朱蒙恩, 沙利云, 周明濤, 尉軍耀, 胡旭東, 杜 穎

(1.華電西藏能源有限公司DG水電分公司, 西藏 山南 856200; 2.三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心， 三峽大學, 湖北 宜昌 443002; 3.中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司, 陜西 西安 710000; 4.云南華辰水電工程咨詢有限公司, 云南 昆明 650000)

隨著國家西部大開發(fā)不斷的推進，西藏高寒地區(qū)經(jīng)濟水平、基礎(chǔ)設(shè)施等均在穩(wěn)步提升。高寒地區(qū)主要指高海拔、高緯度地域，是國家近期資源開發(fā)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重點區(qū)域[1]。資源開發(fā)與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)強烈擾動原有地形地貌與生態(tài)系統(tǒng)[2]，形成大量次生裸坡[3]，危及區(qū)域生態(tài)景觀與社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。冬季嚴寒、土層瘠薄、降水量少、蒸發(fā)量大、生物生產(chǎn)量低、植被稀疏、生態(tài)脆弱等是高寒地區(qū)的顯著特點[4]。同時，大量山體開挖、填埋等施工措施擾動原有坡體穩(wěn)定性及生態(tài)系統(tǒng)功能，會出現(xiàn)水土保持功能下降、生物多樣性降低、原生植被減少等一系列問題[5]，故高寒地區(qū)施工擾動植被破壞后存在邊坡生態(tài)修復(fù)等難題。因此，適用于該地區(qū)可行的生態(tài)修復(fù)技術(shù)，尤其是肥力的可持續(xù)性成為研究者關(guān)注的重點課題。

邊坡生態(tài)修復(fù)主要定義為用活的植被與工程措施和非生命的植物材料相結(jié)合，以降低坡面的不穩(wěn)定性和侵蝕，人工改善邊坡生態(tài)系統(tǒng)[6-7]。邊坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)的雛形是日本學者鋪草皮、栽樹苗治理荒坡的植被護坡方法，經(jīng)歷20世紀初期中歐、美國、英國等在道路建設(shè)上的應(yīng)用和改進，邊坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)實現(xiàn)了機械化液壓噴播方式[8]。目前，邊坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)主要包含噴混(厚層基材噴播技術(shù)[9]，植被混凝土生態(tài)防護技術(shù)等[5])，加固填土(框格梁回填土護坡技術(shù)[10]，土工格室生態(tài)擋墻技術(shù)等[11])，槽穴構(gòu)筑(燕巢法穴植護坡技術(shù)[12]，板槽法綠化技術(shù)等)，鋪掛(鋪草皮綠化技術(shù)、植生帶生態(tài)防護技術(shù)等[13])4種類型。上述邊坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)均可在不同坡面類型、高度、坡度、平整度等適用范圍下構(gòu)建適合生態(tài)修復(fù)植被生長的生境，為植被提供良好的立地條件，廣泛應(yīng)用于我國南方或半干旱地區(qū)[14-15]。然而，高寒高海拔地區(qū)氣候條件惡劣，無論是人工構(gòu)筑生境或原有植被生境的物理、力學、化學及生物學等性質(zhì)都受嚴重影響[16-18]，使得邊坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)較少應(yīng)用于西藏高寒地區(qū)，且鮮有高寒地區(qū)不同邊坡生態(tài)修復(fù)類型的對比研究。肥力變化不僅是表征土壤演變的關(guān)鍵因子[19-20]，同樣能夠反映邊坡生態(tài)工程的修復(fù)效果及植被生長狀況[21-22]。Rivera等[21]研究堤岸邊坡生態(tài)修復(fù)工程表明，土壤肥力、微生物活性及植被覆蓋度三項指標能夠定量表征植被恢復(fù)效果。Li等[22]發(fā)現(xiàn)不同邊坡生態(tài)修復(fù)類型土壤質(zhì)量指數(shù)的時空分布存在差異顯著。因此，本文以西藏DG水電站工程區(qū)為例，分別對工程擾動區(qū)的土質(zhì)邊坡、巖質(zhì)邊坡、土石混合邊坡、棄土棄渣地墊面、一般施工場地、施工硬化地表6種類型邊坡采取相應(yīng)的邊坡生態(tài)修復(fù)措施進行試驗。本文采用分布式采樣法長期測定各類邊坡的土壤肥力變化，統(tǒng)計分析土壤肥力時空變化特征及其與植被生長的相關(guān)性，揭示不同邊坡生態(tài)修復(fù)類型是否對土壤養(yǎng)分產(chǎn)生顯著性影響，旨在為西藏高寒地區(qū)治理水土流失，改善生態(tài)環(huán)境提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐，服務(wù)于西部大開發(fā)中的生態(tài)文明建設(shè)。

