高寒地區(qū)水電開發(fā)植被恢復(fù)策略探討

唐 達,張習(xí)傳,陳 凡,曹學(xué)興,孫 榮,張 宇,李金潔

(1.中國電建集團 貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司,貴州 貴陽 550081;2.中電建生態(tài)環(huán)境設(shè)計研究有限公司,江蘇 蘇州 215100;3.華能瀾滄江水電股份有限公司,云南 昆明 650214)

2020年,中國正式作出“將力爭2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年前實現(xiàn)碳中和”的“雙碳”目標(biāo)承諾。能源電力的綠色低碳發(fā)展是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵,水電作為傳統(tǒng)的可再生能源,在新型電力系統(tǒng)中具有極其重要的作用。隨著我國水電開發(fā)格局的形成以及開發(fā)進程的不斷推進,我國水電工程開發(fā)逐漸向青藏高原推進。待開發(fā)水電資源主要集中在青藏高原邊緣的瀾滄江、金沙江、雅魯藏布江、雅礱江、大渡河等流域,青藏高原東緣的西南諸河待開發(fā)規(guī)模高達1.3億kW,青藏高原將是我國水電開發(fā)的重點區(qū)域。

青藏高原是我國重要的生態(tài)屏障和高寒生物種質(zhì)資源寶庫,在維護國家生態(tài)安全方面具有不可替代的特殊地位。同時青藏高原海拔高、空氣稀薄、氣候寒冷,生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差,容易受到外界的干擾發(fā)生退化演替,且系統(tǒng)自我修復(fù)能力較弱,自然恢復(fù)時間較長,因此青藏高原又是典型的生態(tài)脆弱區(qū)域。在本區(qū)域開展水電工程建設(shè)造成地表擾動,植被一旦被破壞,恢復(fù)過程非常緩慢,且有系統(tǒng)逆向演替的風(fēng)險[1]。因此,開展高寒區(qū)域植被恢復(fù)的研究是協(xié)調(diào)高原地區(qū)水電開發(fā)與生態(tài)環(huán)境均衡發(fā)展的迫切需求,是落實《青藏高原生態(tài)屏障區(qū)生態(tài)保護和修復(fù)重大工程建設(shè)規(guī)劃(2021—2035年)》的重要支撐,是國家重大水電項目開發(fā)以及其他重大基礎(chǔ)設(shè)施順利實施的基礎(chǔ)性和前瞻性工作,對于生態(tài)環(huán)境保護與修復(fù)具有重大意義。

1 研究區(qū)域概況

本研究以藏東南某水電站為例。該項目位于瀾滄江西藏境內(nèi)河段干流,樞紐布置格局為礫石土心墻壩+右岸溢洪洞+右岸泄洪洞+右岸放空洞+右岸引水系統(tǒng)地下廠房,施工占地主要包括樞紐工程、業(yè)主營地、施工營地、永久公路、施工工廠、綜合加工廠、倉庫、料場、棄渣場用地等。

本區(qū)域植被呈典型的垂直地帶性分布,海拔從低到高分布的植被類型為干暖灌叢—高寒灌叢/高寒暗針葉林—高寒草甸等。樞紐工程、業(yè)主營地、施工營地、棄渣場等施工場地主要分布在海拔3 000 m以下河谷區(qū)域,植被類型以灰毛蕕灌叢、白刺花灌叢、云南土沉香灌叢群落為主;土料場等施工場地主要分布在海拔3 400～4 000 m區(qū)域,主要植被類型是錦雞兒灌叢、峨眉薔薇灌叢、刺紅珠灌叢、川滇高山櫟灌叢等,其中在3 600～4 000 m陰坡區(qū)域分布有川西云杉、鱗皮冷杉、冷杉等暗針葉林;海拔4 000 m以上的接觸土料場,植被類型是以少花荸薺、密生薹草群落為主的高寒草甸。

工程施工過程中對地表將產(chǎn)生擾動和開挖破壞,造成原有植被生態(tài)系統(tǒng)破壞,且施工擾動范圍廣、涉及不同的植被類型區(qū)域,因此為控制水土流失、改善生態(tài)環(huán)境,需提出不同區(qū)域有針對性的植被恢復(fù)策略。

2 植被恢復(fù)原則

在植被恢復(fù)中應(yīng)遵循以下原則:

1)預(yù)防為主、保護優(yōu)先的原則。在工程中應(yīng)優(yōu)化施工布置,盡可能少地擾動地表、破壞植被。

2)自然恢復(fù)為主、人工干預(yù)為輔的原則。遵循自然生態(tài)系統(tǒng)演替規(guī)律,充分發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)的自我修復(fù)能力,科學(xué)開展人工修復(fù)措施,避免對生態(tài)系統(tǒng)的過多干預(yù)。

