三峽庫區水位消落植被土壤pH、陽離子含量隨海拔及年際的動態特征

王麗君，程瑞梅,＊，肖文發,，楊 邵，沈雅飛, ，郭 燕，雷 蕾, ，曾立雄,

(1. 中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所，國家林業和草原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，江蘇 南京 210037)

三峽庫區消落帶作為水域和陸地生態系統的過渡地帶，其土壤不僅受到水位漲落的重力侵蝕和波浪的沖擊，而且在出露成陸期還要遭受雨水的沖刷、淋溶及人類活動的影響，長期作用下導致消落帶土壤理化性質發生劇烈改變[1-2]。2011 年，《三峽后續工作規劃》明確提出要大力推動三峽庫區消落帶植被恢復和生態環境治理。土壤作為生態系統中物質和能量交換的重要場所，其物理及化學性質的變化可對生態環境變化起到指示作用。一方面，積累在土壤中的金屬元素，通過溶解、淋溶、擴散等方式進入水體而引起水質的變化；另一方面，水體中的金屬元素，通過吸附、沉淀等形式遷移至消落帶土壤中而引起土壤pH 值等環境的改變，進而直接或間接地影響消落帶植物的生長和恢復、微生物的活動以及土壤的肥力狀況[3-5]。因此，三峽水庫周期性水位漲落對消落帶土壤pH 值和金屬元素含量的影響及年際動態規律值得深入探討。

目前，國內外學者圍繞消落帶土壤pH 值和金屬元素含量的變化及存在形態、分布特征規律等開展研究并得出不同結論[6-7]，如程瑞梅等[8]發現水淹初期消落帶土壤中重金屬元素鐵、錳、鋅、銅的含量比水淹前均有所下降，但郭沛等[9]通過2 年的室內模擬實驗發現淹水導致Fe2+、Mn2+、有效銅等重金屬含量增加；王業春等[10]通過對消落帶為期2 年的定位監測發現，消落帶不同水位高程土壤重金屬含量沒有顯著差異，但郭燕等[11]通過對消落帶為期8 年的定位監測發現消落帶土壤重金屬在低水位高程的積累過程較為明顯。造成以上研究結果出現差異的原因，一方面是因為室內模擬研究與現實環境差異較大，另一方面是由于三峽水庫“冬蓄夏排”反季節性調度方式的運行，使得不同海拔高程的土壤被水淹沒的時間不同，所受水位漲落的侵蝕、外界雨水淋溶和人為干擾的程度不同，從而會形成一系列以水分、海拔等為主要因素的異質性層次梯度，這將導致庫區消落帶土壤理化性質在海拔梯度上和年際變化間具有較高的變異性[12-13]。因此，對三峽庫區消落帶土壤pH 值和金屬元素含量變化規律的長期定位監測研究十分必要。

基于此，本研究于2008 年8 月選取3 塊生境類型相似的次生灌叢樣地作為長期固定監測樣地，分析經歷水位漲落前（2008 年）以及經歷1 次（2009 年），4 次（2012 年），6 次（2014 年），7 次（2015 年），8 次（2016 年）、10 次（2018 年）水位漲落后，消落帶不同海拔區段（145～155 m，155～165 m 和165～175 m）內表層（0～20 cm）土壤的pH 值和7 種金屬元素（鐵、錳、鋅、鉀、鈣、鈉、鎂）含量在海拔區段和年際間的差異，探索其年際變化規律，以期為消落帶土壤理化性質的演變趨勢預測及水環境保護提供依據，為庫區生態恢復以及周邊人工活動提供科學參考。

1 研究區域與研究方法

1.1 樣地概況

研究區域位于湖北省宜昌市秭歸縣茅坪鎮，長江西陵峽南岸，緊鄰三峽大壩，地理位置為30°38′14″～31°11′31″ N，110°00′04″～110°18′41″ E。屬于亞熱帶季風氣候，溫暖濕潤，四季分明，雨熱同季；年均氣溫為18.0 ℃，年平均降水量為1 100.0 mm，年均相對濕度為78%，年日照時數為1 632.0 h，年無霜期約為260.0 d。三峽水庫受“冬蓄夏排”反季節性調度模式的影響，庫區周邊土地周期性出露于水面，逐漸形成30 m 落差的消落帶回水區，其地形起伏較大。本研究區域平均坡度約為45°，土壤類型為花崗巖母質風化而成的黃壤土，土層厚度約為40 cm。

