大型開發建設項目棄渣場植被重建的限制因子

張仕艷,陳奇伯,雷俊杰,原海紅,馬 煒,韓彥軍

(1.西南林業大學,云南昆明 650224;2.金安橋水電站有限公司,云南麗江 674100;3.昆明有色冶金設計研究院股份公司,云南昆明 650051)

大型開發建設項目棄渣場植被重建的限制因子

張仕艷1,陳奇伯1,雷俊杰2,原海紅3,馬 煒1,韓彥軍1

(1.西南林業大學,云南昆明 650224;2.金安橋水電站有限公司,云南麗江 674100;3.昆明有色冶金設計研究院股份公司,云南昆明 650051)

開發建設項目;水電站;棄渣場;植被重建;限制因子

為研究大型開發建設項目金安橋水電站棄渣場植被重建的限制因子,選取金安橋水電站 2#棄渣場和 3#棄渣場的渣體為研究對象,以原地貌灌草地和林地土壤作為對照,從土壤理化性質方面探索植被重建的限制因子,結果顯示:在土壤物理性質方面,棄渣場土壤粒徑組成不合理,大粒徑顆粒含量較多,是植被重建的一個主要限制因子;在土壤化學性質方面,棄渣場土壤有機質和氮素含量極低,無法提供植物正常生長所需的養分,是另一個主要限制因子。要恢復植被,就必須進行基質改良,逐步改善棄渣場土壤的理化性質,提高土壤肥力。

進入 21世紀,在我國經濟社會發展的新階段,農林開發、交通運輸、工礦企業、水利水電等開發建設項目越來越多,西南地區由于具有豐富的水電資源,水電站建設迎來了前所未有的發展機遇,但水電事業在迅速發展的同時也帶來了諸多生態環境問題[1]。在水電站建設過程中,擾動地表、破壞植被,造成了嚴重的水土流失,大量的廢渣棄土進入河道,導致水體污染、河床淤積等。解決該問題的關鍵是防治水土流失,而防治水土流失的最根本措施是植被重建[2]。棄渣場植被自然恢復速度極其緩慢,因而需采取人工輔助措施,以加速植被重建。廢棄地進行植被恢復和重建工程的首要問題是立地條件的分析與改良[3],其中,立地條件改良是主要問題,也是廢棄地生態恢復的核心問題[4],要改良立地條件,首先必須確定廢棄地植被恢復的主要限制因子。目前對礦區廢棄地生態恢復的研究較多[2,5-6],而對水電站建設中棄渣場植被恢復的研究較少。本研究主要從土壤的理化性質方面探討棄渣場植被恢復的主要限制因子,為金安橋水電站棄渣場以及其他類似工程的植被恢復提供參考。

1 研究區概況

1.1 研究對象簡介

金安橋水電站為金沙江中游河段規劃的第 5級梯級水電站,位于云南省麗江市境內,裝機容量 2 400MW,總投資 139億元,施工期 7.5a,2004年開工建設,2011年竣工發電。工程采用堤壩式開發,壩高 160m,有效庫容 8.47億 m3。根據工程施工條件及施工期,共設 6個棄渣場,總有效容積2 060萬 m3。考慮到渣場覆土和植被恢復的要求,選擇項目區原地貌、2#棄渣場和 3#棄渣場為研究對象。

2#棄渣場位于壩址下游 3.5 km的右岸岸坡臺地上,有效容積為 310萬 m3,主要堆置導流洞洞身開挖、導流洞出口明渠等工程的土石方開挖棄渣及下游土石圍堰拆除棄渣。3#棄渣場位于壩址下游約 4.9 km的左岸岸坡臺地上,有效容積 410萬 m3,主要堆置砂石料場剝離土石方、砂石加工系統開挖及進場交通洞身開挖的棄渣。這兩個渣場堆積方式均為分層碾壓堆積,每層堆積高度均為 15m,馬道寬度為 4m,堆積年限為 2005—2008年,渣場類型為緩坡型。

