不同表土處理對壩上風(fēng)電場植被恢復(fù)的影響

賈志軍, 李 娟, 甄寶艷, 王 富

(1.河北省水利技術(shù)試驗推廣中心， 河北 石家莊 050061; 2.河北環(huán)京工程咨詢有限公司， 河北 石家莊 050011)

由于傳統(tǒng)的發(fā)電方式不僅面臨不可替代資源短缺的威脅，而且難以使區(qū)域資源—環(huán)境—經(jīng)濟(jì)—生態(tài)和諧發(fā)展，促使眾多國家都積極發(fā)展新型能源[1-2]。風(fēng)能作為一種無污染可再生的清潔能源越來越受到國家的重視而得以迅猛發(fā)展[1,3-4]。但在風(fēng)電場的建設(shè)過程中，由于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)開挖、安裝場地平整、施工道路施工、臨時堆土等施工活動，必然導(dǎo)致植被和地表嚴(yán)重破壞，地表裸露，水土流失加劇[1,5]。壩上地區(qū)屬內(nèi)蒙古風(fēng)源區(qū)，風(fēng)能資源十分豐富[6]，但壩上地區(qū)屬于典型的農(nóng)牧交錯帶生態(tài)脆弱區(qū)，區(qū)內(nèi)風(fēng)蝕與水蝕并存，為典型的風(fēng)蝕水蝕混合侵蝕區(qū)[7]。風(fēng)電場的建設(shè)既有點狀工程又有線性工程，對地表造成了強(qiáng)烈的擾動，大部分把原有的植被和土壤破壞殆盡，使地面形成再塑的、幾乎沒有種源的土壤生土層[1]。在風(fēng)電場現(xiàn)有水土流失防治措施中，植被恢復(fù)均以覆土植樹、種草為主[8-10]，而對于表土剝離的使用，董智等[1]的研究認(rèn)為，表土中的種子庫可以作為一種資源進(jìn)行利用，從而加快其植被恢復(fù)。但因?qū)Ρ硗燎謇?、堆放、回覆要求較嚴(yán)格，使表土回覆自然恢復(fù)未能作為一種資源或植物措施推廣使用。事實上，表土中含有大量的原生植被種子，形成較為豐富的土壤種子庫。如果合理清理并使用表土，將有助于土壤種子庫種子萌發(fā)成苗，從而加快原生植被的恢復(fù)，利于水土流失的防治。土壤種子庫是指存在于土壤表面和土壤中全部存活種子的總和，具有特定生態(tài)系統(tǒng)的潛在植物種群，是種群定居、生存、繁衍和擴(kuò)散的基礎(chǔ)，對群落演替和植被恢復(fù)具有重要作用[11-12]。然而，在生產(chǎn)建設(shè)項目方面，土壤種子庫的研究主要集中于礦區(qū)[11-13]，而對風(fēng)電場區(qū)的土壤種子庫研究甚少。鑒于此，本文擬以壩上風(fēng)電場建設(shè)過程中的表土為研究對象，選擇滿井風(fēng)電場的施工生產(chǎn)生活區(qū)、棄土棄渣區(qū)及5個風(fēng)機(jī)的吊裝平臺，利用分層清理的表土覆蓋各試驗區(qū)，研究自然恢復(fù)條件下利用表土中的土壤種子庫進(jìn)行植被恢復(fù)的效果，從而揭示表土分層不同處理措施對植被恢復(fù)的影響，以期為生產(chǎn)建設(shè)項目中分層清理的表土進(jìn)一步資源化利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北壩上張家口市的張北縣單晶河鄉(xiāng)中節(jié)能滿井風(fēng)電場，海拔高度為1 200 m以上，地貌類型屬于內(nèi)蒙古高原南緣壩緣山地低山丘陵區(qū)，上覆薄層殘坡積物和風(fēng)成沉積物。項目區(qū)屬半干旱大陸季風(fēng)性氣候，年平均氣溫約0.8 ℃，最冷月(1月)平均氣溫-18.6 ℃，最熱月(7月)平均氣溫17.6 ℃，極端最高氣溫32.8 ℃，最低氣溫-37.4 ℃，≥10 ℃積溫1 513 ℃，太陽總輻射量543.4 kJ/cm2，無霜期約75 d左右。年降水量350 mm，降雨季節(jié)分布格局很不均勻，降水年變率大，降水主要集中在7，8，9這3個月內(nèi)，占全年降水量的79%左右。蒸發(fā)量是降水量的4倍，干旱狀況十分嚴(yán)重。全年盛行西風(fēng)、西北風(fēng)，年平均風(fēng)速4.3 m/s，最大瞬時風(fēng)速34 m/s，年平均大風(fēng)日數(shù)49 d，且與干旱季節(jié)同步。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設(shè)計與調(diào)查

