銀西高鐵寧夏段荒漠區(qū)生態(tài)防護(hù)對(duì)策研究

苗學(xué)云, 劉 濤, 吳永峰, 章 洵, 米維軍

(1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000； 2.銀西鐵路有限公司，寧夏 銀川 750011)

寧夏位于我國西北地區(qū)東部，處于黃土高原、蒙古高原和青藏高原的交匯地帶，西、北、東3面分別為騰格里沙漠、烏蘭布和沙漠、毛烏素沙漠或沙地，具有典型的溫帶大陸性半干旱氣候特征.按照氣候、水文特征、生態(tài)特征，將寧夏劃分為引黃灌區(qū)、中部干旱帶、南部山區(qū)等[1].銀西高鐵自甜水堡進(jìn)入寧夏，經(jīng)惠安堡(太陽山)、吳忠、靈武至河?xùn)|機(jī)場(chǎng)，轉(zhuǎn)向西跨黃河進(jìn)入銀川站，穿越寧夏全長185.32 km.區(qū)段內(nèi)自甜水堡以北至吳忠白土崗南為連續(xù)荒漠區(qū).段落內(nèi)生態(tài)類型單一，地形地貌復(fù)雜，缺水少雨，十年九旱,風(fēng)大沙多,日照過足,蒸發(fā)強(qiáng)烈，在荒漠化導(dǎo)致的脆弱生態(tài)環(huán)境條件下，工程建設(shè)極易對(duì)植被產(chǎn)生破壞，且二次修復(fù)相當(dāng)困難[2].針對(duì)近年來寧夏土地荒漠化日益加劇的特征，國內(nèi)學(xué)者從氣象資料、土壤養(yǎng)分特性以及生態(tài)修復(fù)等方面進(jìn)行相關(guān)研究.在氣象研究方面，主要基于大尺度、長時(shí)間段的氣象資料數(shù)據(jù)分析，并通過數(shù)學(xué)計(jì)算模型，進(jìn)行相關(guān)性分析.如基于遙感影像數(shù)據(jù)，分析寧夏植被指數(shù)與氣候生產(chǎn)力的時(shí)空變化關(guān)系[3]；分析寧夏20個(gè)氣象站的月均氣溫資料[4]，揭示寧夏冬季氣溫異常的成因；通過遙感技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分析[5]，詳細(xì)闡述寧夏土地荒漠化的發(fā)生過程和原因，并針對(duì)荒漠化發(fā)生的驅(qū)動(dòng)因子，對(duì)寧夏土地荒漠化治理提出合理的建議.針對(duì)寧夏荒漠區(qū)域的土壤養(yǎng)分研究，如通過經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法[6]，并結(jié)合 GIS 技術(shù)，分析寧夏紅寺堡孫家灘園區(qū)0～20 cm土層土壤中養(yǎng)分的空間變異特征；通過對(duì)土壤中細(xì)菌群落的分析[7]，提出土壤含水量和電導(dǎo)率是影響寧夏鹽堿化地區(qū)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的主要因子.在荒漠區(qū)邊坡恢復(fù)措施研究方面，如在半干旱黃土地區(qū)、不同地形條件下，以成熟檸條為研究對(duì)象[8]，研究檸條林地土壤中水分利用及平衡特征；通過對(duì)榆林風(fēng)沙區(qū)立地條件喬灌木造林密度以及樹木生長狀況調(diào)查分析[9]，結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)分析法，對(duì)該地區(qū)喬木和灌木適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)；通過對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地荒漠區(qū)梭梭灌木林的自我修復(fù)能力進(jìn)行研究[10]，提出人工輔助治理與生態(tài)自我修復(fù)有機(jī)結(jié)合的方式.

目前，對(duì)荒漠區(qū)生態(tài)防護(hù)的研究，主要對(duì)區(qū)域內(nèi)的氣象資料和土壤養(yǎng)分狀態(tài)進(jìn)行定量和定性分析，并結(jié)合荒漠化區(qū)的特征，研究該區(qū)域綠植生長狀態(tài)，提出喬灌木適應(yīng)性評(píng)價(jià)方法.但對(duì)于線狀工程，尤其是高鐵工程荒漠區(qū)生態(tài)修復(fù)方面的研究不多.因此，提出適宜于高鐵荒漠區(qū)的生態(tài)防護(hù)對(duì)策，可為荒漠區(qū)在建和擬建類似工程提供一定的參考.

1 銀西高鐵寧夏段土地荒漠化特征

1.1 近5 a降雨量(P)與蒸發(fā)量(E0)

由2015—2019年吳忠地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)(表1)可知，該區(qū)域的P=207～289 mm，年平均值為223.4 mm.同時(shí)，近5 a該區(qū)域的E0=1 101～1 351 mm，平均值為1 260.4 mm，E0是P的4.4～6.7倍，即干燥度r=4.4～6.7，年平均干燥度達(dá)5.7，呈干旱地區(qū)特征，這對(duì)高鐵邊坡綠植養(yǎng)護(hù)提出了苛刻的要求.

