袁中友,吳家龍,劉 春,代金君,袁嘉銘,戴 軍?
(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)公共管理學(xué)院,510642,廣州; 2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,510642,廣州; 3.廣東省公路建設(shè)有限公司,510600,廣州)
高速公路主體工程建設(shè)會臨時占用和損毀部分土地,并帶來土地資源損毀、水土流失等資源環(huán)境問題。根據(jù)《土地復(fù)墾條例》等法律法規(guī)的要求,需要對損毀土地進(jìn)行生態(tài)重建和復(fù)墾利用,但因工程建設(shè)對占用土地土壤性狀造成了嚴(yán)重破壞,致使絕大部分被占用和損毀土地都未得到有效利用[1],導(dǎo)致因高速公路建設(shè)引發(fā)的水土流失問題日益嚴(yán)重,也加劇了建設(shè)中土地資源的供求矛盾。
土壤條件關(guān)系到土地復(fù)墾的成敗,土壤改良是土地復(fù)墾和生態(tài)重建的核心工作[2]。土壤質(zhì)量評價能為土壤改良提供基本信息。土壤密度和孔隙度,土壤pH和有機(jī)質(zhì),土壤的氮、磷、鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)等理化指標(biāo),是土壤質(zhì)量評價的重要內(nèi)容[3]。酶活性是土壤微生物性狀和土壤理化條件[4]的綜合表征,在土壤質(zhì)量評價中被廣泛使用。研究表明,與自然土壤相比,臨時用地土壤質(zhì)量變差[5-7]是造成土地復(fù)墾利用和植被恢復(fù)效果不佳的主要原因;因此,需要探尋影響臨時用地復(fù)墾利用的主要土壤因子,以采取有針對性的土壤改良措施。但當(dāng)前研究主要用方差分析法,對比研究臨時用地土壤基本理化性狀與區(qū)域自然土壤的差異[5-6],較少引入酶活性指標(biāo)進(jìn)行研究。特別是當(dāng)評價變量較多時,變量間的相互關(guān)系在一定程度上,也影響對土壤質(zhì)量主要因子的分析判斷,導(dǎo)致土壤改良措施缺乏針對性,影響土地復(fù)墾和生態(tài)重建的效果。
筆者以在建的江門—羅定高速公路(以下簡稱“江羅高速”)臨時用地為對象,在t檢驗和方差分析的基礎(chǔ)上,用主成分分析法研究臨時用地?fù)p毀后,土壤理化性狀和酶活性的變化,以及不同臨時用地土壤質(zhì)量的差異,揭示臨時用地土壤質(zhì)量的變化特征及引發(fā)其質(zhì)量變化的主要因子,為工程建設(shè)損毀土地的復(fù)墾利用、生態(tài)重建及水土流失治理提供理論依據(jù)。
“江羅高速”位于廣東省江門市和云浮市境內(nèi)(E 112°1′18″~112°10′30″,N 22°43′40″~22°46′50″)。工程沿線屬南亞熱帶季風(fēng)氣候,年均溫22.0~24.4 ℃,年降雨量1 380~1 517 mm,年日照時間1 719~2 430 h;地貌以低山丘陵為主;土壤以沉積巖和巖漿巖風(fēng)化物發(fā)育而成的赤紅壤為主,土壤黏土礦物以高嶺石為主,酸性強(qiáng),養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般較低,表層砂化普遍。
“江羅高速”占用和損毀的臨時用地面積約為87.84 hm2,主要為施工營地、施工便道、試驗室、取土場、棄土場、棄渣場、拌和站、預(yù)制場、制梁場、料場及鋼筋加工廠等占用和損毀。按損毀及占用的方式,可以把臨時用地分為5類,包括施工營地(實驗室)、施工便道、拌和站(預(yù)制場、制梁場、鋼筋加工廠和料場等)、取土場和棄土場(棄渣場)。
選取自然條件、土壤類型和質(zhì)地等大致相同的第10~11標(biāo)段,15個臨時用地作為研究樣地,按隨機(jī)多樣點混合原則,在每個樣地選取約10 m2范圍內(nèi)的5點,用四分法采集0~20 cm深度土壤層樣品。在每一樣地周圍,選擇與占用和損毀前土地利用類型、土壤類型及成土母質(zhì)相同的地塊,采集對照樣品。采集到的土樣,在室溫下自然風(fēng)干,用土壤研磨儀磨碎過篩,保存?zhèn)溆谩A硗?,在相同樣地?nèi),用φ100環(huán)刀取5~10 cm深度土層的土樣,測定密度和孔隙度。
2.2.1 物理性質(zhì)測定 土壤顏色是用門賽爾比色卡法在采樣時現(xiàn)場測定;環(huán)刀法測土壤密度和孔隙度;威爾科克斯法測田間持水量;緊實度用土壤硬度儀測定。
2.2.2 化學(xué)性質(zhì)測定 用pH計電位法(1∶2.5土水比)測土壤pH值;重鉻酸鉀容量法測有機(jī)質(zhì);開氏消煮法測全氮;堿解擴(kuò)散法測堿解氮;Olsen法測速效磷;NH4OAc浸提- 火焰光度法測速效鉀。酶活性測定用硫代硫酸鈉容量法測轉(zhuǎn)化酶;高錳酸鉀容量法測過氧化氫酶;苯酚鈉比色法測脲酶;磷酸苯二鈉比色法測磷酸酶。
