青藏鐵路多年凍土區(qū)段沿線(xiàn)生態(tài)修復(fù)新技術(shù)與實(shí)踐

薛春曉，程建軍，蔣富強(qiáng)，熊治文，張春禹

(1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，蘭州 730000;2.石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832003)

1 路域生態(tài)工程技術(shù)研究現(xiàn)狀

針對(duì)青藏鐵路沿線(xiàn)生態(tài)綠化保護(hù)與恢復(fù)和植物防沙的技術(shù)需求，從研究國(guó)際上路域生態(tài)工程施工技術(shù)現(xiàn)狀入手，開(kāi)發(fā)與引入適用于青藏鐵路多年凍土區(qū)段生態(tài)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)的新技術(shù)，旨在提高青藏鐵路路域生態(tài)工程技術(shù)水平，建設(shè)綠色青藏鐵路。

道路生態(tài)環(huán)境建設(shè)，經(jīng)歷了從普通綠化到生態(tài)交通線(xiàn)或景觀(guān)生態(tài)綠化的發(fā)展過(guò)程。

我國(guó)的路域生態(tài)工程技術(shù)，經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單到多樣、從傳統(tǒng)技術(shù)到現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展過(guò)程，這種發(fā)展變化是與公路綠化的模式和公路建設(shè)規(guī)模直接相關(guān)的。我國(guó)最初的公路綠化模式就是種行道樹(shù)，綠化技術(shù)主要借鑒林業(yè)部門(mén)的造林技術(shù)。隨著全國(guó)公路網(wǎng)的初步形成，綠化的范圍擴(kuò)展到公路邊坡，園林部門(mén)的種草和鋪草皮技術(shù)被引入公路領(lǐng)域，并與植樹(shù)技術(shù)相結(jié)合，形成了公路綠化的傳統(tǒng)技術(shù)模式。高速鐵路及高等級(jí)公路的建設(shè)，促使我國(guó)公路路域生態(tài)工程技術(shù)開(kāi)始向現(xiàn)代化轉(zhuǎn)變，以機(jī)械噴附為代表的新型植被建植技術(shù)在國(guó)內(nèi)許多高速公路建設(shè)中被嘗試應(yīng)用。綠化范圍也從公路邊坡擴(kuò)展到中央分離帶、互通立交和服務(wù)區(qū)，全方位、立體式、多功能、景觀(guān)生態(tài)的設(shè)計(jì)理念和綠化模式正成為我國(guó)公路路域生態(tài)建設(shè)的指導(dǎo)思想?？梢哉f(shuō)，具有中國(guó)特色的現(xiàn)代化公路路域生態(tài)工程技術(shù)體系已經(jīng)有了初步的框架結(jié)構(gòu)。

2 青藏鐵路多年凍土區(qū)段自然環(huán)境特征

2.1 氣候條件

青藏鐵路多年凍土區(qū)段為高寒氣候區(qū)，其基本特點(diǎn)是:氣溫低、空氣稀薄、大氣透明度高、太陽(yáng)輻射異常強(qiáng)烈。該地區(qū)地面平均氣溫與同緯度地區(qū)相比要低10℃ ～14℃。特別是在夏季，比同緯度的我國(guó)平原地區(qū)日平均氣溫可低20℃，比西伯利亞地區(qū)也要低16℃～20℃。表1為位于多年凍土區(qū)的三個(gè)氣象站的氣象要素統(tǒng)計(jì)表。由表1可知，該區(qū)段年平均氣溫低，植物生長(zhǎng)苗期須采取一定的保溫措施;降水量較低而蒸發(fā)量大，且日照充足，這就使保水措施也成為在該區(qū)段內(nèi)進(jìn)行生態(tài)修復(fù)的必要措施。

表1 多年凍土區(qū)氣象要素統(tǒng)計(jì)

2.2 植被條件

青藏鐵路多年凍土區(qū)段屬高寒草原生態(tài)系統(tǒng)，以沱沱河地區(qū)為例，該地區(qū)植被總蓋度為25% ～35%，植物群落主要由以下物種構(gòu)成:禾本科針茅屬紫花針茅，蓋度10% ～15%;莎草科苔草屬青藏苔草，蓋度5% ～10%;菊科火絨草屬矮火絨草，蓋度3% ～5%;其它植物蓋度2%～3%。該地以多年生的草本植物占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，建群種為紫花針茅，高度可達(dá)20～30 cm。紫花針茅為叢生草，有效生長(zhǎng)期約4個(gè)月。伴生種在當(dāng)?shù)爻嗖靥Σ?、矮火絨草外，還分布有紫羊茅、高山早熟禾等。

