《Ecological Engineering》：An overview of soil and water bioengineering as a nature based solution for erosion and substrate mass movement control in the tropics
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热带地区土壤与水生物工程技术（SWBE）应用及物种研究综述。分析51个案例的技术类型、监测及物种清单，发现SWBE在美洲和亚洲实施较多，但长期标准化监测不足，且仅25%热带物种被实地测试，需加强本土物种研究和长期监测。
Mira Eléonore|Evette André
Phytech Antilles, Chemin de Bon Air 97128 Goyave, Guadeloupe, FWI, France
摘要
土壤与水生物工程（SWBE）是保护基质移动和控制侵蚀的最常被提及的基于自然的解决方案，属于土木工程解决方案的一个子集。尽管在温带地区关于SWBE的研究较多，但在热带地区却鲜有关注，尽管那里土壤侵蚀和基质移动现象频繁发生且后果严重。目前仍缺乏对SWBE实验的综述以及适合用于SWBE的植物物种清单。
我们对800多篇文献进行了回顾，并筛选出51篇报道了有效SWBE项目的参考文献。从每篇参考文献中提取了与项目背景、技术目标、实施的结构和项目监测相关的14个变量。我们还整理了一份用于SWBE的热带植物物种清单，包括它们的分类学信息、生长形态、繁殖方法及原产地分布范围。
研究结果显示，尽管在非洲和大洋洲有相关研究，但在这些地区的工作相对较少。在美洲和亚洲，成功应用了多种SWBE技术（共28种）。然而，这些项目的监测通常仅限于短期，并且缺乏标准化的评估方法。在全球热带地区提到的465种生物工程物种中，只有25%在实地进行了测试，而且大多数测试是在其原产地范围之外进行的，每项研究涉及的物种数量也有限。SWBE在热带地区具有潜力，但关于适合的热带植物物种及其生物技术特性的知识仍然不足。需要开展包括明确、长期和标准化监测方法在内的研究，以帮助实践者并促进SWBE在热带地区的应用。
引言
土壤侵蚀和基质移动等自然灾害在全球范围内具有严重后果（Poesen等人，2003年；Poesen，2018年）。在热带气候条件下，全球19%的土地表面（Peel等人，2007年）容易发生土壤侵蚀。强降雨、频繁的热带植被退化以及由此产生的高度可侵蚀的土壤导致了严重的侵蚀现象（El-Swaify等人，1982年；Lal，1990年）。全年高强度降雨加上高温会引发化学风化和淋溶作用，加剧土壤侵蚀，并导致地表径流，形成薄层的残余土壤（Huat等人，2008年；García Ruiz等人，2017年）。此外，高温引起的干湿循环以及连续的干旱和强降水会影响热带土壤的强度和承载能力，从而导致土壤不稳定（Wibawa等人，2018年）。热带地区的土壤流失率是全球最高的，是欧洲或地中海地区的两倍多。热带地区的土壤侵蚀在空间和时间上更加不均匀，主要集中在尚未形成植被覆盖的裸露土壤区域，即生态演替的初期阶段（Labrière等人，2015年）。热带地区还经历了最严重的基质移动灾难，造成了巨大的经济损失和人员伤亡（Guha-Sapir等人，2018年）。过去50年里，人类将热带森林景观转变为多种其他用途（Lambin等人，2006年），导致自然生态系统的人为化，破坏了包括侵蚀控制和土壤稳定在内的生态系统功能和服务（Mohamed等人，2023年）。
