三峽水庫消落帶不同水位高程土壤團聚體變化特征

張淑娟, 賀秀斌, 鮑玉海, 唐 強

(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)

土壤團聚體是土壤的基本結構單元，其大小分布和穩定性影響著土壤的孔隙性、滲透性和可蝕性，反映了土壤結構的優劣，決定著土壤肥力的高低，是評價土壤質量的重要指標，也是影響土壤侵蝕的重要因子[1-2]。國內很多學者在西北黃土高原、亞熱帶紅壤區和西南山地等區域，研究了不同土地利用方式、植被類型、耕作方式、水保措施及干濕交替等對團聚體特征的影響等[3-7]，但有關三峽水庫消落帶水位周期性漲落引起的長時間、反季節性的極端干濕交替對土壤團聚體組成及穩定性影響的研究相對較少。三峽水庫消落帶72%為土質消落帶，紫色土為該區域的主要土壤類型，結構水穩性很差，遇水極易分散、崩解，為易蝕性土壤[8]。在周期性水位漲落引起的極端反季節性高壓淹水與高溫出露交替影響下，加之消落帶出露期又是庫區雨熱集中期，消落帶環境條件發生劇變，土壤組成和結構，特別是土壤團聚體特征改變，引起土壤養分的遷移和土壤可蝕性的變化，導致土壤侵蝕加劇。當前針對三峽水庫消落帶的研究主要集中在土壤理化性質、土壤侵蝕、泥沙淤積、土地利用與植被重建等方面[9-12]，而針對三峽水庫消落帶土壤團聚體變化特征的研究尚不多見。基于此，本文以三峽水庫消落帶典型土壤紫色土為研究對象，采用干篩法和濕篩法研究消落帶不同水位高程土壤團聚體組成，分析消落帶長時間、反季節性的高壓淹水浸泡與高溫落干出露交替變化對團聚體組成和穩定性的影響，以期為消落帶土壤侵蝕的防治提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于三峽庫區腹地重慶市忠縣石寶鎮庫段(107°32′—108°14′E,30°03′—30°35′N)，地勢較為平坦，屬典型的丘陵地貌。區域內氣候屬于亞熱帶季風氣候，年均氣溫18.2℃，年均降水量1 172.1 mm，雨熱同期，降雨多集中在5—9月[13]。區域內出露巖層為第四系殘積土層及侏羅系中統沙溪廟組砂泥巖，紫色土為該區域的主要土壤類型，在中國土壤系統分類中屬于正常新成土，結構水穩性很差，遇水極易分散、崩解，為易蝕性土壤[8]。受人為清庫和初期淹水的影響，消落帶植被以一年生和多年生草本植物為主，植被類型主要為狗牙根(Cynodondactylon)、空心蓮子草(Alternantheraphiloxeroides)、雙穗雀稗(Paspalumpaspaloides)、馬唐(Digitariasanguinalis)、牛鞭草(Hemarthriaaltissima)和蒼耳(Xanthiumsibiricum)等[13]。

1.2 土壤樣品采集與處理

在忠縣石寶鎮共和村選取典型岸坡，于2016年9月水庫蓄水前進行采樣。為降低土地利用、土壤類型、地形地貌對研究結果的影響，本文選取生境類型相似的紫色土樣帶采集土壤樣品，樣帶內的土地利用在人為清庫前均為旱地、淹水后為以狗牙根為主的草地。土壤樣品采集點分別布設在水位高程150 m，155 m，160 m，165 m，170 m，175 m和180 m，采集0—20 cm的表層土壤，其中以未淹水高程180 m的土壤作為對照，樣地概況見表1。每個樣點采集3塊大小為101010 cm的原狀土塊，放于樣品盒內，用于團聚體組成分析;用環刀(體積為100 cm3)采集原狀土樣品用于測定土壤容重;采用五點法采集1 kg土壤樣品并混合均勻，帶回實驗室。采集的原狀土塊沿土壤自然結構輕輕剝成直徑為10—12 cm的小土塊，挑去其中的石塊和粗根等雜物，自然風干后用以測定土壤團聚體的組成;采集的混合土壤在自然風干后，進行研磨和過篩，用于土壤理化性質分析。

