陜北風(fēng)沙區(qū)鐵路生物防護(hù)體系植被建設(shè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置模式研究

王純玉，張利勇，萬浩宇，姜 文，高冬梅

（1．中鐵十九局集團(tuán)公司，北京100176；2．陜西省治沙研究所，陜西 榆林719000；3．楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌712100）

包西鐵路陜西段，自北向南縱貫榆林、延安、渭南三市，其中穿越毛烏素沙區(qū)段北起陜蒙交界處（起點(diǎn)里程DK177＋080），經(jīng)紅堿淖（中雞）車站（DK186＋700），向南至榆陽區(qū)魚河鎮(zhèn)，鐵路全長150km，其中120km為風(fēng)沙區(qū)鐵路段。鐵路沿線氣候條件嚴(yán)酷，主要特征是春季干旱多風(fēng)，風(fēng)蝕嚴(yán)重，秋季多暴雨，沖刷水蝕嚴(yán)重，是黃河中上游水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域。嚴(yán)酷的自然環(huán)境和生態(tài)條件使新建鐵路的路基受到了風(fēng)蝕沙埋和暴雨侵蝕，極易造成路基被流沙埋壓和邊坡水土流失，進(jìn)而導(dǎo)致路基失穩(wěn)、坍塌，嚴(yán)重威脅鐵路的安全運(yùn)營。因此，充分利用喬木、灌木、草本植物對風(fēng)沙區(qū)鐵路及路基邊坡進(jìn)行生物防護(hù)，是一種長久、經(jīng)濟(jì)和有效的關(guān)鍵技術(shù)措施。本項(xiàng)研究通過陜北風(fēng)沙區(qū)鐵路沿線兩側(cè)不同防風(fēng)固沙效果植物群落結(jié)構(gòu)調(diào)查分析，總結(jié)提出適合陜北風(fēng)沙區(qū)鐵路沿線不同類型立地的防風(fēng)固沙林優(yōu)化結(jié)構(gòu)模式，為陜北風(fēng)沙區(qū)鐵路沿線兩側(cè)及路基邊坡的綜合治理和有效防護(hù)提供科學(xué)根據(jù)。

1 研究區(qū)自然概況

該區(qū)地處毛烏素沙漠東南緣，屬暖溫帶干旱半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年降水量316～450 mm，主要集中在7～9月，占全年降水量的60%～70%，且多陣雨和暴雨，年蒸發(fā)量1 127～1 546 mm，年平均氣溫 7．9～9．1，年 ≥10℃ 積溫3 078～3 443℃，無霜期134～173d。其氣候特點(diǎn)是春季干旱多風(fēng)，日照充足，夏季高溫，降水集中，秋季陰雨，降溫迅速，冬季嚴(yán)寒，風(fēng)強(qiáng)沙大。每年風(fēng)季從11月中旬開始持續(xù)到次年4月下旬，連續(xù)5個(gè)月不間斷，風(fēng)蝕非常嚴(yán)重，尤其是春季3－4月常有7級(jí)以上大風(fēng)，最大風(fēng)力可達(dá)11級(jí)，掀起鋪天蓋地的沙塵暴。該區(qū)鐵路路基多由沙土堆積而成，多數(shù)高出地面，最大垂直高度達(dá)12m，最大坡長30m，邊坡每隔5m用石塊砌成拱形骨架，內(nèi)填20cm原生黃土固定流沙，可根據(jù)實(shí)際需要栽種各種灌木和草本植物固沙保持水土，穩(wěn)固路基。鐵路沿線兩側(cè)多為半固定沙丘或沙地，自然分布的稀疏植被主要有沙柳（Salix psammophila）、沙蒿（Artemisia desterorum）、沙棘（Hippophae rhamnoides）、踏郎（Hedysarum mongolicum）、檸條（Caragana korshinskii）等，植被蓋度多為30%左右。