在需要保护基础设施的地方，通常采用传统的土木工程技术（如石块和混凝土）来稳定斜坡和河岸。这些方法在机械上有效且能立即解决问题；然而，它们会深刻改变原有的自然条件和生态系统功能与服务，破坏栖息地，扰乱生态系统的自然演替过程，减少物种的多样性和功能性（Cavaillé等人，2015年；Dudgeon等人，2006年；Janssen等人，2019年）。土壤与水生物工程（SWBE）是一种土木工程解决方案，包括：（i）土壤生物工程（SBE），可以防止轻微的基质移动和表面侵蚀；（ii）水生物工程（WBE），用于保护和稳定河岸（Von der Thannen等人，2017年）。侵蚀是一个自然过程，外部因素如风或水会移除土壤颗粒（Sidle等人，2006年）。侵蚀表现为多种形式，包括片状侵蚀、沟蚀和大规模滑坡。利用SWBE技术可以有效稳定由水引起的斜坡、沟壑和河岸侵蚀，增强土壤凝聚力并减少侵蚀影响（Frankl等人，2021年；Gray和Sotir，1996年；Schiechtl和Stern，1996年）。SWBE旨在模仿自然过程，利用植物和/或植物部分（如根、茎、种子、根茎）作为活建筑材料，单独使用或与石块、原木或纤维卷等结构组件结合使用（Clark和Hellin，1996年；Diaz，2001年）。SWBE采用成本效益高、环保、具有韧性的可持续技术，通常不依赖昂贵且对环境有害的资源。尽管活植物材料需要时间发展出足够的强度来完全稳定土壤，但SWBE已经证明了其有效性（Leblois等人，2022年）。
SWBE是一种开创性的实践，现在是保护基质移动和控制河岸侵蚀最常被提及的基于自然的解决方案（NBS）（de Jesús Arce-Mojica等人，2019年；Preti等人，2022年）。作为一种NBS，SWBE专注于生态系统保护和恢复，同时改善人类福祉和生物多样性（Cohen-Shacham等人，2016年）。
植被通过水文和机械过程在减轻土壤侵蚀方面起着关键作用。植物可以拦截雨滴，减缓水流速度，并在其叶片上储存部分水分。通过降低水流速度和地面水分量，植被减少了侵蚀风险（Clark和Hellin，1996年；Gray和Sotir，1996年；Diaz，2001年；Simon和Collison，2002年）。由于高温，植物的蒸散作用较强（Clark和Hellin，1996年；Diaz，2001年），这进一步减少了土壤含水量。植物通过增加表面粗糙度来减缓水流速度（Clark和Hellin，1996年；Gray和Sotir，1996年）。它们通过“梳状效应”固定沉积物（Lavaine等人，2015年）。灌木和草本植物的柔软茎部被水流压向地面，形成保护层（Clark和Hellin，1996年；Gray和Sotir，1996年；Diaz，2001年）。植物还通过其他机械过程帮助控制侵蚀，增加土壤的抗剪强度并限制基质移动的风险（Gray和Sotir，1996年；Diaz，2001年；Norris等人，2008年）。树根扎根于坚实的土壤层中，为上层土壤提供支撑。相邻树木的根系之间形成的拱形结构稳定了斜坡（Clark和Hellin，1996年；Gray和Sotir，1996年；Diaz，2001年；Simon和Collison，2002年）。同时，表层根系增强了土壤的凝聚力，在地表30至50厘米范围内形成密集的网络，共同维持土壤结构（Clark和Hellin，1996年；Gray和Sotir，1996年；Diaz，2001年；Simon和Collison，2002年）。
由于植物是SWBE的基本材料，因此所选植物物种必须具备适当的机械、生物和生态特性（Durlo和Sutili，2014年；Ghestem等人，2014年；Stokes等人，2009年）。它们应生长迅速，能够形成密集的根系，提供良好的土壤覆盖，并在受到干扰后良好恢复，同时具有茎部的柔韧性（Kettenhuber等人，2023年；Mira等人，2021年；Sutili等人，2018年）。这些植物还应易于通过种子或无性繁殖（Kettenhuber等人，2023年；Mira等人，2022a，Mira等人，2022b）。找到具有所需生物技术特性的本地植物是项目成功实施的关键条件之一（Maxwald等人，2020年）。建议使用本地植物进行SWBE：它们更好地适应当地生态条件，更有可能成功扎根，同时避免引入外来入侵物种（Bischoff等人，2006年；Breed等人，2013年；Bucharova等人，2017年；Krautzer和Hacker，2006年）。
