高寒地區水電開發植被恢復策略探討

唐 達,張習傳,陳 凡,曹學興,孫 榮,張 宇,李金潔

(1.中國電建集團 貴陽勘測設計研究院有限公司,貴州 貴陽 550081;2.中電建生態環境設計研究有限公司,江蘇 蘇州 215100;3.華能瀾滄江水電股份有限公司,云南 昆明 650214)

2020年,中國正式作出“將力爭2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和”的“雙碳”目標承諾。能源電力的綠色低碳發展是實現“雙碳”目標的關鍵,水電作為傳統的可再生能源,在新型電力系統中具有極其重要的作用。隨著我國水電開發格局的形成以及開發進程的不斷推進,我國水電工程開發逐漸向青藏高原推進。待開發水電資源主要集中在青藏高原邊緣的瀾滄江、金沙江、雅魯藏布江、雅礱江、大渡河等流域,青藏高原東緣的西南諸河待開發規模高達1.3億kW,青藏高原將是我國水電開發的重點區域。

青藏高原是我國重要的生態屏障和高寒生物種質資源寶庫,在維護國家生態安全方面具有不可替代的特殊地位。同時青藏高原海拔高、空氣稀薄、氣候寒冷,生態系統結構穩定性較差,容易受到外界的干擾發生退化演替,且系統自我修復能力較弱,自然恢復時間較長,因此青藏高原又是典型的生態脆弱區域。在本區域開展水電工程建設造成地表擾動,植被一旦被破壞,恢復過程非常緩慢,且有系統逆向演替的風險[1]。因此,開展高寒區域植被恢復的研究是協調高原地區水電開發與生態環境均衡發展的迫切需求,是落實《青藏高原生態屏障區生態保護和修復重大工程建設規劃(2021—2035年)》的重要支撐,是國家重大水電項目開發以及其他重大基礎設施順利實施的基礎性和前瞻性工作,對于生態環境保護與修復具有重大意義。

1 研究區域概況

本研究以藏東南某水電站為例。該項目位于瀾滄江西藏境內河段干流,樞紐布置格局為礫石土心墻壩+右岸溢洪洞+右岸泄洪洞+右岸放空洞+右岸引水系統地下廠房,施工占地主要包括樞紐工程、業主營地、施工營地、永久公路、施工工廠、綜合加工廠、倉庫、料場、棄渣場用地等。

本區域植被呈典型的垂直地帶性分布,海拔從低到高分布的植被類型為干暖灌叢—高寒灌叢/高寒暗針葉林—高寒草甸等。樞紐工程、業主營地、施工營地、棄渣場等施工場地主要分布在海拔3 000 m以下河谷區域,植被類型以灰毛蕕灌叢、白刺花灌叢、云南土沉香灌叢群落為主;土料場等施工場地主要分布在海拔3 400～4 000 m區域,主要植被類型是錦雞兒灌叢、峨眉薔薇灌叢、刺紅珠灌叢、川滇高山櫟灌叢等,其中在3 600～4 000 m陰坡區域分布有川西云杉、鱗皮冷杉、冷杉等暗針葉林;海拔4 000 m以上的接觸土料場,植被類型是以少花荸薺、密生薹草群落為主的高寒草甸。

工程施工過程中對地表將產生擾動和開挖破壞,造成原有植被生態系統破壞,且施工擾動范圍廣、涉及不同的植被類型區域,因此為控制水土流失、改善生態環境,需提出不同區域有針對性的植被恢復策略。

2 植被恢復原則

在植被恢復中應遵循以下原則:

1)預防為主、保護優先的原則。在工程中應優化施工布置,盡可能少地擾動地表、破壞植被。

2)自然恢復為主、人工干預為輔的原則。遵循自然生態系統演替規律,充分發揮生態系統的自我修復能力,科學開展人工修復措施,避免對生態系統的過多干預。

3)因地制宜、適地適樹的原則。植被恢復過程中應優先選用鄉土植物種,按照植物的地帶性分布規律,宜草則草、宜灌則灌、宜林則林。

4)注重土壤改良的原則。土壤是植物生長與生存的重要載體和物質基礎,直接影響植物生長發育及群落的穩定性,施工擾動后較低的土壤肥力水平是制約植被恢復和可持續發展的主要因素之一。

3 各區域植被恢復策略

根據工程的施工布置及植物的垂直性地帶分布情況,分為干暖河谷區、高寒灌叢區、高寒暗針葉林區和高寒草甸區,分別提出植被恢復策略。

3.1 干暖河谷區

本區主要分布在海拔3 000 m以下的河谷區域。區域氣溫高,降水少,蒸發量大,水分匱乏,特別在春季和初夏的植物生長季節水熱矛盾尤為突出,土壤水分持續虧缺是影響植被恢復效果的主要因素之一。土壤為藏東南干暖河谷的代表性土壤——石灰性褐土,受干暖氣候、深谷地帶土壤侵蝕的影響,石灰性褐土在成土過程中鈣沉積較強、土壤表層腐殖質積累作用較弱,因而有機質含量較低,一般在3%以內,同時供氮不足,普遍缺磷;加之雨季受強烈水土流失的影響,土壤砂粒含量在75%～85%,土壤粗骨性強、質地差,導致保水保肥效果差。針對本區域土壤水分虧缺、養分不足、質地較差的特點,植被恢復需從植物種選擇、土壤改良、土壤保墑措施及必要的人為養護措施4方面進行實施。

