拉萨河流域水电开发带来的河岸带土壤特征变化探究

拉萨河流域水电开发带来的河岸带土壤特征变化探究河流水文特性包括水位、流量、泥沙、水温、水质等多个方面，水坝的建立改变河流原有的水文形态，造成泥沙沉积，改变河流径流量、泥沙含量以及水质等水文条件，使得原河流的水文特征发生显著改变。水电工程泄流时会向下游输送大量浮游生物，对下游河流水位和水质产生影响[1-6]，同时水库蓄水调洪会减少下游河道的来沙量，使下游河道的输沙能力显著降低。例如美国胡佛大坝建成的9a里，下游河床高程降低了4m多，河道下切会降低沿河的地下水位，对下游植物生长造成威胁，使原本无需灌溉的植被因缺水而枯萎，上游水库排出的泥沙中可能含有氮磷等营养元素，易造成下游河岸植物入侵。另外，河床砂砾层的损耗还会影响在下游河流砂砾层产卵的鱼类、昆虫以及甲壳类等无脊椎动物。水文情势的改变会进一步影响河岸带生态环境，河岸带是一种介于陆地生态系统与水域生态系统之间的特殊生态系统，在自然界物质循环、能量流动过程中起着十分重要的作用。水库蓄水调洪会减少河流下游沿岸季节性泛滥湿地面积，这些湿地的生态环境与河流洪水变化周期有密切的关系，原本自然状态下洪水能够为下游泛滥湿地中动物、植物生存以及繁殖等生命活动提供保障，水库调洪后下游河岸带生态环境营养物质循环以及水分供给状况均发生改变。例如，肯尼亚Tana河由于大坝的建设，改变河流原有的洪水周期，下游河岸带森林正在逐渐消失。河岸带生态系统中植物受到水电开发所带来的影响，其形态结构均发生一定程度改变，加利福尼亚地区Bishop溪引水式水电工程投产引流之后，下游河岸带植被叶片变小变厚，总叶面积相应减少。 而土壤是时空连续的变异体，具有高度的空间异质性，河岸带土壤结构是实现河岸带生态功能的重要物质基础，能够清晰反映出河岸带生态环境变化情况。水电开发活动改变河流原有生态系统结构功能，从而改变河岸带原有土壤结构，而且已有研究指出水电开发能够影响河流以及底泥中养分等元素的分布情况，有研究指出水电站运行改变河流原有水文特征，使河岸带土壤细颗粒含量发生变化，从而影响河岸带土壤营养元素含量、河岸带植被冠层高度以及郁闭度等相关指标。因此本文以西藏拉萨河为案例点，利用河岸带土壤元素的空间分布特征分析拉萨河水电开发对河岸带所产生的生态影响。1材料与方法1.1研究区概况拉萨河发源于念青唐古拉山，向西南流经拉萨市，最终汇入雅鲁藏布江。拉萨河流域海拔高度为3800~4100m，自然生态环境较为脆弱，经济主要以农业、畜牧业为主。流域河岸带主要分布有7种土类，其中包括高山山地地带性土类：高山寒漠土、高山草甸土、亚高山草甸土、灌丛草原土;非地带性土类：草甸土、潮土和新积土。拉萨河流域气温低、降雨少，土壤有机元素矿化速度低，有机质、全氮含量较高，另外寒冷的气候条件外加强烈的风蚀作用降低流域土壤成土速率，导致流域以砂质土壤为主，而流域土壤母质中磷、钾含量偏低，土壤中磷、钾元素含量处于较低水平。拉萨河水能资源丰富，水能蕴藏量达2560MW，是西藏水电开发建设的重点地区，为解决该拉萨地区电力供应紧张与农田、草场灌溉问题，拉萨河流域在建、已建多座水利水电工程，流域内共有水电站38座，装机容量约为1.3万kWh。已建成较大规模水电站主要为纳金、献多、平措、直孔，在建的为旁多水电工程，其中直孔电站装机容量达100MW，旁多达120MW。因此，水电开发是拉萨河流域主要人类活动并且将作为未来西藏地区开发建设的重点工程。1.2样品采集自拉萨河上游至下游选择7个采样断面，遍布在拉萨河干流中游和下游，包括各水电站上游及下游地区。