在全球追求高效基于自然的解决方案的趋势下，SWBE技术在劳动力成本较低的地区（如大多数热带国家）越来越重要（Petrone和Preti，2010年；ILO国际劳工组织，2024年）。然而，必须有合适的本地植物作为建筑材料（Petrone和Preti，2013年）。据估计，热带地区有16万到22.7万种种子植物，占全球种子植物多样性的53%（Govaerts，2001年），因此热带植物在SWBE中具有巨大潜力。
过去十年中，热带地区记录了一些成功的SWBE实验：例如，红十字会在洪都拉斯的大规模项目（Hostettler等人，2019年），对中美洲和南美洲31个SWBE项目的比较分析（Maxwald等人，2020年），对马来西亚当前实践的回顾（Dorairaj和Osman，2021年），以及尼加拉瓜和巴西的针对性研究（Petrone和Preti，2008年；Maffra和Sutili，2020年）。一些热带植物物种已被测试其是否适合用于SWBE中的斜坡和河岸稳定工作，重点关注其生物技术特性（Petrone和Preti，2013年；Maffra和Sutili，2020年；Holanda等人，2010年）。然而，实际应用的SWBE项目在全球范围内仍然较少。尽管这些技术的适用性良好且已在某些地区得到应用，但在热带地区仍较为罕见。缺乏成熟的操作协议，当地政府对这些技术的了解也很有限。此外，关于本地植物生物技术特性的知识非常零散，主要存在于灰色文献中，且往往不完整，这阻碍了SWBE在热带地区的发展（Maxwald等人，2020年；Mohamed等人，2023年）。需要更多关于适合SWBE的本地植物及其生物技术特性的知识，以选择合适的植物种类，预测气候变化的影响，提高缓解项目的效果，同时降低成本并融入当地社区。
在本文中，我们回顾了热带地区用于斜坡稳定和侵蚀管理的土壤与水生物工程实践。我们的目标是：1）列出、定位并描述在热带地区应用的SWBE技术，包括相关的监测和评估；2）尽可能全面地整理出用于SWBE的热带植物物种清单，包括它们的生长形态、繁殖方法、生物地理分布以及适用的技术。
参考文献搜索
2023年12月，我们在Google Scholar上搜索了所有相关的先前出版物。使用的关键词包括“bioengineering”与“erosion” AND “slope” OR “riverbanks” WITH “tropical” OR “tropical country”的组合。对于每个被报告为具有部分热带气候的114个国家（Peel等人，2007年），我们重复进行了搜索，并扩展了搜索范围，包括了法语、西班牙语或葡萄牙语作为官方语言的热带国家。
结果
关于热带地区SWBE的信息分布在多种来源和语言中。其中，期刊文章占51%，灰色文献占37%，书籍占5%，会议记录占7%。为了完善植物物种清单，我们还参考了11份指南和9篇综述。45%的参考文献使用了非英语语言出版（25%为西班牙语，14%为葡萄牙语，6%为法语）。
讨论
文献回顾显示，关于热带地区SWBE在侵蚀控制和斜坡稳定方面的信息非常有限。尽管侵蚀和基质移动具有重大的经济和社会影响（Guha-Sapir等人，2018年），但SWBE的发展程度远低于其他气候区域。例如，“Stability”是一个关于温带和地中海地区物种的协作数据库，其中包含了有助于SWBE的生物技术信息
结论
通过对文献的全面分析，我们整理并绘制了用于减少热带地区浅层基质移动和侵蚀控制的SWBE项目地图。我们描述了所采用的SWBE技术类型、使用的植物物种、监测标准以及每个项目的评估程序。尽管最近有国际政策推广NBS以控制侵蚀和浅层基质移动，但在热带地区这些技术的应用仍然很少
CRediT作者贡献声明
Mira Eléonore：负责撰写初稿、可视化、资料收集、调查、数据分析、概念化。Evette André：负责审稿与编辑、验证、监督、资金筹集、概念化。
资金支持
本研究由INGETEC和国家农业、食品与环境研究所（INRAE）资助。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢Pierre Raymond和Marie Robert的富有成果的讨论，感谢INGETEC的Pierre Brieuc Destombes提供的材料支持，以及Vickie Moore对英文版本的校对工作。