用SPSS 17.0軟件,對臨時用地?fù)p毀土壤與對照土壤進(jìn)行配對樣本t檢驗;用SAS 9.0軟件進(jìn)行方差分析和多重比較(DMRT),比較對照土壤與臨時用地?fù)p毀土壤性質(zhì)的差異,以及不同類型臨時用地之間土壤性質(zhì)的差異;用R(ADE-4)軟件進(jìn)行主成分分析。圖表中的數(shù)據(jù)均是各測定數(shù)據(jù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。
3.1.1 土地利用方式、植被覆蓋和土壤顏色的變化
與對照用地相比,臨時用地土地的利用方式、植被覆蓋和土壤顏色等都發(fā)生較大變化。土地利用方式從農(nóng)業(yè)用的林地、園地和耕地等,變?yōu)楦咚俟饭こ探ㄔO(shè)需要的施工營地、拌和站、施工便道、棄土場和取土場等。土地上原有的植被覆蓋全部消失或破壞,地表被壓實,或者被硬化。土壤顏色大多較原土變淺,從以灰褐色為主色調(diào)變?yōu)橐约t色為主色調(diào)。腐殖質(zhì)層被剝離,或者被掩埋,許多土層沒有發(fā)生學(xué)上的聯(lián)系;半風(fēng)化的巖石碎屑、礫石以及其他固體碎屑狀物質(zhì)等侵入土壤,物質(zhì)組成變復(fù)雜。
3.1.2 土壤密度、緊實度、總孔隙度和田間持水量的變化 因施工機(jī)械碾壓、材料堆壓和人們踩踏等原因,施工便道、拌和站和施工營地土壤密度和緊實度顯著增加,總孔隙度和田間持水量顯著降低。與對照用地相比,施工便道、拌和站、施工營地和取土場土壤密度分別增加7.16%、22.02%、9.28%和6.92%,緊實度分別增加33.92%、11.20%、14.50%和6.95%;但孔隙度分別降低16.46%、17.68%、17.73%和11.62%,田間持水量分別降低15.03%、51.19%、14.04%和14.78%。因棄土場土壤主要為經(jīng)過機(jī)械和人工松翻土壤的簡單堆砌,與對照用地相比,密度和緊實度顯著降低,分別降低7.8%和28.97%;但孔隙度和田間持水量顯著增加,分別增加11.55%和6.47%(P<0.05,圖1)。
3.2.1 土壤pH值和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化 與對照用地相比,除棄土場土壤pH值變化顯著(P<0.05,圖2)外,其他4類臨時用地pH值變化均不顯著;但拌和站、施工營地、棄土場和取土場土壤pH值較對照分別上升5.49%、6.55%、14.38%和2.54%。與對照用地相比,可能因為富含有機(jī)質(zhì)的表層土壤被移走、掩埋等原因,除施工便道外,其他4類臨時用地的土壤有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都顯著降低(P<0.05,圖2),5類臨時用地土壤有機(jī)質(zhì)的損失量都超過對照用地土壤的50%,分別達(dá)到54.94%、51.30%、57.60%、71.69%和78.34%。
1:施工便道Pioneer road;2:拌和站Mixing station;3:施工營地Construction camp;4:棄土場Spoil ground;5:取土場Borrow pit;ns:差異不顯著denotes no significant difference;*:差異顯著denotes significant difference;**:差異極顯著denotes extremely significant difference.以下類同。The same below.圖1 臨時用地土壤密度、緊實度、總孔隙度和田間持水量的變化Fig.1 Changes of soil density, soil compaction, soil porosity, and soil field capacity on the temporary used land
圖2 臨時用地土壤pH值和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Fig.2 Changes of soil pH and soil organic matter on the temporary used land
