不同修复技术下抽水蓄能电站边坡土壤养分特征分析

马萧萧，朱安平，余蔚青，刘 新，李 璇

(1.国网新源控股有限公司，北京 100052； 2.紫光软件系统有限公司，北京 100084)

抽水蓄能电站作为优质的调节电源方式，在促进新能源消纳方面具有突出的作用和优势[1]。“十四五”规划纲要提出，要构建现代能源体系，加快抽水蓄能电站建设和新型储能技术规模化应用。然而，与国外相比，我国抽水蓄能电站发展起步相对较晚，在建设速度加快的同时，与之相应的规程规范和建设经验相对滞后[2]。此外，建设规模大、技术复杂、参建单位众多、工期漫长、受站址地形与地质条件因素影响大等特点，也导致了我国抽水蓄能电站在给社会创造便利与经济效益的同时，却由于建设期对原生植被的破坏而造成水土流失严重、环境恶化等不良影响[3]。因此，如何提高抽水蓄能电站工程扰动区域的植被恢复水平，指导抽水蓄能电站的绿色发展，以符合我国当下建设生态文明的时代背景，成为亟待解决的问题[4]。

目前，考虑到抽水蓄能电站工程的自身特点及建设地点情况，在选择抽水蓄能电站工程扰动区域的植被恢复技术时通常考虑与高陡边坡防护技术相结合，即采取边坡生态防护技术[5]。通过分析不同的边坡土质条件，结合工程防护需求及效益分析，筛选具备可行性的施工方法及施工工艺[6]；通过分析工程所在地的原生优势植物种群，搭配兼具生物多样性、生态位互补性、演替进阶性等特征的人工恢复植被先锋种及建群种，以最终过渡成具备内营力的自然植被群落[7]。在植被群落营建及不断发展的过程中，群落下的土壤肥力对于植被生长起到了至关重要的作用，而因植被群落导致的土壤异质性又会促使土壤肥力产生差异，并反作用于边坡土壤环境[8]。因此，通过比较由不同恢复植被组成的边坡生态防护技术，可以找出调节土壤作用较好的植被结构，并对比不同载体下边坡生态防护技术对边坡土壤环境的改善效果。

1 研究材料与方法

1.1 研究区概况

本研究依托安徽绩溪抽水蓄能电站植被修复工作开展试验。该电站位于安徽省绩溪县伏岭镇，地处皖南山区，属亚热带湿润季风气候区，多年平均气温16 ℃，年均相对湿度76%，多年平均降水量1 650.1 mm，多年平均蒸发量1 445.2 mm，20年一遇平均1 h降水量81.1 mm。多年平均风速1.9 m/s，历年最大风速平均值11.5 m/s，以NE风为主。土壤主要是红壤、沼泽土和水稻土，其中红壤主要分布于低山丘陵的上库区，沼泽土和水稻土主要分布于山前冲积平原和低洼地的下库区。植被类型属于亚热带常绿阔叶林，上库区植被以杉木、马尾松、毛竹及灌草丛为主，植被覆盖状况良好，林草植被覆盖度约为75%。工程区地形起伏较大，山势陡峻，沟谷深切，植被覆盖良好，大部分现为林地，水土流失主要表现为面蚀、浅沟侵蚀及切沟侵蚀，水土流失程度轻微。

