不同修復技術下抽水蓄能電站邊坡土壤養分特征分析

馬蕭蕭，朱安平，余蔚青，劉 新，李 璇

(1.國網新源控股有限公司，北京 100052； 2.紫光軟件系統有限公司，北京 100084)

抽水蓄能電站作為優質的調節電源方式，在促進新能源消納方面具有突出的作用和優勢[1]。“十四五”規劃綱要提出，要構建現代能源體系，加快抽水蓄能電站建設和新型儲能技術規模化應用。然而，與國外相比，我國抽水蓄能電站發展起步相對較晚，在建設速度加快的同時，與之相應的規程規范和建設經驗相對滯后[2]。此外，建設規模大、技術復雜、參建單位眾多、工期漫長、受站址地形與地質條件因素影響大等特點，也導致了我國抽水蓄能電站在給社會創造便利與經濟效益的同時，卻由于建設期對原生植被的破壞而造成水土流失嚴重、環境惡化等不良影響[3]。因此，如何提高抽水蓄能電站工程擾動區域的植被恢復水平，指導抽水蓄能電站的綠色發展，以符合我國當下建設生態文明的時代背景，成為亟待解決的問題[4]。

目前，考慮到抽水蓄能電站工程的自身特點及建設地點情況，在選擇抽水蓄能電站工程擾動區域的植被恢復技術時通常考慮與高陡邊坡防護技術相結合，即采取邊坡生態防護技術[5]。通過分析不同的邊坡土質條件，結合工程防護需求及效益分析，篩選具備可行性的施工方法及施工工藝[6]；通過分析工程所在地的原生優勢植物種群，搭配兼具生物多樣性、生態位互補性、演替進階性等特征的人工恢復植被先鋒種及建群種，以最終過渡成具備內營力的自然植被群落[7]。在植被群落營建及不斷發展的過程中，群落下的土壤肥力對于植被生長起到了至關重要的作用，而因植被群落導致的土壤異質性又會促使土壤肥力產生差異，并反作用于邊坡土壤環境[8]。因此，通過比較由不同恢復植被組成的邊坡生態防護技術，可以找出調節土壤作用較好的植被結構，并對比不同載體下邊坡生態防護技術對邊坡土壤環境的改善效果。

1 研究材料與方法

1.1 研究區概況

本研究依托安徽績溪抽水蓄能電站植被修復工作開展試驗。該電站位于安徽省績溪縣伏嶺鎮，地處皖南山區，屬亞熱帶濕潤季風氣候區，多年平均氣溫16 ℃，年均相對濕度76%，多年平均降水量1 650.1 mm，多年平均蒸發量1 445.2 mm，20年一遇平均1 h降水量81.1 mm。多年平均風速1.9 m/s，歷年最大風速平均值11.5 m/s，以NE風為主。土壤主要是紅壤、沼澤土和水稻土，其中紅壤主要分布于低山丘陵的上庫區，沼澤土和水稻土主要分布于山前沖積平原和低洼地的下庫區。植被類型屬于亞熱帶常綠闊葉林，上庫區植被以杉木、馬尾松、毛竹及灌草叢為主，植被覆蓋狀況良好，林草植被覆蓋度約為75%。工程區地形起伏較大，山勢陡峻，溝谷深切，植被覆蓋良好，大部分現為林地，水土流失主要表現為面蝕、淺溝侵蝕及切溝侵蝕，水土流失程度輕微。

電站主體工程施工后進行了大量的開挖工作，形成了大量的裸露高陡邊坡。本研究選取了工程下庫左壩肩馬道上邊坡、馬道及下邊坡坡腳等幾處2019年已修復的邊坡開展試驗。其中，下庫左壩肩馬道上邊坡采用的是植被混凝土厚層基材生態防護技術(TBS)進行植被修復，即在錨固的坡面上掛網作為附著載體，將由種植土、混合草灌植物種子、有機質、肥料、團粒劑、保水劑、穩定劑、pH值緩解劑和水等多種物質均勻混合后形成的厚層種植基材，均勻地噴射到網面及坡面上，形成植物防護與綠化的修復技術，該技術兼具防護邊坡與恢復植被的雙重作用，其有機質的配比及植物種子配方是技術成功的關鍵[9]；下庫左壩肩馬道及下邊坡坡腳則應用種植槽護坡綠化技術(ESS)進行修復，即在坡面錨桿上澆筑種植槽結構，隨后在這些槽體內填充種植基材，槽體自身可發揮攔擋及短時截水的作用，解決了高陡邊坡基本不具備植物生長基材附著或存積條件的問題，進而在槽體內種植適宜的草本、小型灌木或藤本植物，在邊坡上首先形成條狀綠化帶，最終將整個邊坡復綠[5]。