該區域原生植被豐富，喬木主要有馬尾松（Pinus massonianaLamb.）、杉木（Cunninghamia lanceolate（Lamb.）Hook）、白櫟（Quercus fabriHance.）等，林分郁閉度0.5，灌木主要有胡枝子（Lespedeza bicolorTurcz.）、檵木（Loropetalum chinensis(R.Br.) Oliver）、山胡椒（Lindera glauca(Sieb. et Zucc.) BI）、牡荊（Vitex negundoL. var.cannabifolia(Sieb. et Zucc.) Hand.-Mazz.），覆 蓋度50%，草本主要有苧麻（Boehmeria nivea(L.)Gaudich.）、艾麻（Laportea cuspidate(Wedd.) Friis）、野青茅（Deyeuxia arundinacea(L.) Brauv.）、珍珠菜（Lysimachia clethroidesDuby）、復葉耳蕨（Arachniodes exilis(Hance) Ching）等，覆蓋度75%。2006 年根據水庫管理部門的要求，對消落帶高大喬灌木進行砍伐。受人為清庫和水位漲落的影響，消落帶內的原生植被早已消失殆盡。目前，消落帶145～175 m 各海拔區段的典型植被以一年生和多年生的草本植物為主，草本植被群落共有35 科47 屬51 種。145～155 m 和155～165 m 海拔區段覆蓋度85%，165～175 m 海拔區段覆蓋度80%。各海拔區段均以禾本科（Gramineae）、莎草科（Cyperaceae）、菊科（Compositae）、大戟科（Euphorbiaceae）為主要優勢科，物種以狗牙根（Cynodon dactylon(L.) Pers.）、毛馬唐（Digitaria chrysoblepharaFig.）、狗尾草（Setaria viridis(L.)Beauv.）、香附子（Cyperus rotundusLinn.）、蒼耳（Xanthium sibiricumPatrin ex Widder）、鬼針草（Bidens PilosaL.）、醴腸（Eclipta prostrata(L.)L.）、一年蓬（Erigeron annuus(L.) Pers.）、蜜甘草（Phyllanthus ussuriensisRupr et Maxim）等為主要優勢種。

1.2 樣地設置

2008 年8 月在秭歸縣茅坪鎮松樹坳、蘭陵溪、杉木溪典型消落帶回水區，選擇3 塊生境類型相似的固定次生灌叢樣地（圖1），樣地大小設置為45 m（高）× 20 m（寬）（由于樣地斜坡平均坡度約為45°，因而GPS 定位的垂直海拔高差30 m 在斜坡上約為45 m），由于不同的海拔高程受水淹情況不同，根據GPS 海拔定位以145 m 海拔為底邊，175 m 海拔為頂邊，將樣地拉分為145～155、155～165、165～175 m 3 個海拔區段，各個高程均埋設水泥樁做標記。

圖1 三峽庫區秭歸段消落帶采樣位置示意圖Fig. 1 Distribution of the soil sampling sites in water-levelfluctuating zone of Three Gorges Reservoir area（zigui）

根據三峽水庫運行調度歷史，2008 年8 月為水庫運行前期，消落帶145～175 m 高程并未遭受水淹；2008 年10 月之后開始蓄水，且此后2009—2018 年間周期性漲落的蓄水位均在145～175 m 海拔之間(數據來自中國長江三峽集團公司水情信息)。因此，本研究將2008 年8 月各海拔區段的土壤pH 值和金屬元素含量作為背景值（對照）進行分析。

1.3 樣品采集與處理

于2008、2009、2012、2014、2015、2016、2018 年8 月，在各海拔區域內，均勻設置12 個采樣點。在每個采樣點，用土鉆采集0～20 cm 的土壤樣品，每個樣地共取樣36 個，總共取樣108個。將同一樣地、同一海拔區段的土壤樣品手動混合均勻后，裝入采樣袋并標記采樣點位置及采樣時間，帶回實驗室自然陰干。土壤樣品自然陰干后，剔除土壤中植物根系、石塊，動物殘體等，研磨過2 mm 篩備用。

