三峽庫區典型消落帶土壤化學性質變化

程瑞梅 劉澤彬 肖文發 王 娜 王曉榮 沈雅飛

(1.中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所 國家林業局森林生態環境重點實驗室 北京 100091； 2.南京林業大學南方現代林業協同創新中心 南京 210037； 3.湖北省林業科學研究院 武漢 430075)

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三峽庫區典型消落帶土壤化學性質變化

程瑞梅1,2劉澤彬1,2肖文發1,2王 娜1,2王曉榮1,3沈雅飛1,2

(1.中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所 國家林業局森林生態環境重點實驗室 北京 100091； 2.南京林業大學南方現代林業協同創新中心 南京 210037； 3.湖北省林業科學研究院 武漢 430075)

【目的】 分析三峽庫區消落帶土壤化學性質，為深入揭示消落帶水土環境變化及為植被恢復與物種篩選提供科學依據。【方法】 在三峽庫區典型消落帶設置固定監測樣地，通過2008年(未水淹)和2012年(經歷4次水位漲落)的監測，研究庫區典型消落帶土壤化學元素的變化特征。【結果】 相比2008年， 2012年消落帶各土層pH均顯著增加(P<0.05)，pH趨于中性； 與2008年未水淹相比， 2012年消落帶不同土層土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀含量分別降低36.9%～53.3%，12.0%～23.5%，42.0%～52.3%，39.7%～43.8%，12.3%～17.5%，78.5%～91.4%和41.1%～57.9%，其中氮素下降幅度相對較小，而磷素下降幅度最大； 經過4次水位漲落后，消落帶土壤養分處于十分貧瘠的狀態，以鉀元素最為明顯； 土壤金屬元素在受水位漲落后均增加， 2012年消落帶全鎂和全鈉含量上升幅度最大，與2008年消落帶全鎂和全鈉含量相比差異顯著(P<0.05)； 2012年消落帶全鈣含量雖有上升，但與2008年相比差異不顯著。【結論】 隨著庫區長期的水位漲落，消落帶土壤養分匱乏和水體富營養化問題將突顯，對于消落帶土壤化學性質變化仍需長期監測。

三峽庫區; 消落帶; 水位漲落; 土壤pH; 土壤有機質; 土壤全量養分; 土壤速效養分; 土壤金屬元素

消落帶(hydro-fluctuation belt)又稱消落區，是河流、湖泊、水庫特有的一種現象，其形成主要有2個原因：一是季節性水位漲落，二是周期性蓄水。三峽水庫建成后形成了落差近30 m、面積達300 km2的消落帶(劉澤彬等， 2013)，與原有消落帶相比，新形成的消落帶水淹時間延長，造成庫區消落帶植被大量死亡，從而使庫區消落帶面臨一系列生態環境問題。2011年，《三峽后續工作規劃》明確提出植被恢復是三峽庫區消落帶生態環境治理的主要內容。而土壤是植被生存的基礎，受庫區水位漲落影響，消落帶水土流失嚴重，土壤特性也必將發生變化(李飛等， 2013)，因此，在植被恢復與重建過程中，土壤理化性質及其變化規律必須予以考慮(康義等， 2010； 郭泉水等， 2012)。同時，土壤也是生態系統中物質和能量交換的場所，其化學元素的變化與地域水分、植被、海拔、氣候以及人為干擾等因素有著密切聯系，對劇烈的環境變化具有敏感性，可以起到指示作用(王曉榮等， 2010)。

目前，學者們對消落帶土壤理化性質變化已開展了大量工作，包括室內模擬研究(張金祥等， 2004； 袁輝等， 2008)和室外原位試驗(秦宇等， 2013； 李飛等2013； 雷明等， 2012； 常超等， 2011)，獲取了大量基礎數據，特別是基于固定監測樣地進行的研究，為深入探討庫區消落帶土壤元素變化奠定了基礎。但當前基于固定監測樣地的研究只報道了庫區消落帶首次經歷水位漲落后土壤理化性質的變化(康義等， 2010； 郭泉水等， 2012)，而對消落帶經歷多次反復水位漲落后土壤化學元素變化的研究尚未見報道。由于反復的淹水-落干-淹水，會使得庫區消落帶土壤化學性質保持長期的變動(Yangetal.， 2007)，因此對消落帶在經歷多次水位漲落后土壤化學元素的固定監測十分必要。