在该断面的河岸100m以内、100~200m之间以及200~300m之间各选一处采样点，此3 个采样点作为该截面的平行采样点，同一截面各相邻平行采样点之间的直线距离为100m。在每个采样点处选取有代表性的3个样方并利用GPS记下采样点的地理坐标，样方面积为25cm25cm，样方选好后用土钻在样方内采集0~20cm表层土，装袋并标号，带回室内测定土壤物理化学性质。1.3样品处理将土壤样品风干、研磨，通过200目以及400目筛子筛分得到3种粒级土壤数据，即粒径200目、粒径介于200~400目以及粒径400目3类。土壤样品准确称取0.1g，置于ST-60型自动消解仪中消解。冷却、定容后，用ICP-AES光谱仪测定土壤钙、钾、磷、镁4种元素的含量。2结果与讨论2.1土壤粒径分布结果分析2.1.1统计特征拉萨河2012年与2013年河岸带不同空间尺度上土壤粒径统计特征见表2、表3。通过统计分析结果可得拉萨河2012年拉萨河近岸土壤粒径的空间变异系数普遍小于2013年变异系数，2012年拉萨河河岸带土壤粒径的变异系数平均值为0.21，2013年为0.30。说明水电开发增加了土壤粒径的空间变异性，提高了拉萨河沿岸上游至下游土壤粒径的变化程度。2.1.2空间趋势变化特征分别比较2012年夏天与2013年夏天2期拉萨河流域土壤粒径分布数据分别比较2012年夏天与2013年夏天2期拉萨河流域土壤粒径分布数据，2012年土壤粒径介于200~400目颗粒平均比重为40%左右，粒径200目平均比重为50%左右，2013年粒径200目颗粒比重上升至60%，粒径介于200~400目颗粒比重下降至30%。纵向比较距河岸不同距离土壤粒径分布结果可知，距河岸100m内、100~200m、200~300m，粒径200 目颗粒数量自拉萨河上游至下游呈现增加趋势，粒径介于200~400目颗粒含量自拉萨河上游至下游呈降低趋势，而粒径400目的颗粒含量相对稳定，且小于其余2类土壤粒径含量。另外，纵向土壤粒径变化趋势与河岸距离有关，离河岸距离越近，土壤粗颗粒含量增加趋势越显著;通过统计特征分析结果，与2012年数据相比，2013年土壤数据这一变化趋势表现更为明显。由于水电工程开发活动中土石方开挖能够破坏原有地表土壤形态，造成区域水土流失，并使土壤中粗颗粒含量增加，造成土壤砂化。粗颗粒的比重增加使土壤更易受到外界侵蚀作用，进而使得成土速率降低。水电工程开发活动将使土壤中粗颗粒含量增加，造成土壤砂化，进而降低土壤成土速率，加剧土壤受侵蚀程度。因此，拉萨河下游地区近岸处，土壤质地相对粗糙松散，土壤粗颗粒比例较高。2.2土壤无机元素含量结果2.2.1统计特征拉萨河2012年与2013年河岸带不同空间尺度上土壤无机元素含量统计特征见表4、表5。通过统计分析结果可得拉萨河2012年拉萨河近岸土壤无机元素的空间变异系数普遍小于2013年变异系数：2012年拉萨河河岸带土壤钙元素的空间变异系数平均值为0.28，2013年为0.46;2012年拉萨河河岸带土壤钾元素的空间变异系数平均值为0.13，2013年为0.054;2012年拉萨河河岸带土壤镁元素的空间变异系数平均值为0.12，2013年为0.13;2012年拉萨河河岸带土壤磷元素的空间变异系数平均值为0.108，2013年为0.183。说明水电开发增加了土壤无机元素的空间变异性，提高了拉萨河沿岸上游至下游土壤无机元素含量的变化程度。2.2.2空间趋势变化特征 结果表明，4种土壤无机元素中，钾元素的含量最丰富，平均含量为2.4mg/g，钙和镁元素含量次之，钙元素平均含量为0.96mg/g，镁元素平均含量为10mg/g，磷元素含量最少，平均含量为0.97mg/g。