表1 吳忠市干燥度指數(shù)及對(duì)植物抗旱性要求

1.2 吳忠地區(qū)全年最大溫差

寧夏吳忠地區(qū)位于我國內(nèi)陸西北高原地區(qū)，受西伯利亞和烏拉爾山以及高壓影響[7]，該區(qū)域內(nèi)全年溫差較大(圖1).由圖1可知，近5 a全年最大溫差△T=28.7～32.9 ℃，其中,2016年達(dá)到△T極大值，近幾年△T均在30 ℃左右.冬夏溫度差異程度高，這對(duì)該區(qū)域內(nèi)植被生長和生態(tài)修復(fù)影響較大.在高鐵路基邊坡生態(tài)修復(fù)過程中，需考慮能承受較大溫差影響的植被.

圖1 吳忠地區(qū)近5 a最大溫差對(duì)比

1.3 吳忠地區(qū)風(fēng)速極值

由于我國中高緯度地區(qū)的偏北氣流較強(qiáng)，冷空氣活動(dòng)較強(qiáng)，在寧夏地區(qū)形成較強(qiáng)的負(fù)距平區(qū)[6]，造成寧夏冬季氣溫持續(xù)偏冷(圖2).由圖2可知，極大風(fēng)速vmax=9.7～20.8 m/s，差值△v=11.1 m/s.其中,2015年6月達(dá)到近5 a 來△v最大值，vmax隨時(shí)間t累計(jì)呈遞減的趨勢(shì)，最大值發(fā)生在6—7月，最小值在12月至次年1月.根據(jù)氣象風(fēng)速等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)[11]，該區(qū)域?yàn)閺?qiáng)風(fēng)至大風(fēng)等級(jí)，加之地處荒漠化區(qū)域，造成銀西高鐵沿線風(fēng)沙化嚴(yán)重.

圖2 吳忠地區(qū)近5 a最大風(fēng)速變化

由上述分析可知，寧夏吳忠荒漠區(qū)近5 a氣象呈現(xiàn)干旱化加劇、溫差大、大風(fēng)速的特征，造成路基邊坡呈現(xiàn)干旱化、風(fēng)沙化.在路基邊坡綠植防護(hù)中，選擇的植物應(yīng)具備較強(qiáng)的抗旱、抗溫差和抗風(fēng)能力.

2 路基邊坡土壤養(yǎng)分狀態(tài)

為進(jìn)一步研究荒漠區(qū)沿線路基邊坡的土壤養(yǎng)分狀態(tài)，在銀西高鐵線路DK489+455～DK489+505區(qū)段，設(shè)置6處監(jiān)測(cè)點(diǎn)(圖3)，分別測(cè)定土壤的含水率、pH值、堿解氮的質(zhì)量含量、有效磷的質(zhì)量含量及速效鉀的質(zhì)量含量.探測(cè)深度為邊坡表層土壤以下20～30 cm，邊坡結(jié)構(gòu)見圖4.

圖3 實(shí)驗(yàn)段分布

圖4 路基邊坡結(jié)構(gòu)

2.1 土壤含水率

路基邊坡土壤溫度Tt=3.0～6.0 ℃(圖5)，環(huán)境溫度Th=3.0～4.8 ℃，Tt較Th高0.6～1.0 ℃.路堤邊坡含水率w隨溫度T呈波動(dòng)變化(圖6).由圖6可知，在11月，隨著外界氣溫和降雨量的降低，w也呈減小趨勢(shì).根據(jù)土壤墑情劃分[12]，屬于中旱—輕旱，該氣象條件下對(duì)植被的耐旱能力要求較高.

圖5 實(shí)驗(yàn)段溫度變化(11月)

圖6 實(shí)驗(yàn)段土壤中含水率變化(11月)

2.2 土壤養(yǎng)分

在實(shí)驗(yàn)段測(cè)試斷面路基邊坡土壤的酸堿度變化(圖7).由圖7可知，土壤的pH=9～9.33，平均值為9.21.受荒漠化環(huán)境因素的影響，該區(qū)段土壤pH值表現(xiàn)為堿性特征，在部分路基坡底處可見明顯的“泛白”現(xiàn)象.該土壤狀態(tài)下一般植被很難生長，邊坡生態(tài)防護(hù)中種植的植物需具備一定的抗堿能力.

圖7 實(shí)驗(yàn)段土壤pH值變化

圖8為實(shí)驗(yàn)段路基邊坡土壤中氮、磷、鉀的質(zhì)量含量曲線.由圖8可知，堿解氮的質(zhì)量含量ρ(N)和有效磷的質(zhì)量含量ρ(P)明顯低于速效鉀的質(zhì)量含量ρ(K)，其中，ρ(N)=34.72～41.9 mg/kg，ρ(P)=36.57～59.34 mg/kg，ρ(K)=242.97～312.97 mg/kg.由全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可知[13]，土壤中的氮含量為五級(jí)(共六級(jí)，級(jí)數(shù)越高相對(duì)質(zhì)量含量越低)，質(zhì)量含量較低，而速效鉀的質(zhì)量含量為一級(jí)，含量較高，有效磷的質(zhì)量含量為一至二級(jí)，含量較高.因此，該區(qū)域內(nèi)K、P的質(zhì)量含量高，有利于植被對(duì)K,P的吸收，而N的質(zhì)量含量較低，不利于植物的生長.在邊坡生態(tài)防護(hù)中，可考慮通過施氮肥改善土壤中的N含量，或選擇生長過程中對(duì)N含量要求不高的植物.

