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河流生态护坡系统的研究是一个新兴、正在深入研究和迅速发展的领域，它是现代水利工程学、环境科学、工程力学、生物科学和景观生态学等交叉领域的研究内容。对河流生态护坡系统的研究，科学理论的指导具有重要的意义。
生态护坡主要基于恢复生态学、植物生态学、景观生态学和土壤生态学的技术理论 [43] 。恢复生态学是探究生态系统如何退化、怎样恢复已经退化的生态系统和重建生态系过程的原理和技术，所以恢复生态学是河岸生态治理实践的理论，同时还为植生型护坡技术提供模式和方法。恢复生态学的主要内容包括生态结构功能、地理要素对生态系统的作用以及生态过程中相互作用机制等；植物生态学的主要理论包括研究对象是植物之间、植物与环境之间的作用关系，它包括个体、种群、群落和系统4个部分，由微观到宏观，探讨个体生理和物质代谢对整个系统的影响；景观集自然环境和历史人文于一体，它是自然景色也是人类智慧与自然生物共同形成的复合系统。景观生态学不仅探究生态系统本身的规律，它更强调的是人为物本，物为人用的理念；土壤是植物赖以生存的根本，土壤和生物之间的关系是生态学研究的内容。
一般认为生态因子是环境中能够直接或间接影响植物生长、发育、繁殖和分布的要素。例如湿度、温度、土壤、氧气等。这些和植物生长密不可分的环境条件是植物的生长条件。按环境因子作用大小和生物数量相互关系，将生态因子分为密度制约因子和非密度制约因子。生物种群密度的大小影响生物的生长，而环境因素不随种群密度改变而改变。
为了研究方便，人们将生态因子进行划分，实际上在生态系统中，各种生态因子所起的作用并不是单一的，而是相互关联、同时对植物产生影响。所以，对于生态因子应该辩证地分析，不能过多关注某一因子作用而忽略其他因素。另外，在生态建设中，要合理利用各因子之间互补或增强的特性。系统中很多因子中有一个决定生物的总体发展，这个被称为主要因子也称为主导因子。主导因子并不固定，不同的系统有不同的主导因子，如光合作用中光照是主要因子，温度和二氧化碳是次要因子；植物返青时，温度是主要因子，而通气和降雨是次要因子。生物因子作用的基本特征包括综合性、非等价性、阶段性作用、直接和间接作用、不可替代和可补偿。
经典的Allee′s Principle指出过大或过小的种群密度都能成为限制其发展的因素。在某些情况下，对于一个单独的个体而言都存在一个最适生长的空间，如果这个空间小于个体最适合的空间时，个体的生长就会受到影响。
种群密度原则有利于在生态护坡技术中加强对植物种群密度的配置，在生态护坡坡面上栽植植物时，充分考虑植物的适宜生长空间，合理配置植物的密度，达到最好的绿化效果。
种群的位置分布格局是种群的个体在生存空间的状态、位置或分布。这种格局一般是随机、均匀的，由于环境的影响和个体之间的竞争会出现成群分布的情况。一般河岸生态环境的植被修复应用均匀格局，但有时根据具体情况集群格局会有适合种群的良好生长。
群落的空间分布格局机理指导生态护坡技术的植物配制避免过于单一化、规整化的现象，按照无人为干扰的自然状态进行布置。
生态位的概念首先由C.Elton （1926年）提出，他认为这是物种在群落中所处的位置。后来一些人认为生态位与资源占有率有相同的含义。G.F.Gause等人通过大量的试验得出处于同一生态位的物种是不能共同生存的，据此提出一个物种占据一个位置。实际上各个物种之间的资源占用情况是不一样的，这也印证G.F.Gause等人的理论更令人信服。生态位种类越多说明这个群落的生物结构越复杂。对于受到破坏的生态系统进行保护治理和恢复首先应该合理规划各种生物的空间格局，包括地上空间和地下空间，使各个群落的不同结构分别处于他们各自合理的位置，种群间相互补充，和谐发展。
