夏棟,許文年,趙娟,祝順波

(1.三峽大學化學與生命科學學院,湖北宜昌443002;2.三峽大學三峽庫區(qū)地質(zhì)災害教育部重點實驗室,湖北宜昌443002)

植被混凝土生態(tài)防護技術(shù)作為一門實踐性很強的工程技術(shù),已經(jīng)在邊坡防護和生態(tài)治理中得到廣泛的應用[1-2]。該技術(shù)采用特定混凝土配方和混合植綠種子配方,對巖石邊坡進行防護和綠化。其核心技術(shù)是植被混凝土綠化添加劑,它的應用不僅可以增加植被混凝土中水泥的用量,增強護坡強度和抗沖刷能力,而且使植被混凝土不龜裂,又可以改善植被混凝土物理、化學特性,營造較好的植物生長環(huán)境[3-4]。

植被混凝土護坡技術(shù)施工時向基材中添加了水泥和有機物料,對基材的酸堿度、有機養(yǎng)分以及速效的無機養(yǎng)分有一定的影響。土壤酸堿度是土壤許多化學性質(zhì)特別是基巖狀況的綜合反映,也是土壤肥力的一項重要指標[5]。土壤的酸堿度不同,其供肥和植物的生長發(fā)育狀況會有差異[6];同時土壤p H值還嚴重影響土壤養(yǎng)分的有效性[7]。而土壤有機質(zhì)含量在很大程度上決定著土壤肥力的高低,是土壤肥力分級的重要指標和肥力高低的綜合表現(xiàn)[8]。本文通過4處采用植被混凝土護坡技術(shù)修復的邊坡的研究,在分析其酸堿度及土壤有機質(zhì)含量、各速效養(yǎng)分含量的基礎上,側(cè)重分析了土壤p H與土壤養(yǎng)分的關(guān)系、土壤有機質(zhì)與土壤養(yǎng)分的關(guān)系,旨在為植被混凝土護坡技術(shù)的改進與應用提供科學依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

宜昌位于湖北省西南部,地處長江上游與中游的結(jié)合部、鄂西秦巴山脈和武陵山脈向江漢平原的過渡地帶 ,介于東經(jīng) 110°15′-112°04′,北緯 29°56′-31°34′。該區(qū)為中亞熱帶,在氣候區(qū)劃上為我國北部暖溫帶與南部亞熱帶的過渡地帶全區(qū)四季分明,春秋季較長,年平均降水量為992.1～1 404.1 mm,雨水豐沛,多在夏季6-7月,雨熱同期,全年積溫較高,無霜期較長,年平均氣溫為13.1～18℃。

試驗樣地選取宜昌地區(qū)清江水布埡三友坪公路邊坡(S)、高壩州電站進場公路邊坡(G)、三峽大學信息技術(shù)樓側(cè)邊坡(J)及三峽大學圖書館后邊坡(T)4處邊坡。清江水布埡三友坪公路邊坡2000年4月完工,高16 m ×寬320 m,坡西向,坡度大致為 75°,植被覆蓋度約90%,植被以高羊茅(Festuca arundinacea)、艾蒿 (Artemisia argyi)、狗牙根 (Cynodon dactylon)、白三葉(Trif olium repens)、白茅(Imperata cylindrical)為主,零星分布有苧麻(Boehmeria nivea)、腎蕨(Nephrolepis auriculata)、烏桕(Sapiumsebif erum)等,植株高度20～150 cm;高壩州電站進場公路邊坡2002年3月完工,高128 m×寬120 m,坡北向,坡度大致為 80°,植被覆蓋度約 85%,植被以構(gòu)樹(Broussonetia papyrif era)、高羊茅、野菊花(Dendranthema indicum)、腎蕨、艾蒿、苧麻為主,零星分布有鹽膚木(Rhuschinensis)、葎草(Humulus scandens)、互葉醉魚草(Budd leja alternifolia)等,植株高度40～350 cm;三峽大學信息技術(shù)樓側(cè)邊坡2003年10月完工,高18 m×寬122 m,坡北向,坡度大致為68°,植被覆蓋度約 100%,植被以構(gòu)樹、高羊茅、紫花苜蓿(Med icago sativa)、香澤蘭(Eupatoriumodoratum)、野菊花、香花崖豆藤(Millettia dielsiana)為主,零星分布有腎蕨、藎草(Arthraxon hispidus)、白茅 、小白酒草(Conyza japonica)等,植株高度40～450 cm;三峽大學圖書館后邊坡2004年3月完工,高23 m×寬167 m,坡西向,坡度大致為64°,植被覆蓋度約 90%,植被以構(gòu)樹、腎蕨、臭牡丹(Clerodendrumbungei)、鬼針草(Bidens pilosa)、多花木藍(Indigofera amblyantha)、狗牙根為主,零星分布有芒(Miscanthus sinensis)、小白酒草、鳳尾蕨(Pteris cretica)等,植株高度35～200 cm。4處均為巖質(zhì)邊坡,均采用植被混凝土生態(tài)防護施工工藝、施工時所選植物物種、植被混凝土配方等初始條件及后期管理養(yǎng)護條件等均無大的區(qū)別。