本文基于2塊生境類型相似的固定監測樣地，研究未水淹時以及經歷4次水位漲落后消落帶土壤的化學性質，分析水位漲落對消落帶土壤化學性質的影響，以期為深入揭示消落帶水土環境變化以及為植被恢復與物種篩選提供科學依據。

1 研究區概況

研究區位于湖北宜昌秭歸縣(110°00′04″—110°18′41″E，30°38′14″—31°11′31″N)，緊鄰三峽大壩。屬亞熱帶大陸性季風氣候，溫暖濕潤，四季分明，雨熱同季，熱量充沛。年均降雨量1 006.8 mm，年均氣溫17.0 ℃，年日照時間1 631.5 h(程瑞梅等， 2009)。土壤類型以黃壤為主。該區植被豐富，針葉樹種主要有馬尾松(Pinusmassoniana)、柏木(Cupressusfunebris)和杉木(Cunninghamialanceolata)等； 闊葉樹種主要有栓皮櫟(Quercusvariabilis)、白櫟(Quercusfabri)、細葉青岡(Cyclobalanopsismyrsinaefolia)、刺槐(Robiniapseudoacacia)和槐樹(Sophorajaponica)等； 灌木主要有檵木(Loropetalumchinensis)、胡枝子(Lespedezabicolor)、牡荊(Vitexnegundo)、山胡椒(Linderaglauca)、杜鵑(Rhododendronsimsii)、六道木(Zabeliabiflora)和毛黃櫨(Cotinuscoggygria)等； 草本植物主要有芒(Miscanthussinensis)、野青茅(Deyeuxiaarundinacea)、珍珠菜(Lysimachiaclethroides)、苧麻(Boehmerianivea)、艾麻(Laporteacuspidata)、栗褐苔草(Carexbrunnea)和復葉耳蕨(Arachniodesexilis)等。消落帶回水區地形起伏大，受庫區水位漲落及降水影響，水土流失比較嚴重。

2 研究方法

2.1 樣地設置及土樣采集

在秭歸縣選取典型消落帶回水區為試驗點，以155～175 m高程為研究區域，于2008和2012年對固定樣地土壤指標進行監測。由于2008年冬季以前消落帶155～175 m高程并未遭受水淹，2008年冬季以后(10月)才開始經歷庫區水位漲落帶來的水淹(數據來自中國長江三峽集團公司水情信息)，因此本研究采集2008年8月和2012年8月消落帶155～175 m高程的土壤數據，分別用來反映消落帶未水淹時的土壤狀況和經歷4次水位漲落后的土壤狀況。

本研究2塊固定監測樣地生境類型相似，未進行人為清庫前土地利用類型均為林地，原生植被以馬尾松為主，灌木主要有檵木、胡枝子、山胡椒和牡荊等，草本植物主要以栗褐苔草和芒為優勢種。經歷4次水位漲落后(2012年)，2塊固定監測樣地的植被主要由狗尾巴草(Setariaviridis)、鬼針草(Bidenspilosa)、毛馬唐(Digitariaciliaris)、飛蓬草(Erigeronspeciosus)和香附子(Cyperusrotundus)等草本植物組成。2塊固定監測樣地土壤類型均為黃壤，平均坡度為30°。每塊樣地均為20 m(長)×20 m(高)，即每塊樣地的底邊設置在海拔155 m處，頂邊設置在海拔175 m處，底線和頂線均平行于水面長20 m。以海拔165 m為分界線，將研究樣地劃分為2塊20 m×10 m的小樣地，2塊固定監測樣地共設置4塊小樣地。于2008年8月和2012年8月，在每塊小樣地內沿對角線均勻設置12個取樣點，利用土鉆在每個取樣點按0～5，5～10和10～20 cm這3個土層采集土壤樣品，12個取樣點同層樣品進行混合，帶回實驗室進行化學分析。

2.2 土壤室內分析

將采集的土壤均勻平鋪在干凈透氣的紙上，室內陰涼通風處進行自然風干，去除石塊、動植物殘體和根系等雜物后倒入研缽中研細，全部過2 mm 篩，充分混勻后分為2份，一份用于pH和土壤速效養分的測定，一份再次進行研磨使其全部通過100目篩用于有機質和土壤全量養分的測定(國家林業局， 2000)。

