雅礱江官地水電站生態(tài)護(hù)坡工程初期土壤肥力狀況

吳 彬，劉 剛，2，3，肖 海，李銘怡，趙自超，魏科梁

（1.三峽大學(xué) 三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌443002；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌712100；3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢430070）

水電站開發(fā)在給人們帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益同時(shí)，也引發(fā)了植被破壞、水土流失等一系列生態(tài)環(huán)境問題［1－2］，如何恢復(fù)受擾植被已成為國(guó)內(nèi)外生態(tài)學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)［3］。目前對(duì)擾動(dòng)區(qū)進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)的主要途徑是選用適當(dāng)?shù)纳鷳B(tài)防護(hù)技術(shù)，配以特定的先鋒植物種類，經(jīng)過(guò)科學(xué)的養(yǎng)護(hù)管理，逐漸形成一個(gè)新的群落穩(wěn)定態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)人工植物群落向自然群落演替，形成以本地野生植物為優(yōu)勢(shì)種的穩(wěn)定植物群落［4］。而恢復(fù)區(qū)的土壤肥力狀況直接影響著群落先鋒物種的拓殖和更替，甚至在一定程度上決定著植被群落的演替速率和演替方向［5］，是評(píng)價(jià)生態(tài)恢復(fù)成效的重要依據(jù)。因此，在水電建設(shè)擾動(dòng)區(qū)的植被恢復(fù)期間進(jìn)行土壤肥力分析具有十分重要的意義。關(guān)于雅礱江流域工程擾動(dòng)區(qū)的植被恢復(fù)已有初步報(bào)道［6］，然而從土壤肥力角度研究水電站擾動(dòng)區(qū)的植被恢復(fù)則鮮有報(bào)道。本研究以官地水電站工程擾動(dòng)區(qū)的植被恢復(fù)為研究對(duì)象，對(duì)其恢復(fù)初期的土壤肥力狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以期為水電工程擾動(dòng)區(qū)的植被恢復(fù)建設(shè)提供技術(shù)和理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

雅礱江干流全長(zhǎng)1 571km，天然落差3 830m，水力資源豐富，技術(shù)可開發(fā)容量3.46×107kW，蘊(yùn)藏量占四川省全省的24%。而位于雅礱江干流下游的官地水電站，地處四川省涼山彝族自治州西昌市和鹽源縣交界處，屬川西高原氣候區(qū)，干、濕季分明。每年11月至次年4月為干季，5—10月為雨季，降雨集中，雨季降雨量占全年的90%～95%，多年平均降水量為1 077.4mm。多年平均蒸發(fā)量為1 548.7mm，相對(duì)濕度為74%。日溫差大，電站區(qū)域年均氣溫為18.6℃，極端最高氣溫39.4℃、最低0.5℃。2008年水電站開始施工后，形成大量人工開挖邊坡，其中用于試驗(yàn)性的生態(tài)恢復(fù)邊坡樣地總面積達(dá)7 917m2，主要使用兩種邊坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)：（1）種植槽客土回填植草技術(shù)（ESS）。該技術(shù)是在邊坡表面按設(shè)計(jì)間距打入錨桿，并在坡面外端預(yù)留一定的長(zhǎng)度，通過(guò)預(yù)留錨桿段作為載體，在其上構(gòu)筑鋼筋混凝土槽，之后在槽內(nèi)回填耕植土并種植相應(yīng)的灌木及爬藤等以達(dá)到對(duì)坡面進(jìn)行綠化的效果。該技術(shù)可以克服常規(guī)綠化中削坡環(huán)節(jié)所帶來(lái)的損害，總體上達(dá)到綜合治理費(fèi)用的最低化［7－10］。（2）植被混凝土基材生態(tài)防護(hù)技術(shù)（CBS）。采用特定的混凝土配方和種子配方，對(duì)巖石邊坡進(jìn)行防護(hù)和綠化的新技術(shù)。即先在巖石體上鋪上鐵絲或塑料網(wǎng)，并用錨釘和錨桿固定；將混凝土原料經(jīng)攪拌后由常規(guī)噴錨設(shè)備噴射到巖石坡面，形成近10cm厚度的植被混凝土；之后覆蓋一層無(wú)紡布防曬保墑，同時(shí)水泥可使植被混凝土形成具有一定強(qiáng)度的防護(hù)層；經(jīng)過(guò)一段時(shí)間灑水養(yǎng)護(hù)，青草就會(huì)覆蓋坡面，揭去無(wú)紡布，茂密的青草將自然生長(zhǎng)。該技術(shù)可以一勞永逸地解決巖坡防護(hù)與綠化問題［11］。

