銀西高鐵干旱區(qū)生態(tài)修復(fù)物種選擇及評價技術(shù)研究

李舟 薛春曉 孔令偉

摘要 [目的]篩選適宜銀西高鐵寧夏段干旱區(qū)的生態(tài)修復(fù)物種，保障良好的生態(tài)修復(fù)效果。[方法]利用層次分析法對銀西高鐵寧夏段干旱區(qū)的植物物種進(jìn)行選擇和評價技術(shù)研究。[結(jié)果]不同植物的相對水分虧缺值（RWD）增加值從小到大依次為四翅濱藜、檸條、紫穗槐、枸杞、黃刺梅、小葉錦雞兒、鋪地柏，四翅濱藜具有較強的耐旱性;貧瘠的土壤條件下，紫穗槐、小葉錦雞兒、檸條種子萌發(fā)后存活率高，表明其耐貧瘠性較強;檸條和紫穗槐苗木的越冬存活率相對較高，分別達(dá)92%和80%，而鋪地柏越冬存活率最低，僅66%;四翅濱藜的平均冠幅最大，是其他物種的1.91～3.22倍，具有較強的水文調(diào)節(jié)功能;鋪地柏的綠色期最長，約360 d，其次是四翅濱藜，為270 d，表明其景觀效果較好;四翅濱藜的根系抗拉強度最高，達(dá)44.25 MPa，表明其具有較強的護(hù)坡能力;在綜合評價指標(biāo)條件下，不同植物的適應(yīng)性評價結(jié)果從大到小依次四翅濱藜、紫穗槐、檸條、小葉錦雞兒、枸杞、黃刺梅、鋪地柏。[結(jié)論]銀西高鐵干旱區(qū)生態(tài)修復(fù)中可優(yōu)先選用四翅濱藜、紫穗槐和檸條。

關(guān)鍵詞 干旱區(qū);層次分析法;評價指標(biāo);物種選擇

中圖分類號 S181? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A? 文章編號 0517-6611（2022）05-0096-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.05.024

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Study on Species Selection and Evaluation Technology of Ecological Restoration in Arid Area of Yinxi High Speed Railway

LI Zhou， XUE Chun-xiao， KONG Ling-wei

（Northwest Research Institute Co.，Ltd. of CREC， Lanzhou， Gansu 730000）

Abstract [Objective]To screen out the suitable ecological restoration species and ensure the good ecological restoration effect. [Method]The analytic hierarchy process （AHP） was used to select and evaluate the plant species in the arid area of Ningxia section of Yinxi high speed railway. [Result]The results showed that the order of RWD added value of different plants from small to large was Atriplex canescens， Caragana korshinskii， Amorpha fruticosa， Lycium barbarum， Rosa xanthina， Caragana microphylla， Sabina procumbens， which indicated that Atriplex canescens had strong drought tolerance;the survival rate of Amorpha fruticose， Caragana microphylla and Caragana korshinskii seeds after germination was the highest in poor soil conditions， indicating that they had strong tolerance to poor soil conditions;the overwintering survival rate of Caragana korshinskii and Amorpha fruticosa seedlings was relatively high， reaching 92% and 80% respectively， while the overwintering survival rate of Sabina procumbens was the lowest， only 66%;the average crown width of Atriplex canescens was the largest， which was 1.91-322 times of other species， and it had strong hydrological regulation function;the longest green period of Sabina procumbens was 360 days， followed by Atriplex canescens， which was 270 days;the root tensile strength of Atriplex canescens was the highest， which was 44.25 MPa， indicating that it had a strong slope protection effect;under the condition of comprehensive evaluation index， the results of adaptability evaluation of different species from large to small was Atriplex canescens， Amorpha fruticosa， Caragana korshinskii， Caragana microphylla， Lycium barbarum， Rosa xanthina， Sabina procumbens. [Conclusion]Atriplex canescens， Amorpha fruticosa and Caragana korshinskii were preferred in the ecological restoration of the arid area of Yinxi high speed railway.

Key words Arid area;Analytic hierarchy process;Evaluating indicator;Species selection

基金項目 寧夏回族自治區(qū)重點研發(fā)計劃項目（2019BFG02013）;中國中鐵股份有限公司引導(dǎo)項目（2016-KJ015-Z013-03）。

