管道工程施工擾動對玉米種植的影響

黃勇，陳忱，陳利頂，時(shí)鵬，肖峻

(1.環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評估中心，北京 100012；2.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085；3.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西西安 710048)

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管道工程施工擾動對玉米種植的影響

黃勇1，陳忱1，陳利頂2，時(shí)鵬3，肖峻2

(1.環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評估中心，北京 100012；2.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085；3.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西西安 710048)

管道工程建設(shè)是高強(qiáng)度干擾生態(tài)系統(tǒng)的過程，而現(xiàn)有研究很少關(guān)注管道建設(shè)對作物生長的影響。針對西氣東輸二線工程，選擇3個(gè)典型農(nóng)田保護(hù)區(qū)，通過布設(shè)樣帶和樣點(diǎn)，監(jiān)測作物產(chǎn)量和生長性狀，評估天然氣管道建設(shè)對農(nóng)田生產(chǎn)力的影響。結(jié)果表明，管道建設(shè)對農(nóng)田生產(chǎn)力的影響主要發(fā)生在施工作業(yè)帶上方，干擾強(qiáng)度表現(xiàn)為管溝>作業(yè)區(qū)>堆土區(qū)，管道外50 m基本不受施工影響。線性回歸表明，玉米穗期葉面積指數(shù)與產(chǎn)量之間有顯著的相關(guān)性，可用來模擬作物產(chǎn)量。管道穿越農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)需要做好環(huán)境保護(hù)措施，控制施工范圍，嚴(yán)格執(zhí)行土層分層開挖、分層回填，堅(jiān)決杜絕生土回填到耕作層，施工后及時(shí)恢復(fù)農(nóng)田生產(chǎn)力。

管道建設(shè)；農(nóng)田生產(chǎn)力；玉米；葉面積指數(shù)；定量評價(jià)

管線工程是埋地敷設(shè)類型的工程，管道施工對生態(tài)環(huán)境的影響屬于高強(qiáng)度、局地性的擾動，嚴(yán)重破壞沿線土壤和植被[1]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是最重要的生態(tài)系統(tǒng)之一，為人類提供了70%左右的糧食供給，構(gòu)成人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。長輸油氣管道穿越大量農(nóng)田，工程施工直接影響到農(nóng)業(yè)正常生產(chǎn)，擾動農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，破壞農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，不利于作物生長，降低了農(nóng)田生產(chǎn)力。管道建設(shè)需要30 m左右的施工帶，施工帶上方表層土壤和植被將會全部移除。管道建設(shè)過程中的重型機(jī)械碾壓、施工人員踐踏會改變土壤物理性狀，增加土壤緊實(shí)度，減少地表水入滲[2]。管溝開挖和土壤回填，會打亂耕層結(jié)構(gòu)，降低土壤養(yǎng)分[3]。明確不同施工作業(yè)區(qū)域?qū)r(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的干擾強(qiáng)度，是準(zhǔn)確、客觀地評價(jià)油氣輸送管道生態(tài)環(huán)境影響的基礎(chǔ)。因此，在生態(tài)環(huán)境監(jiān)管中需要控制施工范圍在施工邊界以內(nèi)，嚴(yán)格執(zhí)行分層回填，堅(jiān)決杜絕生土回填到耕作層，從而降低管道工程建設(shè)對農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的影響。

葉面積指數(shù)(LAI)作為植被冠層結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，反映了植被的光合、呼吸等諸多關(guān)鍵生理過程。葉片是作物光合作用的主要器官，葉面積的大小直接影響產(chǎn)量的形成[4]。玉米中干物質(zhì)積累進(jìn)程可分為苗期、穗期和花粒期三個(gè)階段。葉面積指數(shù)隨生育進(jìn)程的變化也由快速增長(苗期)變?yōu)橄鄬Ψ€(wěn)定(穗期)，最后衰退(花粒期)[5]。本研究通過確定玉米葉面積指數(shù)的相對穩(wěn)定時(shí)期，準(zhǔn)確模擬玉米產(chǎn)量對管道建設(shè)的響應(yīng)，定量評價(jià)管道建設(shè)對農(nóng)田生產(chǎn)力的影響，為估算工程建設(shè)作物損失量提供參數(shù)，以期為制定合理的賠償標(biāo)準(zhǔn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 管線工程介紹

