水電工程公路邊坡的土質分析

序言：作為思想的載體和知識的探索者，寫作是一種獨特的藝術，我們為您準備了不同風格的1篇水電工程公路邊坡的土質分析，期待它們能激發您的靈感。

近年來隨著抽水蓄能電站在全國各地蓬勃發展，人們對其影響當地生態環境的認識也不斷加深。在我國西北寒旱地區，電站施工過程中產生的地表擾動可能會使其脆弱的生境進一步惡化。為了評價寒旱地區電站人工邊坡的生態狀況及土質特性，本文以新疆阜康抽水蓄能電站為例，分析了上下庫連接公路在工程擾動后26個邊坡的土壤理化性質，對含水量、pH值及有機質、總氮和總磷的含量進行了測定，探討了海拔高度、坡度角、坡面受光類型及邊坡原始植被對上述指標的影響。結果表明，在西北寒旱地區因水電工程施工擾動后的邊坡，其含水量、有機質含量及氮含量均發生顯著下降，土壤堿性增強，但是磷含量變化不大。進一步分析表明，海拔高度對人工邊坡土壤的含水量有一定影響，邊坡的坡度角會影響有機質含量和含氮量。上述研究為西北寒旱地區工程擾動后的人工邊坡土壤改良提供了理論依據，對促進抽水蓄能電站施工擾動后的生態重建與恢復有一定指導作用。

關鍵詞：寒旱地區;抽水蓄能;工程擾動;人工邊坡;土質分析;

近年來隨著國家能源轉型的持續深化，作為新型清潔能源之一的抽水蓄能電站，可起到削峰填谷、調頻調相和安全調度等作用[1]，正在全國范圍內快速發展[2]。但在其施工過程中，伴隨著開挖壩肩、填筑壩基、開挖上下水庫連接道路、填筑邊坡等系列工程的擾動，常形成大量裸露邊坡[3]，一方面影響了當地土壤理化性質、地貌景觀、植被及生物多樣性，另一方面加劇了泥石流、滑坡等地質災害或荒漠化的風險，制約著經濟社會的可持續發展[4]。由于在人類活動較少的地域更加有利于抽水蓄能電站的建設與運行[5]，因而它在我國廣闊的西北地區發展速度很快[6]。但是在以新疆為代表的西北寒旱地區，平均海拔高，降水量少，土層貧瘠，鹽堿含量高，生態環境較脆弱[7]，加之還有放牧活動等因素的影響，造成了這些地域的抗水電工程干擾能力較弱[8]。抽水蓄能電站建成后，常形成大量裸露邊坡[9]，而且這些邊坡的生態恢復與植被重建難度很大，自然演替過程十分漫長[10]。將人工擾動后的邊坡植被進行生態重建是一種可行的辦法[11,12]，但是首先需明確邊坡在工程擾動前后的環境因子差異，針對不同工程干擾邊坡水土變化特征而進行差異性修復[13]。本文以新疆阜康抽水蓄能電站為例，針對工程干擾后的不同海拔、不同坡度、不同類型的26個邊坡土壤特性進行了分析，研究結果為當地的土壤改良奠定了基礎，對西北寒旱地區抽水蓄能電站施工擾動后的生態恢復具有一定的參考意義。

1研究區概況

阜康抽水蓄能電站位于新疆維吾爾自治區昌吉回族自治州，地理坐標為東經87.98°，北緯44.16°。工程所在地海拔1540～2400m，在[溫14,1帶5]大陸性氣候的影響下，當地寒冷、干旱特征明顯。工程擾動后上下庫連接公路兩旁形成了大量35～45°的邊坡，土質以巖石、砂礫、巖質土為主。為了對植被恢復提供依據，本文在上下庫連接公路處，選取了不同海拔、不同坡度、不同路段、不同類型的26個邊坡（表1）土壤進行了系統分析。

