雅砻江官地水电站生态护坡工程初期土壤肥力状况

吴 彬，刘 刚，2，3，肖 海，李铭怡，赵自超，魏科梁

（1.三峡大学 三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北 宜昌443002；2.西北农林科技大学 水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨凌712100；3.华中农业大学 资源与环境学院，湖北 武汉430070）

水电站开发在给人们带来巨大经济效益同时，也引发了植被破坏、水土流失等一系列生态环境问题［1－2］，如何恢复受扰植被已成为国内外生态学者关注的焦点［3］。目前对扰动区进行生态恢复的主要途径是选用适当的生态防护技术，配以特定的先锋植物种类，经过科学的养护管理，逐渐形成一个新的群落稳定态，最终实现人工植物群落向自然群落演替，形成以本地野生植物为优势种的稳定植物群落［4］。而恢复区的土壤肥力状况直接影响着群落先锋物种的拓殖和更替，甚至在一定程度上决定着植被群落的演替速率和演替方向［5］，是评价生态恢复成效的重要依据。因此，在水电建设扰动区的植被恢复期间进行土壤肥力分析具有十分重要的意义。关于雅砻江流域工程扰动区的植被恢复已有初步报道［6］，然而从土壤肥力角度研究水电站扰动区的植被恢复则鲜有报道。本研究以官地水电站工程扰动区的植被恢复为研究对象，对其恢复初期的土壤肥力状况进行综合评价，以期为水电工程扰动区的植被恢复建设提供技术和理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

雅砻江干流全长1 571km，天然落差3 830m，水力资源丰富，技术可开发容量3.46×107kW，蕴藏量占四川省全省的24%。而位于雅砻江干流下游的官地水电站，地处四川省凉山彝族自治州西昌市和盐源县交界处，属川西高原气候区，干、湿季分明。每年11月至次年4月为干季，5—10月为雨季，降雨集中，雨季降雨量占全年的90%～95%，多年平均降水量为1 077.4mm。多年平均蒸发量为1 548.7mm，相对湿度为74%。日温差大，电站区域年均气温为18.6℃，极端最高气温39.4℃、最低0.5℃。2008年水电站开始施工后，形成大量人工开挖边坡，其中用于试验性的生态恢复边坡样地总面积达7 917m2，主要使用两种边坡生态修复技术：（1）种植槽客土回填植草技术（ESS）。该技术是在边坡表面按设计间距打入锚杆，并在坡面外端预留一定的长度，通过预留锚杆段作为载体，在其上构筑钢筋混凝土槽，之后在槽内回填耕植土并种植相应的灌木及爬藤等以达到对坡面进行绿化的效果。该技术可以克服常规绿化中削坡环节所带来的损害，总体上达到综合治理费用的最低化［7－10］。（2）植被混凝土基材生态防护技术（CBS）。采用特定的混凝土配方和种子配方，对岩石边坡进行防护和绿化的新技术。即先在岩石体上铺上铁丝或塑料网，并用锚钉和锚杆固定；将混凝土原料经搅拌后由常规喷锚设备喷射到岩石坡面，形成近10cm厚度的植被混凝土；之后覆盖一层无纺布防晒保墑，同时水泥可使植被混凝土形成具有一定强度的防护层；经过一段时间洒水养护，青草就会覆盖坡面，揭去无纺布，茂密的青草将自然生长。该技术可以一劳永逸地解决岩坡防护与绿化问题［11］。

1.2 土样的采集与处理

2008年水电站进点施工后，形成大量人工开挖边坡，总面积达1.75×105m2。根据对边坡人工重建植被的实际状况和对其植物群落的分类及分析，按不同的高程和位置，在马道客土回填植草和开挖岩质边坡植被混凝土基材生态护坡技术两种典型植被恢复方式下［10］，选取4个代表性试验样地（左岸马道、左岸植被混凝土马道、右岸马道、右岸植被混凝土坡面，涵括实际恢复全貌）和1个对照（未经修复的坡地），分别编号A，B，C，D和E。各边坡样地基本情况详见表1。