各邊坡基材原始的酸堿度、有機質(zhì)與速效養(yǎng)分平均值情況：S：pH 值8.30、有機質(zhì)26.97 g/kg、速效氮58.95 mg/kg、速效磷 318.06 mg/kg、速效鉀 550.02 mg/kg;G：pH 值 8.35、有機質(zhì) 25.68 g/kg、速效氮56.10 mg/kg、速效磷 338.14 mg/kg、速效鉀536.28 mg/kg;J、T兩邊坡兩坡相鄰,施工原客土相同,原始值相同,p H 值 8.40、有機質(zhì)26.57 g/kg、速效氮52.68 mg/kg、速效磷304.32 mg/kg、速效鉀518.43 mg/kg。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集與處理 依據(jù)所選取的單個邊坡面積大小,于2009年6月18-19日對其進行3點對角線式或5點交叉對角線式取樣。取樣時,用直徑4 cm的地質(zhì)鉆取垂直坡面4～8 cm處的土壤樣品各10鉆,相同點的土樣組成一個混合樣,統(tǒng)一編號。土壤取后迅速帶回室內(nèi)風干磨細,并按測定要求過篩,裝入磨口瓶中備用。所有土壤樣品指標測定均在7 d內(nèi)完成。

1.2.2 試驗方法 指標選取與測定方法：p H值采用水浸提液電位測定法(Delta320p H計);有機質(zhì)采用K2Cr2O7容量法 -外加熱法;速效磷采用 0.5 mol/L NaHCO3溶液浸提-鉬銻抗比色法;速效氮采用擴散吸收法;速效鉀采用 1 mol/L中性CH 3COONH 4溶液浸提-火焰光度法[9]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2003整理后,采用SPSS統(tǒng)計分析軟件進行分析,然后經(jīng)過 t檢驗(P＜0.05或P＜0.01)。由 Origin 7.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被混凝土護坡基材pH、有機質(zhì)與速效養(yǎng)分特征

4個植被混凝土邊坡的基材酸堿度、有機質(zhì)與速效養(yǎng)分含量值見表1。通過表1可以看出,p H值平均范圍在7.73～8.39之間。根據(jù)我國土壤酸堿度的分級標準[8],屬于微堿性(7.5～8.0)和堿性(8.1～9.0)。對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析表明,屬于微堿性土樣占39.4%,堿性土樣60.9%。其中三峽大學圖書館后邊坡以及三峽大學信息技術(shù)樓側(cè)邊坡基材土壤均屬于堿性土壤,清江水布埡三友坪公路邊坡以及高壩州電站進場公路邊坡基材土壤為微堿性土壤。較原始酸堿度相比,都有所下降,表明隨著植被的演替,基材后期的發(fā)育變化,有利于降低土壤的堿度。

表1 邊坡酸堿度、有機質(zhì)與速效養(yǎng)分特征情況

土壤有機質(zhì)是評價土壤質(zhì)量的一個重要指標[10],不僅能增強土壤的保肥和供肥能力,提高土壤養(yǎng)分的有效性,而且可促進團粒結(jié)構(gòu)的形成,改善土壤的透水性、蓄水能力及通氣性,增強土壤的緩沖性等[11]。通過表1可以看出,有機質(zhì)含量平均值在9.29～18.75 g/kg。根據(jù)土壤肥力評價分級標準[8,12],其中三峽大學圖書館后邊坡以及三峽大學信息技術(shù)樓側(cè)邊坡基材土壤均屬于極低水平,清江水布埡三友坪公路邊坡以及高壩州電站進場公路邊坡基材土壤為較低水平。4個邊坡中以水布埡、高壩洲的有機質(zhì)含量較高,該兩處施工較早,有機凋落物較另外兩處厚,取樣調(diào)查時也如此。工程前期有機質(zhì)含量的高低主要取決于基材中添加的有機物料,隨著植被的生長演替,有機質(zhì)含量主要取決于植被凋落物的積累。由于坡體都為巖質(zhì),坡面陡峭,有機質(zhì)的積累受限,因此有機質(zhì)含量較低。通過與原始的數(shù)據(jù)相比較,也可以看到這一點。

