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不同修復(fù)技術(shù)下抽水蓄能電站邊坡土壤養(yǎng)分特征分析

2022-03-24 03:24馬蕭蕭朱安平余蔚青
中國水土保持 2022年3期
關(guān)鍵詞:馬道樣地植被

馬蕭蕭,朱安平,余蔚青,劉 新,李 璇

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

抽水蓄能電站作為優(yōu)質(zhì)的調(diào)節(jié)電源方式,在促進(jìn)新能源消納方面具有突出的作用和優(yōu)勢[1]?!笆奈濉币?guī)劃綱要提出,要構(gòu)建現(xiàn)代能源體系,加快抽水蓄能電站建設(shè)和新型儲(chǔ)能技術(shù)規(guī)?;瘧?yīng)用。然而,與國外相比,我國抽水蓄能電站發(fā)展起步相對較晚,在建設(shè)速度加快的同時(shí),與之相應(yīng)的規(guī)程規(guī)范和建設(shè)經(jīng)驗(yàn)相對滯后[2]。此外,建設(shè)規(guī)模大、技術(shù)復(fù)雜、參建單位眾多、工期漫長、受站址地形與地質(zhì)條件因素影響大等特點(diǎn),也導(dǎo)致了我國抽水蓄能電站在給社會(huì)創(chuàng)造便利與經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí),卻由于建設(shè)期對原生植被的破壞而造成水土流失嚴(yán)重、環(huán)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(dòng)區(qū)域的植被恢復(fù)水平,指導(dǎo)抽水蓄能電站的綠色發(fā)展,以符合我國當(dāng)下建設(shè)生態(tài)文明的時(shí)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(diǎn)及建設(shè)地點(diǎn)情況,在選擇抽水蓄能電站工程擾動(dòng)區(qū)域的植被恢復(fù)技術(shù)時(shí)通??紤]與高陡邊坡防護(hù)技術(shù)相結(jié)合,即采取邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)[5]。通過分析不同的邊坡土質(zhì)條件,結(jié)合工程防護(hù)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(yōu)勢植物種群,搭配兼具生物多樣性、生態(tài)位互補(bǔ)性、演替進(jìn)階性等特征的人工恢復(fù)植被先鋒種及建群種,以最終過渡成具備內(nèi)營力的自然植被群落[7]。在植被群落營建及不斷發(fā)展的過程中,群落下的土壤肥力對于植被生長起到了至關(guān)重要的作用,而因植被群落導(dǎo)致的土壤異質(zhì)性又會(huì)促使土壤肥力產(chǎn)生差異,并反作用于邊坡土壤環(huán)境[8]。因此,通過比較由不同恢復(fù)植被組成的邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù),可以找出調(diào)節(jié)土壤作用較好的植被結(jié)構(gòu),并對比不同載體下邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)對邊坡土壤環(huán)境的改善效果。

1 研究材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究依托安徽績溪抽水蓄能電站植被修復(fù)工作開展試驗(yàn)。該電站位于安徽省績溪縣伏嶺鎮(zhèn),地處皖南山區(qū),屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū),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(fā)量1 445.2 mm,20年一遇平均1 h降水量81.1 mm。多年平均風(fēng)速1.9 m/s,歷年最大風(fēng)速平均值11.5 m/s,以NE風(fēng)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(qū),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(qū)。植被類型屬于亞熱帶常綠闊葉林,上庫區(qū)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(qū)地形起伏較大,山勢陡峻,溝谷深切,植被覆蓋良好,大部分現(xiàn)為林地,水土流失主要表現(xiàn)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(jìn)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(fù)的邊坡開展試驗(yàn)。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(tài)防護(hù)技術(shù)(TBS)進(jìn)行植被修復(fù),即在錨固的坡面上掛網(wǎng)作為附著載體,將由種植土、混合草灌植物種子、有機(jī)質(zhì)、肥料、團(tuán)粒劑、保水劑、穩(wěn)定劑、pH值緩解劑和水等多種物質(zhì)均勻混合后形成的厚層種植基材,均勻地噴射到網(wǎng)面及坡面上,形成植物防護(hù)與綠化的修復(fù)技術(shù),該技術(shù)兼具防護(hù)邊坡與恢復(fù)植被的雙重作用,其有機(jī)質(zhì)的配比及植物種子配方是技術(shù)成功的關(guān)鍵[9];下庫左壩肩馬道及下邊坡坡腳則應(yīng)用種植槽護(hù)坡綠化技術(shù)(ESS)進(jìn)行修復(fù),即在坡面錨桿上澆筑種植槽結(jié)構(gòu),隨后在這些槽體內(nèi)填充種植基材,槽體自身可發(fā)揮攔擋及短時(shí)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(jìn)而在槽體內(nèi)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(gè)邊坡復(fù)綠[5]。