在適合當(dāng)?shù)厣L(zhǎng)的物種里面，進(jìn)行組合搭配，兼顧短期和長(zhǎng)期生態(tài)修復(fù)效果，保證人工建植的植物種群達(dá)到最佳組合。

3 青藏鐵路多年凍土區(qū)段路域生態(tài)工程技術(shù)探討

3.1 植生袋

植生袋也稱(chēng)生長(zhǎng)袋、綠生袋、種子袋等，是指用無(wú)紡布、纖維棉、木漿紙、麻制品等為載體制成鑲嵌有植物種子的夾層，再與聚乙烯編織網(wǎng)相連接而制成的有一定規(guī)格的袋子(圖1)。這種袋子有一定的強(qiáng)度且不易很快分解掉，其內(nèi)部有較大的空間可裝入土壤或植生基質(zhì)，夾層內(nèi)的種子可在溫度、水分、土壤條件適宜時(shí)發(fā)芽，并穿透袋子的網(wǎng)眼生長(zhǎng)出來(lái)。

圖1 纖維棉植生袋結(jié)構(gòu)示意

植生袋可以提高高寒地區(qū)植被恢復(fù)的質(zhì)量。植生袋內(nèi)裝入土壤后，其厚度可達(dá)20～30 cm，如此厚的土層有利于草本植物發(fā)育。根據(jù)地表微地貌特點(diǎn)，植生袋可以呈點(diǎn)狀固定在地面，用于點(diǎn)(島)狀植物群落恢復(fù)，也可以用于面狀植物群落恢復(fù)，并形成一種完全由植生袋構(gòu)成的防護(hù)層。

植生袋內(nèi)裝入人工配制的植物生長(zhǎng)基質(zhì)，其主要成分為沙壤土、有機(jī)肥、保水劑和土壤改良劑等，為植物生長(zhǎng)提供充足的養(yǎng)分和水分條件。植生袋特制襯紙夾層內(nèi)的種子可起到種子直播的作用。植生袋最外層的聚乙烯編織網(wǎng)以及作為種子載體的無(wú)紡布或纖維棉，可以防止袋內(nèi)土壤因風(fēng)雨侵蝕而流失?？梢哉f(shuō)植生袋技術(shù)集客土、種子直播、移栽、水土保持等原理為一體，是一種適用于植被恢復(fù)的新技術(shù)。

圖1是纖維棉植生袋的結(jié)構(gòu)示意圖。其結(jié)構(gòu)由三部分構(gòu)成:表層為具有一定拉伸強(qiáng)度的聚乙烯編織網(wǎng);中間層為聚酯纖維棉網(wǎng)，其厚度為3～5 mm，空隙率為90% ～95%，自然分解時(shí)間為5年—7年;底層為植物種子、肥料和特制襯紙，植物種子和肥料鑲嵌在兩層特制襯紙之中。植生袋的外形尺寸為40 cm×60 cm，用尼龍線(xiàn)或粗棉線(xiàn)縫制。

施工時(shí)，要考慮植物的成活及充分生長(zhǎng)，尤其要在越冬之前積累越冬所需的足夠營(yíng)養(yǎng)，以保證建植植被安全返青。

植生袋的厚度可以在施工時(shí)根據(jù)土質(zhì)狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果植生袋作業(yè)面土質(zhì)條件較好，可以使裝入客土的袋子厚度保持在10～15 cm;如果作業(yè)面土少而且?guī)r石風(fēng)化程度不高，袋子厚度保持在20～30 cm為宜。此方法可適用于青藏鐵路多年凍土區(qū)沿線(xiàn)干旱區(qū)、半干旱區(qū)等各種自然條件惡劣的地區(qū)。

3.2 厚層基質(zhì)噴附技術(shù)