1.2 土樣的采集與處理

2008年水電站進(jìn)點(diǎn)施工后，形成大量人工開挖邊坡，總面積達(dá)1.75×105m2。根據(jù)對(duì)邊坡人工重建植被的實(shí)際狀況和對(duì)其植物群落的分類及分析，按不同的高程和位置，在馬道客土回填植草和開挖巖質(zhì)邊坡植被混凝土基材生態(tài)護(hù)坡技術(shù)兩種典型植被恢復(fù)方式下［10］，選取4個(gè)代表性試驗(yàn)樣地（左岸馬道、左岸植被混凝土馬道、右岸馬道、右岸植被混凝土坡面，涵括實(shí)際恢復(fù)全貌）和1個(gè)對(duì)照（未經(jīng)修復(fù)的坡地），分別編號(hào)A，B，C，D和E。各邊坡樣地基本情況詳見表1。

表1 樣地基本情況

以季度作為時(shí)間單位，從2009年第一季度開始對(duì)4個(gè)樣地進(jìn)行取樣，直至2010年第4季度為止，共進(jìn)行8次取樣。而取樣時(shí)，對(duì)每個(gè)樣地用交叉對(duì)角線方式分別采取5個(gè)樣點(diǎn)，取樣深度為垂直坡面4～8 cm處。樣品采集后，將土樣中的碎石、植物殘根等雜物剔除，平鋪于厚紙上，攤成約2cm厚的薄層，然后放在干燥通風(fēng)的地方自然風(fēng)干。風(fēng)干土樣經(jīng)研磨后選擇1mm孔徑的篩子分篩進(jìn)行速效養(yǎng)分測(cè)定，而全量養(yǎng)分的測(cè)定用土則需通過(guò)0.149mm孔徑的篩子分篩。經(jīng)充分混勻后，采用四分法從中取出適量樣品裝入磨口瓶中備用。

各種土壤養(yǎng)分的測(cè)定［12－13］分別為：有機(jī)質(zhì)采用K2Cr2O7容量法—外加熱法；全磷采用NaOH熔融—鉬銻抗比色法；速效磷采用0.5mol／L NaHCO3溶液浸提—鉬銻抗比色法；速效鉀采用1mol／L中性CHCOONH溶液浸提—火焰光度法；全氮采用濃H2SO4消煮—擴(kuò)散吸收法；速效氮采用擴(kuò)散吸收法。每個(gè)樣品重復(fù)3次，取平均值。

1.3 土壤綜合肥力評(píng)價(jià)方法

土壤肥力問題在很大程度上是土壤有機(jī)質(zhì)的問題。而土壤有機(jī)質(zhì)又是植物礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)和有機(jī)營(yíng)養(yǎng)的源泉，本身含有氮、磷、鉀、硫等植物所需的各種養(yǎng)分，其中氮、磷、鉀則是是表征有機(jī)質(zhì)及土壤肥力的3大主要元素，均顯著影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育［12］。同時(shí)，在生態(tài)系統(tǒng)中，有機(jī)質(zhì)和全氮又是表征土壤肥力質(zhì)量的重要指標(biāo)［13］，土壤中有機(jī)質(zhì)含量的高低也直接影響土壤氮素供應(yīng)水平，兩者具有緊密的正相關(guān)關(guān)系。所以本研究根據(jù)全國(guó)土壤普查土壤肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［12］（表2），選取有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、速效氮、速效磷和速效鉀作為土壤肥力評(píng)價(jià)因子。這6個(gè)因子雖然對(duì)植被生長(zhǎng)都具有較明顯的影響，但各因子的影響程度又不盡一致。其中，有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤的物理結(jié)構(gòu)有重要的作用，所以將其確定為一級(jí)因子，其它為二級(jí)因子。土壤肥力評(píng)價(jià)分為3步完成：首先，根據(jù)各個(gè)土壤樣品實(shí)驗(yàn)室測(cè)定數(shù)據(jù)和土壤肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［12］，確定各項(xiàng)因子的單項(xiàng)級(jí)別（Gi）；其次，計(jì)算全氮、全磷、速效氮、速效磷和速效鉀的綜合級(jí)別，將5個(gè)養(yǎng)分因子綜合為一個(gè)因子即養(yǎng)分綜合指數(shù)（Xi），其單項(xiàng)級(jí)別等于5個(gè)養(yǎng)分因子的綜合級(jí)別；最后，計(jì)算出有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分綜合指數(shù)2個(gè)因子的綜合級(jí)別作為土壤的標(biāo)準(zhǔn)綜合級(jí)別（G），從而對(duì)土壤肥力做出評(píng)價(jià)。具體計(jì)算方法為：

