不同框架形状切挖边坡土壤大量元素有效含量的差异性<br/>——以遂渝铁路遂宁车站区域为例

不同框架形状切挖边坡土壤大量元素有效含量的差异性
——以遂渝铁路遂宁车站区域为例

2021-09-13艾生豪张雯娟高道江

四川师范大学学报（自然科学版） 2021年5期

艾生豪，张雯娟，高道江*

（1.四川师范大学化学与材料科学学院，四川成都610066； 2.重庆市北新巴蜀中学校，重庆401520）

在山区道路修建、矿山开采、水电开发等工程建设中，经常要进行山体的开挖，造成数量巨大的切挖边坡［1-3］.随着基础设施建设投资力度的加大，山区各种工程建设形成的切挖边坡将会逐年递增［4-5］.切挖边坡导致原有土壤和植被覆盖层剥离，产生的裸露工程创面使景观环境遭到严重破坏，引起的水土流失、地质灾害现象十分普遍，对山区工程建设以及区域生态文明建设带来诸多不良影响［4，6］.切挖边坡的防护与绿化是当今切挖边坡生态治理的必然途径，而不少切挖边坡通常需要采用框架护坡才能发挥良好的防护与绿化作用［7-8］.切挖边坡的框架是一种混凝土构架，其框架形状因设计施工不同而形状各异，菱形框架、拱形框架是切挖边坡常用的护坡框架形状.在菱形框架、拱形框架的切挖边坡或其他形状切挖边坡的框架内，通过回填土壤或喷射植生基材的方式，构建一层满足植物生长的人工土壤层，达到实现植被恢复重建的效果.氮磷钾作为土壤大量元素，其有效含量的多少对土壤质量和植物生长有着直接影响［9-11］.目前，有关不同框架形状切挖边坡土壤大量元素有效含量的研究尚未见文献报道.本研究对菱形框架、拱形框架、无框架的切挖边坡以及自然边坡土壤碱解氮含量、土壤有效磷含量、土壤速效钾含量进行了研究，以期为切挖边坡合理治理提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况研究区位于四川省盆地中部的遂渝铁路遂宁车站附近，地处东经30°32′，北纬105°32′.该区域为丘陵低山地区，地质构造简单，褶皱平缓，属于四川盆地亚热带湿润季风气候区，气候温和，雨量充沛，四季分明，年平均气温18.2℃，年平均降水量1 123.4 mm，年日照时数1 116.5 h.该区域下部岩层以石灰岩为主，上部岩层以紫红色沙岩、泥岩为主，土壤类型为紫色土，属于我国紫色土的典型分布区域.

1.2 样品采集和测定遂渝铁路修建时，因施工设计等需要，切挖边坡的常见类型为菱形框架、拱形框架和无框架的切挖边坡（图1）.在遂渝铁路遂宁车站附近，选取典型的菱形框架、拱形框架、无框架切挖边坡以及典型的自然边坡共4种类型.切挖边坡为2003年2月开始修建遂渝铁路时切挖山体所产生，人为客土到切挖边坡创面的土壤厚度有10 cm左右.对4种类型边坡分别设置3个重复，按照S形多点混合的原则对每个重复进行采样，于2017年3月采集0～10 cm土层的土壤样品.每个重复的各采集点土壤样品进行充分混合，然后装入塑封袋中带回实验室进行处理.用四分法从每个土样中取1 kg左右土壤作为实验分析样品.土样在室内进行自然风干，然后去除植物根系、植物残体和石块后研磨，过1 mm筛供测定分析用.土壤碱解氮含量的分析测定采用碱解扩散-硼酸吸收法，土壤有效磷含量的分析测定采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法，土壤速效钾含量的分析测定采用醋酸铵浸提-火焰光度法.

图1 切挖边坡类型Fig.1 Cut slope types

1.3 数据处理对实验数据利用Excel进行整理之后，再使用SPSS 20.0对实验数据进行分析处理.

