宁夏地区荒漠化特征及铁路沿线物种优选研究*

马新民,刘 涛,吴永峰,朱文博,赵永虎,苗学云

（1.银西铁路有限公司,宁夏 吴忠 751100；2.西安科技大学,陕西 西安 710054；3.中铁西北科学研究院有限公司,甘肃 兰州 730000；4.中铁科学研究院有限公司,四川 成都 611731）

土地荒漠化是人类面临的重大生存问题之一。随着铁路网基础设施建设的不断扩大,在荒漠化地区建设的铁路越来越多,因而对铁路设计施工与运营过程中的防沙治沙措施和理念也逐步增强。我国学者已针对青藏铁路、兰新铁路等沿线对防沙方面开展了相关研究。如谢胜波等[1]、张克存等[2]对青藏铁路格拉段的沙害特征及防治措施进行了系统总结。葛春庚等[3]、贺国栋[4]针对兰新铁路思甜至了墩段的风沙灾害提出了防沙模式和体系。张德保等采用CFD模拟仿真方法研究了铁路运营期的治沙对策[5]。韩立鹤对荒漠化区铁路工程为野生动物设置活动迁移通道方面提出了新的思路[6]。刘辉等总结了太中银铁路防沙治沙的原则,提出了相应的保护措施[7]。李英以额哈铁路额济纳至梧桐水段为例,分析了铁路建设对土地沙漠化的影响[8]。邓腾飞采用数值仿真方法对比研究了风沙流对无砟轨道和有砟轨道的影响[9]。阮波等研究了低温养护对水泥改良风积沙无侧限抗压强度的影响规律,对铁路路基基床的设计和施工提供了理论指导[10]。李生宇等系统总结了我国铁路和铁路交通在荒漠化地区的风沙危害防治模式[11]。荣文文提出了内蒙古大塔-何家塔铁路荒漠化地区的绿色环保防沙体系[12]。高越等针对铁路深路堑提出了一套植物防沙与工程防沙合二为一的综合治沙方法[13]。姚宏乐[14]在敦格铁路黑山嘴流动沙丘区建立了工程与生物相结合的风沙防治试验示范区。相对于防沙治沙工程措施,植物种植是优选的措施之一。柳平增等基于大数据分析,采用层次分析法、专家打分法等决策方法优选出适合于西藏地区荒漠化治理的植物物种[15]。苟小林等对生物沙障不同种植模式下对高寒沙地治理的效果开展了相关研究[16]。苗静等研究了宁夏盐池封育草地植被群落多样性与周边环境的适应性[17]。汪媛燕等对民勤绿洲荒漠过渡带的植物物种特征进行了相关研究[18]。由于不同地区荒漠化的分布特征及其成因有较大差异,因此,不同荒漠化地区治沙的植物物种必然有其适宜性和独特性。

鉴于此,本文以宁夏荒漠化地区为对象,对其荒漠化的类型及特征进行系统总结,结合宁夏地区气候特征,对适宜于该区域的治沙物种进行优选,以便为宁夏荒漠化地区高速铁路沿线植物防沙体系物种选择提供参考。

1 宁夏地区荒漠化类型及其分布特征

1.1 宁夏自治区荒漠化类型

据不完全统计,宁夏自治区荒漠化土地总面积约290万公顷,约占自治区国土总面积的60%左右[19]。图1为宁夏地区土地荒漠化的主要类型,从中可知,宁夏地区荒漠化类型主要表现为水蚀型、风蚀型和盐渍化型三种形式,其中水蚀型为148.97万公顷,约占51.4%,为宁夏地区荒漠化的最主要类型；风蚀型为134.60万公顷,约占46.4%,盐渍化型为6.33万公顷,约占2.2%。因此,宁夏地区荒漠化类型以水蚀型和风蚀型为主。

图1 宁夏地区土地荒漠化类型图（单位：万公顷）

1.2 宁夏自治区荒漠化分布特征

宁夏自治区内荒漠化分布具有典型的地域特征。风蚀型荒漠化集中分布在以石嘴山市区周边为代表的北部引黄灌区中北部,受内蒙古高原风沙的影响较大。水蚀型荒漠化集中分布在以中卫市区周边为代表的北部引黄灌区南部,主要受土壤水分及流域水的影响。盐渍化型荒漠化集中分布在以吴忠市区周边为代表的中部干旱带,与土壤自身营养条件有关。

