水電工程公路邊坡的土質(zhì)分析

序言：作為思想的載體和知識(shí)的探索者，寫作是一種獨(dú)特的藝術(shù)，我們?yōu)槟鷾?zhǔn)備了不同風(fēng)格的1篇水電工程公路邊坡的土質(zhì)分析，期待它們能激發(fā)您的靈感。

近年來隨著抽水蓄能電站在全國各地蓬勃發(fā)展，人們對(duì)其影響當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的認(rèn)識(shí)也不斷加深。在我國西北寒旱地區(qū)，電站施工過程中產(chǎn)生的地表擾動(dòng)可能會(huì)使其脆弱的生境進(jìn)一步惡化。為了評(píng)價(jià)寒旱地區(qū)電站人工邊坡的生態(tài)狀況及土質(zhì)特性，本文以新疆阜康抽水蓄能電站為例，分析了上下庫連接公路在工程擾動(dòng)后26個(gè)邊坡的土壤理化性質(zhì)，對(duì)含水量、pH值及有機(jī)質(zhì)、總氮和總磷的含量進(jìn)行了測(cè)定，探討了海拔高度、坡度角、坡面受光類型及邊坡原始植被對(duì)上述指標(biāo)的影響。結(jié)果表明，在西北寒旱地區(qū)因水電工程施工擾動(dòng)后的邊坡，其含水量、有機(jī)質(zhì)含量及氮含量均發(fā)生顯著下降，土壤堿性增強(qiáng)，但是磷含量變化不大。進(jìn)一步分析表明，海拔高度對(duì)人工邊坡土壤的含水量有一定影響，邊坡的坡度角會(huì)影響有機(jī)質(zhì)含量和含氮量。上述研究為西北寒旱地區(qū)工程擾動(dòng)后的人工邊坡土壤改良提供了理論依據(jù)，對(duì)促進(jìn)抽水蓄能電站施工擾動(dòng)后的生態(tài)重建與恢復(fù)有一定指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：寒旱地區(qū);抽水蓄能;工程擾動(dòng);人工邊坡;土質(zhì)分析;

近年來隨著國家能源轉(zhuǎn)型的持續(xù)深化，作為新型清潔能源之一的抽水蓄能電站，可起到削峰填谷、調(diào)頻調(diào)相和安全調(diào)度等作用[1]，正在全國范圍內(nèi)快速發(fā)展[2]。但在其施工過程中，伴隨著開挖壩肩、填筑壩基、開挖上下水庫連接道路、填筑邊坡等系列工程的擾動(dòng)，常形成大量裸露邊坡[3]，一方面影響了當(dāng)?shù)赝寥览砘再|(zhì)、地貌景觀、植被及生物多樣性，另一方面加劇了泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害或荒漠化的風(fēng)險(xiǎn)，制約著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[4]。由于在人類活動(dòng)較少的地域更加有利于抽水蓄能電站的建設(shè)與運(yùn)行[5]，因而它在我國廣闊的西北地區(qū)發(fā)展速度很快[6]。但是在以新疆為代表的西北寒旱地區(qū)，平均海拔高，降水量少，土層貧瘠，鹽堿含量高，生態(tài)環(huán)境較脆弱[7]，加之還有放牧活動(dòng)等因素的影響，造成了這些地域的抗水電工程干擾能力較弱[8]。抽水蓄能電站建成后，常形成大量裸露邊坡[9]，而且這些邊坡的生態(tài)恢復(fù)與植被重建難度很大，自然演替過程十分漫長(zhǎng)[10]。將人工擾動(dòng)后的邊坡植被進(jìn)行生態(tài)重建是一種可行的辦法[11,12]，但是首先需明確邊坡在工程擾動(dòng)前后的環(huán)境因子差異，針對(duì)不同工程干擾邊坡水土變化特征而進(jìn)行差異性修復(fù)[13]。本文以新疆阜康抽水蓄能電站為例，針對(duì)工程干擾后的不同海拔、不同坡度、不同類型的26個(gè)邊坡土壤特性進(jìn)行了分析，研究結(jié)果為當(dāng)?shù)氐耐寥栏牧嫉於嘶A(chǔ)，對(duì)西北寒旱地區(qū)抽水蓄能電站施工擾動(dòng)后的生態(tài)恢復(fù)具有一定的參考意義。

1研究區(qū)概況

阜康抽水蓄能電站位于新疆維吾爾自治區(qū)昌吉回族自治州，地理坐標(biāo)為東經(jīng)87.98°，北緯44.16°。工程所在地海拔1540～2400m，在[溫14,1帶5]大陸性氣候的影響下，當(dāng)?shù)睾洹⒏珊堤卣髅黠@。工程擾動(dòng)后上下庫連接公路兩旁形成了大量35～45°的邊坡，土質(zhì)以巖石、砂礫、巖質(zhì)土為主。為了對(duì)植被恢復(fù)提供依據(jù)，本文在上下庫連接公路處，選取了不同海拔、不同坡度、不同路段、不同類型的26個(gè)邊坡（表1）土壤進(jìn)行了系統(tǒng)分析。

