高寒地区水电开发植被恢复策略探讨

唐 达,张习传,陈 凡,曹学兴,孙 荣,张 宇,李金洁

(1.中国电建集团 贵阳勘测设计研究院有限公司,贵州 贵阳 550081;2.中电建生态环境设计研究有限公司,江苏 苏州 215100;3.华能澜沧江水电股份有限公司,云南 昆明 650214)

2020年,中国正式作出“将力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和”的“双碳”目标承诺。能源电力的绿色低碳发展是实现“双碳”目标的关键,水电作为传统的可再生能源,在新型电力系统中具有极其重要的作用。随着我国水电开发格局的形成以及开发进程的不断推进,我国水电工程开发逐渐向青藏高原推进。待开发水电资源主要集中在青藏高原边缘的澜沧江、金沙江、雅鲁藏布江、雅砻江、大渡河等流域,青藏高原东缘的西南诸河待开发规模高达1.3亿kW,青藏高原将是我国水电开发的重点区域。

青藏高原是我国重要的生态屏障和高寒生物种质资源宝库,在维护国家生态安全方面具有不可替代的特殊地位。同时青藏高原海拔高、空气稀薄、气候寒冷,生态系统结构稳定性较差,容易受到外界的干扰发生退化演替,且系统自我修复能力较弱,自然恢复时间较长,因此青藏高原又是典型的生态脆弱区域。在本区域开展水电工程建设造成地表扰动,植被一旦被破坏,恢复过程非常缓慢,且有系统逆向演替的风险[1]。因此,开展高寒区域植被恢复的研究是协调高原地区水电开发与生态环境均衡发展的迫切需求,是落实《青藏高原生态屏障区生态保护和修复重大工程建设规划(2021—2035年)》的重要支撑,是国家重大水电项目开发以及其他重大基础设施顺利实施的基础性和前瞻性工作,对于生态环境保护与修复具有重大意义。

1 研究区域概况

本研究以藏东南某水电站为例。该项目位于澜沧江西藏境内河段干流,枢纽布置格局为砾石土心墙坝+右岸溢洪洞+右岸泄洪洞+右岸放空洞+右岸引水系统地下厂房,施工占地主要包括枢纽工程、业主营地、施工营地、永久公路、施工工厂、综合加工厂、仓库、料场、弃渣场用地等。

本区域植被呈典型的垂直地带性分布,海拔从低到高分布的植被类型为干暖灌丛—高寒灌丛/高寒暗针叶林—高寒草甸等。枢纽工程、业主营地、施工营地、弃渣场等施工场地主要分布在海拔3 000 m以下河谷区域,植被类型以灰毛莸灌丛、白刺花灌丛、云南土沉香灌丛群落为主;土料场等施工场地主要分布在海拔3 400～4 000 m区域,主要植被类型是锦鸡儿灌丛、峨眉蔷薇灌丛、刺红珠灌丛、川滇高山栎灌丛等,其中在3 600～4 000 m阴坡区域分布有川西云杉、鳞皮冷杉、冷杉等暗针叶林;海拔4 000 m以上的接触土料场,植被类型是以少花荸荠、密生薹草群落为主的高寒草甸。

工程施工过程中对地表将产生扰动和开挖破坏,造成原有植被生态系统破坏,且施工扰动范围广、涉及不同的植被类型区域,因此为控制水土流失、改善生态环境,需提出不同区域有针对性的植被恢复策略。

2 植被恢复原则

在植被恢复中应遵循以下原则:

1)预防为主、保护优先的原则。在工程中应优化施工布置,尽可能少地扰动地表、破坏植被。

2)自然恢复为主、人工干预为辅的原则。遵循自然生态系统演替规律,充分发挥生态系统的自我修复能力,科学开展人工修复措施,避免对生态系统的过多干预。

3)因地制宜、适地适树的原则。植被恢复过程中应优先选用乡土植物种,按照植物的地带性分布规律,宜草则草、宜灌则灌、宜林则林。

4)注重土壤改良的原则。土壤是植物生长与生存的重要载体和物质基础,直接影响植物生长发育及群落的稳定性,施工扰动后较低的土壤肥力水平是制约植被恢复和可持续发展的主要因素之一。

3 各区域植被恢复策略

根据工程的施工布置及植物的垂直性地带分布情况,分为干暖河谷区、高寒灌丛区、高寒暗针叶林区和高寒草甸区,分别提出植被恢复策略。

3.1 干暖河谷区

本区主要分布在海拔3 000 m以下的河谷区域。区域气温高,降水少,蒸发量大,水分匮乏,特别在春季和初夏的植物生长季节水热矛盾尤为突出,土壤水分持续亏缺是影响植被恢复效果的主要因素之一。土壤为藏东南干暖河谷的代表性土壤——石灰性褐土,受干暖气候、深谷地带土壤侵蚀的影响,石灰性褐土在成土过程中钙沉积较强、土壤表层腐殖质积累作用较弱,因而有机质含量较低,一般在3%以内,同时供氮不足,普遍缺磷;加之雨季受强烈水土流失的影响,土壤砂粒含量在75%～85%,土壤粗骨性强、质地差,导致保水保肥效果差。针对本区域土壤水分亏缺、养分不足、质地较差的特点,植被恢复需从植物种选择、土壤改良、土壤保墒措施及必要的人为养护措施4方面进行实施。

