不同表土处理对坝上风电场植被恢复的影响

贾志军, 李 娟, 甄宝艳, 王 富

(1.河北省水利技术试验推广中心， 河北 石家庄 050061; 2.河北环京工程咨询有限公司， 河北 石家庄 050011)

由于传统的发电方式不仅面临不可替代资源短缺的威胁，而且难以使区域资源—环境—经济—生态和谐发展，促使众多国家都积极发展新型能源[1-2]。风能作为一种无污染可再生的清洁能源越来越受到国家的重视而得以迅猛发展[1,3-4]。但在风电场的建设过程中，由于风机基础开挖、安装场地平整、施工道路施工、临时堆土等施工活动，必然导致植被和地表严重破坏，地表裸露，水土流失加剧[1,5]。坝上地区属内蒙古风源区，风能资源十分丰富[6]，但坝上地区属于典型的农牧交错带生态脆弱区，区内风蚀与水蚀并存，为典型的风蚀水蚀混合侵蚀区[7]。风电场的建设既有点状工程又有线性工程，对地表造成了强烈的扰动，大部分把原有的植被和土壤破坏殆尽，使地面形成再塑的、几乎没有种源的土壤生土层[1]。在风电场现有水土流失防治措施中，植被恢复均以覆土植树、种草为主[8-10]，而对于表土剥离的使用，董智等[1]的研究认为，表土中的种子库可以作为一种资源进行利用，从而加快其植被恢复。但因对表土清理、堆放、回覆要求较严格，使表土回覆自然恢复未能作为一种资源或植物措施推广使用。事实上，表土中含有大量的原生植被种子，形成较为丰富的土壤种子库。如果合理清理并使用表土，将有助于土壤种子库种子萌发成苗，从而加快原生植被的恢复，利于水土流失的防治。土壤种子库是指存在于土壤表面和土壤中全部存活种子的总和，具有特定生态系统的潜在植物种群，是种群定居、生存、繁衍和扩散的基础，对群落演替和植被恢复具有重要作用[11-12]。然而，在生产建设项目方面，土壤种子库的研究主要集中于矿区[11-13]，而对风电场区的土壤种子库研究甚少。鉴于此，本文拟以坝上风电场建设过程中的表土为研究对象，选择满井风电场的施工生产生活区、弃土弃渣区及5个风机的吊装平台，利用分层清理的表土覆盖各试验区，研究自然恢复条件下利用表土中的土壤种子库进行植被恢复的效果，从而揭示表土分层不同处理措施对植被恢复的影响，以期为生产建设项目中分层清理的表土进一步资源化利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于河北坝上张家口市的张北县单晶河乡中节能满井风电场，海拔高度为1 200 m以上，地貌类型属于内蒙古高原南缘坝缘山地低山丘陵区，上覆薄层残坡积物和风成沉积物。项目区属半干旱大陆季风性气候，年平均气温约0.8 ℃，最冷月(1月)平均气温-18.6 ℃，最热月(7月)平均气温17.6 ℃，极端最高气温32.8 ℃，最低气温-37.4 ℃，≥10 ℃积温1 513 ℃，太阳总辐射量543.4 kJ/cm2，无霜期约75 d左右。年降水量350 mm，降雨季节分布格局很不均匀，降水年变率大，降水主要集中在7，8，9这3个月内，占全年降水量的79%左右。蒸发量是降水量的4倍，干旱状况十分严重。全年盛行西风、西北风，年平均风速4.3 m/s，最大瞬时风速34 m/s，年平均大风日数49 d，且与干旱季节同步。

1.2 研究方法

1.2.1 试验设计与调查

(1) 表层土覆盖土壤种子库萌发状况的测定。施工前，对施工生产生活区、弃土弃渣区区进行表土利用人工分别按0—10和10—30 cm分层清理、分层堆放，用密目防尘网或土工布覆盖防止水土流失。等施工生产生活区拆除后和弃土弃渣区封闭后，先在2个试验区覆盖10—30 cm层的土壤，最后再将0—10 cm的表土覆盖在最上面，镇压后浇水。

待有种子萌发时，在2个试验区域随机布设1 m×1 m的小样方30个，调查样方内的种子萌发数量，并鉴定其种类，分别统计其科、属特性、生活型等特征，探讨表土土壤种子库及其萌发状况。

(2) 表土覆盖与客土覆盖植被恢复效果的测定。在风电场33个风机位内随机选取5个相邻风机位做定位试验监测点，5个风机位土壤的处理方式分别为清表并分层处理、土地平整、购买客土，植被恢复方式主要为利用土壤种子库自然恢复植被和人工种植恢复植被方式，5种组合方式分别用风机号来表示(表1)。以上试验从2010年5月5开始，至2011年8月结束。在试验期内，所有的试验风机全部做封禁处理，避免任何人畜干扰，在春季最干旱的时候人工浇水1次。各风机位土壤处理与植被恢复方式见表1。自然恢复指利用土壤种子库的恢复，人工种植植物种则选择条播披碱草+苜蓿，播幅20 cm。