作者簡介 李舟 （1980—），男，重慶人，高級工程師，碩士，從事鐵路沿線土木工程與生態(tài)修復(fù)研究。

收稿日期 2021-06-08

銀西高速鐵路是構(gòu)成國家“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)的重要組成部分，對推動中西部經(jīng)濟發(fā)展及國防建設(shè)具有重要作用。銀西高鐵寧夏段生態(tài)修復(fù)區(qū)多處于生態(tài)脆弱區(qū)，氣候干旱，存在諸多對生態(tài)修復(fù)的不利因素。因此，生態(tài)修復(fù)中應(yīng)重點考慮物種選擇、建植技術(shù)和養(yǎng)護(hù)技術(shù)來克服脆弱區(qū)帶來的不利因素，而物種選擇是影響生態(tài)修復(fù)成功的關(guān)鍵因素，并對生態(tài)修復(fù)效果有較大影響作用[1]。目前鐵路工程建設(shè)領(lǐng)域生態(tài)修復(fù)方面，針對植被建植技術(shù)和養(yǎng)護(hù)措施等研究較多，取得了較多的研究成果[2-5]。忽視了物種選擇的重要性，如物種選擇中忽視物種適應(yīng)性、物種單一性，同時存在群落組成結(jié)構(gòu)簡單、景觀效果差和防護(hù)效果差等問題[6-7]。因此，開展銀西高鐵沿線生態(tài)修復(fù)區(qū)植物物種優(yōu)選技術(shù)研究，可有效解決因物種選擇帶來的生態(tài)修復(fù)難題，提高生態(tài)修復(fù)效果。該研究成果可為銀西高鐵沿線及類似區(qū)域工程的生態(tài)修復(fù)物種調(diào)查與選擇提供參考，具有較好的研究價值與推廣應(yīng)用價值。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選在銀西高鐵寧夏段吳忠市境內(nèi)，吳忠市位于西北內(nèi)陸，為干旱、半干旱氣候區(qū)，具有明顯的大陸性特征，四季分明，氣候干燥，降水較為集中，晝夜溫差較大，無霜期較短，風(fēng)沙強烈。多年平均氣溫9.3 ℃，歷年平均降水量184.6～273.5 mm，年平均降雨日數(shù)為46.5 d，降雨集中在每年7—8月。

2 研究方法

層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）[8]，是通過定量和定性等手段進(jìn)行決策分析的一種方法，并將決策相關(guān)的因素分解為目標(biāo)、準(zhǔn)則和方案等多個層次。AHP主要是通過模型建立、建立判別矩陣和指標(biāo)等進(jìn)行綜合評價。筆者通過AHP分析手段，篩選出適宜于干旱區(qū)高速鐵路人工生態(tài)修復(fù)物種。

2.1 評價指標(biāo)體系建立

根據(jù)指標(biāo)體系構(gòu)建原則和思路，結(jié)合我國銀西高鐵生態(tài)環(huán)境狀況，對高速鐵路人工植被物種選取的評價指標(biāo)體系進(jìn)行分類和優(yōu)化處理，確定指標(biāo)體系分為3層，分別為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層，評價指標(biāo)體系見表1。

2.2 評價指標(biāo)的測定和計算

2.2.1 植物抗逆性。

耐旱性：主要是通過測定植物葉片的相對水分虧缺值（RWD）衡量植物耐旱性強弱[9]。不同植物在相同的水分脅迫條件下，RWD值降幅越小，表明葉片的保水能力越強，耐旱強度也越強。耐貧瘠性：在其他條件相同的情況下，通過測定不同植物種子在原始邊坡土壤中的存活率來確定植物的耐貧瘠性。耐寒性：在室外環(huán)境條件下，對2年生苗木的越冬存活率進(jìn)行測定，通過存活率來評價植物的耐寒性。

2.2.2 生長狀況。

冠幅量：通過測定不同植物物種（2年生苗木）冠幅來衡量。冠幅量越大，表明其對降水的截留效果越明顯，水文調(diào)節(jié)功能越強，有利于邊坡的水土保持。

綠色期：主要通過測定不同物種展葉期和落葉期來確定物種的綠色期。

2.2.3 力學(xué)質(zhì)量。

根系抗拉強度：采用數(shù)顯式測力計測定，測定不同植物根系（直徑為2 mm）的最大拉力值，然后通過式（1）計算根系的抗拉強度[10]。

P=4F/πD2（1）

式中，P為根系的抗拉強度;

F為根系被拉斷時的抗拉力;

D為根系的斷面直徑。

2.3 評價指標(biāo)權(quán)重的確定

為合理確定各指標(biāo)權(quán)重，采用1～9標(biāo)度法建立各層次的判斷矩陣，求得各指標(biāo)權(quán)重，再進(jìn)行和積法計算和排序，最后進(jìn)行一致性檢驗。各評價指標(biāo)權(quán)重結(jié)果見表2。

2.4 待評價植物物種的選取

通過現(xiàn)場調(diào)查、市場調(diào)查及專家咨詢等手段，并結(jié)合高速鐵路邊坡的立地條件等限制因素，篩選出可能適宜于該區(qū)生態(tài)修復(fù)的植物物種，分別為紫穗槐、四翅濱藜、枸杞、檸條、小葉錦雞兒、鋪地柏、沙地柏、黃刺梅。然后通過AHP 分析方法，最終確定出適宜于該區(qū)種植的物種。