本研究以西氣東輸二線作為典型管線，該管線是繼西氣東輸一線之后，國家重點(diǎn)建設(shè)的第二條橫跨我國東西部的天然氣輸送管道。西氣東輸二線是目前世界上線路最長、工程量最大的天然氣管道，始建于2008年，主干線于2011年全線貫通。管道施工期間，清理出約30 m左右的作業(yè)帶，用于敷設(shè)直徑1 016 mm的管道，如圖1所示。作業(yè)帶劃分為管溝區(qū)(2 m)、堆土區(qū)(10～13 m)、作業(yè)區(qū)(15 m)。其中，管溝區(qū)用于埋設(shè)管道；堆土區(qū)用于堆放作業(yè)帶剝離的表土和管溝挖出的底土；作業(yè)區(qū)用于重型機(jī)械施工。

圖1 天然氣輸送管道施工作業(yè)示意圖Fig.1 The sketch of gas pipeline construction

1.2 樣帶和樣方布設(shè)

在西氣東輸二線穿越區(qū)域，選擇3個(gè)典型農(nóng)田區(qū)作為研究區(qū)域：黑河中游綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)(張掖)、黃土丘陵溝壑農(nóng)業(yè)區(qū)(平?jīng)?和渭河平原農(nóng)業(yè)區(qū)(西安)。3個(gè)研究區(qū)都位于我國西部地區(qū)，農(nóng)田以種植玉米為主。采樣前，通過調(diào)查走訪，確定每個(gè)研究區(qū)內(nèi)的作物耕作制度和施肥方式相似，作物品種一致，土壤有機(jī)質(zhì)等屬性變異較小。在選擇的3個(gè)研究區(qū)中(每個(gè)研究區(qū)1 km管線長度)，垂直于管線布設(shè)3條平行樣帶，樣帶間隔500 m。在每個(gè)樣帶沿管線不同距離布設(shè)1 m×1 m的樣方，實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)樣方分別位于管溝上方、堆土區(qū)、作業(yè)區(qū)、管道兩側(cè)20 m、50 m和100 m，管線外1 000 m設(shè)為對照區(qū)，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)區(qū)與對照區(qū)的主要區(qū)別是實(shí)驗(yàn)區(qū)受到機(jī)械施工碾壓、溝道挖填影響。采用LAI 2000葉面積指數(shù)儀，分別于2013年月7月初(苗期)、2013年8月中旬(穗期)、2013年9月底(花粒期)測定作物葉面積指數(shù)。2013年10月初，采用收割法測定玉米產(chǎn)量，并測定玉米的株高、株徑、穗長、穗粗。

圖2 樣方布設(shè)Fig.2 Plots in the research areas

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

應(yīng)用SPSS 16.0軟件處理相關(guān)數(shù)據(jù)，采用單因素方差分析檢驗(yàn)管道不同距離作物產(chǎn)量和作物生理性狀之間差異的顯著性水平。同時(shí)，采用此軟件進(jìn)行一元線性方程擬合，建立葉面積指數(shù)對作物產(chǎn)量的預(yù)測模型。作圖在Simplot 10.0軟件中進(jìn)行。

圖3 天然氣管道建設(shè)對作物產(chǎn)量的影響(差異顯著P<0.05)Fig.3 Effect of gas pipeline construction on crop yield (significant difference at P<0.05)