土壤中鐵、錳、鋅、鉀、鈣、鎂、鈉的含量均采用電感耦合等離子體光譜儀進行測定[14]。所有測定分析工作均在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完成。

1.4 數據統計與分析

采用Microsoft Excel 2016 進行數據處理。應用描述性統計分析計算不同海拔區段和年際間土壤pH 值和金屬元素含量的均值和標準差，應用雙因素方差分析探索不同海拔和水淹年限對土壤pH 值和金屬元素含量的影響，并通過LSD 法多重比較檢驗其差異性，利用Pearson 相關分析和簡單回歸分析探索土壤pH 值與金屬元素間的關系，所有統計分析均在SPSS 24.0 軟件中進行。采用Origin 9.1 進行作圖。

2 結果分析

2.1 消落帶不同海拔區段土壤pH 值的動態

由圖2 可以看出，海拔梯度和淹沒年限及其交互作用顯著影響消落帶土壤pH 值（p＜ 0.01）。隨著水位的周期性漲落，消落帶不同海拔區段土壤pH 值的年際變化總體呈波動式增加的趨勢。經歷水位漲落前和經歷1 次水位漲落后，消落帶145～155 m、155～165 m、165～175 m 各海拔區段土壤的pH 值均呈酸性，且年際間差異不顯著；經歷4 次水位漲落后，2012 年消落帶各海拔區段土壤pH 值均顯著增加（p＜ 0.05），增加幅度分別達到32.0%、25.5%、25.0%；此后隨著水位的周期性漲落，2012—2018 年消落帶各海拔區段土壤pH 值均呈“上升—下降—上升”的趨勢。至2018 年，145～155 m 和155～165 m 海拔區域土壤pH 分別達到7.84、7.6，由酸性土壤變為堿性土壤，165～175 m海拔區域土壤pH 值達到7.28，呈中性狀態。在同一年份的不同海拔區段內，除2009 年外，各調查年份消落帶土壤pH 值均呈現出：145～155 m ＞155～165 m ＞ 165～175 m 的特征，但所有年份低海拔區段（145～155 m）與高海拔區段（165～175 m）土壤pH 值差異均顯著（p＜ 0.05）。

圖2 消落帶不同海拔區段土壤pH 值的動態Fig. 2 Dynamics of soil pH-value at different altitudes of water-level-fluctuation zone

圖3 消落帶不同海拔區段土壤鐵含量的動態Fig. 3 Dynamics of iron contents in soil at different altitudes of water-level-fluctuation zone

2.2 消落帶不同海拔區段土壤金屬元素含量的動態

2.2.1 土壤鐵含量的動態 由圖3 可知，消落帶區域土壤鐵含量同時受淹沒年限、海拔梯度（p＜0.01）及其交互作用（p＜ 0.05）的顯著影響。與經歷水位漲落前相比，經歷水位漲落后消落帶不同海拔區段土壤鐵含量均有所減少，年際變化呈現出波動式下降的趨勢，但變化幅度不明顯。在此期間，145～155 m 和155～165 m 海拔區段土壤鐵含量整體呈先下降后增加的趨勢，165～175 m 區段整體呈“下降—增加—下降”的特征。與經歷水位漲落前相比，145～155 m 和155～165 m 海拔區段土壤鐵含量在經歷1 次水位漲落后顯著下降，在經歷6 次水位漲落后（2014 年），分別下降到最低值43.15 g·kg-1和44.16 g·kg-1，降幅分別為13.3%和6.3%；165～175 m 海拔區域鐵含量在經歷1 次水位漲落后變化不顯著，在經歷4 次水位漲落后下降到最低點44.02 g·kg-1，降幅為26.6%。由此可見，低海拔區段與高海拔區段土壤鐵含量對周期性水位漲落的年際響應表現出一定的差異性。在同一年份的不同海拔區段內，除2012 年外，其余經歷水位漲落的年份消落帶土壤鐵含量均呈現出145～155 m ＜ 155～165 m ＜ 165～175 m 海拔的特征，且145～155 m與165～175 m 區段差異顯著（p＜ 0.05）。