3)因地制宜、適地適樹的原則。植被恢復(fù)過程中應(yīng)優(yōu)先選用鄉(xiāng)土植物種,按照植物的地帶性分布規(guī)律,宜草則草、宜灌則灌、宜林則林。

4)注重土壤改良的原則。土壤是植物生長與生存的重要載體和物質(zhì)基礎(chǔ),直接影響植物生長發(fā)育及群落的穩(wěn)定性,施工擾動后較低的土壤肥力水平是制約植被恢復(fù)和可持續(xù)發(fā)展的主要因素之一。

3 各區(qū)域植被恢復(fù)策略

根據(jù)工程的施工布置及植物的垂直性地帶分布情況,分為干暖河谷區(qū)、高寒灌叢區(qū)、高寒暗針葉林區(qū)和高寒草甸區(qū),分別提出植被恢復(fù)策略。

3.1 干暖河谷區(qū)

本區(qū)主要分布在海拔3 000 m以下的河谷區(qū)域。區(qū)域氣溫高,降水少,蒸發(fā)量大,水分匱乏,特別在春季和初夏的植物生長季節(jié)水熱矛盾尤為突出,土壤水分持續(xù)虧缺是影響植被恢復(fù)效果的主要因素之一。土壤為藏東南干暖河谷的代表性土壤——石灰性褐土,受干暖氣候、深谷地帶土壤侵蝕的影響,石灰性褐土在成土過程中鈣沉積較強、土壤表層腐殖質(zhì)積累作用較弱,因而有機質(zhì)含量較低,一般在3%以內(nèi),同時供氮不足,普遍缺磷;加之雨季受強烈水土流失的影響,土壤砂粒含量在75%～85%,土壤粗骨性強、質(zhì)地差,導(dǎo)致保水保肥效果差。針對本區(qū)域土壤水分虧缺、養(yǎng)分不足、質(zhì)地較差的特點,植被恢復(fù)需從植物種選擇、土壤改良、土壤保墑措施及必要的人為養(yǎng)護措施4方面進行實施。

1)植物種選擇。結(jié)合區(qū)域干旱少雨的氣候特點,植被恢復(fù)應(yīng)選擇耐旱、耐貧瘠、抗逆性強、水土保持能力強,同時具有固氮和改良土壤功能的植物種作為本區(qū)域建群種。白刺花群系等耐旱植物是本區(qū)域及藏東橫斷山區(qū)干暖河谷區(qū)最具代表性的群落類型,故在本區(qū)域可選用白刺花、錦雞兒、黃櫨、高山柳等鄉(xiāng)土植物種作為主要的植被恢復(fù)材料。

2)土壤改良。表土位于土壤剖面的最上層,為植物營養(yǎng)生長和生殖生長提供了基本養(yǎng)分與元素,是土壤多樣性和土壤種子庫的重要載體,因此在本區(qū)域施工擾動前首先要剝離表土。同時根據(jù)《水電工程水土保持生態(tài)修復(fù)技術(shù)規(guī)范》(NB/T 10510—2021),表土資源數(shù)量和質(zhì)量不滿足水土保持生態(tài)修復(fù)要求時,優(yōu)先利用施工區(qū)心土層進行改良。由于石灰性褐土普遍供氮不足,因此尤其要注意土壤改良過程中氮素的提升。張彥東等[2]認(rèn)為氮是限制植被生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的主要因素,在干旱河谷退化嚴(yán)重的草地生態(tài)系統(tǒng)進行植被恢復(fù)時,施加氮肥后禾本科草本植物密度顯著增加。

3)土壤保墑措施。由于本區(qū)域土壤水分虧缺嚴(yán)重,因此在土壤改良、優(yōu)選植物種的基礎(chǔ)上,建議采取一定的保墑措施,以提高植被恢復(fù)成活率。研究表明,在岷江上游干旱河谷地區(qū)采用覆草和覆膜措施后可以顯著提高旱季土壤含水率[3]。本區(qū)域可因地制宜選用覆蓋秸稈、草皮等方式進行土壤保墑。

4)必要的人為養(yǎng)護措施。在植被恢復(fù)的初期要輔以必要的人為養(yǎng)護措施,尤其是人為水分調(diào)控,以提高植被恢復(fù)的成活率及生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。水分調(diào)控結(jié)合自然降水、地表蒸發(fā)、土壤墑情和植物葉面缺水狀況來確定灌溉時間和水量,考慮到本區(qū)域太陽能資源豐富,可探索應(yīng)用光伏提水灌溉的模式,達到節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約成本的效果。

