三峽水庫消落帶紫色土物理性質對反復淹水作用的響應

呂發友, 唐 強, 張淑娟, 賀秀斌, 鮑玉海

(1.中國科學院 水利部 成都山地災害與環境研究所山地表生過程與生態調控重點實驗室, 成都 610041; 2.中國科學院大學, 北京 100049)

三峽水庫先后經過3次試驗性蓄水(156 m，172 m和175 m)后，在庫岸周邊形成了垂直落差30 m、面積349 km2的消落帶[1-7]。受水位調度節律影響，水庫水位每年在145～175 m間周期性漲落，消落帶在長期的反復淹水—出露和干—濕交替過程中，消落帶水文、植被等條件在短時間內發生突變[6,8-12]。消落帶生境的劇烈改變對其水陸交替生態系統帶來巨大變化，而土壤物理性質是反映消落帶這一變化的重要指標。

有關消落帶土壤物理性質對水庫蓄水的響應規律，國內外學者已開展了一些探索性研究。已有研究表明，三峽水庫周期性蓄水條件下，水土相互作用過程主要包括以下兩個方面：其一，冬季高壓淹水浸泡作用，在此階段，庫水對消落帶土體的壓縮固結、軟化和泥化等作用將顯著改變結構特征，期間還伴隨著庫水對土體中可溶成分的長期溶蝕、沖刷以及離子交換等作用，這將導致土壤顆粒組成和孔隙率發生變化，同時促進土體的壓縮固結、軟化、泥化進程[13-15]；其二，在一個水位漲落周期(一年)內，消落帶土壤至少經過一次干濕交替，多次循環后土體將發生不可逆的性質變化和結構損傷[16-17]。程瑞梅等[18]對三峽水庫消落帶淹水區段土壤物理性質的分析表明，淹水后消落帶土壤的容重增加、孔隙度減少；康義等[11]對三峽庫區消落帶土壤物理性質的定位監測結果表明，消落帶土壤容重逐年增長，田間持水量和孔隙度(總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度)逐年減小，同時與未受庫水影響區域相比，受庫水影響區域的土壤容重增長率、土壤最大持水量和孔隙度的衰減率都更大，并且各土層間的土壤物理性質指標間存在顯著性差異。

總之，三峽水庫消落帶在庫水理化、力學作用的共同影響下，土壤容重、顆粒組成、孔隙結構和抗剪強度參數等指標都將發生顯著變化，并可能在多次作用后達到相對穩定的狀態[19-20]。但三峽水庫獨特的調度方式，使得不同水位高程的消落帶土壤在水中浸泡和出露時間不同，遭受反復淹水作用存在以海拔為主要因素的分異梯度，這將導致消落帶土壤物理性質在空間和時間上具有較高的變異性[18]，但三峽水庫消落帶形成時間較短，現有研究尚未對這一規律作出系統性的闡述。本文通過對三峽庫區消落帶重慶忠縣段紫色土的系統采樣分析，對比未受庫水影響的消落帶紫色土(175 m以上)，旨在研究三峽水庫自2006年首次蓄水后，周期性反自然洪枯節律漲落的庫水對消落帶土壤物理性質的影響，揭示經過多次淹水脅迫后消落帶土壤物理特性的空間分異規律，為消落帶水土特征及土壤侵蝕機理研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于三峽庫區中游重慶市忠縣石寶鎮(107°32′—108°14′E，30°03′—30°35′N)。該區地處新華夏構造體系第三隆起帶及其與大巴山弧形褶皺帶交匯處，屬典型的中低山丘陵地貌。地質組成以紫色泥巖和砂巖、泥灰巖和灰巖為主，土壤以紫色土為主，伴有黃壤、黃棕壤和水稻土等，主要土地利用類型有旱地、水田、草地和林地等[21-22]。研究區屬暖濕亞熱帶季風氣候區，年均氣溫17～19℃，年均降水量1 045～1 140 mm，年均相對濕度為77.6%，年均溫較同緯度其他地區高[23-24]。消落帶出露期天氣炎熱潮濕，多大雨、暴雨，伴有伏旱。水庫正常運行后消落帶植被主要有一年生和多年生草本植物[24-25]。受三峽水庫“蓄清排渾”年調度方式的影響，水庫水位于每年汛期前(5月末)降至防洪限制水位145 m，汛期后(10月初)開始逐步蓄水至175 m以便通航發電，次年2—6月再次逐步回落。三峽水庫年水位變化曲線(2006—2016)見圖1。