2 調(diào)查研究內(nèi)容與方法

根據(jù)陜北風(fēng)沙區(qū)新建鐵路生物防護(hù)工程建設(shè)的實(shí)際需要，對陜北風(fēng)沙區(qū)鐵路沿線低效退化防風(fēng)固沙林體系進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查。野外調(diào)查采用標(biāo)準(zhǔn)地法，并搜集該區(qū)域的檔案資料和歷年經(jīng)營情況。選擇有多年封育歷史的林草自然復(fù)合群落，對群落較穩(wěn)定、長勢較好、土壤侵蝕較輕的24種典型植被模式，按常規(guī)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)地，對植被群落結(jié)構(gòu)、植物種組成、植被分布密度、植被蓋度、地被物（地表結(jié)皮、苔蘚、枯落物）的多少、群落的生長狀況、土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度等進(jìn)行了全面調(diào)查；同時(shí)開展了風(fēng)沙區(qū)鐵路沿線退化低效防風(fēng)固沙林體系改造建設(shè)及沙質(zhì)路堤路塹邊坡生物防護(hù)植被建設(shè)試驗(yàn)示范研究。

3 調(diào)查結(jié)果分析

3．1 原流動(dòng)沙地迎風(fēng)坡植被狀況

原流動(dòng)沙地沙丘迎風(fēng)坡，通過飛播、封禁、沙坡中下部搭設(shè)草沙障，采用前擋后拉的方法造林。原分布于沙丘頂部稀疏的沙柳等植被因風(fēng)蝕局部加重和水分虧缺而死亡。從調(diào)查結(jié)果表1來看，經(jīng)多年反復(fù)造林形成了以灌叢沙堆為主的平緩的蜂窩狀固定、半固定沙地。其植被演替模式可歸納為一年生的沙米（Agriophyllum squarrosum），多年生的草本植物和少量的灌木，在封育條件下自然侵入和人工植入物種的影響下，逐漸演變?yōu)橐杂洼铮ˋrtemisia ordosica）、檸條、沙柳、踏郎、紫穗槐（Amorpha fruticosa）為優(yōu)勢種的植物群落，流動(dòng)沙地逐漸變?yōu)楣潭?、半固定沙地，植被蓋度達(dá)到20%～40%，此后個(gè)別地方又植入小葉楊（Populus simonii）等喬木，逐漸形成了以這些喬木樹種為優(yōu)勢種的林分，群落多度明顯增加，種的優(yōu)勢度進(jìn)一步顯現(xiàn)。特別是一些林草蓋度大，以喬木為優(yōu)勢種的林分，個(gè)別地方植被生長狀況較差，部分淺根性的物種因水分脅迫而死亡，一些深根性植物也因競爭而退出群落。部分地段由于鼠、兔、蟲的危害和灌木未及時(shí)進(jìn)行平茬復(fù)壯等原因，使得林木長勢衰退，牛心樸子（Cymanchum komarovii）和短命草本植物增多，地表發(fā)生鱗片狀沙化斑塊，標(biāo)志著局部植被在發(fā)生退化性演替。

3．2 原沙區(qū)丘間地植被狀況

該地類沙層具有良好的通透性，水分存貯較豐富，原有烏柳自然分布，形成了獨(dú)特的柳灣林。由于烏柳可以用于柳編，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，所以人為破壞嚴(yán)重。個(gè)別地方沙柳成為優(yōu)勢種，后人工植入合作楊（Populus opera）、小葉楊、旱柳（Salix matsudana）、沙棘、紫花苜蓿（Medicago sativa）等植物，尤其是以沙棘為灌木種的喬灌混交林長勢較好（表2）。隨著沙丘頂部的削平，丘間地的沙埋，形成了以楊柳為主的島狀喬木片林。這些片林已有30多年的歷史，楊樹到了采伐期，且天牛危害嚴(yán)重，急需更新改造。

