水電站工程棄渣場植被恢復的土壤養(yǎng)分條件研究

賀莉莎，陳奇伯，姜文達，姚紅勝

(西南林業(yè)大學環(huán)境科學與工程學院，云南昆明650224)

隨著我國經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展，大型水利水電工程項目建設活動日趨頻繁，然而水電資源開發(fā)在帶來巨大經(jīng)濟效益的同時，出現(xiàn)了環(huán)境污染、遺留廢渣堆積等問題，嚴重影響了當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境、經(jīng)濟和社會的健康發(fā)展［1］。特別是在水電站工程建設過程中，由于施工區(qū)場地限制，棄渣處理相當困難，因此形成大量的巖土渣場。這些渣場主要由廢棄塊石、碎石和覆蓋層風化物堆積而成，具有無土壤、無水分及養(yǎng)分流失快等異質性［2］，且渣場邊坡坡度常處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，易受外力擾動而滑移，甚至垮塌，在降雨或沖蝕條件下棄渣流失嚴重。由于不具備植物生長所需的基本條件，不僅造成水土流失，而且影響沿線群眾生產(chǎn)、生活安全和河流水系安全［3－4］。如何有效地治理這類被破壞的生態(tài)系統(tǒng)，充分利用項目建設區(qū)的土地資源，是國際生態(tài)環(huán)境研究領域的熱點問題，也是我國當前生態(tài)環(huán)境保護所面臨的緊迫任務。植被恢復與重建，是一項十分有效的治理工程建設廢棄地，恢復生態(tài)環(huán)境、控制水土流失、支撐經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的基礎性和戰(zhàn)略性工程措施，是恢復被破壞生態(tài)系統(tǒng)的首要工作和關鍵環(huán)節(jié)［5］。

土壤是植物群落環(huán)境的主要因子，不僅影響植被的發(fā)生、發(fā)育和演替速度，而且對生態(tài)系統(tǒng)構成、生產(chǎn)力和結構具有重要影響，同時植物演替過程也豐富了土壤資源，增加了其空間異質性，維持了物種間關系、種的分布格局以及干擾下的群落物種多樣性［6］。土壤養(yǎng)分水平反映了土壤對植物根系供應養(yǎng)分的潛在能力，因此了解植被自然恢復過程中土壤養(yǎng)分變化規(guī)律，是認識和評判植被生態(tài)系統(tǒng)結構及功能恢復的重要依據(jù)［7］，對人工調控與促進植被演替以加快生態(tài)恢復具有重要作用。

1 研究區(qū)及棄渣場概況

1.1 研究區(qū)概況

金安橋水電站位于云南省麗江市永勝縣境內，是金沙江中段“一庫八級”水電開發(fā)方案中的第五級電站，總投資約150億元，于2004年8月進場籌建，計劃2012年年底完建。工程占地634.8 hm2，壩高160 m。正常蓄水庫容8.47億 m3，電站裝機容量為2400 MW。施工期共設計棄渣場4個，存棄渣場2個，總棄渣量460萬m3。項目區(qū)屬亞熱帶季風氣候區(qū)，光照充足，熱量充沛，干濕季分明，雨季是5—10月，旱季是11月至次年4月。河谷區(qū)“焚風效應”明顯，多年平均降水量938 mm，多年平均蒸發(fā)量約2200 mm，多年平均氣溫13℃左右，全年無霜。土壤類型主要有紅壤、棕壤和紫色土，間有少量水稻土。地帶性植被為少量暖溫性針葉林和大量分布的稀疏灌草叢。

1.2 棄渣場概況

本研究選取金安橋水電站工程的2#和3#棄渣場為研究對象，以渣場對應的原生植被區(qū)為參照。2#棄渣場地理位置100°25'1.9″E、26°48'13.1″N，坡面的坡向為 NE30°，坡度為 40°，于2004年開始恢復植被，以灌草為主，覆蓋度為30%～40%。2#棄渣場的原生植被區(qū)坡向為NW30°，坡度為33°，植被覆蓋度達95%左右。2#棄渣場位于壩址下游右岸3.5 km的岸坡臺地上，有效容積為310萬m3，主要堆置導流洞洞身開挖、出口明渠等工程的土石方開挖棄渣及下游土石圍堰拆除棄渣。

