水电工程公路边坡的土质分析

序言：作为思想的载体和知识的探索者，写作是一种独特的艺术，我们为您准备了不同风格的1篇水电工程公路边坡的土质分析，期待它们能激发您的灵感。

近年来随着抽水蓄能电站在全国各地蓬勃发展，人们对其影响当地生态环境的认识也不断加深。在我国西北寒旱地区，电站施工过程中产生的地表扰动可能会使其脆弱的生境进一步恶化。为了评价寒旱地区电站人工边坡的生态状况及土质特性，本文以新疆阜康抽水蓄能电站为例，分析了上下库连接公路在工程扰动后26个边坡的土壤理化性质，对含水量、pH值及有机质、总氮和总磷的含量进行了测定，探讨了海拔高度、坡度角、坡面受光类型及边坡原始植被对上述指标的影响。结果表明，在西北寒旱地区因水电工程施工扰动后的边坡，其含水量、有机质含量及氮含量均发生显著下降，土壤碱性增强，但是磷含量变化不大。进一步分析表明，海拔高度对人工边坡土壤的含水量有一定影响，边坡的坡度角会影响有机质含量和含氮量。上述研究为西北寒旱地区工程扰动后的人工边坡土壤改良提供了理论依据，对促进抽水蓄能电站施工扰动后的生态重建与恢复有一定指导作用。

关键词：寒旱地区;抽水蓄能;工程扰动;人工边坡;土质分析;

近年来随着国家能源转型的持续深化，作为新型清洁能源之一的抽水蓄能电站，可起到削峰填谷、调频调相和安全调度等作用[1]，正在全国范围内快速发展[2]。但在其施工过程中，伴随着开挖坝肩、填筑坝基、开挖上下水库连接道路、填筑边坡等系列工程的扰动，常形成大量裸露边坡[3]，一方面影响了当地土壤理化性质、地貌景观、植被及生物多样性，另一方面加剧了泥石流、滑坡等地质灾害或荒漠化的风险，制约着经济社会的可持续发展[4]。由于在人类活动较少的地域更加有利于抽水蓄能电站的建设与运行[5]，因而它在我国广阔的西北地区发展速度很快[6]。但是在以新疆为代表的西北寒旱地区，平均海拔高，降水量少，土层贫瘠，盐碱含量高，生态环境较脆弱[7]，加之还有放牧活动等因素的影响，造成了这些地域的抗水电工程干扰能力较弱[8]。抽水蓄能电站建成后，常形成大量裸露边坡[9]，而且这些边坡的生态恢复与植被重建难度很大，自然演替过程十分漫长[10]。将人工扰动后的边坡植被进行生态重建是一种可行的办法[11,12]，但是首先需明确边坡在工程扰动前后的环境因子差异，针对不同工程干扰边坡水土变化特征而进行差异性修复[13]。本文以新疆阜康抽水蓄能电站为例，针对工程干扰后的不同海拔、不同坡度、不同类型的26个边坡土壤特性进行了分析，研究结果为当地的土壤改良奠定了基础，对西北寒旱地区抽水蓄能电站施工扰动后的生态恢复具有一定的参考意义。

1研究区概况

阜康抽水蓄能电站位于新疆维吾尔自治区昌吉回族自治州，地理坐标为东经87.98°，北纬44.16°。工程所在地海拔1540～2400m，在[温14,1带5]大陆性气候的影响下，当地寒冷、干旱特征明显。工程扰动后上下库连接公路两旁形成了大量35～45°的边坡，土质以岩石、砂砾、岩质土为主。为了对植被恢复提供依据，本文在上下库连接公路处，选取了不同海拔、不同坡度、不同路段、不同类型的26个边坡（表1）土壤进行了系统分析。

2研究方法

2.1土壤取样

在确定的采样点上，先用小土铲去掉表层土壤，然后采用“之”字采样法倾斜向下20～25cm切取。为减少土壤差异，提高土样代表性，在同一采样地采集7个土壤样品置于保鲜袋中进行含水量分析，混合均匀后取出1kg进行理化性质分析[16]。

