输电线路塔基施工余土的改良及其植物生长试验

洪 倩，陈晓枫，余蔚青，李 熙，刘 青，王熙瑾

(1.国网经济技术研究院有限公司，102209，北京；2.紫光软件系统有限公司，100084，北京； 3.国网福建省电力有限公司电力科学研究院，350007，福州)

近年来，随着我国经济的持续发展，电网工程呈现大幅增长态势。输电线路工程作为电网工程的重要组成部分，其线路塔基基础施工及调整塔腿高差的过程中，均会产生一定量的余土[1]，根据全国电力可靠性年度报告，截至2020年，我国220 kV及以上输电线路总里程已经从2017年的68.8万km增加至79.4万km。按照线路档距300～400 m推算，输电线路塔基接近200万座，建设工程量巨大。根据我国相关电力技术规范，基础设计的尺寸往往较大，设计较为保守[2]，随着我国特高压电网的全面铺开以及同塔多回线路、紧凑型线路、大截面导线等输电新技术的大力推广，输电线路塔基大荷载、大型化的趋势愈发明显，这也导致塔基施工余土产生量进一步提高[3]。这些余土因产生位置相对分散，且间隔式分布，往往不易处置；由于线路设计规范的要求及相关环境保护敏感目标避让原则，导致大多输电线路工程在选线阶段受限较多[4]，尤其是电压等级高、输电距离长的线路工程，其涉及到的地形地貌复杂多样，增加了线路塔基施工余土的处置难度[5-7]。针对输电线路塔基点式线状分布且单塔基余土量较小的特点，余土处置往往优先考虑原位就地处置，确保不产生新的水土流失[8]。此外，根据GB/T 50434—2018《生产建设项目水土流失防治标准》要求，在余土就地处置后需开展植被恢复工作。因此，将余土作为后期植被恢复的种植土就成为解决余土原位处置与植被恢复连续问题的一种新思路。

不同地区工程施工余土组分差异较大，但主要问题是余土多为工程地基深处的生土，存在土壤结构性能差、肥力低下等问题。所以，余土的结构改良和肥力提升成为其应用为植被建造的关键和热点问题。李建明等[9]从余土的土壤密度与孔隙度方面研究证明，当余土砾石含量较高时，与原状土相比，余土的密度偏大、孔隙度偏小；当余土沙砾含量较高时，则余土的密度偏小，孔隙度偏大；余土属于深层生土移出，土壤结构性差，保水保肥性能较差。张仕艳等[10]研究发现，工程余土的有机质含量远低于原状土，余土全氮和速效钾含量较原状土降幅都超过50%。如直接在余土上撒播植物种子进行植被恢复，往往难以存活[11-12]，造成工程水土流失防治标准中植被恢复率及林草覆盖率等相关指标很难达标，进而无法满足工程水土保持验收条件。

因此，笔者以输电线路工程塔基施工产生的余土改良为植被群落建造基质作为目标，通过保水剂与有机肥不同比例添加对余土土壤结构改良和肥力提升效果分析，以及用于植物种植的效果分析，以期为余土改良为种植土的可行性提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

土壤试样来自湖南华润鲤鱼江电厂500 kV送出工程B1号杆塔基础施工产生的余土。现场调研该塔基所处地貌为丘陵，余土为粉质黏土，并混杂有少量细砂及风化岩碎屑。土壤试样有机质10.8 g/kg，全氮0.72 g/kg，全磷0.88 g/kg，全钾14.56 g/kg，碱解氮68.0 mg/kg，有效磷35.5 mg/kg，速效钾97.6 mg/kg。参照《全国第二次土壤普查养分分级标准》，试验用余土除磷元素处2级，其余养分指标均处4～5级的中等偏下水平。

试验所选保水剂为农林业保水剂(super absorbant polymer，SAP)，主要成分为丙烯酰胺-丙烯酸钾共聚交联物，蒸馏水吸水倍数151.56，徐州复苏新材料科技有限公司提供。有机肥中有机质>45%，总养分>5%，腐殖酸>10%，氨基酸>10%，北京中农益生源生物科技有限公司生产。

1.2 试验设计

试验分室内和室外2部分。室内试验综合参考农田与林草地等不同场景下土壤改良保水剂用量的相关文献资料[13-16]，考虑异质性和显著性进行设计，保水剂和有机肥各设置3个梯度，采用双因素全组合法，共计9个处理组及1个对照组(表1)。每组10次重复，以5次重复为1批，共设置2个批次。室外试验为植物种植试验，根据对现场原生植被群落调查，试验植物种子为混播配方，以乡土植物种子为主，包括猪屎豆(Crotalariapallida)、黑麦草(Loliumperenne)、百喜草(Paspalumnotatum)、狗尾草(Setariaviridis)和波斯菊(Cosmosbipinnatus)，总计3.3 g/箱(其中：猪屎豆0.5 g、黑麦草1.2 g、百喜草1.0 g、狗尾草0.4 g、波斯菊0.2 g)，每组均采用同样配方植物种子进行生长试验。