土壤的N、P、K三要素在不同程度上常成為植物生長的限制因子[10],因此成為診斷土壤養(yǎng)分基本狀況的重要因子。而堿解N、速效P、速效K能較好地反映出近期內(nèi)土壤N、P、K的供應狀況[11]。通過表1可以看出,速效氮含量平均值在34.34～46.10 mg/kg,速效磷為96.86～146.13 mg/kg,速效鉀為196.98～333.53 mg/kg。根據(jù)土壤肥力評價分級標準[8,12],4個邊坡的速效氮含量均屬于較低水平,速效鉀、速效磷含量均為高水平。同時4個邊坡之間的速效養(yǎng)分含量相比,以水布埡、高壩洲的含量較高,表明施工時間長對基材的自身發(fā)育有利。速效養(yǎng)分含量的高低與土壤中全氮、全磷、全鉀含量有關(guān),同時酸堿度、植被條件等都影響?zhàn)B分的有效性,還存在由于坡面向下淋溶和侵蝕而引起土壤中的營養(yǎng)元素很快流失的影響。

n=33,0.3246≤P0.05≤0.3494,0.4182≤P0.01≤0.4487圖1 植被混凝土護坡基材p H與有機質(zhì)、速效養(yǎng)分相關(guān)關(guān)系

2.2 植被混凝土護坡基材p H與有機質(zhì)、速效養(yǎng)分相關(guān)性分析

對植被混凝土護坡基材p H與有機質(zhì)、速效養(yǎng)分進行了相關(guān)性分析,結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出,pH與有機質(zhì)含量呈極顯著負相關(guān)(P＜0.01),相關(guān)系數(shù)為0.573 6;與速效N和速效P含量均呈負相關(guān),但不顯著,相關(guān)系數(shù)分別為0.287 0和0.197 5;與速效K含量呈極顯著負相關(guān)(P＜0.01),相關(guān)系數(shù)為0.447 9。由此表明,植被混凝土護坡基材p H對土壤速效K的含量影響明顯。表明土壤酸堿性不僅直接影響作物的生長,而且與土壤中元素的轉(zhuǎn)化和釋放以及有效性等都有密切關(guān)系。p H呈堿性,不利于土壤微生物分解植被凋落物,促進有機質(zhì)的腐殖化,而表現(xiàn)出負相關(guān)。同時土壤呈堿性時,磷酸鹽因被鈣離子固定而有效性降低,而速效氮則容易淋溶損失,速效鉀則容易被交換出來[13]。

n=33,0.3246≤P0.05≤0.3494,0.4182≤P0.01≤0.4487圖2 植被混凝土護坡基材有機質(zhì)與速效養(yǎng)分相關(guān)關(guān)系

2.3 植被混凝土護坡基材有機質(zhì)與速效養(yǎng)分相關(guān)性分析

對植被混凝土護坡基材有機質(zhì)與速效養(yǎng)分進行了相關(guān)性分析,結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出,有機質(zhì)與速效N含量呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01),相關(guān)系數(shù)為0.662 3;與速效K和速效P含量均呈負相關(guān),但不顯著,相關(guān)系數(shù)分別為0.262 9和0.111 0。土壤有機質(zhì)是土壤中各種營養(yǎng)元素的特別是氮、磷的重要來源,表層凋落物以及動物殘體經(jīng)分解后增加了氮素的水平[14],因此有機質(zhì)與速效氮表現(xiàn)出極顯著正相關(guān)(P＜0.01)。與速效鉀、速效磷關(guān)系不顯著可能與酸堿度、土體母質(zhì)中磷鉀的含量有關(guān)。

3 結(jié)論

土壤是高度不均一的歷史自然體[15],其有機質(zhì)含量、pH值及速效養(yǎng)分含量受多種因素的影響。(1)植被混凝土護坡基材p H值平均范圍在7.73～8.39之間,屬于微堿性和堿性土壤。p H與有機質(zhì)含量呈極顯著負相關(guān);與速效N和速效P含量均呈負相關(guān),但不顯著;與速效K含量呈極顯著負相關(guān)。

(2)植被混凝土護坡基材有機質(zhì)含量平均值為9.29～18.75 mg/kg,屬于極低水平和較低水平。有機質(zhì)與速效N含量呈極顯著正相關(guān);與速效K和速效P含量均呈負相關(guān),但不顯著。考察有機物料本身的化學成分,通過合理選擇基材配比中有機物料來提高土壤中的微生物活性,提高肥力。同時在綠化植被物種的選擇上使用一些豆科植物,合理選擇綠化植被。

(3)植被混凝土護坡基材速效氮含量平均值34.34～ 46.10 mg/kg,速效磷為 96.86～ 146.13 mg/kg,速效鉀為196.98～333.53 mg/kg。4個邊坡的速效氮含量均屬于較低水平,速效鉀、速效磷含量均為高水平。

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