(1) 表層土覆蓋土壤種子庫萌發(fā)狀況的測定。施工前，對施工生產(chǎn)生活區(qū)、棄土棄渣區(qū)區(qū)進(jìn)行表土利用人工分別按0—10和10—30 cm分層清理、分層堆放，用密目防塵網(wǎng)或土工布覆蓋防止水土流失。等施工生產(chǎn)生活區(qū)拆除后和棄土棄渣區(qū)封閉后，先在2個試驗區(qū)覆蓋10—30 cm層的土壤，最后再將0—10 cm的表土覆蓋在最上面，鎮(zhèn)壓后澆水。

待有種子萌發(fā)時，在2個試驗區(qū)域隨機(jī)布設(shè)1 m×1 m的小樣方30個，調(diào)查樣方內(nèi)的種子萌發(fā)數(shù)量，并鑒定其種類，分別統(tǒng)計其科、屬特性、生活型等特征，探討表土土壤種子庫及其萌發(fā)狀況。

(2) 表土覆蓋與客土覆蓋植被恢復(fù)效果的測定。在風(fēng)電場33個風(fēng)機(jī)位內(nèi)隨機(jī)選取5個相鄰風(fēng)機(jī)位做定位試驗監(jiān)測點，5個風(fēng)機(jī)位土壤的處理方式分別為清表并分層處理、土地平整、購買客土，植被恢復(fù)方式主要為利用土壤種子庫自然恢復(fù)植被和人工種植恢復(fù)植被方式，5種組合方式分別用風(fēng)機(jī)號來表示(表1)。以上試驗從2010年5月5開始，至2011年8月結(jié)束。在試驗期內(nèi)，所有的試驗風(fēng)機(jī)全部做封禁處理，避免任何人畜干擾，在春季最干旱的時候人工澆水1次。各風(fēng)機(jī)位土壤處理與植被恢復(fù)方式見表1。自然恢復(fù)指利用土壤種子庫的恢復(fù)，人工種植植物種則選擇條播披堿草+苜蓿，播幅20 cm。

表1 5個風(fēng)機(jī)位表土處理與植被恢復(fù)方式

在5個風(fēng)機(jī)位平臺試驗區(qū)內(nèi)，隨機(jī)設(shè)置30個面積1 m×1 m的草本樣方，按生態(tài)學(xué)方法調(diào)查樣方內(nèi)的種類、數(shù)量、高度、蓋度等內(nèi)容，計算其Shannon-Winner多樣性指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理與分析 生物多樣性指數(shù)采用以下公式計算：

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)

H=∑PilgPi

(1)

Simpson多樣性指數(shù)(D)

(2)

Pielou均勻度指數(shù)(Jsw)

Jsw=(-∑PilgPi)/lgS

(3)

式中：Pi——第i個物種的相對密度；S——物種數(shù)目。

數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0軟件分析，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和Duncan’s新復(fù)極差法比較不同數(shù)據(jù)組間差異，圖形采用Excel軟件制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩個試驗區(qū)種子庫萌發(fā)狀況

分層覆蓋清理的表土經(jīng)鎮(zhèn)壓、澆水后，土壤種子庫中的植物萌發(fā)、成苗。調(diào)查結(jié)果顯示，2個試驗區(qū)的植物中均為草本植物，未出現(xiàn)木本植物。