为了避免在生态重建的过程中出现较强的物种竞争，可以让不同的植物品种错开栽种，让它们有各自的生态位，提高栽种植物的成活率和增强后期的景观效应，符合生态系统多样性的要求。
植物都有由生长到死亡的过程，植物作为植物种群的最小单元，它们之间的相互关系也影响着整个植物群落的发展，植物群落的更迭与环境、时间因素有关。随着时间的变迁，自然环境缓慢变化，高级的植物群落会取代低级的植物群落。环境因素的影响往往是突然的。如森林遇到火灾，人为砍伐可以使一片森林在几天或几个星期成为一片裸地，经过一段时间后裸地上首先会出现一些禾草，继而被杂草取代，然后被灌木丛取代，最后又能成为森林。
自然界的绝大部分群落都处于动态的平衡中，种群中个体的数量会随时间推移而逐渐增长。由于环境因素对自然群落的影响，群落中的个体数量不可能没有限制地增长，当达到所处环境的承载力极限时会逐渐趋于稳定。当受到环境突然变化而使群数量减少时，群落系统会慢慢恢复到原有的状态，这是生态系统与机械系统的根本区别，在恢复过程中涉及群落自身设计、群落自身调节和群落自身维持原理。
群落设计原理源于生态恢复学关于群落退化后会根据环境改变自我的组分，合理优化结构，在充足的时间内系统会重新达到稳定。为了加快退化群落恢复原貌，可以采用工程和生物技术相结合来设计适合环境条件的方案。
太阳为生物体提供能量，一个植物群落系统是否能够自我维持主要表现在它与环境连接的通畅程度。一个群落达到平衡后，是一个能自我更新的系统，只需要外界很少的投入。
自我调节的目的在于对生态系统中各个小的部分整体化，使其更加完善，不再是某一部分某一个体的增长，这样群落可以对外界变化有一定的承受力。当环境条件有利于群落生长时可以加速发展，若环境不利于群落生长可以避免受到损害。这种调节是有一定限度的，超过这个限度自我调节作用就会被削弱或消失。
整体性理论认为复杂系统和有机整体的性质与功能，不能通过其简单的组成成分来反映，生态系统的各成分通过协同进化形成了不可分割的统一的有机整体。因此，对于一个生态系统的研究，要以整体观为指导，在系统水平上来研究。
河流是流水作用经过漫长的岁月形成并稳定下来的一种主要地貌类型，汇集地面径流和地下径流，沟通内陆和大海，是自然界物质循环和能量流动的重要通途。河流生态系统的形成和演变，是经过漫长的岁月才比较稳定的，水生生态伴随着湿地生态并极大地影响到两岸的陆地生态。如一条典型的河流，从横断面来看，组成上就有河岸、护坡、河底、主槽以及湿地等；从纵断面来看，有浅滩、深潭和洪泛平原等。以前对河流的研究，河岸、洪泛平原、湿地以及河流形态结构几乎都与河道分开，河流生态学家倾向于只用河道功能来解释河流动力学，而河流管理人员则更倾向于从美学景观的角度来研究河流。事实上，水生态系统、护坡生态系统以及河岸生态系统是一个统一的有机整体，一方面，三者之间存在着水资源相互转化关系。丰水期，河水向护坡的地下水层渗透储存，缓解洪灾；枯水期，地下水通过堤岸及护坡反渗入河，起着滞洪补枯、调节水位的作用。另一方面，河岸生态系统通过护坡生态系统为水生态系统提供碎屑、粗颗粒有机物等营养物质，供水生生物生存。
随着对河流生态系统认识的加深，将河流水生态系统描述为四维的，即具有纵向（上游-下游）、横向（河床-洪泛平原）、垂直方向（河川径流-地下水）和时间分量（如河流形态结构的变化及河流生物群落的演替等） [45] 。在纵向上，河流是一个线性系统，从河源到河口均发生物理的、化学的和生物的变化。河流与其所在流域的横向联系同样很重要，靠河流近的区域，即使是很窄的一条沿河区都具有很多功能。河岸及护坡上的植物提供了生态环境，并且起着调节水温和光线、减缓渗漏和侵蚀以及加强营养输送的作用。与河流发生相互作用的垂直范围不仅包括地下水对河川径流水文要素和化学成分的影响，而且还包括生活在下层土壤中的有机体。河流系统的时间尺度在许多方面都是很重要的。河流形态结构可能需在很长时期内自然地改变，即便是很突然的和由于人类介入的改变（如蓄水工程对下游的影响），也许要几十年才显现出来。在水生生态环境中，有机物的发育和成长，从几周到数年不等，而水生生物群落的演变却需要数千年。
