坡位坡向及年限對黃龍灘電站生態(tài)護(hù)坡肥力的影響*

劉大翔,許文年,周明濤,夏振堯,孫 超,夏 棟

(三峽大學(xué)三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北宜昌443002)

生態(tài)護(hù)坡技術(shù)正越來越廣泛應(yīng)用于各種受損邊坡的生態(tài)恢復(fù)工程中,但目前為止,它仍局限于定性和經(jīng)驗(yàn)的發(fā)展階段,對它的理論認(rèn)識還遠(yuǎn)落后于基于工程概念的實(shí)踐[1]。國內(nèi)對生態(tài)護(hù)坡技術(shù)的研究主要集中在新技術(shù)開發(fā)、基材的物性、基材與植被的相互作用等宏觀方面,從微觀角度的研究如基材營養(yǎng)因子時空變化特征、土壤微生物群落變化、基材活性化[2]等,國內(nèi)仍處于起步階段,尚未形成系統(tǒng)研究成果。

以2004年于黃龍灘電站某兩處邊坡實(shí)施的植被混凝土生態(tài)防護(hù)工程[3-4]為研究對象,通過連續(xù)5 a的跟蹤取樣試驗(yàn),研究人工植被基材肥力時空演變特征,探索植被混凝土肥力隨坡向、坡位、年限的變化規(guī)律,為人工恢復(fù)技術(shù)的廣泛應(yīng)用及人工植被基材肥力長效性研究提供理論基礎(chǔ)。

1 工程概況

試樣采集地位于十堰市黃龍灘電站進(jìn)廠公路兩側(cè)邊坡,邊坡面積分別為87 m×129 m和80 m×110 m(高×寬),坡度均為 75°。兩邊坡平行公路兩側(cè)分布,一處為陰坡,一處為陽坡,生態(tài)恢復(fù)前均為水泥邊坡。該區(qū)域處于亞熱帶大陸性夏熱潮濕氣候區(qū),光照充足,具有明顯的大陸性氣候特征;年平均氣溫15℃左右,極端最高、最低氣溫分別為40℃、-15℃;年平均降水量1 300 mm,多集中于7-8兩月,是湖北省暴雨比較集中的地區(qū)之一;全年無霜期210～240 d。

該生態(tài)護(hù)坡工程于2004年完成,工期80 d,出芽率95%,植被覆蓋率100%。2004年7月完工至今坡面植被生長情況良好,目前坡面為與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)的自然生態(tài)環(huán)境。2008年11月植被覆蓋情況為：群落覆蓋度 90%以上,整個群落以狗牙根(Cynodon dactyion)、紫花苜蓿(Med icago sativa)、小冠花(Coronilla varia)、多花木蘭(Indigof era amblyatha)為優(yōu)勢種,占群落蓋度90%以上。群落中常見種含艾蒿(Artemisia princeps)、木豆(Semen Cajani)、結(jié)縷草(Zoysia japonica)、野菊花(Flos chrysanthemi),零星分布于坡面。

本研究從2004年開始采集土樣至今,采集條件為連續(xù)7 d無降雨,采集時間為每年11月。

2 研究方法

實(shí)驗(yàn)采用現(xiàn)場取樣與室內(nèi)處理、測定、分析相結(jié)合的方法,對每個坡面按照從左到右、從上到下均勻分布確定9個取樣點(diǎn),每個點(diǎn)取兩個樣,取樣深度為垂直坡面3-9 cm處。土樣室內(nèi)處理含風(fēng)干、碾碎、過篩。室內(nèi)測定、分析項(xiàng)目有：含水率(烘干法)、容重(環(huán)刀法)、有機(jī)質(zhì)(重鉻酸鉀氧化法)、全磷(NaOH熔融-鉬銻抗比色法)、速效磷(0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法)、堿解氮(擴(kuò)散吸收法)、速效鉀(醋酸銨浸提-火焰光度法)、酸堿度(電位測定法)[5-6]。

