迫使人们重新思考使河渠回归自然的可能性。相关学者提出了生态水工学原理，主张通过建设生态岸坡来构建生态河渠，恢复实体天然岸坡面貌。河湖生态岸坡的构建，目标是实现水土保持、涵养水源与净化水质的多重功效，并配以具有环保高效的植物品种，在水体的仿天然岸坡上通过生物控制或生物建造以实现水利功能和环境保护的目的，生态护岸也是利用植物、环保材料等进行坡面保护和侵蚀控制的手段和途径。水体的使用功能和生态环境保护是构建生态岸坡的两个重要因素：①河道岸坡满足防洪抗冲标准要求，构建具有透水、透气和植物生长功能的生态防护平台；②满足河渠岸坡生态平衡要求，目的是要实现良性的水生生态系统。生态河道的构建要综合考虑“水安全、水环境、水资源、水景观”的高度协调，把硬质化岸坡改造成适合生物生长以及水体、土体、植被和微生物相互涵养的仿自然的生态河渠。
河湖岸线生态化是在水利工程与生态工程相结合的基础上建立起来的，形成了生态水工学这一新的发展课题，这是一个必然的发展趋势，它需要水利工程学、环境学、生物学等多学科知识的交叉与融合，在科学研究、典型设计、示范工程和制定技术规范等一系列研究过程中得到完善与发展。在欧美、日本等地，生态河渠的构建思想已经提出，一些示范性工程正在建设，其中包括新的河道整治工程设计，如可为鱼类及动物提供繁衍生息的空间的护岸工程设计、新型材料的研制等，甚至促成了一些河流生态工程咨询公司的建立，极大地促进了生态河渠构想的推广和实现。瑞士等西方国家于20世纪80年代末提出了“自然设计方法”的技术思想，日本于1990年提出了河道整治中“与自然亲近的治河工程”概念，把生态岸坡河道建设思想和构建技术应用于城市河道建设中，并提出了植生型多孔混凝土的概念。Palmer等［11］提出了河流生态修复是否成功的五条标准，仍在不断修改和完善当中。
我国对河湖岸线生态修复内涵的认识也逐渐成熟，提出了构建河湖岸线生态化工程的可行性建议。董哲仁等［62］在分析原有水利工程存在的问题及其对河流生态系统影响的基础上，提出了生态水工学的理论框架，并指出未来的水利工程应既能实现人们期望的水利开发利用功能价值，又能兼顾建设一个健全的河流湖泊生态系统。王薇等提出了基于景观生态学的思想构建河流及其廊道。杨海军等提出了受损河岸修复的三点原理：生态系统结构与功能恢复原理、生态学和工程学相结合的设计原理以及近自然的修复原理，为河流的生态构型提出了建设性思想。
1.2.3 河湖岸线生态化构建
岸坡是水生生态系统的重要组成部分，其结构与水文环境特征是水生生态系统发挥其生物地球化学作用的基础。岸坡水位梯度控制着地表水与地下水的交换动态，地表水位高于地下水水位时，地表水穿越岸坡补给地下水；当地下水水位高于地表水位时，地下水穿越岸坡排入地表水体，地下水经岸坡过滤或携带自流污染物进入地表水体，使水质发生变化。河湖等水体中携带的污染物在岸坡中发生物理、化学和生物反应，水质得到明显改善。上述的水分运移过程体现了生态岸坡的滞洪补枯作用，而溶质迁移过程体现了生态岸坡对污染物的生物地球化学净化作用。因此，岸坡的结构及其生态特性是生态岸坡构建过程的重要内容，同时岸坡也是采用生态水工学原理对岸坡实施水利工程措施的切入点，其构建材料和构建方式一直是生态河渠建设中备受关注的问题之一。
按照堤岸的冲淤变化，可将其分为冲刷型堤岸、淤积型堤岸、稳定型堤岸三种类型。在进行生态护岸设计时，必须充分考虑岸线类型及其受力特性，使护岸具有抗冲蚀能力并保证其结构的稳定性。目前已经提出了多种构型的生态岸坡，但是对其结构特性和生态功能的系统性研究却很少。
