2. 华南农业大学资源环境学院, 510642, 广州;
3. 广东省公路建设有限公司, 510600, 广州
中国水土保持科学 2018, Vol. 16 Issue (2): 111-118. DOI: 10.16843/j.sswc.2018.02.015 |
高速公路主体工程建设会临时占用和损毁部分土地,并带来土地资源损毁、水土流失等资源环境问题。根据《土地复垦条例》等法律法规的要求,需要对损毁土地进行生态重建和复垦利用,但因工程建设对占用土地土壤性状造成了严重破坏,致使绝大部分被占用和损毁土地都未得到有效利用[1],导致因高速公路建设引发的水土流失问题日益严重,也加剧了建设中土地资源的供求矛盾。
土壤条件关系到土地复垦的成败,土壤改良是土地复垦和生态重建的核心工作[2]。土壤质量评价能为土壤改良提供基本信息。土壤密度和孔隙度,土壤pH和有机质,土壤的氮、磷、钾质量分数等理化指标,是土壤质量评价的重要内容[3]。酶活性是土壤微生物性状和土壤理化条件[4]的综合表征,在土壤质量评价中被广泛使用。研究表明,与自然土壤相比,临时用地土壤质量变差[5-7]是造成土地复垦利用和植被恢复效果不佳的主要原因;因此,需要探寻影响临时用地复垦利用的主要土壤因子,以采取有针对性的土壤改良措施。但当前研究主要用方差分析法,对比研究临时用地土壤基本理化性状与区域自然土壤的差异[5-6],较少引入酶活性指标进行研究。特别是当评价变量较多时,变量间的相互关系在一定程度上,也影响对土壤质量主要因子的分析判断,导致土壤改良措施缺乏针对性,影响土地复垦和生态重建的效果。
笔者以在建的江门—罗定高速公路(以下简称“江罗高速”)临时用地为对象,在t检验和方差分析的基础上,用主成分分析法研究临时用地损毁后,土壤理化性状和酶活性的变化,以及不同临时用地土壤质量的差异,揭示临时用地土壤质量的变化特征及引发其质量变化的主要因子,为工程建设损毁土地的复垦利用、生态重建及水土流失治理提供理论依据。
1 研究区概况“江罗高速”位于广东省江门市和云浮市境内(E 112°1′18″~112°10′30″,N 22°43′40″~22°46′50″)。工程沿线属南亚热带季风气候,年均温22.0~24.4 ℃,年降雨量1 380~1 517 mm,年日照时间1 719~2 430 h;地貌以低山丘陵为主;土壤以沉积岩和岩浆岩风化物发育而成的赤红壤为主,土壤黏土矿物以高岭石为主,酸性强,养分质量分数一般较低,表层砂化普遍。
2 材料与方法 2.1 样地选取及土样采集“江罗高速”占用和损毁的临时用地面积约为87.84 hm2,主要为施工营地、施工便道、试验室、取土场、弃土场、弃渣场、拌和站、预制场、制梁场、料场及钢筋加工厂等占用和损毁。按损毁及占用的方式,可以把临时用地分为5类,包括施工营地(实验室)、施工便道、拌和站(预制场、制梁场、钢筋加工厂和料场等)、取土场和弃土场(弃渣场)。
选取自然条件、土壤类型和质地等大致相同的第10~11标段,15个临时用地作为研究样地,按随机多样点混合原则,在每个样地选取约10 m2范围内的5点,用四分法采集0~20 cm深度土壤层样品。在每一样地周围,选择与占用和损毁前土地利用类型、土壤类型及成土母质相同的地块,采集对照样品。采集到的土样,在室温下自然风干,用土壤研磨仪磨碎过筛,保存备用。另外,在相同样地内,用ϕ100环刀取5~10 cm深度土层的土样,测定密度和孔隙度。
2.2 分析测定 2.2.1 物理性质测定土壤颜色是用门赛尔比色卡法在采样时现场测定;环刀法测土壤密度和孔隙度;威尔科克斯法测田间持水量;紧实度用土壤硬度仪测定。
2.2.2 化学性质测定用pH计电位法(1:2.5土水比)测土壤pH值;重铬酸钾容量法测有机质;开氏消煮法测全氮;碱解扩散法测碱解氮;Olsen法测速效磷;NH4OAc浸提-火焰光度法测速效钾。酶活性测定用硫代硫酸钠容量法测转化酶;高锰酸钾容量法测过氧化氢酶;苯酚钠比色法测脲酶;磷酸苯二钠比色法测磷酸酶。