3.2.2 土壤全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化 與對照用地相比,除施工便道外,拌和站、施工營地、取土場和棄土場土壤全氮和堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化顯著??赡苡捎跈C(jī)械和人工擾動,導(dǎo)致土層混亂,表層土壤被掩埋等原因,土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)全都降低,施工便道、拌和站、施工營地土壤分別降低23.83%、33.54%、和40.34%,棄土場和取土場土壤全氮損失量都超過50%,分別達(dá)到66.73%和71.51%。土壤堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)也有所降低,施工便道、拌和站和施工營地土壤堿解氮分別降低14.08%、51.19%和47.03%,棄土場和取土場土壤堿解氮損失量高達(dá)76.84%和79.11%。5類臨時用地的土壤速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著降低(P<0.05,圖3),取土場和施工營地土壤速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別減少9.25%和44.24%,施工便道、拌和站和棄土場3類臨時用地的土壤速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)損失量,分別高達(dá)68.97%、78.91%和67.94%。但拌和站、施工營地和棄土場3類臨時用地的土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù),分別增加14.45%、70.03%和8.26%。
與對照用地相比,拌和站和取土場2類臨時用地的土壤轉(zhuǎn)化酶活性變化顯著(P<0.05,圖4),5類臨時用地土壤轉(zhuǎn)化酶活性較對照用地均有所降低,施工便道、拌和站、施工營地和棄土場分別降低5.88%、43.58%、14.36%和30.89%,取土場土壤轉(zhuǎn)化酶活性降低高達(dá)76.98%;除施工營地外,其他4類臨時用地土壤脲酶活性均顯著降低(P<0.05,圖4),施工便道、拌和站、施工營地、棄土場和取土場土壤脲酶活性分別降低14.86%、49.64%、30.02%,52.36%和23.46%;拌和站、棄土場和取土場3類臨時用地土壤酸性磷酸酶活性顯著降低11.27%、69.38%和91.13%(P<0.05,圖4),施工便道和施工營地土壤酸性磷酸酶活性變化不顯著,但均較對照用地有所降低,分別降低9.40%和68.03%;5類臨時用地的土壤過氧化氫酶活性變化均不顯著,但均較對照用地有所降低,分別降低21.00%、22.23%、3.10%、20.62%和31.47%。
圖3 臨時用地土壤全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Fig.3 Changes of soil total nitrogen (N), available N, available phosphorus (P) and available Kalium (K) on the temporary used land
圖4 臨時用地土壤轉(zhuǎn)化酶、脲酶、酸性磷酸酶和過氧化氫酶活性的變化Fig.4 Activity changes of soil invertase, urease, acid phosphatase, and catalase on the temporary used land
對臨時用地和對照用地土壤質(zhì)量的主成分分析結(jié)果顯示,第1、2主成分變量累積貢獻(xiàn)率為65.51%,14個變量的大部分信息均可由其體現(xiàn)。其中,第1主成分(PC1)變量累積貢獻(xiàn)率為40.66%,主要與表征土壤物理性質(zhì)的田間持水量,表征土壤化學(xué)性質(zhì)的有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮和速效磷,以及表征土壤酶活性的酸性磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶、過氧化氫酶和脲酶等變量密切相關(guān)(圖5a),受其影響,對照用地與臨時用地樣點空間分布差異極顯著(P<0.001,圖5b)。損毀后,各臨時用地樣點顯著向總孔隙度和田間持水量減小,有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮和速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低,酸性磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶、過氧化氫酶和脲酶活性減弱方向偏移。第2主成分(PC2)變量累積貢獻(xiàn)率為24.85%,主要與表征土壤物理性質(zhì)的密度、緊實度和總孔隙度等變量有關(guān)(圖5a)。受其影響,施工營地、施工便道和拌和站3類臨時用地樣點,顯著向密度和緊實度增大,孔隙度和田間持水量減弱方向偏移(圖5b)。表明施工營地、施工便道和拌和站較棄土場和取土場土壤密度、緊實度、總孔隙度和田間持水量等物理性狀損毀更加嚴(yán)重。