采用pH酸度計法測定土壤pH，重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定土壤有機質含量，凱氏定氮法測定全氮含量，碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定有效磷含量，乙酸銨浸提-電感耦合等離子體光譜法測定速效鉀含量，氫氟酸-高氯酸消煮-電感耦合等離子體光譜法測定全磷、全鉀、全鈣、全鎂和全鈉含量，堿解擴散法測定堿解氮含量。

2.3 數據處理

數據統計和作圖采用SPSS19.0和Excel 2007軟件。 利用t檢驗對不同年份的土壤數據進行差異顯著性檢驗。 土壤化學元素之間的相關性采用Pearson相關性分析方法，圖中數據為平均值±標準誤。

3 結果與分析

3.1 消落帶土壤pH和有機質含量的變化

由圖1可知，與2008年未水淹相比，經歷4次水位漲落后(2012年)，消落帶不同土層土壤pH均顯著上升(P<0.05)，0～5，5～10和10～20 cm土層土壤pH分別增加17.8%，14.0%和11.1%。

受水位漲落影響，消落帶土壤有機質含量顯著下降(P<0.05)， 2012年消落帶0～5，5～10和10～20 cm土層土壤有機質含量分別為13.73，7.96和6.20 g·kg-1，相比2008年未水淹時分別降低42.1%，53.3%和36.9%。

2.2 消落帶土壤全量養分含量的變化

圖2 2008和2012年消落帶土壤全氮、全磷和全鉀含量隨土層的變化Fig.2 Changes of soil total N, total P, and total K content in hydro-fluctuation belt with soil layer in 2008 and 2012

由圖2可知， 2012年消落帶0～5，5～10和10～20 cm土層土壤全氮含量分別為0.96,0.65和0.40 g·kg-1，相比2008年未水淹時分別降低23.5%,21.2%和12.0%，但差異均不顯著。2012年消落帶不同土層土壤全磷和全鉀含量均顯著下降(P<0.05)， 2012年0～5，5～10和10～20 cm土層土壤全磷含量分別為0.74，0.62和0.64 g·kg-1，相比2008年未水淹時分別降低42.0%，46.3%和52.3%； 2012年0～5，5～10和10～20 cm土層土壤全鉀含量分別為1.60，1.27和1.25 g·kg-1，相比2008年未水淹時分別降低39.7%，41.6%和43.8%。

2.3 土壤速效養分含量的變化

圖3 2008和2012年消落帶土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量隨土層的變化Fig.3 Changes of soil available N, available P， and available K, in hydro-fluctuation belt with soil layer in 2008 and 2012

受水位漲落影響，消落帶土壤速效養分含量的變化與全量養分基本一致。雖然2012年土壤各土層堿解氮含量相比2008年下降12.3%～17.5%，但差異不顯著(圖3)。而2012年有效磷含量較2008年顯著下降78.5%～91.4%(P<0.01)， 2012年速效鉀含量較2008年顯著下降41.1%～57.9%(P<0.05)。從各速效養分含量的下降幅度來看，土壤有效磷是受水位漲落影響最大的養分元素。

2.4 土壤金屬元素含量的變化

與土壤養分元素含量的變化有所不同，土壤金屬元素受水位漲落影響后其含量均增加(圖4)。2012年土壤消落帶0～5，5～10和10～20 cm土層土壤全鈣含量相比2008年未水淹時分別增加34.3%，10.0%和12.6%，但差異不顯著。2012年各土層土壤全鎂和全鈉含量顯著高于2008年(P<0.01)， 2012年0～5，5～10和10～20 cm土層土壤全鎂含量分別比2008年增加152.7%，124.3%和137.6%， 2012年土壤全鈉含量分別比2008年增加146.2%，88.9%和95.0%。

圖4 2008和2012年消落帶土壤全鈣、全鎂和全鈉含量隨土層的變化Fig.4 Changes of soil total Ca, total Mg， and total Na content in hydro-fluctuation belt with soil layer in 2008 and 2012

2.5 消落帶土壤化學因子間相關性

由表1可知，土壤pH與有機質含量顯著負相關(P<0.05)，與全磷、全鉀、有效磷和速效鉀含量極顯著負相關(P<0.01)，與全鎂和全鈉含量極顯著正相關(P<0.01)。土壤有機質含量與全量養分含量和速效養分含量均極顯著相關(P<0.01)。全氮和堿解氮、全磷和全鉀、有效磷和速效鉀含量間極顯著正相關(P<0.01)。此外，磷素(全磷和有效磷)和鉀素(全鉀和速效鉀)含量間極顯著正相關(P<0.01)。