1.2 樣地植被調查及土壤采樣分析

出于修復邊坡現狀及差異性的考量，本研究在每處邊坡各選擇3個修復樣地進行土壤采樣。其中，在下庫左壩肩開挖邊坡馬道上邊坡兩側及中部、馬道的兩端及下邊坡坡腳中部各設置1個樣地，每個樣地均為2 m×2 m，并在各樣地的4個頂點及中心點處沿坡面垂直方向進行表層(0～5 cm)土壤取樣，每個取樣點取3個土樣作為重復。取樣后剔除其中的植物根須，隨后在室內將所獲得的土樣進行風干研磨后過篩(孔徑包括0.149 mm和1 mm兩類)，依照《全國第二次土壤普查養分分級標準》中的相關指標進行測定，共涉及土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀等7項指標。此外，考慮到兩種邊坡綠化修復技術載體成型技術不同，會導致基材緊實度不同，故選取土壤容重指標進行區分。綜上，本研究共選取上述8項指標進行分析。

其中，土壤容重采用環刀法進行測定，pH值采用pH/離子計測定，有機質含量采用重鉻酸鉀容量法進行測定，全氮含量采用凱氏蒸餾法進行測定，全磷含量采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法進行測定，全鉀含量采用堿熔-火焰光度計法進行測定，堿解氮含量采用堿解擴散法進行測定，有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法進行測定，速效鉀含量采用分光光度計法進行測定。每個土樣重復測定3次，取算術平均值計。

各樣地經過2年自然恢復后的植被群落組成調查結果見表1。

表1 各樣地植被群落調查結果

1.3 土壤綜合養分評價

本研究通過分析國內外已有的土壤養分整體評價研究成果，經過比選后參考程杰等[10]的做法，采用層次分析法對復綠邊坡土壤綜合養分的權重進行賦值，進而構建評價模型計算土壤綜合養分指數，進行土壤養分的整體評價。

當前層次分析法在綜合評價領域應用頗為廣泛，且十分成熟。結合土壤-植物協同作用的實際情況，測定的土壤容重、有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀等8項指標符合指標選取的相關原則，宜作為土壤綜合養分的評價因子。本研究以不同樣地的土壤綜合養分作為評價的目標層(F)，土壤容重(C1)、有機質含量(C2)、全氮含量(C3)、全磷含量(C4)、全鉀含量(C5)、堿解氮含量(C6)、有效磷含量(C7)、速效鉀含量(C8)等作為評價指標層，構建評價指標體系，進而采用最為常用的“1～9標度法”生成判斷矩陣F[11]，即

隨后，通過計算得到判斷矩陣F的特征向量(X)及特征值(λ)，并通過下式計算該矩陣的一致性檢驗指數(CR)，即

(1)

式中：CI為矩陣的一致性指數；λmax為矩陣的最大特征值；n為矩陣特征值數量；RI為矩陣的平均隨機一致性指數，根據查閱相關資料，本研究構建的判斷矩陣F為八階矩陣，其RI值為1.41[10]。

經過上述計算，得到判斷矩陣F的特征向量X=(0.057 9，0.655 6，0.510 9，0.101 5，0.157 0，0.187 4，0.223 9，0.430 8)，且CR<1，滿足一致性檢驗要求。

通過轉換特征向量X得到8項評價指標各自的權重，參照《全國第二次土壤普查養分分級標準》中土壤養分評價指標分級標準及潘發明[12]對土壤容重的分級標準，將各要素劃分為6個等級，每個等級的取值范圍見表2。