表1 样地基本情况

以季度作为时间单位，从2009年第一季度开始对4个样地进行取样，直至2010年第4季度为止，共进行8次取样。而取样时，对每个样地用交叉对角线方式分别采取5个样点，取样深度为垂直坡面4～8 cm处。样品采集后，将土样中的碎石、植物残根等杂物剔除，平铺于厚纸上，摊成约2cm厚的薄层，然后放在干燥通风的地方自然风干。风干土样经研磨后选择1mm孔径的筛子分筛进行速效养分测定，而全量养分的测定用土则需通过0.149mm孔径的筛子分筛。经充分混匀后，采用四分法从中取出适量样品装入磨口瓶中备用。

各种土壤养分的测定［12－13］分别为：有机质采用K2Cr2O7容量法—外加热法；全磷采用NaOH熔融—钼锑抗比色法；速效磷采用0.5mol／L NaHCO3溶液浸提—钼锑抗比色法；速效钾采用1mol／L中性CHCOONH溶液浸提—火焰光度法；全氮采用浓H2SO4消煮—扩散吸收法；速效氮采用扩散吸收法。每个样品重复3次，取平均值。

1.3 土壤综合肥力评价方法

土壤肥力问题在很大程度上是土壤有机质的问题。而土壤有机质又是植物矿质营养和有机营养的源泉，本身含有氮、磷、钾、硫等植物所需的各种养分，其中氮、磷、钾则是是表征有机质及土壤肥力的3大主要元素，均显著影响植物的生长发育［12］。同时，在生态系统中，有机质和全氮又是表征土壤肥力质量的重要指标［13］，土壤中有机质含量的高低也直接影响土壤氮素供应水平，两者具有紧密的正相关关系。所以本研究根据全国土壤普查土壤肥力评价指标分级标准［12］（表2），选取有机质、全氮、全磷、速效氮、速效磷和速效钾作为土壤肥力评价因子。这6个因子虽然对植被生长都具有较明显的影响，但各因子的影响程度又不尽一致。其中，有机质对土壤的物理结构有重要的作用，所以将其确定为一级因子，其它为二级因子。土壤肥力评价分为3步完成：首先，根据各个土壤样品实验室测定数据和土壤肥力评价指标分级标准［12］，确定各项因子的单项级别（Gi）；其次，计算全氮、全磷、速效氮、速效磷和速效钾的综合级别，将5个养分因子综合为一个因子即养分综合指数（Xi），其单项级别等于5个养分因子的综合级别；最后，计算出有机质和养分综合指数2个因子的综合级别作为土壤的标准综合级别（G），从而对土壤肥力做出评价。具体计算方法为：

（1）单项级别计算公式：

式中：i——参与评价的因子序号；j——因子的级别序号；Gi——第i个因子的单项级别，为已达到的标准级别；Gij——已达到级别的标准值；Bi（j＋1）——已达到级别的下一级标准值；Xi——第i个因子的实测值。当各肥力因子实测值超过2级标准值时，其单项级别均记为1.0，即各因子对植被生长的贡献已达最佳水平。

表2 土壤肥力评价指标分级标准

（2）各因子的权重（Wi）的计算公式：

式中：Xi——因子实测值；Bi——第i个因子5级划分中标准值的平均值；Wi——因子权重系数。

（3）综合级别指数（G）通过各因子的权重对单项级别进行加权平均，计算公式为：

式中：n——参与评价的因子数。

1.4 数据处理

数据经Excel整理后，采用SPSS 17.0统计分析软件进行差异显著性分析，结果经由Oringin 6.0软件绘图表示。

2 结果与讨论

2.1 有机质含量分析

从图1可以看出，各样地土壤有机质含量以样地A最高为1.86g／kg，其次为样地D，为1.71g／kg，均显著高于样地B和C，这可能是由于在特定条件下样地植被的生物贡献量相对较大，说明植被的长势也会影响土壤的肥力水平。此外对照样地E最低为1.01 g／kg，均显著低于其它4个样地，由此说明这两种生态修复技术均会对土壤有机质含量有所提高。但参照土壤中有机质含量分级［14］来看，5块样地均为极低水平，说明整个恢复区有机质含量还是很贫瘠。其原因一方面由于处在恢复初期，边坡草灌丛凋落物对有机质含量的贡献有限；另一方面由于本底值偏低，在基材配备中，对有机质的添加量较低。