1 研究區(qū)概況

1.1 DG水電站工程區(qū)

DG水電站位于青藏高原東緣西藏自治區(qū)山南市桑日縣增期鄉(xiāng)境內(nèi)，是雅魯藏布江中游河段的第二梯級電站。水電站工程區(qū)海拔在3 400～4 000 m，控制流域面積1.57×105km2，沿雅魯藏布江河段長約49 km，自然落差282 m，河道比降約5.75‰，谷寬40～200 m，谷底高程約3 400 m，兩岸頂峰高程達6 000 m以上，為典型的高山深切峽谷地貌。區(qū)域氣候?qū)俑咴瓬貛Ъ撅L半濕潤氣候區(qū)，降雨多集中在每年的6—10月。根據(jù)壩址下游加查氣象站實測資料統(tǒng)計，多年平均氣溫、降水量、蒸發(fā)量、相對濕度分別為9.2 ℃，540.5 mm，2 084.1 mm和51%，極端最低氣溫為-16 ℃，歷年最大凍土深度為19 cm，年無霜期為100～120 d。工程區(qū)土壤主要是山地灌叢草原土、風砂土、粗骨土等，其中山地灌叢草原土是工程區(qū)耕作土壤的主要類型，多為砂壤和壤土。同時，工程開挖料巖性以黑云母花崗閃長巖為主，呈灰白色、中細粒結(jié)構(gòu)，可作為邊坡生態(tài)修復(fù)工程的混凝土骨料料源。

1.2 邊坡生態(tài)修復(fù)類型

根據(jù)DG水電站工程擾動區(qū)邊坡類型，共選取土質(zhì)邊坡、巖質(zhì)邊坡、土石混合邊坡、棄土棄渣地墊面、一般施工場地、施工硬化地表6種類型(表1，圖1)邊坡開展邊坡生態(tài)修復(fù)試驗示范工程，施工時間集中在2018年7—8月。土質(zhì)邊坡試驗示范區(qū)(圖1a)采取機械干噴法施工，修復(fù)前已完成了混凝土框格支護施工，其基層噴植(由種植土、粘合劑、有機物料、速效肥、抗凍外摻劑、水均勻混合組成)和面層噴播分別為8 cm，2 cm；巖質(zhì)邊坡試驗示范區(qū)(圖1b)采取機械干噴法施工，混播植物物種，其基層噴植(由種植土、水泥、有機物料、混凝土綠化添加劑、抗凍外摻劑、水均勻混合組成)和面層噴播分別為10 cm，2 cm；土石混合邊坡試驗示范區(qū)(圖1c)采取機械干噴法施工，混播植物物種，其基層噴植(先回填空隙，再噴植底層，由種植土、水泥、有機物料、混凝土綠化添加劑、抗凍外摻劑、水均勻混合組成)和面層噴播分別為18 cm，2 cm；棄土棄渣地試驗示范區(qū)(圖1d)采用基層回填、面層撒播、挖穴移植苗木(灌木、喬木)施工技術(shù)，其基層平均回填厚度為8 cm，面層中添加植物物種，平均厚度為2 cm；一般施工場地試驗示范區(qū)(圖1e)采用基層回填、面層撒播、喬木移植修復(fù)方式，其基層平均回填厚度20 cm(由種植土、有機物料、速效肥、抗凍外摻劑均勻混合組成)、面層平均撒播厚度2 cm；施工硬化地表試驗示范區(qū)(圖1f)采取機械干噴法施工，其基層平均噴播厚度13 cm(由種植土、水泥、有機物料、混凝土綠化添加劑、抗凍外摻劑、水均勻混合組成)，面層平均噴播厚度2 cm。

