坡位坡向及年限對黃龍灘電站生態護坡肥力的影響*

劉大翔,許文年,周明濤,夏振堯,孫 超,夏 棟

(三峽大學三峽庫區地質災害教育部重點實驗室,湖北宜昌443002)

生態護坡技術正越來越廣泛應用于各種受損邊坡的生態恢復工程中,但目前為止,它仍局限于定性和經驗的發展階段,對它的理論認識還遠落后于基于工程概念的實踐[1]。國內對生態護坡技術的研究主要集中在新技術開發、基材的物性、基材與植被的相互作用等宏觀方面,從微觀角度的研究如基材營養因子時空變化特征、土壤微生物群落變化、基材活性化[2]等,國內仍處于起步階段,尚未形成系統研究成果。

以2004年于黃龍灘電站某兩處邊坡實施的植被混凝土生態防護工程[3-4]為研究對象,通過連續5 a的跟蹤取樣試驗,研究人工植被基材肥力時空演變特征,探索植被混凝土肥力隨坡向、坡位、年限的變化規律,為人工恢復技術的廣泛應用及人工植被基材肥力長效性研究提供理論基礎。

1 工程概況

試樣采集地位于十堰市黃龍灘電站進廠公路兩側邊坡,邊坡面積分別為87 m×129 m和80 m×110 m(高×寬),坡度均為 75°。兩邊坡平行公路兩側分布,一處為陰坡,一處為陽坡,生態恢復前均為水泥邊坡。該區域處于亞熱帶大陸性夏熱潮濕氣候區,光照充足,具有明顯的大陸性氣候特征;年平均氣溫15℃左右,極端最高、最低氣溫分別為40℃、-15℃;年平均降水量1 300 mm,多集中于7-8兩月,是湖北省暴雨比較集中的地區之一;全年無霜期210～240 d。

該生態護坡工程于2004年完成,工期80 d,出芽率95%,植被覆蓋率100%。2004年7月完工至今坡面植被生長情況良好,目前坡面為與周邊環境相協調的自然生態環境。2008年11月植被覆蓋情況為：群落覆蓋度 90%以上,整個群落以狗牙根(Cynodon dactyion)、紫花苜蓿(Med icago sativa)、小冠花(Coronilla varia)、多花木蘭(Indigof era amblyatha)為優勢種,占群落蓋度90%以上。群落中常見種含艾蒿(Artemisia princeps)、木豆(Semen Cajani)、結縷草(Zoysia japonica)、野菊花(Flos chrysanthemi),零星分布于坡面。

本研究從2004年開始采集土樣至今,采集條件為連續7 d無降雨,采集時間為每年11月。

2 研究方法

實驗采用現場取樣與室內處理、測定、分析相結合的方法,對每個坡面按照從左到右、從上到下均勻分布確定9個取樣點,每個點取兩個樣,取樣深度為垂直坡面3-9 cm處。土樣室內處理含風干、碾碎、過篩。室內測定、分析項目有：含水率(烘干法)、容重(環刀法)、有機質(重鉻酸鉀氧化法)、全磷(NaOH熔融-鉬銻抗比色法)、速效磷(0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法)、堿解氮(擴散吸收法)、速效鉀(醋酸銨浸提-火焰光度法)、酸堿度(電位測定法)[5-6]。

數據分析及處理采用 Excel和SPSS軟件;繪圖采用Origin軟件。

3 結果與分析

3.1 物理指標分析

物理指標的分析主要從含水率和容重兩方面著手。含水率影響著植物蒸騰、地表蒸發、地表徑流和土壤內水分交換,是生命活動的基本條件[7]。土壤中的養分也必需溶解于水才能被吸收利用[8],所以,含水率是影響植被恢復效果的重要因子。土壤容重是土壤肥力的重要指標之一,不僅直接影響土壤的通氣性、松緊度、入滲性能、持水能力、溶質遷移和水土流失特征,而且還間接影響植物根系在土壤中的穿插和活力大小[9]。一般土壤容重越小,土壤越疏松,孔隙越多,越利于根系發展。

3.1.1 含水率分析 將陰、陽坡含水率多年平均值以坡位為自變量繪制成二維圖,如圖1。由圖可知,不論陰坡、陽坡,基材含水率大小均為下坡＞中坡＞上坡,陰、陽坡下坡位含水率分別高出上坡位0.06%和0.02%。這與水分向下滲透和地表徑流有關,使得水分有向坡腳匯集的趨勢。此外,坡位由上至下,黏粒逐漸增多,土壤漸趨粘重化,這也是下坡位含水率較高的原因之一[10]。陰坡含水率普遍高于陽坡,這與日照對水分蒸發的影響有關,而且陰坡的根系較陽坡扎得更深,更有利于涵養水分。隨著離坡頂距離的增大,陰、陽坡之間含水率差距越來越大,差值由0.03%增大到到0.07%,可能是陰坡坡腳更不易受到日照的緣故。方差分析表明,坡位對含水率的影響達到顯著水平(P＜0.05),坡向對含水率的影響達到極顯著水平(P＜0.01)。