2研究方法

2.1土壤取樣

在確定的采樣點上，先用小土鏟去掉表層土壤，然后采用“之”字采樣法傾斜向下20～25cm切取。為減少土壤差異，提高土樣代表性，在同一采樣地采集7個土壤樣品置于保鮮袋中進行含水量分析，混合均勻后取出1kg進行理化性質分析[16]。

2.2自然含水量及pH值分析

按照羅爽等[17]描述的方法，在每個樣地取15～20g土壤，置入105±2℃的烘箱中處理7～8h至恒重，然后置入干燥器中冷卻，30min后稱重，用質量差計算含水量，每個樣品設置三個重復。采用電位法測定土壤的pH值[18]。稱取通過1mm孔徑篩子的風干土，放入50ml燒杯中，然后加入適量蒸餾水用玻璃棒攪拌1min，靜置半小時后，用酸度計的指示電極和參比電極插入土壤懸液中，讀取pH值。每個樣品三個重復。

2.3有機質含量測定

采取重鉻酸鉀消煮法測定土壤的有機質含量[19]。稱取通過0.2mm篩孔的風干土樣，放入干燥的硬質試管中，加入0.4mol/L的重鉻酸鉀—濃硫酸溶液5mL,180℃消煮10min后冷卻，然后以鄰啡啰啉亞鐵溶液為指示劑進行滴定，計算剩余的重鉻酸鉀的含量。實驗以二氧化硅作為空白對照。每個處理三個重復。

2.4土壤全氮測定

采用半微量凱氏法測定土壤的全氮含量[20]。稱取通過0.25mm篩的風干土樣，置入干燥的開氏瓶底部并用少量無離子水濕潤，加入2g加速劑（硫酸鉀、五水硫酸銅與硒粉按照100∶10∶1的比例混勻）和5mL濃硫酸后消煮2h，待冷卻后置入半微量定氮儀上進行蒸餾。在冷凝管末端加上含有5mL濃度為2%的硼酸指示劑，用0.01mol/L鹽酸標準溶液滴定餾出液。式中：TN為土壤全氮，%；V為滴定試液時所用酸標準溶液的體積，mL;V0為滴定空白時所用酸標準溶液的體積，mL;CH為酸標準溶液的濃度，mol/L;0.014為氮原子的毫摩質量；m為烘干土樣質量，g。

2.5土壤速效磷的測定

采用碳酸氫鈉提取比色法分析土壤的速效磷含量[21]。取過1mm篩孔的風干土，加入0.5mol/L的碳酸氫鈉溶液，振蕩30min后，用干燥無磷濾紙過濾，在濾液中加入硫酸鉬銻抗混合顯色劑，搖勻并靜置30min后測定波長660nm的吸光值，根據標準曲線中的磷含量計算其濃度。

2.6統計分析方法

所有數據均采用GraphPadPrism5.0進行統計分析和作圖，樣本容量為28，重復數3，以0.01的概率值進行顯著性檢驗分析。

3結果與分析

3.1擾動邊坡的相對含水量分析

水分條件是該地域的一種重要的生態限制因子，因此本文首先測定了工程擾動后的不同邊坡其相對含水量的差異，為植被恢復及土壤水分管理和灌溉提供依據。測定結果表明，大多數上下庫連接公路邊坡的含水量都低于8%，表明缺水嚴重，其中LZD1、XZD5和XZD12這三塊邊坡的含水量相對較高，其含水量接近8%，但仍然低于工程擾動前的正對照CD（草地）與SL（森林）邊坡（圖1）。為了進一步分析含水量差異形成的原因，本文比較了不同邊坡的海拔高度、坡度角、坡面類型和原始植被類型對含水量的影響（圖1A-D）。結果表明，坡度角、坡面類型及原始植被類型對含水量的影響不大，而隨著海拔高度從1692m上升到2135m的過程中，土壤含水量呈下降的變化趨勢（R2=0.3193）。