厚層基質(zhì)噴附技術(shù)是將人工配制的植物生育基質(zhì)與植物種子、防侵蝕材料等混合在一起，采用專(zhuān)用設(shè)備(灰漿噴射機(jī))，通過(guò)高壓空氣將其噴射出去附著在地面的一種植被建植方法。

所謂厚層是指噴附在地面上的客土層或植物生育基質(zhì)層的厚度。一般來(lái)說(shuō)，不同噴播技術(shù)所能形成的噴附層厚度是不同的，液壓噴播形成的厚度<1.0 cm，濕法客土噴播形成的厚度為1～3 cm(薄層)，干法客土噴播形成的厚度為4～6 cm(中層)，有機(jī)質(zhì)噴播形成的厚度>7 cm(厚層)。所謂厚層基質(zhì)噴附是指厚度在7 cm以上、噴附材料以有機(jī)質(zhì)為主的噴播技術(shù)，也有稱(chēng)之為厚層基材噴附。由于這種噴播在物料噴射時(shí)不摻入水，因此也屬于干法噴播。

對(duì)于硬質(zhì)巖石地面的植被恢復(fù)來(lái)說(shuō)，要求土壤層具有質(zhì)地輕、結(jié)構(gòu)好、養(yǎng)分含量高、抗沖刷能力強(qiáng)、有一定厚度等特點(diǎn)，顯然一般的客土噴播是滿(mǎn)足不了這種要求的。而以有機(jī)質(zhì)為核心人工配制的植物生育基質(zhì)，可以滿(mǎn)足這些要求，因此被用于硬質(zhì)巖石地面的植被恢復(fù)工程，并針對(duì)這種基質(zhì)的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出了厚層基質(zhì)噴附技術(shù)。厚層基質(zhì)的主要成份是有機(jī)質(zhì)，如草炭、木屑或秸稈堆肥、植物纖維和腐殖土等，其含量占物料總體積的80% ～90%，這一點(diǎn)與客土有本質(zhì)上的區(qū)別，客土的主要成份是土。此外厚層基質(zhì)中還添加有各類(lèi)肥料(有機(jī)肥、無(wú)機(jī)肥、復(fù)合肥、緩釋肥等)、土壤改良劑(蛭石、珍珠巖等)、保水劑和黏合劑等(見(jiàn)圖2)。

從春季到秋季都可以進(jìn)行厚層基質(zhì)噴附施工，但在夏季施工時(shí)應(yīng)注意避開(kāi)陰雨天氣，并與防雨水侵蝕和防曬措施(如覆蓋草簾子、遮陽(yáng)網(wǎng)等)并用。

圖2 厚層基質(zhì)噴附技術(shù)施工工藝流程

該技術(shù)的施工也要考慮植物的成活及充分生長(zhǎng)，尤其要在越冬之前積累越冬所需的足夠營(yíng)養(yǎng)，以保證地面建植植被安全返青。因此，一定要注意選擇最佳的施工時(shí)間。例如在內(nèi)蒙古中部地區(qū)，施工時(shí)間一般為5月初到7月末，最佳施工時(shí)間在6月中旬到7月中旬。該季節(jié)雨熱同期，可為植物生長(zhǎng)提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境，對(duì)建植地面植被種群有利。

植物種子的選擇直接影響最終植物群落的形成。對(duì)于物種設(shè)計(jì)需要考慮五方面因素:一是能在當(dāng)?shù)亓己玫厣L(zhǎng)，有一定的耐貧瘠性和抗旱性;二是生長(zhǎng)迅速，易形成覆蓋層，且根系較為發(fā)達(dá);三是各物種之間有一定的相互營(yíng)養(yǎng)關(guān)系;四是形成的群落比較穩(wěn)定，養(yǎng)護(hù)工作量小;五是種子容易獲取，具有工程可操作性。

厚層基質(zhì)噴播可用于面狀植被恢復(fù)或以面狀植被恢復(fù)為主的各類(lèi)綠化工程。我國(guó)半濕潤(rùn)地區(qū)如擬恢復(fù)植被的立地條件較差，可推廣使用此項(xiàng)技術(shù);在半干旱地區(qū)如果工地周邊有較好的水源條件，可以保證養(yǎng)護(hù)用水的供給亦可使用。因此，在青藏鐵路多年凍土區(qū)沿線(xiàn)水分條件較好的秀水河和沱沱河等地可用該方法進(jìn)行線(xiàn)路生態(tài)修復(fù)。