2.2.2 土壤錳含量的動態 由圖4 可以看出，消落帶區域土壤錳含量同時受淹沒年限、海拔梯度（p＜ 0.01）及其交互作用（p＜ 0.05）的顯著影響。與經歷水位漲落前相比，經歷水位漲落后各年份消落帶不同海拔區段土壤錳含量均有所下降，其年際變化整體呈現波動式下降的趨勢。其中，145～155 m 和155～165 m 區段隨著水位漲落周期的增加，土壤錳含量呈現出“下降—上升—下降”的波動式變化，而165～175 m 區段土壤錳含量直線下降。與2008 年相比，145～155 m、155～165 m海拔區段土壤錳含量在經歷4 次水位漲落后（2012 年），顯著下降到最低點，降幅分別達到42.7%和38.6%，此后在2012—2018 年間，土壤錳含量雖有回升，但均顯著低于2008 年各海拔區域的土壤錳含量。在經歷10 次水位漲落后，2018年各海拔區段土壤錳含量下降幅度分別為26.4%、24.3%、34.9%。在同一年份的不同海拔區段土壤中，各調查年份的錳含量整體表現出“145～155 m ＜155～165 m ＜ 165～175 m”的特征，其中，2008—2014 年間土壤錳含量在低海拔區段與高海拔區段間存在顯著差異（p＜ 0.05），在2015—2018 年間各海拔區段土壤錳含量差異不顯著（p＞ 0.05）。

圖4 消落帶不同海拔區段土壤錳含量的動態Fig. 4 Dynamics of manganese contents in soil at different altitudes of water-level-fluctuation zone

2.2.3 土壤鋅含量的動態 由圖5 可以看出，消落帶區域土壤鋅含量同時受淹沒年限、海拔梯度及其交互作用的顯著影響（p＜ 0.01）。隨著水位的周期性漲落，2008—2018 年間消落帶區域土壤鋅含量的年際變化整體上呈現波動式下降的趨勢。在經歷1 次水位漲落后，各海拔區段土壤鋅含量均顯著下降（p＜ 0.05），降幅分別為：66.7%、50.0%、37.8%，在經歷4 次（2012 年）水位漲落后，145～155 m 和155～165 m 海拔區段土壤鋅含量顯著上升（p＜ 0.05），而165～175 m 區段鋅含量仍顯著下降（p＜ 0.05）；此后隨著周期性的水位漲落，2012—2018 年間各海拔區段土壤鋅含量均呈現出“先下降后上升”相同的年際變化特征。在經歷10 次水位漲落后，2018 年各海拔區段土壤鋅含量與2008 年相比下降幅度分別為：26.7%、39.4%、70.3%。在同一年份的不同海拔區段土壤中，只有水位漲落前期和經歷1 次水位漲落后，土壤鋅含量表現出145～155 m ＜ 155～165 m ＜ 165～175 m 的特征，且海拔區段間差異顯著（p＜ 0.05）；此后，在經歷多次水位漲落的2012—2018 年間，土壤鋅含量在海拔區段間并未表現出一致的分布規律，差異也不顯著（p＞ 0.05）。

2.2.4 土壤鉀含量的動態 由圖6 可以看出，淹沒年限和海拔梯度顯著影響消落帶區域土壤鉀含量（p＜ 0.01）。隨著水位的周期性漲落，2008—2018 年間消落帶區域土壤鉀含量的年際變化整體呈現出波動式增加的趨勢。在經歷1 次水位漲落后，各海拔區段土壤鉀含量都略有上升，但變化均不顯著；而經歷4 次水位漲落后（2012 年），各海拔區段土壤鉀含量均顯著增加（p＜ 0.01），與2008 年相比，增幅分別達到：233.7%、252.3%、288.4%；此后，在2012—2018 年間，145～155 m海拔區段鉀含量持續增加到2016 年達到最大值9.09 g·kg-1后又顯著下降到5.81 g·kg-1，而155～165 m 和165～175 m 海拔區段土壤鉀含量則呈現出“下降—上升—下降”的波動式變化，但變化均不顯著。在經歷10 次水位漲落后（2018 年），與2008 年相比，各海拔區段土壤鉀含量增加的幅度分別達到：143.2%，62.2%、168.8%，說明水位周期性漲落使得消落帶土壤鉀含量增加。在同一年份的不同海拔區域，145～155 m 海拔區段土壤鉀含量整體高于155～165 m 和165～175 m 區段，而155～165 m 和165～175 m 海拔區域鉀含量則沒有明顯差異，說明水位的周期性漲落使得消落帶土壤鉀元素在低海拔區域富集較多。