3 討論

3.1 水位漲落對土壤pH和有機質含量的影響

已有研究(張金祥等， 2004)表明，不管土壤初始為酸性還是堿性，經過淹水后，pH均逐漸趨于中性。本研究也驗證了這一結論，經歷4次水位漲落后，消落帶各土層土壤pH從未水淹時的5.44～5.52升高至6.20～6.45，逐漸趨近于中性。土壤pH變化是一個多因素綜合影響的過程，除受江水浸泡的稀釋作用外，有機質的分解以及氧化物呈堿性的元素(鎂和鈉等)的變化均會對土壤pH產生影響(王曉陽等， 2010； 王曉榮等， 2010)。本研究中，土壤pH與有機質、全鎂和全鈉含量顯著相關，表明研究區土壤pH的變化受有機質、鎂和鈉等元素的影響。此外，土壤pH的變化也會影響某些化學元素的形態和有效性，本研究中，pH與全磷、全鉀、有效磷和速效鉀含量顯著負相關，磷、鉀均來自于土壤母巖的侵蝕風化，淹水在一定程度上降低了土壤的酸度，從而減輕了酸對土壤母巖的侵蝕風化(王曉榮等， 2010； 姜文偉等， 2004)。

本研究中，經歷4次水位漲落后，庫區消落帶有機質含量平均為9.30 g·kg-1，與消落帶的早期研究結果(郭泉水等， 2012； 郭勁松等， 2012)對比發現，消落帶土壤有機質含量呈現出隨三峽水庫運行時段增加而逐年下降的趨勢。由于三峽庫區消落帶長時間的淹水，地表植被大量死亡和消失必將使土壤有機質的補給受阻； 此外，消落帶周期性的干濕交替環境也會加速土壤有機質的分解(王業春， 2012)。根據全國第二次土壤普查養分分級標準，經歷4次水位漲落后土壤有機質含量已由未水淹時的4級降至5級，說明該區土壤有機質含量已十分貧瘠。

3.2 水位漲落對土壤養分含量的影響

大量研究(Qiuetal., 1996； Péreszetal.， 1999)表明，長期淹水必將引起河岸帶土壤氮的流失。本研究中，經歷4次水位漲落后，消落帶不同土層氮素含量也均出現了下降。由于自然條件下土壤全氮和堿解氮主要來源于土壤有機質，消落帶土壤有機質的流失可能導致氮素含量下降，本研究中土壤全氮和堿解氮含量均與有機質含量極顯著相關也證明了這一點。但氮素下降的幅度并沒有土壤有機質大，這可能是因為消落帶氮素除來自土壤有機質外，水位的上漲也會將江水中的氮素帶入消落帶土壤中。研究發現，磷素是研究區流失最大的化學元素，尤其是有效磷。Sondergaard等(1992)研究發現，強風引起的水動力會增加沉積物向水體釋放的磷通量，庫區消落帶周期性漲落引起的水文擾動可能影響了磷素水土界面的轉化和釋放過程，造成磷的物理釋放； 同時由于庫區長時間淹水，土壤處于強烈的還原狀態，Fe3+極易轉化為Fe2+，使被固定的沉積態磷素溶解進入水體中，造成磷素的化學釋放(Watts， 2000； 常超等， 2011)。因此，隨著庫區進一步蓄水，庫區水體富營養化問題將可能突顯。

郭泉水等(2012)對消落帶土壤首次經歷水位漲落影響后的土壤化學性質進行了分析，發現土壤鉀素(全鉀和速效鉀)含量與未水淹前差異不顯著。本研究中，消落帶土壤經歷4次水位漲落后，土壤全鉀和速效鉀含量均顯著低于未水淹時，表明隨著庫區長期的水位漲落，消落帶土壤化學性質必然會受到影響。造成鉀元素流失的原因是多方面的，除水位漲落沖刷帶走一部分鉀元素外，鉀素的流失可能與有機質含量的降低有關(劉世全等， 2005)(土壤有機質具有突出的保鉀作用，本研究中二者也極顯著正相關)； 同時淹水后土壤中Fe2+和Mn2+的增加可以將交換性鉀置換進入土壤溶液，也可能是造成鉀流失的原因(常超等， 2011)。根據全國第二次土壤普查養分分級標準，經歷4次水位漲落后，土壤全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷以及速效鉀含量分別處于5，5，6，5，4和6級，總體來看，研究區消落帶土壤養分含量已處于很低的水平，尤其是鉀元素，土壤貧瘠比較嚴重。

表1 三峽庫區消落帶土壤化學因子間相關性①Tab.1 Correlations of soil chemical factors in hydro-fluctuation belt of Three Gorges Reservoir

①*P< 0.05, **P< 0.01.