3.2 高寒灌叢區(qū)

本區(qū)主要分布在海拔3 400～4 000 m,多位于陽坡。植被以耐寒的灌草植被為主,灌木以杜鵑、山柳、金露梅、川滇小檗等為主,灌叢高度一般不足1 m,林下草本以嵩草等雜草為主。土壤以亞高山灌叢草甸土為主,有機質(zhì)和全氮豐富,全磷和全鉀含量高。本區(qū)域植物生長的限制性因子為低溫,同時紫外線輻射強烈,風(fēng)蝕作用強。針對高寒灌叢區(qū)的立地條件,本研究優(yōu)先通過移栽的方式構(gòu)建耐寒的灌叢群落,林下進行人工草地構(gòu)建,并配套保溫越冬措施。

1)灌叢移栽。本區(qū)域植被恢復(fù)策略為構(gòu)建耐寒的灌草植被群落。以灌叢為主要的建群種,優(yōu)先利用原有灌叢植被資源,在施工擾動前將灌叢移栽至表土堆存場,過程中保證灌叢的根系完整;移栽后做好灌叢養(yǎng)護;施工結(jié)束后再移植回擾動區(qū)域,宜提前進行穴狀整地,并在種植穴中鋪設(shè)有機肥、菌肥等。

2)礫石覆蓋。本區(qū)域氣候寒冷,灌木移栽有不能越冬或越冬后成活率較低的風(fēng)險,因此需要采取一定的調(diào)控措施,以改善土壤水熱條件、幫助植被順利越冬。在本區(qū)域模擬試驗中,對礫石覆蓋、植物覆蓋和裸地3種下墊面的土壤水熱情況的觀測研究表明,礫石+植被覆蓋是較為理想的改善土壤水熱條件的措施,更有利于高寒區(qū)域的植物生長[4]。因此,在將原有灌叢移栽作為建群種后,要在地表覆蓋礫石保溫,以提高灌叢植被的越冬能力。

3)灌叢林下草地構(gòu)建。為構(gòu)建穩(wěn)定的群落結(jié)構(gòu),考慮在林下構(gòu)建耐寒的草本群落。本區(qū)域選取垂穗披堿草、老芒麥與紫花苜蓿等草本植物,以混播的方式進行人工草地構(gòu)建。考慮到在青藏高原灌叢草原、高寒草原和高寒草甸中,AM(叢枝菌根)真菌普遍存在,可侵染禾本科、莎草科等植物建立共生關(guān)系,對提高高寒植物營養(yǎng)吸收能力和抗逆性具有重要作用,因此可在人工草地構(gòu)建過程中進行AM真菌接種,以提高植物的耐受性。

3.3 高寒暗針葉林區(qū)

本區(qū)分布在海拔3 600～4 000 m區(qū)域,多位于陰坡,土壤主要為暗棕壤。暗棕壤是藏東和藏南高山針葉林下發(fā)育的具有明顯有機質(zhì)積累和弱酸性淋溶的土壤類型,有機質(zhì)和全氮豐富,陽離子交換量高,是西藏境內(nèi)速效磷普遍較高的土壤類型之一[5]。本區(qū)域主要建群種為川西云杉、鱗皮冷杉、冷杉等暗針葉林,木材質(zhì)量優(yōu)良,但由于分布在高海拔山地,生態(tài)環(huán)境脆弱,森林被破壞后的天然更新能力較弱,因此在本區(qū)應(yīng)根據(jù)施工擾動程度實施不同的植被恢復(fù)策略。

對于施工影響不強、不會造成明顯群落逆向演替的情況,要加強暗針葉林的管護與撫育,促進生態(tài)群落正向演替,同時選擇容器苗進行補植補種。對于施工影響較強、會造成明顯群落逆向演替的情況,可采用移栽的方式進行保護。移栽前應(yīng)根據(jù)針葉林冠幅大小進行修剪,以疏枝為主,短截為輔;起苗時帶土球,以提高移植成活率;在假植于表土堆存場和施工結(jié)束后移栽回擾動區(qū)域前應(yīng)對場地進行穴狀整地,并根據(jù)土壤肥力情況,考慮采用深翻熟化、客土改良、培土、摻黏土及施肥等措施進行土壤改良;在定植后對植物水肥、光熱情況和病蟲害進行調(diào)控。

3.4 高寒草甸區(qū)