3 結(jié)果與分析

3.1 植物抗逆性

3.1.1 耐旱性。

由表3可知，6—10月各植物葉片的RWD總體呈逐漸升高的趨勢，這主要是由于葉片的蒸騰速率隨著氣溫升高、日照時數(shù)增加等條件的改變而不斷升高，從而導(dǎo)致葉片RWD值不斷升高。總體來看，不同植物的RWD增加值從小到大依次為四翅濱藜、檸條、紫穗槐、枸杞、黃刺梅、小葉錦雞兒、鋪地柏。其中，四翅濱藜的葉片RWD增加值最小，僅9.03，而鋪地柏增加值最大，達(dá)24.45，二者之間的差值為15.42。這表明在干旱條件下保持水分平衡能力較強的是四翅濱藜，檸條、紫穗槐、枸杞居中，鋪地柏、黃刺梅和小葉錦雞兒較差。導(dǎo)致不同物種RWD增加值不同的原因可能與葉片肉質(zhì)程度、葉面積和耐旱機制等因素有關(guān)[11]。而四翅濱藜的葉片呈條形或披針形，相較于其他植物單片葉面積較小，可能導(dǎo)致其耐旱性較強。

3.1.2 耐貧瘠性。

根據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，該區(qū)原始邊坡土壤養(yǎng)分含量等級為5，土壤養(yǎng)分含量較低。由圖1可知，不同植物在原始土壤中的存活率不同，紫穗槐存活率最高，達(dá)98%，鋪地柏存活率最低，僅34%，二者之間相差64百分點。整體來看，不同植物的存活率從大到小依次為紫穗槐、小葉錦雞兒、檸條、四翅濱藜、枸杞、黃刺梅、鋪地柏。其中紫穗槐、小葉錦雞兒、檸條的存活率高，均達(dá)到85%以上，原因可能是這3種植物均屬于豆科植物，而豆科植物根部有根瘤菌，有固氮作用[12]，可有效改善土壤中養(yǎng)分狀況，為植物生長提供必要的養(yǎng)分，從而提高植物存活率。

3.1.3 耐寒性。

從圖2可以看出，四翅濱藜的越冬存活率最高，達(dá)100%，表明其有較強的耐寒特性，能有效保證在寒冷條件下的存活率。檸條和紫穗槐苗木的越冬存活率也相對較高，分別達(dá)到92%和80%，鋪地柏的越冬存活率最低，僅為66%。小葉錦雞兒、枸杞和黃刺梅苗木的越冬存活率在70%～77%。在耐寒性指標(biāo)條件下，可優(yōu)先選用四翅濱藜，其次是檸條和紫穗槐。不同植物之間的耐寒特性與植物的抗寒基因和自我調(diào)節(jié)功能等有關(guān)[13]，也從側(cè)面反映出四翅濱藜對寒冷環(huán)境有較強的自我調(diào)節(jié)功能。

3.2 植物生長狀況

3.2.1 冠幅量。

從圖3可知，四翅濱藜的平均冠幅最大，達(dá)62.8 cm，是其他植物冠幅的1.91～3.22倍。而冠幅的大小與植物的水文調(diào)節(jié)強弱相關(guān)。在相同栽植密度條件下，冠幅越大，對降水的截留效果越好，可有效減緩降水對邊坡的濺蝕和沖刷，減少水土流失，增強水源涵養(yǎng)功能。這表明在相同條件下，四翅濱藜對降水的調(diào)節(jié)功能最強，可有效起到水源涵養(yǎng)的功能，減少水土流失，維持邊坡的穩(wěn)定性。紫穗槐的冠幅為32.8 cm，相對四翅濱藜冠幅量下降較多，對降水的調(diào)節(jié)功能也相對減弱。其余5種植物的冠幅均小于25 cm，在相同栽植密度條件下，不利于水土流失的減少。因此在冠幅指標(biāo)條件下，可優(yōu)先選用四翅濱藜，其次是紫穗槐。

3.2.2 生長勢。

在室外條件下對不同植物的2年生苗木進(jìn)行培養(yǎng)，觀察不同植物越冬后的生長態(tài)勢，其生長勢評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)見表4。

從圖4可以看出，四翅濱藜、檸條和紫穗槐的生長勢良好，均達(dá)到80分以上，表明該植物具有較強生長優(yōu)勢，有利于物種可持續(xù)性發(fā)展，適用于長期的生態(tài)修復(fù)工程。不同植物生長勢指標(biāo)分值從大到小依次為四翅濱藜（95）、檸條（90）、紫穗槐（88）、小葉錦雞兒（77）、枸杞（75）、黃刺梅（70）、鋪地柏（65）。在生長勢指標(biāo)條件下，可優(yōu)先選擇四翅濱藜、檸條和紫穗槐，可有效保證生態(tài)修復(fù)效果的可持續(xù)性和較強的穩(wěn)定性。