施工生產(chǎn)生活區(qū)共計有16種植物，分別屬于9科，其中藜科3種，其數(shù)量占全部幼苗總數(shù)的42.25%；菊科2種，占全部幼苗總數(shù)的27.09%；禾本科3種，占全部幼苗總數(shù)的15.38%；其余包括罌粟科1種，十字花科2種，薔薇科2種，蓼科1種，豆科1種、傘形科1種。棄土棄渣區(qū)共計有植物17種，分屬9個科，其中，藜科3種，占全部幼苗總數(shù)的45.08%；禾本科3種，占全部幼苗總數(shù)的15.16%；菊科3種，占全部幼苗總數(shù)27.85%；其余包括茜草科1種，十字花科1種，薔薇科2種，蓼科1種，傘形科1種和豆科2種。植物發(fā)芽情況見表2。

表2 表土清理分層處理植物發(fā)芽情況

注：AH一年生草本植物；PH多年生草本植物。

對2個表土覆蓋區(qū)的植物種的生活型進(jìn)行分析，結(jié)果表明：施工生產(chǎn)生活區(qū)1年生植物的數(shù)量占總數(shù)的62.08%，其中藜科占了42.25%；數(shù)量最多的4種1年生植物為藜、獨行菜、狗尾草和豬毛菜。棄土棄渣區(qū)1年生植物的數(shù)量占總數(shù)的60.88%，其中藜科占了45.08%，數(shù)量最多的4種植物為藜、狗尾草、獨行菜和豬毛菜。多年生植物在施工生產(chǎn)生活區(qū)和棄土棄渣區(qū)所占的比例分別為37.92%和39.12%，其中均以菊科的苣荬菜占的比例最大，其次為迷果芹、針茅、冰草。野外測定結(jié)果表明，2個區(qū)域的表土集中覆蓋自然植被恢復(fù)后，施工生活生產(chǎn)區(qū)的覆蓋度可達(dá)到55%，平均高度達(dá)到24.8 cm；棄土棄渣區(qū)的覆蓋度可達(dá)到45%，平均高度達(dá)到21.2 cm。

由此可見，通過分層堆放和回覆表土，可使表土中有活力的土壤種子萌發(fā)并生長，且2個試驗區(qū)種子庫的植物種類、數(shù)量及其幼苗所占比例相近。按種子庫密度換算，施工生產(chǎn)生活區(qū)與棄土渣場區(qū)的土壤種子庫密度平均為30.77，25.67株/m2。恢復(fù)植物種既有1年生植物也有多年生植物，不僅可有效覆蓋地表，而且1年生植物種子成熟后又可落于地表形成新的種子庫，多年生植物也可繼續(xù)存續(xù)，從而保障了2個區(qū)域的植被恢復(fù)。

上述試驗說明，土壤中的種子庫較為豐富，只要進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜藶楦蓴_，如分層清理、分層覆蓋，在覆土后鎮(zhèn)壓、澆水，并嚴(yán)禁人畜的破壞，土壤中的種子均能正常發(fā)芽，并形成一定數(shù)量和覆蓋度的植物群落，從而使受損的植物群落達(dá)到恢復(fù)的效果。因此，在實踐中如果來不及進(jìn)行人工植樹種草措施的建設(shè)，一定要在施工過程中，注意分層清理表土和分層堆放，在完工后進(jìn)行分層集中覆蓋，以此達(dá)到利用自然力恢復(fù)地面植被的目的。

2.2 風(fēng)機(jī)試驗區(qū)植被恢復(fù)效果

由表3可知，5個風(fēng)機(jī)試驗區(qū)在不同的恢復(fù)方式下，經(jīng)過第1 a的治理與第2 a的撫育管理，植被恢復(fù)效果有較大的差異。對于表土分層堆放分層回覆+自然恢復(fù)方式(96#)，即使利用土壤種子庫自然恢復(fù)植被的方式，該方式下第1 a植被蓋度為50%，第2 a提高至65%；植株的平均高度由54 cm降低為34.8 cm，植物種類由13種增大為14種，Simpson指數(shù)由0.885 2增大為0.903 4，Shannon指數(shù)由2.352 6增大為2.475 1，均勻度指數(shù)由0.810 3增大為0.859 1。這表明生物多樣性增大，物種數(shù)更走向于均勻分布。從群落組成來看，第2 a一年生植物數(shù)量有所減少，禾本科植物的數(shù)量逐漸增加，群落中糙隱子草、羊草、克氏針茅等數(shù)量明顯增大，這也使得整個群落的高度有所下降。