表2 土壤養分評價指標等級劃分標準

土壤綜合養分評分(S)的計算式為

(2)

式中：Fi為某一項評價指標的分值，取值為1～6；Ci為該項指標的權重值；S為土壤綜合養分評分，經過換算最終得到的某塊樣地土壤綜合養分評分的取值范圍在0～100之間。

2 結果與討論

2.1 不同樣地土壤養分差異性分析

根據上述土壤綜合養分評分指標體系，計算出各樣地的土壤綜合養分評分，見圖1。可知，下庫左壩肩開挖邊坡馬道上邊坡的3個樣地整體(U3樣地群)的土壤綜合養分評分介于59.67～76.06之間，馬道及下邊坡坡腳的3個樣地整體(D3樣地群)的土壤綜合養分評分介于54.96～71.84。總體而言，采用TBS技術修復的馬道上邊坡土壤綜合養分評分整體上優于采用ESS技術修復的馬道及下邊坡坡腳土壤綜合養分評分。對馬道及下邊坡坡腳的3個樣地RL、RR、DC進行比較，可以看出馬道下邊坡坡腳處的土壤綜合養分評分明顯高于馬道兩端處，接近于馬道上邊坡UC、UR兩個樣地的土壤綜合養分評分，低于上邊坡UL樣地。按平均土壤綜合養分評分大小排序，各樣地表現為UL(69.21)>UR(67.83)>UC(66.56)>DC(66.11)>RR(61.67)>RL(59.32)。

圖1 各樣地土壤綜合養分評分

本研究中，坡面上的土壤養分分布情況為上坡位和下坡位土壤養分相對接近，整體高于中坡位處。之所以造成此種差異，可能是由于植生基質采用不同方式附著后成為坡面表層土壤狀物質，其受到附著強度、基材分布均勻度、坡面(槽體)徑流沖刷及其他因素的共同作用，會影響土壤基質中水分和養分的遷移與沉積；并且基質土層在裸露條件下隨著時間推移土壤容重會逐漸發生變化；同時，基材中的改良劑在附著過程中分布未必均勻，可能造成土壤坡面養分分布及流失的差異性[13-14]。此外，本研究中下坡位樣地土壤養分明顯高于中坡位，與上坡位接近，可能是由于坡腳附近人為擾動更大，引入了其他外源養分造成的，且本研究中各樣地植被恢復周期僅為2年，自然分布規律尚不顯著，這從側面也使得人為擾動等偶發影響的效果被放大。此外，整個下庫左壩肩開挖邊坡經不同措施復綠2年后，不論是應用TBS技術還是ESS技術修復的邊坡，其樣地內基材土壤的整體養分水平均處于合格狀態，尚不需要人工介入進行養護。考慮到本研究選取的樣地整體恢復時間有限，因此后續仍需要通過取樣分析判斷其土壤與植物間的共生協調關系。

2.2 不同樣地土壤養分指標差異性分析

本研究重點篩選了土壤容重和有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀等8項指標進行綜合養分分析，在通過土壤綜合養分評分指標體系求得各樣地的土壤綜合養分評分后，將所有土壤樣本整體分為下庫左壩肩開挖邊坡馬道上邊坡U3樣地群和馬道及下邊坡D3樣地群兩部分，分別將樣地的土壤綜合養分評分與上述8項指標進行相關性分析，結果見圖2。

圖2 U3樣地群及D3樣地群土壤各養分指標與土壤綜合養分評分的相關性

研究發現，除土壤容重外，其他7項指標均在不同程度上表現出與土壤養分的正相關性，各指標按相關系數大小排序為：有機質>全氮>速效鉀>堿解氮≈全鉀>全磷>有效磷。由此可知，在本研究選取的樣地中土壤有機質、全氮和速效鉀是影響基材土壤養分最重要的3項指標；土壤容重在整體趨勢上呈現出與土壤養分的負相關性，考慮到其相關系數較低，故認為其與土壤養分之間的相關性弱。土壤容重直接影響土壤孔隙度和透氣性，進而間接影響土壤養分與水分的擴散分布。