2研究方法

2.1土壤取樣

在確定的采樣點(diǎn)上，先用小土鏟去掉表層土壤，然后采用“之”字采樣法傾斜向下20～25cm切取。為減少土壤差異，提高土樣代表性，在同一采樣地采集7個(gè)土壤樣品置于保鮮袋中進(jìn)行含水量分析，混合均勻后取出1kg進(jìn)行理化性質(zhì)分析[16]。

2.2自然含水量及pH值分析

按照羅爽等[17]描述的方法，在每個(gè)樣地取15～20g土壤，置入105±2℃的烘箱中處理7～8h至恒重，然后置入干燥器中冷卻，30min后稱重，用質(zhì)量差計(jì)算含水量，每個(gè)樣品設(shè)置三個(gè)重復(fù)。采用電位法測(cè)定土壤的pH值[18]。稱取通過1mm孔徑篩子的風(fēng)干土，放入50ml燒杯中，然后加入適量蒸餾水用玻璃棒攪拌1min，靜置半小時(shí)后，用酸度計(jì)的指示電極和參比電極插入土壤懸液中，讀取pH值。每個(gè)樣品三個(gè)重復(fù)。

2.3有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定

采取重鉻酸鉀消煮法測(cè)定土壤的有機(jī)質(zhì)含量[19]。稱取通過0.2mm篩孔的風(fēng)干土樣，放入干燥的硬質(zhì)試管中，加入0.4mol/L的重鉻酸鉀—濃硫酸溶液5mL,180℃消煮10min后冷卻，然后以鄰啡啰啉亞鐵溶液為指示劑進(jìn)行滴定，計(jì)算剩余的重鉻酸鉀的含量。實(shí)驗(yàn)以二氧化硅作為空白對(duì)照。每個(gè)處理三個(gè)重復(fù)。

2.4土壤全氮測(cè)定

采用半微量凱氏法測(cè)定土壤的全氮含量[20]。稱取通過0.25mm篩的風(fēng)干土樣，置入干燥的開氏瓶底部并用少量無離子水濕潤(rùn)，加入2g加速劑（硫酸鉀、五水硫酸銅與硒粉按照100∶10∶1的比例混勻）和5mL濃硫酸后消煮2h，待冷卻后置入半微量定氮儀上進(jìn)行蒸餾。在冷凝管末端加上含有5mL濃度為2%的硼酸指示劑，用0.01mol/L鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定餾出液。式中：TN為土壤全氮，%；V為滴定試液時(shí)所用酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL;V0為滴定空白時(shí)所用酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL;CH為酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，mol/L;0.014為氮原子的毫摩質(zhì)量；m為烘干土樣質(zhì)量，g。

2.5土壤速效磷的測(cè)定

采用碳酸氫鈉提取比色法分析土壤的速效磷含量[21]。取過1mm篩孔的風(fēng)干土，加入0.5mol/L的碳酸氫鈉溶液，振蕩30min后，用干燥無磷濾紙過濾，在濾液中加入硫酸鉬銻抗混合顯色劑，搖勻并靜置30min后測(cè)定波長(zhǎng)660nm的吸光值，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線中的磷含量計(jì)算其濃度。

2.6統(tǒng)計(jì)分析方法

所有數(shù)據(jù)均采用GraphPadPrism5.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和作圖，樣本容量為28，重復(fù)數(shù)3，以0.01的概率值進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)分析。

3結(jié)果與分析

3.1擾動(dòng)邊坡的相對(duì)含水量分析

水分條件是該地域的一種重要的生態(tài)限制因子，因此本文首先測(cè)定了工程擾動(dòng)后的不同邊坡其相對(duì)含水量的差異，為植被恢復(fù)及土壤水分管理和灌溉提供依據(jù)。測(cè)定結(jié)果表明，大多數(shù)上下庫連接公路邊坡的含水量都低于8%，表明缺水嚴(yán)重，其中LZD1、XZD5和XZD12這三塊邊坡的含水量相對(duì)較高，其含水量接近8%，但仍然低于工程擾動(dòng)前的正對(duì)照CD（草地）與SL（森林）邊坡（圖1）。為了進(jìn)一步分析含水量差異形成的原因，本文比較了不同邊坡的海拔高度、坡度角、坡面類型和原始植被類型對(duì)含水量的影響（圖1A-D）。結(jié)果表明，坡度角、坡面類型及原始植被類型對(duì)含水量的影響不大，而隨著海拔高度從1692m上升到2135m的過程中，土壤含水量呈下降的變化趨勢(shì)（R2=0.3193）。

3.2擾動(dòng)邊坡的酸堿度分析

由于新疆阜康抽水蓄能電站所處的天山北麓地區(qū)大部分土壤屬鹽堿土，本文利用電極法測(cè)定了28(26+2）個(gè)邊坡土壤的酸堿度。結(jié)果表明，除了未受工程擾動(dòng)的森林（SL）邊坡呈中性外，其他所有地塊均為堿性，包括另一個(gè)未受工程擾動(dòng)的草地（CD）邊坡，這一方面說明工程擾動(dòng)后土壤的堿性變化加劇（圖2），另一方面說明森林生態(tài)系統(tǒng)抗工程擾動(dòng)能力強(qiáng)，生態(tài)系統(tǒng)更穩(wěn)定。進(jìn)一步分析表明，因工程擾動(dòng)后造成的土壤堿性變化趨勢(shì)與邊坡的海拔高度、坡度角、坡面受光類型及原始植被狀況沒有明顯的相關(guān)關(guān)系（圖2A-D）。

