輸電線路塔基施工余土的改良及其植物生長試驗

洪 倩，陳曉楓，余蔚青，李 熙，劉 青，王熙瑾

(1.國網(wǎng)經(jīng)濟技術(shù)研究院有限公司，102209，北京；2.紫光軟件系統(tǒng)有限公司，100084，北京； 3.國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，350007，福州)

近年來，隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，電網(wǎng)工程呈現(xiàn)大幅增長態(tài)勢。輸電線路工程作為電網(wǎng)工程的重要組成部分，其線路塔基基礎(chǔ)施工及調(diào)整塔腿高差的過程中，均會產(chǎn)生一定量的余土[1]，根據(jù)全國電力可靠性年度報告，截至2020年，我國220 kV及以上輸電線路總里程已經(jīng)從2017年的68.8萬km增加至79.4萬km。按照線路檔距300～400 m推算，輸電線路塔基接近200萬座，建設(shè)工程量巨大。根據(jù)我國相關(guān)電力技術(shù)規(guī)范，基礎(chǔ)設(shè)計的尺寸往往較大，設(shè)計較為保守[2]，隨著我國特高壓電網(wǎng)的全面鋪開以及同塔多回線路、緊湊型線路、大截面導(dǎo)線等輸電新技術(shù)的大力推廣，輸電線路塔基大荷載、大型化的趨勢愈發(fā)明顯，這也導(dǎo)致塔基施工余土產(chǎn)生量進一步提高[3]。這些余土因產(chǎn)生位置相對分散，且間隔式分布，往往不易處置；由于線路設(shè)計規(guī)范的要求及相關(guān)環(huán)境保護敏感目標(biāo)避讓原則，導(dǎo)致大多輸電線路工程在選線階段受限較多[4]，尤其是電壓等級高、輸電距離長的線路工程，其涉及到的地形地貌復(fù)雜多樣，增加了線路塔基施工余土的處置難度[5-7]。針對輸電線路塔基點式線狀分布且單塔基余土量較小的特點，余土處置往往優(yōu)先考慮原位就地處置，確保不產(chǎn)生新的水土流失[8]。此外，根據(jù)GB/T 50434—2018《生產(chǎn)建設(shè)項目水土流失防治標(biāo)準(zhǔn)》要求，在余土就地處置后需開展植被恢復(fù)工作。因此，將余土作為后期植被恢復(fù)的種植土就成為解決余土原位處置與植被恢復(fù)連續(xù)問題的一種新思路。

不同地區(qū)工程施工余土組分差異較大，但主要問題是余土多為工程地基深處的生土，存在土壤結(jié)構(gòu)性能差、肥力低下等問題。所以，余土的結(jié)構(gòu)改良和肥力提升成為其應(yīng)用為植被建造的關(guān)鍵和熱點問題。李建明等[9]從余土的土壤密度與孔隙度方面研究證明，當(dāng)余土礫石含量較高時，與原狀土相比，余土的密度偏大、孔隙度偏小；當(dāng)余土沙礫含量較高時，則余土的密度偏小，孔隙度偏大；余土屬于深層生土移出，土壤結(jié)構(gòu)性差，保水保肥性能較差。張仕艷等[10]研究發(fā)現(xiàn)，工程余土的有機質(zhì)含量遠低于原狀土，余土全氮和速效鉀含量較原狀土降幅都超過50%。如直接在余土上撒播植物種子進行植被恢復(fù)，往往難以存活[11-12]，造成工程水土流失防治標(biāo)準(zhǔn)中植被恢復(fù)率及林草覆蓋率等相關(guān)指標(biāo)很難達標(biāo)，進而無法滿足工程水土保持驗收條件。

因此，筆者以輸電線路工程塔基施工產(chǎn)生的余土改良為植被群落建造基質(zhì)作為目標(biāo)，通過保水劑與有機肥不同比例添加對余土土壤結(jié)構(gòu)改良和肥力提升效果分析，以及用于植物種植的效果分析，以期為余土改良為種植土的可行性提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