圖1 DG電站不同類型邊坡修復(fù)后效果圖

表1 DG水電站工程區(qū)不同邊坡主要屬性及其修復(fù)方法

2 研究方法

2.1 樣品采集與監(jiān)測

在不破壞原有邊坡生態(tài)修復(fù)試驗示范區(qū)的情況下，各示范區(qū)固定選取具有代表性的3個1 m×1 m樣方，采取五點取樣法在樣方中采集5—10 cm表層植被生境土壤，混合均勻后裝入樣品收集密封袋中，每個樣方的樣品控制在1 kg左右用于室內(nèi)植被生境肥力測定試驗，結(jié)果取三者平均值。首先，將各樣品放置于實驗室內(nèi)托盤中自然風干，剔除碎石、草根、落葉等雜物，并用橡膠錘搗碎后過0.25 mm篩；樣品前期處理完成后，依據(jù)國家現(xiàn)行標準《土工試驗方法標準(GBT50123-2019)》[23]，用常規(guī)方法分析測定樣品的pH值、氨氮、硝氮、速效磷、速效鉀、有機質(zhì)。pH值以1∶2.5土水比混合成懸液后，采用電測法測定；氨氮和硝氮采用連續(xù)流動分析光度法測定；速效磷采用氫氧化鈉堿溶—鉬藍比色法；速效鉀采用醋酸銨浸提—原子吸收法；有機質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法。

自2018年7月底至8月中旬完成DG水電站工程邊坡生態(tài)植被修復(fù)后，每間隔2—3月采集樣品和監(jiān)測一次，至今共計采集樣品和監(jiān)測8次。其中，監(jiān)測樣方與樣品采集樣方保持一致，每次監(jiān)測指標包括植物生長狀況(植被覆蓋率等)、物種情況(鄉(xiāng)土物種、物種多樣性等)、水土保持效益等。野外測量每個樣方的植物枝葉的垂直投影面積與地表總面積，兩者之比即為植被覆蓋率；鄉(xiāng)土物種采用高清相機拍照，通過“形色”軟件與網(wǎng)絡(luò)、圖書資料查詢辨析，確定其品名；統(tǒng)計分析樣方中鄉(xiāng)土物種，采用香農(nóng)—威納指數(shù)(Shannon-Wiener index)[24]計算物種多樣性指數(shù)；水土保持效益通過野外實測地表徑流沖溝數(shù)據(jù)判定。

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

使用Microsoft Excel 2019和Origin 8.0進行數(shù)據(jù)處理及圖表繪制；采用SPSS 16.0統(tǒng)計軟件進行方差分析及相關(guān)性分析，統(tǒng)計分析土壤肥力時空變化特及其與植被生長的相關(guān)性，判斷不同邊坡生態(tài)修復(fù)類型是否對土壤養(yǎng)分產(chǎn)生顯著性影響。

香農(nóng)—威納指數(shù)計算公式為：

(1)

式中：H為物種多樣性指數(shù);s為植物的品種數(shù);Pi為屬于種i的個體在全部個體中的例,Pi=Ni/N,Ni為第i種個體數(shù),N為物種個體總數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同邊坡生態(tài)修復(fù)類型肥力變化特征

土壤肥力是衡量土壤能夠提供植物生長所需的各種養(yǎng)分的能力，其中pH值、氨氮、硝氮、速效磷、速效鉀、有機質(zhì)是土壤肥力的關(guān)鍵指標，對邊坡植被修復(fù)有重要的影響。通過圖2可見，在各類邊坡生態(tài)修復(fù)基材中有機質(zhì)和氮元素變化較大，而pH值、速效磷、速效鉀變化較小。由于水泥的摻入，巖質(zhì)邊坡、施工硬化地表和土石混合邊坡在修復(fù)初期的pH值較高，隨后逐漸降低至與其他邊坡生態(tài)修復(fù)基材的pH值相當；基材受人工配制的控制，各邊坡生態(tài)修復(fù)類型的pH值均控制在植被生長適宜范圍內(nèi)，且波動較小。同時，邊坡生態(tài)修復(fù)初期基材中含有大量植物生長所需養(yǎng)分，氮、磷、鉀等元素在施工結(jié)束后含量較高，氮、鉀呈現(xiàn)先降低后增加再降低隨季節(jié)變化的趨勢，而磷元素則呈現(xiàn)逐漸降低趨勢，主要是由于西藏高寒地區(qū)水土流失所導致。6種邊坡對比來看，土質(zhì)邊坡、棄土棄渣地墊面、一般施工場地和土石混合邊坡整體的土壤養(yǎng)分含量均好于巖質(zhì)邊坡和施工硬化地表，主要是此類邊坡生態(tài)修復(fù)類型有大量回填土，為邊坡修復(fù)基材層提供了持續(xù)性的肥力循環(huán)，而巖質(zhì)邊坡和施工硬化地表的生態(tài)基材是噴播在巖質(zhì)坡面上，對基材和植被的養(yǎng)分循環(huán)不利，導致修復(fù)基材的肥力持續(xù)性較低。