圖5 消落帶不同海拔區段土壤鋅含量的動態Fig. 5 Dynamics of zinc contents in soil at different altitudes of water-level-fluctuation zone

圖6 消落帶不同海拔區段土壤鉀含量的動態Fig. 6 Dynamics of potassium contents in soil at different altitudes of water-level-fluctuation zone

2.2.5 土壤鈣含量的動態 由圖7 可知，消落帶區域土壤鈣含量同時受淹沒年限（p＜ 0.01）和海拔梯度（p＜ 0.05）的顯著影響。隨著水位的周期性漲落，2008—2018 年間消落帶區域土壤鈣含量整體上呈波動性增加的趨勢。在2008—2014 年間，145～175 m 各海拔區段鈣含量均呈現出“增加—下降—增加”的變化特征，且年際變化顯著（p＜ 0.05）；而在2014—2018 年間，145～155 m 海拔區域內鈣含量持續增加至2016 年達到最大值后又顯著下降（p＜ 0.05），155～165 m 和165～175 m 海拔區域內鈣含量則呈現“下降—上升—下降”波浪式變化，且變化均不顯著。整體來看，除2012 年外，其余各年份不同海拔區域的鈣含量均大于2008 年各海拔區域的鈣含量，至2018 年，各海拔區域鈣含量與2008 年相比，增加幅度分別達到40.1%、55.2%、27.9%，說明長期水位漲落使得消落帶區域土壤鈣含量增加；在同一年份的不同海拔區段內，145～155 m 海拔區段鈣含量整體高于155～165 m 和165～175 m 海拔區段，而155～165 m 和165～175 m 區段土壤鈣含量則沒有明顯差異，說明水位的周期性漲落使得消落帶土壤鈣元素在低海拔區段富集較多。

圖7 消落帶不同海拔區段土壤鈣含量的動態Fig. 7 Dynamics of calcium contents in soil at different altitudes of water-level-fluctuation zone

圖8 消落帶不同海拔區段土壤鈉含量的動態Fig. 8 Dynamics of sodium contents in soil at different altitudes of water-level-fluctuation zone

2.2.6 土壤鈉含量的動態 由圖8 可知，消落帶區域土壤鈉含量的變化同時受淹沒年限（p＜ 0.01）、海拔梯度及其交互作用的（p＜ 0.05）的影響。隨著水位的周期性漲落，消落帶區域土壤鈉含量的年際變化呈逐年下降趨勢。與經歷水位漲落前相比，經歷1 次水位漲落后，145～175 m 各海拔區段土壤鈉含量變化不顯著，而在經歷4 次水位漲落后（2012 年），各海拔區段鈉含量顯著下降（p＜ 0.05），降幅分別為：33.6%、35.2%、31.2%。此后的2012—2018 年間，除145～155 m海拔區段土壤鈉含量在2012—2014 年顯著下降外，其余各海拔區域鈉含量均保持逐年下降趨勢，差異不顯著；在經歷10 次水位漲落后（2018 年），各海拔區段土壤鈉含量與2008 年相比顯著下降（p＜ 0.05），降幅分別為50.5%、45.2%、44.7%，說明水位的周期性漲落導致消落帶各海拔區段土壤鈉元素逐漸流失。在同一年份的不同海拔區段內，除2014 年145～155 m 海拔區段鈉含量顯著低于155～165 m 和165～175 m 區段（p＜ 0.05）外，其余各調查年份不同海拔區段土壤鈉含量均沒有顯著差異（p＞ 0.05）。