圖1 含水率隨坡位變化

圖2 含水率隨年限變化

含水率隨年限的變化規律如圖2,圖中含水率為不同坡位與坡向的平均值。可以看出,含水率在完工的第一年內逐步增加,第二年內逐步降低,第三年又有增大的趨勢。頭一年內含水率增大可能受到人工養護的影響,隨著人工養護的撤銷,含水率在第二年降低,之后第三年隨著植被不斷生長,根系持水能力的增強,以及土壤微生物量的增多,植被混凝土開始活化,保水能力也得到增強,含水率增大。

3.1.2 容重分析 坡位坡向對容重的影響如圖3,取值方法與含水率一致。由圖看出,陰、陽坡之間容重隨坡位的變化并無明顯差異,只在中坡位陽坡的容重大于陰坡,上坡位和下坡位并未出現明顯的陽坡容重大于陰坡的規律。這可能與陰坡中部水熱條件相對較好及細粒和黏粒含量相對其他坡位較高有關[11]。細粒和黏粒的結構性強,使得土壤較疏松,孔隙多,容重小。方差分析也表明,坡向對容重的影響未達到顯著水平(P＞0.05)。再者,土壤容重不論在陰坡和陽坡,其含量變化規律均為：上坡位＞中坡位＞下坡位,陰、陽坡上坡位容重分別高出下坡位0.27 g/cm3和0.26 g/cm3。高的容重值通常代表土壤有退化的趨勢[12],表明上坡位土壤更易退化。此外,由于上坡位及中坡位相對下坡位土層較薄、礫石多,因而容重較大。方差分析表明,坡位對容重的影響達到顯著水平(P＜0.05)。

圖3 容重隨坡位變化

圖4 容重隨年限變化

年限對容重的影響趨勢為先下降后上升再上升(圖4),直觀上顯示了植被混凝土基材施工后土壤質地結構、土壤緊實度等物理結構隨時間的變化。初期植被混凝土基材混合物中含有較高成分的水泥[4],因而容重最大;一年內,先鋒物種快速生長對基材養分的大量攝取使容重降低;隨后,群落演替速度減緩,容重隨之增大;兩年后,基材活性化程度提高,土壤微生物種類、含量均增加,改善了土壤結構,使孔隙增多,于是又表現出容重降低的現象。

3.2 營養因子分析

土壤各營養因子含量和pH值是限制植被成活率和保存率的重要因子[13],因而很自然成為診斷土壤基本狀況的指標。表1列出了不同坡位和坡向條件下6項指標的多年平均值。

表1 不同坡位和坡向基材營養因子含量情況

由表1可看出,基材營養因子含量總體上均隨距坡頂距離的增大而提高,尤其是速效鉀和作為生物源的有機質在下坡位的均值含量分別高于上坡位9.29%和11.59%。這是由于研究區域的多雨和濕潤氣候,以及長期的沖刷作用使許多物質和營養元素經水分滲透和地表徑流由坡頂向坡腳遷移造成的,即：下坡位是其它坡位水土流失的一個匯[14-15]。全磷在不同坡位和坡向并未表現出明顯的變化規律,受坡位和坡向的影響也不顯著(P＞0.05),可能與其受坡面微地形影響有關[11]。堿解氮含量則在各坡位的變化較小,沿坡面向下只有略微上升的趨勢,且其含量總體水平相對速效磷和速效鉀過低,說明該元素在生境中以消耗過程為主[13]。氮是構成蛋白質的主要成分,對植被根莖的生長和果實的發育具有重要作用,是與產量最密切相關的營養元素,消耗率較高,因而表現為含量明顯低于速效磷和速效鉀。pH值則沿坡面向下逐漸降低,下坡位平均值低至8.09,受坡位影響顯著(P＜0.05),原因可能是下坡位植被生長茂盛,表層根系分布較多,根系呼吸產生的CO2、根分泌的有機酸和H+及凋落物分解過程產生的酸性物質致使土壤 pH值降低[16]。但所有取樣點的p H值均超過了8.0,造成這種現象的原因可以歸為：該技術原材料中摻入了水泥,使得植被基材在引入了綠化添加劑的情況下仍呈弱堿性。資料顯示[17]：要使土壤中各種營養的可給性都提高,土壤的p H 值應為6.0～7.5。

