管道工程施工扰动对玉米种植的影响

黄勇，陈忱，陈利顶，时鹏，肖峻

(1.环境保护部环境工程评估中心，北京 100012；2.中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085；3.西安理工大学水利水电学院，陕西西安 710048)



管道工程施工扰动对玉米种植的影响

黄勇1，陈忱1，陈利顶2，时鹏3，肖峻2

(1.环境保护部环境工程评估中心，北京 100012；2.中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085；3.西安理工大学水利水电学院，陕西西安 710048)

管道工程建设是高强度干扰生态系统的过程，而现有研究很少关注管道建设对作物生长的影响。针对西气东输二线工程，选择3个典型农田保护区，通过布设样带和样点，监测作物产量和生长性状，评估天然气管道建设对农田生产力的影响。结果表明，管道建设对农田生产力的影响主要发生在施工作业带上方，干扰强度表现为管沟>作业区>堆土区，管道外50 m基本不受施工影响。线性回归表明，玉米穗期叶面积指数与产量之间有显著的相关性，可用来模拟作物产量。管道穿越农田生态系统需要做好环境保护措施，控制施工范围，严格执行土层分层开挖、分层回填，坚决杜绝生土回填到耕作层，施工后及时恢复农田生产力。

管道建设；农田生产力；玉米；叶面积指数；定量评价

管线工程是埋地敷设类型的工程，管道施工对生态环境的影响属于高强度、局地性的扰动，严重破坏沿线土壤和植被[1]。农田生态系统是最重要的生态系统之一，为人类提供了70%左右的粮食供给，构成人类生存和发展的基础。长输油气管道穿越大量农田，工程施工直接影响到农业正常生产，扰动农田生态系统的稳定性，破坏农田生态环境，不利于作物生长，降低了农田生产力。管道建设需要30 m左右的施工带，施工带上方表层土壤和植被将会全部移除。管道建设过程中的重型机械碾压、施工人员践踏会改变土壤物理性状，增加土壤紧实度，减少地表水入渗[2]。管沟开挖和土壤回填，会打乱耕层结构，降低土壤养分[3]。明确不同施工作业区域对农田生态系统的干扰强度，是准确、客观地评价油气输送管道生态环境影响的基础。因此，在生态环境监管中需要控制施工范围在施工边界以内，严格执行分层回填，坚决杜绝生土回填到耕作层，从而降低管道工程建设对农田生态环境的影响。

叶面积指数(LAI)作为植被冠层结构的重要参数，反映了植被的光合、呼吸等诸多关键生理过程。叶片是作物光合作用的主要器官，叶面积的大小直接影响产量的形成[4]。玉米中干物质积累进程可分为苗期、穗期和花粒期三个阶段。叶面积指数随生育进程的变化也由快速增长(苗期)变为相对稳定(穗期)，最后衰退(花粒期)[5]。本研究通过确定玉米叶面积指数的相对稳定时期，准确模拟玉米产量对管道建设的响应，定量评价管道建设对农田生产力的影响，为估算工程建设作物损失量提供参数，以期为制定合理的赔偿标准提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 管线工程介绍

本研究以西气东输二线作为典型管线，该管线是继西气东输一线之后，国家重点建设的第二条横跨我国东西部的天然气输送管道。西气东输二线是目前世界上线路最长、工程量最大的天然气管道，始建于2008年，主干线于2011年全线贯通。管道施工期间，清理出约30 m左右的作业带，用于敷设直径1 016 mm的管道，如图1所示。作业带划分为管沟区(2 m)、堆土区(10～13 m)、作业区(15 m)。其中，管沟区用于埋设管道；堆土区用于堆放作业带剥离的表土和管沟挖出的底土；作业区用于重型机械施工。

图1 天然气输送管道施工作业示意图Fig.1 The sketch of gas pipeline construction

1.2 样带和样方布设

在西气东输二线穿越区域，选择3个典型农田区作为研究区域：黑河中游绿洲农业区(张掖)、黄土丘陵沟壑农业区(平凉)和渭河平原农业区(西安)。3个研究区都位于我国西部地区，农田以种植玉米为主。采样前，通过调查走访，确定每个研究区内的作物耕作制度和施肥方式相似，作物品种一致，土壤有机质等属性变异较小。在选择的3个研究区中(每个研究区1 km管线长度)，垂直于管线布设3条平行样带，样带间隔500 m。在每个样带沿管线不同距离布设1 m×1 m的样方，实验区内样方分别位于管沟上方、堆土区、作业区、管道两侧20 m、50 m和100 m，管线外1 000 m设为对照区，如图2所示。实验区与对照区的主要区别是实验区受到机械施工碾压、沟道挖填影响。采用LAI 2000叶面积指数仪，分别于2013年月7月初(苗期)、2013年8月中旬(穗期)、2013年9月底(花粒期)测定作物叶面积指数。2013年10月初，采用收割法测定玉米产量，并测定玉米的株高、株径、穗长、穗粗。