2 結(jié)果與分析

2.1 管道建設(shè)對作物產(chǎn)量的影響

如圖3所示，天然氣管道建設(shè)對玉米產(chǎn)量產(chǎn)生明顯影響。在黑河中游綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)、黃土丘陵溝壑農(nóng)業(yè)區(qū)和渭河平原農(nóng)業(yè)區(qū)，管道施工帶上方作物產(chǎn)量顯著低于管道外50 m和100 m(P<0.05)。總體來看，管溝區(qū)作物產(chǎn)量最低，其次是作業(yè)區(qū)，而黑河中游綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)和渭河平原農(nóng)業(yè)區(qū)的堆土區(qū)產(chǎn)量高于管溝和作業(yè)區(qū)，但是明顯低于施工帶外其他區(qū)域。施工帶上方產(chǎn)量與對照區(qū)產(chǎn)量(管道外1 000 m)的比值大約在0.6，表明管道施工對玉米產(chǎn)量產(chǎn)生較大干擾。管道外20 m處作物產(chǎn)量也受到施工作業(yè)的影響，此區(qū)域產(chǎn)量小于管道外50 m和100 m，并且在渭河流域農(nóng)業(yè)區(qū)20 m處，干擾達(dá)到顯著水平。管道外50 m和100 m處作物產(chǎn)量沒有明顯差異。

2.2 管道建設(shè)對作物生理性狀的影響

天然氣管道建設(shè)影響作物的生長，管道施工帶上方玉米生理性狀較差，干擾區(qū)內(nèi)(管溝、堆土區(qū)和作業(yè)區(qū))玉米的株高、株徑、穗長、穗粗均低于施工帶外100 m的玉米，如表1所示。管溝對作物生理性狀的影響最為明顯，3個(gè)研究區(qū)中的管溝作物株高、株徑、穗長和穗粗均低于管道外20 m、50 m和100 m，并且對株高的影響達(dá)到顯著水平。堆土區(qū)和作業(yè)區(qū)作物株高、穗長和穗粗也低于施工帶外玉米。管道外20 m玉米生長也受到施工的影響，3個(gè)研究區(qū)管道外20 m玉米穗長和穗粗均低于管道外50 m和100 m。管道外50 m農(nóng)田基本不受施工直接影響，此距離的玉米生理性狀與管道外100 m相似。

表1 管道建設(shè)對作物生理性狀的影響

注：同一研究區(qū)內(nèi)不同字母表示差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

2.3 葉面積指數(shù)擬合作物產(chǎn)量

LAI在玉米幾個(gè)關(guān)鍵生長時(shí)期呈現(xiàn)出先增長、后降低的特征，如圖4所示。從苗期階段開始，LAI呈現(xiàn)出線性快速增長態(tài)勢；到玉米穗期，LAI達(dá)到最大值，并且逐步穩(wěn)定；在隨后的花粒期，LAI逐漸下降。穗期階段的LAI最大，也比較穩(wěn)定，可以作為玉米估產(chǎn)的關(guān)鍵時(shí)期。

建立LAI與玉米產(chǎn)量之間的定量關(guān)系，其線性回歸模型為：

Y=aX+b

式中，Y為玉米產(chǎn)量，t/ha；X為穗期玉米LAI；a和b為常數(shù)。

圖4 玉米關(guān)鍵生長時(shí)期葉面積指數(shù)測定結(jié)果Fig.4 LAI of corn in different key growing stages

3個(gè)研究區(qū)LAI與玉米產(chǎn)量之間的關(guān)系都達(dá)到極顯著水平(P<0.001)。渭河平原農(nóng)業(yè)區(qū)LAI較好地模擬了玉米單產(chǎn)，決定系數(shù)(R2)最高，達(dá)到0.708，線性回歸方程為Y=427.13X-625.06。黑河中游綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)和黃土丘陵溝壑農(nóng)業(yè)區(qū)的決定系數(shù)也較高，分別為0.631和0.533，線性回歸方程分別為Y=381.72X-325.04和Y=417X+50.56。

