大型开发建设项目弃渣场植被重建的限制因子

张仕艳,陈奇伯,雷俊杰,原海红,马 炜,韩彦军

(1.西南林业大学,云南昆明 650224;2.金安桥水电站有限公司,云南丽江 674100;3.昆明有色冶金设计研究院股份公司,云南昆明 650051)

大型开发建设项目弃渣场植被重建的限制因子

张仕艳1,陈奇伯1,雷俊杰2,原海红3,马 炜1,韩彦军1

(1.西南林业大学,云南昆明 650224;2.金安桥水电站有限公司,云南丽江 674100;3.昆明有色冶金设计研究院股份公司,云南昆明 650051)

开发建设项目;水电站;弃渣场;植被重建;限制因子

为研究大型开发建设项目金安桥水电站弃渣场植被重建的限制因子,选取金安桥水电站 2#弃渣场和 3#弃渣场的渣体为研究对象,以原地貌灌草地和林地土壤作为对照,从土壤理化性质方面探索植被重建的限制因子,结果显示:在土壤物理性质方面,弃渣场土壤粒径组成不合理,大粒径颗粒含量较多,是植被重建的一个主要限制因子;在土壤化学性质方面,弃渣场土壤有机质和氮素含量极低,无法提供植物正常生长所需的养分,是另一个主要限制因子。要恢复植被,就必须进行基质改良,逐步改善弃渣场土壤的理化性质,提高土壤肥力。

进入 21世纪,在我国经济社会发展的新阶段,农林开发、交通运输、工矿企业、水利水电等开发建设项目越来越多,西南地区由于具有丰富的水电资源,水电站建设迎来了前所未有的发展机遇,但水电事业在迅速发展的同时也带来了诸多生态环境问题[1]。在水电站建设过程中,扰动地表、破坏植被,造成了严重的水土流失,大量的废渣弃土进入河道,导致水体污染、河床淤积等。解决该问题的关键是防治水土流失,而防治水土流失的最根本措施是植被重建[2]。弃渣场植被自然恢复速度极其缓慢,因而需采取人工辅助措施,以加速植被重建。废弃地进行植被恢复和重建工程的首要问题是立地条件的分析与改良[3],其中,立地条件改良是主要问题,也是废弃地生态恢复的核心问题[4],要改良立地条件,首先必须确定废弃地植被恢复的主要限制因子。目前对矿区废弃地生态恢复的研究较多[2,5-6],而对水电站建设中弃渣场植被恢复的研究较少。本研究主要从土壤的理化性质方面探讨弃渣场植被恢复的主要限制因子,为金安桥水电站弃渣场以及其他类似工程的植被恢复提供参考。

1 研究区概况

1.1 研究对象简介

金安桥水电站为金沙江中游河段规划的第 5级梯级水电站,位于云南省丽江市境内,装机容量 2 400MW,总投资 139亿元,施工期 7.5a,2004年开工建设,2011年竣工发电。工程采用堤坝式开发,坝高 160m,有效库容 8.47亿 m3。根据工程施工条件及施工期,共设 6个弃渣场,总有效容积2 060万 m3。考虑到渣场覆土和植被恢复的要求,选择项目区原地貌、2#弃渣场和 3#弃渣场为研究对象。

2#弃渣场位于坝址下游 3.5 km的右岸岸坡台地上,有效容积为 310万 m3,主要堆置导流洞洞身开挖、导流洞出口明渠等工程的土石方开挖弃渣及下游土石围堰拆除弃渣。3#弃渣场位于坝址下游约 4.9 km的左岸岸坡台地上,有效容积 410万 m3,主要堆置砂石料场剥离土石方、砂石加工系统开挖及进场交通洞身开挖的弃渣。这两个渣场堆积方式均为分层碾压堆积,每层堆积高度均为 15m,马道宽度为 4m,堆积年限为 2005—2008年,渣场类型为缓坡型。