图2 样方布设Fig.2 Plots in the research areas

1.3 数据分析方法

应用SPSS 16.0软件处理相关数据，采用单因素方差分析检验管道不同距离作物产量和作物生理性状之间差异的显著性水平。同时，采用此软件进行一元线性方程拟合，建立叶面积指数对作物产量的预测模型。作图在Simplot 10.0软件中进行。

图3 天然气管道建设对作物产量的影响(差异显著P<0.05)Fig.3 Effect of gas pipeline construction on crop yield (significant difference at P<0.05)

2 结果与分析

2.1 管道建设对作物产量的影响

如图3所示，天然气管道建设对玉米产量产生明显影响。在黑河中游绿洲农业区、黄土丘陵沟壑农业区和渭河平原农业区，管道施工带上方作物产量显著低于管道外50 m和100 m(P<0.05)。总体来看，管沟区作物产量最低，其次是作业区，而黑河中游绿洲农业区和渭河平原农业区的堆土区产量高于管沟和作业区，但是明显低于施工带外其他区域。施工带上方产量与对照区产量(管道外1 000 m)的比值大约在0.6，表明管道施工对玉米产量产生较大干扰。管道外20 m处作物产量也受到施工作业的影响，此区域产量小于管道外50 m和100 m，并且在渭河流域农业区20 m处，干扰达到显著水平。管道外50 m和100 m处作物产量没有明显差异。

2.2 管道建设对作物生理性状的影响

天然气管道建设影响作物的生长，管道施工带上方玉米生理性状较差，干扰区内(管沟、堆土区和作业区)玉米的株高、株径、穗长、穗粗均低于施工带外100 m的玉米，如表1所示。管沟对作物生理性状的影响最为明显，3个研究区中的管沟作物株高、株径、穗长和穗粗均低于管道外20 m、50 m和100 m，并且对株高的影响达到显著水平。堆土区和作业区作物株高、穗长和穗粗也低于施工带外玉米。管道外20 m玉米生长也受到施工的影响，3个研究区管道外20 m玉米穗长和穗粗均低于管道外50 m和100 m。管道外50 m农田基本不受施工直接影响，此距离的玉米生理性状与管道外100 m相似。

表1 管道建设对作物生理性状的影响

注：同一研究区内不同字母表示差异达到显著水平(P<0.05)。

2.3 叶面积指数拟合作物产量

LAI在玉米几个关键生长时期呈现出先增长、后降低的特征，如图4所示。从苗期阶段开始，LAI呈现出线性快速增长态势；到玉米穗期，LAI达到最大值，并且逐步稳定；在随后的花粒期，LAI逐渐下降。穗期阶段的LAI最大，也比较稳定，可以作为玉米估产的关键时期。

建立LAI与玉米产量之间的定量关系，其线性回归模型为：

Y=aX+b

式中，Y为玉米产量，t/ha；X为穗期玉米LAI；a和b为常数。

图4 玉米关键生长时期叶面积指数测定结果Fig.4 LAI of corn in different key growing stages

3个研究区LAI与玉米产量之间的关系都达到极显著水平(P<0.001)。渭河平原农业区LAI较好地模拟了玉米单产，决定系数(R2)最高，达到0.708，线性回归方程为Y=427.13X-625.06。黑河中游绿洲农业区和黄土丘陵沟壑农业区的决定系数也较高，分别为0.631和0.533，线性回归方程分别为Y=381.72X-325.04和Y=417X+50.56。

3 讨论与建议

3.1 天然气管道对玉米生长和产量的影响

天然气管道对农田生态系统的影响主要集中在施工带上方，范围在管线两侧20 m以内，管沟处对土壤的扰动深度可达2 m。管道建设对作物产量干扰的强度表现为管沟>作业区>堆土区。管沟开挖和土壤回填破坏了土壤耕层的结构，使不同质地、不同层次的土体混合，而土壤在堆放过程中，加速了有机质降解过程，降低土壤养分含量，最终降低土壤肥力，影响农作物的生长，并导致作物产量下降[6]。良好的耕作土壤需要有适宜于作物生长的紧实度。研究表明，管道建设后可以导致土壤体积密度增加一倍左右，在施工机械作业过程中，机械设备的碾压、施工人员的践踏等都会对土壤的紧实度产生影响，土体过于紧实不利于植物根系生长，减少地表水入渗。管道外20 m处作物产量同样受到施工的影响，可能是因为施工人员的作业范围没有严格限制在作业带上方，导致工程建设对农田生态系统的直接影响范围扩大。