受坡向影響,土壤營養因子含量因日照情況差異也各不相同[18]。陰坡大多數營養因子含量均高于陽坡,只在中坡位陽坡全磷含量稍高于陰坡。而且從現場情況來看,陰坡植被生長情況也明顯好于陽坡,說明陰坡更適合人工植被群落發育。方差分析也表明,坡向對有機質、速效磷、速效鉀含量有極顯著影響(P＜0.01),對堿解氮含量、p H值有顯著影響(P＜0.05),對全磷含量無顯著影響(P＞0.05)。造成該結果一方面與植物喜陰、喜陽性有關,另一方面也與含水率差異對營養因子釋放能力影響有關。

表2 不同年限基材營養因子含量情況

土壤營養因子含量和pH值隨年限的變化如表2,由表可知：工程完建后第一年,雖然植被的快速生長對營養元素的消耗很大,但由于植被混凝土中人工添加的腐殖質大量分解產生養分,使得各營養因子含量有略微上升的趨勢;第二年,隨著固有成分逐漸分解殆盡,營養因子含量也隨之降低。有機質、全磷、速效磷、堿解氮、速效鉀的下降值分別達到18.91%、14.57%、13.97%、36.02%、25.59%。其中堿解氮含量下降幅度最大,進一步說明該元素在生境中以消耗過程為主,群落發育對氮的需求較大;兩年后,植被群落經過不斷地發育、演替,物種多樣性得到提升,群落結構得到優化,本地物種逐步替代先鋒物種,使人工植被群落與自然群落環境協調一致,基材的水土保持和養分吸收能力也得到增強,各營養因子含量也逐步回升;另一方面,群落演替過程中產生的大量動植物殘體,腐爛后能形成腐殖質,進而轉化為能為植被吸收的養分,因而總體上基材營養因子含量變化趨勢為先下降后逐步上升。此外,土壤微生物種類和含量的增多也令基材酸堿度環境有所改善,隨著年限增長,pH值不斷降低,緩慢趨于植被生長的適宜范圍 。總之,年限對于植被混凝土基材各營養因子的影響是顯著的,方差分析表明,年限對全磷、速效鉀的影響達到極顯著水平(P＜0.01);對有機質、速效磷、堿解氮和p H值的影響達到顯著水平(P＜0.05)。

3.3 各指標相關性分析

植被混凝土肥力指標間不是孤立存在的,而是相互關聯。進行相關性分析可以揭示各屬性指標之間的牽連程度和協調效應,有助于對植被混凝土基材性質的變化做出合理解釋。同時,相關系數的大小可以反映指標間所包含信息的重疊程度,從而為植被混凝土生態防護工程質量評價體系的建立提供依據。

表3 各肥力指標間相關性比較

將基材肥力指標一起進行相關性分析,結果見表3。由表可見,容重與全磷、速效磷、p H 值顯著負相關,與有機質、堿解氮、速效鉀則極顯著負相關,說明容重增大確實意味著土壤有退化的趨勢;有機質則與全磷、速效磷、速效鉀、p H值顯著正相關,與堿解氮極顯著正相關。

4 結論及建議

4.1 結論

(1)不論陰坡或陽坡,下坡位含水率和容重情況都要好于中坡位和上坡位,說明坡體上部更易退化;陰坡含水率普遍高于陽坡,容重則無明顯差異;

(2)下坡位營養因子含量普遍高于上坡位,即下坡位是其它坡位水土流失的一個匯,p H值隨坡位的下降而下降;陰坡營養因子含量普遍高于陽坡。但全磷含量卻隨坡向坡位變化無明顯差異;

(3)基材物理性質在完工初期(1～2 a)表現較好;隨之因群落演替速度減緩,基材活性降低,物理指標水平降低;3 a后,本地物種的進入和群落不斷的正向演替,以及微生物群落結構的改善,使基材水土保持能力增強,物理指標水平又繼續提高。基材營養因子含量初期因人工恢復植被的快速生長而大幅降低;隨之則因群落持續演替所產生的動植物殘體增多和基材活性化的提高,營養因子含量也穩步增加;

(4)坡位和坡向因素對基材物性以及大部分營養因子(除全磷外)產生了顯著或極顯著影響,但坡向對容重無顯著影響;年限則對基材各項性質均有顯著或極顯著影響;