宁夏自治区内主要行政区域的荒漠化面积汇总情况如表1所示,整体来看,荒漠化土地面积最大的为吴忠市,达130.03万公顷,其次为中卫市,其荒漠化土地面积达94.76万公顷[19]。

表1 宁夏荒漠化土地面积统计表

根据荒漠化的严重程度分级标准,宁夏地区荒漠化的分级情况如图2所示。可见,宁夏地区荒漠化程度以中度为主,约占138.38万公顷,占比47.7%；轻度荒漠化约占117.08万公顷,占比40.4%；而重度荒漠化约占27.58万公顷,占比9.5%；极重度荒漠化约占6.86万公顷,占比2.4%。

图2 宁夏地区土地荒漠化程度分级情况（单位：万公顷）

可见,宁夏地区中度及以上程度荒漠化面积占比约60%,因此,宁夏自治区的土地荒漠化现状十分严峻,其对社会经济发展的危害程度也是不言而喻的[19]。荒漠化使得宁夏地区整个生态环境持续恶化,水土流失问题得不到有效控制,引起沙尘暴的频繁发生,人类生存环境的质量明显下降。

2 宁夏地区气候特征

宁夏回族自治区区内按照气候、水文特征、生态特征等基本划分为北部引黄灌区、中部干旱带、南部山区等三个类别,如图3所示。其中北部引黄灌区以水蚀型荒漠化为主,中部干旱带以风蚀型荒漠化为主,南部山区以盐渍化型荒漠化为主。

图3 宁夏气候分区图

2.1 气温

宁夏自治区年均气温范围为5.3～9.9℃,中部高、南部低。宁夏气候属于典型的北方气候,夏季酷热、冬季寒冷,各地气温7月最高,平均为16.9～24.7℃,1月最低,平均为-9.3～-6.5℃,气温年较差大,达25.2～31.2℃。

2.2 降水

宁夏地区降雨量南北地区差异较大,北部银川平原年均降水量达200mm,中部盐池同心一带年均降水量达300mm,南部固原市年均降水量多达400mm,尤其在六盘山区可达650mm以上。夏季降水量占年均降水量的50%以上。

2.3 高铁所经区域气候基本特征

银西高铁自惠安堡站进入宁夏,经吴忠市区、灵武市区跨黄河到达银川,宁夏境内全长约185km。区段内自甜水堡以北至吴忠白土岗以南为连续荒漠区,主要以水蚀型和盐渍化型荒漠化为主。在荒漠化带来的脆弱生态环境条件下,工程建设极易对植被生长造成破坏,二次修复相当困难。

3 物种优选

3.1 物种选取原则

相关研究表明,在黄土和荒漠化地区影响植物生长的最重要因素依然为该地区的土壤条件,主要包括土壤结构、水分和养分、气候、地理环境等生态因素,他们受地形、土壤和小气候的影响,随地形、坡向、部位等而变化[20]。因此,不同生态环境条件下需要选择不同的植物是该区生态修复技术研究的关键。因此,宁夏地区高速铁路沿线植被护坡植物选型应该遵循的原则如下：

（1）适应本区的土壤、气候、水分等条件。在荒漠化地区,影响植物生长的最关键因素有土壤、气候、水分等,因此,优先选择与该地区土壤、气候、水分条件相适应的物种是植被恢复和护坡的基础和先决条件。

（2）较强的抗逆性和再生长能力。荒漠化地区的气候特征决定了所选物种须具有较强的抗寒旱性和抗贫瘠性,在具备再生条件下能够迅速扎根或恢复生机活力。

（3）根系发达且能够迅速生长繁茂、覆盖地表。为了有效防沙治沙,所选物种宜枝繁叶茂,较大程度上覆盖地表细沙,阻止砂砾流动,根系发达且能够蔓延生长。

（4）优选乡土物种。无论治沙防沙,都应以荒漠化地区相适应的植物种类或乡土植物作为首选,并与环境适宜协调,既能保护环境,又能突显景观效果。

（5）所选物种种子或苗木易得且成本合理,且最好越年生或多年生,能产生适量种子。

（6）具有好的观赏价值。

3.2 适宜的植物选型分析

植物适宜性选择的基本原理为相关生态学原理,主要包括两大步骤：第一,以物种抗性指标为基本因素,基于理性分析,选择得到荒漠化地区各种生态因子为限制因子的适宜物种；第二,结合地区现场荒漠化类型,综合各种因素得到适宜于某地区的物种。

