劉大翔,許文年,周明濤,夏振堯,孫 超,夏 棟

(三峽大學(xué)三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北宜昌443002)

生態(tài)護(hù)坡技術(shù)正越來(lái)越廣泛應(yīng)用于各種受損邊坡的生態(tài)恢復(fù)工程中,但目前為止,它仍局限于定性和經(jīng)驗(yàn)的發(fā)展階段,對(duì)它的理論認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)落后于基于工程概念的實(shí)踐[1]。國(guó)內(nèi)對(duì)生態(tài)護(hù)坡技術(shù)的研究主要集中在新技術(shù)開發(fā)、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(yíng)養(yǎng)因子時(shí)空變化特征、土壤微生物群落變化、基材活性化[2]等,國(guó)內(nèi)仍處于起步階段,尚未形成系統(tǒng)研究成果。

以2004年于黃龍灘電站某兩處邊坡實(shí)施的植被混凝土生態(tài)防護(hù)工程[3-4]為研究對(duì)象,通過(guò)連續(xù)5 a的跟蹤取樣試驗(yàn),研究人工植被基材肥力時(shí)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(guī)律,為人工恢復(fù)技術(shù)的廣泛應(yīng)用及人工植被基材肥力長(zhǎng)效性研究提供理論基礎(chǔ)。

1 工程概況

試樣采集地位于十堰市黃龍灘電站進(jìn)廠公路兩側(cè)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(cè)分布,一處為陰坡,一處為陽(yáng)坡,生態(tài)恢復(fù)前均為水泥邊坡。該區(qū)域處于亞熱帶大陸性夏熱潮濕氣候區(qū),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(qū)之一;全年無(wú)霜期210～240 d。

該生態(tài)護(hù)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(zhǎng)情況良好,目前坡面為與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)的自然生態(tài)環(huán)境。2008年11月植被覆蓋情況為：群落覆蓋度 90%以上,整個(gè)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(yōu)勢(shì)種,占群落蓋度90%以上。群落中常見(jiàn)種含艾蒿(Artemisia princeps)、木豆(Semen Cajani)、結(jié)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(xù)7 d無(wú)降雨,采集時(shí)間為每年11月。

2 研究方法

實(shí)驗(yàn)采用現(xiàn)場(chǎng)取樣與室內(nèi)處理、測(cè)定、分析相結(jié)合的方法,對(duì)每個(gè)坡面按照從左到右、從上到下均勻分布確定9個(gè)取樣點(diǎn),每個(gè)點(diǎn)取兩個(gè)樣,取樣深度為垂直坡面3-9 cm處。土樣室內(nèi)處理含風(fēng)干、碾碎、過(guò)篩。室內(nèi)測(cè)定、分析項(xiàng)目有：含水率(烘干法)、容重(環(huán)刀法)、有機(jī)質(zhì)(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(kuò)散吸收法)、速效鉀(醋酸銨浸提-火焰光度法)、酸堿度(電位測(cè)定法)[5-6]。

數(shù)據(jù)分析及處理采用 Excel和SPSS軟件;繪圖采用Origin軟件。

3 結(jié)果與分析

3.1 物理指標(biāo)分析

物理指標(biāo)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(fā)、地表徑流和土壤內(nèi)水分交換,是生命活動(dòng)的基本條件[7]。土壤中的養(yǎng)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(fù)效果的重要因子。土壤容重是土壤肥力的重要指標(biāo)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(zhì)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(fā)展。

3.1.1 含水率分析 將陰、陽(yáng)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(yáng)坡,基材含水率大小均為下坡＞中坡＞上坡,陰、陽(yáng)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(guān),使得水分有向坡腳匯集的趨勢(shì)。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(yáng)坡,這與日照對(duì)水分蒸發(fā)的影響有關(guān),而且陰坡的根系較陽(yáng)坡扎得更深,更有利于涵養(yǎng)水分。隨著離坡頂距離的增大,陰、陽(yáng)坡之間含水率差距越來(lái)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(duì)含水率的影響達(dá)到顯著水平(P＜0.05),坡向?qū)实挠绊戇_(dá)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(guī)律如圖2,圖中含水率為不同坡位與坡向的平均值?？梢钥闯?含水率在完工的第一年內(nèi)逐步增加,第二年內(nèi)逐步降低,第三年又有增大的趨勢(shì)。頭一年內(nèi)含水率增大可能受到人工養(yǎng)護(hù)的影響,隨著人工養(yǎng)護(hù)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(zhǎng),根系持水能力的增強(qiáng),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(qiáng),含水率增大。