（1）單項(xiàng)級(jí)別計(jì)算公式：

式中：i——參與評(píng)價(jià)的因子序號(hào)；j——因子的級(jí)別序號(hào)；Gi——第i個(gè)因子的單項(xiàng)級(jí)別，為已達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別；Gij——已達(dá)到級(jí)別的標(biāo)準(zhǔn)值；Bi（j＋1）——已達(dá)到級(jí)別的下一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值；Xi——第i個(gè)因子的實(shí)測(cè)值。當(dāng)各肥力因子實(shí)測(cè)值超過(guò)2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，其單項(xiàng)級(jí)別均記為1.0，即各因子對(duì)植被生長(zhǎng)的貢獻(xiàn)已達(dá)最佳水平。

表2 土壤肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

（2）各因子的權(quán)重（Wi）的計(jì)算公式：

式中：Xi——因子實(shí)測(cè)值；Bi——第i個(gè)因子5級(jí)劃分中標(biāo)準(zhǔn)值的平均值；Wi——因子權(quán)重系數(shù)。

（3）綜合級(jí)別指數(shù)（G）通過(guò)各因子的權(quán)重對(duì)單項(xiàng)級(jí)別進(jìn)行加權(quán)平均，計(jì)算公式為：

式中：n——參與評(píng)價(jià)的因子數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)經(jīng)Excel整理后，采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行差異顯著性分析，結(jié)果經(jīng)由Oringin 6.0軟件繪圖表示。

2 結(jié)果與討論

2.1 有機(jī)質(zhì)含量分析

從圖1可以看出，各樣地土壤有機(jī)質(zhì)含量以樣地A最高為1.86g／kg，其次為樣地D，為1.71g／kg，均顯著高于樣地B和C，這可能是由于在特定條件下樣地植被的生物貢獻(xiàn)量相對(duì)較大，說(shuō)明植被的長(zhǎng)勢(shì)也會(huì)影響土壤的肥力水平。此外對(duì)照樣地E最低為1.01 g／kg，均顯著低于其它4個(gè)樣地，由此說(shuō)明這兩種生態(tài)修復(fù)技術(shù)均會(huì)對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量有所提高。但參照土壤中有機(jī)質(zhì)含量分級(jí)［14］來(lái)看，5塊樣地均為極低水平，說(shuō)明整個(gè)恢復(fù)區(qū)有機(jī)質(zhì)含量還是很貧瘠。其原因一方面由于處在恢復(fù)初期，邊坡草灌叢凋落物對(duì)有機(jī)質(zhì)含量的貢獻(xiàn)有限；另一方面由于本底值偏低，在基材配備中，對(duì)有機(jī)質(zhì)的添加量較低。

2.2 鉀元素含量分析

從圖1可以看出，各樣地土壤速效鉀含量以樣地D最高為264.27mg／kg，其次為B，C和A，分別為260.37，201.48和199.64mg／kg，E顯著低于其它樣地為139.36mg／kg。D與B樣地均顯著高于其它3個(gè)樣地，主要也是因?yàn)榛謴?fù)樣地的土壤基材中添加了復(fù)合肥，對(duì)土壤中鉀的含量有一定的影響［15］。