3．3 原平緩沙地植被狀況

原平緩沙地經(jīng)過多年的治理，基本上處于固定、半固定沙地。自然植被多為油蒿、檸條、沙柳等形成的灌木林或灌叢沙堆，一些地段分布旱柳、白榆（Ulmus pumila）等喬木樹種，還有沙米、沙竹、苦豆子（Sophora alopecuroides）、沙生冰草（Agropyron desertorum）、紫云英（Astragalus sinicus）等草本植物。在封育條件下，栽入紫穗槐、花棒、踏郎、沙棘等灌木混交，再引入合作楊、旱柳、白榆等喬木搭配，使原群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。從表3可以看出，灌木林經(jīng)歷了一定的旺盛生長期后，沙柳群系中增加的踏郎占據(jù)主導(dǎo)地位，檸條、紫穗槐群系中的合作楊長勢明顯增強(qiáng)，成為優(yōu)勢種。連續(xù)治理的沙地，先是一年生植物退出群落，多年生草本很快侵入且生長良好，緊接著灌木進(jìn)入旺盛生長期，后來一些淺根性的灌木因缺水而死亡，植入的喬木樹種，首先是楊、柳、榆等落葉樹種生長快，起防護(hù)作用早，接著開始向過熟林轉(zhuǎn)化，一些落葉喬木開始退出群落，一些灌木也開始更替，出現(xiàn)種內(nèi)自疏現(xiàn)象，沙地出現(xiàn)鱗片狀風(fēng)蝕，整個(gè)群落向稀疏灌木干草原的景觀格局演替。其中一部分穩(wěn)定性較差，處于退化階段的林分和過熟林成為改造的對象，急需對其群落結(jié)構(gòu)、配置密度、蓋度做出新的調(diào)整，以便充分發(fā)揮林木的生態(tài)功能。

表1 原流動(dòng)沙地迎風(fēng)坡植被狀況

表2 原流動(dòng)沙地丘間地植被狀況

表3 原平緩沙地植被狀況

3．4 原覆沙黃土地植被狀況

覆沙黃土地多是由粒徑較細(xì)的沙粒越過黃土梁頂，風(fēng)速減緩，產(chǎn)生沉降堆積于東南坡坬而形成的。這一地類由于沙層有良好的存貯降水和防蒸發(fā)特性以及黃土層較好的土壤肥力條件，具有較好的林木適生環(huán)境。從表4可看出，原生植物種基本上是以檸條為主的群落，伴生沙蒿以及白榆、小葉楊、旱柳等喬木樹種的稀疏林地。一些地方已郁閉成林。調(diào)查中發(fā)現(xiàn)一些以楊樹為主的闊葉林地，長勢衰弱，白頭沙蓬等一年生草本植物的出現(xiàn)，預(yù)示著植被開始退化；一些油松密植林，由于栽植密度過大，原生灌木檸條也開始死亡，生物多樣性明顯降低，地表發(fā)生鱗片狀風(fēng)蝕，林地土壤水分條件變差，且森林火險(xiǎn)加重。這些現(xiàn)象表明，營造以原生灌木種群為主的喬灌混交林，應(yīng)嚴(yán)格控制喬木栽植密度。

3．5 原溝邊、梁頂、河谷邊坡植被狀況

該地類主要分布以檸條為優(yōu)勢種的群落，伴生種主要有胡枝子（Lespedeza bicolor）、蒙古蕕（Caryopteris mongholica）、白榆、酸棗（Ziziphus jujuba var．spinosa）等，個(gè)別地方人工植入油松（Pinus tabuliformis）、側(cè)柏（Platycladus orientalis）等樹種。從表5可看出，梁頂陽坡油松、白榆表現(xiàn)較好，陰坡側(cè)柏生長較好。

表4 原覆沙黃土地植被狀況

表5 原溝邊、梁頂、河谷邊坡植被狀況

4 退化低效防風(fēng)固沙林改造及路基邊坡生物防護(hù)植被建設(shè)優(yōu)化結(jié)構(gòu)模式

4．1 風(fēng)沙區(qū)鐵路沿線退化低效防風(fēng)固沙林改造建設(shè)整體布局

根據(jù)調(diào)查結(jié)果和陜北風(fēng)沙區(qū)鐵路沿線的自然地理特征以及該區(qū)域鐵路防風(fēng)固沙林體系改造建設(shè)的實(shí)際需要，在遵循適地適樹、適地適草和喬灌草結(jié)合、多林種多樹種結(jié)合原則的基礎(chǔ)上［1］，依照植被演替的規(guī)律和各植物種的生態(tài)學(xué)和生物學(xué)特性，提出了陜北風(fēng)沙區(qū)鐵路沿線不同立地類型區(qū)防風(fēng)固沙林體系改造建設(shè)的整體布局構(gòu)想。