表1 室内试验余土改良处理Tab.1 Residual soil improvement treatment in laboratory experiment g

室内试验在种植箱内完成，箱体底面长宽30 cm×30 cm正方形，高20 cm(底部有排水层)。每个种植箱中称取5 kg原始余土，分别按设计将保水剂和有机肥充分混合后进行填充10 cm，在其尚均匀撒施植物种子，再添加约2 cm左右的混合土壤覆盖。定植后，在每个种植箱中均一次性加入1 L水，且此后的每次浇水，各种植箱均同步进行，尽可能使整个试验阶段各种植箱内土壤的水分外部输入条件一致。

整个室内试验从2021年1月开始种植，至播种后2周左右，部分种植箱内陆续开始萌发；于2021年3月初将第1批每个种植箱内的所有植物在确保地下和地上部分完整的前提下取出，整理切分后进行试种植物群落地下和地上部分生物量测定；于2021年5月底将第2批种植箱内所有植物同样进行2部分生物量的测定。在对2个批次种植箱内植物进行生物量测定的同时，采用环刀取各种植箱内0～10 cm土样，充分混合进行土壤养分指标测定。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤养分指标测定 土壤有机质采用重铬酸钾容量法进行测定，全氮采用凯氏蒸馏法进行测定，全磷采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法进行测定，全钾采用碱焰-火焰光度计法进行测定，碱解氮采用碱解-扩散法进行测定，有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法进行测定，速效钾采用分光光度计法进行测定。每个土样重复测定3次，取算术平均值进行统计。

1.3.2 植物生物量测定 每个种植箱内的所有植物在取出并洗净土壤后，切分为地下和地上2部分，在60 ℃条件下烘干至恒定质量，用精度0.01 g的电子天平称量后即为各种植试验组群落的地下和地上部分生物量。

1.4 数据处理与分析

本研究通过对试验数据进行主成分分析，通过降维转换重新组合成一组互相无关的综合指标，用以进行各试验组改良效果的综合评判。

1.4.1 数据处理 结合本次试验设计，一共设有n个试验组别，每个试验组共m个指标，第i个试验组的第j个评价指标取值为xij(i≤n，j≤m，n=10，m=9)。通过式(1)将各原始指标值xij转换为标准化指标Zij：

(1)

(2)

(3)

1.4.2 矩阵计算 本次室内试验的相关系数矩阵

式中：rij为原始变量指标xi与xj的相关系数，rij=rji，其计算公式为

(4)

1.4.3 矩阵特征值及特征向量求解 通过矩阵计算求出上述矩阵R的若干特征值λj，并按从大到小的顺序进行排列，即：λ1≥λ2≥…≥λj≥0；随后分别求出对应于特征值λj的特征向量u1，u2，…，uj。由特征向量组成的j个新的指标变量为：

1.4.4 主成分贡献率计算 主成分yj的贡献率

(5)

主成分y1，y2，…，yp的累积贡献率

(6)

当ap接近于1时，则选择前p个变量指标y1，y2，…，yp作为p个主成分，代替原来的m个变量指标，即可对p个主成分进行综合分析。

1.4.5 综合评价得分计算

(7)

式中P为综合评价得分。

2 结果与分析

2.1 对施工余土养分影响

2.1.1 土壤有机质 土壤有机质含量是评价土壤整体养分水平最重要的指标之一[17-18]。本研究在播种2个月和5个月的土壤有机质质量分数见图1和图2。

图1 第一批(2个月生长期)各试验组土壤有机质 质量分数Fig.1 Soil organic matter contents of each experimental group in the first batch (2 months growing period)

从图1可知，播种2个月的试验组土壤有机质质量分数较对照组均有增加。其中，增幅最显著的是A3B3组，达到44.05%。土壤有机质质量分数与有机肥用量成正比，用量最高试验组提升效果最明显；在有机肥用量50 g的A1B1、A2B1和A3B1组中，随保水剂用量增加，土壤有机质质量分数比对照组分别提升4.41%、6.53%和13.87%；在有机肥施用量为100 g组别中，保水剂用量为50 g的A2B2组土壤有机质质量分数高于另2个组别，较对照组提升22.51%；保水剂用量最高的A3B2组土壤有机质质量分数最低；在有机肥用量增加到150 g时，A1B3、A2B3和A3B3土壤有机质质量分数较为接近，较对照组差异低于2%。