2.3 数据处理用SPSS 17.0软件,对临时用地损毁土壤与对照土壤进行配对样本t检验;用SAS 9.0软件进行方差分析和多重比较(DMRT),比较对照土壤与临时用地损毁土壤性质的差异,以及不同类型临时用地之间土壤性质的差异;用R(ADE-4)软件进行主成分分析。图表中的数据均是各测定数据的平均值±标准误。
3 结果分析 3.1 临时用地土壤物理性质的变化 3.1.1 土地利用方式、植被覆盖和土壤颜色的变化与对照用地相比,临时用地土地的利用方式、植被覆盖和土壤颜色等都发生较大变化。土地利用方式从农业用的林地、园地和耕地等,变为高速公路工程建设需要的施工营地、拌和站、施工便道、弃土场和取土场等。土地上原有的植被覆盖全部消失或破坏,地表被压实,或者被硬化。土壤颜色大多较原土变浅,从以灰褐色为主色调变为以红色为主色调。腐殖质层被剥离,或者被掩埋,许多土层没有发生学上的联系;半风化的岩石碎屑、砾石以及其他固体碎屑状物质等侵入土壤,物质组成变复杂。
3.1.2 土壤密度、紧实度、总孔隙度和田间持水量的变化因施工机械碾压、材料堆压和人们踩踏等原因,施工便道、拌和站和施工营地土壤密度和紧实度显著增加,总孔隙度和田间持水量显著降低。与对照用地相比,施工便道、拌和站、施工营地和取土场土壤密度分别增加7.16%、22.02%、9.28%和6.92%,紧实度分别增加33.92%、11.20%、14.50%和6.95%;但孔隙度分别降低16.46%、17.68%、17.73%和11.62%,田间持水量分别降低15.03%、51.19%、14.04%和14.78%。因弃土场土壤主要为经过机械和人工松翻土壤的简单堆砌,与对照用地相比,密度和紧实度显著降低,分别降低7.8%和28.97%;但孔隙度和田间持水量显著增加,分别增加11.55%和6.47%(P<0.05,图 1)。
与对照用地相比,除弃土场土壤pH值变化显著(P<0.05,图 2)外,其他4类临时用地pH值变化均不显著;但拌和站、施工营地、弃土场和取土场土壤pH值较对照分别上升5.49%、6.55%、14.38%和2.54%。与对照用地相比,可能因为富含有机质的表层土壤被移走、掩埋等原因,除施工便道外,其他4类临时用地的土壤有机质的质量分数都显著降低(P<0.05,图 2),5类临时用地土壤有机质的损失量都超过对照用地土壤的50%,分别达到54.94%、51.30%、57.60%、71.69%和78.34%。
与对照用地相比,除施工便道外,拌和站、施工营地、取土场和弃土场土壤全氮和碱解氮质量分数变化显著。可能由于机械和人工扰动,导致土层混乱,表层土壤被掩埋等原因,土壤全氮质量分数全都降低,施工便道、拌和站、施工营地土壤分别降低23.83%、33.54%、和40.34%,弃土场和取土场土壤全氮损失量都超过50%,分别达到66.73%和71.51%。土壤碱解氮质量分数也有所降低,施工便道、拌和站和施工营地土壤碱解氮分别降低14.08%、51.19%和47.03%,弃土场和取土场土壤碱解氮损失量高达76.84%和79.11%。5类临时用地的土壤速效磷质量分数均显著降低(P<0.05,图 3),取土场和施工营地土壤速效磷质量分数分别减少9.25%和44.24%,施工便道、拌和站和弃土场3类临时用地的土壤速效磷质量分数损失量,分别高达68.97%、78.91%和67.94%。但拌和站、施工营地和弃土场3类临时用地的土壤速效钾质量分数,分别增加14.45%、70.03%和8.26%。