电站主体工程施工后进行了大量的开挖工作，形成了大量的裸露高陡边坡。本研究选取了工程下库左坝肩马道上边坡、马道及下边坡坡脚等几处2019年已修复的边坡开展试验。其中，下库左坝肩马道上边坡采用的是植被混凝土厚层基材生态防护技术(TBS)进行植被修复，即在锚固的坡面上挂网作为附着载体，将由种植土、混合草灌植物种子、有机质、肥料、团粒剂、保水剂、稳定剂、pH值缓解剂和水等多种物质均匀混合后形成的厚层种植基材，均匀地喷射到网面及坡面上，形成植物防护与绿化的修复技术，该技术兼具防护边坡与恢复植被的双重作用，其有机质的配比及植物种子配方是技术成功的关键[9]；下库左坝肩马道及下边坡坡脚则应用种植槽护坡绿化技术(ESS)进行修复，即在坡面锚杆上浇筑种植槽结构，随后在这些槽体内填充种植基材，槽体自身可发挥拦挡及短时截水的作用，解决了高陡边坡基本不具备植物生长基材附着或存积条件的问题，进而在槽体内种植适宜的草本、小型灌木或藤本植物，在边坡上首先形成条状绿化带，最终将整个边坡复绿[5]。

1.2 样地植被调查及土壤采样分析

出于修复边坡现状及差异性的考量，本研究在每处边坡各选择3个修复样地进行土壤采样。其中，在下库左坝肩开挖边坡马道上边坡两侧及中部、马道的两端及下边坡坡脚中部各设置1个样地，每个样地均为2 m×2 m，并在各样地的4个顶点及中心点处沿坡面垂直方向进行表层(0～5 cm)土壤取样，每个取样点取3个土样作为重复。取样后剔除其中的植物根须，随后在室内将所获得的土样进行风干研磨后过筛(孔径包括0.149 mm和1 mm两类)，依照《全国第二次土壤普查养分分级标准》中的相关指标进行测定，共涉及土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾等7项指标。此外，考虑到两种边坡绿化修复技术载体成型技术不同，会导致基材紧实度不同，故选取土壤容重指标进行区分。综上，本研究共选取上述8项指标进行分析。

其中，土壤容重采用环刀法进行测定，pH值采用pH/离子计测定，有机质含量采用重铬酸钾容量法进行测定，全氮含量采用凯氏蒸馏法进行测定，全磷含量采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法进行测定，全钾含量采用碱熔-火焰光度计法进行测定，碱解氮含量采用碱解扩散法进行测定，有效磷含量采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法进行测定，速效钾含量采用分光光度计法进行测定。每个土样重复测定3次，取算术平均值计。

各样地经过2年自然恢复后的植被群落组成调查结果见表1。

表1 各样地植被群落调查结果

1.3 土壤综合养分评价

本研究通过分析国内外已有的土壤养分整体评价研究成果，经过比选后参考程杰等[10]的做法，采用层次分析法对复绿边坡土壤综合养分的权重进行赋值，进而构建评价模型计算土壤综合养分指数，进行土壤养分的整体评价。

当前层次分析法在综合评价领域应用颇为广泛，且十分成熟。结合土壤-植物协同作用的实际情况，测定的土壤容重、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾等8项指标符合指标选取的相关原则，宜作为土壤综合养分的评价因子。本研究以不同样地的土壤综合养分作为评价的目标层(F)，土壤容重(C1)、有机质含量(C2)、全氮含量(C3)、全磷含量(C4)、全钾含量(C5)、碱解氮含量(C6)、有效磷含量(C7)、速效钾含量(C8)等作为评价指标层，构建评价指标体系，进而采用最为常用的“1～9标度法”生成判断矩阵F[11]，即

随后，通过计算得到判断矩阵F的特征向量(X)及特征值(λ)，并通过下式计算该矩阵的一致性检验指数(CR)，即

(1)

式中：CI为矩阵的一致性指数；λmax为矩阵的最大特征值；n为矩阵特征值数量；RI为矩阵的平均随机一致性指数，根据查阅相关资料，本研究构建的判断矩阵F为八阶矩阵，其RI值为1.41[10]。

经过上述计算，得到判断矩阵F的特征向量X=(0.057 9，0.655 6，0.510 9，0.101 5，0.157 0，0.187 4，0.223 9，0.430 8)，且CR<1，满足一致性检验要求。