2.2自然含水量及pH值分析

按照罗爽等[17]描述的方法，在每个样地取15～20g土壤，置入105±2℃的烘箱中处理7～8h至恒重，然后置入干燥器中冷却，30min后称重，用质量差计算含水量，每个样品设置三个重复。采用电位法测定土壤的pH值[18]。称取通过1mm孔径筛子的风干土，放入50ml烧杯中，然后加入适量蒸馏水用玻璃棒搅拌1min，静置半小时后，用酸度计的指示电极和参比电极插入土壤悬液中，读取pH值。每个样品三个重复。

2.3有机质含量测定

采取重铬酸钾消煮法测定土壤的有机质含量[19]。称取通过0.2mm筛孔的风干土样，放入干燥的硬质试管中，加入0.4mol/L的重铬酸钾—浓硫酸溶液5mL,180℃消煮10min后冷却，然后以邻啡啰啉亚铁溶液为指示剂进行滴定，计算剩余的重铬酸钾的含量。实验以二氧化硅作为空白对照。每个处理三个重复。

2.4土壤全氮测定

采用半微量凯氏法测定土壤的全氮含量[20]。称取通过0.25mm筛的风干土样，置入干燥的开氏瓶底部并用少量无离子水湿润，加入2g加速剂（硫酸钾、五水硫酸铜与硒粉按照100∶10∶1的比例混匀）和5mL浓硫酸后消煮2h，待冷却后置入半微量定氮仪上进行蒸馏。在冷凝管末端加上含有5mL浓度为2%的硼酸指示剂，用0.01mol/L盐酸标准溶液滴定馏出液。式中：TN为土壤全氮，%；V为滴定试液时所用酸标准溶液的体积，mL;V0为滴定空白时所用酸标准溶液的体积，mL;CH为酸标准溶液的浓度，mol/L;0.014为氮原子的毫摩质量；m为烘干土样质量，g。

2.5土壤速效磷的测定

采用碳酸氢钠提取比色法分析土壤的速效磷含量[21]。取过1mm筛孔的风干土，加入0.5mol/L的碳酸氢钠溶液，振荡30min后，用干燥无磷滤纸过滤，在滤液中加入硫酸钼锑抗混合显色剂，摇匀并静置30min后测定波长660nm的吸光值，根据标准曲线中的磷含量计算其浓度。

2.6统计分析方法

所有数据均采用GraphPadPrism5.0进行统计分析和作图，样本容量为28，重复数3，以0.01的概率值进行显著性检验分析。

3结果与分析

3.1扰动边坡的相对含水量分析

水分条件是该地域的一种重要的生态限制因子，因此本文首先测定了工程扰动后的不同边坡其相对含水量的差异，为植被恢复及土壤水分管理和灌溉提供依据。测定结果表明，大多数上下库连接公路边坡的含水量都低于8%，表明缺水严重，其中LZD1、XZD5和XZD12这三块边坡的含水量相对较高，其含水量接近8%，但仍然低于工程扰动前的正对照CD（草地）与SL（森林）边坡（图1）。为了进一步分析含水量差异形成的原因，本文比较了不同边坡的海拔高度、坡度角、坡面类型和原始植被类型对含水量的影响（图1A-D）。结果表明，坡度角、坡面类型及原始植被类型对含水量的影响不大，而随着海拔高度从1692m上升到2135m的过程中，土壤含水量呈下降的变化趋势（R2=0.3193）。