土壤試樣來自湖南華潤鯉魚江電廠500 kV送出工程B1號桿塔基礎(chǔ)施工產(chǎn)生的余土?，F(xiàn)場調(diào)研該塔基所處地貌為丘陵，余土為粉質(zhì)黏土，并混雜有少量細砂及風(fēng)化巖碎屑。土壤試樣有機質(zhì)10.8 g/kg，全氮0.72 g/kg，全磷0.88 g/kg，全鉀14.56 g/kg，堿解氮68.0 mg/kg，有效磷35.5 mg/kg，速效鉀97.6 mg/kg。參照《全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)》，試驗用余土除磷元素處2級，其余養(yǎng)分指標(biāo)均處4～5級的中等偏下水平。

試驗所選保水劑為農(nóng)林業(yè)保水劑(super absorbant polymer，SAP)，主要成分為丙烯酰胺-丙烯酸鉀共聚交聯(lián)物，蒸餾水吸水倍數(shù)151.56，徐州復(fù)蘇新材料科技有限公司提供。有機肥中有機質(zhì)>45%，總養(yǎng)分>5%，腐殖酸>10%，氨基酸>10%，北京中農(nóng)益生源生物科技有限公司生產(chǎn)。

1.2 試驗設(shè)計

試驗分室內(nèi)和室外2部分。室內(nèi)試驗綜合參考農(nóng)田與林草地等不同場景下土壤改良保水劑用量的相關(guān)文獻資料[13-16]，考慮異質(zhì)性和顯著性進行設(shè)計，保水劑和有機肥各設(shè)置3個梯度，采用雙因素全組合法，共計9個處理組及1個對照組(表1)。每組10次重復(fù)，以5次重復(fù)為1批，共設(shè)置2個批次。室外試驗為植物種植試驗，根據(jù)對現(xiàn)場原生植被群落調(diào)查，試驗植物種子為混播配方，以鄉(xiāng)土植物種子為主，包括豬屎豆(Crotalariapallida)、黑麥草(Loliumperenne)、百喜草(Paspalumnotatum)、狗尾草(Setariaviridis)和波斯菊(Cosmosbipinnatus)，總計3.3 g/箱(其中：豬屎豆0.5 g、黑麥草1.2 g、百喜草1.0 g、狗尾草0.4 g、波斯菊0.2 g)，每組均采用同樣配方植物種子進行生長試驗。

表1 室內(nèi)試驗余土改良處理Tab.1 Residual soil improvement treatment in laboratory experiment g

室內(nèi)試驗在種植箱內(nèi)完成，箱體底面長寬30 cm×30 cm正方形，高20 cm(底部有排水層)。每個種植箱中稱取5 kg原始余土，分別按設(shè)計將保水劑和有機肥充分混合后進行填充10 cm，在其尚均勻撒施植物種子，再添加約2 cm左右的混合土壤覆蓋。定植后，在每個種植箱中均一次性加入1 L水，且此后的每次澆水，各種植箱均同步進行，盡可能使整個試驗階段各種植箱內(nèi)土壤的水分外部輸入條件一致。

整個室內(nèi)試驗從2021年1月開始種植，至播種后2周左右，部分種植箱內(nèi)陸續(xù)開始萌發(fā)；于2021年3月初將第1批每個種植箱內(nèi)的所有植物在確保地下和地上部分完整的前提下取出，整理切分后進行試種植物群落地下和地上部分生物量測定；于2021年5月底將第2批種植箱內(nèi)所有植物同樣進行2部分生物量的測定。在對2個批次種植箱內(nèi)植物進行生物量測定的同時，采用環(huán)刀取各種植箱內(nèi)0～10 cm土樣，充分混合進行土壤養(yǎng)分指標(biāo)測定。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 土壤養(yǎng)分指標(biāo)測定 土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法進行測定，全氮采用凱氏蒸餾法進行測定，全磷采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法進行測定，全鉀采用堿焰-火焰光度計法進行測定，堿解氮采用堿解-擴散法進行測定，有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法進行測定，速效鉀采用分光光度計法進行測定。每個土樣重復(fù)測定3次，取算術(shù)平均值進行統(tǒng)計。