2 结果与分析

2.1 不同框架形状切挖边坡土壤碱解氮含量土壤碱解氮亦称为土壤有效性氮，是土壤所提供的容易被植物吸收利用的营养元素，是铵态氮、硝态氮、氨基酸氮和易水解蛋白质氮的总和.土壤碱解氮与植物生长关系密切，能较好地反映近期内土壤的氮素供应状况和氮素释放速率，土壤中碱解氮含量和变化趋势是判断土壤氮素丰缺状况以及供给能力的重要指标［12］.表1给出了不同切挖边坡类型的土壤碱解氮含量，其中菱形框架、拱形框架、无框架切挖边坡土壤碱解氮质量分数分别为72.12、51.33和63.21 mg/kg，菱形框架切挖边坡土壤碱解氮含量最高，拱形框架切挖边坡土壤碱解氮含量最低，但无论何种框架形状的切挖边坡还是有无框架的切挖边坡，相互之间土壤碱解氮含量差异均不显著.自然边坡土壤碱解氮质量分数为126.0 mg/kg，自然边坡土壤碱解氮含量显著高于菱形框架切挖边坡、拱形框架切挖边坡、无框架切挖边坡土壤碱解氮含量（P＜0.05）.

表1 不同切挖边坡类型的土壤碱解氮含量Tab.1 Soil available N content in different cut slope types

切挖边坡土壤是人为客土到切挖边坡创面所形成，从客土到采集土样时虽然已过去14 a左右的时间，但切挖边坡与自然边坡相比，其土壤碱解氮含量仍然很低.这表明无论何种框架形状的切挖边坡还是有无框架的切挖边坡，均不利于土壤碱解氮的转化形成，将会对植物的生长发育带来不良影响，其土壤氮素有效含量以及氮素供给能力明显不如自然边坡，其植被恢复也可能会差于自然边坡.由于铁路周边一定范围内禁止农业生产活动，周边农田的氮素一般不会流失到切挖边坡，而切挖边坡依靠降雨等因素带来的氮素又有限，所以无论何种框架形状的切挖边坡还是有无框架的切挖边坡，其土壤氮素在一定时期内都可能很低，形成的土壤碱解氮也会很低，这可能是菱形框架切挖边坡、拱形框架切挖边坡、无框架切挖边坡土壤碱解氮含量之间差异不显著的主要原因.

在全国第二次土壤普查养分分级标准以及行业标准中，土壤碱解氮含量分级标准如下：＞150 mg/kg为很丰富、120～150 mg/kg为丰富、90～120 mg/kg为中等、60～90 mg/kg为缺乏、30～60 mg/kg为很缺乏、＜30 mg/kg为极缺乏［13-15］.从以上分级标准可以看出，自然边坡土壤碱解氮含量属于丰富的范围，而菱形框架切挖边坡、拱形框架切挖边坡、无框架切挖边坡土壤碱解氮含量属于缺乏的范围.因此，各种类型切挖边坡都需要采取提高土壤有效氮含量的相应对策，才能确保切挖边坡坡面植物的氮素营养需求.土壤碱解氮主要来源于土壤中生物体的分解，自然边坡没有受到人为的破坏，坡面植物生命周期结束后回归土壤并有长期大量的生物体积累，为自然边坡土壤碱解氮提供了较多的来源，这可能主要是自然边坡土壤碱解氮含量比其他边坡类型土壤碱解氮含量高的原因［13，16］.

2.2 不同框架形状切挖边坡土壤有效磷含量土壤有效磷是土壤磷素供应的重要指标，为植物生长期内能够被植物根系吸收利用的磷素，一般包括土壤溶液中的磷、弱吸附态磷、交换性磷和易溶性磷等［17］.土壤有效磷含量的影响因素除土壤磷化合物本身状况外，还受土壤性质以及人为耕作施肥等因素的影响［18-19］.表2给出了不同切挖边坡类型的土壤有效磷含量，菱形框架切挖边坡土壤有效磷质量分数为27.68 mg/kg、拱形框架切挖边坡土壤有效磷质量分数为24.75 mg/kg，虽然菱形框架和拱形框架2种切挖边坡的框架形状有差异，但它们的土壤有效磷含量差异不显著.无框架切挖边坡土壤有效磷质量分数为15.34 mg/kg，显著低于菱形框架、拱形框架切挖边坡土壤有效磷含量，切挖边坡框架的有无会对土壤有效磷含量带来明显的影响，没有框架结构的切挖边坡不利于有效磷在土壤中的形成和积累.