4．1．1 流動(dòng)沙丘迎風(fēng)坡 針對該立地類型區(qū)的具體特點(diǎn)，先在新月型沙丘迎風(fēng)坡中下部搭設(shè)麥草方格沙障，雨季來臨前飛播或撒播沙打旺、草木犀（Melilotus officinalis）、花棒、踏郎、沙蒿等，待沙地半固定后，再植入沙地柏、紫穗槐、檸條等灌木，沙丘上部被風(fēng)力削平后，再根據(jù)沙地固定情況，植入樟子松、沙地柏、紫穗槐等樹種，以改善林分質(zhì)量，提高防護(hù)效益。

4．1．2 流動(dòng)沙地丘間地 流動(dòng)沙地丘間地多形成以楊柳為主的島狀喬木林和柳灣灌木林。當(dāng)沙丘被風(fēng)削平，丘間地沙埋一定厚度，水分逐漸枯竭，這時(shí)就應(yīng)及時(shí)伐掉那些已成材的過熟林樹木，以減少其蓋度，同時(shí)應(yīng)植入樟子松、沙地柏、沙棘等經(jīng)濟(jì)價(jià)值更高的樹種，以改善其林分結(jié)構(gòu)，促進(jìn)其綜合防護(hù)效益的提高。

4．1．3 平緩沙地 該地類經(jīng)過多年的建設(shè)，基本上處于固定、半固定沙地，多分布油蒿、沙柳、檸條、踏郎等自然形成的灌木林或灌叢沙堆，一些地段分布合作楊、小葉楊、旱柳等喬木樹種，植物種還有綿蓬（Corispermum hyssopifolium）、沙生冰草，紫云英等。目前，這些地方的植被在經(jīng)歷了復(fù)雜的演替過程，蓋度穩(wěn)定在30%～50%，達(dá)到了頂極群落，原有的楊、柳林已到了成熟或過熟林，從林分的穩(wěn)定角度考慮，應(yīng)及時(shí)伐掉已成材的樹木和枯立木，在原有林分中增加一些常綠喬木、灌木和草本植物，促進(jìn)其持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

4．1．4 覆沙黃土地 以營造防風(fēng)固沙林為主，立地條件好的地方可以適當(dāng)發(fā)展用材林。在植被建設(shè)時(shí)，應(yīng)詳細(xì)考察原生優(yōu)勢種群，以確定樹種的配置。先在覆沙地上搭設(shè)帶狀草沙障，播入沙打旺、草木犀、紫花苜蓿等草種，使植被蓋度迅速增大，利用豆科植物的固氮作用增加土壤肥力，加大原生優(yōu)勢灌木種的植入量，并從促進(jìn)生物多樣性的角度，選擇植入檸條、紫穗槐、沙棘、沙地柏等灌木植物種，待林草蓋度增大能抑制風(fēng)蝕后，再植入油松、白榆、小葉楊、河北楊（Ponulus nopeiensis）、合作楊、旱柳、樟子松等喬木樹種。加強(qiáng)林地管護(hù)，按時(shí)刈割灌草，清除病蟲木，可促進(jìn)根系的生長、復(fù)壯樹勢、促進(jìn)萌蘗，提高開花結(jié)實(shí)率，確保林分穩(wěn)定。

4．1．5 溝邊、梁頂、河谷邊坡 這些特殊地段主要營造以檸條、紫穗槐、酸棗、蒙古蕕、胡枝子為主的灌木防沖護(hù)岸林，立地條件較好的地方可栽植側(cè)柏、白榆、油松等喬木樹種；梁頂主要營造以豆科牧草、檸條等優(yōu)勢灌木種和少量油松等喬木為主的喬灌草混交林。治理初期，要結(jié)合魚鱗坑整地等水保工程措施，采用抗旱造林新材料、新技術(shù)以提高造林成活率和保存率。