1.3.2 植物生物量測定 每個種植箱內(nèi)的所有植物在取出并洗凈土壤后，切分為地下和地上2部分，在60 ℃條件下烘干至恒定質(zhì)量，用精度0.01 g的電子天平稱量后即為各種植試驗組群落的地下和地上部分生物量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

本研究通過對試驗數(shù)據(jù)進行主成分分析，通過降維轉(zhuǎn)換重新組合成一組互相無關(guān)的綜合指標(biāo)，用以進行各試驗組改良效果的綜合評判。

1.4.1 數(shù)據(jù)處理 結(jié)合本次試驗設(shè)計，一共設(shè)有n個試驗組別，每個試驗組共m個指標(biāo)，第i個試驗組的第j個評價指標(biāo)取值為xij(i≤n，j≤m，n=10，m=9)。通過式(1)將各原始指標(biāo)值xij轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)Zij：

(1)

(2)

(3)

1.4.2 矩陣計算 本次室內(nèi)試驗的相關(guān)系數(shù)矩陣

式中：rij為原始變量指標(biāo)xi與xj的相關(guān)系數(shù)，rij=rji，其計算公式為

(4)

1.4.3 矩陣特征值及特征向量求解 通過矩陣計算求出上述矩陣R的若干特征值λj，并按從大到小的順序進行排列，即：λ1≥λ2≥…≥λj≥0；隨后分別求出對應(yīng)于特征值λj的特征向量u1，u2，…，uj。由特征向量組成的j個新的指標(biāo)變量為：

1.4.4 主成分貢獻率計算 主成分yj的貢獻率

(5)

主成分y1，y2，…，yp的累積貢獻率

(6)

當(dāng)ap接近于1時，則選擇前p個變量指標(biāo)y1，y2，…，yp作為p個主成分，代替原來的m個變量指標(biāo)，即可對p個主成分進行綜合分析。

1.4.5 綜合評價得分計算

(7)

式中P為綜合評價得分。

2 結(jié)果與分析

2.1 對施工余土養(yǎng)分影響

2.1.1 土壤有機質(zhì) 土壤有機質(zhì)含量是評價土壤整體養(yǎng)分水平最重要的指標(biāo)之一[17-18]。本研究在播種2個月和5個月的土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)見圖1和圖2。

圖1 第一批(2個月生長期)各試驗組土壤有機質(zhì) 質(zhì)量分數(shù)Fig.1 Soil organic matter contents of each experimental group in the first batch (2 months growing period)

從圖1可知，播種2個月的試驗組土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)較對照組均有增加。其中，增幅最顯著的是A3B3組，達到44.05%。土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)與有機肥用量成正比，用量最高試驗組提升效果最明顯；在有機肥用量50 g的A1B1、A2B1和A3B1組中，隨保水劑用量增加，土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)比對照組分別提升4.41%、6.53%和13.87%；在有機肥施用量為100 g組別中，保水劑用量為50 g的A2B2組土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)高于另2個組別，較對照組提升22.51%；保水劑用量最高的A3B2組土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)最低；在有機肥用量增加到150 g時，A1B3、A2B3和A3B3土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)較為接近，較對照組差異低于2%。

采用保水劑配合有機肥混施進行土壤改良，土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)隨保水劑用量增加同步增加。主要是保水劑能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，促進土壤團聚體形成，加速外源有機物質(zhì)輸入，提升土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)[19]。但A3B2組結(jié)果表明，保水劑和有機肥在混合時存在一定潛在拮抗作用，即土壤有機肥與保水劑合理配比，超過該配比保水劑可能會使土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)降低，這與宋雙雙等[13]研究結(jié)論吻合。

圖2 第二批(5個月生長期)各試驗組土壤有機質(zhì) 質(zhì)量分數(shù)Fig.2 Soil organic matter contents of each experimental group in the second batch (5 months growing period)