數(shù)據(jù)分析及處理采用 Excel和SPSS軟件;繪圖采用Origin軟件。

3 結(jié)果與分析

3.1 物理指標(biāo)分析

物理指標(biāo)的分析主要從含水率和容重兩方面著手。含水率影響著植物蒸騰、地表蒸發(fā)、地表徑流和土壤內(nèi)水分交換,是生命活動的基本條件[7]。土壤中的養(yǎng)分也必需溶解于水才能被吸收利用[8],所以,含水率是影響植被恢復(fù)效果的重要因子。土壤容重是土壤肥力的重要指標(biāo)之一,不僅直接影響土壤的通氣性、松緊度、入滲性能、持水能力、溶質(zhì)遷移和水土流失特征,而且還間接影響植物根系在土壤中的穿插和活力大小[9]。一般土壤容重越小,土壤越疏松,孔隙越多,越利于根系發(fā)展。

3.1.1 含水率分析 將陰、陽坡含水率多年平均值以坡位為自變量繪制成二維圖,如圖1。由圖可知,不論陰坡、陽坡,基材含水率大小均為下坡＞中坡＞上坡,陰、陽坡下坡位含水率分別高出上坡位0.06%和0.02%。這與水分向下滲透和地表徑流有關(guān),使得水分有向坡腳匯集的趨勢。此外,坡位由上至下,黏粒逐漸增多,土壤漸趨粘重化,這也是下坡位含水率較高的原因之一[10]。陰坡含水率普遍高于陽坡,這與日照對水分蒸發(fā)的影響有關(guān),而且陰坡的根系較陽坡扎得更深,更有利于涵養(yǎng)水分。隨著離坡頂距離的增大,陰、陽坡之間含水率差距越來越大,差值由0.03%增大到到0.07%,可能是陰坡坡腳更不易受到日照的緣故。方差分析表明,坡位對含水率的影響達(dá)到顯著水平(P＜0.05),坡向?qū)实挠绊戇_(dá)到極顯著水平(P＜0.01)。

圖1 含水率隨坡位變化

圖2 含水率隨年限變化

含水率隨年限的變化規(guī)律如圖2,圖中含水率為不同坡位與坡向的平均值。可以看出,含水率在完工的第一年內(nèi)逐步增加,第二年內(nèi)逐步降低,第三年又有增大的趨勢。頭一年內(nèi)含水率增大可能受到人工養(yǎng)護(hù)的影響,隨著人工養(yǎng)護(hù)的撤銷,含水率在第二年降低,之后第三年隨著植被不斷生長,根系持水能力的增強(qiáng),以及土壤微生物量的增多,植被混凝土開始活化,保水能力也得到增強(qiáng),含水率增大。

3.1.2 容重分析 坡位坡向?qū)θ葜氐挠绊懭鐖D3,取值方法與含水率一致。由圖看出,陰、陽坡之間容重隨坡位的變化并無明顯差異,只在中坡位陽坡的容重大于陰坡,上坡位和下坡位并未出現(xiàn)明顯的陽坡容重大于陰坡的規(guī)律。這可能與陰坡中部水熱條件相對較好及細(xì)粒和黏粒含量相對其他坡位較高有關(guān)[11]。細(xì)粒和黏粒的結(jié)構(gòu)性強(qiáng),使得土壤較疏松,孔隙多,容重小。方差分析也表明,坡向?qū)θ葜氐挠绊懳催_(dá)到顯著水平(P＞0.05)。再者,土壤容重不論在陰坡和陽坡,其含量變化規(guī)律均為：上坡位＞中坡位＞下坡位,陰、陽坡上坡位容重分別高出下坡位0.27 g/cm3和0.26 g/cm3。高的容重值通常代表土壤有退化的趨勢[12],表明上坡位土壤更易退化。此外,由于上坡位及中坡位相對下坡位土層較薄、礫石多,因而容重較大。方差分析表明,坡位對容重的影響達(dá)到顯著水平(P＜0.05)。

圖3 容重隨坡位變化

圖4 容重隨年限變化

年限對容重的影響趨勢為先下降后上升再上升(圖4),直觀上顯示了植被混凝土基材施工后土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)、土壤緊實(shí)度等物理結(jié)構(gòu)隨時間的變化。初期植被混凝土基材混合物中含有較高成分的水泥[4],因而容重最大;一年內(nèi),先鋒物種快速生長對基材養(yǎng)分的大量攝取使容重降低;隨后,群落演替速度減緩,容重隨之增大;兩年后,基材活性化程度提高,土壤微生物種類、含量均增加,改善了土壤結(jié)構(gòu),使孔隙增多,于是又表現(xiàn)出容重降低的現(xiàn)象。