综合2012年与2013年2期数据得出，纵向上流域上游土壤磷元素、钾元素、镁元素以及钙元素含量高于下游;横向上，河流远岸处元素含量高于近岸处，并且2013年土壤元素整体含量略低于2012年。河流近岸处元素含量普遍低于远岸处元素含量，这说明拉萨河水电工开发能够造成土壤主要无机元素含量下降。另外，研究表明流域梯级开发对对河流水文径流、水质、水温、水生生物、泥沙、动植物、局地气候干扰具有累积性，拉萨河已建直孔、平措、纳金等多座水电工程，电站梯级开发使河流下游生态环境受水电开发干扰最为强烈，下游土壤营养元素流失也更加严重，因此拉萨河下游近岸处土壤无机元素含量最低。2.3流域土壤特征变化成因分析根据两期采样数据比较流域不同类型水电站开发前后土壤无机元素含量变化情况，通过近岸100m处旁多上游与旁多下游，直孔上游与直孔下游，直孔下游与达孜以及达孜与曲水上游四组采样点之间土壤元素含量变化，计算两点间土壤元素增长率，进一步比较旁多、直孔、平措以及献金/纳多水电工程开发过程对土壤环境的主要影响机制。正在上游建设的旁多水电工程是迄今为止拉萨河最大的水电工程项目，预计2014年基本完工;直孔电站位于拉萨河中游河段，于2007年开始投入运行;纳金、献多、平措等电站均位于拉萨河下游，纳金电站、献多电站位于达孜中游至曲水上游河段，平措电站位于直孔下游至达孜中游河段，其中纳金电站已运行超过40年，献多、平措已运行20~30 年。拉萨河流域周围环境多为高寒草地，除上游海拔较高河段不适宜水电工程建设外，其余河段景观异质性较低，土壤本底值差别较小。通过分析可得：建设时期的旁多水电站对河岸带土壤中镁元素造成流失最为严重，两期数据对比，上游至下游河岸带土壤中镁元素含量下降幅度增加1.93mg/g，是旁多工程河段流域土壤所有元素中下降幅度增加最多的，钙元素、钾元素含量增长幅度有所下降，分别降低了0.82mg/g以及0.77mg/g，磷元素含量下降幅度增加0.12mg/g，这说明水电工程建设时期对土壤镁元素干扰较为强烈，对钙元素、钾元素以及磷元素的干扰较低。直孔电站是一座大型水电工程，运行年份不到10年，在工程开发之前直孔坝址以下耕作灌丛草原土壤全磷含量为1.15mg/g，直孔从2007年运行至今河岸带土壤中磷元素平均含量降低为0.98mg/g。从表格中比较结果可以看出直孔工程河段流域土壤镁元素下降幅度也增加了接近1.90mg/g，钙元素含量下降幅度增加了1.56mg/g，磷元素含量下降幅度增加0.02mg/g，钾元素含量增加幅度下降了0.06mg/g。通过直孔、旁多2座大型电站比较结果可以发现无论是建设时期还是运行初期，大型水电工程对于土壤镁元素以及钙元素干扰作用较为明显。小型水电工程土壤钙元素、镁元素含量下降幅度增量与磷元素、钾元素基本相同，河流下游的平措、献多以及纳金3座电站均为小型水电工程且运行年份较长，从三者的比较结果可以看出小型水电工程在运行几十年后土壤中镁元素、钙元素下降幅度有一定程度的减弱，但磷元素以及钾元素的含量下降幅度有所增加，平措水电工程所在河段土壤磷元素含量下降幅度增加0.06mg/g，钾元素含量下降幅度增加0.09mg/g，而献多/纳金工程所在河段土壤磷元素含量年下降幅度增加0.09mg/g，钾元素含量下降幅度增加0.05mg/g。 因此，无论是处在建设时期以及运行初期的大型水电工程还是运行几十年的小型水电工程，工程开发均能够增加土壤中磷元素、钾元素含量的下降速度。