因此，在河流生态护坡系统的研究中，不能就河流谈河流、就护坡谈护坡，应该从河流护坡生态系统的组成和结构出发，横向上，把护坡与河岸、河流水体看作一个整体，研究三者之间进行物质、能量和信息交换的实质；纵向上，努力营造河流的蜿蜒性，使河流形成主流、支流、沼泽、急流和浅滩等丰富多样的生境；垂向上，作为地表水与地下水之间的媒介，通过实验研究分析生态护坡在两者之间是如何起作用的，以便为防止地下水受污染提供理论依据。此外，还应还需要考虑护坡的时间的特性，确保河流护坡系统的可持续发展，这样才能实现对河流更好的保护与管理。
生物多样性是反映地球上所有生物及其生存的环境和所包含的组成部分的综合体 [43] 。它包括数以千百万计的动物、植物、微生物和它们拥有的基因以及与生存环境形成的复杂生态系统。生物多样性包含三层涵义，即生态系统的多样性、物种的多样性和遗传基因的多样性。三者之中，生态系统的多样性是基础，而物种多样性是关键，遗传的多样性含有的潜在价值最大。复杂的生态系统是最稳定的，它的主要特征之一就是生物种类丰富，食物网纵横交织。当某一个种群增加或减少时（不是关键种），其他种群就可以填补空白，使系统保持自组织能力，并对外界干扰有一定的抗衡能力。
河流由于其特殊的环境，其生物物种非常丰富。河流形态的多样性是河流生物群落多样性的基础。河流从上游到下游，穿越各种地形，受到水文、气候、季节变化等影响，形成复杂多样的生态环境。河流中栖息着许多生物类型，它们在生态系统中分担着生产者、消费者和分解者的角色，构成了河流的生物群落，是河流治理、恢复和保护的对象，也是河流水体自净的基础。但是随着社会经济发展，人类对河流进行了多目标、全方位、大规模、高频次的干预，裁弯取直、河道横断面几何规则化、河床材料的硬质化等工程措施使得河流形态趋于均一化，在河流上筑坝以及诸多的人造水景使得河流形态趋于非连续化，从而改变了城镇河流生境的多样性，降低甚至破坏了河流生态系统的功能。
因此，河流生态护坡系统的研究应该以为护坡生物和水生生物创造良好的生境为基础，从而营造河流系统的生物多样性，达到提高河流的自净能力的目的。
1978年普里高京（Prigogine）首次提出了耗散结构理论 [46] ，把系统分为三类：孤立式系统、封闭式系统和开放式系统。在任何系统中，总熵（系统无序程度的量度）的变化由两部分组成：
d S =d S i +d S e
式中 d S ——总熵变化；
d S i ——系统内部产生的熵变；
d S e ——由于系统与外界环境发生物质和能量交换而产生的熵变化。
对于任何系统，根据热力学第二定律,d S i 总是大于或等于零。对于非孤立的系统而言,d S e 则可能大于零也可能小于零。
d S e 为零必然会导致系统的熵有序或无序性的增加，但d S e 不为零并不能保证系统的熵值减少或有序性增加。当d S e 大于零，来自环境的能量流和物质流增加系统的总熵值，系统加速达到热力学平衡态，系统的原初结构最终彻底破坏。当d S e 小于零但很接近零时，系统总熵的变化将取决于其内部熵d S i 的变化。在这种情况下，系统最终仍将达到其热力学平衡态，不可能产生任何新结构。然而，当d S e 远远小于零时，即系统从外界环境不断通过获得物质和能量吸收负熵流时，系统的总熵值将减少，有序性增加，信息量（负熵）增加。在这种情况下，一种新的组织结构可能形成，从而使得系统处于一种远离热力学平衡态的准稳定态。因此，这种新的稳定结构是靠系统从环境中不断吸收负熵流来形成并维持的，故称耗散结构。耗散结构是系统和环境间相互作用达到某一临界值时出现的有序结构。它的形成是由量变到质变，由无序到有序的过程，可看作是一个自组织过程。耗散结构理论阐明了客观世界有序和无序总是同时出现，无序和有序之间存在着联系和转化。