從圖2發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過5個月生長期后，所有改良組中土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)增幅最大的是A1B3組，達到20.35%。有機肥施用量為50 g的3組整體提升效果不明顯；有機肥施用量為100 g(B2組)和150 g(B3組)的各組土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)較對照組整體提升較為明顯，增幅達到16.03%～18.99%，且B2組與B3組之間差異很小。

隨著生長期的延長，改良試驗組土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)較對照組增幅有所降低，這與植物萌發(fā)后生長階段對土壤有機碳吸收有關(guān)。試驗中，B2和B3組土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)接近原因可能是各組內(nèi)植物小型群落建植后，對有機肥外的碳源獲取有所差異，通過能量流動等方式反饋到土壤中導(dǎo)致[20]。此外，保水劑過量會影響土壤通透性和土壤微生物活動，造成微生物活性和土壤有機碳的累積差異[21]。

2.1.2 土壤氮磷鉀 土壤中氮、磷、鉀含量對土壤養(yǎng)分評價十分重要[22-24]。從表2看出，各試驗組土壤氮磷鉀元素總體質(zhì)量分數(shù)及速效成分質(zhì)量分數(shù)均高于改良前余土。其中，2個月時期的A2B3組全氮、全磷、全鉀質(zhì)量分數(shù)均最高，較對照增幅分別為65.28%、34.09%和36.40%；5個月時期A2B3組的全氮、全磷同樣最高，A2B2組全鉀提升顯著。A1B3組的堿解氮、有效磷質(zhì)量分數(shù)最高，速效鉀質(zhì)量分數(shù)最高的是A2B2組，較對照組分別提升24.27%、47.61%、7.38%；5個月時期A2B2組中堿解氮、速效鉀最高，A2B3組有效磷提升效果最顯著。

從土壤中氮磷鉀元素全體及速效成分對比看，2個時期試驗組數(shù)據(jù)差異不大，說明本試驗?zāi)M種植試驗均建植成功，且均初步形成了相對穩(wěn)定的人工小型植被群落。保水劑配合有機肥施用有助于提高有機肥中的氮磷鉀元素快速降解，但保水劑用量不可過多，否則反而會阻礙土壤中氮磷鉀等營養(yǎng)元素累積。2個生長期試驗表明，隨著植物生長，土壤中的氮磷鉀元素會逐步升高，證明植被群落營建有助于改善其適生條件，使局部微環(huán)境向著促進生態(tài)系統(tǒng)能量流動方向改善，對人工植被群落提供演替的外營力[25-26]。

2.2 對施工余土植被生物量累積的影響

2.2.1 地上生物量 圖3表明，采用有機肥與保水劑混合施用對工程施工余土改良后植物群落地上部分生物量比原始余土有顯著提升。

2個月時期A1B2組地上部分生物量最高，比對照高141.44%，增幅超1倍以上；5個月時期A1B3組地上部分生物量最高，比對照組高89.57%，增幅近1倍。在有機肥用量一定的條件下，保水劑用量增加使植物群落地上生物量呈現(xiàn)降低趨勢。在植物群落建植初期，即2個月時期A1組別、A2組別、A3組別的植物群落地上部分生物量分別比對照組高102.40%、63.66%、7.51%；植物群落建植穩(wěn)定后，即5個月時期A1組別、A2組別植物群落地上部分生物量分別比對照高75.22%、42.90%，A3組別比對照組降低14.06%?？梢姳Ｋ畡┻^量使用可能會抑制植物生長，在一定程度上阻礙其生物量積累[27]。

表2 各試驗組土壤氮磷鉀質(zhì)量分數(shù)Tab.2 Contents of soil nitrogen, phosphorus and potassium in each experimental group

圖3 各試驗組混播植物群落地上部分生物量Fig.3 Aboveground biomasses of mixed plant community in each experimental group