而大型水电工程，尤其是施工阶段以及运行初始阶段，工程开发对土壤镁元素、钙元素存在强烈影响;已运行多年的小型水电工程对土壤中镁元素、钙元素含量产生的干扰较小。土壤中的元素以多种形态存在，其中有效态元素多以离子的形式存在，易被生物直接利用，具有较强的活性且不稳定性高。土壤镁离子外围包有很厚的水化层，与钙离子相比镁离子半径小，水合数比钙离子大50%左右，负电荷对镁离子的吸引力不是很强，造成镁离子在土壤中容易流失，另外镁在砂质土中移动性增强，水电开发，尤其是施工建设时期，土壤粗颗粒物比重增加，进一步加剧了镁离子流失速率。因此，对于拉萨河流域土壤而言，水电开发施工以及运行初期对土壤镁元素含量造成影响最为明显。影响钾元素、磷元素流失的主要因素有坡度、雨强、下垫面情况，工程建设、初期蓄期，流域原有植被对磷元素、钾元素有一定程度的截留作用，元素流失程度小于镁元素;随着工程运行下游河岸经过数次淹没落干，植被退化较严重，土壤营养元素释放作用明显，研究发现连续水淹状态下每次淹水时土壤的有效磷水平都略有增加，但每次落干时较上次落干时有效磷水平降低。因此，与建设时期相比，运行期下游地区磷元素、钾元素释放量也将会不断增加。2.4拉萨河水电开发土壤肥力评价指数为量化水电开发对土壤肥力的影响，利用土壤营养元素含量以及水电工程开发引起的元素含量变化建立拉萨河水电开发土壤肥力评价指数，衡量水电开发对土壤肥力的影响。西藏地区主要土壤有机质含量较高，无机营养元素磷与钾含量较低，磷元素与钾元素是拉萨河流域生产力主要瓶颈因子，为衡量水电工程开发对拉萨河流域土壤肥力的影响，选取流域全磷、全钾含量作为评估指标，将全磷、全钾含量年际变化率视为权重因子，度量二者在水电开发土壤肥力评估中的重要程度：土壤中营养元素的含量越高，土壤肥力指数越高;土壤元素含量年际变化率越高表明此元素受水电工程开发建设影响越显著，则该种元素在水电开发土壤肥力评估中的重要程度越大。 护河岸的稳定性，减少流域水土流失，并在植被恢复时考虑到选择植物对土壤养分以及肥力的提升作用，适当在植物物种的选择上加入有一定固定养分能力的豆科植物[29]。另外，过度畜牧能够加剧土壤中养分的流失，各层土壤含水量、磷、钾等营养元素随放牧强度的增加而下降，西藏地区畜牧业是当地经济主要产业，可采取围栏封育的措施控制放牧强度，保持流域土壤肥力。3结论水电工程建设运行能够改变河流原有水文条件，从而影响河岸带土壤形态结构，本文在河流不同横断面处分别设立3个平行采样点，根据近岸与远岸土壤粒径以及元素含量空间变化特征对比分析水电开发对土壤环境的生态影响。(1)根据土壤粒径统计以及趋势分析结果可知拉萨河流域水电开发能够使土壤受侵蚀程度增加，砂化程度加重，抗侵蚀能力变差。(2)拉萨河河岸带土壤主要无机元素中，钾元素的含量最丰富，平均含量为24mg/g，钙元素平均含量为9.6mg/g，镁元素平均含量为10mg/g，磷元素平均含量为0.97mg/g。拉萨河水电开发能够造成土壤主要无机元素含量下降，其中镁元素、钙元素在大型水电工程建设期、运行初始期流失趋势均十分显著，而小型水电工程运行多年之后流失趋势有所减弱;磷元素、钾元素在大型水电工程建设期、运行初始期以及小型水电工程运行多年之后均存在一定程度的流失现象。(3)利用拉萨河水电开发土壤肥力评价指数评估水电工程对河岸带土壤肥力影响大小，结果表明拉萨河近岸处土壤肥力为由Ⅱ级变为Ⅲ级，水电工程导致的土壤养分流失现象明显，远岸处土壤肥力均为Ⅱ级，没有变化，说明远岸受水电工程影响程度较低。结合拉萨河地区的特点，建议实施流域植被恢复工程与护岸工程建设，控制拉萨河流域放牧规模。