3.2 營養(yǎng)因子分析

土壤各營養(yǎng)因子含量和pH值是限制植被成活率和保存率的重要因子[13],因而很自然成為診斷土壤基本狀況的指標(biāo)。表1列出了不同坡位和坡向條件下6項(xiàng)指標(biāo)的多年平均值。

表1 不同坡位和坡向基材營養(yǎng)因子含量情況

由表1可看出,基材營養(yǎng)因子含量總體上均隨距坡頂距離的增大而提高,尤其是速效鉀和作為生物源的有機(jī)質(zhì)在下坡位的均值含量分別高于上坡位9.29%和11.59%。這是由于研究區(qū)域的多雨和濕潤氣候,以及長期的沖刷作用使許多物質(zhì)和營養(yǎng)元素經(jīng)水分滲透和地表徑流由坡頂向坡腳遷移造成的,即：下坡位是其它坡位水土流失的一個匯[14-15]。全磷在不同坡位和坡向并未表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律,受坡位和坡向的影響也不顯著(P＞0.05),可能與其受坡面微地形影響有關(guān)[11]。堿解氮含量則在各坡位的變化較小,沿坡面向下只有略微上升的趨勢,且其含量總體水平相對速效磷和速效鉀過低,說明該元素在生境中以消耗過程為主[13]。氮是構(gòu)成蛋白質(zhì)的主要成分,對植被根莖的生長和果實(shí)的發(fā)育具有重要作用,是與產(chǎn)量最密切相關(guān)的營養(yǎng)元素,消耗率較高,因而表現(xiàn)為含量明顯低于速效磷和速效鉀。pH值則沿坡面向下逐漸降低,下坡位平均值低至8.09,受坡位影響顯著(P＜0.05),原因可能是下坡位植被生長茂盛,表層根系分布較多,根系呼吸產(chǎn)生的CO2、根分泌的有機(jī)酸和H+及凋落物分解過程產(chǎn)生的酸性物質(zhì)致使土壤 pH值降低[16]。但所有取樣點(diǎn)的p H值均超過了8.0,造成這種現(xiàn)象的原因可以歸為：該技術(shù)原材料中摻入了水泥,使得植被基材在引入了綠化添加劑的情況下仍呈弱堿性。資料顯示[17]：要使土壤中各種營養(yǎng)的可給性都提高,土壤的p H 值應(yīng)為6.0～7.5。

受坡向影響,土壤營養(yǎng)因子含量因日照情況差異也各不相同[18]。陰坡大多數(shù)營養(yǎng)因子含量均高于陽坡,只在中坡位陽坡全磷含量稍高于陰坡。而且從現(xiàn)場情況來看,陰坡植被生長情況也明顯好于陽坡,說明陰坡更適合人工植被群落發(fā)育。方差分析也表明,坡向?qū)τ袡C(jī)質(zhì)、速效磷、速效鉀含量有極顯著影響(P＜0.01),對堿解氮含量、p H值有顯著影響(P＜0.05),對全磷含量無顯著影響(P＞0.05)。造成該結(jié)果一方面與植物喜陰、喜陽性有關(guān),另一方面也與含水率差異對營養(yǎng)因子釋放能力影響有關(guān)。

表2 不同年限基材營養(yǎng)因子含量情況

土壤營養(yǎng)因子含量和pH值隨年限的變化如表2,由表可知：工程完建后第一年,雖然植被的快速生長對營養(yǎng)元素的消耗很大,但由于植被混凝土中人工添加的腐殖質(zhì)大量分解產(chǎn)生養(yǎng)分,使得各營養(yǎng)因子含量有略微上升的趨勢;第二年,隨著固有成分逐漸分解殆盡,營養(yǎng)因子含量也隨之降低。有機(jī)質(zhì)、全磷、速效磷、堿解氮、速效鉀的下降值分別達(dá)到18.91%、14.57%、13.97%、36.02%、25.59%。其中堿解氮含量下降幅度最大,進(jìn)一步說明該元素在生境中以消耗過程為主,群落發(fā)育對氮的需求較大;兩年后,植被群落經(jīng)過不斷地發(fā)育、演替,物種多樣性得到提升,群落結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化,本地物種逐步替代先鋒物種,使人工植被群落與自然群落環(huán)境協(xié)調(diào)一致,基材的水土保持和養(yǎng)分吸收能力也得到增強(qiáng),各營養(yǎng)因子含量也逐步回升;另一方面,群落演替過程中產(chǎn)生的大量動植物殘體,腐爛后能形成腐殖質(zhì),進(jìn)而轉(zhuǎn)化為能為植被吸收的養(yǎng)分,因而總體上基材營養(yǎng)因子含量變化趨勢為先下降后逐步上升。此外,土壤微生物種類和含量的增多也令基材酸堿度環(huán)境有所改善,隨著年限增長,pH值不斷降低,緩慢趨于植被生長的適宜范圍 。總之,年限對于植被混凝土基材各營養(yǎng)因子的影響是顯著的,方差分析表明,年限對全磷、速效鉀的影響達(dá)到極顯著水平(P＜0.01);對有機(jī)質(zhì)、速效磷、堿解氮和p H值的影響達(dá)到顯著水平(P＜0.05)。