(5)基材物理指標間、營養因子間以及理化指標間均存在相關關系,說明植被會促進基材養分的積累和結構的改善,最終又反過來促進植被群落的生長演替。同時也說明對生態護坡工程的評價指標不能單一化,需綜合多項指標考慮。

4.2 建議

(1)基材肥力指標因坡位坡向的不同存在差異,所以進行人工恢復植被物種選擇時,在遵循物種選擇原則基礎上,除考慮區域氣候、環境特征外,還需運用生態位理論,對植被建設采取分層結構模式。如上坡位含水率小,土層薄,可多播撒諸如檸條(Korshinsk peashrub)、胡枝子(Lespedeza bicolor)等耐旱物種;陽坡則可多播撒諸如鹽膚木(China sumac)、百脈根(Lotuscornioulatus)等喜陽性物種;

(2)生態護坡工程對植被覆蓋度的要求造成施肥量大幅增加,施肥又偏重單一肥料,造成各營養元素比例失調,特別是氮含量嚴重缺乏。施肥時應合理確定氮、磷、鉀等營養元素的配方比例,強化培肥,或者多選用耐貧瘠耐旱的固氮植物,以提高氮含量;

(3)各取樣點p H值均超過8.0,而土壤適宜pH值為6.0～7.5,表明仍需對植被混凝土配方加以改進;

(4)基材活性化程度不高是造成人工恢復植被易退化的主因,是制約生態恢復長效性的瓶頸。其根本在于基材中土壤微生物、土壤酶種類和數量較少,群落結構不合理。因而在植被混凝土生態防護技術后續發展中,應將研發以水泥為膠結材料的生態護坡基材活性化技術作為重點研究方向。

[1] 李紹才,孫海龍.中國巖石邊坡植被護坡技術現狀及發展趨勢[J].資源科學,2004,26(增刊)：61-66.

[2] 張玉蘭,王俊宇,馬星竹,等.提高磷肥有效性的活化技術研究進展[J].土壤通報,2009,40(1)：194-202.

[3] 許文年,葉建軍,周明濤,等.植被混凝土護坡綠化技術若干問題探討[J].水利水電技術,2004,35(10)：50-52.

[4] 王鐵橋,許文年,葉建軍,等.挖方巖石邊坡綠化技術與方法探討[J].三峽大學學報：自然科學版,2003,25(2)：101-104.

[5] 駱東奇,白潔,謝德體.論土壤肥力評價指標方法[J].土壤與環境,2002,11(2)：202-205.

[6] 鮑士旦.土壤農化分析[M].北京：中國農業出版社,2000.

[7] 王國梁,劉國彬,黨小虎.黃土丘陵區不同土地利用方式對土壤含水率的影響[J].農業工程學報,2009,25(2)：31-35.

[8] Ursino N,Contarini S.Stability of banded vegetation patterns under seasonal rainfall and limited soil moisture storage capacity[J].Advances in Water Resources,2006,29：1556-1564.

[9] 劉晚茍,山侖,鄧西平.不同土壤水分條件下土壤容重對玉米根系生長的影響[J].西北植物學報,2000,22(4)：831-838.

[10] 高雪松,鄧良基,張世熔.不同利用方式與坡位土壤物理性質及養分特征分析[J].水土保持學報,2005,19(2)：53-60.

[11] 周萍,劉國彬,侯喜祿.黃土丘陵區侵蝕環境不同坡面及坡位土壤理化特征研究[J].水土保持學報,2008,22(1)：7-12.

[12] Lowery B,Swan J.Physical properties of selected soils by erosion class[J].Soil Water Conserv,1995,50：306-311.

[13] 曹靖,常雅君,苗晶晶,等.黃土高原半干旱區植被重建對不同坡位土壤肥力質量的影響[J].干旱區資源與環境,2009,23(1)：169-173.

[14] Brubaker S C,Jones A J,Lewis D T,et al.Soil properties associated with landscape position[J].Soil Sci Soc Am.J.,1993,57：235-239.

[15] 劉世梁,傅博杰,呂一河,等.坡面土地利用方式與景觀位置對土壤質量的影響[J].生態學報,2003,23(3)：414-420.

[16] 楊光,丁國棟,常國梁,等.黃土高原不同退耕還林地森林植被改良土壤特性研究[J].水土保持研究,2006,13(3)：204-207.

[17] 陳洪明,陳立新,王殿文.落葉松人工林土壤酸度質量與養分關系研究現狀與趨勢[J].防護林科技,2004(5)：46-49.

[18] 王紹令,丁永建,趙林,等.青藏高原局地因素對近地表層地溫的影響[J].高原氣象,2002,21(1)：85-89.