3.2擾動邊坡的酸堿度分析

由于新疆阜康抽水蓄能電站所處的天山北麓地區大部分土壤屬鹽堿土，本文利用電極法測定了28(26+2）個邊坡土壤的酸堿度。結果表明，除了未受工程擾動的森林（SL）邊坡呈中性外，其他所有地塊均為堿性，包括另一個未受工程擾動的草地（CD）邊坡，這一方面說明工程擾動后土壤的堿性變化加劇（圖2），另一方面說明森林生態系統抗工程擾動能力強，生態系統更穩定。進一步分析表明，因工程擾動后造成的土壤堿性變化趨勢與邊坡的海拔高度、坡度角、坡面受光類型及原始植被狀況沒有明顯的相關關系（圖2A-D）。

3.3擾動邊坡的有機質含量分析

土壤有機質是土壤肥力高低的一個重要指標，可改善土壤的物理性狀和緩沖能力，對貧瘠地區的土壤改良至關重要。由于研究區土壤以砂土類型為主，有機質含量普遍不高，共有11塊擾動邊坡的有機質含量低于2%，表明在植被重建的過程中這些地方需要補充有機質以改良土壤（圖3A-D）。但是CD和SL的有機質含量均高于10%，顯示工程擾動對有機質含量的影響較大。進一步分析表明，海拔高度、坡面受光類型及坡面原始植被對土壤有機質含量的影響不大（圖3），可是坡面的坡度角在一定程度上可以影響邊坡的有機質含量，從圖4B中可以看出，隨著邊坡角度的增加，有機質的含量有一定的上升趨勢，兩者之間有一定的弱相關作用（R2=0.24）。

3.4擾動邊坡的總氮含量分析

為了評價上述工程擾動邊坡的氮素營養水平，本文利用半微量凱氏定氮法測定了它們的總氮含量，結果顯示大多數工程擾動邊坡的含氮量均低于0.2%（圖4），其中有10塊邊坡的含氮量低于0.05%，顯示處于嚴重缺氮狀態，需要在后期的土壤改良中予以重視。正對照CD和SL的含氮量遠高于這些工程受損的邊坡，顯示工程擾動對土壤含氮量的影響較大。同時，結果顯示邊坡含氮量與有機質的含量高度正相關，其相關系數R2達到0.9581。與對土壤有機質的含量影響類似，海拔高度、坡面受光類型及坡面原始植被對含氮量影響不大（圖4），同是坡面的坡度角在一定程度上可以影響邊坡的含氮量水平，隨著邊坡角度的增加，含氮量有一定的上升趨勢（圖4B）。

3.5擾動邊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時期內為植物所吸收利用的那一部分磷，在農業生產上測定土壤速效磷可以觀測和了解土壤對作物的供磷狀況，為合理施用磷肥提供科學依據。與其他的指標不同，與正對照CD和SL相比，大多數工程擾動后的邊坡土壤磷并不缺乏（圖5），可能與鹽堿性質有關，海拔高度、坡面受光類型、坡面的坡度角及原始植被對含磷量影響不大。表明在土壤改良中，磷營養的改良處于次要地位。

4結論

4.1抽水蓄能電站工程施工后所形成的人工邊坡其含水量、酸堿度、有機質含量、含氮量均發生了明顯變化，而對含磷量影響不大，所以未來土質改良應重點放在前四個指標上。

4.2隨著海拔高度增加，不同人工邊坡土壤的含水量呈現下降趨勢，這與劉月華等[22]的研究結果不一致，這可能由于本研究所采用的土樣均來自工程擾動后的邊坡，而前人的研究均采用自然邊坡所致。

4.3坡度角影響著土壤有機質含量和含氮量這一對高度正相關的指標，而坡面受光類型、原生植被對人工邊坡的影響不大。

4.4經抽水蓄能電站工程施工擾動后的人工邊坡，其有機質含量和氮素營養嚴重缺少，共10塊邊坡需要外源補充氮元素，在生態恢復過程中應注意增施有機肥和氮肥，可考慮在生態恢復中以豆科植物為主，以充分發揮其固氮和氮素的改良作用。

參考文獻

[1]袁壽其，方玉建，袁建平，等．我國已建抽水蓄能電站機組振動問題綜述[J]．水力發電學報，2015,34(11):1-15.