在河湖生态岸坡构建过程中，保证河流岸坡的安全性、耐久性，同时又需要保证动植物及微生物和谐共存的生境是生态岸坡构建的两个最基本的要求。堤岸的传统护砌固然实现了岸坡的坚固耐久，然而也剥夺了生物生长的空间，破坏了水生生态系统的完整性。因此，寻求类似天然土质的透水、透气性可供植物生长的，并具有一定强度的环保型生态护砌材料技术成为制约生态护岸技术的主要问题。在多年生态岸坡的建设实践中，三维土工网垫、水泥生态种植基、土壤生物工程、液力喷草技术、植生型多孔混凝土等技术对维护岸坡稳定和恢复水体生态环境具有较好的环境效益。
1.2.4 岸线水土界面的生态效应
岸坡是生态系统中能量、物质、信息交换和构造水体景观的重要通道，也是陆地区域与水生区域生命系统的重要生境和载体，作为一种位于水生生态系统和陆生生态系统之间典型的生态过渡带，由于位置的特殊性以及由此而产生的功能复杂性，河流岸坡以及外延的河岸带须得到合理的保护，从而有利于水体的综合利用和环境保护。许多研究表明，河岸通过过滤和截留沉积物、水分以及营养物来协调河流横向（河岸边坡高地到河流水体）和纵向（河流上游到下游）的物质流和能量流，因而在与之相关的河渠稳定化、水质改善等方面都起着重要作用。河流岸坡的结构形式和生态状况能有效削减水体的点源和面源污染负荷，提高水体自净能力。吴耀国等研究发现河岸的渗滤作用有效截留进入河道的氮等污染物。王超等通过选择典型河段，考察了传统混凝土护坡河段和河岸生长芦苇的河段中氨氮（NH3-N）的降解效果，研究发现氨氮在岸坡生长芦苇的河段中的综合衰减系数是无芦苇生长的混凝土护坡河段的3倍左右，氨氮的削减量是无芦苇生长河段的2倍以上。
岸坡生态效应以及对河流水质的改善作用，主要通过岸坡的纽带作用使水体与陆地之间地球化学元素相互传递、转化，在水文效应、水力运动特性的共同参与下改善水体水质，修复退化了的生态系统。生态护岸对有机物具有吸附作用和功能，生态护岸是集水、气、土壤和生物于一体的多相体系，该体系包含了溶质交换的多重界面，在界面进行的吸附和脱附过程促进了有机物的代谢。土壤中有机物的吸附作用主要是物理化学吸附，吸附能力与土壤和污染物性质密切相关，土壤有机质含量越高，吸附作用越显著，污染物分子越大，吸附能力越强。生态护岸对污染物的吸附作用和降解功能主要包括对特征有机物（如甲苯、萘、四氯联苯、腐殖酸）的吸附规律和不可逆吸附行为。前者以确定特征有机物的吸附等温模式为重点，充分认识生态护岸对若干典型有机物的吸附能力，进而识别生态护岸对有机物的吸附规律；后者以吸附-解吸不可逆过程研究为重点，观察有机污染物解吸滞后效应和动态过程，与护岸颗粒分布和微观结构相结合，深入探讨不可逆吸附过程。
生态护岸能促使水中的有机污染物在阳光、空气、水和微生物的作用下降解，微生物的新陈代谢是最重要的有机物降解机制，而护岸颗粒的非均相催化促进了降解过程的发生和进行。微生物对污染物的分解速度取决于污染物的种类、土壤的水分含量、氧化还原状态、土壤微生物种类及其数量等，生态护岸对污染物的去除过程与机理均涉及复杂的水文地球化学过程。以氮为例，有机氮经矿化作用可以分解为氨氮，氨氮在好氧微生物作用下能够硝化为亚硝酸盐氮，并进一步转化为硝酸盐氮。氨氮也可以参与其他物理化学过程，如土壤吸附和植物吸收等，硝酸盐氮在微生物作用下发生缺氧反硝化反应转化为气态氮，而护岸内累积的硝氮也可能通过渗滤进入地下水体。张宇博等针对修复4年的河岸生态修复工程从土壤生物学角度研究人工构建的河岸生境缀块对受损河岸生态系统的修复作用，研究发现修复区土壤中各种微生物的数量、种类、生物多样性指数以及土壤有机质、氮、磷含量较高，修复后，受损河岸的土壤性状明显改善，河流生态系统稳定性提高。
河流坡面生态系统的重要性逐渐为人们所认知，已逐步开展研究生态岸坡的水质改善和生态功能，并取得了一定的研究进展：在理论上，主要集中在生态河岸的定义、功能、管理及护岸技术等宏观方面的研究；在实践上，河岸带的生态防护、生态治理及生态修复工程相继实施，不仅在一定程度上改善了生态，也进一步加深了对生态岸坡的理解。但是，关于河流坡面生态系统的理论创新和功能机制等方面的研究还相对缺乏。