3#棄渣場地理位置 100°24'34″E、26°47'48.7″N，于 2007 年開始恢復植被，植被覆蓋率較高。對應原生植被區(qū)坡面的坡向為NW25°，坡度為30°，覆蓋植被中有喬木，郁閉度達到95%以上。3#棄渣場位于壩址下游左岸約4.9 km的岸坡臺地上，有效容積410萬m3，主要堆置砂石料場剝離土石方、砂石加工系統(tǒng)開挖及進場交通洞身開挖的棄渣。

這兩個渣場的堆積方式均為分層碾壓堆積，每層堆積高度均為15 m，馬道寬度為4 m，渣場類型為緩坡型。

2 研究方法

2.1 土壤樣品的采集、處理

土樣采集時間為2010年10月。根據(jù)棄渣堆積年限，在每個渣場的平臺、上、中、下邊坡分別選取具有代表性的地段作為樣地，樣地尺寸為10 m×10 m，在每個樣地中設3個取樣點作為重復。依據(jù)土層厚度分為0～10 cm(表層)和10～20 cm(中層)2層采集。原生植被區(qū)采用相同的方法進行取樣。將取好的土樣帶回實驗室，攤開、風干，揀去根系及殘枝落葉，避免暴曬。將風干后的樣品用木棍碾碎，過1～2 mm篩，取2/3裝于密封袋中保存，以進行室內試驗分析。樣地的基本情況見表1。

表1 原生植被區(qū)與棄渣場采樣樣地基本情況

2.2 土壤化學性質的測定

土壤有機質含量的測定采用重鉻酸鉀容量法——外加熱法;pH值采用電位計法測定;全氮含量采用半微量凱氏定氮法測定;全磷含量的測定采用氫氧化鈉熔融—鉬銻抗比色法;全鉀含量采用氫氧化鈉堿熔—火焰光度計法測定;水解氮含量采用堿解擴散法測定;速效鉀含量采用1 mol/L乙酸銨浸提—火焰光度計法測定;速效磷含量采用0.5 mol/LNaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測定［8］。

3 結果分析

3.1 土壤酸堿度

土壤酸堿度(pH值)是土壤形成過程中受生物、氣候、地質、水文等因素綜合作用所產(chǎn)生的重要屬性，它通過影響土壤微生物活動、土壤有機質的分解、礦質營養(yǎng)的有效狀態(tài)等影響土壤的肥力狀態(tài)。土壤pH值既可間接也可直接地影響植被生長，還可以左右一些土壤性質的變化［9］，植被狀況對土壤pH值也有一定的作用。

大多數(shù)植物在pH＞9.0或＜2.5的情況下是難以生長的，土壤過酸或過堿，均易使土壤團聚性不好，結構性變差，黏重，土壤水、氣、熱不協(xié)調，不利于植物生長。由表2可見，2#渣場原生植被區(qū)土壤的pH值為8.09，渣場渣土的pH為8.19;3#渣場原生植被區(qū)土壤的pH值為7.39，渣場渣土的pH值為8.26，渣土的pH值均大于其對應的原生植被區(qū)，且pH值多為中至堿性，這可能與當?shù)貛r石風化產(chǎn)生大量礦質元素有關。pH值呈堿性不利于渣場的植被恢復，只有耐堿性的物種才能在渣體上生存繁衍。