圖2 DG水電站工程區(qū)不同邊坡生態(tài)修復(fù)類型土壤肥力變化

3.2 不同邊坡生態(tài)修復(fù)類型植被恢復(fù)狀況

在6種不同立地條件的試驗示范區(qū)中，土質(zhì)邊坡、施工硬化地表、棄土棄渣地墊面、一般施工場地植被覆蓋率高(最高分別為78%，71%，99%，99%)、物種豐富(物種多樣性最高分別達1.805，1.795，2.205，2.275)、笠年返青早、四季更替自然，由此可見植被修復(fù)效果好，且能適應(yīng)當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境(表2)；巖質(zhì)邊坡與土石混合邊坡植被覆蓋率較低(最高僅為63%和61%)、物種較為豐富(物種多樣性最高分別為2.191，1.975)，植被修復(fù)效果表現(xiàn)的不甚理想(表2)。這與上節(jié)中不同邊坡的肥力變化情況相一致，由于邊坡基材中肥力的變化直接影響著植被的恢復(fù)情況，而土質(zhì)邊坡、施工硬化地表、棄土棄渣地墊面、一般施工場地的氮、磷、鉀等元素和有機質(zhì)含量均高于巖質(zhì)邊坡與土石混合邊坡，因此其植被修復(fù)效果也較佳。隨著季節(jié)的變化，6種邊坡的植被覆蓋率和物種多樣性均在春夏季節(jié)較高，秋冬季節(jié)較低，因為無論選配的先鋒物種，還是當?shù)氐泥l(xiāng)土物種，在冬季均會枯黃凋落，部分物種笠年利用宿根發(fā)芽返青(圖3)。同時，高寒地區(qū)晝夜溫差大，植被生長環(huán)境差，導致在當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境條件下難以實現(xiàn)植被修復(fù)的四季常青。此外，由于當?shù)胤硼B(yǎng)的牛羊經(jīng)常進入試驗示范工程區(qū)圍欄吃草取食(圖4)，嚴重危害苗木存活及植被生長，亦是其地區(qū)邊坡生態(tài)較難修復(fù)的一個原因。

表2 DG水電站工程區(qū)不同邊坡生態(tài)修復(fù)類型植被恢復(fù)狀況

返青期(20190803攝) 凋落期(20191016攝)

巖質(zhì)邊坡 土石混合邊坡

3.3 各類型土壤肥力變化與植被生長的相關(guān)性

通過土壤肥力與植被生長指標間的相關(guān)分析，確定不同邊坡生態(tài)修復(fù)類型中各肥力與植物生長狀況間的相互作用情況，進而判定對不同邊坡生態(tài)修復(fù)類型修復(fù)效果影響較大的肥力因子。從表3中可以發(fā)現(xiàn)，氨氮、硝氮、速效磷這3個指標與植被覆蓋率和物種多樣性的相關(guān)性比較顯著(p<0.05)，呈明顯的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均在0.7以上。說明氨氮、硝氮、速效磷這3個養(yǎng)分指標對植物生長影響較大，是植物生長的3個最重要的指標。

表3 土壤肥力與植被生長指標的相關(guān)分析(r)

另外，速效鉀僅對土石混合邊坡和施工硬化地表顯著相關(guān)(p<0.05)，不能全面的反映6個邊坡類型的修復(fù)情況。而有機質(zhì)與植被覆蓋率和物種多樣性的相關(guān)性較低，說明有機質(zhì)對植物生長的影響并不顯著。由于pH值變化波動較小且沒有明顯的規(guī)律性，故其與植被覆蓋率和物種多樣性相關(guān)性最低。