表1 5个风机位表土处理与植被恢复方式

在5个风机位平台试验区内，随机设置30个面积1 m×1 m的草本样方，按生态学方法调查样方内的种类、数量、高度、盖度等内容，计算其Shannon-Winner多样性指数、Simpson多样性指数和Pielou均匀度指数。

1.2.2 数据处理与分析 生物多样性指数采用以下公式计算：

Shannon-Wiener多样性指数(H)

H=∑PilgPi

(1)

Simpson多样性指数(D)

(2)

Pielou均匀度指数(Jsw)

Jsw=(-∑PilgPi)/lgS

(3)

式中：Pi——第i个物种的相对密度；S——物种数目。

数据采用SPSS 17.0软件分析，采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和Duncan’s新复极差法比较不同数据组间差异，图形采用Excel软件制作。

2 结果与分析

2.1 两个试验区种子库萌发状况

分层覆盖清理的表土经镇压、浇水后，土壤种子库中的植物萌发、成苗。调查结果显示，2个试验区的植物中均为草本植物，未出现木本植物。

施工生产生活区共计有16种植物，分别属于9科，其中藜科3种，其数量占全部幼苗总数的42.25%；菊科2种，占全部幼苗总数的27.09%；禾本科3种，占全部幼苗总数的15.38%；其余包括罂粟科1种，十字花科2种，蔷薇科2种，蓼科1种，豆科1种、伞形科1种。弃土弃渣区共计有植物17种，分属9个科，其中，藜科3种，占全部幼苗总数的45.08%；禾本科3种，占全部幼苗总数的15.16%；菊科3种，占全部幼苗总数27.85%；其余包括茜草科1种，十字花科1种，蔷薇科2种，蓼科1种，伞形科1种和豆科2种。植物发芽情况见表2。

表2 表土清理分层处理植物发芽情况

注：AH一年生草本植物；PH多年生草本植物。

对2个表土覆盖区的植物种的生活型进行分析，结果表明：施工生产生活区1年生植物的数量占总数的62.08%，其中藜科占了42.25%；数量最多的4种1年生植物为藜、独行菜、狗尾草和猪毛菜。弃土弃渣区1年生植物的数量占总数的60.88%，其中藜科占了45.08%，数量最多的4种植物为藜、狗尾草、独行菜和猪毛菜。多年生植物在施工生产生活区和弃土弃渣区所占的比例分别为37.92%和39.12%，其中均以菊科的苣荬菜占的比例最大，其次为迷果芹、针茅、冰草。野外测定结果表明，2个区域的表土集中覆盖自然植被恢复后，施工生活生产区的覆盖度可达到55%，平均高度达到24.8 cm；弃土弃渣区的覆盖度可达到45%，平均高度达到21.2 cm。

由此可见，通过分层堆放和回覆表土，可使表土中有活力的土壤种子萌发并生长，且2个试验区种子库的植物种类、数量及其幼苗所占比例相近。按种子库密度换算，施工生产生活区与弃土渣场区的土壤种子库密度平均为30.77，25.67株/m2。恢复植物种既有1年生植物也有多年生植物，不仅可有效覆盖地表，而且1年生植物种子成熟后又可落于地表形成新的种子库，多年生植物也可继续存续，从而保障了2个区域的植被恢复。

上述试验说明，土壤中的种子库较为丰富，只要进行适当的人为干扰，如分层清理、分层覆盖，在覆土后镇压、浇水，并严禁人畜的破坏，土壤中的种子均能正常发芽，并形成一定数量和覆盖度的植物群落，从而使受损的植物群落达到恢复的效果。因此，在实践中如果来不及进行人工植树种草措施的建设，一定要在施工过程中，注意分层清理表土和分层堆放，在完工后进行分层集中覆盖，以此达到利用自然力恢复地面植被的目的。

2.2 风机试验区植被恢复效果

由表3可知，5个风机试验区在不同的恢复方式下，经过第1 a的治理与第2 a的抚育管理，植被恢复效果有较大的差异。对于表土分层堆放分层回覆+自然恢复方式(96#)，即使利用土壤种子库自然恢复植被的方式，该方式下第1 a植被盖度为50%，第2 a提高至65%；植株的平均高度由54 cm降低为34.8 cm，植物种类由13种增大为14种，Simpson指数由0.885 2增大为0.903 4，Shannon指数由2.352 6增大为2.475 1，均匀度指数由0.810 3增大为0.859 1。这表明生物多样性增大，物种数更走向于均匀分布。从群落组成来看，第2 a一年生植物数量有所减少，禾本科植物的数量逐渐增加，群落中糙隐子草、羊草、克氏针茅等数量明显增大，这也使得整个群落的高度有所下降。

