管道工程施工擾動對玉米種植的影響

黃勇，陳忱，陳利頂，時鵬，肖峻

(1.環境保護部環境工程評估中心，北京 100012；2.中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室，北京 100085；3.西安理工大學水利水電學院，陜西西安 710048)

?

管道工程施工擾動對玉米種植的影響

黃勇1，陳忱1，陳利頂2，時鵬3，肖峻2

(1.環境保護部環境工程評估中心，北京 100012；2.中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室，北京 100085；3.西安理工大學水利水電學院，陜西西安 710048)

管道工程建設是高強度干擾生態系統的過程，而現有研究很少關注管道建設對作物生長的影響。針對西氣東輸二線工程，選擇3個典型農田保護區，通過布設樣帶和樣點，監測作物產量和生長性狀，評估天然氣管道建設對農田生產力的影響。結果表明，管道建設對農田生產力的影響主要發生在施工作業帶上方，干擾強度表現為管溝>作業區>堆土區，管道外50 m基本不受施工影響。線性回歸表明，玉米穗期葉面積指數與產量之間有顯著的相關性，可用來模擬作物產量。管道穿越農田生態系統需要做好環境保護措施，控制施工范圍，嚴格執行土層分層開挖、分層回填，堅決杜絕生土回填到耕作層，施工后及時恢復農田生產力。

管道建設；農田生產力；玉米；葉面積指數；定量評價

管線工程是埋地敷設類型的工程，管道施工對生態環境的影響屬于高強度、局地性的擾動，嚴重破壞沿線土壤和植被[1]。農田生態系統是最重要的生態系統之一，為人類提供了70%左右的糧食供給，構成人類生存和發展的基礎。長輸油氣管道穿越大量農田，工程施工直接影響到農業正常生產，擾動農田生態系統的穩定性，破壞農田生態環境，不利于作物生長，降低了農田生產力。管道建設需要30 m左右的施工帶，施工帶上方表層土壤和植被將會全部移除。管道建設過程中的重型機械碾壓、施工人員踐踏會改變土壤物理性狀，增加土壤緊實度，減少地表水入滲[2]。管溝開挖和土壤回填，會打亂耕層結構，降低土壤養分[3]。明確不同施工作業區域對農田生態系統的干擾強度，是準確、客觀地評價油氣輸送管道生態環境影響的基礎。因此，在生態環境監管中需要控制施工范圍在施工邊界以內，嚴格執行分層回填，堅決杜絕生土回填到耕作層，從而降低管道工程建設對農田生態環境的影響。

葉面積指數(LAI)作為植被冠層結構的重要參數，反映了植被的光合、呼吸等諸多關鍵生理過程。葉片是作物光合作用的主要器官，葉面積的大小直接影響產量的形成[4]。玉米中干物質積累進程可分為苗期、穗期和花粒期三個階段。葉面積指數隨生育進程的變化也由快速增長(苗期)變為相對穩定(穗期)，最后衰退(花粒期)[5]。本研究通過確定玉米葉面積指數的相對穩定時期，準確模擬玉米產量對管道建設的響應，定量評價管道建設對農田生產力的影響，為估算工程建設作物損失量提供參數，以期為制定合理的賠償標準提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 管線工程介紹

本研究以西氣東輸二線作為典型管線，該管線是繼西氣東輸一線之后，國家重點建設的第二條橫跨我國東西部的天然氣輸送管道。西氣東輸二線是目前世界上線路最長、工程量最大的天然氣管道，始建于2008年，主干線于2011年全線貫通。管道施工期間，清理出約30 m左右的作業帶，用于敷設直徑1 016 mm的管道，如圖1所示。作業帶劃分為管溝區(2 m)、堆土區(10～13 m)、作業區(15 m)。其中，管溝區用于埋設管道；堆土區用于堆放作業帶剝離的表土和管溝挖出的底土；作業區用于重型機械施工。