圖12006-2016年三峽水庫年水位變化曲線

1.2 土壤樣品采集

2016年9月三峽水庫蓄水前，在研究區石寶鎮共和村土質消落帶進行土壤樣品采集。沿消落帶海拔從下到上每隔5 m設置一個采樣點，以此標準設置的采樣點的水位高程依次是150 m，155 m，160 m，165 m，170 m，175 m和180 m(對照組)。各采樣點坡度平緩(<3°)、淹水前均為旱地、淹水后均恢復為覆蓋度90%以上的狗牙根(CynodondactylonL. Pers.)草地，為研究不同土層深度紫色土物理特性對反復淹水的響應規律，采樣時清除上覆沉積泥沙，從沙土分界面開始逐層取樣，每10 cm為一層，每個采樣點取兩個土層樣(0—10 cm，10—20 cm)。

在各采樣點分別挖土壤剖面，按0—10 cm，10—20 cm分層取樣，包括：(1) 普通環刀樣3個(100 cm3)，用于測定容重、干密度、含水率；(2) 普通環刀樣5個(直徑6.18 cm、高2 cm、體積60 cm3)，4個用于直剪，1個備用；(3) 散土樣1 kg，用于測定粒徑組成等。將采集的原狀土樣密封保存，散土樣自然風干碾細過2 mm土壤篩備用。

1.3 物理性質測定

本文中土壤各物理力學性質指標測定如下：土壤容重、質量含水率用環刀法測定；比重用比重瓶法測定；孔隙率由比重ρs和容重ρd，通過推導公式n=1-ρd/ρs得到[25]；顆粒組成通過Mastersizer2000激光粒度儀測定；抗剪強度參數(黏聚力c和內摩擦角ψ)通過ZJ四聯動直剪儀進行測定。

1.4 數據整理和統計分析

數據整理和統計分析用Excel和Origin 8.1軟件完成，顯著性檢驗用SPSS 19.0軟件完成。

2 結果與分析

2.1 反復淹水對土壤容重的影響

消落帶土壤容重隨水位高程分布情況見圖2。總體看來，土壤容重隨土層深度的增加而增大，相對于表土層(0—10 cm)，對照組的層間土壤容重增長率(34.68%)明顯高于消落帶土壤(0.76%～25.54%,平均增長率11.50%)，淹水前后容重層間差異的單因素方差分析結果表明，對照組和消落帶土壤容重的層間變化的差異顯著，可見周期性淹水能有效減小消落帶土壤容重的層間差異。隨水位高程的增加，10—20 cm層土壤容重以一階線性函數的趨勢降低(y=3.18-0.01x，R2=0.847)，最大降幅達16.42%，0—10 cm層土壤容重分布具有一定波動性，無明顯擬合規律，但總體趨勢相同，波動的原因可能是表土層受人類活動和植被根系等的干擾相對較大；與對照組相比，除175 m采樣點0—10 cm層外，各土層的土壤容重均有所增大，最大增長百分比分別為38.42%(160 m，0—10 cm層)和12.54%(155 m，10—20 cm層)，可見淹水對表土層土壤容重的影響更為明顯。