表1 不同水位高程樣地概況

1.3 樣品測定與指標計算

土壤理化性質采用常規方法測定，其中土壤顆粒組成采用MasterSize 2000型激光粒度分析儀測定，根據美國制劃分標準進行劃分，即砂粒為0.05～2 mm，粉粒為0.002～0.05 mm，黏粒為<0.002 mm;土壤容重用環刀法測定;土壤有機碳用元素分析儀測定。采樣點土壤基本理化性質見表2。

表2 不同水位高程土壤基本理化性質

土壤團聚體采用干篩法和濕篩法分別測定非水穩定性團聚體和水穩定性團聚體含量[14]。根據濕篩法測定的水穩性團聚體組成結果，計算出>0.25 mm水穩性團聚體含量(R0.25)、平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)、團聚體分形維數(D)和團聚體的破壞率(PAD)等常用指標來表征團聚體穩定性，其中R0.25，MWD和GMD越大，D和PAD越小，表示土壤團聚度越高，團聚體穩定性越好[3,7]。各指標計算公式如下，其中分形維數采用楊培嶺等[15]推導的公式計算:

R0.25=mj/m×100%

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:mj為>0.25 mm水穩定性大團聚體的風干質量(g);m為樣品總質量(g);Xi是第i粒級的平均直徑(mm);n為篩子的數量;mi為第i粒級的團聚體重量(g);wi為直徑小于Xi的累積重量(g);Xmax為最大粒級土粒平均直徑(mm);Wd為>0.25 mm干篩團聚體百分含量(%);Ww為>0.25 mm濕篩團聚體百分含量(%)。

1.4 數據分析

采用SPSS 19.0軟件中的單因素方差分析(ANOVA)和多重比較(LSD法，p<0.05)對消落帶不同水位高程土壤團聚體組成和穩定性指標的差異性進行分析，采用Person法對團聚體指標和土壤理化性質指標進行相關分析，采用Origin 2016軟件繪制圖形。

2 結果與分析

2.1 土壤非水穩性團聚體分布特征

不同水位高程土壤非水穩定性團聚體組成見圖1。7個水位高程土壤團聚體均以>0.25 mm的大團聚體為主，占總量的95%以上。土壤非水穩性團聚體組成的6個粒級中，>5 mm的團聚體含量(63.55%～79.15%)最大。與對照組180 m的土壤相比，消落帶內>5 mm的非水穩性團聚體含量平均降低了13.90%,5～2 mm，2～1 mm，1～0.5 mm，0.5～0.25 mm和<0.25 mm的非水穩性團聚體含量則分別增加了19.06%，70.13%，112.34%，238.42%和181.28%。消落帶內>5 mm的非水穩性團聚體含量隨水位高程的降低而降低，最大降幅為19.71%;2～1 mm的非水穩性團聚體含量隨水位高程降低呈增加的趨勢，由180 m的4.31%增加到150 m的8.56%;0.5～0.25 mm的團聚體隨水位高程的降低表現為先增加后降低，最大值為160 m的4.02%;消落帶內<0.25 mm的微團聚體含量隨著水位高程的降低整體呈增加的趨勢，增幅為9.74%～289.97%。表明周期性的淹水—出露顯著影響了土壤非水穩性團聚體組成，部分大粒徑團聚體崩解為小粒徑團聚體或微團聚體，水位高程越低，變化越顯著。

圖1 不同水位高程土壤非水穩定性團聚體組成

2.2 土壤水穩性團聚體分布特征

不同水位高程土壤水穩性團聚體的分布見圖2。7個水位高程土壤中>0.25 mm的水穩性大團聚體占總量的63.60%以上。土壤水穩性團聚體組成的6個粒級中，150 m土壤中<0.25 mm的微團聚體含量最大，為36.40%，其余6個水位高程土壤中>5 mm的水穩性團聚體含量最大，為32.38%～77.35%。與對照組180 m的土壤相比，消落帶內>5 mm的水穩性團聚體含量平均降低了33.41%,5～2 mm，2～1 mm，1～0.5 mm，0.5～0.25 mm和<0.25 mm的水穩性團聚體含量則分別增加48.02%，132.71%，193.53%，236.81%和120.57%。消落帶內>5 mm的水穩性團聚體含量隨著水位高程的降低顯著降低(p<0.05)，由175 m的72.35%逐漸降低到150 m的11.45%。消落帶內5～2 mm水穩性團聚體含量隨水位高程變化表現為中水位高程(160～165 m)含量最低，高水位高程(170～175 m)含量次之，低水位高程(150～155 m)含量最高。消落帶內2～1 mm和1～0.5 mm水穩性團聚體含量隨水位高程變化均表現為高水位高程<中水位高程<低水位高程。0.5～0.25 mm和<0.25 mm水穩性團聚體含量均隨著水位高程的降低而增加，最大增幅分別為701.39%和402.97%。表明周期性水位漲落對水穩性團聚體組成影響顯著，隨著水位高程的降低，大團聚體崩解為微團聚體的含量顯著增加。