圖1 天然氣輸送管道施工作業示意圖Fig.1 The sketch of gas pipeline construction

1.2 樣帶和樣方布設

在西氣東輸二線穿越區域，選擇3個典型農田區作為研究區域：黑河中游綠洲農業區(張掖)、黃土丘陵溝壑農業區(平涼)和渭河平原農業區(西安)。3個研究區都位于我國西部地區，農田以種植玉米為主。采樣前，通過調查走訪，確定每個研究區內的作物耕作制度和施肥方式相似，作物品種一致，土壤有機質等屬性變異較小。在選擇的3個研究區中(每個研究區1 km管線長度)，垂直于管線布設3條平行樣帶，樣帶間隔500 m。在每個樣帶沿管線不同距離布設1 m×1 m的樣方，實驗區內樣方分別位于管溝上方、堆土區、作業區、管道兩側20 m、50 m和100 m，管線外1 000 m設為對照區，如圖2所示。實驗區與對照區的主要區別是實驗區受到機械施工碾壓、溝道挖填影響。采用LAI 2000葉面積指數儀，分別于2013年月7月初(苗期)、2013年8月中旬(穗期)、2013年9月底(花粒期)測定作物葉面積指數。2013年10月初，采用收割法測定玉米產量，并測定玉米的株高、株徑、穗長、穗粗。

圖2 樣方布設Fig.2 Plots in the research areas

1.3 數據分析方法

應用SPSS 16.0軟件處理相關數據，采用單因素方差分析檢驗管道不同距離作物產量和作物生理性狀之間差異的顯著性水平。同時，采用此軟件進行一元線性方程擬合，建立葉面積指數對作物產量的預測模型。作圖在Simplot 10.0軟件中進行。

圖3 天然氣管道建設對作物產量的影響(差異顯著P<0.05)Fig.3 Effect of gas pipeline construction on crop yield (significant difference at P<0.05)

2 結果與分析

2.1 管道建設對作物產量的影響

如圖3所示，天然氣管道建設對玉米產量產生明顯影響。在黑河中游綠洲農業區、黃土丘陵溝壑農業區和渭河平原農業區，管道施工帶上方作物產量顯著低于管道外50 m和100 m(P<0.05)。總體來看，管溝區作物產量最低，其次是作業區，而黑河中游綠洲農業區和渭河平原農業區的堆土區產量高于管溝和作業區，但是明顯低于施工帶外其他區域。施工帶上方產量與對照區產量(管道外1 000 m)的比值大約在0.6，表明管道施工對玉米產量產生較大干擾。管道外20 m處作物產量也受到施工作業的影響，此區域產量小于管道外50 m和100 m，并且在渭河流域農業區20 m處，干擾達到顯著水平。管道外50 m和100 m處作物產量沒有明顯差異。

2.2 管道建設對作物生理性狀的影響

天然氣管道建設影響作物的生長，管道施工帶上方玉米生理性狀較差，干擾區內(管溝、堆土區和作業區)玉米的株高、株徑、穗長、穗粗均低于施工帶外100 m的玉米，如表1所示。管溝對作物生理性狀的影響最為明顯，3個研究區中的管溝作物株高、株徑、穗長和穗粗均低于管道外20 m、50 m和100 m，并且對株高的影響達到顯著水平。堆土區和作業區作物株高、穗長和穗粗也低于施工帶外玉米。管道外20 m玉米生長也受到施工的影響，3個研究區管道外20 m玉米穗長和穗粗均低于管道外50 m和100 m。管道外50 m農田基本不受施工直接影響，此距離的玉米生理性狀與管道外100 m相似。

表1 管道建設對作物生理性狀的影響

注：同一研究區內不同字母表示差異達到顯著水平(P<0.05)。

2.3 葉面積指數擬合作物產量

LAI在玉米幾個關鍵生長時期呈現出先增長、后降低的特征，如圖4所示。從苗期階段開始，LAI呈現出線性快速增長態勢；到玉米穗期，LAI達到最大值，并且逐步穩定；在隨后的花粒期，LAI逐漸下降。穗期階段的LAI最大，也比較穩定，可以作為玉米估產的關鍵時期。