2.2 钾元素含量分析

从图1可以看出，各样地土壤速效钾含量以样地D最高为264.27mg／kg，其次为B，C和A，分别为260.37，201.48和199.64mg／kg，E显著低于其它样地为139.36mg／kg。D与B样地均显著高于其它3个样地，主要也是因为恢复样地的土壤基材中添加了复合肥，对土壤中钾的含量有一定的影响［15］。

图1 官地水电站各样地有机质和速效钾含量的比较

2.3 磷元素含量分析

由图2可知，各样地土壤全磷含量以样地D最高为1.73g／kg，其次为B，C与 A，分别为1.67，0.67和0.64g／kg，对照样地E最低，为0.44g／kg，D样地极显著高于其它4个样地。各样地速效磷含量（图2）与全磷表现一致，也是对照样地E最低，仅为2.70mg／kg，而样地D最高，含量为71.07mg／kg，其次是B，C和A样地，其中样地B和D极显著高于其它3个样地，这主要是因为植被混凝土生态防护技术所使用的土壤基材中使用了含磷量较高的绿化添加剂［15］。

图2 官地水电站各样地全磷和速效磷含量的比较

2.4 氮元素含量分析

图3表明，各样地土壤全氮含量以A最高为0.59g／kg，其次为样地C，B与D，分别为0.53，0.47和0.44g／kg，E最低0.37g／kg。A样地显著高于其它样地，对照样地则显著低于其它样地，B和D两个样地之间无显著差异。各样地速效氮（图3）含量与全氮一致，样地A最高为39.22mg／kg，其次为C，B，D和E样地，其中样地E为14.73mg／kg，也均显著低于其它样地。究其原因一方面由于恢复样地的土壤基材中均添加了复合肥，影响氮元素的含量。另一方面，土壤氮素的消长还主要取决于生物积累和分解作用的相对强弱，气候、植被，特别是水热条件，对氮素含量的影响极其显著。

图3 官地水电站各样地全氮和速效氮含量的比较

2.5 各样地肥力综合评价

由标准综合级别法求出的综合级别指数G的大小直接反映了土壤肥力的高低，其肥力综合指数越小，肥力状况就越好，越有利于植被生长。通过图4可以看出，官地水电站各样地土壤肥力综合评价级别指数G值以右岸植被混凝土护坡技术修复边坡B最低为3.41，其次是D为3.55，两者的指数值均显著低于其它样地，表明其综合肥力较高。对照样地最高，为4.52，显著高于其它4个样地，与其它4个样地均存在显著性的差异。A与C样地指数值则介于E样地与B、D样地之间，与这三组之间均存在显著性差异，而A与C两个样地之间并无显著性差异。由此表明，两种生态护坡技术特别是植被混凝土护坡技术，均能有效地改善官地水电站工程扰动区的土壤肥力状况，但植被混凝土生态防护技术对土壤肥力的改良效果优于种植槽客土回填植草技术。

图4 官地水电站各样地土壤肥力综合评价指标比较

3 结论

选定的4块修复边坡样地土壤中有机质、全氮、全磷、速效氮、速效磷和速效钾含量均高于对照样地，且土壤肥力水平显着高于未经修复的对照边坡，即人工修复技术对于工程扰动区开挖边坡的生态修复以及土壤生态环境的提高有重要作用。而经人工修复的各边坡样地中，以植被混凝边坡的肥力最高，由此说明植被混凝土护坡技术的修复效果要高于种植槽客土回填植草生态护坡技术。综上表明，生态护坡技术能有效改善官地水电站工程扰动区的土壤环境，其中以植被混凝土护坡技术的改善效果最佳。

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