2.2 反復淹水對土壤孔隙率的影響

不同高程消落帶土壤孔隙率隨水位高程分布情況見圖3。總體看來，庫水作用下，表層(0—10 cm)土壤孔隙率的響應程度強于10—20 cm層，孔隙率分布范圍為40.77%～62.82%，且表層土壤的孔隙率普遍大于10—20 cm土層(160 m和165 m點除外)，這可能是由于下層土成土時間更早，固結度更高，表層土受人類活動干擾、植被根系和干濕交替作用等的影響更劇烈所致。隨水位高程增加，0—10 cm土層的孔隙率先減小后增大，在160 m處出現極小值40.77%；10—20 cm層土壤孔隙率隨高程增加呈增長趨勢，孔隙率變化范圍為42.32%～49.31%。除175 m采樣點10—20 cm層外，消落帶土壤的孔隙率均低于對照組，最大降幅達35.10%(160 m，0—10 cm層)，這表明周期性淹水促進了消落帶土壤的固結過程，水位高程越低，消落帶土體所受庫水壓力越大、作用時間越長，固結度越高，孔隙率越小；水位高程越高，消落帶土體受庫水壓力越小、時間越短，固結度越低，孔隙率越大；150～160 m水位高程段消落帶土體在0—10 cm層孔隙率與160～175 m高程段變化趨勢相反的原因可能是由于相對于固結過程中的壓力作用，此段消落帶表土層受庫水浸泡等作用的影響更大，在庫水浸泡過程中，低水位段消落帶土壤浸泡時間更長，庫水溶解和波浪沖刷過程帶走了表土中的大量細土顆粒所致。

圖2不同高程消落帶土壤容重變化

圖3不同高程消落帶孔隙率分布

2.3 反復淹水對土壤顆粒組成的影響

不同水位高程消落帶的土壤顆粒組成及其中值粒徑(Median size)見圖4。顆粒組成以粉粒和砂粒為主，除150 m采樣點表層土以外，粉粒體積百分比均超過50%，根據國際土壤質地分級標準，所選采樣帶的土壤質地均為粉砂質壤土。未受周期性淹水影響的180 m處的消落帶土壤，黏粒體積百分比為3.26%～4.05%，粉粒體積百分比為66.56%～67.79%，砂粒體積百分比為28.16%～30.19%，中值粒徑介于10.29～10.91 μm；經歷過6次周期性淹水的175 m處的消落帶土壤，黏粒體積百分比為2.99%～3.34%，粉粒體積百分比為62.58%～65.22%，砂粒體積百分比為31.45%～34.43%，中值粒徑介于11.20～12.40 μm；經歷過8次周期性淹水的160～170 m間的消落帶土壤，黏粒體積百分比為1.98%～4.05%，粉粒體積百分比為53.04%～61.71%，砂粒體積百分比為34.93%～44.98%，中值粒徑介于12.35～17.03 μm；經歷過10次周期性淹水-出露后的150～155 m間的消落帶土壤，黏粒體積百分比為1.46%～3.33%，粉粒體積百分比為40.70%～56.54%，砂粒體積百分比為40.18%～57.84%，中值粒徑介于14.34～26.38 μm。

消落帶土壤顆粒組成整體上以低水位高程段較粗、高水位高程段較細、表土層顆粒較粗、10—20 cm土層顆粒較細的特征分布。隨水位高程增加，各土層黏粒和粉粒的體積百分比均有所增加，砂粒體積百分比降低，消落帶上不同土層深度土壤中砂粒體積百分比降低幅度分別達40.47%和21.74%，但均高于未淹水段，最大增長率達91.60%和42.67%；中值粒徑逐漸降低，0—10 cm土層的變化趨勢顯著強于10—20 cm層(p<0.05),消落帶上不同土層深度土壤中砂粒體積百分比降低幅度分別達52.99%和21.84%，但均高于未淹水段，最大增長率分別達141.72%和39.26%。

