银西铁路半干旱区路堤绿植生长状态研究

唐占峰, 苗学云, 米维军, 周有禄

(1.中国铁路兰州局集团有限公司工程管理所, 兰州 730000; 2.中铁西北科学研究院有限公司, 兰州 730000; 3.青海省冻土与环境工程重点实验室, 青海 格尔木 816000)

银西高速铁路是国家“八纵八横”高速铁路网的重要组成部分,线路途径陕西、甘肃、宁夏三省份,总长度约为620 km[1],其中宁夏段为185.32 km,建设影响面积约为5 559.6hm2,大部分位于植被脆弱的半干旱区,施工中无可避免地对场地范围内原有植被造成破坏,使得脆弱生态系统受到扰动,植物在该条件下很难自然修复,促使水土流失、植被破坏、荒漠化呈辐射状发展,增加区域生态安全负担,甚至影响和威胁到铁路基础工程的质量与稳定[2-6]。

常规路堤边坡绿化工程,建植方式较为单一,采用边坡撒种,前期人工灌溉,后期靠降雨的方式,通常在春季3月初至3月中旬进行建植,然而宁夏半干旱区受当地外界干旱气候的影响,采用常规措施植物成活率、盖密度及株高等关键指标均较低,导致了植物生长状态欠佳的现象,无法起到防风固沙和边坡景观绿化的作用,因此有必要结合当地特殊的自然环境和植物生长周期的关系,优化建植方式和建植期成为边坡绿化工程顺利实施的关键。

近年来,针对荒漠化区生态防护相关研究,许多学者做了大量研究工作,宋凤鸣等[7]进行了边坡客土喷播绿化试验,研究群落物种的多样性指标,评价了适应性和护坡效果;刘任涛等[8]研究了荒漠固沙区地表草本植被季节变化特征及其和柠条林龄的关系;朱兆华等[9]提出假俭草为先锋植物的乔灌草藤花相搭配的多元结构模式;刘晋[10]针对荒漠区生态系统的修复与重建的问题,提出了封禁、雪播或飞播梭梭种子等一系列人工辅助措施;骆汉等[11]采用无纺布、遮阳网或草帘子进行绿化喷播施工,并对三种覆盖物在公路边坡的水土保持效果进行了研究;薛春晓等[12]采用边坡穴植植物装置,在寒区露天煤场生态修复工程中取得良好效果。

以上研究成果在荒漠区及特殊地区护坡措施方面取得了一定研究成果,但未充分考虑季节性气象的影响因素,未提出针对半干旱地区尤其是高速铁路路堤绿化的措施建议。因此,在分析区域工程特性、气象资料及土壤养分的基础上,在银西高铁宁夏段开展了不同建植期对比试验,提出了适宜于高速铁路半干旱区路堤绿化建植方式、优化建植期以及植物适用范围,为高速铁路边坡绿化工程提供技术保障。

1 区域自然环境特征

1.1 工程概况

研究区域位于盐池县西南部,距盐池县城 87 km,南与甘肃省环县甜水堡镇相界,西与太阳山开发区相连,东与大水坑镇为邻,北与冯记沟乡接壤。地处东经106°0′～107°47′,北纬 37°04′～38°10′,平均海拔 1 512.3 m。以盐池县南北地势为分界线,地势东南高西北低,南部为黄土高原丘陵区,北部鄂尔缓坡丘陵区,多为沙丘、碱滩地。

银西高铁沿线分布有大量的缓坡丘陵与风沙地,缓坡丘陵的高度在10～20 m,坡度一般为2～10°。风沙地除分布较多流动沙丘,还有许多半固定沙丘和浮沙,其中浮沙和固定沙丘面积较大,沙丘高度一般为1～4 m。覆盖在梁地和缓坡丘陵的沙丘,水源缺乏,洼地平滩上的沙丘有较丰富的地下水(图1)。因地势宽阔、气候干旱,每年冬春季节出现8～9级大风,沙尘暴较多[13-14]。

图1 银西高铁宁夏段沿线地形地貌

1.2 气候特征

如表1所示,该区域内季节性降雨量与蒸发量差异性较大,夏、秋两季降雨多,春、冬两季少,降水相对较为集中,其中春季降雨占全年降雨量的17.94%,夏季降雨量占全年的42.59%,是一年中降雨最多的季节,秋季降雨多于春季,约占全年降雨量的36.55%,冬季最少,大部分地区降雨量低于3%;全年各季蒸发量明显大于降水量,水分散失严重,其干燥度达到3.26～14.19,其中春季蒸发量约占全年蒸发量的31.27%,干燥度达到了9,夏季虽蒸发量最大,但降雨量也为全年最多,干燥度为4.23,远小于春季,冬季干燥度达到最大,同时宁夏位于黄土高原和内蒙古高原过渡带[15],受季风影响,春季风速全年最大,为14.98 m/s。分析可知,宁夏吴忠半干旱区春季干旱少雨、风沙较大、环境较为恶劣,对植物建植极为不利。