表2 不同切挖边坡类型的土壤有效磷含量Tab.2 Soil available P content in different cut slope types

土壤受到侵蚀会显著地改变土壤有效磷含量，土壤有效磷含量随着侵蚀程度的加深而下降，无框架切挖边坡由于没有框架的阻挡，土壤侵蚀比菱形框架、拱形框架切挖边坡会更严重，土壤侵蚀的增加可能会导致无框架切挖边坡土壤有效磷含量的明显降低［18，20］.自然边坡土壤有效磷含量为48.20 mg/kg，自然边坡土壤有效磷含量显著高于菱形框架切挖边坡、拱形框架切挖边坡、无框架切挖边坡土壤有效磷含量（P＜0.05）.

在全国第二次土壤普查养分分级标准以及行业标准中，土壤有效磷含量分级标准如下：＞40 mg/kg为很丰富、20～40 mg/kg为丰富、10～20 mg/kg为中等、5～10 mg/kg为缺乏、3～5 mg/kg为很缺乏、＜3 mg/kg为极缺乏［13-15］.从以上分级标准可以看出，自然边坡土壤有效磷含量属于很丰富的范围，而菱形框架切挖边坡、拱形框架切挖边坡土壤有效磷含量属于丰富的范围，无框架切挖边坡土壤有效磷含量属于中等的范围.经过框架处理的切挖边坡，无论框架形状如何，都可起到有利于切挖边坡稳定、减少坡面水土流失的作用，并能提高土壤有效磷含量，对切挖边坡坡面植物生长发育的磷素供应将会有促进效果.

2.3 不同框架形状切挖边坡土壤速效钾含量土壤速效钾是衡量土壤钾素供给能力的主要指标，能够直观地反映一定时期内土壤可供植物利用的钾素含量水平.土壤速效钾包括交换性钾和水溶性钾.土壤中钾素对植物最有效的形态为速效钾，土壤速效钾与土壤钾素循环利用密切相关，能直接反映土壤的钾素肥力状况［11，21］.表3给出了不同切挖边坡类型的土壤速效钾含量.

表3 不同切挖边坡类型的土壤速效钾含量Tab.3 Soil available K in different cut slope types

因框架形状不同，菱形框架切挖边坡土壤速效钾含量显著高于拱形框架切挖边坡土壤速效钾含量（P＜0.05）.因框架有无不同，菱形框架切挖边坡土壤速效钾含量显著高于无框架切挖边坡土壤速效钾含量，但拱形框架切挖边坡与无框架切挖边坡的土壤速效钾含量之间没有显著差异.自然边坡土壤速效钾质量分数为272.30 mg/kg，自然边坡土壤速效钾含量显著高于菱形框架切挖边坡、拱形框架切挖边坡、无框架切挖边坡土壤速效钾含量（P＜0.05）.

在全国第二次土壤普查养分分级标准以及有关标准中，土壤速效钾含量分级标准如下：＞200 mg/kg为很丰富、150～200 mg/kg为丰富、100～150 mg/kg为中等、50～100 mg/kg为缺乏、30～50 mg/kg为很缺乏、＜30 mg/kg为极缺乏［13-15］.从以上分级标准可以看出，自然边坡和菱形框架切挖边坡土壤速效钾含量都属于很丰富的范围，拱形框架切挖边坡和无框架切挖边坡土壤速效钾含量都属于丰富的范围.土壤速效钾含量受到土壤有机质、耕作施肥、土壤水分、土壤酸碱度等因素的影响，有研究表明土壤速效钾含量与有机质含量有极显著的正相关关系［11］.自然边坡因植物枯枝落叶多，通过在土壤中植物枯枝落转化为有机质的长期积累过程，会使自然边坡土壤有机质不断增多，也为土壤速效钾含量的提高创造了条件，这可能是自然边坡土壤速效钾含量在几种边坡类型中最高的主要原因.