建立LAI與玉米產量之間的定量關系，其線性回歸模型為：

Y=aX+b

式中，Y為玉米產量，t/ha；X為穗期玉米LAI；a和b為常數。

圖4 玉米關鍵生長時期葉面積指數測定結果Fig.4 LAI of corn in different key growing stages

3個研究區LAI與玉米產量之間的關系都達到極顯著水平(P<0.001)。渭河平原農業區LAI較好地模擬了玉米單產，決定系數(R2)最高，達到0.708，線性回歸方程為Y=427.13X-625.06。黑河中游綠洲農業區和黃土丘陵溝壑農業區的決定系數也較高，分別為0.631和0.533，線性回歸方程分別為Y=381.72X-325.04和Y=417X+50.56。

3 討論與建議

3.1 天然氣管道對玉米生長和產量的影響

天然氣管道對農田生態系統的影響主要集中在施工帶上方，范圍在管線兩側20 m以內，管溝處對土壤的擾動深度可達2 m。管道建設對作物產量干擾的強度表現為管溝>作業區>堆土區。管溝開挖和土壤回填破壞了土壤耕層的結構，使不同質地、不同層次的土體混合，而土壤在堆放過程中，加速了有機質降解過程，降低土壤養分含量，最終降低土壤肥力，影響農作物的生長，并導致作物產量下降[6]。良好的耕作土壤需要有適宜于作物生長的緊實度。研究表明，管道建設后可以導致土壤體積密度增加一倍左右，在施工機械作業過程中，機械設備的碾壓、施工人員的踐踏等都會對土壤的緊實度產生影響，土體過于緊實不利于植物根系生長，減少地表水入滲。管道外20 m處作物產量同樣受到施工的影響，可能是因為施工人員的作業范圍沒有嚴格限制在作業帶上方，導致工程建設對農田生態系統的直接影響范圍擴大。

3.2 LAI預測作物產量在管道建設評價中的應用

傳統的作物單產預測方法主要包括調查法、農學預報法、農業氣象預報法等，這些方法需要花費大量人力、物力和時間，不適合大尺度預測。尤其是對屬于線性工程的天然氣管道，其涉及區域廣、影響范圍大，傳統的作物估產方法工作量大且測定周期長。經驗模型法直接采用作物LAI與作物單產建立關系，能夠簡單有效地預測天然氣管道對大范圍農田的干擾程度。目前，基于LAI預測作物產量的方法廣泛應用于農業生產。麻雪艷[7]構建了葉面積指數動態普適模型，確定了春玉米最大葉面積指數的生長時期出現在吐絲后2周，為準確模擬玉米光合產物分配提供了依據。在本研究中，玉米穗期LAI較好地預測了玉米產量。姚小英[8]的研究也表明，玉米穗期階段LAI與產量顯著相關，而其他生長階段的相關性較差。

遙感技術為LAI的獲取提供了穩定的動態監測工具，可以通過建立野外測量LAI與遙感植被指數(NDVI或SR等)之間的經驗關系，大面積反演LAI。利用遙感影像多時像、高精度的特點，通過反演預測管道建設前和管道建設后作物LAI的變化，采用經驗模型法評估產量受損程度和范圍。

3.3 天然氣管道穿越農田生態系統的環境管理措施

天然氣管道建設是一種開挖-填埋式的施工干擾。挖掘管溝時，應執行分層開挖的操作制度，即表層耕作土與底層耕作土分開堆放；管溝填埋時，也應分層回填，即底土回填在下，表土回填在上。分層回填前，應清理留在土壤中的固體廢物，回填時還應留足適宜的堆積層，防止因降水、徑流造成地表下陷和水土流失。回填后，多余的土應平鋪在田間或作為田埂、渠埂，不應隨意丟棄。施工作業帶嚴格控制在管道兩側15 m內，施工人員禁止隨意踐踏施工區域外的農田。施工時間盡量安排在秋收后，避開作物生長季節，減少農業生產的損失。施工結束后，做好農田的恢復工作，清理施工作業區域內產生的廢棄物，按國務院頒布的《土地復墾規定》進行復墾。凡受到施工車輛、機械破壞的地方，都要及時修整、恢復原貌。可增施有機肥，促進土壤團聚體形成，改善土壤結構，同時增加土壤養分含量，盡快恢復農田的生產力。