1)植物種選擇。結合區域干旱少雨的氣候特點,植被恢復應選擇耐旱、耐貧瘠、抗逆性強、水土保持能力強,同時具有固氮和改良土壤功能的植物種作為本區域建群種。白刺花群系等耐旱植物是本區域及藏東橫斷山區干暖河谷區最具代表性的群落類型,故在本區域可選用白刺花、錦雞兒、黃櫨、高山柳等鄉土植物種作為主要的植被恢復材料。

2)土壤改良。表土位于土壤剖面的最上層,為植物營養生長和生殖生長提供了基本養分與元素,是土壤多樣性和土壤種子庫的重要載體,因此在本區域施工擾動前首先要剝離表土。同時根據《水電工程水土保持生態修復技術規范》(NB/T 10510—2021),表土資源數量和質量不滿足水土保持生態修復要求時,優先利用施工區心土層進行改良。由于石灰性褐土普遍供氮不足,因此尤其要注意土壤改良過程中氮素的提升。張彥東等[2]認為氮是限制植被生態系統恢復的主要因素,在干旱河谷退化嚴重的草地生態系統進行植被恢復時,施加氮肥后禾本科草本植物密度顯著增加。

3)土壤保墑措施。由于本區域土壤水分虧缺嚴重,因此在土壤改良、優選植物種的基礎上,建議采取一定的保墑措施,以提高植被恢復成活率。研究表明,在岷江上游干旱河谷地區采用覆草和覆膜措施后可以顯著提高旱季土壤含水率[3]。本區域可因地制宜選用覆蓋秸稈、草皮等方式進行土壤保墑。

4)必要的人為養護措施。在植被恢復的初期要輔以必要的人為養護措施,尤其是人為水分調控,以提高植被恢復的成活率及生態系統的穩定性。水分調控結合自然降水、地表蒸發、土壤墑情和植物葉面缺水狀況來確定灌溉時間和水量,考慮到本區域太陽能資源豐富,可探索應用光伏提水灌溉的模式,達到節能、節水、節約成本的效果。

3.2 高寒灌叢區

本區主要分布在海拔3 400～4 000 m,多位于陽坡。植被以耐寒的灌草植被為主,灌木以杜鵑、山柳、金露梅、川滇小檗等為主,灌叢高度一般不足1 m,林下草本以嵩草等雜草為主。土壤以亞高山灌叢草甸土為主,有機質和全氮豐富,全磷和全鉀含量高。本區域植物生長的限制性因子為低溫,同時紫外線輻射強烈,風蝕作用強。針對高寒灌叢區的立地條件,本研究優先通過移栽的方式構建耐寒的灌叢群落,林下進行人工草地構建,并配套保溫越冬措施。

1)灌叢移栽。本區域植被恢復策略為構建耐寒的灌草植被群落。以灌叢為主要的建群種,優先利用原有灌叢植被資源,在施工擾動前將灌叢移栽至表土堆存場,過程中保證灌叢的根系完整;移栽后做好灌叢養護;施工結束后再移植回擾動區域,宜提前進行穴狀整地,并在種植穴中鋪設有機肥、菌肥等。

2)礫石覆蓋。本區域氣候寒冷,灌木移栽有不能越冬或越冬后成活率較低的風險,因此需要采取一定的調控措施,以改善土壤水熱條件、幫助植被順利越冬。在本區域模擬試驗中,對礫石覆蓋、植物覆蓋和裸地3種下墊面的土壤水熱情況的觀測研究表明,礫石+植被覆蓋是較為理想的改善土壤水熱條件的措施,更有利于高寒區域的植物生長[4]。因此,在將原有灌叢移栽作為建群種后,要在地表覆蓋礫石保溫,以提高灌叢植被的越冬能力。

3)灌叢林下草地構建。為構建穩定的群落結構,考慮在林下構建耐寒的草本群落。本區域選取垂穗披堿草、老芒麥與紫花苜蓿等草本植物,以混播的方式進行人工草地構建?？紤]到在青藏高原灌叢草原、高寒草原和高寒草甸中,AM(叢枝菌根)真菌普遍存在,可侵染禾本科、莎草科等植物建立共生關系,對提高高寒植物營養吸收能力和抗逆性具有重要作用,因此可在人工草地構建過程中進行AM真菌接種,以提高植物的耐受性。