3.3 各指標(biāo)相關(guān)性分析

植被混凝土肥力指標(biāo)間不是孤立存在的,而是相互關(guān)聯(lián)。進(jìn)行相關(guān)性分析可以揭示各屬性指標(biāo)之間的牽連程度和協(xié)調(diào)效應(yīng),有助于對植被混凝土基材性質(zhì)的變化做出合理解釋。同時,相關(guān)系數(shù)的大小可以反映指標(biāo)間所包含信息的重疊程度,從而為植被混凝土生態(tài)防護(hù)工程質(zhì)量評價體系的建立提供依據(jù)。

表3 各肥力指標(biāo)間相關(guān)性比較

將基材肥力指標(biāo)一起進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果見表3。由表可見,容重與全磷、速效磷、p H 值顯著負(fù)相關(guān),與有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀則極顯著負(fù)相關(guān),說明容重增大確實(shí)意味著土壤有退化的趨勢;有機(jī)質(zhì)則與全磷、速效磷、速效鉀、p H值顯著正相關(guān),與堿解氮極顯著正相關(guān)。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

(1)不論陰坡或陽坡,下坡位含水率和容重情況都要好于中坡位和上坡位,說明坡體上部更易退化;陰坡含水率普遍高于陽坡,容重則無明顯差異;

(2)下坡位營養(yǎng)因子含量普遍高于上坡位,即下坡位是其它坡位水土流失的一個匯,p H值隨坡位的下降而下降;陰坡營養(yǎng)因子含量普遍高于陽坡。但全磷含量卻隨坡向坡位變化無明顯差異;

(3)基材物理性質(zhì)在完工初期(1～2 a)表現(xiàn)較好;隨之因群落演替速度減緩,基材活性降低,物理指標(biāo)水平降低;3 a后,本地物種的進(jìn)入和群落不斷的正向演替,以及微生物群落結(jié)構(gòu)的改善,使基材水土保持能力增強(qiáng),物理指標(biāo)水平又繼續(xù)提高。基材營養(yǎng)因子含量初期因人工恢復(fù)植被的快速生長而大幅降低;隨之則因群落持續(xù)演替所產(chǎn)生的動植物殘體增多和基材活性化的提高,營養(yǎng)因子含量也穩(wěn)步增加;

(4)坡位和坡向因素對基材物性以及大部分營養(yǎng)因子(除全磷外)產(chǎn)生了顯著或極顯著影響,但坡向?qū)θ葜責(zé)o顯著影響;年限則對基材各項(xiàng)性質(zhì)均有顯著或極顯著影響;

(5)基材物理指標(biāo)間、營養(yǎng)因子間以及理化指標(biāo)間均存在相關(guān)關(guān)系,說明植被會促進(jìn)基材養(yǎng)分的積累和結(jié)構(gòu)的改善,最終又反過來促進(jìn)植被群落的生長演替。同時也說明對生態(tài)護(hù)坡工程的評價指標(biāo)不能單一化,需綜合多項(xiàng)指標(biāo)考慮。

4.2 建議

(1)基材肥力指標(biāo)因坡位坡向的不同存在差異,所以進(jìn)行人工恢復(fù)植被物種選擇時,在遵循物種選擇原則基礎(chǔ)上,除考慮區(qū)域氣候、環(huán)境特征外,還需運(yùn)用生態(tài)位理論,對植被建設(shè)采取分層結(jié)構(gòu)模式。如上坡位含水率小,土層薄,可多播撒諸如檸條(Korshinsk peashrub)、胡枝子(Lespedeza bicolor)等耐旱物種;陽坡則可多播撒諸如鹽膚木(China sumac)、百脈根(Lotuscornioulatus)等喜陽性物種;