為區(qū)分不同類型臨時用地土壤質(zhì)量的差異,對不同類型臨時用地土壤質(zhì)量進(jìn)行主成分分析。結(jié)果顯示:第1、2主成分變量累積貢獻(xiàn)率為76.34%,不同類型臨時用地14個變量大部分信息均可由其體現(xiàn)。其中,第1主成分變量累積貢獻(xiàn)率為53.25%,主要與密度、緊實度、總孔隙度、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷、脲酶、轉(zhuǎn)化酶和酸性磷酸酶活性等變量密切相關(guān)(圖5c),不同臨時用地土壤質(zhì)量差異主要由這些變量決定。受第1主成分變量的影響,5類臨時用地樣點土壤質(zhì)量差異極顯著(P<0.001,圖5d),取土場和棄土場土壤質(zhì)量更相近,更偏向土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低、酶活性減弱方向,表明有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低和酶活性減弱,是造成取土場和棄土場土壤質(zhì)量下降的原因。施工營地和施工便道土壤質(zhì)量更相近,更偏向土壤總孔隙度降低,密度和緊實度增加的方向,表明土壤物理性狀惡化,是施工便道和施工營地土壤質(zhì)量下降的主要原因。第2主成分變量累積貢獻(xiàn)率為23.09%,主要與田間持水量和過氧化氫酶活性等變量關(guān)系密切(圖5c),拌和站受第2主成分變量的影響較大,顯著向密度和緊實度增大,總孔隙度和田間持水量減小,酶活性減弱方向偏移(圖5d)。表明土壤酶活性降低、物理性質(zhì)惡化,是拌和站土壤質(zhì)量下降的主要原因。
①密度Soil density; ②緊實度Soil compaction; ③總孔隙度Soil total porosity; ④田間持水量Soil field moisture capacity; ⑤pH;⑥有機(jī)質(zhì)Soil organic matter; ⑦全氮Soil total nitrogen; ⑧堿解氮Available N; ⑨速效磷Available P; ⑩速效鉀Available K; 轉(zhuǎn)化酶Invertase; 酸性磷酸酶Acid phosphatase; 尿酶Urease; 過氧化氫酶Catalase. 圖5 不同類型臨時用地土壤綜合質(zhì)量差異主成分分析結(jié)果Fig.5 Principal component analysis results of differences among comprehensive soil qualities under different temporary used lands
與對照用地土壤相比,臨時用地土壤物理性質(zhì)多產(chǎn)生顯著變化。土地被臨時占用后,因高速公路工程建設(shè),需要對土地進(jìn)行挖方和填方;同時,又有大量的工程垃圾需要丟棄,這些挖填和棄土(渣)活動都會造成地表原有植被被挖損或被掩埋[8],改變土壤原來的結(jié)構(gòu),擾亂原有土壤的發(fā)育層次和結(jié)構(gòu),有機(jī)質(zhì)和腐殖質(zhì)層被剝離或掩埋,導(dǎo)致土壤顏色變淺[7]。由于高標(biāo)準(zhǔn)道路建設(shè)的需要,臨時用地多被壓實或硬化[9],使得施工便道、拌和站和施工營地土壤密度和緊實度顯著增大,孔隙度減小,田間持水量顯著降低。此外,高速公路工程建設(shè)過程中,各種機(jī)械碾壓以及其他人為活動,都會導(dǎo)致臨時占用土地土壤被壓實或板結(jié)[10],致使臨時用地土壤緊實度增加[11],密度增大[5,7,10],田間持水量降低[11]。
與對照用地土壤相比,高速公路臨時用地土壤有機(jī)質(zhì)、土壤氮素和土壤速效磷等養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)急劇降低。已有研究表明,臨時用地土壤有機(jī)質(zhì)不足,普遍缺氮,嚴(yán)重缺磷,部分缺鉀,氮磷鉀比例嚴(yán)重失調(diào)[6]。土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低,是因為工程建設(shè)損毀了土壤富含有機(jī)質(zhì)的表土層,而新土多由底層心土以及半風(fēng)化殘積土組成,有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少。土地利用方式的變化,同樣會導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)及氮素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化[12]。損毀后土壤pH值有所增大,這與余海龍等[5]研究結(jié)果一致。