3.3 水位漲落對土壤金屬元素含量的影響

程瑞梅等(2009)研究表明，受淹土壤更易于吸附水體中的某些金屬元素，從而增加土壤金屬元素含量。本研究結果與此相同，受水位漲落影響，消落帶全鈣、全鎂和全鈉均顯著增加，但也發現，全鎂和全鈉上升的幅度要明顯高于全鈣，原因可能與土壤中的鈣易于和水體中的重金屬發生交互和耦合而被轉移出土壤有關(Mirbagherietal., 2005)。隨著庫區長期的水位漲落，消落帶土壤金屬元素的增加是否會對生長在消落帶中的植物以及生態環境產生影響仍需進一步的研究和評估。

4 結論

對三峽庫區秭歸段消落帶未水淹以及經歷4次水位漲落后土壤化學元素的分析表明： 經歷4次水位漲落后，消落帶土壤鈣、鎂和鈉等金屬元素含量增加，土壤pH趨于中性，但消落帶土壤養分元素(有機質、氮、磷和鉀等)均出現了一定程度的流失。隨著三峽庫區進一步蓄水，庫區消落帶土壤養分匱乏以及水體富營養化問題將進一步突顯。

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(責任編輯 于靜嫻)

Changes of Soil Chemical Properties in Typical Hydro-Fluctuation Belt of Three Gorges Reservoir

Cheng Ruimei1, 2Liu Zebin1, 2Xiao Wenfa1, 2Wang Na1, 2Wang Xiaorong1, 3Shen Yafei1, 2

(1.KeyLaboratoryofForestEcologyandEnvironment,StateForestryAdministrationResearchInstituteofForestEcology,EnvironmentandProtection,CAFBeijing100091; 2.Co-InnovationCenterforSustainableForestryinSouthernChina,NanjingForestryUniversityNanjing210037; 3.HubeiForestryAcademyWuhan430075)

【Objective】Through the analysis of soil chemical properties in hydro-fluctuation belt without flooding and after four times of water level fluctuation in the Three Gorges Reservoir, we hope to provide a scientific basis for revealing the changes in water and soil conditions and for vegetation restoration.【Method】Permanent sample plots were established in typical hydro-fluctuation belt of Three Gorges Reservoir and were monitored in 2008 (without flooding) and 2012 (after four times of water level fluctuation) to study the changing characteristics of soil chemical elements.【Result】The results showed that the pH of different soil layers in 2012 increased significantly as compared to 2008, and tended to be neutral. As compared to 2008, the contents of soil organic matter, total N, total P, total K, available N, available P and available K in different soil layers decreased by 36.9%-53.3%, 12.0%-23.5%, 42.0%-52.3%, 39.7%-43.8%, 12.3%-17.5%, 78.5%-91.4% ,and 41.1%-57.9%, respectively. Among them the decrease of N content was relatively smaller and the decrease of P content was the largest. The soil nutrients were in a very poor condition after four times of water level fluctuation, and the change of K content was the most obvious. The soil metal elements were all increased due to the impacts by the water level fluctuation, and in 2012 the largest increases were found in the total Mg and the total Na which were significantly different from those in 2008. The total Ca was somehow increased, but not different significantly from that in 2008.【Conclusion】 With the long-time water level fluctuation of the reservoir, the problem of soil depletion and water eutrophication will gradually become more apparent, and a long-time monitoring of the changes of soil chemical properties in this area is needed.

Three Gorges Reservoir; hydro-fluctuation belt; water level fluctuation; soil pH; soil organic matter; soil total nutrients; soil available nutrients; soil metallic elements

10.11707/j.1001-7488.20170203

2015-09-06；

2016-10-10。

林業科技支撐計劃(2015BAD07B040301, 2011BAD38B04)。

S714.2

A

1001-7488(2017)02-0019-07