3 討論與建議

3.1 天然氣管道對玉米生長和產(chǎn)量的影響

天然氣管道對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響主要集中在施工帶上方，范圍在管線兩側(cè)20 m以內(nèi)，管溝處對土壤的擾動深度可達(dá)2 m。管道建設(shè)對作物產(chǎn)量干擾的強(qiáng)度表現(xiàn)為管溝>作業(yè)區(qū)>堆土區(qū)。管溝開挖和土壤回填破壞了土壤耕層的結(jié)構(gòu)，使不同質(zhì)地、不同層次的土體混合，而土壤在堆放過程中，加速了有機(jī)質(zhì)降解過程，降低土壤養(yǎng)分含量，最終降低土壤肥力，影響農(nóng)作物的生長，并導(dǎo)致作物產(chǎn)量下降[6]。良好的耕作土壤需要有適宜于作物生長的緊實(shí)度。研究表明，管道建設(shè)后可以導(dǎo)致土壤體積密度增加一倍左右，在施工機(jī)械作業(yè)過程中，機(jī)械設(shè)備的碾壓、施工人員的踐踏等都會對土壤的緊實(shí)度產(chǎn)生影響，土體過于緊實(shí)不利于植物根系生長，減少地表水入滲。管道外20 m處作物產(chǎn)量同樣受到施工的影響，可能是因?yàn)槭┕と藛T的作業(yè)范圍沒有嚴(yán)格限制在作業(yè)帶上方，導(dǎo)致工程建設(shè)對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的直接影響范圍擴(kuò)大。

3.2 LAI預(yù)測作物產(chǎn)量在管道建設(shè)評價(jià)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的作物單產(chǎn)預(yù)測方法主要包括調(diào)查法、農(nóng)學(xué)預(yù)報(bào)法、農(nóng)業(yè)氣象預(yù)報(bào)法等，這些方法需要花費(fèi)大量人力、物力和時(shí)間，不適合大尺度預(yù)測。尤其是對屬于線性工程的天然氣管道，其涉及區(qū)域廣、影響范圍大，傳統(tǒng)的作物估產(chǎn)方法工作量大且測定周期長。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ㄖ苯硬捎米魑風(fēng)AI與作物單產(chǎn)建立關(guān)系，能夠簡單有效地預(yù)測天然氣管道對大范圍農(nóng)田的干擾程度。目前，基于LAI預(yù)測作物產(chǎn)量的方法廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。麻雪艷[7]構(gòu)建了葉面積指數(shù)動態(tài)普適模型，確定了春玉米最大葉面積指數(shù)的生長時(shí)期出現(xiàn)在吐絲后2周，為準(zhǔn)確模擬玉米光合產(chǎn)物分配提供了依據(jù)。在本研究中，玉米穗期LAI較好地預(yù)測了玉米產(chǎn)量。姚小英[8]的研究也表明，玉米穗期階段LAI與產(chǎn)量顯著相關(guān)，而其他生長階段的相關(guān)性較差。

遙感技術(shù)為LAI的獲取提供了穩(wěn)定的動態(tài)監(jiān)測工具，可以通過建立野外測量LAI與遙感植被指數(shù)(NDVI或SR等)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，大面積反演LAI。利用遙感影像多時(shí)像、高精度的特點(diǎn)，通過反演預(yù)測管道建設(shè)前和管道建設(shè)后作物L(fēng)AI的變化，采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ㄔu估產(chǎn)量受損程度和范圍。