(2)生態(tài)護(hù)坡工程對植被覆蓋度的要求造成施肥量大幅增加,施肥又偏重單一肥料,造成各營養(yǎng)元素比例失調(diào),特別是氮含量嚴(yán)重缺乏。施肥時應(yīng)合理確定氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素的配方比例,強(qiáng)化培肥,或者多選用耐貧瘠耐旱的固氮植物,以提高氮含量;

(3)各取樣點(diǎn)p H值均超過8.0,而土壤適宜pH值為6.0～7.5,表明仍需對植被混凝土配方加以改進(jìn);

(4)基材活性化程度不高是造成人工恢復(fù)植被易退化的主因,是制約生態(tài)恢復(fù)長效性的瓶頸。其根本在于基材中土壤微生物、土壤酶種類和數(shù)量較少,群落結(jié)構(gòu)不合理。因而在植被混凝土生態(tài)防護(hù)技術(shù)后續(xù)發(fā)展中,應(yīng)將研發(fā)以水泥為膠結(jié)材料的生態(tài)護(hù)坡基材活性化技術(shù)作為重點(diǎn)研究方向。

[1] 李紹才,孫海龍.中國巖石邊坡植被護(hù)坡技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].資源科學(xué),2004,26(增刊)：61-66.

[2] 張玉蘭,王俊宇,馬星竹,等.提高磷肥有效性的活化技術(shù)研究進(jìn)展[J].土壤通報,2009,40(1)：194-202.

[3] 許文年,葉建軍,周明濤,等.植被混凝土護(hù)坡綠化技術(shù)若干問題探討[J].水利水電技術(shù),2004,35(10)：50-52.

[4] 王鐵橋,許文年,葉建軍,等.挖方巖石邊坡綠化技術(shù)與方法探討[J].三峽大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2003,25(2)：101-104.

[5] 駱東奇,白潔,謝德體.論土壤肥力評價指標(biāo)方法[J].土壤與環(huán)境,2002,11(2)：202-205.

[6] 鮑士旦.土壤農(nóng)化分析[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社,2000.

[7] 王國梁,劉國彬,黨小虎.黃土丘陵區(qū)不同土地利用方式對土壤含水率的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2009,25(2)：31-35.

[8] Ursino N,Contarini S.Stability of banded vegetation patterns under seasonal rainfall and limited soil moisture storage capacity[J].Advances in Water Resources,2006,29：1556-1564.

[9] 劉晚茍,山侖,鄧西平.不同土壤水分條件下土壤容重對玉米根系生長的影響[J].西北植物學(xué)報,2000,22(4)：831-838.

[10] 高雪松,鄧良基,張世熔.不同利用方式與坡位土壤物理性質(zhì)及養(yǎng)分特征分析[J].水土保持學(xué)報,2005,19(2)：53-60.

[11] 周萍,劉國彬,侯喜祿.黃土丘陵區(qū)侵蝕環(huán)境不同坡面及坡位土壤理化特征研究[J].水土保持學(xué)報,2008,22(1)：7-12.

[12] Lowery B,Swan J.Physical properties of selected soils by erosion class[J].Soil Water Conserv,1995,50：306-311.

[13] 曹靖,常雅君,苗晶晶,等.黃土高原半干旱區(qū)植被重建對不同坡位土壤肥力質(zhì)量的影響[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2009,23(1)：169-173.

[14] Brubaker S C,Jones A J,Lewis D T,et al.Soil properties associated with landscape position[J].Soil Sci Soc Am.J.,1993,57：235-239.

[15] 劉世梁,傅博杰,呂一河,等.坡面土地利用方式與景觀位置對土壤質(zhì)量的影響[J].生態(tài)學(xué)報,2003,23(3)：414-420.

[16] 楊光,丁國棟,常國梁,等.黃土高原不同退耕還林地森林植被改良土壤特性研究[J].水土保持研究,2006,13(3)：204-207.

[17] 陳洪明,陳立新,王殿文.落葉松人工林土壤酸度質(zhì)量與養(yǎng)分關(guān)系研究現(xiàn)狀與趨勢[J].防護(hù)林科技,2004(5)：46-49.

[18] 王紹令,丁永建,趙林,等.青藏高原局地因素對近地表層地溫的影響[J].高原氣象,2002,21(1)：85-89.