生态系统是一个复杂的、开放的热力学生命系统，由不同层次的生物有机体构成。因此，生态系统是一个具有多重耗散结构的等级组织系统。当生态系统从环境中不断吸取物质和能量时，系统的总熵减少，信息量增加，结构复杂型也随之增加。生态系统在结构和功能方面的有序性和稳定性，是靠连续不断的来自外界的负熵流和不断地输出熵来维持的。也就是说，生态系统的稳定性是通过熵最小化过程来实现的。
当一个健康的生态系统受到胁迫或干扰后，通常以增加群落呼吸速率、提高熵生产率的方式将系统的无序性输出去。当新的耗散结构形成后，系统便进入稳定态。然而，如果胁迫或干扰过于频繁、过于强烈，这些系统的自组织将崩溃，从而准稳定态也随之消失。所以说，外力干扰会使系统内部产生相当大的变化。一定限度的外力干扰，系统可进行自我调整，而当外力干扰超过一定限度时，系统将被彻底破坏。
在水资源开发利用过程中，对河流生态系统干扰的强度、干扰的时间要控制在一定的限度内，若长时间使河流生态系统处于受胁迫的状态，如传统城河道的刚性护坡彻底隔绝了水-土-生物之间形成的物质和能量循环体系，河流生态系统的自组织和抗干扰能力将受到破坏，难以实现自身的有序性，难以实现河流水体的自净。
基于对以上几个理论的分析，河流生态护坡系统的研究应该遵循以上的原理。生态系统理论要求我们把河流护坡看作是一个完整的生态系统，从护坡生态系统的组成出发，研究其结构、功能以及与相邻生态系统（水生生态系统和陆地生态系统）之间的联系；整体性理论要求在城镇河流整治中，不能就河流谈河流、就护坡谈护坡，而应把护坡、水体和河岸看作一个整体来研究，即要扩大研究的尺度；生物多样性理论要求生态护坡系统的研究应是在保证边坡稳定的基础上，以为护坡生物（护坡植物、护坡上的动物以及土壤微生物）和水生生物（水生植物、水生动物以及水生微生物）创造良好的生境、营造河流系统的生物多样性为主要目标，从而实现提高河流的自净能力的目的；耗散结构理论则指出，人类对河流生态系统的干扰，应维持在一定的强度和时间范围内，否则系统将难以实现其有序性。
植物的水土保持功能主要表现在两个方面：一是对坡面形成径流的冲刷力的影响，主要是减小雨滴落地时的动能，防止击溅，延缓地表径流的形成，降低径流速度等方面；二是由于植物的作用，土壤的孔隙率增加，渗透性能得到改善，同时抗冲击性也得到提高。
水蚀实质是由于地表径流的侵蚀能力大于土体自身抗力造成的，它由击溅、面蚀和沟蚀构成。雨滴由高空落下，击打在地表的浮土上，土粒受力被击散。没有防护的坡面受到具有一定动能的雨滴击打，能维持土壤稳定的结构（团聚体结构和水稳定结构）严重受损，失去原有的平衡状态。稳定破坏后土壤抵抗侵蚀的能力迅速减弱，飞溅的土壤微粒在地表形成一层结皮，阻止水入渗到土坡内部，地表径流逐渐形成，形成的小股水流携带土壤颗粒继续汇集造成更大的侵蚀。
坡面水流形成过程中，流程不断增加，击溅逐渐向片浅沟侵蚀发展，水流的挟沙能力猛增。水流对土壤的侵蚀一般分为推移、悬移、摩擦。这3个作用一般同时存在，相互关联。其中推移作用是当土壤小颗粒之间的黏结力小于水流的冲击力时，小颗粒随水流一起运动；悬移作用，即在水流的作用下，由于土壤颗粒上下水流速度不一样，产生垂直向上的力，土壤颗粒能悬浮于水中；摩擦作用一般分为两个方面，一方面水本身对土坡表面有极大的剪切力，另一方面水中的土颗粒对坡面的土体也有撞击作用，两种力共同作用，侵蚀的能力非常强。边坡坡度增大时，侵蚀力随之增强。从上述对径流形成、土壤侵蚀的过程来看，水流的流速和流量是决定侵蚀力大小的关键因素。植物能否减小水流的速度和流量是能否有效保持水土的关键。经过大量实践，植物能够截留地表水，加速水分入渗土体，减少径流；植物还可以改变局部坡率增加地表粗糙程度，达到很好的固土防冲的效果。
