银西高铁宁夏段荒漠区生态防护对策研究

2022-07-18苗学云吴永峰米维军

宁夏大学学报（自然科学版） 2022年2期

苗学云, 刘涛, 吴永峰, 章洵, 米维军

(1.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃兰州 730000； 2.银西铁路有限公司，宁夏银川 750011)

宁夏位于我国西北地区东部，处于黄土高原、蒙古高原和青藏高原的交汇地带，西、北、东3面分别为腾格里沙漠、乌兰布和沙漠、毛乌素沙漠或沙地，具有典型的温带大陆性半干旱气候特征.按照气候、水文特征、生态特征，将宁夏划分为引黄灌区、中部干旱带、南部山区等[1].银西高铁自甜水堡进入宁夏，经惠安堡(太阳山)、吴忠、灵武至河东机场，转向西跨黄河进入银川站，穿越宁夏全长185.32 km.区段内自甜水堡以北至吴忠白土岗南为连续荒漠区.段落内生态类型单一，地形地貌复杂，缺水少雨，十年九旱,风大沙多,日照过足,蒸发强烈，在荒漠化导致的脆弱生态环境条件下，工程建设极易对植被产生破坏，且二次修复相当困难[2].针对近年来宁夏土地荒漠化日益加剧的特征，国内学者从气象资料、土壤养分特性以及生态修复等方面进行相关研究.在气象研究方面，主要基于大尺度、长时间段的气象资料数据分析，并通过数学计算模型，进行相关性分析.如基于遥感影像数据，分析宁夏植被指数与气候生产力的时空变化关系[3]；分析宁夏20个气象站的月均气温资料[4]，揭示宁夏冬季气温异常的成因；通过遥感技术进行系统分析[5]，详细阐述宁夏土地荒漠化的发生过程和原因，并针对荒漠化发生的驱动因子，对宁夏土地荒漠化治理提出合理的建议.针对宁夏荒漠区域的土壤养分研究，如通过经典统计学和地统计学相结合的方法[6]，并结合 GIS 技术，分析宁夏红寺堡孙家滩园区0～20 cm土层土壤中养分的空间变异特征；通过对土壤中细菌群落的分析[7]，提出土壤含水量和电导率是影响宁夏盐碱化地区细菌群落结构的主要因子.在荒漠区边坡恢复措施研究方面，如在半干旱黄土地区、不同地形条件下，以成熟柠条为研究对象[8]，研究柠条林地土壤中水分利用及平衡特征；通过对榆林风沙区立地条件乔灌木造林密度以及树木生长状况调查分析[9]，结合灰色关联分析法，对该地区乔木和灌木适宜性进行评价；通过对准噶尔盆地荒漠区梭梭灌木林的自我修复能力进行研究[10]，提出人工辅助治理与生态自我修复有机结合的方式.

目前，对荒漠区生态防护的研究，主要对区域内的气象资料和土壤养分状态进行定量和定性分析，并结合荒漠化区的特征，研究该区域绿植生长状态，提出乔灌木适应性评价方法.但对于线状工程，尤其是高铁工程荒漠区生态修复方面的研究不多.因此，提出适宜于高铁荒漠区的生态防护对策，可为荒漠区在建和拟建类似工程提供一定的参考.

1 银西高铁宁夏段土地荒漠化特征

1.1 近5 a降雨量(P)与蒸发量(E0)

由2015—2019年吴忠地区的气象数据(表1)可知，该区域的P=207～289 mm，年平均值为223.4 mm.同时，近5 a该区域的E0=1 101～1 351 mm，平均值为1 260.4 mm，E0是P的4.4～6.7倍，即干燥度r=4.4～6.7，年平均干燥度达5.7，呈干旱地区特征，这对高铁边坡绿植养护提出了苛刻的要求.

表1 吴忠市干燥度指数及对植物抗旱性要求

1.2 吴忠地区全年最大温差

宁夏吴忠地区位于我国内陆西北高原地区，受西伯利亚和乌拉尔山以及高压影响[7]，该区域内全年温差较大(图1).由图1可知，近5 a全年最大温差△T=28.7～32.9 ℃，其中,2016年达到△T极大值，近几年△T均在30 ℃左右.冬夏温度差异程度高，这对该区域内植被生长和生态修复影响较大.在高铁路基边坡生态修复过程中，需考虑能承受较大温差影响的植被.

图1 吴忠地区近5 a最大温差对比

1.3 吴忠地区风速极值

由于我国中高纬度地区的偏北气流较强，冷空气活动较强，在宁夏地区形成较强的负距平区[6]，造成宁夏冬季气温持续偏冷(图2).由图2可知，极大风速vmax=9.7～20.8 m/s，差值△v=11.1 m/s.其中,2015年6月达到近5 a 来△v最大值，vmax随时间t累计呈递减的趋势，最大值发生在6—7月，最小值在12月至次年1月.根据气象风速等级划分标准[11]，该区域为强风至大风等级，加之地处荒漠化区域，造成银西高铁沿线风沙化严重.