4 結論

天然氣管道建設對農田生態系統的影響主要集中在施工作業帶上方，范圍在管道兩側20 m以內，管溝區作物生長受影響最為嚴重，管溝處對土壤的擾動深度可達2 m，其次是作業區和堆土區。管道外50 m，作物產量基本不受施工影響。在管道穿越農田生態系統的施工過程中，尤其要做好土壤保護工作，控制施工范圍，嚴格執行分層回填，堅決杜絕生土回填到耕作層。建議選擇秋收后開始施工，避開作物生長季節。同時采取必要的恢復措施，盡早恢復農田生產力。葉面積指數可以較好地反映作物產量，選擇玉米穗期葉面積指數作為關鍵參數模擬作物產量，可以簡單準確地評估管道建設對玉米生長的影響。另外，葉面積指數也可以通過遙感反演獲取，適用于長距離、大范圍的線性工程生態環境影響評價，將樣方尺度提升到區域尺度，從縣、市甚至省的尺度評價管道建設對農田生態系統的干擾。

[1] 穆從如, 楊林生. 石油長輸管道工程對生態環境的影響[J]. 環境科學, 1995, 16(2): 83- 87.

[2] Yu X F, Wang G P, Zou Y C,etal. Effects of Pipeline Construction on Wetland Ecosystems: Russia-China Oil Pipeline Project (Mohe-Daqing Section)[J]. Ambio, 2010, 39(5/6): 447- 450.

[3] Shi P, Xiao J, Wang Y F,etal. The effects of pipeline construction disturbance on soil properties and restoration cycle[J]. Environmental Monitoring and Assessment, 2014(3): 1825- 1835.

[4] 孔德胤, 楊松, 黃淑琴, 等. 河套地區玉米葉面積指數的動態模擬[J]. 中國農業氣象, 2014, 35(3): 281- 286.

[5] 林忠輝, 項月琴, 莫興國, 等. 夏玉米葉面積指數增長模型的研究[J]. 中國生態農業學報, 2003, 11(4): 69- 72.

[6] Olson E R, Doherty J M. The legacy of pipeline installation on the soil and vegetation of southeast Wisconsin wetlands[J]. Ecological Engineering, 2012, 39: 53- 62.

[7] 麻雪艷, 周廣勝. 春玉米最大葉面積指數的確定方法及其應用[J]. 生態學報, 2013, 33(8): 2596- 2603.

[8] 姚小英, 李曉薇, 王禹錫, 等. 西北干旱區旱地玉米葉面積指數與氣象因子及生物量的關系[J]. 自然資源學報, 2012, 27(11): 1881- 1889.

Effects of Pipeline Construction on Cropland Productivity

HUANG Yong1, CHEN Chen1, CHEN Li-ding2, SHI Peng3, XIAO Jun2

(1.Appraisal Center for Environment & Engineering, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100012, China; 2.State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China; 3.College of Water Resources and Hydraulic Power, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

Gas pipeline construction has extensively disturbed the ecosystem. However, there were few researches focused on the effect of pipeline projects on farmland productivity. In this study, we assessed the disturbance of West-to-East gas transmission pipeline on crop yield. Transects and sample points were laid out in three study areas for crop yield and characteristics measurement. The results showed that the disturbance was mainly in the pipeline construction site, and the disturbance levels were as trench>working area>piling zone. There was almost no disturbance 50 m outside the pipeline. Leaf area index (LAI) of panicle stage showed significant correlation with crop yield in the linear regression analysis. It is important to take removed topsoil separately from subsurface soil, and limit the construction scope in the pipeline construction site. The environmental management in pipeline construction is efficient for farmland productivity restoration.

pipeline construction; field yield; corn; leaf area index; quantitative assessment

2016-06-01

環保公益性行業科研專項：不同建設工程生態環境影響定量評價技術與方法(201209029)

黃勇(1980—)，湖南人，高級工程師，博士，主要從事景觀生態和環境影響評價研究，E-mail：112822698@qq.com

陳忱(1960—)，北京人，高級工程師，學士，主要從事生態環境影響評價研究，E-mail：w94xhn@163.com

10.14068/j.ceia.2016.06.015

X826

A

2095-6444(2016)06-0056-05