1.2 自然环境概况

研究区属滇西纵谷山原区的中甸、大理高中山峡谷地貌单元,海拔 1 200—1 900m。属亚热带高原季风气候,多年平均降水量 938mm,多年平均气温 13℃左右,全年无霜。地带性植被为少量暖温性针叶林和大量分布的稀树灌草地,针叶林代表群落主要是云南松林。土壤类型主要有红壤、棕壤和紫色土,枢纽工程区主要以红壤为主,库外施工压占区主要以红壤、棕壤和紫色土为主,水库淹没区主要是红壤,间有少量水稻土。

2 材料与方法

本研究采用野外采样及室内分析的方法,选取金安桥水电站 2#、3#弃渣场的渣体为研究对象,以未受工程施工扰动的灌草地和林地的原地貌土壤作为研究参照,选取有代表性的地段,在土壤垂直剖面上对 0—30 cm土层进行采样,采样点重复3个,各点取样重复 3个。各采样点基本特征见表 1。

土壤物理性质现场测定,化学性质需将土样带回实验室风干,过孔径 1、0.25mm土壤筛后测定。测定方法参考《土壤理化分析》[7],其中容重、孔隙度采用环刀法,土壤粒径采用粒径分析筛筛分法,有机质含量采用重铬酸钾容量法,全氮含量采用凯氏蒸馏法,水解氮含量采用碱解扩散法,全磷、速效磷含量采用钼蓝比色法,速效钾含量采用火焰光度计法。

表 1 原地貌与弃渣场采样点基本特征

3 结果与分析

3.1 弃渣场渣土物理性质分析

土壤物理性质是影响土壤质地、结构甚至肥力的重要因素,它的好坏直接影响着土壤的水、肥、气、热等状况,进而影响植物的生长发育[8]。土壤颗粒是构成土壤结构的主要组分,土壤颗粒组成合理与否直接影响到土壤的结构,还影响到田间持水量、凋萎湿度、容重和孔隙度等的变化[9],进而影响到土壤蓄水保肥能力的强弱。表 2显示,2#和 3#弃渣场的表层渣体粒径都较粗,＞5mm粒径的颗粒组成百分比分别高达 64.53%和65.11%,中、细粒径颗粒仅有 35.47%和 34.89%;而原地貌 2#渣场上部灌草地和 3#渣场左肩林地土壤中 ＞5mm粒径的颗粒含量相对较少,分别为 43.31%和 35.82%,中、细粒径颗粒含量较多,分别为 56.69%和 64.18%,这使得原土壤具有一定的蓄水保肥能力。可见,两个弃渣场的渣体粒径组成与原生土壤相比均不合理。原地貌土壤尽管颗粒粒径组成并不十分合理,细粒成分少,吸附、凝聚作用都不强,但不阻碍植物的正常生长。弃渣场渣体中大粒径颗粒含量较多,土壤结构性差,这种粗骨质土壤蓄水保肥能力差,不能提供植物生长过程中所需的水分和养分,极大地限制了植物的正常生长,是植被恢复过程中的主要限制因子之一。

表 2 原地貌与弃渣场的土壤粒径组成

土壤容重和孔隙度及其分布反映了土壤结构的好坏,影响土体中水、肥、气、热等诸肥力因素的变化和协调[10]。从表 3可以看出,2#和 3#弃渣场的渣体容重分别是 1.31和 1.48 g/cm3,总孔隙度分别为 57.46%和 50.20%,毛管孔隙度分别为 40.34%和 21.97%;其对应的原地貌土壤容重分别为 0.99和 1.11 g/cm3,总孔隙度分别为 72.02%和 69.36%,毛管孔隙度分别为57.20%和 56.26%。可见,弃渣场渣体容重大于原地貌土壤容重,而总孔隙度和毛管孔隙度则小于原地貌土壤。这是因为原地貌土壤颗粒较细,且有植物根系的穿插及栖息在地下或土壤里的动物和微生物的活动,从而使土壤的通透性得到有效改善,总孔隙度和毛管孔隙度较大,且毛管孔隙度与非毛管孔隙度比例合理,有利于植物生长。而弃渣场的弃渣颗粒较粗,且在堆积过程中经过大型运输机械的不断碾压,使渣体结构得到重塑,结构致密,土壤容重较大,毛管孔隙度较小,毛管孔隙度与非毛管孔隙度比例不合理,土壤蓄水保肥能力差,不利于植物的正常生长。可见,土壤容重大、毛管孔隙度小对植被恢复有很大的限制作用。