营养杯内营养土为熟土,在植入绿植的前2～3 d 将杯内营养土采用1∶1 500比例的硫酸亚铁和水的配比药液进行杀菌处理。

表1 宁夏吴忠区季节性气象数据

1.3 土壤特征

该区域内的土壤主要有黄土、黑垆土、灰钙土、风沙土、盐渍土等,土壤的平均有机质含量为0.87%,水解氮、速效磷、速效钾平均含量分别为48.35 mg/kg、3.50 mg/kg、185.51 mg/kg,平均酸碱度pH值为8.67[16](表2)。

表2 银西高铁宁夏段荒漠区土壤养分含量

柠条、紫穗槐、四翅滨藜是宁夏半干旱区当地生长的耐旱植物,对干旱环境具有较强的适应性,结合3期试验段的建设,在分析不同建植期植物生长状态的基础上,进一步分析这3种绿植的优化适用范围,选择指标为2020年10月的成活率、株高、植物盖度。

通过对宁夏半干旱地区土壤条件的分析,其沿线土壤条件贫瘠、盐碱化程度高,这是导致该区域植物成活率低的主要原因之一。

基于以上技术难题,应考虑结合当地环境气候特征,选择适宜的建植期,辅助于科学合理的建植技术,为路堤绿化措施效果提供保障。

2 半干旱区建植方法

2.1 育苗措施

2.1.1 路堑边坡形式

根据宁夏荒漠区区域环境特征与高速铁路路堑边坡的植物建植条件,采用边坡穴孔营养杯建植措施。

试验段路堑边坡高度为6.5 m,边坡设M7.5浆砌片石带排水槽骨架护坡,坡脚设置浆砌片石护脚骨和护墙,基床表层坡度为4%,基床两侧采用混凝土框架护坡,在每个混凝土框架单元内栽植绿植,采用骨架内打穴栽植营养杯建植方式,建植密度为5～6穴/m2,边坡构造图如图2所示。

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图2 路堑边坡植物防护横断面

2.1.2 穴孔开挖

由于边坡土壤为换填的粗颗粒种植土,不宜成孔。因此,根据实际情况采用手持式平铲对边坡进行了开孔。开孔直径为6.0～15.0 cm,深度为 15.0～20.0 cm,密度为5～6穴/m2。穴孔孔壁与坡面的夹角接近45°～60°为宜,以防止穴孔坍塌且利于提高孔内蓄水能力和坡面的稳定。

4.1.3 不同建植期植物盖度

通过对植物密度监测数据分析可知,不同建植期植物的密度也呈规律性的差异(图5),建植期在5月达到最佳,4月其次,3月最差。3月建植的绿植密度值为1.13～1.28株/m2,较为稀疏,不能起到很好的固沙、防护及绿化作用;4月建植期的绿植密度为1.58～1.77株/m2,相对于3月得到了改善;5月建植的绿植,相对于其他两期的绿植,达到了最佳的植物密度,为3.12～3.25株/m2,是3月建植期的2.54～2.78倍,是4月建植期的1.84～1.97倍,可见选择在5月建植期栽植,植物的密度表现为较佳状态,其水土保持和固沙的作用相对较强。

3月20日开始第一次追肥，示范田实际亩用肥量25kg；对照田实际亩用肥量25kg。4月22日观测情况，示范田和对照田树势相差无几，但挂果率明显高于对照田，示范田花期基本结束，对照田还在花期。5月10日第二次追肥观测，示范田挂果率高于对照田，且果子饱满，果粒更大。6月20日第三次追肥观测情况，示范田挂果多于对照田，果个稍大，着色均匀好于对照田。7月16日收获测产观测，使用云天化“滴灌二铵”和“大量元素水溶肥”的示范田与对照田比较，根系发达，叶片肥厚，挂果多，果形好，着色均匀。

该区域土壤的养分很低,且干旱少雨缺水,营养杯兼做苗木生长期的养分储备与水分供给作用,除与穴孔直径、深度相互匹配外,尽可能地提供足够植物营养养分与水分。营养杯选择上口直径为17 cm,下底直径为12 cm,高度为17 cm的标准杯。该营养杯的底部与侧部分别设置有3个小孔和4个小孔,小孔直径为1 cm。