2個批次試驗地上部分生物量的差異表明，在生長期2個月時，隨著有機肥的增施，地上部分生物量出現(xiàn)先增后減；生長期到5個月時，隨著有機肥施用量增加，地上部分生物量同步遞增。這可能是不同生長時期群落某些植物，過量施用有機肥會抑制其生長，導(dǎo)致生物量降低[28]。具體到本試驗，2個月生長期內(nèi)，群落優(yōu)勢物種以豆科豬屎豆為主，5個月時禾本科的黑麥草及狗尾草等逐步成為優(yōu)勢物種；不同種類的植物對養(yǎng)分需求各異，造成群落地上部分生物量與有機肥施用量響應(yīng)的區(qū)別。

2.2.2 地下生物量累積 保水劑與有機肥混合配比下同物種的人工植物群落地下部分的生物量見圖4，可以看出，采用有機肥與保水劑混施對工程施工余土改良后，種植植物群落地下部分生物量整體上比原狀土有顯著提升。在2個月時期A2B3的植物地下部分生物量最高，比對照高115.79%，增幅1倍以上；5個月時期A1B3的植物地下部分生物量最高，比對照高127.57%，增幅超1倍以上。

圖4 各試驗組混播植物群落地下部分生物量Fig.4 Underground biomasses of mixed plant community in each experimental group

在有機肥用量一定的條件下，2個月時期試驗A1組別、A2組別、A3組別植物地下部分生物量分別比對照組高56.73%、80.70%、12.28%，A2組別為更高地下部分生物量；5個月時期時A1組別、A2組別、A3組別植物地下部分生物量，分別比對照組高106.13%、51.17%、39.10%，即隨著保水劑用量加大，植物地下生物量反呈遞減。綜上可見：保水劑過量使用同樣會對植物生長產(chǎn)生一定抑制，這可能是通過造成土壤板結(jié)，降低土壤孔隙度抑制植物根系呼吸作用，延緩其生物量的積累[29]。

2.3 改良施工余土后植被恢復(fù)的綜合評價

采用主成分分析法對余土改良種植試驗的土壤養(yǎng)分及植物生物量等進行綜合評價(表3和4)，從土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀、地上生物量、地下生物量等9個指標(biāo)中，提取出3個主成分，其累積貢獻率達到92.603%(表3)，可用來反映整個9項指標(biāo)的總體信息。

表3 各試驗組土壤養(yǎng)分指標(biāo)及植物生物量指標(biāo) 的主成分特征值及累積貢獻率Tab.3 Principal component eigenvalues and cumulative contribution rates of soil nutrient indexes and plant biomass indexes in each experimental group

表4 各試驗組土壤養(yǎng)分指標(biāo)及植物生物量指標(biāo)的主成分得分系數(shù)矩陣Tab.4 Principal component score coefficient matrix of soil nutrient indexes and plant biomass indexes of each experimental group

根據(jù)表4矩陣中各指標(biāo)對應(yīng)的主成分得分系數(shù)作為主成分所對應(yīng)的每個指標(biāo)的系數(shù)，得到保水劑與有機肥混施改良施工余土后植被恢復(fù)綜合評價3個主成分的函數(shù)表達式為：

Y1=0.142Z1+0.144Z2+0.155Z3+0.138Z4+ 0.149Z5+0.147Z6+0.072Z7+0.117Z8+0.116Z9；Y2=0.136Z1-0.136Z2-0.020Z3+0.290Z4- 0.017Z5+0.071Z6+0.579Z7-0.403Z8-0.343Z9;Y3=-0.268Z1-0.507Z2-0.124Z3+0.174Z4+ 0.021Z5-0.379Z6+0.554Z7+0.471Z8+0.551Z9。