图2 吴忠地区近5 a最大风速变化

由上述分析可知，宁夏吴忠荒漠区近5 a气象呈现干旱化加剧、温差大、大风速的特征，造成路基边坡呈现干旱化、风沙化.在路基边坡绿植防护中，选择的植物应具备较强的抗旱、抗温差和抗风能力.

2 路基边坡土壤养分状态

为进一步研究荒漠区沿线路基边坡的土壤养分状态，在银西高铁线路DK489+455～DK489+505区段，设置6处监测点(图3)，分别测定土壤的含水率、pH值、碱解氮的质量含量、有效磷的质量含量及速效钾的质量含量.探测深度为边坡表层土壤以下20～30 cm，边坡结构见图4.

图3 实验段分布

图4 路基边坡结构

2.1 土壤含水率

路基边坡土壤温度Tt=3.0～6.0 ℃(图5)，环境温度Th=3.0～4.8 ℃，Tt较Th高0.6～1.0 ℃.路堤边坡含水率w随温度T呈波动变化(图6).由图6可知，在11月，随着外界气温和降雨量的降低，w也呈减小趋势.根据土壤墒情划分[12]，属于中旱—轻旱，该气象条件下对植被的耐旱能力要求较高.

图5 实验段温度变化(11月)

图6 实验段土壤中含水率变化(11月)

2.2 土壤养分

在实验段测试断面路基边坡土壤的酸碱度变化(图7).由图7可知，土壤的pH=9～9.33，平均值为9.21.受荒漠化环境因素的影响，该区段土壤pH值表现为碱性特征，在部分路基坡底处可见明显的“泛白”现象.该土壤状态下一般植被很难生长，边坡生态防护中种植的植物需具备一定的抗碱能力.

图7 实验段土壤pH值变化

图8为实验段路基边坡土壤中氮、磷、钾的质量含量曲线.由图8可知，碱解氮的质量含量ρ(N)和有效磷的质量含量ρ(P)明显低于速效钾的质量含量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.由全国第二次土壤普查养分分级标准可知[13]，土壤中的氮含量为五级(共六级，级数越高相对质量含量越低)，质量含量较低，而速效钾的质量含量为一级，含量较高，有效磷的质量含量为一至二级，含量较高.因此，该区域内K、P的质量含量高，有利于植被对K,P的吸收，而N的质量含量较低，不利于植物的生长.在边坡生态防护中，可考虑通过施氮肥改善土壤中的N含量，或选择生长过程中对N含量要求不高的植物.

图8 路基边坡的土壤养分

3 绿植生长状态

3.1 环境适应性

柠条、梭梭及紫穗槐为当地荒漠区生长的灌木植被，它们均具备耐寒、耐旱、耐风蚀、耐沙埋的特性，在形态方面也具有旱生结构，对恶劣环境条件具有适应性[14-15].3种植物的特征见表2.

表2 柠条、梭梭及紫穗槐的特征

实验选择上述3种植物作为路基边坡防护的绿植.由于灌木栽植30 d后基本能体现出植物的生长状态，实验选择栽植30 d后对这3种植物的生长状态和土壤肥力进行监测，以便优选出适宜于高铁路基边坡的生态防护绿植.

3.2 生长状态

柠条、梭梭及紫穗槐栽植30 d(2020-05-12—2020-06-12)后的生长状态见表3.由表3可知，柠条的成活率h、植物密度ρ及植物盖度c均较高，分别为62.90%、2.47棵/m2、5.93%，较梭梭的各指标高7.86%、0.3棵/m2、0.96%，与紫穗槐植相比，3项指标分别高22.27%、0.68棵/m2、2.01%.由此可见，生长状态特征指标由优到劣排序为柠条、梭梭、紫穗槐.

表3 实验段备选绿植栽植30 d后的生长状态

3.3 土壤肥力

为充分验证植被栽植后土壤养分的变化情况，对实验区3种乔灌木栽植30 d后的土壤进行取样，分析土壤中碱解氮的质量含量ρ(N)、有效磷的质量含量ρ(P)及速效钾的质量含量ρ(K)变化(图9).由图9可知，柠条土壤中的ρ(N)，ρ(K)均高于紫穗槐和梭梭土壤中的，且分别高23.12～24.64 mg/kg、23.44～37.68 mg/kg，3种植物土壤中ρ(P)基本接近.因此，柠条栽植后能有效提高路基边坡土壤中ρ(N),ρ(K)，柠条在环境适应性上优于其他2种乔灌木.