通过转换特征向量X得到8项评价指标各自的权重，参照《全国第二次土壤普查养分分级标准》中土壤养分评价指标分级标准及潘发明[12]对土壤容重的分级标准，将各要素划分为6个等级，每个等级的取值范围见表2。

表2 土壤养分评价指标等级划分标准

土壤综合养分评分(S)的计算式为

(2)

式中：Fi为某一项评价指标的分值，取值为1～6；Ci为该项指标的权重值；S为土壤综合养分评分，经过换算最终得到的某块样地土壤综合养分评分的取值范围在0～100之间。

2 结果与讨论

2.1 不同样地土壤养分差异性分析

根据上述土壤综合养分评分指标体系，计算出各样地的土壤综合养分评分，见图1。可知，下库左坝肩开挖边坡马道上边坡的3个样地整体(U3样地群)的土壤综合养分评分介于59.67～76.06之间，马道及下边坡坡脚的3个样地整体(D3样地群)的土壤综合养分评分介于54.96～71.84。总体而言，采用TBS技术修复的马道上边坡土壤综合养分评分整体上优于采用ESS技术修复的马道及下边坡坡脚土壤综合养分评分。对马道及下边坡坡脚的3个样地RL、RR、DC进行比较，可以看出马道下边坡坡脚处的土壤综合养分评分明显高于马道两端处，接近于马道上边坡UC、UR两个样地的土壤综合养分评分，低于上边坡UL样地。按平均土壤综合养分评分大小排序，各样地表现为UL(69.21)>UR(67.83)>UC(66.56)>DC(66.11)>RR(61.67)>RL(59.32)。

图1 各样地土壤综合养分评分

本研究中，坡面上的土壤养分分布情况为上坡位和下坡位土壤养分相对接近，整体高于中坡位处。之所以造成此种差异，可能是由于植生基质采用不同方式附着后成为坡面表层土壤状物质，其受到附着强度、基材分布均匀度、坡面(槽体)径流冲刷及其他因素的共同作用，会影响土壤基质中水分和养分的迁移与沉积；并且基质土层在裸露条件下随着时间推移土壤容重会逐渐发生变化；同时，基材中的改良剂在附着过程中分布未必均匀，可能造成土壤坡面养分分布及流失的差异性[13-14]。此外，本研究中下坡位样地土壤养分明显高于中坡位，与上坡位接近，可能是由于坡脚附近人为扰动更大，引入了其他外源养分造成的，且本研究中各样地植被恢复周期仅为2年，自然分布规律尚不显著，这从侧面也使得人为扰动等偶发影响的效果被放大。此外，整个下库左坝肩开挖边坡经不同措施复绿2年后，不论是应用TBS技术还是ESS技术修复的边坡，其样地内基材土壤的整体养分水平均处于合格状态，尚不需要人工介入进行养护。考虑到本研究选取的样地整体恢复时间有限，因此后续仍需要通过取样分析判断其土壤与植物间的共生协调关系。

2.2 不同样地土壤养分指标差异性分析

本研究重点筛选了土壤容重和有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾等8项指标进行综合养分分析，在通过土壤综合养分评分指标体系求得各样地的土壤综合养分评分后，将所有土壤样本整体分为下库左坝肩开挖边坡马道上边坡U3样地群和马道及下边坡D3样地群两部分，分别将样地的土壤综合养分评分与上述8项指标进行相关性分析，结果见图2。

图2 U3样地群及D3样地群土壤各养分指标与土壤综合养分评分的相关性

研究发现，除土壤容重外，其他7项指标均在不同程度上表现出与土壤养分的正相关性，各指标按相关系数大小排序为：有机质>全氮>速效钾>碱解氮≈全钾>全磷>有效磷。由此可知，在本研究选取的样地中土壤有机质、全氮和速效钾是影响基材土壤养分最重要的3项指标；土壤容重在整体趋势上呈现出与土壤养分的负相关性，考虑到其相关系数较低，故认为其与土壤养分之间的相关性弱。土壤容重直接影响土壤孔隙度和透气性，进而间接影响土壤养分与水分的扩散分布。