3.3 三維網(wǎng)技術(shù)

三維網(wǎng)也稱(chēng)三維土工網(wǎng)或三維植被固土網(wǎng)，是由多層塑料凹凸網(wǎng)和高強(qiáng)度雙向拉伸平面網(wǎng)復(fù)合而成的具有三維結(jié)構(gòu)的塑料網(wǎng)。其材質(zhì)為高分子聚乙烯(PE)以及UV抗紫外線(xiàn)穩(wěn)定劑，化學(xué)穩(wěn)定性高，無(wú)腐蝕，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，對(duì)大氣、土壤和微生物呈惰性反應(yīng)。外觀(guān)凹凸不平、柔韌，高度15 mm左右。三維網(wǎng)在結(jié)構(gòu)上分為基礎(chǔ)層和網(wǎng)包層(均為雙層)，基礎(chǔ)層是一種經(jīng)雙向拉伸后的平面網(wǎng)，以穩(wěn)定三維植被網(wǎng)的尺寸和形狀，并形成網(wǎng)底平面;網(wǎng)包層是一種經(jīng)熱變形后呈有規(guī)律波浪形的凹凸網(wǎng)。雙層基礎(chǔ)層和雙層網(wǎng)包層網(wǎng)格間的經(jīng)緯線(xiàn)交錯(cuò)排布，并在交接點(diǎn)處經(jīng)熱熔后黏結(jié)，形成立體拱形隆起的三維結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖3)。

圖3 三維網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意

從春季到秋季都可以進(jìn)行三維網(wǎng)植草施工，但在夏季施工時(shí)應(yīng)注意避開(kāi)陰雨天氣，并與防雨水侵蝕和防曬措施(如覆蓋草簾子、遮陽(yáng)網(wǎng)等)并用，而秋季施工則要考慮植物的成活及充分生長(zhǎng)，尤其要在越冬之前積累越冬所需的足夠營(yíng)養(yǎng)，以保證建植植被安全返青。

草種選擇既要先選擇合適的鄉(xiāng)土物種，又要考慮為了達(dá)到植被快速覆蓋而適當(dāng)引入經(jīng)過(guò)篩選的外來(lái)速生種。并同時(shí)兼顧以下幾個(gè)方面:①選擇兩個(gè)或兩個(gè)以上的草種(含建群種和伴生種)，進(jìn)行混合播種，優(yōu)劣互補(bǔ);②所選品種要求根系發(fā)達(dá)，入土深厚;③適應(yīng)性強(qiáng)，抗逆性好，耐粗放管理。

三維網(wǎng)植草技術(shù)適用半干旱區(qū)以面狀植被恢復(fù)為主的各類(lèi)地面綠化工程。在青藏鐵路多年凍土區(qū)沿線(xiàn)水分條件較好的秀水河、沱沱河等地可用該方法進(jìn)行線(xiàn)路生態(tài)修復(fù)。

4 結(jié)語(yǔ)

在青藏鐵路多年凍土區(qū)段沿線(xiàn)進(jìn)行生態(tài)工程建設(shè)，不僅可以恢復(fù)與保護(hù)生態(tài)環(huán)境，而且抑制了凍土層的退化，生態(tài)環(huán)境恢復(fù)后可有效預(yù)防和治理該區(qū)段的沙害問(wèn)題。植生袋、厚層基質(zhì)噴附和三維網(wǎng)三種生態(tài)工程新技術(shù)可有效解決在青藏鐵路多年凍土區(qū)段進(jìn)行生態(tài)修復(fù)所面臨的溫度和水分的生態(tài)適宜性問(wèn)題，并能保證該區(qū)域生態(tài)工程建設(shè)的效率。建議有針對(duì)性地選擇適宜的鄉(xiāng)土植物種類(lèi)，應(yīng)用植生袋、厚層基質(zhì)噴附和三維網(wǎng)技術(shù)在青藏鐵路多年凍土區(qū)段建立生態(tài)工程試驗(yàn)段，總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在條件成熟后即可進(jìn)行全線(xiàn)推廣。

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