1.2 樣地植被調(diào)查及土壤采樣分析

出于修復(fù)邊坡現(xiàn)狀及差異性的考量,本研究在每處邊坡各選擇3個(gè)修復(fù)樣地進(jìn)行土壤采樣。其中,在下庫左壩肩開挖邊坡馬道上邊坡兩側(cè)及中部、馬道的兩端及下邊坡坡腳中部各設(shè)置1個(gè)樣地,每個(gè)樣地均為2 m×2 m,并在各樣地的4個(gè)頂點(diǎn)及中心點(diǎn)處沿坡面垂直方向進(jìn)行表層(0~5 cm)土壤取樣,每個(gè)取樣點(diǎn)取3個(gè)土樣作為重復(fù)。取樣后剔除其中的植物根須,隨后在室內(nèi)將所獲得的土樣進(jìn)行風(fēng)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(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)》中的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行測定,共涉及土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀等7項(xiàng)指標(biāo)。此外,考慮到兩種邊坡綠化修復(fù)技術(shù)載體成型技術(shù)不同,會(huì)導(dǎo)致基材緊實(shí)度不同,故選取土壤容重指標(biāo)進(jìn)行區(qū)分。綜上,本研究共選取上述8項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析。

其中,土壤容重采用環(huán)刀法進(jìn)行測定,pH值采用pH/離子計(jì)測定,有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法進(jìn)行測定,全氮含量采用凱氏蒸餾法進(jìn)行測定,全磷含量采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法進(jìn)行測定,全鉀含量采用堿熔-火焰光度計(jì)法進(jìn)行測定,堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法進(jìn)行測定,有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法進(jìn)行測定,速效鉀含量采用分光光度計(jì)法進(jìn)行測定。每個(gè)土樣重復(fù)測定3次,取算術(shù)平均值計(jì)。

各樣地經(jīng)過2年自然恢復(fù)后的植被群落組成調(diào)查結(jié)果見表1。

表1 各樣地植被群落調(diào)查結(jié)果

1.3 土壤綜合養(yǎng)分評價(jià)

本研究通過分析國內(nèi)外已有的土壤養(yǎng)分整體評價(jià)研究成果,經(jīng)過比選后參考程杰等[10]的做法,采用層次分析法對復(fù)綠邊坡土壤綜合養(yǎng)分的權(quán)重進(jìn)行賦值,進(jìn)而構(gòu)建評價(jià)模型計(jì)算土壤綜合養(yǎng)分指數(shù),進(jìn)行土壤養(yǎng)分的整體評價(jià)。

當(dāng)前層次分析法在綜合評價(jià)領(lǐng)域應(yīng)用頗為廣泛,且十分成熟。結(jié)合土壤-植物協(xié)同作用的實(shí)際情況,測定的土壤容重、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀等8項(xiàng)指標(biāo)符合指標(biāo)選取的相關(guān)原則,宜作為土壤綜合養(yǎng)分的評價(jià)因子。本研究以不同樣地的土壤綜合養(yǎng)分作為評價(jià)的目標(biāo)層(F),土壤容重(C1)、有機(jī)質(zhì)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(jià)指標(biāo)層,構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)體系,進(jìn)而采用最為常用的“1~9標(biāo)度法”生成判斷矩陣F[11],即

隨后,通過計(jì)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(jì)算該矩陣的一致性檢驗(yàn)指數(shù)(CR),即

(1)

式中:CI為矩陣的一致性指數(shù);λmax為矩陣的最大特征值;n為矩陣特征值數(shù)量;RI為矩陣的平均隨機(jī)一致性指數(shù),根據(jù)查閱相關(guān)資料,本研究構(gòu)建的判斷矩陣F為八階矩陣,其RI值為1.41[10]。

經(jīng)過上述計(jì)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(yàn)要求。

通過轉(zhuǎn)換特征向量X得到8項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)各自的權(quán)重,參照《全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)》中土壤養(yǎng)分評價(jià)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)及潘發(fā)明[12]對土壤容重的分級標(biāo)準(zhǔn),將各要素劃分為6個(gè)等級,每個(gè)等級的取值范圍見表2。

表2 土壤養(yǎng)分評價(jià)指標(biāo)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

土壤綜合養(yǎng)分評分(S)的計(jì)算式為

(2)