表2 原生植被區(qū)土壤與棄渣場渣土化學性質

3.2 有機質

有機質是土壤的重要組成部分，它既是植物所需各種營養(yǎng)物質的來源，又具有改善土壤物理和化學性質的功能［10］，所以有機質既是反映土壤養(yǎng)分貯量的標志，也是決定土壤綜合肥力水平的基礎。由表2可知，2#、3#渣場渣土的有機質含量明顯低于對應的原生植被區(qū)，原生植被區(qū)的有機質含量分別為40.39%、70.60%，而渣土的有機質含量僅分別為4.85%、10.56%。這主要是由于土壤有機質多來自林地凋落物及植物根系，而渣場表層缺乏植被覆蓋，無凋落物及作物秸稈來補充土壤有機質。另外，渣體是分層碾壓堆積而成，土壤板結，土壤微生物活性差，即使有動植物殘體也很難被分解，使得土壤有機質含量不足，從而不利于渣場的植被恢復。

3.3 全氮和水解氮

全氮含量是土壤中各種形態(tài)氮素含量之和，在一定程度上代表著土壤的供氮水平。土壤中的氮素主要以有機形態(tài)存在，所以土壤全氮含量與土壤有機質含量之間存在高度正相關關系。在自然生態(tài)系統(tǒng)中主要是通過生物固氮和高能固氮將分子的氮轉化為氨態(tài)氮、硝態(tài)氮，這樣才能被植物吸收利用，因此植被發(fā)育對土壤氮素的影響非常大。土壤中的氮素，能被植物直接吸收利用的無機態(tài)氮僅占全氮量的5%左右，而絕大部分是以有機形態(tài)存在。全氮量通常用于衡量土壤氮素的基礎肥力［11］。

水解性氮是銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、氨基酸、酰胺和易水解的蛋白質氮的總和，是土壤氮素的重要組成部分，其含量與土壤有機質含量呈正相關，能較好地反映出近期內土壤氮素的供應狀況［12］，在衡量土壤氮素供應水平上占有重要的地位。

從表2可知，2#、3#渣場渣土的全氮含量遠遠低于對應原生植被區(qū)土壤的全氮含量。由于全氮量不直接影響植被的生長發(fā)育，只有通過水解氮才能對植被造成一定的影響，所以全氮含量高的土壤能夠充分滿足植被對水解氮的需求，而不能保證植被能夠充分利用全氮。但是，植被的自然恢復狀態(tài)，能夠進一步影響土壤的全氮含量。另外，土壤有機質含量較低，也直接影響土壤全氮的含量。

渣土水解氮含量處于偏低水平，2#渣場渣土水解氮含量低于3#渣場，但是全氮含量卻高于3#渣場，說明2#渣場渣土中的全氮含量能夠滿足植被對水解氮的需求。3#渣場的植被自然恢復時間比2#渣場短，僅經(jīng)過了4年的植被自然恢復，但植被豐富度較高，而3#渣場的土壤水解氮含量較高，說明植被和土壤的可利用態(tài)氮相互轉化的能力很強;2#渣場經(jīng)過了7年的植被自然恢復，其植被豐富度并不高，水解氮含量很低，跟原生植被區(qū)水解氮含量相差甚遠，說明植被對可利用態(tài)氮的利用率較低，這可能是影響2#渣場植被恢復的原因之一。

3.4 磷素和鉀素

由表2可知，2#、3#渣場對應原生植被區(qū)土壤的全磷含量處于較低水平，分別為0.13、0.19 g/kg，土壤中速效磷的含量也較低，全磷和速效磷之間無明顯相關，全磷含量高的，速效磷并不一定豐富，但全磷含量低一般都存在磷素供應不足的現(xiàn)象。3#棄渣場渣土的全磷含量高于2#棄渣場，3#渣場土壤的全磷含量接近原地貌，主要是由于3#渣場的植被恢復情況要好于2#渣場，植被豐富度高的渣場土壤保水、保肥能力相對要強一些。在植被自然恢復的進程中，全磷量先減少后增加，這跟渣體風化、淋溶、植物影響等有著直接或間接聯(lián)系。土壤磷素在土壤中的移動性小，其含量與土壤母質、氣候條件和人類生產(chǎn)活動有關［11］。磷含量對植被正常生長影響不大。