3.2扰动边坡的酸碱度分析

由于新疆阜康抽水蓄能电站所处的天山北麓地区大部分土壤属盐碱土，本文利用电极法测定了28(26+2）个边坡土壤的酸碱度。结果表明，除了未受工程扰动的森林（SL）边坡呈中性外，其他所有地块均为碱性，包括另一个未受工程扰动的草地（CD）边坡，这一方面说明工程扰动后土壤的碱性变化加剧（图2），另一方面说明森林生态系统抗工程扰动能力强，生态系统更稳定。进一步分析表明，因工程扰动后造成的土壤碱性变化趋势与边坡的海拔高度、坡度角、坡面受光类型及原始植被状况没有明显的相关关系（图2A-D）。

3.3扰动边坡的有机质含量分析

土壤有机质是土壤肥力高低的一个重要指标，可改善土壤的物理性状和缓冲能力，对贫瘠地区的土壤改良至关重要。由于研究区土壤以砂土类型为主，有机质含量普遍不高，共有11块扰动边坡的有机质含量低于2%，表明在植被重建的过程中这些地方需要补充有机质以改良土壤（图3A-D）。但是CD和SL的有机质含量均高于10%，显示工程扰动对有机质含量的影响较大。进一步分析表明，海拔高度、坡面受光类型及坡面原始植被对土壤有机质含量的影响不大（图3），可是坡面的坡度角在一定程度上可以影响边坡的有机质含量，从图4B中可以看出，随着边坡角度的增加，有机质的含量有一定的上升趋势，两者之间有一定的弱相关作用（R2=0.24）。

3.4扰动边坡的总氮含量分析

为了评价上述工程扰动边坡的氮素营养水平，本文利用半微量凯氏定氮法测定了它们的总氮含量，结果显示大多数工程扰动边坡的含氮量均低于0.2%（图4），其中有10块边坡的含氮量低于0.05%，显示处于严重缺氮状态，需要在后期的土壤改良中予以重视。正对照CD和SL的含氮量远高于这些工程受损的边坡，显示工程扰动对土壤含氮量的影响较大。同时，结果显示边坡含氮量与有机质的含量高度正相关，其相关系数R2达到0.9581。与对土壤有机质的含量影响类似，海拔高度、坡面受光类型及坡面原始植被对含氮量影响不大（图4），同是坡面的坡度角在一定程度上可以影响边坡的含氮量水平，随着边坡角度的增加，含氮量有一定的上升趋势（图4B）。

3.5扰动边坡的速效磷含量分析

土壤速效磷，系指土壤中存有的能在短时期内为植物所吸收利用的那一部分磷，在农业生产上测定土壤速效磷可以观测和了解土壤对作物的供磷状况，为合理施用磷肥提供科学依据。与其他的指标不同，与正对照CD和SL相比，大多数工程扰动后的边坡土壤磷并不缺乏（图5），可能与盐碱性质有关，海拔高度、坡面受光类型、坡面的坡度角及原始植被对含磷量影响不大。表明在土壤改良中，磷营养的改良处于次要地位。

4结论

4.1抽水蓄能电站工程施工后所形成的人工边坡其含水量、酸碱度、有机质含量、含氮量均发生了明显变化，而对含磷量影响不大，所以未来土质改良应重点放在前四个指标上。

4.2随着海拔高度增加，不同人工边坡土壤的含水量呈现下降趋势，这与刘月华等[22]的研究结果不一致，这可能由于本研究所采用的土样均来自工程扰动后的边坡，而前人的研究均采用自然边坡所致。

4.3坡度角影响着土壤有机质含量和含氮量这一对高度正相关的指标，而坡面受光类型、原生植被对人工边坡的影响不大。

4.4经抽水蓄能电站工程施工扰动后的人工边坡，其有机质含量和氮素营养严重缺少，共10块边坡需要外源补充氮元素，在生态恢复过程中应注意增施有机肥和氮肥，可考虑在生态恢复中以豆科植物为主，以充分发挥其固氮和氮素的改良作用。

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作者:严良平 梁月 崔博涛 王排排 薛艳红 刘士平 单位:国网新源控股有限公司新疆蓄能分公司 水利部沙棘开发管理中心(水土保持植物开发管理中心) 三峡大学生物与制药学院