式中:Fi為某一項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的分值,取值為1~6;Ci為該項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重值;S為土壤綜合養(yǎng)分評分,經(jīng)過換算最終得到的某塊樣地土壤綜合養(yǎng)分評分的取值范圍在0~100之間。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同樣地土壤養(yǎng)分差異性分析

根據(jù)上述土壤綜合養(yǎng)分評分指標(biāo)體系,計(jì)算出各樣地的土壤綜合養(yǎng)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(gè)樣地整體(U3樣地群)的土壤綜合養(yǎng)分評分介于59.67~76.06之間,馬道及下邊坡坡腳的3個(gè)樣地整體(D3樣地群)的土壤綜合養(yǎng)分評分介于54.96~71.84??傮w而言,采用TBS技術(shù)修復(fù)的馬道上邊坡土壤綜合養(yǎng)分評分整體上優(yōu)于采用ESS技術(shù)修復(fù)的馬道及下邊坡坡腳土壤綜合養(yǎng)分評分。對馬道及下邊坡坡腳的3個(gè)樣地RL、RR、DC進(jìn)行比較,可以看出馬道下邊坡坡腳處的土壤綜合養(yǎng)分評分明顯高于馬道兩端處,接近于馬道上邊坡UC、UR兩個(gè)樣地的土壤綜合養(yǎng)分評分,低于上邊坡UL樣地。按平均土壤綜合養(yǎng)分評分大小排序,各樣地表現(xiàn)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(yǎng)分評分

本研究中,坡面上的土壤養(yǎng)分分布情況為上坡位和下坡位土壤養(yǎng)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(zhì)采用不同方式附著后成為坡面表層土壤狀物質(zhì),其受到附著強(qiáng)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(huì)影響土壤基質(zhì)中水分和養(yǎng)分的遷移與沉積;并且基質(zhì)土層在裸露條件下隨著時(shí)間推移土壤容重會(huì)逐漸發(fā)生變化;同時(shí),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(yǎng)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(yǎng)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(dòng)更大,引入了其他外源養(yǎng)分造成的,且本研究中各樣地植被恢復(fù)周期僅為2年,自然分布規(guī)律尚不顯著,這從側(cè)面也使得人為擾動(dòng)等偶發(fā)影響的效果被放大。此外,整個(gè)下庫左壩肩開挖邊坡經(jīng)不同措施復(fù)綠2年后,不論是應(yīng)用TBS技術(shù)還是ESS技術(shù)修復(fù)的邊坡,其樣地內(nèi)基材土壤的整體養(yǎng)分水平均處于合格狀態(tài),尚不需要人工介入進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。考慮到本研究選取的樣地整體恢復(fù)時(shí)間有限,因此后續(xù)仍需要通過取樣分析判斷其土壤與植物間的共生協(xié)調(diào)關(guān)系。

2.2 不同樣地土壤養(yǎng)分指標(biāo)差異性分析

本研究重點(diǎn)篩選了土壤容重和有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀等8項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合養(yǎng)分分析,在通過土壤綜合養(yǎng)分評分指標(biāo)體系求得各樣地的土壤綜合養(yǎng)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(yǎng)分評分與上述8項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果見圖2。

圖2 U3樣地群及D3樣地群土壤各養(yǎng)分指標(biāo)與土壤綜合養(yǎng)分評分的相關(guān)性

研究發(fā)現(xiàn),除土壤容重外,其他7項(xiàng)指標(biāo)均在不同程度上表現(xiàn)出與土壤養(yǎng)分的正相關(guān)性,各指標(biāo)按相關(guān)系數(shù)大小排序?yàn)椋河袡C(jī)質(zhì)>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(jī)質(zhì)、全氮和速效鉀是影響基材土壤養(yǎng)分最重要的3項(xiàng)指標(biāo);土壤容重在整體趨勢上呈現(xiàn)出與土壤養(yǎng)分的負(fù)相關(guān)性,考慮到其相關(guān)系數(shù)較低,故認(rèn)為其與土壤養(yǎng)分之間的相關(guān)性弱。土壤容重直接影響土壤孔隙度和透氣性,進(jìn)而間接影響土壤養(yǎng)分與水分的擴(kuò)散分布。