3.1.2 容重分析 坡位坡向?qū)θ葜氐挠绊懭鐖D3,取值方法與含水率一致。由圖看出,陰、陽(yáng)坡之間容重隨坡位的變化并無(wú)明顯差異,只在中坡位陽(yáng)坡的容重大于陰坡,上坡位和下坡位并未出現(xiàn)明顯的陽(yáng)坡容重大于陰坡的規(guī)律。這可能與陰坡中部水熱條件相對(duì)較好及細(xì)粒和黏粒含量相對(duì)其他坡位較高有關(guān)[11]。細(xì)粒和黏粒的結(jié)構(gòu)性強(qiáng),使得土壤較疏松,孔隙多,容重小。方差分析也表明,坡向?qū)θ葜氐挠绊懳催_(dá)到顯著水平(P＞0.05)。再者,土壤容重不論在陰坡和陽(yáng)坡,其含量變化規(guī)律均為：上坡位＞中坡位＞下坡位,陰、陽(yáng)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(shì)[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(duì)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(duì)容重的影響達(dá)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(duì)容重的影響趨勢(shì)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(zhì)地結(jié)構(gòu)、土壤緊實(shí)度等物理結(jié)構(gòu)隨時(shí)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(nèi),先鋒物種快速生長(zhǎng)對(duì)基材養(yǎng)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(jié)構(gòu),使孔隙增多,于是又表現(xiàn)出容重降低的現(xiàn)象。

3.2 營(yíng)養(yǎng)因子分析

土壤各營(yíng)養(yǎng)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(biāo)。表1列出了不同坡位和坡向條件下6項(xiàng)指標(biāo)的多年平均值。

表1 不同坡位和坡向基材營(yíng)養(yǎng)因子含量情況

由表1可看出,基材營(yíng)養(yǎng)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(jī)質(zhì)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(qū)域的多雨和濕潤(rùn)氣候,以及長(zhǎng)期的沖刷作用使許多物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)元素經(jīng)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(gè)匯[14-15]。全磷在不同坡位和坡向并未表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)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(guān)[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(shì),且其含量總體水平相對(duì)速效磷和速效鉀過(guò)低,說(shuō)明該元素在生境中以消耗過(guò)程為主[13]。氮是構(gòu)成蛋白質(zhì)的主要成分,對(duì)植被根莖的生長(zhǎng)和果實(shí)的發(fā)育具有重要作用,是與產(chǎn)量最密切相關(guān)的營(yíng)養(yǎng)元素,消耗率較高,因而表現(xiàn)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(zhǎng)茂盛,表層根系分布較多,根系呼吸產(chǎn)生的CO2、根分泌的有機(jī)酸和H+及凋落物分解過(guò)程產(chǎn)生的酸性物質(zhì)致使土壤 pH值降低[16]。但所有取樣點(diǎn)的p H值均超過(guò)了8.0,造成這種現(xiàn)象的原因可以歸為：該技術(shù)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(yíng)養(yǎng)的可給性都提高,土壤的p H 值應(yīng)為6.0～7.5。

受坡向影響,土壤營(yíng)養(yǎng)因子含量因日照情況差異也各不相同[18]。陰坡大多數(shù)營(yíng)養(yǎng)因子含量均高于陽(yáng)坡,只在中坡位陽(yáng)坡全磷含量稍高于陰坡。而且從現(xiàn)場(chǎng)情況來(lái)看,陰坡植被生長(zhǎng)情況也明顯好于陽(yáng)坡,說(shuō)明陰坡更適合人工植被群落發(fā)育。方差分析也表明,坡向?qū)τ袡C(jī)質(zhì)、速效磷、速效鉀含量有極顯著影響(P＜0.01),對(duì)堿解氮含量、p H值有顯著影響(P＜0.05),對(duì)全磷含量無(wú)顯著影響(P＞0.05)。造成該結(jié)果一方面與植物喜陰、喜陽(yáng)性有關(guān),另一方面也與含水率差異對(duì)營(yíng)養(yǎng)因子釋放能力影響有關(guān)。

表2 不同年限基材營(yíng)養(yǎng)因子含量情況

土壤營(yíng)養(yǎng)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(zhǎng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的消耗很大,但由于植被混凝土中人工添加的腐殖質(zhì)大量分解產(chǎn)生養(yǎng)分,使得各營(yíng)養(yǎng)因子含量有略微上升的趨勢(shì);第二年,隨著固有成分逐漸分解殆盡,營(yíng)養(yǎng)因子含量也隨之降低。有機(jī)質(zhì)、全磷、速效磷、堿解氮、速效鉀的下降值分別達(dá)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(jìn)一步說(shuō)明該元素在生境中以消耗過(guò)程為主,群落發(fā)育對(duì)氮的需求較大;兩年后,植被群落經(jīng)過(guò)不斷地發(fā)育、演替,物種多樣性得到提升,群落結(jié)構(gòu)得到優(yōu)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(huán)境協(xié)調(diào)一致,基材的水土保持和養(yǎng)分吸收能力也得到增強(qiáng),各營(yíng)養(yǎng)因子含量也逐步回升;另一方面,群落演替過(guò)程中產(chǎn)生的大量動(dòng)植物殘?bào)w,腐爛后能形成腐殖質(zhì),進(jìn)而轉(zhuǎn)化為能為植被吸收的養(yǎng)分,因而總體上基材營(yíng)養(yǎng)因子含量變化趨勢(shì)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(huán)境有所改善,隨著年限增長(zhǎng),pH值不斷降低,緩慢趨于植被生長(zhǎng)的適宜范圍 。總之,年限對(duì)于植被混凝土基材各營(yíng)養(yǎng)因子的影響是顯著的,方差分析表明,年限對(duì)全磷、速效鉀的影響達(dá)到極顯著水平(P＜0.01);對(duì)有機(jī)質(zhì)、速效磷、堿解氮和p H值的影響達(dá)到顯著水平(P＜0.05)。