与对照用地相比,拌和站和取土场2类临时用地的土壤转化酶活性变化显著(P<0.05,图 4),5类临时用地土壤转化酶活性较对照用地均有所降低,施工便道、拌和站、施工营地和弃土场分别降低5.88%、43.58%、14.36%和30.89%,取土场土壤转化酶活性降低高达76.98%;除施工营地外,其他4类临时用地土壤脲酶活性均显著降低(P<0.05,图 4),施工便道、拌和站、施工营地、弃土场和取土场土壤脲酶活性分别降低14.86%、49.64%、30.02%,52.36%和23.46%;拌和站、弃土场和取土场3类临时用地土壤酸性磷酸酶活性显著降低11.27%、69.38%和91.13%(P<0.05,图 4),施工便道和施工营地土壤酸性磷酸酶活性变化不显著,但均较对照用地有所降低,分别降低9.40%和68.03%;5类临时用地的土壤过氧化氢酶活性变化均不显著,但均较对照用地有所降低,分别降低21.00%、22.23%、3.10%、20.62%和31.47%。
对临时用地和对照用地土壤质量的主成分分析结果显示,第1、2主成分变量累积贡献率为65.51%,14个变量的大部分信息均可由其体现。其中,第1主成分(PC1)变量累积贡献率为40.66%,主要与表征土壤物理性质的田间持水量,表征土壤化学性质的有机质、全氮、碱解氮和速效磷,以及表征土壤酶活性的酸性磷酸酶、转化酶、过氧化氢酶和脲酶等变量密切相关(图 5a),受其影响,对照用地与临时用地样点空间分布差异极显著(P<0.001,图 5b)。损毁后,各临时用地样点显著向总孔隙度和田间持水量减小,有机质、全氮、碱解氮和速效磷质量分数降低,酸性磷酸酶、转化酶、过氧化氢酶和脲酶活性减弱方向偏移。第2主成分(PC2)变量累积贡献率为24.85%,主要与表征土壤物理性质的密度、紧实度和总孔隙度等变量有关(图 5a)。受其影响,施工营地、施工便道和拌和站3类临时用地样点,显著向密度和紧实度增大,孔隙度和田间持水量减弱方向偏移(图 5b)。表明施工营地、施工便道和拌和站较弃土场和取土场土壤密度、紧实度、总孔隙度和田间持水量等物理性状损毁更加严重。
为区分不同类型临时用地土壤质量的差异,对不同类型临时用地土壤质量进行主成分分析。结果显示:第1、2主成分变量累积贡献率为76.34%,不同类型临时用地14个变量大部分信息均可由其体现。其中,第1主成分变量累积贡献率为53.25%,主要与密度、紧实度、总孔隙度、有机质、全氮、碱解氮、速效磷、脲酶、转化酶和酸性磷酸酶活性等变量密切相关(图 5c),不同临时用地土壤质量差异主要由这些变量决定。受第1主成分变量的影响,5类临时用地样点土壤质量差异极显著(P<0.001,图 5d),取土场和弃土场土壤质量更相近,更偏向土壤有机质和养分质量分数降低、酶活性减弱方向,表明有机质、氮、磷、钾等质量分数降低和酶活性减弱,是造成取土场和弃土场土壤质量下降的原因。施工营地和施工便道土壤质量更相近,更偏向土壤总孔隙度降低,密度和紧实度增加的方向,表明土壤物理性状恶化,是施工便道和施工营地土壤质量下降的主要原因。第2主成分变量累积贡献率为23.09%,主要与田间持水量和过氧化氢酶活性等变量关系密切(图 5c),拌和站受第2主成分变量的影响较大,显著向密度和紧实度增大,总孔隙度和田间持水量减小,酶活性减弱方向偏移(图 5d)。表明土壤酶活性降低、物理性质恶化,是拌和站土壤质量下降的主要原因。
4 讨论 4.1 临时用地土壤理化性状和酶活性的变化与对照用地土壤相比,临时用地土壤物理性质多产生显著变化。土地被临时占用后,因高速公路工程建设,需要对土地进行挖方和填方;同时,又有大量的工程垃圾需要丢弃,这些挖填和弃土(渣)活动都会造成地表原有植被被挖损或被掩埋[8],改变土壤原来的结构,扰乱原有土壤的发育层次和结构,有机质和腐殖质层被剥离或掩埋,导致土壤颜色变浅[7]。由于高标准道路建设的需要,临时用地多被压实或硬化[9],使得施工便道、拌和站和施工营地土壤密度和紧实度显著增大,孔隙度减小,田间持水量显著降低。此外,高速公路工程建设过程中,各种机械碾压以及其他人为活动,都会导致临时占用土地土壤被压实或板结[10],致使临时用地土壤紧实度增加[11],密度增大[5, 7, 10],田间持水量降低[11]。
