陕北风沙区铁路生物防护体系植被建设结构优化配置模式研究

王纯玉，张利勇，万浩宇，姜 文，高冬梅

（1．中铁十九局集团公司，北京100176；2．陕西省治沙研究所，陕西 榆林719000；3．杨凌职业技术学院，陕西 杨凌712100）

包西铁路陕西段，自北向南纵贯榆林、延安、渭南三市，其中穿越毛乌素沙区段北起陕蒙交界处（起点里程DK177＋080），经红碱淖（中鸡）车站（DK186＋700），向南至榆阳区鱼河镇，铁路全长150km，其中120km为风沙区铁路段。铁路沿线气候条件严酷，主要特征是春季干旱多风，风蚀严重，秋季多暴雨，冲刷水蚀严重，是黄河中上游水土流失最严重的区域。严酷的自然环境和生态条件使新建铁路的路基受到了风蚀沙埋和暴雨侵蚀，极易造成路基被流沙埋压和边坡水土流失，进而导致路基失稳、坍塌，严重威胁铁路的安全运营。因此，充分利用乔木、灌木、草本植物对风沙区铁路及路基边坡进行生物防护，是一种长久、经济和有效的关键技术措施。本项研究通过陕北风沙区铁路沿线两侧不同防风固沙效果植物群落结构调查分析，总结提出适合陕北风沙区铁路沿线不同类型立地的防风固沙林优化结构模式，为陕北风沙区铁路沿线两侧及路基边坡的综合治理和有效防护提供科学根据。

1 研究区自然概况

该区地处毛乌素沙漠东南缘，属暖温带干旱半干旱大陆性季风气候，年降水量316～450 mm，主要集中在7～9月，占全年降水量的60%～70%，且多阵雨和暴雨，年蒸发量1 127～1 546 mm，年平均气温 7．9～9．1，年 ≥10℃ 积温3 078～3 443℃，无霜期134～173d。其气候特点是春季干旱多风，日照充足，夏季高温，降水集中，秋季阴雨，降温迅速，冬季严寒，风强沙大。每年风季从11月中旬开始持续到次年4月下旬，连续5个月不间断，风蚀非常严重，尤其是春季3－4月常有7级以上大风，最大风力可达11级，掀起铺天盖地的沙尘暴。该区铁路路基多由沙土堆积而成，多数高出地面，最大垂直高度达12m，最大坡长30m，边坡每隔5m用石块砌成拱形骨架，内填20cm原生黄土固定流沙，可根据实际需要栽种各种灌木和草本植物固沙保持水土，稳固路基。铁路沿线两侧多为半固定沙丘或沙地，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）、柠条（Caragana korshinskii）等，植被盖度多为30%左右。

2 调查研究内容与方法

根据陕北风沙区新建铁路生物防护工程建设的实际需要，对陕北风沙区铁路沿线低效退化防风固沙林体系进行了实地调查。野外调查采用标准地法，并搜集该区域的档案资料和历年经营情况。选择有多年封育历史的林草自然复合群落，对群落较稳定、长势较好、土壤侵蚀较轻的24种典型植被模式，按常规设置标准地，对植被群落结构、植物种组成、植被分布密度、植被盖度、地被物（地表结皮、苔藓、枯落物）的多少、群落的生长状况、土壤风蚀强度等进行了全面调查；同时开展了风沙区铁路沿线退化低效防风固沙林体系改造建设及沙质路堤路堑边坡生物防护植被建设试验示范研究。

3 调查结果分析

3．1 原流动沙地迎风坡植被状况

原流动沙地沙丘迎风坡，通过飞播、封禁、沙坡中下部搭设草沙障，采用前挡后拉的方法造林。原分布于沙丘顶部稀疏的沙柳等植被因风蚀局部加重和水分亏缺而死亡。从调查结果表1来看，经多年反复造林形成了以灌丛沙堆为主的平缓的蜂窝状固定、半固定沙地。其植被演替模式可归纳为一年生的沙米（Agriophyllum squarrosum），多年生的草本植物和少量的灌木，在封育条件下自然侵入和人工植入物种的影响下，逐渐演变为以油蒿（Artemisia ordosica）、柠条、沙柳、踏郎、紫穗槐（Amorpha fruticosa）为优势种的植物群落，流动沙地逐渐变为固定、半固定沙地，植被盖度达到20%～40%，此后个别地方又植入小叶杨（Populus simonii）等乔木，逐渐形成了以这些乔木树种为优势种的林分，群落多度明显增加，种的优势度进一步显现。特别是一些林草盖度大，以乔木为优势种的林分，个别地方植被生长状况较差，部分浅根性的物种因水分胁迫而死亡，一些深根性植物也因竞争而退出群落。部分地段由于鼠、兔、虫的危害和灌木未及时进行平茬复壮等原因，使得林木长势衰退，牛心朴子（Cymanchum komarovii）和短命草本植物增多，地表发生鳞片状沙化斑块，标志着局部植被在发生退化性演替。