4 討 論

隨著我國美麗西部建設(shè)及生態(tài)環(huán)保要求，邊坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)在高寒地區(qū)的應(yīng)用不斷發(fā)展和改善，如在原有邊坡生態(tài)修復(fù)基材的基礎(chǔ)上，添加混凝土綠化添加劑或抗凍外摻劑，以達到提高基材強度和抗凍耐久性的目的。因此，在土質(zhì)邊坡、巖質(zhì)邊坡、土石混合邊坡、一般施工場地、棄土棄渣地墊面和施工硬化地表試驗示范區(qū)中，均依據(jù)施工場地特征摻入一定比例的混凝土綠化添加劑和抗凍外摻劑。通過不同生態(tài)修復(fù)類型植被的恢復(fù)情況可見，運用合理的基材外摻料(抗凍外摻劑)與修復(fù)措施，可在DG水電站工程區(qū)的土質(zhì)邊坡、棄土棄渣地墊面、一般施工場地營造出四季更替的良好植被修復(fù)效果。然而，在當?shù)貝毫拥淖匀画h(huán)境條件下，植被修復(fù)可實現(xiàn)四季更替自然，但難以達到四季常青的效果。由于DG水電站工程區(qū)施工剝離的砂質(zhì)土自身級配差、保水保肥能力低、易產(chǎn)生水力侵蝕，巖質(zhì)邊坡與施工硬化地表植被修復(fù)后基材肥力整體表現(xiàn)較差，進而導致植被修復(fù)效果較差，這表明仍需在巖質(zhì)邊坡與施工硬化地表的土壤基材層的改良作出深入研究。在本文中，添加混凝土綠化添加劑和抗凍外摻劑的抗凍型基材能在高寒地區(qū)為植被提供良好的生境，綜合邊坡修復(fù)效果來看，從高到低依次為：棄土棄渣地>土質(zhì)邊坡>一般施工場地>土石混合邊坡>巖質(zhì)邊坡>施工硬化地表。

土壤肥力是保障植被長期生長的必要條件，不同邊坡生態(tài)修復(fù)類型對土壤肥力持續(xù)性有很大的影響。陳偉等[20]研究表明土壤養(yǎng)分間具有明顯的相關(guān)性，且各養(yǎng)分在不同土地利用類型間均存在較明顯的差異。然而，土壤養(yǎng)分在高寒地區(qū)表現(xiàn)出上述的特征之外，受高寒地區(qū)氣候的影響，土壤物理性質(zhì)的變化、工程的擾動等會造成土壤肥力不斷退化[19]。通過試驗示范區(qū)肥力變化分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過邊坡生態(tài)修復(fù)后基材土壤的肥力均有明顯提升，達到了植被生長發(fā)育的最低需求。然而，不同邊坡生態(tài)修復(fù)類型間土壤肥力雖然同樣表現(xiàn)出明顯的差異，但其差別主要體現(xiàn)在總氮和總磷的提升較為明顯，而pH值、氨氮、硝氮、速效磷、速效鉀、有機質(zhì)的含量均較低，差異并不顯著，主要是由于干旱脅迫作用造成邊坡修復(fù)后的保水性較差，肥力流失嚴重。同時，通過對比分析各類型土壤肥力變化與植被生長的相關(guān)性后發(fā)現(xiàn)，各肥力指標中氨氮、硝氮、速效磷對不同生態(tài)修復(fù)類型的植被生長發(fā)育促進明顯，其次為速效鉀、有機質(zhì)，pH值的相關(guān)性最低。因此，在后續(xù)的邊坡修復(fù)中可提高基材土壤中的氨氮、硝氮、速效磷含量以提高邊坡生態(tài)修復(fù)效果。

5 結(jié) 論

由于邊坡修復(fù)基材層的類型不同，不同邊坡生態(tài)修復(fù)類型下土壤的肥力情況均不相同。從6種不同邊坡對比可知，土壤養(yǎng)分含量從高到底排序依次為：棄土棄渣地>土質(zhì)邊坡>一般施工場地>土石混合邊坡>巖質(zhì)邊坡>施工硬化地表。土壤肥力變化將會影響植被生長情況，在不同邊坡的植被恢復(fù)效果方面，與土壤肥力呈現(xiàn)相同的排序。土質(zhì)邊坡、施工硬化地表、棄土棄渣地墊面、一般施工場地植被覆蓋率和物種多樣性均高于巖質(zhì)邊坡與土石混合邊坡。從土壤肥力與植被修復(fù)情況的相關(guān)性來看，氨氮、硝氮、速效磷3個養(yǎng)分指標與植物修復(fù)情況的相關(guān)性較高，是反映和評價植物生長情況的最佳指標；而有機質(zhì)和pH值與植被修復(fù)情況的相關(guān)性較低，表明不同邊坡生態(tài)修復(fù)類型植被恢復(fù)效果主要受土壤肥力中氨氮、硝氮、速效磷的影響。

此外，本文還證明所用的抗凍型基材在西藏高寒地區(qū)邊坡修復(fù)中的應(yīng)用效果較好，可作為在西藏高寒地區(qū)進行邊坡修復(fù)的一種重要措施。