本區(qū)域位于海拔4 000 m以上,植被群落以耐寒的多年生草本植物為優(yōu)勢種,植物種類組成較簡單,主要由莎草科的嵩草屬和薹草屬的植物組成,呈低矮、密集叢生似地氈狀的外貌,是西藏產(chǎn)草量和載畜能力最高的草地之一,也是極其珍貴的自然資源。本區(qū)域土壤為亞高山草甸土亞類,其有機質(zhì)和全氮豐富,主要集中在草皮層和腐殖質(zhì)層,速效磷普遍缺乏,大都在10 mg/kg以下。

受海拔高、氣溫低、多風(fēng)和強烈的日照輻射的影響,高寒草甸的形成往往需要14～17 a,最長需30 a。由于草甸資源形成時間長,植被結(jié)構(gòu)簡單且自我恢復(fù)能力差,遭到人為擾動后恢復(fù)困難,因此考慮通過草皮層剝離、養(yǎng)護、回植,以及人工草地構(gòu)建進行植被恢復(fù)。

1)草皮層剝離、養(yǎng)護與回植。在本區(qū)域施工擾動前應(yīng)首先通過草皮層剝離、養(yǎng)護與回植的方式對草甸資源進行保護。剝離季節(jié)宜選取溫暖、濕潤、降雨較為豐富的6—8月,植物正處于生長期,有利于提高剝離草皮的成活率;為減少剝離過程中對植物根系的損傷,應(yīng)連同根系土壤一同剝離;為了便于運輸和存放,需將剝離的草皮進行分塊,邊長控制在30～50 cm。剝離后將草皮盡量堆存于背風(fēng)空閑地,在堆存區(qū)域灑水,保持土壤濕潤,保證草皮的需水量;為避免土壤及植被水分蒸發(fā),采用遮陽網(wǎng)對剝離的草皮進行苫蓋。施工結(jié)束后,先回填有機土層,然后將經(jīng)過養(yǎng)護的草甸草皮進行回植,并保證回植平順,使草皮根部與土壤無縫銜接,間隙用腐殖土填塞密實。

2)人工草地構(gòu)建。由于草皮剝離、堆存過程中有一定損耗,且在回植后有草地退化和逆向演替的風(fēng)險,因此為形成穩(wěn)定、可持續(xù)的適生于高寒區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng),要按照近自然的理念,利用鄉(xiāng)土物種模擬原始生態(tài)系統(tǒng)的物種組成、多樣性和群落結(jié)構(gòu)進行人工草地建植。首先篩選本區(qū)域耐寒鄉(xiāng)土草種,包括垂穗披堿草、老芒麥、中華羊茅、草地早熟禾、星星草等植物種子,同時考慮到高寒地區(qū)草本植物種子出苗率低且有休眠性的特點,需要對種子進行催芽處理,以提高種子的活力水平;然后對種子進行丸粒化和包衣處理,提高種子的抗逆性;最后鑒于種子的發(fā)芽率與溫度呈正相關(guān)關(guān)系,選擇氣溫較高的6—8月進行播種。為保證田間出苗率,應(yīng)加大播種量。

草地施肥對提高植物群落生產(chǎn)力具有正向效應(yīng),因此高寒草甸區(qū)域人工草地構(gòu)建的另一關(guān)鍵問題在于土壤結(jié)構(gòu)和土壤肥力的改善。在表土回填時對土壤進行翻耕可以改善土壤結(jié)構(gòu),選用當(dāng)?shù)嘏＜S等有機肥可改善土壤有機質(zhì)含量;施加氮肥對提高種子活力和質(zhì)量、提高草本植物生長速度、促進分蘗有顯著效果,且本區(qū)域豆科植物較少,因此需要施加外源氮素;施加磷肥對于刺激根系生長、提高植物抗逆性尤其是抗旱性等有顯著效果,與氮肥配施可促進群落的穩(wěn)定性,因此可以選取尿素與磷酸二銨同時添加的方式進行土壤肥力改善。

4 結(jié)束語

植物群落是環(huán)境因子與植被相互作用和影響的結(jié)果,高寒地區(qū)植被恢復(fù)應(yīng)充分考慮氣候、海拔、土壤、植物特性等因素,合理選取植被恢復(fù)方式。同時,高寒區(qū)域植被恢復(fù)技術(shù)及其效果需要經(jīng)歷認(rèn)識—實踐—再認(rèn)識—再實踐的反復(fù)過程,建議強化植被恢復(fù)后長時間序列的監(jiān)測評估工作,以提出有針對性的優(yōu)化改進措施。