表 3 原地貌土壤与弃渣场渣土的容重和孔隙度

3.2 弃渣场渣土化学性质分析

土壤有机质是评价土壤质量的一个重要指标,它既是植物矿质和有机营养的源泉,也是形成土壤结构的重要因素,它不仅能增加土壤的保肥和供肥能力,提高土壤养分的有效性,而且可促进团粒结构的形成,改善土壤的透水性、蓄水能力及通气性,增加土壤的缓冲性等[11]。全氮量通常用于衡量土壤氮素的基础肥力[12],与有机质存在极显著线性相关关系,而土壤水解氮含量则体现了土壤中可供植物吸收的氮素供应水平[13]。原地貌土壤与弃渣场渣土的化学性质见表 4。

表 4 原地貌土壤与弃渣场渣土的化学性质

由表 4可知,2#和 3#弃渣场渣土有机质含量分别为 0.94%和 0.71%,与其原地貌土壤有机质含量差异显著,仅为其原地貌灌草地和林地土壤的 18.01%和 13.27%,全氮、水解氮含量也显著低于原地貌水平。这是因为弃渣场渣体主要是由导流洞及交通洞洞身开挖、砂石加工系统、导流洞出口明渠等工程的土石方开挖弃渣及下游土石围堰拆除弃渣分层碾压堆积而成,渣体的有机质和氮素等养分含量极低,使植物生长受到限制,而林地凋落物及植物根系是土壤有机质和氮素的主要来源,渣场表层缺乏植被覆盖,无凋落物来补充土壤有机质和氮素,且渣体分层碾压堆积造成土壤板结,土壤微生物活性差,即使有动植物残体也很难被分解,使得土壤氮素养分难以得到补充。所以,有机质及氮素含量低也是限制植被恢复的主要因子之一。

土壤速效钾是衡量土壤对植物生长供应钾素能力的重要指标[14]。表 4显示,土壤速效钾含量也表现为原地貌大于弃渣场,这可能与林木和枯草季节性起火有关,因为草木灰是柴草燃烧后形成的灰肥,主要成分为速效钾,所以原地貌土壤速效钾含量高,而弃渣场的渣土没有钾素补充来源,因而速效钾含量低。

土壤磷素在土壤中的移动性小,其含量与土壤母质、气候条件和人类生产活动有关[15]。2#渣场的全磷、速效磷含量比原地貌的低,而 3#渣场的全磷、速效磷含量却都较原地貌的高,可能是因为弃渣与原地貌土壤的成土母质差别很大,磷素在土壤中的移动性小而致。这表明磷含量不是限制植物生长的主要因子。

4 结 论

(1)在土壤物理性质方面,弃渣场土壤粒径组成不合理,大粒径颗粒含量较多,导致土壤结构性差,土壤容重大,总孔隙度和毛管孔隙度小,土壤蓄水保肥能力差,极大地限制了植物的正常生长,是植被恢复过程中的一个主要限制因子。

(2)在土壤化学性质方面,弃渣场土壤有机质和氮素含量极低,无法提供植物正常生长所需的养分,是植被恢复过程中的另一个主要限制因子。磷、钾含量不是限制植被恢复的主要因子。

通过对弃渣场渣体与原地貌土壤理化性质的对比分析可知,金安桥水电站弃渣场植被重建的限制因子主要是土壤粒径组成不合理,有机质、氮素等养分含量低。所以要恢复植被,就必须进行基质改良,逐步改善弃渣场土壤的理化性质,提高土壤肥力。

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S157

A

1000-0941(2011)05-0029-03

国家自然科学基金项目(31060093);西南林业大学生态学重点学科项目(XKX 200902);云南省应用基础研究计划面上项目(20070065M)

张仕艳(1983—),女,内蒙古赤峰市人,硕士研究生,主要从事水土保持生态修复方面的研究工作;通信作者陈奇伯(1965—),男,甘肃通渭县人,教授,博士,主要从事生态恢复与土壤侵蚀方面的研究工作。

2010-12-27

(责任编辑 徐素霞)