采用保水剂配合有机肥混施进行土壤改良，土壤有机质质量分数随保水剂用量增加同步增加。主要是保水剂能够改善土壤结构，促进土壤团聚体形成，加速外源有机物质输入，提升土壤有机质质量分数[19]。但A3B2组结果表明，保水剂和有机肥在混合时存在一定潜在拮抗作用，即土壤有机肥与保水剂合理配比，超过该配比保水剂可能会使土壤有机质质量分数降低，这与宋双双等[13]研究结论吻合。

图2 第二批(5个月生长期)各试验组土壤有机质 质量分数Fig.2 Soil organic matter contents of each experimental group in the second batch (5 months growing period)

从图2发现，经过5个月生长期后，所有改良组中土壤有机质质量分数增幅最大的是A1B3组，达到20.35%。有机肥施用量为50 g的3组整体提升效果不明显；有机肥施用量为100 g(B2组)和150 g(B3组)的各组土壤有机质质量分数较对照组整体提升较为明显，增幅达到16.03%～18.99%，且B2组与B3组之间差异很小。

随着生长期的延长，改良试验组土壤有机质质量分数较对照组增幅有所降低，这与植物萌发后生长阶段对土壤有机碳吸收有关。试验中，B2和B3组土壤有机质质量分数接近原因可能是各组内植物小型群落建植后，对有机肥外的碳源获取有所差异，通过能量流动等方式反馈到土壤中导致[20]。此外，保水剂过量会影响土壤通透性和土壤微生物活动，造成微生物活性和土壤有机碳的累积差异[21]。

2.1.2 土壤氮磷钾 土壤中氮、磷、钾含量对土壤养分评价十分重要[22-24]。从表2看出，各试验组土壤氮磷钾元素总体质量分数及速效成分质量分数均高于改良前余土。其中，2个月时期的A2B3组全氮、全磷、全钾质量分数均最高，较对照增幅分别为65.28%、34.09%和36.40%；5个月时期A2B3组的全氮、全磷同样最高，A2B2组全钾提升显著。A1B3组的碱解氮、有效磷质量分数最高，速效钾质量分数最高的是A2B2组，较对照组分别提升24.27%、47.61%、7.38%；5个月时期A2B2组中碱解氮、速效钾最高，A2B3组有效磷提升效果最显著。

从土壤中氮磷钾元素全体及速效成分对比看，2个时期试验组数据差异不大，说明本试验模拟种植试验均建植成功，且均初步形成了相对稳定的人工小型植被群落。保水剂配合有机肥施用有助于提高有机肥中的氮磷钾元素快速降解，但保水剂用量不可过多，否则反而会阻碍土壤中氮磷钾等营养元素累积。2个生长期试验表明，随着植物生长，土壤中的氮磷钾元素会逐步升高，证明植被群落营建有助于改善其适生条件，使局部微环境向着促进生态系统能量流动方向改善，对人工植被群落提供演替的外营力[25-26]。

2.2 对施工余土植被生物量累积的影响

2.2.1 地上生物量 图3表明，采用有机肥与保水剂混合施用对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显著提升。

2个月时期A1B2组地上部分生物量最高，比对照高141.44%，增幅超1倍以上；5个月时期A1B3组地上部分生物量最高，比对照组高89.57%，增幅近1倍。在有机肥用量一定的条件下，保水剂用量增加使植物群落地上生物量呈现降低趋势。在植物群落建植初期，即2个月时期A1组别、A2组别、A3组别的植物群落地上部分生物量分别比对照组高102.40%、63.66%、7.51%；植物群落建植稳定后，即5个月时期A1组别、A2组别植物群落地上部分生物量分别比对照高75.22%、42.90%，A3组别比对照组降低14.06%。可见保水剂过量使用可能会抑制植物生长，在一定程度上阻碍其生物量积累[27]。

表2 各试验组土壤氮磷钾质量分数Tab.2 Contents of soil nitrogen, phosphorus and potassium in each experimental group

图3 各试验组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个批次试验地上部分生物量的差异表明，在生长期2个月时，随着有机肥的增施，地上部分生物量出现先增后减；生长期到5个月时，随着有机肥施用量增加，地上部分生物量同步递增。这可能是不同生长时期群落某些植物，过量施用有机肥会抑制其生长，导致生物量降低[28]。具体到本试验，2个月生长期内，群落优势物种以豆科猪屎豆为主，5个月时禾本科的黑麦草及狗尾草等逐步成为优势物种；不同种类的植物对养分需求各异，造成群落地上部分生物量与有机肥施用量响应的区别。

2.2.2 地下生物量累积 保水剂与有机肥混合配比下同物种的人工植物群落地下部分的生物量见图4，可以看出，采用有机肥与保水剂混施对工程施工余土改良后，种植植物群落地下部分生物量整体上比原状土有显著提升。在2个月时期A2B3的植物地下部分生物量最高，比对照高115.79%，增幅1倍以上；5个月时期A1B3的植物地下部分生物量最高，比对照高127.57%，增幅超1倍以上。