圖4不同水位高程段消落帶土壤顆粒組成及其中值粒徑

2.4 反復淹水對土壤抗剪強度的影響

同一時期消落帶土壤抗剪強度參數隨高程分布見圖5。總體看來，周期性淹水對0—10 cm土層抗剪強度參數c、ψ的影響顯著大于10—20 cm土層(p<0.05)；160～180 m水位高程段(0～8次淹水)土體抗剪強度參數c、ψ的響應極為強烈，150～160 m水位高程段(10次淹水)的消落帶土壤，抗剪強度參數值漸趨穩定。隨土層深度增加，黏聚力無明顯變化規律，但10—20 cm層的土壤黏聚力均大于同一采樣點處表土層(0—10 cm)黏聚力；隨著消落帶水位高程的降低，黏聚力分布呈先升高后降低的趨勢，與對照組相比，淹水明顯增大了土壤的黏聚力，最多分別增加了163.24%(0—10 cm，160 m處)和195.76%(10—20 cm，165 m處)。隨水位高程變化，內摩擦角的分布相對較穩定，消落帶上兩土層的內摩擦角分布范圍分別為12.9°～29.6°和16.4°～21.6°，但消落帶上各采樣點的內摩擦角均低于同層對照組土壤，最大降低百分比分別為54.42%(0—10 cm，170 m處)和33.06%(10—20 cm，165 m處)；隨土層深度的增加，相同水位高程處土壤的內摩擦角明顯降低(170 m處除外)，兩土層間內摩擦角差最多達13.2°。

圖5不同水位高程消落帶土壤抗剪強度參數

3 討 論

三峽消落帶在庫水周期性高壓浸泡[14]、干濕交替[10,26-27]等作用下，土壤的物理力學性質會發生相應的變化[13,28]。由于消落帶不同高程段所受庫水的主要作用方式和程度不同，因此不同水位高程消落帶土壤的物理特性分布有一定的差異。實測結果顯示，庫水對消落帶土壤容重、孔隙率、機械組成和抗剪強度參數的影響程度隨土層深度遞減，本文以與消落帶土壤侵蝕關系最密切的表土層(0—10 cm)為例，分別用150 m和155 m兩采樣點的平均值、160～170 m采樣點的平均值代表消落帶底部和中間段的各性質指標，按淹水周期將所選樣帶(150～180 m)分為四段，按水位高程從下到上依次為：2006年開始淹水的底部消落帶(150～155 m)；2008年開始淹水的中間段(160～170 m)；2010年開始淹水的上部消落帶(175 m)和未淹水段消落帶(180 m)。對不同水位高程消落帶土壤的物理特性討論如下：

三峽消落帶上，淹水次數最多(10 a)、周期最長(每年超過8個月)、受水壓力影響最大的底部消落帶，其土壤具有組成顆粒最粗(砂粒含量為49.56%)、土壤容重較大(1.41 g/cm3，僅略低于中間段)、孔隙率較低(50.63%，僅略高于中間段)。這可能與庫水作用密切相關，一方面由于消落帶長期浸泡于庫水中，庫水對消落帶土體的溶蝕、沖刷等作用可能帶走大量細小顆粒而導致其組成顆粒變粗；另一方面可能是在淹水-落干形成的干濕交替作用和淹水期的庫水壓力作用下，土體中孔隙被壓縮固結、土骨架間連接更加緊密，加之細顆粒膠結形成更穩定的團聚體而出現容重較大、孔隙率較低的現象[14-15,17-20]。

三峽消落帶上，中間段消落帶土體的孔隙率最小、容重最大，分別為47.96%和1.43 g/cm3，砂粒體積含量占比40.17%，僅低于底部消落帶土體。中間段消落帶受庫水浸泡時間相對較短，因庫水浸泡而溶蝕帶走的細小顆粒較少，顆粒級配較好，在庫水的壓密固結過程中，細顆粒填充了土骨架間的空隙而出現孔隙率較底部消落帶更小、容重更大的情況。