以U3样地群为例，土壤综合养分评分与土壤有机质含量的相关性判定系数最大，为0.511 1，表明其与土壤有机质含量的关联性最强，因此在土壤综合养分改良中增加土壤有机质含量所起到的改良效果最为明显。土壤综合养分评分与土壤全氮和速效钾含量的相关性判定系数分别为0.450 8和0.371 5，表明：在该处边坡土壤中氮元素以各种形态对土壤综合养分情况产生影响，土壤全氮含量在自然环境下长期处于动态变化之中，它的消长取决于氮元素或含氮物质的积累和消耗的相对情况[15]，尤其是土壤有机质的生物积累和水解作用，以及土壤微生物的固氮作用[16-18]；钾元素则主要是通过土壤可交换性钾的形式表征土壤中钾素的供应状况，进而指示土壤综合养分情况。造成钾元素有效程度不同的原因之一是土壤中非交换性钾的释放特性导致速效钾存在一个阈值，因植物吸收作用速效钾迅速下降至该阈值后便不再下降[19]，因此土壤速效钾含量在变化性上会有一定的不连续区段，若在此时进行土壤取样分析，速效钾含量与植物吸收后的变化情况相关性将显著降低。

除此之外，各指标与马道上边坡U3样地群土壤整体养分间的相关性略高于其各自与马道及下边坡坡脚D3样地群土壤整体养分的相关性。即采用TBS技术进行边坡植被修复的U3样地群，其土壤养分各指标与整体养分评分之间的相关性较采用ESS技术进行修复的D3样地群更为显著，这也反映出采用TBS技术进行边坡修复时，土壤基材中的养分物质对于土壤中相关养分指标的提升效果更为明显。两组样地群不同土壤养分指标与综合养分评分的相关性高低与前述构建的土壤综合养分评分指标体系中各指标的权重大小情况基本一致，证明本研究构建的土壤综合养分评分指标体系整体较为可靠。

3 讨论与结论

本研究针对采用TBS技术及ESS技术修复的抽水蓄能电站不同边坡，结合土壤容重和有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾含量等不同指标进行土壤综合养分特征分析，通过构建土壤综合养分评分指标体系得到土壤综合养分评分，并在此基础上分析了应用两类技术修复2年的各边坡样地土壤养分的整体差异性及各养分指标的差异性。

(1)应用TBS技术修复的马道上边坡的3个样地土壤综合养分评分整体高于应用ESS技术修复的马道及下边坡坡脚的3个样地；在马道及下边坡坡脚的3个样地中，下坡位的样地土壤养分水平显著高于中坡位的样地，接近于上坡位的水平。

(2)整个下库左坝肩开挖边坡经TBS技术及ESS技术复绿2年后，各样地内基材土壤的综合养分评分基本在60分以上，处于合格状态，考虑到人工构建的植被群落与土壤的协调机制建立过程，目前不需要人工介入开展养分补充等养护工作。

(3)结合6个样地共计30个取样样方得到的数据，土壤有机质、全氮、速效钾是与土壤综合养分评分相关性最为显著的3项养分指标。后期如需人工养护补充养分时，可针对性地提高此3项指标进行土壤改良和养分提升；并且，采用TBS技术修复的坡面在改良反馈性上强于采用ESS技术修复的坡面。

综上所述，抽水蓄能电站工程扰动坡面整体裸露严重、土壤稀缺，采用含基材客土进行修复能有效营造修复坡面植被生长所需的土壤环境，其中采用TBS技术修复的坡面在土壤养分表现方面优于采用ESS技术修复的坡面。不过，考虑到本研究选取的样地整体恢复年限较短，因此后续仍需要通过取样分析判断其土壤与植物间的共生协调关系，并结合植被的相关指标进行更为完整的土壤-植被养分供需特征研究。