图4 各试验组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

在有机肥用量一定的条件下，2个月时期试验A1组别、A2组别、A3组别植物地下部分生物量分别比对照组高56.73%、80.70%、12.28%，A2组别为更高地下部分生物量；5个月时期时A1组别、A2组别、A3组别植物地下部分生物量，分别比对照组高106.13%、51.17%、39.10%，即随着保水剂用量加大，植物地下生物量反呈递减。综上可见：保水剂过量使用同样会对植物生长产生一定抑制，这可能是通过造成土壤板结，降低土壤孔隙度抑制植物根系呼吸作用，延缓其生物量的积累[29]。

2.3 改良施工余土后植被恢复的综合评价

采用主成分分析法对余土改良种植试验的土壤养分及植物生物量等进行综合评价(表3和4)，从土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾、地上生物量、地下生物量等9个指标中，提取出3个主成分，其累积贡献率达到92.603%(表3)，可用来反映整个9项指标的总体信息。

表3 各试验组土壤养分指标及植物生物量指标 的主成分特征值及累积贡献率Tab.3 Principal component eigenvalues and cumulative contribution rates of soil nutrient indexes and plant biomass indexes in each experimental group

表4 各试验组土壤养分指标及植物生物量指标的主成分得分系数矩阵Tab.4 Principal component score coefficient matrix of soil nutrient indexes and plant biomass indexes of each experimental group

根据表4矩阵中各指标对应的主成分得分系数作为主成分所对应的每个指标的系数，得到保水剂与有机肥混施改良施工余土后植被恢复综合评价3个主成分的函数表达式为：

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。

在此基础上，通过3个主成分的特征值合成整个综合评价模型：

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

考虑到2个生长阶段各项指标差异，故选取5个月时期的相关数据代入计算，得到保水剂与有机肥混施改良施工余土后植被恢复效果室内试验的综合评分(表5)。可看出，保水剂与有机肥混施改良余土后对植被恢复效果是显著的，这从各改良试验组的综合评分均高于对照组可看出。此外，改良效果最好是施用“50 g保水剂+100 g有机肥”，其次是施用“25 g保水剂+150 g有机肥”和“50 g保水剂+150 g有机肥”。

表5 各试验组土壤养分及植物生物量的水平综合评分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复的野外试验

为验证室内试验结果，在原始余土采集地B1号杆塔塔下进行植被恢复验证试验。沿用室内试验的A2B2、A1B3、A2B3组别的改良组分，即5kg原始余土分别添加“50 g保水剂+100 g有机肥” “25 g保水剂+150 g有机肥”和“50 g保水剂+150 g有机肥”，以未改良的对照组为对照。

2021年6月在组塔工程完毕后，按设计将不同处理改良余土及原始余土分别均匀铺洒在塔下厚度约20 cm，每区域面积约200 m2，用红色标志线区分成4个区域，采用室内试验同样植物混播配方，每区域均匀混播植物种子约7 kg，并专人看护现场减少人为扰动。2021年8月及2021年11月分别2次样方调查统计恢复现场的植物出苗率及植被覆盖率(表6)，现场布设照片见图5。

由表6和图5可见，试验组植被恢复明显优于对照组，且试验组的植被恢复与室内试验的综合评分基本一致，证实室内试验结果的可信度。

表6 余土改良后应用于植被恢复的野外验证试验指标Tab.6 Experimental indexes of residual soil improved for vegetation restoration in field validation %

图5 试验组及对照组混播植物群落野外验证效果Fig.5 Field verification effect of mixed plant community of experimental groups and control group

3 结论与讨论

1)本研究通过室内及室外试验证明，采用保水剂和有机肥混合改良输电线路工程塔基施工余土养分含量，保水剂施用能够在一定程度上改善土壤结构，保持并提升土壤有机质含量，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复过程中的整体效果有所不同，整体均优于对照组。

2)为了将人工植被群落生物量指标和土壤理化性质指标转化为统一的可直接进行比较的综合指标，本文通过运用主成分分析法，从多个变量中提取出3个主成分进行综合分析，从而得出该塔基既定植被恢复模式下，“保水剂50 g和有机肥100 g”改良配方下的土壤改良和植被建植促生效果最佳。与前人研究结论相比，具体改良配方用量存在一定差异。这主要是由于研究目标区域土壤条件与植物物种差异造成的。

3)本研究结果为输变电建设工程的水土保持验收，以及输电线路塔基施工余土改良和用于植被恢复提供了重要参考。但本研究选取的试验对象及试验周期有限，从试验自身角度出发，可在后续研究中进一步细分保水剂与有机肥的组分梯度，探索混施最优配比；另外，在采用本研究的方法进行实际应用的过程中需注意塔基所在地区的土壤及场地条件，并在巡检过程中及时关注植被恢复后期的长势。