表3 風(fēng)機(jī)試驗區(qū)植被恢復(fù)效果及治理費用

對于土地平整+自然恢復(fù)組合(98#)來說，因土地平整，表土未得到分層回覆而使得土壤相互摻混在一起，土壤種子庫內(nèi)的種子可能因覆土太厚而不能獲得萌發(fā)機(jī)會，因而無論物種數(shù)還是各多樣性指數(shù)均較分層覆土自然恢復(fù)處理明顯下降，而且群落蓋度低，第1，2 a群落蓋度分別為25%和35%，平均高度為35和40 cm，植物種僅6～7種，且仍以1年生植物為主。當(dāng)采取土地平整+人工種植的方式時(82#)，因人工種植增加了土壤的擾動與翻耕，加之種植了苜蓿和披堿草2種草本植物，使得物種多樣性等各項指標(biāo)均超過土地平整與自然恢復(fù)組合。這說明在同等的處理方式下，人工種植可以加快植被恢復(fù)的速度，增加物種的多樣性和地表覆蓋度。從群落組成上看，人工種植直接增加了群落的多年生草本比例，使得群落演替進(jìn)程加快。

對于客土+自然恢復(fù)(81#)而言，其群落組成物種數(shù)更少，僅有5種植物，說明購買的客土中土壤種子庫較為缺乏，加之客土?xí)r的土壤整治，萌發(fā)種子數(shù)也少，因而植物多樣性指數(shù)還是蓋度較低，物種組成上主要也是以1年生的藜、豬毛菜、狗尾草等為主。而客土+人工種植的組合(79#)，由于人工植物種的種植，群落組成物種數(shù)由5種增加為8種，由于種植密度加大，植被蓋度明顯大于其他各個處理，使得地表的有效覆蓋增加；而且植物多樣性指數(shù)均較購買客土自然恢復(fù)有所增大。

對比5種不同組合方式的植被恢復(fù)效果發(fā)現(xiàn)，5種不同組合方式間存在顯著差異，且第1,2 a效果基本相同。以植被恢復(fù)的第2 a為例，群落蓋度在各處理間表現(xiàn)為79#>96#>82#>81#>98#，且客土+人工種植方式、土地平整+自然恢復(fù)方式均與其他處理間差異顯著；物種數(shù)表現(xiàn)為96#>(79#=82#)>98#>81#，且分層處理+自然恢復(fù)方式與其他處理間差異顯著；Simpson指數(shù)和Shannon指數(shù)均表現(xiàn)為96#>79#>82#>81#>98#，對于Simpson指數(shù)，分層處理+自然恢復(fù)、客土+人工種植、土地整治+人工恢復(fù)與其他兩種恢復(fù)方式有顯著差異，Shannon指數(shù)則呈現(xiàn)出分層回覆+自然恢復(fù)處理與其他處理間差異顯著，客土+人工恢復(fù)與土地整治+人工恢復(fù)處理與其他處理間差異顯著；Pielou指數(shù)的大小順序與群落蓋度變化相同，且分層處理+自然恢復(fù)、客土+人工種植、土地整治+人工恢復(fù)與其他2種恢復(fù)方式有顯著差異。綜合來看，分層回覆+自然恢復(fù)效果最佳，其次是客土+人工恢復(fù)與土地平整+人工恢復(fù)，土地平整+自然恢復(fù)效果最差。

2.3 風(fēng)機(jī)試驗區(qū)植被恢復(fù)投入費用

由表3可知，第二年的撫育管理費用相同，即在春季最干旱時人工灌水1次，采用全面封禁管理；但5種植被恢復(fù)方式組合第一年的投入費用差異明顯，投資由高到低的順序為79#>81#>96#>82#>98#。而植被恢復(fù)效果由高到低表現(xiàn)為96#>79#>82#>81#>98#。結(jié)合費用與恢復(fù)效果來分析，以土地平整+人工恢復(fù)的方式費用較省，恢復(fù)效果較好。因而，在各風(fēng)電場，可以根據(jù)具體施工條件，在經(jīng)濟(jì)條件允許的條件下，盡可能采用分層回覆+自然恢復(fù)的方式，至少應(yīng)該采用土地平整+人工恢復(fù)方式；不建議采用客土+人工恢復(fù)方式，除非風(fēng)電場區(qū)無表土可清理使用或清理的表土數(shù)量不足；而且為了加快風(fēng)電場區(qū)的植被恢復(fù)進(jìn)度與效果，不建議僅進(jìn)行土地平整+自然恢復(fù)的方式，盡管其費用最少，但因植被恢復(fù)效果差而使水土流失控制效果減弱。