1)植物种选择。结合区域干旱少雨的气候特点,植被恢复应选择耐旱、耐贫瘠、抗逆性强、水土保持能力强,同时具有固氮和改良土壤功能的植物种作为本区域建群种。白刺花群系等耐旱植物是本区域及藏东横断山区干暖河谷区最具代表性的群落类型,故在本区域可选用白刺花、锦鸡儿、黄栌、高山柳等乡土植物种作为主要的植被恢复材料。

2)土壤改良。表土位于土壤剖面的最上层,为植物营养生长和生殖生长提供了基本养分与元素,是土壤多样性和土壤种子库的重要载体,因此在本区域施工扰动前首先要剥离表土。同时根据《水电工程水土保持生态修复技术规范》(NB/T 10510—2021),表土资源数量和质量不满足水土保持生态修复要求时,优先利用施工区心土层进行改良。由于石灰性褐土普遍供氮不足,因此尤其要注意土壤改良过程中氮素的提升。张彦东等[2]认为氮是限制植被生态系统恢复的主要因素,在干旱河谷退化严重的草地生态系统进行植被恢复时,施加氮肥后禾本科草本植物密度显著增加。

3)土壤保墒措施。由于本区域土壤水分亏缺严重,因此在土壤改良、优选植物种的基础上,建议采取一定的保墒措施,以提高植被恢复成活率。研究表明,在岷江上游干旱河谷地区采用覆草和覆膜措施后可以显著提高旱季土壤含水率[3]。本区域可因地制宜选用覆盖秸秆、草皮等方式进行土壤保墒。

4)必要的人为养护措施。在植被恢复的初期要辅以必要的人为养护措施,尤其是人为水分调控,以提高植被恢复的成活率及生态系统的稳定性。水分调控结合自然降水、地表蒸发、土壤墒情和植物叶面缺水状况来确定灌溉时间和水量,考虑到本区域太阳能资源丰富,可探索应用光伏提水灌溉的模式,达到节能、节水、节约成本的效果。

3.2 高寒灌丛区

本区主要分布在海拔3 400～4 000 m,多位于阳坡。植被以耐寒的灌草植被为主,灌木以杜鹃、山柳、金露梅、川滇小檗等为主,灌丛高度一般不足1 m,林下草本以嵩草等杂草为主。土壤以亚高山灌丛草甸土为主,有机质和全氮丰富,全磷和全钾含量高。本区域植物生长的限制性因子为低温,同时紫外线辐射强烈,风蚀作用强。针对高寒灌丛区的立地条件,本研究优先通过移栽的方式构建耐寒的灌丛群落,林下进行人工草地构建,并配套保温越冬措施。

1)灌丛移栽。本区域植被恢复策略为构建耐寒的灌草植被群落。以灌丛为主要的建群种,优先利用原有灌丛植被资源,在施工扰动前将灌丛移栽至表土堆存场,过程中保证灌丛的根系完整;移栽后做好灌丛养护;施工结束后再移植回扰动区域,宜提前进行穴状整地,并在种植穴中铺设有机肥、菌肥等。

2)砾石覆盖。本区域气候寒冷,灌木移栽有不能越冬或越冬后成活率较低的风险,因此需要采取一定的调控措施,以改善土壤水热条件、帮助植被顺利越冬。在本区域模拟试验中,对砾石覆盖、植物覆盖和裸地3种下垫面的土壤水热情况的观测研究表明,砾石+植被覆盖是较为理想的改善土壤水热条件的措施,更有利于高寒区域的植物生长[4]。因此,在将原有灌丛移栽作为建群种后,要在地表覆盖砾石保温,以提高灌丛植被的越冬能力。

3)灌丛林下草地构建。为构建稳定的群落结构,考虑在林下构建耐寒的草本群落。本区域选取垂穗披碱草、老芒麦与紫花苜蓿等草本植物,以混播的方式进行人工草地构建。考虑到在青藏高原灌丛草原、高寒草原和高寒草甸中,AM(丛枝菌根)真菌普遍存在,可侵染禾本科、莎草科等植物建立共生关系,对提高高寒植物营养吸收能力和抗逆性具有重要作用,因此可在人工草地构建过程中进行AM真菌接种,以提高植物的耐受性。