4．2 鐵路沿線退化低效防風(fēng)固沙林改造優(yōu)化結(jié)構(gòu)模式

根據(jù)不同立地類型區(qū)植被建設(shè)和演替狀況，結(jié)合風(fēng)沙區(qū)鐵路防風(fēng)固沙林體系建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，在試驗(yàn)示范研究基礎(chǔ)上，篩選總結(jié)提出了適合陜北風(fēng)沙區(qū)鐵路沿線不同立地類型區(qū)退化低效防風(fēng)固沙林改造建設(shè)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置模式（表6）。

表6 鐵路沿線不同類型立地防風(fēng)固沙林優(yōu)化結(jié)構(gòu)模式

4．3 陜北風(fēng)沙區(qū)鐵路邊坡生物防護(hù)植物群落優(yōu)化結(jié)構(gòu)模式

陜北風(fēng)沙區(qū)鐵路路基邊坡生物防護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循因地制宜、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理和生物防護(hù)或生物防護(hù)與工程防護(hù)措施綜合應(yīng)用的原則，堅(jiān)持喬灌草結(jié)合和多林種、多樹種綜合配置原則。該區(qū)鐵路邊坡生物防護(hù)必須選擇適應(yīng)性強(qiáng)、耐干旱、耐貧瘠、根系發(fā)達(dá)和種子繁殖能力強(qiáng)的鄉(xiāng)土植物種和引進(jìn)試驗(yàn)成功的優(yōu)良植物種。

4．3．1 鐵路邊坡植物防護(hù)技術(shù)措施設(shè)計(jì) 包西鐵路陜北榆林風(fēng)沙區(qū)段是以推平或填平的流動(dòng)沙丘為路基，結(jié)構(gòu)松散、結(jié)持力差，坡面極易遭受風(fēng)蝕和水蝕的危害。特別是挖方路塹，使鐵路形成寬深溝槽，道路兩側(cè)的塹壁坡面極易遭受大風(fēng)的吹蝕和雨水沖刷而埋壓路基和鐵軌，造成脫軌事故。覆沙黃土硬梁段路基則以挖方路塹為主，鐵路位于深溝槽內(nèi)，其坡面極易遭受大風(fēng)和雨水的吹蝕和沖刷而影響鐵路暢通。因此，防護(hù)必須以固沙保土為主要目標(biāo)，同時(shí)兼顧美化功能，采取以生物措施為主，結(jié)合相關(guān)工程措施的水土保持護(hù)坡技術(shù)。在沙質(zhì)路塹邊坡防護(hù)方面，當(dāng)坡率不陡于1∶1的邊坡，邊坡高度小于10m時(shí)，應(yīng)采用黃土包坡后植苗或播種造林種草措施進(jìn)行防護(hù)；當(dāng)邊坡高度大于10m時(shí)，應(yīng)采用混凝土磚砌骨架內(nèi)黃土包坡后植苗或播種造林種草防護(hù)措施；在坡率陡于1∶1的邊坡時(shí)，應(yīng)采用混凝土磚砌骨架內(nèi)黃土包坡后植苗或播種造林種草防護(hù)。在沙質(zhì)路堤邊坡防護(hù)方面，當(dāng)邊坡高度小于8m時(shí)，應(yīng)采用黃土包坡后植苗或播種造林種草措施進(jìn)行防護(hù)；當(dāng)邊坡高度大于8m時(shí)，應(yīng)采用混凝土磚砌骨架內(nèi)黃土包坡后植苗或播種造林種草措施進(jìn)行防護(hù)［2］。因此，試驗(yàn)示范研究表明，有5種適宜鐵路邊坡防護(hù)技術(shù)措施：①柴草網(wǎng)格障蔽加植被防護(hù)：在流動(dòng)半流動(dòng)沙丘段沙質(zhì)路基路塹邊坡先搭設(shè)柴草網(wǎng)格障蔽，沙障材料以麥草、沙蒿或沙柳枝條為主，障蔽規(guī)格為0．5m×0．5m或0．5m×1．0m。然后在障蔽網(wǎng)格內(nèi)栽植灌木紫穗槐；②黃土覆蓋加植被防護(hù)：在沙質(zhì)路基坡面先覆蓋厚度約0．15～0．20m黃土，整平，然后栽植灌木紫穗槐，或播種沙蒿、沙打旺、紫花苜蓿、檸條等植物。株行距為0．3m×0．3m或0．3m×0．5m；③水平階栽植護(hù)坡：在黃土陡坡上進(jìn)行水平階整地，間距一般1m左右，然后在水平階上密植耐旱的保土灌木如檸條等；④采用混凝土磚砌拱形骨架加植被防護(hù)：在1∶1黃土邊坡上先用磚砌成3m×5m拱形骨架，在拱形骨架內(nèi)栽種紫穗槐、檸條、紫花苜蓿等灌草植物；⑤黃土邊坡直接栽植灌木防護(hù)：在1∶1．5的黃土邊坡上栽種紫穗槐、檸條等灌木植物和沙打旺、紫花苜蓿等草本植物。