表3 风机试验区植被恢复效果及治理费用

对于土地平整+自然恢复组合(98#)来说，因土地平整，表土未得到分层回覆而使得土壤相互掺混在一起，土壤种子库内的种子可能因覆土太厚而不能获得萌发机会，因而无论物种数还是各多样性指数均较分层覆土自然恢复处理明显下降，而且群落盖度低，第1，2 a群落盖度分别为25%和35%，平均高度为35和40 cm，植物种仅6～7种，且仍以1年生植物为主。当采取土地平整+人工种植的方式时(82#)，因人工种植增加了土壤的扰动与翻耕，加之种植了苜蓿和披碱草2种草本植物，使得物种多样性等各项指标均超过土地平整与自然恢复组合。这说明在同等的处理方式下，人工种植可以加快植被恢复的速度，增加物种的多样性和地表覆盖度。从群落组成上看，人工种植直接增加了群落的多年生草本比例，使得群落演替进程加快。

对于客土+自然恢复(81#)而言，其群落组成物种数更少，仅有5种植物，说明购买的客土中土壤种子库较为缺乏，加之客土时的土壤整治，萌发种子数也少，因而植物多样性指数还是盖度较低，物种组成上主要也是以1年生的藜、猪毛菜、狗尾草等为主。而客土+人工种植的组合(79#)，由于人工植物种的种植，群落组成物种数由5种增加为8种，由于种植密度加大，植被盖度明显大于其他各个处理，使得地表的有效覆盖增加；而且植物多样性指数均较购买客土自然恢复有所增大。

对比5种不同组合方式的植被恢复效果发现，5种不同组合方式间存在显著差异，且第1,2 a效果基本相同。以植被恢复的第2 a为例，群落盖度在各处理间表现为79#>96#>82#>81#>98#，且客土+人工种植方式、土地平整+自然恢复方式均与其他处理间差异显著；物种数表现为96#>(79#=82#)>98#>81#，且分层处理+自然恢复方式与其他处理间差异显著；Simpson指数和Shannon指数均表现为96#>79#>82#>81#>98#，对于Simpson指数，分层处理+自然恢复、客土+人工种植、土地整治+人工恢复与其他两种恢复方式有显著差异，Shannon指数则呈现出分层回覆+自然恢复处理与其他处理间差异显著，客土+人工恢复与土地整治+人工恢复处理与其他处理间差异显著；Pielou指数的大小顺序与群落盖度变化相同，且分层处理+自然恢复、客土+人工种植、土地整治+人工恢复与其他2种恢复方式有显著差异。综合来看，分层回覆+自然恢复效果最佳，其次是客土+人工恢复与土地平整+人工恢复，土地平整+自然恢复效果最差。

2.3 风机试验区植被恢复投入费用

由表3可知，第二年的抚育管理费用相同，即在春季最干旱时人工灌水1次，采用全面封禁管理；但5种植被恢复方式组合第一年的投入费用差异明显，投资由高到低的顺序为79#>81#>96#>82#>98#。而植被恢复效果由高到低表现为96#>79#>82#>81#>98#。结合费用与恢复效果来分析，以土地平整+人工恢复的方式费用较省，恢复效果较好。因而，在各风电场，可以根据具体施工条件，在经济条件允许的条件下，尽可能采用分层回覆+自然恢复的方式，至少应该采用土地平整+人工恢复方式；不建议采用客土+人工恢复方式，除非风电场区无表土可清理使用或清理的表土数量不足；而且为了加快风电场区的植被恢复进度与效果，不建议仅进行土地平整+自然恢复的方式，尽管其费用最少，但因植被恢复效果差而使水土流失控制效果减弱。

3 结 论

(1) 风电场项目的植被可以通过土壤中的种子库进行恢复，关键是要做好表土的分层清理、分层回覆工作，回填时应将0—10 cm的土层覆在最上面，并在覆土后浇水以保证植物种子顺利萌发，且时间控制在4月中下旬至8月中下旬之间为宜。

(2) 不同植被恢复组合方式间在群落盖度、植被平均高度、物种数、多样性指数间均存在显著差异，各处理组合方式的恢复效果大小顺序在各指标间排列不一致，综合来看，各处理间以分层回覆+自然恢复效果最好，土地平整+自然恢复效果最差。

(3) 不同植被恢复组合方式间的投入差异明显，由高到低表现为79#>81#>96#>82#>98#。各风电场在选用植被恢复方式时，建议根据施工条件、经济条件及植被恢复效果进行综合评价，以选择适宜的恢复方式。尽可能采用分层回覆+自然恢复的方式，至少应该采用土地平整+人工恢复方式；不建议直接进行土地平整+自然恢复的方式。

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