圖1 官地水電站各樣地有機(jī)質(zhì)和速效鉀含量的比較

2.3 磷元素含量分析

由圖2可知，各樣地土壤全磷含量以樣地D最高為1.73g／kg，其次為B，C與 A，分別為1.67，0.67和0.64g／kg，對(duì)照樣地E最低，為0.44g／kg，D樣地極顯著高于其它4個(gè)樣地。各樣地速效磷含量（圖2）與全磷表現(xiàn)一致，也是對(duì)照樣地E最低，僅為2.70mg／kg，而樣地D最高，含量為71.07mg／kg，其次是B，C和A樣地，其中樣地B和D極顯著高于其它3個(gè)樣地，這主要是因?yàn)橹脖换炷辽鷳B(tài)防護(hù)技術(shù)所使用的土壤基材中使用了含磷量較高的綠化添加劑［15］。

圖2 官地水電站各樣地全磷和速效磷含量的比較

2.4 氮元素含量分析

圖3表明，各樣地土壤全氮含量以A最高為0.59g／kg，其次為樣地C，B與D，分別為0.53，0.47和0.44g／kg，E最低0.37g／kg。A樣地顯著高于其它樣地，對(duì)照樣地則顯著低于其它樣地，B和D兩個(gè)樣地之間無(wú)顯著差異。各樣地速效氮（圖3）含量與全氮一致，樣地A最高為39.22mg／kg，其次為C，B，D和E樣地，其中樣地E為14.73mg／kg，也均顯著低于其它樣地。究其原因一方面由于恢復(fù)樣地的土壤基材中均添加了復(fù)合肥，影響氮元素的含量。另一方面，土壤氮素的消長(zhǎng)還主要取決于生物積累和分解作用的相對(duì)強(qiáng)弱，氣候、植被，特別是水熱條件，對(duì)氮素含量的影響極其顯著。

圖3 官地水電站各樣地全氮和速效氮含量的比較

2.5 各樣地肥力綜合評(píng)價(jià)

由標(biāo)準(zhǔn)綜合級(jí)別法求出的綜合級(jí)別指數(shù)G的大小直接反映了土壤肥力的高低，其肥力綜合指數(shù)越小，肥力狀況就越好，越有利于植被生長(zhǎng)。通過(guò)圖4可以看出，官地水電站各樣地土壤肥力綜合評(píng)價(jià)級(jí)別指數(shù)G值以右岸植被混凝土護(hù)坡技術(shù)修復(fù)邊坡B最低為3.41，其次是D為3.55，兩者的指數(shù)值均顯著低于其它樣地，表明其綜合肥力較高。對(duì)照樣地最高，為4.52，顯著高于其它4個(gè)樣地，與其它4個(gè)樣地均存在顯著性的差異。A與C樣地指數(shù)值則介于E樣地與B、D樣地之間，與這三組之間均存在顯著性差異，而A與C兩個(gè)樣地之間并無(wú)顯著性差異。由此表明，兩種生態(tài)護(hù)坡技術(shù)特別是植被混凝土護(hù)坡技術(shù)，均能有效地改善官地水電站工程擾動(dòng)區(qū)的土壤肥力狀況，但植被混凝土生態(tài)防護(hù)技術(shù)對(duì)土壤肥力的改良效果優(yōu)于種植槽客土回填植草技術(shù)。

圖4 官地水電站各樣地土壤肥力綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)比較

3 結(jié)論

選定的4塊修復(fù)邊坡樣地土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、速效氮、速效磷和速效鉀含量均高于對(duì)照樣地，且土壤肥力水平顯著高于未經(jīng)修復(fù)的對(duì)照邊坡，即人工修復(fù)技術(shù)對(duì)于工程擾動(dòng)區(qū)開挖邊坡的生態(tài)修復(fù)以及土壤生態(tài)環(huán)境的提高有重要作用。而經(jīng)人工修復(fù)的各邊坡樣地中，以植被混凝邊坡的肥力最高，由此說(shuō)明植被混凝土護(hù)坡技術(shù)的修復(fù)效果要高于種植槽客土回填植草生態(tài)護(hù)坡技術(shù)。綜上表明，生態(tài)護(hù)坡技術(shù)能有效改善官地水電站工程擾動(dòng)區(qū)的土壤環(huán)境，其中以植被混凝土護(hù)坡技術(shù)的改善效果最佳。

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