4．3．2 風(fēng)沙區(qū)鐵路路基邊坡生物防護(hù)植被建設(shè)優(yōu)化配置模式 根據(jù)包西鐵路陜北榆林風(fēng)沙區(qū)段的地貌類型和立地條件，分為覆沙黃土硬梁高陡邊坡、風(fēng)沙灘地沙質(zhì)路基邊坡、高大流動(dòng)沙丘邊坡等不同地貌類型，以及路基和路塹不同邊坡條件，在開展試驗(yàn)示范研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合各種植物的生物學(xué)生態(tài)學(xué)特性以及植株的高矮、花期花色等的不同分別篩選提出了8種喬灌草混交配置及不同草種復(fù)合種植配置模式［3］：①全坡面栽植紫穗槐，株行距0．3m×0．3m，每穴4株；②全坡面栽植檸條，株行距0．3m×0．3m，每穴4株；③上半坡面栽植檸條，下半坡面栽植紫穗槐，株行距0．3 m×0．3m，每穴4株，坡底栽植踏郎／沙地柏，株行距0．3m×0．5m；④上半坡面栽植紫穗槐，下半坡面栽植檸條，株行距0．3m×0．3m，每穴4株，坡底栽植沙棘／沙柳，株行距0．5m×0．5m；⑤從坡頂向下依次為檸條、紫穗槐2種植物帶狀混交，每帶2行，帶間距1m，株行距均為0．3m×0．3m，每穴4株；⑥喬灌草混交模式，以上選擇的所有灌木樹種分別與草本植物沙打旺混交種植，喬灌木樹種采取帶狀或團(tuán)塊狀混交，每帶2～3行，株行距為1m×2m，造林方法均采取植苗法，常綠樹采用帶土球栽植，栽植季節(jié)為春季，草本植物沙打旺雨季來臨前在林間空地撒播。⑦復(fù)合種草模式。采取沙打旺、紫花苜蓿、沙蒿種子混合撒播方式，種子混合比例為沙打旺70%、紫花苜蓿15%、沙蒿15%。流動(dòng)沙地邊坡先搭設(shè)柴草網(wǎng)格沙障，再撒播沙蒿、沙打旺種子，播種時(shí)間為4月上旬至5月下旬或雨季來臨前；⑧檸條種子采用穴狀直播種植，黃土路塹高陡邊坡采用穴狀直播檸條種子，出苗、成活、生長及防護(hù)效果均良好。

［1］高保山，張曦，李廣毅，等．生態(tài)脆弱帶神府東勝礦區(qū)植被建設(shè)技術(shù)研究［J］．西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，15（增刊）：33－39．

［2］符亞儒，黨兵，趙曉彬，等．榆靖沙漠高速公路路基邊坡防護(hù)技術(shù)研究［J］．西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，21（6）：17－20．

［3］王純玉，萬浩宇，張連友，等．陜北風(fēng)沙區(qū)鐵路邊坡生物防護(hù)技術(shù)研究［J］．陜西林業(yè)科技，2012（5）：77－81．