3.2.3 綠色期。

通過盆栽試驗對不同植物2年生苗木的展葉期和落葉期進(jìn)行觀測，得出不同植物的綠色期見圖5。從圖5可見，綠色期最長的是鋪地柏，為360 d，其次是四翅濱藜為270 d，其余植物的綠色期大多集中在180～240 d。綠色期可表征植物的景觀效果，綠色期越長，可有效提高路域范圍內(nèi)景觀效果，減緩司乘人員的視覺疲勞等，提高行車安全和舒適度。因此，在綠色期指標(biāo)條件下可優(yōu)先選擇鋪地柏和四翅濱藜。

3.3 植物力學(xué)質(zhì)量

從圖6可以看出，四翅濱藜的抗拉強度最大，達(dá)44.25 MPa，其次是小葉錦雞兒，為26.48 MPa，其余植物種根系的抗拉強度均在25 MPa以下，抗拉強度相對較低。而植物根系抗拉強度的強弱對樹體的穩(wěn)定性和維護(hù)邊坡穩(wěn)定性有較強關(guān)系，二者之間呈正相關(guān)[14-15]，即根系的抗拉強度越高，邊坡和植被的穩(wěn)定性也越高。這是由于根系與土體之間形成復(fù)合體，從而改變了土體的力學(xué)性能和水文性能，且根系與土體之間產(chǎn)生黏聚力，進(jìn)一步提高了邊坡的穩(wěn)定性。因此，在根系抗拉強度指標(biāo)條件下，可優(yōu)先選用四翅濱藜，其次是小葉錦雞兒和檸條。

3.4 適應(yīng)性綜合分析

對原始數(shù)據(jù)采集整理完成后，對其進(jìn)行無量綱化處理。植物的耐貧瘠性、耐寒性和生長勢的值域為[0，1]，無需進(jìn)行無量鋼化處理，而其余指標(biāo)的值域不是[0，1]，因此需要分別建立其隸屬度函數(shù)，使各評價指標(biāo)的量綱一致。

植物耐旱性指標(biāo)的隸屬函數(shù)為

μ D=0，RWD≥1

1-RWD，0≤RWD<1（2）

植物冠幅量指標(biāo)隸屬函數(shù)為

μ G=1，G≥62.8

G62.8，0<G<62.8（3）

植物綠色期指標(biāo)的隸屬函數(shù)為

μ M=1，M≥12

M12 ，0<M<12

（4）

植物抗拉強度指標(biāo)的隸屬函數(shù)為

μ T=1，T≥44.25

T44.25，0<T<44.25（5）

根據(jù)式（2）～（5）計算不同植物的不同指標(biāo)分值，結(jié)合表2可計算出不同指標(biāo)權(quán)重分值，最后將各指標(biāo)權(quán)重分值進(jìn)行匯總處理得到不同植物的適應(yīng)性分值排序（表5）。

根據(jù)適應(yīng)性評價結(jié)果可優(yōu)先選擇四翅濱藜、檸條和紫穗槐作為銀西高鐵生態(tài)修復(fù)項目中路堤邊坡生態(tài)修復(fù)物種。在驗證試驗中，采用四翅濱藜、檸條和紫穗槐作為生態(tài)修復(fù)物種，通過2年的觀察發(fā)現(xiàn)，植被長勢良好，覆蓋度高，有效減緩了水土流失狀況，表明該研究選取的3種植物適宜該區(qū)的生態(tài)環(huán)境，表明該評價方法及評價指標(biāo)選取的正確性。

4 結(jié)論

該研究結(jié)果表明，在不同評價指標(biāo)下，各植物的適應(yīng)性各不相同。在耐旱性、耐寒性、生長勢各指標(biāo)下可優(yōu)先選用四翅濱藜，其次是檸條和紫穗槐;在耐貧瘠性指標(biāo)下，可優(yōu)先選用紫穗槐、小葉錦雞兒和檸條;在冠幅量指標(biāo)下，可優(yōu)先選用四翅濱藜;在綠色期指標(biāo)下，可優(yōu)先選用鋪地柏，其次是四翅濱藜和檸條;在根系抗拉強度指標(biāo)下，可優(yōu)先選用四翅濱藜，其次是小葉錦雞兒和檸條。根據(jù)綜合評價結(jié)果，可優(yōu)先選用四翅濱藜、紫穗槐和檸條作為生態(tài)修復(fù)物種，且在現(xiàn)場試驗中，生態(tài)修復(fù)良好，為銀西高鐵生態(tài)修復(fù)工程中物種選擇提供了合理的理論指導(dǎo)和依據(jù)。

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