3．2 原沙区丘间地植被状况

该地类沙层具有良好的通透性，水分存贮较丰富，原有乌柳自然分布，形成了独特的柳湾林。由于乌柳可以用于柳编，具有较高的经济价值，所以人为破坏严重。个别地方沙柳成为优势种，后人工植入合作杨（Populus opera）、小叶杨、旱柳（Salix matsudana）、沙棘、紫花苜蓿（Medicago sativa）等植物，尤其是以沙棘为灌木种的乔灌混交林长势较好（表2）。随着沙丘顶部的削平，丘间地的沙埋，形成了以杨柳为主的岛状乔木片林。这些片林已有30多年的历史，杨树到了采伐期，且天牛危害严重，急需更新改造。

3．3 原平缓沙地植被状况

原平缓沙地经过多年的治理，基本上处于固定、半固定沙地。自然植被多为油蒿、柠条、沙柳等形成的灌木林或灌丛沙堆，一些地段分布旱柳、白榆（Ulmus pumila）等乔木树种，还有沙米、沙竹、苦豆子（Sophora alopecuroides）、沙生冰草（Agropyron desertorum）、紫云英（Astragalus sinicus）等草本植物。在封育条件下，栽入紫穗槐、花棒、踏郎、沙棘等灌木混交，再引入合作杨、旱柳、白榆等乔木搭配，使原群落结构发生改变。从表3可以看出，灌木林经历了一定的旺盛生长期后，沙柳群系中增加的踏郎占据主导地位，柠条、紫穗槐群系中的合作杨长势明显增强，成为优势种。连续治理的沙地，先是一年生植物退出群落，多年生草本很快侵入且生长良好，紧接着灌木进入旺盛生长期，后来一些浅根性的灌木因缺水而死亡，植入的乔木树种，首先是杨、柳、榆等落叶树种生长快，起防护作用早，接着开始向过熟林转化，一些落叶乔木开始退出群落，一些灌木也开始更替，出现种内自疏现象，沙地出现鳞片状风蚀，整个群落向稀疏灌木干草原的景观格局演替。其中一部分稳定性较差，处于退化阶段的林分和过熟林成为改造的对象，急需对其群落结构、配置密度、盖度做出新的调整，以便充分发挥林木的生态功能。

表1 原流动沙地迎风坡植被状况

表2 原流动沙地丘间地植被状况

表3 原平缓沙地植被状况

3．4 原覆沙黄土地植被状况

覆沙黄土地多是由粒径较细的沙粒越过黄土梁顶，风速减缓，产生沉降堆积于东南坡坬而形成的。这一地类由于沙层有良好的存贮降水和防蒸发特性以及黄土层较好的土壤肥力条件，具有较好的林木适生环境。从表4可看出，原生植物种基本上是以柠条为主的群落，伴生沙蒿以及白榆、小叶杨、旱柳等乔木树种的稀疏林地。一些地方已郁闭成林。调查中发现一些以杨树为主的阔叶林地，长势衰弱，白头沙蓬等一年生草本植物的出现，预示着植被开始退化；一些油松密植林，由于栽植密度过大，原生灌木柠条也开始死亡，生物多样性明显降低，地表发生鳞片状风蚀，林地土壤水分条件变差，且森林火险加重。这些现象表明，营造以原生灌木种群为主的乔灌混交林，应严格控制乔木栽植密度。

3．5 原沟边、梁顶、河谷边坡植被状况

该地类主要分布以柠条为优势种的群落，伴生种主要有胡枝子（Lespedeza bicolor）、蒙古莸（Caryopteris mongholica）、白榆、酸枣（Ziziphus jujuba var．spinosa）等，个别地方人工植入油松（Pinus tabuliformis）、侧柏（Platycladus orientalis）等树种。从表5可看出，梁顶阳坡油松、白榆表现较好，阴坡侧柏生长较好。

表4 原覆沙黄土地植被状况

表5 原沟边、梁顶、河谷边坡植被状况

4 退化低效防风固沙林改造及路基边坡生物防护植被建设优化结构模式

4．1 风沙区铁路沿线退化低效防风固沙林改造建设整体布局

根据调查结果和陕北风沙区铁路沿线的自然地理特征以及该区域铁路防风固沙林体系改造建设的实际需要，在遵循适地适树、适地适草和乔灌草结合、多林种多树种结合原则的基础上［1］，依照植被演替的规律和各植物种的生态学和生物学特性，提出了陕北风沙区铁路沿线不同立地类型区防风固沙林体系改造建设的整体布局构想。

