水電站工程棄渣場(chǎng)植被恢復(fù)的土壤養(yǎng)分條件研究

賀莉莎，陳奇伯，姜文達(dá)，姚紅勝

(西南林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，云南昆明650224)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，大型水利水電工程項(xiàng)目建設(shè)活動(dòng)日趨頻繁，然而水電資源開發(fā)在帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，出現(xiàn)了環(huán)境污染、遺留廢渣堆積等問題，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的健康發(fā)展［1］。特別是在水電站工程建設(shè)過程中，由于施工區(qū)場(chǎng)地限制，棄渣處理相當(dāng)困難，因此形成大量的巖土渣場(chǎng)。這些渣場(chǎng)主要由廢棄塊石、碎石和覆蓋層風(fēng)化物堆積而成，具有無土壤、無水分及養(yǎng)分流失快等異質(zhì)性［2］，且渣場(chǎng)邊坡坡度常處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，易受外力擾動(dòng)而滑移，甚至垮塌，在降雨或沖蝕條件下棄渣流失嚴(yán)重。由于不具備植物生長(zhǎng)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(xiàng)目建設(shè)區(qū)的土地資源，是國(guó)際生態(tài)環(huán)境研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題，也是我國(guó)當(dāng)前生態(tài)環(huán)境保護(hù)所面臨的緊迫任務(wù)。植被恢復(fù)與重建，是一項(xiàng)十分有效的治理工程建設(shè)廢棄地，恢復(fù)生態(tài)環(huán)境、控制水土流失、支撐經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)性和戰(zhàn)略性工程措施，是恢復(fù)被破壞生態(tài)系統(tǒng)的首要工作和關(guān)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(duì)生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成、生產(chǎn)力和結(jié)構(gòu)具有重要影響，同時(shí)植物演替過程也豐富了土壤資源，增加了其空間異質(zhì)性，維持了物種間關(guān)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(duì)植物根系供應(yīng)養(yǎng)分的潛在能力，因此了解植被自然恢復(fù)過程中土壤養(yǎng)分變化規(guī)律，是認(rèn)識(shí)和評(píng)判植被生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能恢復(fù)的重要依據(jù)［7］，對(duì)人工調(diào)控與促進(jìn)植被演替以加快生態(tài)恢復(fù)具有重要作用。

1 研究區(qū)及棄渣場(chǎng)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(nèi)，是金沙江中段“一庫(kù)八級(jí)”水電開發(fā)方案中的第五級(jí)電站，總投資約150億元，于2004年8月進(jìn)場(chǎng)籌建，計(jì)劃2012年年底完建。工程占地634.8 hm2，壩高160 m。正常蓄水庫(kù)容8.47億 m3，電站裝機(jī)容量為2400 MW。施工期共設(shè)計(jì)棄渣場(chǎng)4個(gè)，存棄渣場(chǎng)2個(gè)，總棄渣量460萬(wàn)m3。項(xiàng)目區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)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(fēng)效應(yīng)”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(chǎng)概況

本研究選取金安橋水電站工程的2#和3#棄渣場(chǎng)為研究對(duì)象，以渣場(chǎng)對(duì)應(yīng)的原生植被區(qū)為參照。2#棄渣場(chǎng)地理位置100°25'1.9″E、26°48'13.1″N，坡面的坡向?yàn)?NE30°，坡度為 40°，于2004年開始恢復(fù)植被，以灌草為主，覆蓋度為30%～40%。2#棄渣場(chǎng)的原生植被區(qū)坡向?yàn)镹W30°，坡度為33°，植被覆蓋度達(dá)95%左右。2#棄渣場(chǎng)位于壩址下游右岸3.5 km的岸坡臺(tái)地上，有效容積為310萬(wàn)m3，主要堆置導(dǎo)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(chǎng)地理位置 100°24'34″E、26°47'48.7″N，于 2007 年開始恢復(fù)植被，植被覆蓋率較高。對(duì)應(yīng)原生植被區(qū)坡面的坡向?yàn)镹W25°，坡度為30°，覆蓋植被中有喬木，郁閉度達(dá)到95%以上。3#棄渣場(chǎng)位于壩址下游左岸約4.9 km的岸坡臺(tái)地上，有效容積410萬(wàn)m3，主要堆置砂石料場(chǎng)剝離土石方、砂石加工系統(tǒng)開挖及進(jìn)場(chǎng)交通洞身開挖的棄渣。