以U3樣地群為例,土壤綜合養(yǎng)分評分與土壤有機(jī)質(zhì)含量的相關(guān)性判定系數(shù)最大,為0.511 1,表明其與土壤有機(jī)質(zhì)含量的關(guān)聯(lián)性最強(qiáng),因此在土壤綜合養(yǎng)分改良中增加土壤有機(jī)質(zhì)含量所起到的改良效果最為明顯。土壤綜合養(yǎng)分評分與土壤全氮和速效鉀含量的相關(guān)性判定系數(shù)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(tài)對土壤綜合養(yǎng)分情況產(chǎn)生影響,土壤全氮含量在自然環(huán)境下長期處于動(dòng)態(tài)變化之中,它的消長取決于氮元素或含氮物質(zhì)的積累和消耗的相對情況[15],尤其是土壤有機(jī)質(zhì)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(yīng)狀況,進(jìn)而指示土壤綜合養(yǎng)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(dǎo)致速效鉀存在一個(gè)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(huì)有一定的不連續(xù)區(qū)段,若在此時(shí)進(jìn)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(guān)性將顯著降低。

除此之外,各指標(biāo)與馬道上邊坡U3樣地群土壤整體養(yǎng)分間的相關(guān)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(yǎng)分的相關(guān)性。即采用TBS技術(shù)進(jìn)行邊坡植被修復(fù)的U3樣地群,其土壤養(yǎng)分各指標(biāo)與整體養(yǎng)分評分之間的相關(guān)性較采用ESS技術(shù)進(jìn)行修復(fù)的D3樣地群更為顯著,這也反映出采用TBS技術(shù)進(jìn)行邊坡修復(fù)時(shí),土壤基材中的養(yǎng)分物質(zhì)對于土壤中相關(guān)養(yǎng)分指標(biāo)的提升效果更為明顯。兩組樣地群不同土壤養(yǎng)分指標(biāo)與綜合養(yǎng)分評分的相關(guān)性高低與前述構(gòu)建的土壤綜合養(yǎng)分評分指標(biāo)體系中各指標(biāo)的權(quán)重大小情況基本一致,證明本研究構(gòu)建的土壤綜合養(yǎng)分評分指標(biāo)體系整體較為可靠。

3 討論與結(jié)論

本研究針對采用TBS技術(shù)及ESS技術(shù)修復(fù)的抽水蓄能電站不同邊坡,結(jié)合土壤容重和有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀含量等不同指標(biāo)進(jìn)行土壤綜合養(yǎng)分特征分析,通過構(gòu)建土壤綜合養(yǎng)分評分指標(biāo)體系得到土壤綜合養(yǎng)分評分,并在此基礎(chǔ)上分析了應(yīng)用兩類技術(shù)修復(fù)2年的各邊坡樣地土壤養(yǎng)分的整體差異性及各養(yǎng)分指標(biāo)的差異性。

(1)應(yīng)用TBS技術(shù)修復(fù)的馬道上邊坡的3個(gè)樣地土壤綜合養(yǎng)分評分整體高于應(yīng)用ESS技術(shù)修復(fù)的馬道及下邊坡坡腳的3個(gè)樣地;在馬道及下邊坡坡腳的3個(gè)樣地中,下坡位的樣地土壤養(yǎng)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(gè)下庫左壩肩開挖邊坡經(jīng)TBS技術(shù)及ESS技術(shù)復(fù)綠2年后,各樣地內(nèi)基材土壤的綜合養(yǎng)分評分基本在60分以上,處于合格狀態(tài),考慮到人工構(gòu)建的植被群落與土壤的協(xié)調(diào)機(jī)制建立過程,目前不需要人工介入開展養(yǎng)分補(bǔ)充等養(yǎng)護(hù)工作。

(3)結(jié)合6個(gè)樣地共計(jì)30個(gè)取樣樣方得到的數(shù)據(jù),土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀是與土壤綜合養(yǎng)分評分相關(guān)性最為顯著的3項(xiàng)養(yǎng)分指標(biāo)。后期如需人工養(yǎng)護(hù)補(bǔ)充養(yǎng)分時(shí),可針對性地提高此3項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行土壤改良和養(yǎng)分提升;并且,采用TBS技術(shù)修復(fù)的坡面在改良反饋性上強(qiáng)于采用ESS技術(shù)修復(fù)的坡面。

綜上所述,抽水蓄能電站工程擾動(dòng)坡面整體裸露嚴(yán)重、土壤稀缺,采用含基材客土進(jìn)行修復(fù)能有效營造修復(fù)坡面植被生長所需的土壤環(huán)境,其中采用TBS技術(shù)修復(fù)的坡面在土壤養(yǎng)分表現(xiàn)方面優(yōu)于采用ESS技術(shù)修復(fù)的坡面。不過,考慮到本研究選取的樣地整體恢復(fù)年限較短,因此后續(xù)仍需要通過取樣分析判斷其土壤與植物間的共生協(xié)調(diào)關(guān)系,并結(jié)合植被的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行更為完整的土壤-植被養(yǎng)分供需特征研究。

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