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2.2 建植措施

2.2.1 种植土换填

受工程施工影响,原始坡面不具备植物生长落地生根条件,对试验段区坡面土壤进行种植土换填,换填深度不低于0.8 m,换填土PH小于8.3,全盐量小于2 g/kg,有机质含量大于1%,换填土内不得含石块和建筑垃圾等杂物。

2.2.2 土壤追肥

由于土壤N、P含量为V级,含量较低,栽植前对土壤进行追肥,采用氮磷钾复合肥,以补充土壤中的养分,每穴为7～10 g复合肥,施肥深度为30～40 cm,保障植物根部对养分的充分吸收。

温控面板的接线触点接口通常仅对应一个风机盘管，与风机盘管的数量保持一一对应。在实际操作过程中，为保持装饰面的美观性、操作的便利性以及节省造价成本，可以通过在温控面板旁设置继电器箱，部分产品已直接做成多路输出模块的类型，使一个温控面板同时控制4～6个风机盘管，甚至更多，温控面板按照此设计原则，结合风机盘管的分布情况进行设置。

2.2.3 三水浇灌

多对一指多个民用要素对应一个军用要素，例如民用标准中的“地面干渠”“地面支渠”，对应军用标准中的“沟渠”，多对一要素分布统计图见图3。多对一的映射关系可以理解为民用标准表达比军用标准更细致。

浇第一遍水进行打埂,防止漏水、跑水,采用灌水自然沉降,坡面沉降时应减少和缓冲水压,防止水流过急,造成土体下滑,充分提高灌水利用率。

灌水沉降后1d后,将营养杯内育苗成功后的苗木放置在边坡穴孔内,回填土并挤压密实,栽植完成后在2～4h内浇第二遍水,为定根水,使土壤充分吸收水分,有利土壤与根系的紧密结合。

第三遍水为补充水,当土壤体积含水率小于10%时,应及时浇补充水,由于当地气候干燥,水分散失较快的特点,应持续观察土壤含水率的情况,及时补充水分,浇水前的土壤体积含水率不能低于5%,直至降雨期衔接和苗木生出新根和新芽后方可停止浇水。

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在以上措施基础上,对绿植进行必要的养护,检查苗木是否有倒歪现象,应及时采取扶正、填土、夯实等措施,并做好巡查、管理和记录等工作。

3 建植试验方法设计

试验段选取银西高铁DK489+423～DK489+450段,划分为3期试验区,分别为3月建植试验区、4月建植试验区及5月建植试验区,每个试验区由3列混凝土护坡框架组成,每列上、中、下坡栽植相同的植物,依次分别栽植柠条、紫穗槐及四翅滨藜,试验段设计如图3所示。

图3 试验段布设示意图

株间距离为10～15 cm,埋深为15～20 cm,应用营养杯方式建植,栽植后进行三水浇灌,此后每 7 d 浇灌一次补充水,共浇水4～5次,人工护苗期约为30 d。建植后对植物的成活率、密度、盖度及株高等指标进行监测,监测周期约为30d/次,监测期为2020年4月至10月。

4 试验结果分析

4.1 不同建植期生长指标分析

4.2.1 不同植物成活率对比

如图4所示,不同建植期栽植绿植的成活率表现了明显的差异性,在3月建植的绿植,成活率最低,受季节性干旱条件的影响,在2020年10月,成活率仅为29.49%。4月建植相较于3月,植物成活率得到了明显的提高,但受制于4～5月干旱的气候条件,10月植物的成活率维持在67.73%,而在5月建植的绿植,前期受干旱的时间明显缩短,5～6月当地降雨量逐渐增多,整体上改善了土壤的水分条件,成活率呈增加的趋势发展,至10月成活率提高为90.49%,取得了较好的效果。

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图4 不同建植期植物成活率曲线

4.1.2 不同建植期植物密度

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图5 不同建植期植物密度曲线

2.1.3 营养杯的配制

图6为不同建植期植物盖度曲线,植被盖度是指植物群落总体或各个个体的地上部份垂直投影面积与样方面积的百分比。该指标能反映植物生长发育的状态。从整体看,各建植期绿植随着时间的推移,有逐渐增大的趋势,这与植物成长周期息息相关,但不同建植期的最终植物盖度指标大小具有明显差异。至2020年10月,5月建植期的植物盖度最大,达到了32.74%,4月建植期的植物盖度为16.98%,3月建植期为10.70%。可见,5月建植期的绿植表现出最佳的生长状态,呈现较好的绿化效果。