這兩個(gè)渣場(chǎng)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(chǎng)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(shí)間為2010年10月。根據(jù)棄渣堆積年限，在每個(gè)渣場(chǎng)的平臺(tái)、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(gè)樣地中設(shè)3個(gè)取樣點(diǎn)作為重復(fù)。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(jìn)行取樣。將取好的土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，攤開、風(fēng)干，揀去根系及殘枝落葉，避免暴曬。將風(fēng)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(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)分析。樣地的基本情況見表1。

表1 原生植被區(qū)與棄渣場(chǎng)采樣樣地基本情況

2.2 土壤化學(xué)性質(zhì)的測(cè)定

土壤有機(jī)質(zhì)含量的測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法——外加熱法;pH值采用電位計(jì)法測(cè)定;全氮含量采用半微量凱氏定氮法測(cè)定;全磷含量的測(cè)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(jì)法測(cè)定;水解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定;速效鉀含量采用1 mol/L乙酸銨浸提—火焰光度計(jì)法測(cè)定;速效磷含量采用0.5 mol/LNaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定［8］。

3 結(jié)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(zhì)、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(dòng)、土壤有機(jī)質(zhì)的分解、礦質(zhì)營(yíng)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(zhǎng)，還可以左右一些土壤性質(zhì)的變化［9］，植被狀況對(duì)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(zhǎng)的，土壤過酸或過堿，均易使土壤團(tuán)聚性不好，結(jié)構(gòu)性變差，黏重，土壤水、氣、熱不協(xié)調(diào)，不利于植物生長(zhǎng)。由表2可見，2#渣場(chǎng)原生植被區(qū)土壤的pH值為8.09，渣場(chǎng)渣土的pH為8.19;3#渣場(chǎng)原生植被區(qū)土壤的pH值為7.39，渣場(chǎng)渣土的pH值為8.26，渣土的pH值均大于其對(duì)應(yīng)的原生植被區(qū)，且pH值多為中至堿性，這可能與當(dāng)?shù)貛r石風(fēng)化產(chǎn)生大量礦質(zhì)元素有關(guān)。pH值呈堿性不利于渣場(chǎng)的植被恢復(fù)，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(chǎng)渣土化學(xué)性質(zhì)

3.2 有機(jī)質(zhì)

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

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(jī)形態(tài)存在，所以土壤全氮含量與土壤有機(jī)質(zhì)含量之間存在高度正相關(guān)關(guān)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(zhuǎn)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(duì)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(jī)態(tài)氮僅占全氮量的5%左右，而絕大部分是以有機(jī)形態(tài)存在。全氮量通常用于衡量土壤氮素的基礎(chǔ)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(zhì)氮的總和，是土壤氮素的重要組成部分，其含量與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)，能較好地反映出近期內(nèi)土壤氮素的供應(yīng)狀況［12］，在衡量土壤氮素供應(yīng)水平上占有重要的地位。

從表2可知，2#、3#渣場(chǎng)渣土的全氮含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對(duì)應(yīng)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(zhǎng)發(fā)育，只有通過水解氮才能對(duì)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(duì)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(fù)狀態(tài)，能夠進(jìn)一步影響土壤的全氮含量。另外，土壤有機(jī)質(zhì)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(chǎng)渣土水解氮含量低于3#渣場(chǎng)，但是全氮含量卻高于3#渣場(chǎng)，說明2#渣場(chǎng)渣土中的全氮含量能夠滿足植被對(duì)水解氮的需求。3#渣場(chǎng)的植被自然恢復(fù)時(shí)間比2#渣場(chǎng)短，僅經(jīng)過了4年的植被自然恢復(fù)，但植被豐富度較高，而3#渣場(chǎng)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(zhuǎn)化的能力很強(qiáng);2#渣場(chǎng)經(jīng)過了7年的植被自然恢復(fù)，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(yuǎn)，說明植被對(duì)可利用態(tài)氮的利用率較低，這可能是影響2#渣場(chǎng)植被恢復(fù)的原因之一。