4．1．1 流动沙丘迎风坡 针对该立地类型区的具体特点，先在新月型沙丘迎风坡中下部搭设麦草方格沙障，雨季来临前飞播或撒播沙打旺、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、柠条等灌木，沙丘上部被风力削平后，再根据沙地固定情况，植入樟子松、沙地柏、紫穗槐等树种，以改善林分质量，提高防护效益。

4．1．2 流动沙地丘间地 流动沙地丘间地多形成以杨柳为主的岛状乔木林和柳湾灌木林。当沙丘被风削平，丘间地沙埋一定厚度，水分逐渐枯竭，这时就应及时伐掉那些已成材的过熟林树木，以减少其盖度，同时应植入樟子松、沙地柏、沙棘等经济价值更高的树种，以改善其林分结构，促进其综合防护效益的提高。

4．1．3 平缓沙地 该地类经过多年的建设，基本上处于固定、半固定沙地，多分布油蒿、沙柳、柠条、踏郎等自然形成的灌木林或灌丛沙堆，一些地段分布合作杨、小叶杨、旱柳等乔木树种，植物种还有绵蓬（Corispermum hyssopifolium）、沙生冰草，紫云英等。目前，这些地方的植被在经历了复杂的演替过程，盖度稳定在30%～50%，达到了顶极群落，原有的杨、柳林已到了成熟或过熟林，从林分的稳定角度考虑，应及时伐掉已成材的树木和枯立木，在原有林分中增加一些常绿乔木、灌木和草本植物，促进其持续稳定发展。

4．1．4 覆沙黄土地 以营造防风固沙林为主，立地条件好的地方可以适当发展用材林。在植被建设时，应详细考察原生优势种群，以确定树种的配置。先在覆沙地上搭设带状草沙障，播入沙打旺、草木犀、紫花苜蓿等草种，使植被盖度迅速增大，利用豆科植物的固氮作用增加土壤肥力，加大原生优势灌木种的植入量，并从促进生物多样性的角度，选择植入柠条、紫穗槐、沙棘、沙地柏等灌木植物种，待林草盖度增大能抑制风蚀后，再植入油松、白榆、小叶杨、河北杨（Ponulus nopeiensis）、合作杨、旱柳、樟子松等乔木树种。加强林地管护，按时刈割灌草，清除病虫木，可促进根系的生长、复壮树势、促进萌蘖，提高开花结实率，确保林分稳定。

4．1．5 沟边、梁顶、河谷边坡 这些特殊地段主要营造以柠条、紫穗槐、酸枣、蒙古莸、胡枝子为主的灌木防冲护岸林，立地条件较好的地方可栽植侧柏、白榆、油松等乔木树种；梁顶主要营造以豆科牧草、柠条等优势灌木种和少量油松等乔木为主的乔灌草混交林。治理初期，要结合鱼鳞坑整地等水保工程措施，采用抗旱造林新材料、新技术以提高造林成活率和保存率。

4．2 铁路沿线退化低效防风固沙林改造优化结构模式

根据不同立地类型区植被建设和演替状况，结合风沙区铁路防风固沙林体系建设的经验与教训，在试验示范研究基础上，筛选总结提出了适合陕北风沙区铁路沿线不同立地类型区退化低效防风固沙林改造建设的结构优化配置模式（表6）。

表6 铁路沿线不同类型立地防风固沙林优化结构模式

4．3 陕北风沙区铁路边坡生物防护植物群落优化结构模式

陕北风沙区铁路路基边坡生物防护设计应遵循因地制宜、安全可靠、经济合理和生物防护或生物防护与工程防护措施综合应用的原则，坚持乔灌草结合和多林种、多树种综合配置原则。该区铁路边坡生物防护必须选择适应性强、耐干旱、耐贫瘠、根系发达和种子繁殖能力强的乡土植物种和引进试验成功的优良植物种。