在此基礎(chǔ)上，通過3個主成分的特征值合成整個綜合評價模型：

Y=0.105Z1+0.041Z2+0.102Z3+0.166Z4+ 0.111Z5+0.088Z6+0.197Z7+0.064Z8+0.080Z9。

考慮到2個生長階段各項指標(biāo)差異，故選取5個月時期的相關(guān)數(shù)據(jù)代入計算，得到保水劑與有機肥混施改良施工余土后植被恢復(fù)效果室內(nèi)試驗的綜合評分(表5)?？煽闯?，保水劑與有機肥混施改良余土后對植被恢復(fù)效果是顯著的，這從各改良試驗組的綜合評分均高于對照組可看出。此外，改良效果最好是施用“50 g保水劑+100 g有機肥”，其次是施用“25 g保水劑+150 g有機肥”和“50 g保水劑+150 g有機肥”。

表5 各試驗組土壤養(yǎng)分及植物生物量的水平綜合評分Tab.5 Comprehensive score of soil nutrient and plant biomass in each experimental group

2.4 改良施工余土后植被恢復(fù)的野外試驗

為驗證室內(nèi)試驗結(jié)果，在原始余土采集地B1號桿塔塔下進行植被恢復(fù)驗證試驗。沿用室內(nèi)試驗的A2B2、A1B3、A2B3組別的改良組分，即5kg原始余土分別添加“50 g保水劑+100 g有機肥” “25 g保水劑+150 g有機肥”和“50 g保水劑+150 g有機肥”，以未改良的對照組為對照。

2021年6月在組塔工程完畢后，按設(shè)計將不同處理改良余土及原始余土分別均勻鋪灑在塔下厚度約20 cm，每區(qū)域面積約200 m2，用紅色標(biāo)志線區(qū)分成4個區(qū)域，采用室內(nèi)試驗同樣植物混播配方，每區(qū)域均勻混播植物種子約7 kg，并專人看護現(xiàn)場減少人為擾動。2021年8月及2021年11月分別2次樣方調(diào)查統(tǒng)計恢復(fù)現(xiàn)場的植物出苗率及植被覆蓋率(表6)，現(xiàn)場布設(shè)照片見圖5。

由表6和圖5可見，試驗組植被恢復(fù)明顯優(yōu)于對照組，且試驗組的植被恢復(fù)與室內(nèi)試驗的綜合評分基本一致，證實室內(nèi)試驗結(jié)果的可信度。

表6 余土改良后應(yīng)用于植被恢復(fù)的野外驗證試驗指標(biāo)Tab.6 Experimental indexes of residual soil improved for vegetation restoration in field validation %

圖5 試驗組及對照組混播植物群落野外驗證效果Fig.5 Field verification effect of mixed plant community of experimental groups and control group

3 結(jié)論與討論

1)本研究通過室內(nèi)及室外試驗證明，采用保水劑和有機肥混合改良輸電線路工程塔基施工余土養(yǎng)分含量，保水劑施用能夠在一定程度上改善土壤結(jié)構(gòu)，保持并提升土壤有機質(zhì)含量，利于人工植被群落的快速建植。不同配比的改良配方在植被恢復(fù)過程中的整體效果有所不同，整體均優(yōu)于對照組。

2)為了將人工植被群落生物量指標(biāo)和土壤理化性質(zhì)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的可直接進行比較的綜合指標(biāo)，本文通過運用主成分分析法，從多個變量中提取出3個主成分進行綜合分析，從而得出該塔基既定植被恢復(fù)模式下，“保水劑50 g和有機肥100 g”改良配方下的土壤改良和植被建植促生效果最佳。與前人研究結(jié)論相比，具體改良配方用量存在一定差異。這主要是由于研究目標(biāo)區(qū)域土壤條件與植物物種差異造成的。

3)本研究結(jié)果為輸變電建設(shè)工程的水土保持驗收，以及輸電線路塔基施工余土改良和用于植被恢復(fù)提供了重要參考。但本研究選取的試驗對象及試驗周期有限，從試驗自身角度出發(fā)，可在后續(xù)研究中進一步細分保水劑與有機肥的組分梯度，探索混施最優(yōu)配比；另外，在采用本研究的方法進行實際應(yīng)用的過程中需注意塔基所在地區(qū)的土壤及場地條件，并在巡檢過程中及時關(guān)注植被恢復(fù)后期的長勢。