[2]任海波，余波，王奎，等．“雙碳”背景下抽水蓄能電站的發展與展望[J]．內蒙古電力技術，2022,40(03):25-30.

[3]錢繼源，張鵬，袁翔．植被混凝土生態修復技術在抽水蓄能電站邊坡中的應用[J]．人民黃河，2022,44(S1):147-148.

[4]陳晶，余振國，孫曉玲，等．基于山水林田湖草統籌視角的礦山生態損害及生態修復指標研究[J]．環境保護，2020,48(12):58-63.

[5]林學瑞，張茨林，黃立南．南亞熱帶地區大型抽水蓄能電站庫區森林植被調查研究[J]．中國水土保持，2022(02):61-65.

[6]馮黎，王社亮．西北地區發展抽水蓄能電站的意義與面臨的主要問題[J]．西北水電，2014(02):1-4.

[7]張雪梅，祁向坤，岳躍民，等．喀斯特峰叢洼地石漠化治理自然地域分區[J]．生態學報，2020,40(16):5490-5501.

[8]白永飛，潘慶民，邢旗．草地生產與生態功能合理配置的理論基礎與關鍵技術[J]．科學通報，2016,61(02):201-212.

[9]縱向群，王軒．抽水蓄能電站生態邊坡支護技術探討[J]．人民黃河，2022,44(S1):162-163.

[10]陳占才．連云港臨洪水利樞紐運行調度模式探析[J]．江蘇水利，2021(06):60-63.

[11]白鈺，曹媛，劉戰平．山西寧武縣汾河流域山水林田湖草生態保護修復思路與實踐[J]．西北水電，2020(S2):16-21.

[12]劉強，李熙，江世雄，等．輸變電工程邊坡生態防護關鍵問題及發展趨勢[J]．人民長江，2022,53(S1):16-20.

[13]黃志元，劉寶華，崔星怡，等．輸變電工程對土壤環境的影響及其防控[J]．農業資源與環境學報，2019,36(05):561-569.

[14]楊全力．國網新疆昌吉供電公司：積極服務阜康抽蓄電站送出工程建設[J]．中國電力企業管理，2022(09):95.

[15]劉娜，馮纓，管開云，等．蒙古沙拐棗(Calligonummongolicum）的地理分布與氣候關系[J]．干旱區研究，2015,32(05):934-940.

[16]顏明娟，陳賢玉，曹榕彬，等．福建典型白茶產區茶園土壤錳鋅形態特征及其影響因素[J]．生態環境學報，2022,31(05):885-895.

[17]羅爽，黃選華，高華端．黔中喀斯特坡耕地土壤含水量對土力學性質的影響[J]．西南農業學報，2020,33(12):2879-2884.

[18]曹勝，歐陽夢云，周衛軍，等．湖南省柑橘園土壤pH和主要養分特征及其相互關系[J]．中國土壤與肥料，2020(01):31-38.

[19]徐爽，楊凱，德永軍，等．棕壤有機質測定方法研究[J]．中國農學通報，2014,30(18):89-94.

[20]秦琳，黃世群，仲伶俐，等．杜馬斯燃燒法和凱氏定氮法在土壤全氮檢測中的比較研究[J]．中國土壤與肥料，2020(04):258-265.

[21]楊紫杭，張林，馮固．土壤微生物在枸溶性和聚合態磷肥活化利用中的作用[J]．植物營養與肥料學報，2022,28(04):654-663.

[22]劉月華，位曉婷，鐘夢瑩，等．甘南高寒草甸草原不同海拔土壤理化性質分析[J]．草原與草坪，2014,34(03):1-7.

作者:嚴良平 梁月 崔博濤 王排排 薛艷紅 劉士平 單位:國網新源控股有限公司新疆蓄能分公司 水利部沙棘開發管理中心(水土保持植物開發管理中心) 三峽大學生物與制藥學院