1.2 自然環境概況

研究區屬滇西縱谷山原區的中甸、大理高中山峽谷地貌單元,海拔 1 200—1 900m。屬亞熱帶高原季風氣候,多年平均降水量 938mm,多年平均氣溫 13℃左右,全年無霜。地帶性植被為少量暖溫性針葉林和大量分布的稀樹灌草地,針葉林代表群落主要是云南松林。土壤類型主要有紅壤、棕壤和紫色土,樞紐工程區主要以紅壤為主,庫外施工壓占區主要以紅壤、棕壤和紫色土為主,水庫淹沒區主要是紅壤,間有少量水稻土。

2 材料與方法

本研究采用野外采樣及室內分析的方法,選取金安橋水電站 2#、3#棄渣場的渣體為研究對象,以未受工程施工擾動的灌草地和林地的原地貌土壤作為研究參照,選取有代表性的地段,在土壤垂直剖面上對 0—30 cm土層進行采樣,采樣點重復3個,各點取樣重復 3個。各采樣點基本特征見表 1。

土壤物理性質現場測定,化學性質需將土樣帶回實驗室風干,過孔徑 1、0.25mm土壤篩后測定。測定方法參考《土壤理化分析》[7],其中容重、孔隙度采用環刀法,土壤粒徑采用粒徑分析篩篩分法,有機質含量采用重鉻酸鉀容量法,全氮含量采用凱氏蒸餾法,水解氮含量采用堿解擴散法,全磷、速效磷含量采用鉬藍比色法,速效鉀含量采用火焰光度計法。

表 1 原地貌與棄渣場采樣點基本特征

3 結果與分析

3.1 棄渣場渣土物理性質分析

土壤物理性質是影響土壤質地、結構甚至肥力的重要因素,它的好壞直接影響著土壤的水、肥、氣、熱等狀況,進而影響植物的生長發育[8]。土壤顆粒是構成土壤結構的主要組分,土壤顆粒組成合理與否直接影響到土壤的結構,還影響到田間持水量、凋萎濕度、容重和孔隙度等的變化[9],進而影響到土壤蓄水保肥能力的強弱。表 2顯示,2#和 3#棄渣場的表層渣體粒徑都較粗,＞5mm粒徑的顆粒組成百分比分別高達 64.53%和65.11%,中、細粒徑顆粒僅有 35.47%和 34.89%;而原地貌 2#渣場上部灌草地和 3#渣場左肩林地土壤中 ＞5mm粒徑的顆粒含量相對較少,分別為 43.31%和 35.82%,中、細粒徑顆粒含量較多,分別為 56.69%和 64.18%,這使得原土壤具有一定的蓄水保肥能力。可見,兩個棄渣場的渣體粒徑組成與原生土壤相比均不合理。原地貌土壤盡管顆粒粒徑組成并不十分合理,細粒成分少,吸附、凝聚作用都不強,但不阻礙植物的正常生長。棄渣場渣體中大粒徑顆粒含量較多,土壤結構性差,這種粗骨質土壤蓄水保肥能力差,不能提供植物生長過程中所需的水分和養分,極大地限制了植物的正常生長,是植被恢復過程中的主要限制因子之一。

表 2 原地貌與棄渣場的土壤粒徑組成

土壤容重和孔隙度及其分布反映了土壤結構的好壞,影響土體中水、肥、氣、熱等諸肥力因素的變化和協調[10]。從表 3可以看出,2#和 3#棄渣場的渣體容重分別是 1.31和 1.48 g/cm3,總孔隙度分別為 57.46%和 50.20%,毛管孔隙度分別為 40.34%和 21.97%;其對應的原地貌土壤容重分別為 0.99和 1.11 g/cm3,總孔隙度分別為 72.02%和 69.36%,毛管孔隙度分別為57.20%和 56.26%。可見,棄渣場渣體容重大于原地貌土壤容重,而總孔隙度和毛管孔隙度則小于原地貌土壤。這是因為原地貌土壤顆粒較細,且有植物根系的穿插及棲息在地下或土壤里的動物和微生物的活動,從而使土壤的通透性得到有效改善,總孔隙度和毛管孔隙度較大,且毛管孔隙度與非毛管孔隙度比例合理,有利于植物生長。而棄渣場的棄渣顆粒較粗,且在堆積過程中經過大型運輸機械的不斷碾壓,使渣體結構得到重塑,結構致密,土壤容重較大,毛管孔隙度較小,毛管孔隙度與非毛管孔隙度比例不合理,土壤蓄水保肥能力差,不利于植物的正常生長。可見,土壤容重大、毛管孔隙度小對植被恢復有很大的限制作用。