圖2 不同水位高程土壤水穩性團聚體組成

2.3 土壤團聚體穩定性變化特征

不同水位高程土壤團聚體穩定性指標見表3。與對照組180 m的土壤相比，消落帶內>0.25 mm的水穩性團聚體含量(R0.25)、平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)分別降低了9.43%，24.45%和36.31%，團聚體分形維數(D)和團聚體破壞率(PAD)分別增加4.95%和132.24%。消落帶內R0.25隨著水位高程的降低顯著降低，由175 m的92.05%逐漸降低到150 m的63.60%;消落帶內MWD和GMD降幅分別為3.31%～66.43%和5.81%～81.35%，隨著水位高程的變化，MWD和GMD均表現為180 m>175 m>170 m>165 m>160 m>155 m>150 m，且不同水位間差異顯著(p<0.05)。D介于2.41～2.73，隨著水位高程的降低顯著增加。PAD在160 m及以上水位高程間差異不顯著(p>0.05)，與180 m的土壤相比，消落帶內PAD隨著水位高程的降低而增加，增幅分別為4.73%，24.49%，54.22%，78.55%，169.26%和463.51%。表明周期性的水位漲落顯著降低了土壤團聚體的穩定性，淹水時間越長，團聚體越不穩定。

表3 不同水位高程土壤團聚體穩定性指標

2.4 土壤團聚體穩定性與理化性質相關分析

由團聚體穩定性指標與土壤顆粒組成、土壤容重和有機碳的相關性分析可知(表4)，團聚體的5個穩定性指標與土壤理化性質之間均具有顯著或極顯著的相關性(p<0.05或p<0.01)。>0.25 mm水穩性團聚體含量、平均重量直徑和幾何平均直徑與砂粒含量、容重之間顯著或極顯著負相關，而與粉粒、黏粒、有機碳之間具有顯著或極顯著正相關關系。分形維數、結構破碎率則相反，與土壤砂粒含量、容重之間呈顯著或極顯著正相關，而與粉粒含量、黏粒含量、有機碳含量之間具有顯著或極顯著負相關關系。表明土壤顆粒組成、容重和有機碳對土壤團聚體穩定性具有顯著影響。

表4 土壤團聚體穩定性指標與土壤理化性質相關分析

3 討 論

三峽水庫消落帶水位周期性漲落導致不同水位高程土壤的淹水浸泡時間、淹水深度、水柱壓力、干濕交替頻率和幅度等具有差異(表1)，顯著影響了土壤非水穩性和水穩性團聚體組成。本研究發現，與非消落帶180 m土壤相比，消落帶內>5 mm的非水穩性和水穩性團聚體含量顯著降低，其余5個粒級的非水穩性和水穩性團聚體含量顯著增加;隨著水位高程的降低，>5 mm的非水穩性團聚體和水穩性團聚體均顯著降低，而<0.25 mm的非水穩性團聚體和水穩性團聚體均顯著增加。表明三峽水庫消落帶周期性水位漲落使得部分大粒徑團聚體崩解為小粒徑團聚體或微團聚體，且隨著水位高程降低，變化幅度增大，這可能與消落帶水位快速升降引起的團聚體崩解有關。陸鑄疇等[16]研究表明三峽庫區消落帶土壤團聚體的破壞主要是由土壤孔隙中的氣泡爆破產生的消散作用引起的。紫色土結構水穩性極差，在淹水過程中，水分迅速進入團聚體內部擠壓空氣造成團聚體內部壓強增大從而發生崩解，隨著水位高程的降低，淹水深度和時間增加，水壓力增大，干濕交替更加頻繁，紫色土軟化和泥化程度增大，土壤粘結力降低，促進團聚體水化，增強消散作用，導致大粒徑團聚體破碎為小粒徑團聚體的含量增加。本研究表明，150 m水穩性團聚體含量變化最為顯著，可能是因為150 m處水位較低，除受周期性水位漲落影響外，還受波浪和行船引起的涌浪的影響，土壤結構破壞程度大，淹水過程中團聚體更易崩解。