土壤堿性增強(qiáng),可能與石灰、水泥等堿性建筑材料,在高速公路建設(shè)過程中,混入表層土壤有關(guān)[13]。研究發(fā)現(xiàn)5類臨時用地土壤鉀元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不大,甚至有所增加。這是因為土壤鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)與成土母質(zhì)密切相關(guān),且主要來源于成土母質(zhì),而臨時用地土壤因工程建設(shè)中,挖填活動混入了大量母質(zhì)風(fēng)化土,所以臨時用地土壤鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)大多保留原成土母質(zhì)的特性[7,12]。
與對照用地土壤相比,臨時用地土壤轉(zhuǎn)化酶、酸性磷酸酶、脲酶和過氧化氫酶活性都顯著降低。原因在于土壤酶活性與土壤結(jié)構(gòu)等理化性質(zhì)密切相關(guān)[14]。已有研究表明,土壤酶活性與土壤孔隙度呈正相關(guān)關(guān)系,與土壤密度顯著負(fù)相關(guān),土壤孔隙度越小,密度越高,土壤的酶活性越低[15];土壤酶活性與土壤田間持水量正相關(guān),土壤田間持水量越高,土壤酶活性越大[16];土壤緊實度會影響土壤轉(zhuǎn)化酶、脲酶、過氧化氫酶和磷酸酶的活性,緊實度變大,會導(dǎo)致酶活性降低[17];土壤有機(jī)質(zhì)、氮素和速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與脲酶、酸性磷酸酶和過氧化氫酶活性顯著正相關(guān)[16, 18],酶活性會隨土壤中碳、氮和磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而變大[18]。土地被用作臨時用地后,土壤理化性狀普遍惡化,致使酶活性都顯著降低。
高速公路5類臨時用地土壤質(zhì)量差異極顯著。拌和站、施工營地和施工便道3類臨時用地,相對于取土場和棄土場這2類臨時用地,土壤密度和緊實度較大,孔隙度和田間持水量較小。原因在于拌和站、施工便道和施工營地為修建高速公路的施工準(zhǔn)備場地,地面多被壓實或硬化,致使土壤密度增大、緊實度增強(qiáng)。此外,施工過程中,反復(fù)的人踩車壓及材料堆放等,也會導(dǎo)致土壤被壓實,致使土壤密度和緊實度增大,結(jié)構(gòu)被破壞,孔隙度減小[10],田間持水量降低。而取土場和棄土場僅為取土、棄土和棄渣所用,因而其土壤密度和緊實度相對較低,孔隙度相對較大。拌和站、施工營地和施工便道這3類臨時用地的土壤有機(jī)質(zhì)、氮素和速效磷等養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù),較取土場和棄土場這2類臨時用地土壤高,原因在于拌和站、施工營地和施工便道雖然部分破壞了地表植被,但并沒有完全改變土壤的可耕層和肥力[19],而棄土場和取土場徹底破壞了原有土地植被、表土和可耕層,特別是取土場土壤耕層等表層土壤被徹底移除,所剩土壤多是一些心土或母質(zhì),土壤非常貧瘠[7]。已有研究表明,土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)密切相關(guān),因不同類型臨時用地土壤理化性質(zhì)差異較大,導(dǎo)致土壤酶活性也產(chǎn)生較大差異,致使不同類型臨時用地土壤質(zhì)量呈顯著差異。
1)與對照用地土壤相比,5類臨時用地土壤質(zhì)量都顯著降低。土地被用作高速公路工程建設(shè)臨時用地后,土地利用方式徹底改變,工程建設(shè)活動改變了原有土壤的結(jié)構(gòu)和層次,土壤密度等物理性狀急劇惡化,土壤有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)迅速減少、肥力降低,酶活性減弱,土壤綜合質(zhì)量下降。
2)受占用和損毀方式的影響,5類臨時用地之間土壤質(zhì)量差異顯著。相對而言,土壤肥力下降,土壤酶活性減弱是取土場和棄土場這2類臨時用地土壤質(zhì)量下降的主因。土壤密度等物理性質(zhì)惡化,是拌和站、施工營地和施工便道這3類臨時用地土壤質(zhì)量下降的主因。因此,在高速公路臨時用地復(fù)墾利用和土壤管理中,要注意保護(hù)臨時用地的表土層,科學(xué)重構(gòu)土壤物理層次和結(jié)構(gòu);同時,適當(dāng)施用氮肥、磷肥和有機(jī)肥等,以促進(jìn)損毀土壤綜合肥力的提高。此外,應(yīng)根據(jù)損毀和占用方式的不同,對不同臨時用地采取針對性的土壤改良、復(fù)墾利用和水土保持措施。
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