以U3樣地群為例，土壤綜合養分評分與土壤有機質含量的相關性判定系數最大，為0.511 1，表明其與土壤有機質含量的關聯性最強，因此在土壤綜合養分改良中增加土壤有機質含量所起到的改良效果最為明顯。土壤綜合養分評分與土壤全氮和速效鉀含量的相關性判定系數分別為0.450 8和0.371 5，表明：在該處邊坡土壤中氮元素以各種形態對土壤綜合養分情況產生影響，土壤全氮含量在自然環境下長期處于動態變化之中，它的消長取決于氮元素或含氮物質的積累和消耗的相對情況[15]，尤其是土壤有機質的生物積累和水解作用，以及土壤微生物的固氮作用[16-18]；鉀元素則主要是通過土壤可交換性鉀的形式表征土壤中鉀素的供應狀況，進而指示土壤綜合養分情況。造成鉀元素有效程度不同的原因之一是土壤中非交換性鉀的釋放特性導致速效鉀存在一個閾值，因植物吸收作用速效鉀迅速下降至該閾值后便不再下降[19]，因此土壤速效鉀含量在變化性上會有一定的不連續區段，若在此時進行土壤取樣分析，速效鉀含量與植物吸收后的變化情況相關性將顯著降低。

除此之外，各指標與馬道上邊坡U3樣地群土壤整體養分間的相關性略高于其各自與馬道及下邊坡坡腳D3樣地群土壤整體養分的相關性。即采用TBS技術進行邊坡植被修復的U3樣地群，其土壤養分各指標與整體養分評分之間的相關性較采用ESS技術進行修復的D3樣地群更為顯著，這也反映出采用TBS技術進行邊坡修復時，土壤基材中的養分物質對于土壤中相關養分指標的提升效果更為明顯。兩組樣地群不同土壤養分指標與綜合養分評分的相關性高低與前述構建的土壤綜合養分評分指標體系中各指標的權重大小情況基本一致，證明本研究構建的土壤綜合養分評分指標體系整體較為可靠。

3 討論與結論

本研究針對采用TBS技術及ESS技術修復的抽水蓄能電站不同邊坡，結合土壤容重和有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀含量等不同指標進行土壤綜合養分特征分析，通過構建土壤綜合養分評分指標體系得到土壤綜合養分評分，并在此基礎上分析了應用兩類技術修復2年的各邊坡樣地土壤養分的整體差異性及各養分指標的差異性。

(1)應用TBS技術修復的馬道上邊坡的3個樣地土壤綜合養分評分整體高于應用ESS技術修復的馬道及下邊坡坡腳的3個樣地；在馬道及下邊坡坡腳的3個樣地中，下坡位的樣地土壤養分水平顯著高于中坡位的樣地，接近于上坡位的水平。

(2)整個下庫左壩肩開挖邊坡經TBS技術及ESS技術復綠2年后，各樣地內基材土壤的綜合養分評分基本在60分以上，處于合格狀態，考慮到人工構建的植被群落與土壤的協調機制建立過程，目前不需要人工介入開展養分補充等養護工作。

(3)結合6個樣地共計30個取樣樣方得到的數據，土壤有機質、全氮、速效鉀是與土壤綜合養分評分相關性最為顯著的3項養分指標。后期如需人工養護補充養分時，可針對性地提高此3項指標進行土壤改良和養分提升；并且，采用TBS技術修復的坡面在改良反饋性上強于采用ESS技術修復的坡面。

綜上所述，抽水蓄能電站工程擾動坡面整體裸露嚴重、土壤稀缺，采用含基材客土進行修復能有效營造修復坡面植被生長所需的土壤環境，其中采用TBS技術修復的坡面在土壤養分表現方面優于采用ESS技術修復的坡面。不過，考慮到本研究選取的樣地整體恢復年限較短，因此后續仍需要通過取樣分析判斷其土壤與植物間的共生協調關系，并結合植被的相關指標進行更為完整的土壤-植被養分供需特征研究。