图6 不同建植期植物盖度曲线

由图4～图6可知,不同建植期植物生长的状态具有明显的差异性,护苗期与降雨期相差1个月左右,植物的生长状态表现更好,宁夏吴忠半干旱地区3～4月降雨量较少,蒸发量较大,按照常规的春节3～4月建植,受干旱气候影响,反而不利于植物的生长发育,若采用人工长期养护,则养护期长达2～3个月,劳务成本和实施成本均相应增加。建植期选择春夏交替的5月,由于降雨量逐渐增多,使得土壤含水率增加,植物根系在土壤中可充分发育,绿植的成活率、植物密度及植物盖度均得到明显改善,若选择6月,由于植物生长期周期进一步缩短,也不利于植物后期发挥生长潜势,可见春夏交替的5月是该区域内关键的建植期。在此基础上,应结合人工方式进行缓苗和护苗措施,保证土壤中的水分和土壤养分,是提高植物成活率和生长态势的关键。

4.2 三种耐旱植物对比分析

总体上土壤呈碱性,有机质含量缺乏,水解氮、速效磷与速效钾分别处于Ⅳ～Ⅴ级、Ⅴ级、Ⅱ～Ⅲ级。

4.1.1 不同建植期植物成活率

在不同建植期不同植物的成活率具有差异性,如图7所示,5月建植期3种植物的成活率均较高,达到了76.32～92.80%,3种植物对环境均具有一定的适应性,其中紫穗槐在成活率方面优于柠条和四翅滨藜,分别高出10.35%和16.48%,其次为柠条,最差为紫穗槐。

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图7 3种植物的成活率对比

4.2.2 不同植物株高对比

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图8为不同建植期3种植物的株高柱状图,选择株高大于30 cm的枝株数量为对比参数。可见5月建植期的株高较3月和4月建植期的高,其中柠条株高大于30 cm的枝株数量多余其他2种,达到56株,而同期四翅滨藜为41株,紫穗槐仅为32株,柠条该项指标是四翅滨藜和紫穗槐的1.37倍和1.75倍。

图8 3种不同植物株高对比

4.2.3 不同植物盖度分析

建植期3种植物的植物盖度进行了对比(图9),5月建植期的植物各项指标对比3月和4月均有提高,其中四翅滨藜的植物盖度值最大,枝叶空间延展性优于其他2种植物,盖度值为40.70%,比紫穗槐和柠条分别大3.28%和13.59%,紫穗槐盖度值较大,比柠条高10.31%。总体来看,四翅滨藜绿化景观效果最佳,其次为紫穗槐,柠条较差。

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图9 3种不同植物盖度对比

柠条、紫穗槐及四翅滨藜3种植物均能适应宁夏半干旱地区的气象和土壤条件,但各自在成活率、盖度及株高等指标上略有差异性,如表3所示。

表3 植物生长指标综合优选

柠条生长成熟期株高具有优势,其枝干韧性较强,具有更强的抗风固沙的能力,在边坡易受风沙侵蚀的地区,建议采用柠条进行建植;紫穗槐成活率较高,更适宜于在高温、干旱缺水程度高的区域内建植,其适应性相对更强;四翅滨藜其枝叶相对更为茂盛,覆盖面积大,绿化效果更佳,对边坡绿化要求较高的区段,如车站、隧道口、桥梁桥墩等地边坡,建议采用紫穗槐。

5 结论

依托银西高铁宁夏段半干旱区域路堤边坡绿化工程,在分析区域工程特性、气象资料、土壤养分的基础上,开展了3期建植对比试验,并对当地3种耐旱绿植的生长状态进行了综合对比分析,得出了以下结论。

1)通过分析银西高铁宁夏段半干旱化地区气象数据,该区域内春季蒸发量是降雨量的9倍,气候干燥、风沙较大,且距降雨期时间间隔较长,人工养护苗成本较高。因此,春季3月不利于边坡建植。

2)结合宁夏半干旱地区气象特点和土壤条件,提出了采用“穴孔营养杯+三水”浇灌建植方式,能保障幼苗初期生长发育,取得了良好效果。

3)通过3期建植期的植物生长状态对比试验,春夏交替季的5月建植期的植物成活率、植物密度及植物盖度3项指标均优于其余2期,且养护成本相对较低。因此, 5月为银西高铁宁夏半干旱地区的最佳建植期。

4)通过柠条、紫穗槐及四翅滨藜3项指标的对比分析,柠条株高优于其他两种,具有更强的抗风沙能力;紫穗槐成活率较高,更适宜于高温干旱区域;四翅滨藜盖度较高,其绿化景观效果更佳。