3.3 天然氣管道穿越農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境管理措施

天然氣管道建設(shè)是一種開挖-填埋式的施工干擾。挖掘管溝時(shí)，應(yīng)執(zhí)行分層開挖的操作制度，即表層耕作土與底層耕作土分開堆放；管溝填埋時(shí)，也應(yīng)分層回填，即底土回填在下，表土回填在上。分層回填前，應(yīng)清理留在土壤中的固體廢物，回填時(shí)還應(yīng)留足適宜的堆積層，防止因降水、徑流造成地表下陷和水土流失?；靥詈螅嘤嗟耐翍?yīng)平鋪在田間或作為田埂、渠埂，不應(yīng)隨意丟棄。施工作業(yè)帶嚴(yán)格控制在管道兩側(cè)15 m內(nèi)，施工人員禁止隨意踐踏施工區(qū)域外的農(nóng)田。施工時(shí)間盡量安排在秋收后，避開作物生長季節(jié)，減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的損失。施工結(jié)束后，做好農(nóng)田的恢復(fù)工作，清理施工作業(yè)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的廢棄物，按國務(wù)院頒布的《土地復(fù)墾規(guī)定》進(jìn)行復(fù)墾。凡受到施工車輛、機(jī)械破壞的地方，都要及時(shí)修整、恢復(fù)原貌?？稍鍪┯袡C(jī)肥，促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成，改善土壤結(jié)構(gòu)，同時(shí)增加土壤養(yǎng)分含量，盡快恢復(fù)農(nóng)田的生產(chǎn)力。

4 結(jié)論

天然氣管道建設(shè)對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響主要集中在施工作業(yè)帶上方，范圍在管道兩側(cè)20 m以內(nèi)，管溝區(qū)作物生長受影響最為嚴(yán)重，管溝處對土壤的擾動深度可達(dá)2 m，其次是作業(yè)區(qū)和堆土區(qū)。管道外50 m，作物產(chǎn)量基本不受施工影響。在管道穿越農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的施工過程中，尤其要做好土壤保護(hù)工作，控制施工范圍，嚴(yán)格執(zhí)行分層回填，堅(jiān)決杜絕生土回填到耕作層。建議選擇秋收后開始施工，避開作物生長季節(jié)。同時(shí)采取必要的恢復(fù)措施，盡早恢復(fù)農(nóng)田生產(chǎn)力。葉面積指數(shù)可以較好地反映作物產(chǎn)量，選擇玉米穗期葉面積指數(shù)作為關(guān)鍵參數(shù)模擬作物產(chǎn)量，可以簡單準(zhǔn)確地評估管道建設(shè)對玉米生長的影響。另外，葉面積指數(shù)也可以通過遙感反演獲取，適用于長距離、大范圍的線性工程生態(tài)環(huán)境影響評價(jià)，將樣方尺度提升到區(qū)域尺度，從縣、市甚至省的尺度評價(jià)管道建設(shè)對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的干擾。

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Effects of Pipeline Construction on Cropland Productivity

HUANG Yong1, CHEN Chen1, CHEN Li-ding2, SHI Peng3, XIAO Jun2

(1.Appraisal Center for Environment & Engineering, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100012, China; 2.State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China; 3.College of Water Resources and Hydraulic Power, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

Gas pipeline construction has extensively disturbed the ecosystem. However, there were few researches focused on the effect of pipeline projects on farmland productivity. In this study, we assessed the disturbance of West-to-East gas transmission pipeline on crop yield. Transects and sample points were laid out in three study areas for crop yield and characteristics measurement. The results showed that the disturbance was mainly in the pipeline construction site, and the disturbance levels were as trench>working area>piling zone. There was almost no disturbance 50 m outside the pipeline. Leaf area index (LAI) of panicle stage showed significant correlation with crop yield in the linear regression analysis. It is important to take removed topsoil separately from subsurface soil, and limit the construction scope in the pipeline construction site. The environmental management in pipeline construction is efficient for farmland productivity restoration.

pipeline construction; field yield; corn; leaf area index; quantitative assessment

2016-06-01

環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(xiàng)：不同建設(shè)工程生態(tài)環(huán)境影響定量評價(jià)技術(shù)與方法(201209029)

黃勇(1980—)，湖南人，高級工程師，博士，主要從事景觀生態(tài)和環(huán)境影響評價(jià)研究，E-mail：112822698@qq.com

陳忱(1960—)，北京人，高級工程師，學(xué)士，主要從事生態(tài)環(huán)境影響評價(jià)研究，E-mail：w94xhn@163.com

10.14068/j.ceia.2016.06.015

X826

A

2095-6444(2016)06-0056-05