表 3 原地貌土壤與棄渣場渣土的容重和孔隙度

3.2 棄渣場渣土化學性質分析

土壤有機質是評價土壤質量的一個重要指標,它既是植物礦質和有機營養的源泉,也是形成土壤結構的重要因素,它不僅能增加土壤的保肥和供肥能力,提高土壤養分的有效性,而且可促進團粒結構的形成,改善土壤的透水性、蓄水能力及通氣性,增加土壤的緩沖性等[11]。全氮量通常用于衡量土壤氮素的基礎肥力[12],與有機質存在極顯著線性相關關系,而土壤水解氮含量則體現了土壤中可供植物吸收的氮素供應水平[13]。原地貌土壤與棄渣場渣土的化學性質見表 4。

表 4 原地貌土壤與棄渣場渣土的化學性質

由表 4可知,2#和 3#棄渣場渣土有機質含量分別為 0.94%和 0.71%,與其原地貌土壤有機質含量差異顯著,僅為其原地貌灌草地和林地土壤的 18.01%和 13.27%,全氮、水解氮含量也顯著低于原地貌水平。這是因為棄渣場渣體主要是由導流洞及交通洞洞身開挖、砂石加工系統、導流洞出口明渠等工程的土石方開挖棄渣及下游土石圍堰拆除棄渣分層碾壓堆積而成,渣體的有機質和氮素等養分含量極低,使植物生長受到限制,而林地凋落物及植物根系是土壤有機質和氮素的主要來源,渣場表層缺乏植被覆蓋,無凋落物來補充土壤有機質和氮素,且渣體分層碾壓堆積造成土壤板結,土壤微生物活性差,即使有動植物殘體也很難被分解,使得土壤氮素養分難以得到補充。所以,有機質及氮素含量低也是限制植被恢復的主要因子之一。

土壤速效鉀是衡量土壤對植物生長供應鉀素能力的重要指標[14]。表 4顯示,土壤速效鉀含量也表現為原地貌大于棄渣場,這可能與林木和枯草季節性起火有關,因為草木灰是柴草燃燒后形成的灰肥,主要成分為速效鉀,所以原地貌土壤速效鉀含量高,而棄渣場的渣土沒有鉀素補充來源,因而速效鉀含量低。

土壤磷素在土壤中的移動性小,其含量與土壤母質、氣候條件和人類生產活動有關[15]。2#渣場的全磷、速效磷含量比原地貌的低,而 3#渣場的全磷、速效磷含量卻都較原地貌的高,可能是因為棄渣與原地貌土壤的成土母質差別很大,磷素在土壤中的移動性小而致。這表明磷含量不是限制植物生長的主要因子。

4 結 論

(1)在土壤物理性質方面,棄渣場土壤粒徑組成不合理,大粒徑顆粒含量較多,導致土壤結構性差,土壤容重大,總孔隙度和毛管孔隙度小,土壤蓄水保肥能力差,極大地限制了植物的正常生長,是植被恢復過程中的一個主要限制因子。

(2)在土壤化學性質方面,棄渣場土壤有機質和氮素含量極低,無法提供植物正常生長所需的養分,是植被恢復過程中的另一個主要限制因子。磷、鉀含量不是限制植被恢復的主要因子。

通過對棄渣場渣體與原地貌土壤理化性質的對比分析可知,金安橋水電站棄渣場植被重建的限制因子主要是土壤粒徑組成不合理,有機質、氮素等養分含量低。所以要恢復植被,就必須進行基質改良,逐步改善棄渣場土壤的理化性質,提高土壤肥力。

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S157

A

1000-0941(2011)05-0029-03

國家自然科學基金項目(31060093);西南林業大學生態學重點學科項目(XKX 200902);云南省應用基礎研究計劃面上項目(20070065M)

張仕艷(1983—),女,內蒙古赤峰市人,碩士研究生,主要從事水土保持生態修復方面的研究工作;通信作者陳奇伯(1965—),男,甘肅通渭縣人,教授,博士,主要從事生態恢復與土壤侵蝕方面的研究工作。

2010-12-27

(責任編輯 徐素霞)