现以灌木为例,对宁夏荒漠化地区高速铁路沿线优选物种的原理和流程进行论述。

（1）以土壤因子为限制因子的植物选择

土壤是植物生长的重要基础,是植物获取营养的最主要环境,其结构、肥力、化学成分、酸碱度等特性,对植物的生长都有很大程度的影响。土壤的理化性质和贫瘠程度主要取决于土壤中的养分含量。根据现场勘察和实验分析,宁夏地区土壤中养分贫瘠、土壤PH较高。因此,所选植物应具有良好（A）的抗贫瘠性,对于抗酸碱性则应达到一般（B）及以上。

以土壤为限制因子的植物选择,就是以土壤中的养分含量（主要为肥力、酸碱程度等）作为植物选择的控制标准,气候、光照等其他因素暂不考虑。以土壤因子为限制因子的适宜植物选择结果见表2。

表2 以土壤因子为限制因子的适宜植物

（2）以水分因子为限制因子的植物选择

相关研究表明,水分是影响植物生长最重要的因素,也是限制植被恢复的最大障碍。以水分因子作为限制因子的植物选择,就是以植物的抗旱性指标作为选择控制标准,不考虑除水分因素以外的其他环境因素。

研究区年均降水量少,土壤水分蒸发量大,对植物的抗旱性也要求高。因此,在植物选择上应尽量选择抗旱性较高的植物物种,可以充分保证植物的成活率及物种群落的整体稳定性。以水分因子为限制因子的适宜植物选择结果见表3。

表3 以水分因子为限制因子的适宜植物

（3）以气候因子为限制因子的植物选择

气候因子包含要素非常之多,为便于研究,在物种选择中主要考虑水分、温度、湿度、光、风等因子。以气候因子为限制因子的植物选择,就是以地区的温度和风力条件（植物的抗寒性、抗风性等）作为植物选择的控制标准,土壤理化性质等因素暂不考虑。以气候因子为限制因子的适宜植物选择结果见表4。

表4 以气候因子为限制因子的适宜植物

（4）综合选型结果及立地适宜分类

综合以上单独考虑的选型生态因子（土壤、水分、气候等）为限制因子时的植物选择结果,再结合按现场调查实际已有的植物选择结果,以求交集的方法分析得出适宜于某地区的灌木种类,具体结果见表5。

表5 适宜于该区的灌木植物

3.3 优选物种结果

根据以上灌木优选物种的原理和流程,对宁夏荒漠化地区最终的优选物种结果见表6。需要说明的是,草本为辅助型的建植植物,需要根据现场实际选择的物种类型而配合选择和种植。

表6 适宜于宁夏荒漠化区的优选物种

4 结束语

本文基于宁夏地区荒漠化类型及其特征分析,结合当地气候特征,提出了高速铁路沿线护坡植物选型应该遵循的原则,并对适宜于该区域的治沙物种选择的原理及流程进行了论述,最终得到适宜于宁夏荒漠化地区高速铁路沿线植物防沙体系物种,主要结论如下。

（1）宁夏地区荒漠化类型以水蚀型和风蚀型为主,约占荒漠化总面积的98%,发育程度以轻度和中度为主,但恶化趋势明显,危害也非常严重。

（2）宁夏地区北部引黄灌区以水蚀型荒漠化为主,中部干旱带以风蚀型荒漠化为主,南部山区以盐渍化型荒漠化为主。

（3）物种优选主要原则为适应本区的土壤气候条件、耐贫瘠、耐粗放管理、以乡土植物为主,引进外来植物为辅。

（4）高速铁路沿线治沙物种应考虑气候特征、土壤养分含量、含水率等因素综合选型。