鉀是植物生長所需的主要營養(yǎng)元素，一般土壤供鉀水平?jīng)Q定于黏粒的含量及其礦物組成，黏粒愈多，含鉀量愈高。土壤速效鉀含量是衡量土壤對農(nóng)作物供應鉀素能力的重要指標［13］。由表2可知，2#渣場對應原生植被區(qū)土壤的全鉀含量大于棄渣場的，3#渣場對應原生植被區(qū)土壤的全鉀含量低于3#渣場。經(jīng)分析，2#、3#棄渣場的表層渣體粒徑都較粗，＞5 mm的顆粒組成百分比高達64.53%和65.11%，＜5 mm的僅有35.47%和34.89%，兩個棄渣場的粒徑組成均不合理。棄渣場土壤粒徑組成不合理，大粒徑顆粒含量較多，土壤結構性差，這種粗骨質土壤蓄水保肥能力差，不能提供植物生長過程中所需的水分和養(yǎng)分，從而影響了渣場土壤中速效鉀的含量，限制了植物的正常生長［14］。另外，植被自然恢復年限也有可能影響土壤中鉀的含量。鉀是植物的主要營養(yǎng)元素，在土壤中一般易轉化，隨著植被覆蓋度的增加，植物總量大幅度增加，植物生長吸取土壤中鉀素就愈多，故而2#渣場(2004年棄渣)的土壤速效鉀含量低于3#渣場(2007年棄渣)?？傮w來看，土壤中速效鉀含量對于物種豐富度和物種個體數(shù)影響并不明顯，也可說渣場速效鉀能夠滿足植被自然恢復初期所需。

4 結語

(1)研究區(qū)土壤類型主要是紅壤、棕壤和紫色土，土壤偏酸性，而棄渣場渣體卻顯堿性，這主要是由于渣體中的鈣質砂頁巖較多，經(jīng)風化后，產(chǎn)生石灰性紫色土，以至于pH值高于7.5。所選樣方的pH均值為8.22，為堿性土壤，對植被的生長有較強的限制性和脅迫性，從而會進一步影響渣場的植被恢復。

(2)在植物的生長繁衍過程中，土壤養(yǎng)分對植被的影響是相當大的。2#、3#渣場渣土的有機質含量均低于對應原生植被區(qū)土壤的有機質含量，僅為原生植被區(qū)土壤有機質的8.33%和6.69%。土壤有機質是反映土壤養(yǎng)分貯量的標志，2#、3#渣場渣土的有機質不足以提供植被正常生長所需的養(yǎng)分，這是限制渣場植被自然恢復的重要原因。

(3)從全效氮、水解氮來看，2#渣場渣土的全氮、水解氮含量均較低，3#渣場渣土的全氮含量也低，但其水解氮含量高，說明3#渣場的植被和土壤的可利用態(tài)氮相互轉化的能力很強，但總體水平依然很低，這可能與渣場的巖土性質有關。植被主要從土壤中吸收養(yǎng)分，而渣場缺少土壤，渣場的土壤主要由渣體風化、淋溶等而來，這也是影響渣場土壤養(yǎng)分含量的重要原因。氮對植被的生長發(fā)育有重要的影響，氮素不足，則會限制植被的恢復，因此氮素不足也是影響渣場植被恢復的重要原因。

(4)渣場土壤中的磷素和鉀素的含量雖然也較低，但全磷和速效磷、全鉀和速效鉀之間無明顯相關。從渣場的恢復年限和植被恢復情況來看，渣場土壤中的磷素和鉀素含量對于物種豐富度和物種個體數(shù)影響并不明顯，渣場土壤中的磷素和鉀素含量能夠滿足植被自然恢復初期所需。

致 謝

本文是在國家自然科學基金和西南林業(yè)大學生態(tài)學重點學科項目的資助及導師陳奇伯教授的悉心指導下完成的，同時還有金安橋水電站有限公司工程師雷俊杰等人士的幫助，在此一并表達由衷的感謝!

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