三峽水庫消落帶水位周期性漲落對土壤團聚體穩定性影響顯著。本文研究發現，>0.25 mm水穩性團聚體含量、平均重量直徑和幾何平均直徑均隨著水位高程的降低而降低，而分形維數和團聚體破碎率則隨著水位高程的降低呈增加的趨勢。表明團聚體穩定性隨著水位高程的降低顯著降低，而陸鑄疇等[16]研究結果則表明，消落帶中間高程團聚體最穩定，低水位高程團聚體穩定性最差，這種差異可能與研究區的植被組成、有機質含量、土地利用和研究方法等不同有關。干濕交替主要通過影響團聚體孔隙結構和微生物群落活動，進而影響團聚體的脹縮和膠結劑的穩定性，改變團聚體水穩性[6]。本文中團聚體穩定性隨著水位高程的降低而顯著降低，可能是因為受淹水時間、淹水深度、干濕交替頻率和強度的影響，消落帶不同水位高程植物生長、動物及微生物活動和土壤性質等發生變化，進而影響土壤團聚體穩定性。隨著水位高程的降低，淹水時間和淹水深度增加，植被的生長期變短，植被的多樣性和覆蓋度降低(表1)，植物根系及根系分泌物減少，對土壤團聚體的穿插與纏結作用降低，土壤團聚體更易分散。消落帶動物如蚯蚓和螞蟻等的排泄物和挖掘洞穴等活動可影響團聚體的形成和穩定性，微生物群落活動通過影響團聚體膠結劑的分解和合成，改變土壤團聚體穩定性[6]。三峽水庫消落帶土壤環境因子如溫度、濕度和氧氣等隨著淹水時間和淹水深度的增加而發生變化，造成消落帶土壤動物及微生物活動隨著水位高程降低而受到限制，影響土壤團聚體穩定性。土壤理化性質中，有機膠結劑土壤有機質和無機膠結劑土壤黏粒對于團聚體的穩定性具有重要作用。本研究表明消落帶土壤團聚體穩定性與土壤黏粒和有機碳之間均具有顯著或極顯著相關性(表4)，但與黏粒相比，團聚體穩定性與有機碳之間的相關性更為顯著，主要是因為本研究中土壤黏粒含量極低(表2)，對團聚體的膠結作用較弱，該區域主要以有機碳的膠結作用為主。土壤有機質作為一種重要的膠結物質，不僅可以增強團聚體之間的粘結力，而且土壤有機質在團聚體周圍形成疏水表面層，可以減緩土壤濕化速率，降低消散作用，提高團聚體穩定性[17]。本文中土壤有機碳隨著水位高程的降低顯著降低(表2)，導致消散作用強度隨著水位高程降低而增強，團聚體穩定性降低。本文通過對消落帶不同水位高程的團聚體特征進行分析，揭示了消落帶水位周期性漲落對團聚體組成和穩定性的影響，今后應加強其影響機制的研究。

4 結 論

(1) 7個水位高程土壤團聚體組成均以>0.25 mm的大團聚體為主，>0.25 mm的非水穩性和水穩性團聚體含量分別占95%以上和63.6%以上;>5 mm的非水穩性和水穩性團聚體含量均隨水位高程降低而降低;<0.25 mm的非水穩性和水穩性團聚體含量均隨水位高程的降低整體呈增加的趨勢。表明三峽水庫消落帶水位周期性漲落下部分大粒徑團聚體崩解為小粒徑團聚體或微團聚體，水位高程越低，變化越顯著。

(2) >0.25 mm水穩性團聚體含量、平均重量直徑和幾何平均直徑均隨著水位高程的降低顯著降低;分形維數和破碎率隨著水位高程的降低顯著增加。表明三峽水庫消落帶水位周期性漲落降低了團聚體的穩定性，團聚體穩定性隨水位高程的降低而降低。

(3) 團聚體穩定性指標與土壤顆粒組成、容重和有機碳含量均顯著或極顯著相關，其中>0.25 mm水穩性團聚體含量、平均重量直徑和幾何平均直徑與有機碳極顯著正相關，分形維數和團聚體破碎率則與有機碳極顯著負相關。