植被可以提高土壤的抗蚀和抗冲的性能，一般来说，土壤的抗蚀性是土壤的物理性质、地形、土壤耕作形式共同作用的结果，物理性质起主要作用。抗冲性则与土壤的亲水性有关，亲水性越强，土壤越容易在水中分散悬浮，团聚体结构破坏后，土壤的透水性变小，即便是很小的水流也会发生较大的侵蚀。有植被覆盖的土壤中存在很多稳定的团粒结构，这些团粒结构可以增加土壤的抗冲力。土壤抗冲力增加能有效提高其允许应力值，因此径流条件一样，有植被覆盖的土坡水土流失量比裸露的土坡小。随着植物的生长，这种能力会逐渐增强。
植被在控制水土流失的各个方面都起到了重要的作用，也减少很多土壤流失的危害性，实践证明：土壤流失的总量和植被覆盖率之间有一定的相关性。草地生长茂盛的坡地产流量和水土流失量比裸露地要少，分别不到裸地的 6%和 12%，植被覆盖度减少到75%以下时，产流量和水土流失量猛增。只要保证一定的植被覆盖率，土壤侵蚀强度就会在可控制的范围。
（1）根系持土作用。
根系通过加筋、锚固等作用，提高土体的黏聚强度及根系与土体之间的摩擦力，增加土体摩擦强度，进而提高土体的抗剪强度和稳定性，这是根系固土的基本原理。
1）加筋作用。根系木节交错地分布在土中，土坡和植物根系形成一个整体，根系由于蒸腾作用吸收土体里的水分，降低土体孔隙水压力，根土复合体的黏聚力也有所提高，提高内摩擦角，改善土壤性质。植物根系相当于加筋材料，根系的弹性模量要比土体大得多，这样根土复合体无论在抗剪、抗拉以及根土之间的摩擦力都比原土体要大。
2）锚固作用。主根垂直穿过表层土固定在深处稳定土体，当周围的土体有滑动倾向时，由于主根具有一定的刚度，主根与土体之间产生摩擦阻力，粗的主根作用相当于锚杆系统，连接表层和深层的根系相当于抗滑桩和扶壁，同时抵抗来自坡体的剪应力。
浅层土与深层土依靠垂直主根的锚固连成一个整体，将坡面的下滑力传递到稳定的基础层，利用基础的被动拉力和锚固作用，坡面得以稳定。
（2）影响根系持土作用的因素。
植物根系在发挥提高斜坡整体稳定性、预防浅层滑坡破坏的作用时受许多因素限制，一般来说植被自身的特性和环境因素最为重要。
1）植被本身的因素。
a.根系特性。从根的外形可以将根系分为垂直型、散生型和水平型，不同根型在土中作用的范围不同，所起的作用也各异。
b.穿过剪切面的根量。根的截面积率（穿过剪切面根的总截面与剪切面的比值）能够量化地表达根系固土的作用，为对比不同植物的固土作用提供了简便准确的方法。穿过截面的根量越少，根的截面积率越小，根与土壤之间的摩擦力越小，抵抗滑脱的能力也就越差，反之亦然。
c.植被种类。植物种类不同，其根系抗拉强度和固土能力各异。根的抗拉力直接决定植物根系的固土能力，抗拉强度越大，固土能力越强。直通性又是影响根抗拉强度的主要因素，直通性越好，根系分枝角度越小，纤维组织越具有韧性，抗拉强度越高。
此外，立地条件对根系抗拉力也有影响。疏松土壤，根系能够深入伸展，较通直，有较大抗拉力；坚硬土壤、砾石地上情况相反。
2）环境因素。
a.坡度。坡度对根系固坡的作用主要受土体自重产生的下滑力影响，坡度越陡，下滑力越大，根系的作用越小，它们之间呈负相关。
b.土壤性状。土壤性质不同导致根系持土的能力的不同。黏性土的内摩擦角比较大，黏结力使根系和土之间黏接在一起，根与土之间的摩擦阻力比非黏性土大，根系固持作用更加明显；粉质砂性土质地松散，摩擦力较小，植物根系固土能力在这种土体中表现不明显。