圖8 路基邊坡的土壤養(yǎng)分

3 綠植生長狀態(tài)

3.1 環(huán)境適應(yīng)性

檸條、梭梭及紫穗槐為當(dāng)?shù)鼗哪畢^(qū)生長的灌木植被，它們均具備耐寒、耐旱、耐風(fēng)蝕、耐沙埋的特性，在形態(tài)方面也具有旱生結(jié)構(gòu)，對(duì)惡劣環(huán)境條件具有適應(yīng)性[14-15].3種植物的特征見表2.

表2 檸條、梭梭及紫穗槐的特征

實(shí)驗(yàn)選擇上述3種植物作為路基邊坡防護(hù)的綠植.由于灌木栽植30 d后基本能體現(xiàn)出植物的生長狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)選擇栽植30 d后對(duì)這3種植物的生長狀態(tài)和土壤肥力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便優(yōu)選出適宜于高鐵路基邊坡的生態(tài)防護(hù)綠植.

3.2 生長狀態(tài)

檸條、梭梭及紫穗槐栽植30 d(2020-05-12—2020-06-12)后的生長狀態(tài)見表3.由表3可知，檸條的成活率h、植物密度ρ及植物蓋度c均較高，分別為62.90%、2.47棵/m2、5.93%，較梭梭的各指標(biāo)高7.86%、0.3棵/m2、0.96%，與紫穗槐植相比，3項(xiàng)指標(biāo)分別高22.27%、0.68棵/m2、2.01%.由此可見，生長狀態(tài)特征指標(biāo)由優(yōu)到劣排序?yàn)闄帡l、梭梭、紫穗槐.

表3 實(shí)驗(yàn)段備選綠植栽植30 d后的生長狀態(tài)

3.3 土壤肥力

為充分驗(yàn)證植被栽植后土壤養(yǎng)分的變化情況，對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)3種喬灌木栽植30 d后的土壤進(jìn)行取樣，分析土壤中堿解氮的質(zhì)量含量ρ(N)、有效磷的質(zhì)量含量ρ(P)及速效鉀的質(zhì)量含量ρ(K)變化(圖9).由圖9可知，檸條土壤中的ρ(N)，ρ(K)均高于紫穗槐和梭梭土壤中的，且分別高23.12～24.64 mg/kg、23.44～37.68 mg/kg，3種植物土壤中ρ(P)基本接近.因此，檸條栽植后能有效提高路基邊坡土壤中ρ(N),ρ(K)，檸條在環(huán)境適應(yīng)性上優(yōu)于其他2種喬灌木.

圖9 綠植栽植后土壤肥力監(jiān)測(cè)

4 結(jié)論

1)近5 a,寧夏吳忠地區(qū)區(qū)域的干燥度為4.4～6.7，全年最大溫差為28.7～32.9 ℃，極大風(fēng)速為9.7～20.8 m/s，顯示該區(qū)域土地呈荒漠化發(fā)展.

2)銀西高鐵寧夏段荒漠區(qū)路基邊坡土壤的含水率較低，呈干旱特征，酸堿度為9.23，堿解氮的質(zhì)量含量為43.25 mg/kg，整體表現(xiàn)為鹽堿化和養(yǎng)分貧瘠特征.在路基邊坡綠植防護(hù)中，應(yīng)考慮耐堿、耐旱以及耐低氮的植物.

3)對(duì)當(dāng)?shù)貎?yōu)選的3種灌木栽植后的生長狀態(tài)和土壤肥力分析，發(fā)現(xiàn)檸條的成活率、植物蓋度、植物密度3項(xiàng)指標(biāo)均較優(yōu)，且種植檸條的土壤中N,K的質(zhì)量含量增加，顯示出檸條對(duì)荒漠區(qū)有較強(qiáng)的適應(yīng)性.

考慮植被與當(dāng)?shù)丨h(huán)境適應(yīng)性關(guān)系，四季常青植物不適宜在當(dāng)?shù)厣L.高鐵邊坡要求整體美觀與整潔，建議邊坡采用單一植被進(jìn)行栽植.建議在銀西高鐵寧夏段荒漠區(qū),選擇檸條作為路基邊坡生態(tài)防護(hù)綠植，且檸條根瘤冬眠期有固沙的作用.同時(shí)，在路基兩旁混播不同植被，如紫穗槐、梭梭等灌木，以達(dá)到更好的生態(tài)防護(hù)效應(yīng).