3.3 高寒暗针叶林区

本区分布在海拔3 600～4 000 m区域,多位于阴坡,土壤主要为暗棕壤。暗棕壤是藏东和藏南高山针叶林下发育的具有明显有机质积累和弱酸性淋溶的土壤类型,有机质和全氮丰富,阳离子交换量高,是西藏境内速效磷普遍较高的土壤类型之一[5]。本区域主要建群种为川西云杉、鳞皮冷杉、冷杉等暗针叶林,木材质量优良,但由于分布在高海拔山地,生态环境脆弱,森林被破坏后的天然更新能力较弱,因此在本区应根据施工扰动程度实施不同的植被恢复策略。

对于施工影响不强、不会造成明显群落逆向演替的情况,要加强暗针叶林的管护与抚育,促进生态群落正向演替,同时选择容器苗进行补植补种。对于施工影响较强、会造成明显群落逆向演替的情况,可采用移栽的方式进行保护。移栽前应根据针叶林冠幅大小进行修剪,以疏枝为主,短截为辅;起苗时带土球,以提高移植成活率;在假植于表土堆存场和施工结束后移栽回扰动区域前应对场地进行穴状整地,并根据土壤肥力情况,考虑采用深翻熟化、客土改良、培土、掺黏土及施肥等措施进行土壤改良;在定植后对植物水肥、光热情况和病虫害进行调控。

3.4 高寒草甸区

本区域位于海拔4 000 m以上,植被群落以耐寒的多年生草本植物为优势种,植物种类组成较简单,主要由莎草科的嵩草属和薹草属的植物组成,呈低矮、密集丛生似地毡状的外貌,是西藏产草量和载畜能力最高的草地之一,也是极其珍贵的自然资源。本区域土壤为亚高山草甸土亚类,其有机质和全氮丰富,主要集中在草皮层和腐殖质层,速效磷普遍缺乏,大都在10 mg/kg以下。

受海拔高、气温低、多风和强烈的日照辐射的影响,高寒草甸的形成往往需要14～17 a,最长需30 a。由于草甸资源形成时间长,植被结构简单且自我恢复能力差,遭到人为扰动后恢复困难,因此考虑通过草皮层剥离、养护、回植,以及人工草地构建进行植被恢复。

1)草皮层剥离、养护与回植。在本区域施工扰动前应首先通过草皮层剥离、养护与回植的方式对草甸资源进行保护。剥离季节宜选取温暖、湿润、降雨较为丰富的6—8月,植物正处于生长期,有利于提高剥离草皮的成活率;为减少剥离过程中对植物根系的损伤,应连同根系土壤一同剥离;为了便于运输和存放,需将剥离的草皮进行分块,边长控制在30～50 cm。剥离后将草皮尽量堆存于背风空闲地,在堆存区域洒水,保持土壤湿润,保证草皮的需水量;为避免土壤及植被水分蒸发,采用遮阳网对剥离的草皮进行苫盖。施工结束后,先回填有机土层,然后将经过养护的草甸草皮进行回植,并保证回植平顺,使草皮根部与土壤无缝衔接,间隙用腐殖土填塞密实。

2)人工草地构建。由于草皮剥离、堆存过程中有一定损耗,且在回植后有草地退化和逆向演替的风险,因此为形成稳定、可持续的适生于高寒区域的生态系统,要按照近自然的理念,利用乡土物种模拟原始生态系统的物种组成、多样性和群落结构进行人工草地建植。首先筛选本区域耐寒乡土草种,包括垂穗披碱草、老芒麦、中华羊茅、草地早熟禾、星星草等植物种子,同时考虑到高寒地区草本植物种子出苗率低且有休眠性的特点,需要对种子进行催芽处理,以提高种子的活力水平;然后对种子进行丸粒化和包衣处理,提高种子的抗逆性;最后鉴于种子的发芽率与温度呈正相关关系,选择气温较高的6—8月进行播种。为保证田间出苗率,应加大播种量。

草地施肥对提高植物群落生产力具有正向效应,因此高寒草甸区域人工草地构建的另一关键问题在于土壤结构和土壤肥力的改善。在表土回填时对土壤进行翻耕可以改善土壤结构,选用当地牛粪等有机肥可改善土壤有机质含量;施加氮肥对提高种子活力和质量、提高草本植物生长速度、促进分蘖有显著效果,且本区域豆科植物较少,因此需要施加外源氮素;施加磷肥对于刺激根系生长、提高植物抗逆性尤其是抗旱性等有显著效果,与氮肥配施可促进群落的稳定性,因此可以选取尿素与磷酸二铵同时添加的方式进行土壤肥力改善。

4 结束语

植物群落是环境因子与植被相互作用和影响的结果,高寒地区植被恢复应充分考虑气候、海拔、土壤、植物特性等因素,合理选取植被恢复方式。同时,高寒区域植被恢复技术及其效果需要经历认识—实践—再认识—再实践的反复过程,建议强化植被恢复后长时间序列的监测评估工作,以提出有针对性的优化改进措施。