3.4 磷素和鉀素

由表2可知，2#、3#渣場(chǎng)對(duì)應(yīng)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(guān)，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(yīng)不足的現(xiàn)象。3#棄渣場(chǎng)渣土的全磷含量高于2#棄渣場(chǎng)，3#渣場(chǎng)土壤的全磷含量接近原地貌，主要是由于3#渣場(chǎng)的植被恢復(fù)情況要好于2#渣場(chǎng)，植被豐富度高的渣場(chǎng)土壤保水、保肥能力相對(duì)要強(qiáng)一些。在植被自然恢復(fù)的進(jìn)程中，全磷量先減少后增加，這跟渣體風(fēng)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(dòng)性小，其含量與土壤母質(zhì)、氣候條件和人類生產(chǎn)活動(dòng)有關(guān)［11］。磷含量對(duì)植被正常生長(zhǎng)影響不大。

鉀是植物生長(zhǎng)所需的主要營(yíng)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(duì)農(nóng)作物供應(yīng)鉀素能力的重要指標(biāo)［13］。由表2可知，2#渣場(chǎng)對(duì)應(yīng)原生植被區(qū)土壤的全鉀含量大于棄渣場(chǎng)的，3#渣場(chǎng)對(duì)應(yīng)原生植被區(qū)土壤的全鉀含量低于3#渣場(chǎng)。經(jīng)分析，2#、3#棄渣場(chǎng)的表層渣體粒徑都較粗，＞5 mm的顆粒組成百分比高達(dá)64.53%和65.11%，＜5 mm的僅有35.47%和34.89%，兩個(gè)棄渣場(chǎng)的粒徑組成均不合理。棄渣場(chǎng)土壤粒徑組成不合理，大粒徑顆粒含量較多，土壤結(jié)構(gòu)性差，這種粗骨質(zhì)土壤蓄水保肥能力差，不能提供植物生長(zhǎng)過程中所需的水分和養(yǎng)分，從而影響了渣場(chǎng)土壤中速效鉀的含量，限制了植物的正常生長(zhǎng)［14］。另外，植被自然恢復(fù)年限也有可能影響土壤中鉀的含量。鉀是植物的主要營(yíng)養(yǎng)元素，在土壤中一般易轉(zhuǎn)化，隨著植被覆蓋度的增加，植物總量大幅度增加，植物生長(zhǎng)吸取土壤中鉀素就愈多，故而2#渣場(chǎng)(2004年棄渣)的土壤速效鉀含量低于3#渣場(chǎng)(2007年棄渣)?？傮w來看，土壤中速效鉀含量對(duì)于物種豐富度和物種個(gè)體數(shù)影響并不明顯，也可說渣場(chǎng)速效鉀能夠滿足植被自然恢復(fù)初期所需。

4 結(jié)語(yǔ)

(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(chǎng)渣體卻顯堿性，這主要是由于渣體中的鈣質(zhì)砂頁(yè)巖較多，經(jīng)風(fēng)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(duì)植被的生長(zhǎng)有較強(qiáng)的限制性和脅迫性，從而會(huì)進(jìn)一步影響渣場(chǎng)的植被恢復(fù)。

(2)在植物的生長(zhǎng)繁衍過程中，土壤養(yǎng)分對(duì)植被的影響是相當(dāng)大的。2#、3#渣場(chǎng)渣土的有機(jī)質(zhì)含量均低于對(duì)應(yīng)原生植被區(qū)土壤的有機(jī)質(zhì)含量，僅為原生植被區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)的8.33%和6.69%。土壤有機(jī)質(zhì)是反映土壤養(yǎng)分貯量的標(biāo)志，2#、3#渣場(chǎng)渣土的有機(jī)質(zhì)不足以提供植被正常生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分，這是限制渣場(chǎng)植被自然恢復(fù)的重要原因。

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

(4)渣場(chǎng)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(guān)。從渣場(chǎng)的恢復(fù)年限和植被恢復(fù)情況來看，渣場(chǎng)土壤中的磷素和鉀素含量對(duì)于物種豐富度和物種個(gè)體數(shù)影響并不明顯，渣場(chǎng)土壤中的磷素和鉀素含量能夠滿足植被自然恢復(fù)初期所需。

致 謝

本文是在國(guó)家自然科學(xué)基金和西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)學(xué)重點(diǎn)學(xué)科項(xiàng)目的資助及導(dǎo)師陳奇伯教授的悉心指導(dǎo)下完成的，同時(shí)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(dá)由衷的感謝!

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