3 結(jié) 論

(1) 風(fēng)電場項目的植被可以通過土壤中的種子庫進(jìn)行恢復(fù)，關(guān)鍵是要做好表土的分層清理、分層回覆工作，回填時應(yīng)將0—10 cm的土層覆在最上面，并在覆土后澆水以保證植物種子順利萌發(fā)，且時間控制在4月中下旬至8月中下旬之間為宜。

(2) 不同植被恢復(fù)組合方式間在群落蓋度、植被平均高度、物種數(shù)、多樣性指數(shù)間均存在顯著差異，各處理組合方式的恢復(fù)效果大小順序在各指標(biāo)間排列不一致，綜合來看，各處理間以分層回覆+自然恢復(fù)效果最好，土地平整+自然恢復(fù)效果最差。

(3) 不同植被恢復(fù)組合方式間的投入差異明顯，由高到低表現(xiàn)為79#>81#>96#>82#>98#。各風(fēng)電場在選用植被恢復(fù)方式時，建議根據(jù)施工條件、經(jīng)濟(jì)條件及植被恢復(fù)效果進(jìn)行綜合評價，以選擇適宜的恢復(fù)方式。盡可能采用分層回覆+自然恢復(fù)的方式，至少應(yīng)該采用土地平整+人工恢復(fù)方式；不建議直接進(jìn)行土地平整+自然恢復(fù)的方式。

[1] 董智,賈志軍,李紅麗,等.河北省壩上風(fēng)電場建設(shè)區(qū)水土流失特點與植被恢復(fù)途徑[J].中國水土保持科學(xué),2009,7(5):82-86.

[2] 楊丹青,張峰,武文一.風(fēng)電場工程項目水土保持措施配置研究[J].水土保持通報,2008,28(4):116-120.

[3] 孫璐.風(fēng)電場工程的水土保持防治對策[J].山西水土保持科技,2014(1):43-44.

[4] 陳俊松,文毅.山地風(fēng)電場水土流失特點及防治對策[J].亞熱帶水土保持,2016,28(4):51-53.

[5] 史彥林,賈洪紀(jì),張利,等.黑龍江山區(qū)風(fēng)電場工程水土流失特點及防治措施[J].中國水土保持,2010(9):21-23.

[6] 米勇.壩上地區(qū)風(fēng)電場工程水土流失特點及防治措施[J].水土保持應(yīng)用技術(shù),2012(5):16-17.

[7] 海春興.河北壩上土地利用與土壤風(fēng)蝕的動力學(xué)過程研究[D].北京:北京師范大學(xué),2003.

[8] 奚同行,林圣玉,張華明,等.環(huán)鄱陽湖區(qū)風(fēng)電場工程水土流失特征及防治措施體系[J].中國水土保持,2012(6):63-65.

[9] 彭艷平,楊磊.淺談新疆風(fēng)電場水土保持措施配置:以新疆華電小草湖風(fēng)電場二場一期工程為例[J].新疆環(huán)境保護(hù),2009(2):30-33.

[10] 孟憲華.風(fēng)電場工程水土流失規(guī)律及其防治技術(shù)研究[D].北京:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院,2010.

[11] 劉文勝,齊丹卉,蘇煥珍,等.蘭坪鉛鋅礦區(qū)植被恢復(fù)初期土壤種子庫的季節(jié)動態(tài)[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2016,36(9):1-6,11.

[12] Anderson T M, Schütz M, Risch A C. Seed germination cues and the importance of the soil seed bank across an environmental gradient in the Serengeti[J]. Oikos, 2012,121:306-312.

[13] 常青,張大維,李雪,等.中國礦區(qū)土壤種子庫研究的必要性與挑戰(zhàn)[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2011,22(5):1343-1350.