三峽消落帶上，上部消落帶土壤容重最小(1.35 g/cm3)、孔隙率最大(50.89%)，顆粒組成中砂粒含量最低(34.43%)。該段消落帶淹水周期少、淹水時間較短而細粒含量相對較多，土顆粒級配較差，同時由于固結過程中的水壓力作用小，最終導致該段土體的孔隙率最大、容重最小。

未淹水段消落帶的土壤容重和砂粒含量最小，分別為1.42 g/cm3，30.19%，同時孔隙率最大(62.71%)，這說明三峽水庫周期性淹水帶走了土體中的細顆粒，同時水壓力和干濕交替等作用促進了土體固結，使土體內孔隙減少而容重有所增加[29-30]。

消落帶土壤粒徑分布低水位高程段粗、高水位高程段細的特征，與杜高贊2009年的研究結論[3]相反，這可能是由于隨著消落帶淹水周期的增加，水壓力和干濕交替等對消落帶土壤的影響程度逐漸凸顯所致。下部消落帶受庫水浸泡時間更長、壓力更大、干濕交替次數更多，在這些作用共同影響下，一方面土體內部的黏粒、粉粒等細小顆粒和易溶鹽被庫水溶解、沖刷帶走；另一方面，細顆粒在周期性的干濕交替和壓力作用下更易結合成穩定的團聚體，也將導致低水位高程段消落帶顆粒粗、高水位高程段消落帶顆粒細的結果。

土壤抗剪強度由粘聚力和內摩擦角表征，由于影響其參數的因素較多[20,32-33](礦物成分、有機質、含水率等)，尤其對含水率極為敏感。同一時期不同水位高程段土壤的質量含水率差異極大(采樣時實測消落帶土壤質量含水率為18.99%～37.03%)，因此抗剪強度參數在消落帶上的無明顯的分布規律，本文數據僅能表示同一時期、不同水位高程段消落帶上土壤抗剪強度的分布特征。采樣期消落帶0—10 cm層土壤粘聚力分布情況為中間段(44.42 kPa)>底部消落帶(21.24 kPa)>未淹水段(19.26 kPa)>上部消落帶(8.36 kPa)，內摩擦角的分布情況恰與之相反，分別是上部消落帶(29.60°)>未淹水段(28.30°)>底部消落帶(23.10°)>中間段(19.77°)。

4 結 論

(1) 三峽水庫周期性蓄水條件下，消落帶上表土層土壤受人為擾動、植被根系、地表徑流等的影響較深層土更大，消落帶土壤容重、孔隙率、機械組成和抗剪強度參數對淹水作用的響應程度隨土層深度增加而遞減。

(2) 淹水前后消落帶土壤的基本物理性質存在顯著差異。隨水位高程增加，消落帶土壤(150～175 m段)受淹水周期、淹水時間和水壓力的影響均減小，對庫水作用響應最強烈的表土層(0—10 cm)的土壤：容重逐漸降低，最大降幅達16.42%，但均高于未淹水段(180 m)，淹水后土壤容重最大增長率達38.42%；孔隙率整體呈先降后增的趨勢，在160 m處出現最小孔隙率40.77%，且淹水后的土壤孔隙率均低于未淹水段，最大降低幅度達35.10%；粒徑分析表明采樣帶土壤屬于粉砂質壤土，顆粒組成呈低水位段粗、高水位段細，表層粗、底層細的特征分布；隨水位高程增加，消落帶土壤中粗顆粒(砂粒)體積百分含量逐漸減少，最大降幅達40.47%，但均高于未淹水段，淹水后土壤砂粒體積含量最大增幅達91.60%；中值粒徑逐漸減小，最大降幅為52.99%，但均大于未淹水段，淹水后中值粒徑最大增幅達141.72%；同一時期黏聚力隨水位高程增高以先增高后降低的趨勢分布，最大變化幅度達195.76%，淹水前后黏聚力最大變化幅度達163.24%，內摩擦角沿水位高程的分布變化較小，淹水前后內摩擦角最大變化幅度達54.42%。

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