3.2 LAI预测作物产量在管道建设评价中的应用

传统的作物单产预测方法主要包括调查法、农学预报法、农业气象预报法等，这些方法需要花费大量人力、物力和时间，不适合大尺度预测。尤其是对属于线性工程的天然气管道，其涉及区域广、影响范围大，传统的作物估产方法工作量大且测定周期长。经验模型法直接采用作物LAI与作物单产建立关系，能够简单有效地预测天然气管道对大范围农田的干扰程度。目前，基于LAI预测作物产量的方法广泛应用于农业生产。麻雪艳[7]构建了叶面积指数动态普适模型，确定了春玉米最大叶面积指数的生长时期出现在吐丝后2周，为准确模拟玉米光合产物分配提供了依据。在本研究中，玉米穗期LAI较好地预测了玉米产量。姚小英[8]的研究也表明，玉米穗期阶段LAI与产量显著相关，而其他生长阶段的相关性较差。

遥感技术为LAI的获取提供了稳定的动态监测工具，可以通过建立野外测量LAI与遥感植被指数(NDVI或SR等)之间的经验关系，大面积反演LAI。利用遥感影像多时像、高精度的特点，通过反演预测管道建设前和管道建设后作物LAI的变化，采用经验模型法评估产量受损程度和范围。

3.3 天然气管道穿越农田生态系统的环境管理措施

天然气管道建设是一种开挖-填埋式的施工干扰。挖掘管沟时，应执行分层开挖的操作制度，即表层耕作土与底层耕作土分开堆放；管沟填埋时，也应分层回填，即底土回填在下，表土回填在上。分层回填前，应清理留在土壤中的固体废物，回填时还应留足适宜的堆积层，防止因降水、径流造成地表下陷和水土流失。回填后，多余的土应平铺在田间或作为田埂、渠埂，不应随意丢弃。施工作业带严格控制在管道两侧15 m内，施工人员禁止随意践踏施工区域外的农田。施工时间尽量安排在秋收后，避开作物生长季节，减少农业生产的损失。施工结束后，做好农田的恢复工作，清理施工作业区域内产生的废弃物，按国务院颁布的《土地复垦规定》进行复垦。凡受到施工车辆、机械破坏的地方，都要及时修整、恢复原貌。可增施有机肥，促进土壤团聚体形成，改善土壤结构，同时增加土壤养分含量，尽快恢复农田的生产力。

4 结论

天然气管道建设对农田生态系统的影响主要集中在施工作业带上方，范围在管道两侧20 m以内，管沟区作物生长受影响最为严重，管沟处对土壤的扰动深度可达2 m，其次是作业区和堆土区。管道外50 m，作物产量基本不受施工影响。在管道穿越农田生态系统的施工过程中，尤其要做好土壤保护工作，控制施工范围，严格执行分层回填，坚决杜绝生土回填到耕作层。建议选择秋收后开始施工，避开作物生长季节。同时采取必要的恢复措施，尽早恢复农田生产力。叶面积指数可以较好地反映作物产量，选择玉米穗期叶面积指数作为关键参数模拟作物产量，可以简单准确地评估管道建设对玉米生长的影响。另外，叶面积指数也可以通过遥感反演获取，适用于长距离、大范围的线性工程生态环境影响评价，将样方尺度提升到区域尺度，从县、市甚至省的尺度评价管道建设对农田生态系统的干扰。

[1] 穆从如, 杨林生. 石油长输管道工程对生态环境的影响[J]. 环境科学, 1995, 16(2): 83- 87.

[2] Yu X F, Wang G P, Zou Y C,etal. Effects of Pipeline Construction on Wetland Ecosystems: Russia-China Oil Pipeline Project (Mohe-Daqing Section)[J]. Ambio, 2010, 39(5/6): 447- 450.

[3] Shi P, Xiao J, Wang Y F,etal. The effects of pipeline construction disturbance on soil properties and restoration cycle[J]. Environmental Monitoring and Assessment, 2014(3): 1825- 1835.

[4] 孔德胤, 杨松, 黄淑琴, 等. 河套地区玉米叶面积指数的动态模拟[J]. 中国农业气象, 2014, 35(3): 281- 286.

[5] 林忠辉, 项月琴, 莫兴国, 等. 夏玉米叶面积指数增长模型的研究[J]. 中国生态农业学报, 2003, 11(4): 69- 72.

[6] Olson E R, Doherty J M. The legacy of pipeline installation on the soil and vegetation of southeast Wisconsin wetlands[J]. Ecological Engineering, 2012, 39: 53- 62.

[7] 麻雪艳, 周广胜. 春玉米最大叶面积指数的确定方法及其应用[J]. 生态学报, 2013, 33(8): 2596- 2603.

[8] 姚小英, 李晓薇, 王禹锡, 等. 西北干旱区旱地玉米叶面积指数与气象因子及生物量的关系[J]. 自然资源学报, 2012, 27(11): 1881- 1889.

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

环保公益性行业科研专项：不同建设工程生态环境影响定量评价技术与方法(201209029)

黄勇(1980—)，湖南人，高级工程师，博士，主要从事景观生态和环境影响评价研究，E-mail：112822698@qq.com

陈忱(1960—)，北京人，高级工程师，学士，主要从事生态环境影响评价研究，E-mail：w94xhn@163.com

10.14068/j.ceia.2016.06.015

X826

A

2095-6444(2016)06-0056-05