3.3 各指標(biāo)相關(guān)性分析

植被混凝土肥力指標(biāo)間不是孤立存在的,而是相互關(guān)聯(lián)。進(jìn)行相關(guān)性分析可以揭示各屬性指標(biāo)之間的牽連程度和協(xié)調(diào)效應(yīng),有助于對(duì)植被混凝土基材性質(zhì)的變化做出合理解釋。同時(shí),相關(guān)系數(shù)的大小可以反映指標(biāo)間所包含信息的重疊程度,從而為植被混凝土生態(tài)防護(hù)工程質(zhì)量評(píng)價(jià)體系的建立提供依據(jù)。

表3 各肥力指標(biāo)間相關(guān)性比較

將基材肥力指標(biāo)一起進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果見(jiàn)表3。由表可見(jiàn),容重與全磷、速效磷、p H 值顯著負(fù)相關(guān),與有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀則極顯著負(fù)相關(guān),說(shuō)明容重增大確實(shí)意味著土壤有退化的趨勢(shì);有機(jī)質(zhì)則與全磷、速效磷、速效鉀、p H值顯著正相關(guān),與堿解氮極顯著正相關(guān)。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

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

(2)下坡位營(yíng)養(yǎng)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(gè)匯,p H值隨坡位的下降而下降;陰坡營(yíng)養(yǎng)因子含量普遍高于陽(yáng)坡。但全磷含量卻隨坡向坡位變化無(wú)明顯差異;

(3)基材物理性質(zhì)在完工初期(1～2 a)表現(xiàn)較好;隨之因群落演替速度減緩,基材活性降低,物理指標(biāo)水平降低;3 a后,本地物種的進(jìn)入和群落不斷的正向演替,以及微生物群落結(jié)構(gòu)的改善,使基材水土保持能力增強(qiáng),物理指標(biāo)水平又繼續(xù)提高。基材營(yíng)養(yǎng)因子含量初期因人工恢復(fù)植被的快速生長(zhǎng)而大幅降低;隨之則因群落持續(xù)演替所產(chǎn)生的動(dòng)植物殘?bào)w增多和基材活性化的提高,營(yíng)養(yǎng)因子含量也穩(wěn)步增加;

(4)坡位和坡向因素對(duì)基材物性以及大部分營(yíng)養(yǎng)因子(除全磷外)產(chǎn)生了顯著或極顯著影響,但坡向?qū)θ葜責(zé)o顯著影響;年限則對(duì)基材各項(xiàng)性質(zhì)均有顯著或極顯著影響;

(5)基材物理指標(biāo)間、營(yíng)養(yǎng)因子間以及理化指標(biāo)間均存在相關(guān)關(guān)系,說(shuō)明植被會(huì)促進(jìn)基材養(yǎng)分的積累和結(jié)構(gòu)的改善,最終又反過(guò)來(lái)促進(jìn)植被群落的生長(zhǎng)演替。同時(shí)也說(shuō)明對(duì)生態(tài)護(hù)坡工程的評(píng)價(jià)指標(biāo)不能單一化,需綜合多項(xiàng)指標(biāo)考慮。

4.2 建議

(1)基材肥力指標(biāo)因坡位坡向的不同存在差異,所以進(jìn)行人工恢復(fù)植被物種選擇時(shí),在遵循物種選擇原則基礎(chǔ)上,除考慮區(qū)域氣候、環(huán)境特征外,還需運(yùn)用生態(tài)位理論,對(duì)植被建設(shè)采取分層結(jié)構(gòu)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(yáng)坡則可多播撒諸如鹽膚木(China sumac)、百脈根(Lotuscornioulatus)等喜陽(yáng)性物種;

(2)生態(tài)護(hù)坡工程對(duì)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(yíng)養(yǎng)元素比例失調(diào),特別是氮含量嚴(yán)重缺乏。施肥時(shí)應(yīng)合理確定氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素的配方比例,強(qiáng)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(diǎn)p H值均超過(guò)8.0,而土壤適宜pH值為6.0～7.5,表明仍需對(duì)植被混凝土配方加以改進(jìn);

(4)基材活性化程度不高是造成人工恢復(fù)植被易退化的主因,是制約生態(tài)恢復(fù)長(zhǎng)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(shù)量較少,群落結(jié)構(gòu)不合理。因而在植被混凝土生態(tài)防護(hù)技術(shù)后續(xù)發(fā)展中,應(yīng)將研發(fā)以水泥為膠結(jié)材料的生態(tài)護(hù)坡基材活性化技術(shù)作為重點(diǎn)研究方向。

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