与对照用地土壤相比,高速公路临时用地土壤有机质、土壤氮素和土壤速效磷等养分质量分数急剧降低。已有研究表明,临时用地土壤有机质不足,普遍缺氮,严重缺磷,部分缺钾,氮磷钾比例严重失调[6]。土壤有机质和养分质量分数降低,是因为工程建设损毁了土壤富含有机质的表土层,而新土多由底层心土以及半风化残积土组成,有机质等养分质量分数减少。土地利用方式的变化,同样会导致土壤有机质及氮素质量分数的变化[12]。损毁后土壤pH值有所增大,这与余海龙等[5]研究结果一致。土壤碱性增强,可能与石灰、水泥等碱性建筑材料,在高速公路建设过程中,混入表层土壤有关[13]。研究发现5类临时用地土壤钾元素质量分数变化不大,甚至有所增加。这是因为土壤钾质量分数与成土母质密切相关,且主要来源于成土母质,而临时用地土壤因工程建设中,挖填活动混入了大量母质风化土,所以临时用地土壤钾质量分数大多保留原成土母质的特性[7, 12]。
与对照用地土壤相比,临时用地土壤转化酶、酸性磷酸酶、脲酶和过氧化氢酶活性都显著降低。原因在于土壤酶活性与土壤结构等理化性质密切相关[14]。已有研究表明,土壤酶活性与土壤孔隙度呈正相关关系,与土壤密度显著负相关,土壤孔隙度越小,密度越高,土壤的酶活性越低[15];土壤酶活性与土壤田间持水量正相关,土壤田间持水量越高,土壤酶活性越大[16];土壤紧实度会影响土壤转化酶、脲酶、过氧化氢酶和磷酸酶的活性,紧实度变大,会导致酶活性降低[17];土壤有机质、氮素和速效磷质量分数与脲酶、酸性磷酸酶和过氧化氢酶活性显著正相关[16, 18],酶活性会随土壤中碳、氮和磷质量分数增加而变大[18]。土地被用作临时用地后,土壤理化性状普遍恶化,致使酶活性都显著降低。
4.2 不同类型临时用地土壤质量的差异高速公路5类临时用地土壤质量差异极显著。拌和站、施工营地和施工便道3类临时用地,相对于取土场和弃土场这2类临时用地,土壤密度和紧实度较大,孔隙度和田间持水量较小。原因在于拌和站、施工便道和施工营地为修建高速公路的施工准备场地,地面多被压实或硬化,致使土壤密度增大、紧实度增强。此外,施工过程中,反复的人踩车压及材料堆放等,也会导致土壤被压实,致使土壤密度和紧实度增大,结构被破坏,孔隙度减小[10],田间持水量降低。而取土场和弃土场仅为取土、弃土和弃渣所用,因而其土壤密度和紧实度相对较低,孔隙度相对较大。拌和站、施工营地和施工便道这3类临时用地的土壤有机质、氮素和速效磷等养分质量分数,较取土场和弃土场这2类临时用地土壤高,原因在于拌和站、施工营地和施工便道虽然部分破坏了地表植被,但并没有完全改变土壤的可耕层和肥力[19],而弃土场和取土场彻底破坏了原有土地植被、表土和可耕层,特别是取土场土壤耕层等表层土壤被彻底移除,所剩土壤多是一些心土或母质,土壤非常贫瘠[7]。已有研究表明,土壤酶活性与土壤理化性质密切相关,因不同类型临时用地土壤理化性质差异较大,导致土壤酶活性也产生较大差异,致使不同类型临时用地土壤质量呈显著差异。
5 结论1) 与对照用地土壤相比,5类临时用地土壤质量都显著降低。土地被用作高速公路工程建设临时用地后,土地利用方式彻底改变,工程建设活动改变了原有土壤的结构和层次,土壤密度等物理性状急剧恶化,土壤有机质和速效养分质量分数迅速减少、肥力降低,酶活性减弱,土壤综合质量下降。
2) 受占用和损毁方式的影响,5类临时用地之间土壤质量差异显著。相对而言,土壤肥力下降,土壤酶活性减弱是取土场和弃土场这2类临时用地土壤质量下降的主因。土壤密度等物理性质恶化,是拌和站、施工营地和施工便道这3类临时用地土壤质量下降的主因。因此,在高速公路临时用地复垦利用和土壤管理中,要注意保护临时用地的表土层,科学重构土壤物理层次和结构;同时,适当施用氮肥、磷肥和有机肥等,以促进损毁土壤综合肥力的提高。此外,应根据损毁和占用方式的不同,对不同临时用地采取针对性的土壤改良、复垦利用和水土保持措施。
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