3.3 高寒暗針葉林區

本區分布在海拔3 600～4 000 m區域,多位于陰坡,土壤主要為暗棕壤。暗棕壤是藏東和藏南高山針葉林下發育的具有明顯有機質積累和弱酸性淋溶的土壤類型,有機質和全氮豐富,陽離子交換量高,是西藏境內速效磷普遍較高的土壤類型之一[5]。本區域主要建群種為川西云杉、鱗皮冷杉、冷杉等暗針葉林,木材質量優良,但由于分布在高海拔山地,生態環境脆弱,森林被破壞后的天然更新能力較弱,因此在本區應根據施工擾動程度實施不同的植被恢復策略。

對于施工影響不強、不會造成明顯群落逆向演替的情況,要加強暗針葉林的管護與撫育,促進生態群落正向演替,同時選擇容器苗進行補植補種。對于施工影響較強、會造成明顯群落逆向演替的情況,可采用移栽的方式進行保護。移栽前應根據針葉林冠幅大小進行修剪,以疏枝為主,短截為輔;起苗時帶土球,以提高移植成活率;在假植于表土堆存場和施工結束后移栽回擾動區域前應對場地進行穴狀整地,并根據土壤肥力情況,考慮采用深翻熟化、客土改良、培土、摻黏土及施肥等措施進行土壤改良;在定植后對植物水肥、光熱情況和病蟲害進行調控。

3.4 高寒草甸區

本區域位于海拔4 000 m以上,植被群落以耐寒的多年生草本植物為優勢種,植物種類組成較簡單,主要由莎草科的嵩草屬和薹草屬的植物組成,呈低矮、密集叢生似地氈狀的外貌,是西藏產草量和載畜能力最高的草地之一,也是極其珍貴的自然資源。本區域土壤為亞高山草甸土亞類,其有機質和全氮豐富,主要集中在草皮層和腐殖質層,速效磷普遍缺乏,大都在10 mg/kg以下。

受海拔高、氣溫低、多風和強烈的日照輻射的影響,高寒草甸的形成往往需要14～17 a,最長需30 a。由于草甸資源形成時間長,植被結構簡單且自我恢復能力差,遭到人為擾動后恢復困難,因此考慮通過草皮層剝離、養護、回植,以及人工草地構建進行植被恢復。

1)草皮層剝離、養護與回植。在本區域施工擾動前應首先通過草皮層剝離、養護與回植的方式對草甸資源進行保護。剝離季節宜選取溫暖、濕潤、降雨較為豐富的6—8月,植物正處于生長期,有利于提高剝離草皮的成活率;為減少剝離過程中對植物根系的損傷,應連同根系土壤一同剝離;為了便于運輸和存放,需將剝離的草皮進行分塊,邊長控制在30～50 cm。剝離后將草皮盡量堆存于背風空閑地,在堆存區域灑水,保持土壤濕潤,保證草皮的需水量;為避免土壤及植被水分蒸發,采用遮陽網對剝離的草皮進行苫蓋。施工結束后,先回填有機土層,然后將經過養護的草甸草皮進行回植,并保證回植平順,使草皮根部與土壤無縫銜接,間隙用腐殖土填塞密實。

2)人工草地構建。由于草皮剝離、堆存過程中有一定損耗,且在回植后有草地退化和逆向演替的風險,因此為形成穩定、可持續的適生于高寒區域的生態系統,要按照近自然的理念,利用鄉土物種模擬原始生態系統的物種組成、多樣性和群落結構進行人工草地建植。首先篩選本區域耐寒鄉土草種,包括垂穗披堿草、老芒麥、中華羊茅、草地早熟禾、星星草等植物種子,同時考慮到高寒地區草本植物種子出苗率低且有休眠性的特點,需要對種子進行催芽處理,以提高種子的活力水平;然后對種子進行丸粒化和包衣處理,提高種子的抗逆性;最后鑒于種子的發芽率與溫度呈正相關關系,選擇氣溫較高的6—8月進行播種。為保證田間出苗率,應加大播種量。

草地施肥對提高植物群落生產力具有正向效應,因此高寒草甸區域人工草地構建的另一關鍵問題在于土壤結構和土壤肥力的改善。在表土回填時對土壤進行翻耕可以改善土壤結構,選用當地牛糞等有機肥可改善土壤有機質含量;施加氮肥對提高種子活力和質量、提高草本植物生長速度、促進分蘗有顯著效果,且本區域豆科植物較少,因此需要施加外源氮素;施加磷肥對于刺激根系生長、提高植物抗逆性尤其是抗旱性等有顯著效果,與氮肥配施可促進群落的穩定性,因此可以選取尿素與磷酸二銨同時添加的方式進行土壤肥力改善。

4 結束語

植物群落是環境因子與植被相互作用和影響的結果,高寒地區植被恢復應充分考慮氣候、海拔、土壤、植物特性等因素,合理選取植被恢復方式。同時,高寒區域植被恢復技術及其效果需要經歷認識—實踐—再認識—再實踐的反復過程,建議強化植被恢復后長時間序列的監測評估工作,以提出有針對性的優化改進措施。