3.3擾動(dòng)邊坡的有機(jī)質(zhì)含量分析

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤肥力高低的一個(gè)重要指標(biāo)，可改善土壤的物理性狀和緩沖能力，對(duì)貧瘠地區(qū)的土壤改良至關(guān)重要。由于研究區(qū)土壤以砂土類型為主，有機(jī)質(zhì)含量普遍不高，共有11塊擾動(dòng)邊坡的有機(jī)質(zhì)含量低于2%，表明在植被重建的過程中這些地方需要補(bǔ)充有機(jī)質(zhì)以改良土壤（圖3A-D）。但是CD和SL的有機(jī)質(zhì)含量均高于10%，顯示工程擾動(dòng)對(duì)有機(jī)質(zhì)含量的影響較大。進(jìn)一步分析表明，海拔高度、坡面受光類型及坡面原始植被對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響不大（圖3），可是坡面的坡度角在一定程度上可以影響邊坡的有機(jī)質(zhì)含量，從圖4B中可以看出，隨著邊坡角度的增加，有機(jī)質(zhì)的含量有一定的上升趨勢(shì)，兩者之間有一定的弱相關(guān)作用（R2=0.24）。

3.4擾動(dòng)邊坡的總氮含量分析

為了評(píng)價(jià)上述工程擾動(dòng)邊坡的氮素營(yíng)養(yǎng)水平，本文利用半微量凱氏定氮法測(cè)定了它們的總氮含量，結(jié)果顯示大多數(shù)工程擾動(dòng)邊坡的含氮量均低于0.2%（圖4），其中有10塊邊坡的含氮量低于0.05%，顯示處于嚴(yán)重缺氮狀態(tài)，需要在后期的土壤改良中予以重視。正對(duì)照CD和SL的含氮量遠(yuǎn)高于這些工程受損的邊坡，顯示工程擾動(dòng)對(duì)土壤含氮量的影響較大。同時(shí)，結(jié)果顯示邊坡含氮量與有機(jī)質(zhì)的含量高度正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.9581。與對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的含量影響類似，海拔高度、坡面受光類型及坡面原始植被對(duì)含氮量影響不大（圖4），同是坡面的坡度角在一定程度上可以影響邊坡的含氮量水平，隨著邊坡角度的增加，含氮量有一定的上升趨勢(shì)（圖4B）。

3.5擾動(dòng)邊坡的速效磷含量分析

土壤速效磷，系指土壤中存有的能在短時(shí)期內(nèi)為植物所吸收利用的那一部分磷，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上測(cè)定土壤速效磷可以觀測(cè)和了解土壤對(duì)作物的供磷狀況，為合理施用磷肥提供科學(xué)依據(jù)。與其他的指標(biāo)不同，與正對(duì)照CD和SL相比，大多數(shù)工程擾動(dòng)后的邊坡土壤磷并不缺乏（圖5），可能與鹽堿性質(zhì)有關(guān)，海拔高度、坡面受光類型、坡面的坡度角及原始植被對(duì)含磷量影響不大。表明在土壤改良中，磷營(yíng)養(yǎng)的改良處于次要地位。

4結(jié)論

4.1抽水蓄能電站工程施工后所形成的人工邊坡其含水量、酸堿度、有機(jī)質(zhì)含量、含氮量均發(fā)生了明顯變化，而對(duì)含磷量影響不大，所以未來土質(zhì)改良應(yīng)重點(diǎn)放在前四個(gè)指標(biāo)上。

4.2隨著海拔高度增加，不同人工邊坡土壤的含水量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這與劉月華等[22]的研究結(jié)果不一致，這可能由于本研究所采用的土樣均來自工程擾動(dòng)后的邊坡，而前人的研究均采用自然邊坡所致。

4.3坡度角影響著土壤有機(jī)質(zhì)含量和含氮量這一對(duì)高度正相關(guān)的指標(biāo)，而坡面受光類型、原生植被對(duì)人工邊坡的影響不大。

4.4經(jīng)抽水蓄能電站工程施工擾動(dòng)后的人工邊坡，其有機(jī)質(zhì)含量和氮素營(yíng)養(yǎng)嚴(yán)重缺少，共10塊邊坡需要外源補(bǔ)充氮元素，在生態(tài)恢復(fù)過程中應(yīng)注意增施有機(jī)肥和氮肥，可考慮在生態(tài)恢復(fù)中以豆科植物為主，以充分發(fā)揮其固氮和氮素的改良作用。

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作者:嚴(yán)良平 梁月 崔博濤 王排排 薛艷紅 劉士平 單位:國網(wǎng)新源控股有限公司新疆蓄能分公司 水利部沙棘開發(fā)管理中心(水土保持植物開發(fā)管理中心) 三峽大學(xué)生物與制藥學(xué)院