4．3．1 铁路边坡植物防护技术措施设计 包西铁路陕北榆林风沙区段是以推平或填平的流动沙丘为路基，结构松散、结持力差，坡面极易遭受风蚀和水蚀的危害。特别是挖方路堑，使铁路形成宽深沟槽，道路两侧的堑壁坡面极易遭受大风的吹蚀和雨水冲刷而埋压路基和铁轨，造成脱轨事故。覆沙黄土硬梁段路基则以挖方路堑为主，铁路位于深沟槽内，其坡面极易遭受大风和雨水的吹蚀和冲刷而影响铁路畅通。因此，防护必须以固沙保土为主要目标，同时兼顾美化功能，采取以生物措施为主，结合相关工程措施的水土保持护坡技术。在沙质路堑边坡防护方面，当坡率不陡于1∶1的边坡，边坡高度小于10m时，应采用黄土包坡后植苗或播种造林种草措施进行防护；当边坡高度大于10m时，应采用混凝土砖砌骨架内黄土包坡后植苗或播种造林种草防护措施；在坡率陡于1∶1的边坡时，应采用混凝土砖砌骨架内黄土包坡后植苗或播种造林种草防护。在沙质路堤边坡防护方面，当边坡高度小于8m时，应采用黄土包坡后植苗或播种造林种草措施进行防护；当边坡高度大于8m时，应采用混凝土砖砌骨架内黄土包坡后植苗或播种造林种草措施进行防护［2］。因此，试验示范研究表明，有5种适宜铁路边坡防护技术措施：①柴草网格障蔽加植被防护：在流动半流动沙丘段沙质路基路堑边坡先搭设柴草网格障蔽，沙障材料以麦草、沙蒿或沙柳枝条为主，障蔽规格为0．5m×0．5m或0．5m×1．0m。然后在障蔽网格内栽植灌木紫穗槐；②黄土覆盖加植被防护：在沙质路基坡面先覆盖厚度约0．15～0．20m黄土，整平，然后栽植灌木紫穗槐，或播种沙蒿、沙打旺、紫花苜蓿、柠条等植物。株行距为0．3m×0．3m或0．3m×0．5m；③水平阶栽植护坡：在黄土陡坡上进行水平阶整地，间距一般1m左右，然后在水平阶上密植耐旱的保土灌木如柠条等；④采用混凝土砖砌拱形骨架加植被防护：在1∶1黄土边坡上先用砖砌成3m×5m拱形骨架，在拱形骨架内栽种紫穗槐、柠条、紫花苜蓿等灌草植物；⑤黄土边坡直接栽植灌木防护：在1∶1．5的黄土边坡上栽种紫穗槐、柠条等灌木植物和沙打旺、紫花苜蓿等草本植物。

4．3．2 风沙区铁路路基边坡生物防护植被建设优化配置模式 根据包西铁路陕北榆林风沙区段的地貌类型和立地条件，分为覆沙黄土硬梁高陡边坡、风沙滩地沙质路基边坡、高大流动沙丘边坡等不同地貌类型，以及路基和路堑不同边坡条件，在开展试验示范研究的基础上，结合各种植物的生物学生态学特性以及植株的高矮、花期花色等的不同分别筛选提出了8种乔灌草混交配置及不同草种复合种植配置模式［3］：①全坡面栽植紫穗槐，株行距0．3m×0．3m，每穴4株；②全坡面栽植柠条，株行距0．3m×0．3m，每穴4株；③上半坡面栽植柠条，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，下半坡面栽植柠条，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从坡顶向下依次为柠条、紫穗槐2种植物带状混交，每带2行，带间距1m，株行距均为0．3m×0．3m，每穴4株；⑥乔灌草混交模式，以上选择的所有灌木树种分别与草本植物沙打旺混交种植，乔灌木树种采取带状或团块状混交，每带2～3行，株行距为1m×2m，造林方法均采取植苗法，常绿树采用带土球栽植，栽植季节为春季，草本植物沙打旺雨季来临前在林间空地撒播。⑦复合种草模式。采取沙打旺、紫花苜蓿、沙蒿种子混合撒播方式，种子混合比例为沙打旺70%、紫花苜蓿15%、沙蒿15%。流动沙地边坡先搭设柴草网格沙障，再撒播沙蒿、沙打旺种子，播种时间为4月上旬至5月下旬或雨季来临前；⑧柠条种子采用穴状直播种植，黄土路堑高陡边坡采用穴状直播柠条种子，出苗、成活、生长及防护效果均良好。

［1］高保山，张曦，李广毅，等．生态脆弱带神府东胜矿区植被建设技术研究［J］．西北林学院学报，2000，15（增刊）：33－39．

［2］符亚儒，党兵，赵晓彬，等．榆靖沙漠高速公路路基边坡防护技术研究［J］．西北林学院学报，2006，21（6）：17－20．

［3］王纯玉，万浩宇，张连友，等．陕北风沙区铁路边坡生物防护技术研究［J］．陕西林业科技，2012（5）：77－81．