2.2.7 土壤鎂含量的動態 由圖9 可以看出，消落帶區域土壤鈉含量的變化同時受淹沒年限（p＜0.01）及年限與海拔梯度的交互作用（p＜ 0.05）的影響。隨著水位的周期性漲落，消落帶區域土壤鎂含量的年際變化特征呈現波動式增加趨勢。與經歷水位漲落前相比，經歷1 次水位漲落后，2009 年消落帶145～175 m 各海拔區段土壤鎂含量都顯著增加（p＜ 0.01），增幅分別為：64.0%、71.7%、84.0%，2009—2012 年，各海拔區域鎂含量逐漸下降，其中155～165 m 海拔區域鎂含量下降顯著；此后在2012—2018 年間，各海拔區域鎂含量均持續增加到2016 年達到最大值，增幅分別為，102.7%、127%、126.4%。此后2018 年雖有所下降，但仍顯著高于經歷水位漲落前，增加幅度分別為62.4%、90.4%、100.4%。整體來看，2008—2018 年間，各海拔區段內土壤鎂含量均呈現出“上升—下降—上升—下降”相同的波動式變化特征。在同一年份的不同海拔區段內，除2014 年的155～165 m 和165～175 m 海拔鎂含量有顯著差異（p＜ 0.05）外，其余各年份不同海拔區段間的土壤鎂含量均沒有一致的變化規律及顯著差異，即水位的周期性漲落對消落帶土壤鎂含量在不同海拔高程的分布沒有造成顯著性影響。

圖9 消落帶不同海拔區段土壤鎂含量的動態Fig. 9 Dynamics of magnesium contents in soil at different altitudes of water-level-fluctuation zone

2.3 消落帶土壤pH 值與金屬元素含量的關系

相關性分析（表1）可知，土壤金屬元素鐵、錳、鋅含量之間存在極顯著正相關（p＜ 0.01）；鉀含量與鐵、錳、鋅之間均存在顯著負相關（p＜0.05），與鈣含量存在顯著正相關（p＜ 0.05）；鎂含量與鈣、鉀之間均存在極顯著正相關（p＜0.01），與鋅含量存在極顯著負相關（p＜ 0.01）；鈉含量與鉀、鈣、鎂含量之間均存在極顯著負相關（p＜ 0.01），與鋅存在顯著正相關（p＜ 0.05）。土壤pH 值與鉀、鈣、鎂含量之間存在極顯著正相關（p＜ 0.01），與錳、鋅、鈉含量之間存在極顯著負相關（p＜ 0.01），與鐵含量存在顯著負相關（p＜ 0.05）。

為了更深入地了解土壤pH 值對金屬元素含量的影響情況，以土壤pH 值為自變量，各金屬元素含量為因變量進行簡單回歸分析（表2），可以看出，土壤鉀、鈣、鎂含量與土壤pH 值具有顯著正線性相關關系（p＜ 0.01），以土壤pH 值為主的因子對土壤鉀、鈣、鎂含量變化的貢獻量分別為71.5%、31.8%、34.1%。土壤鈉、錳、鋅含量與pH 值呈現顯著負線性相關關系（p＜ 0.01），pH 值分別解釋了土壤鈉、錳、鋅含量變化的80.5%、33.4%、31.9%，土壤鐵含量與pH 值也呈顯著負相關關系（p＜ 0.05），pH 值解釋了土壤鐵含量變化的19.9%，相比其它金屬元素，鐵含量變化受土壤pH 值的影響相對較小。整體來看，消落帶土壤各金屬元素含量受pH 值的顯著影響，金屬元素之間，金屬元素含量與土壤pH 值之間均有密切相關性。

表1 消落帶土壤pH 值與金屬元素含量的相關性分析Table 1 Correlation analysis between soil pH-value and metal elements contents in water-level-fluctuation zone

表2 消落帶土壤pH 值與金屬元素含量的回歸分析模型Table 2 Regression analysis model between soil pH-value and metal elements contents in water-level-fluctuation zone

3 討論

土壤酸堿度對土壤的氧化還原、吸附解吸、沉淀溶解和配合反應等化學過程起到支配作用，幾乎所有的金屬離子在土壤中的吸附解吸都是pH 依賴型的，其主要是通過影響金屬化合物在土壤溶液中的溶解度來影響金屬元素的行為，進而影響其含量大小[8,15]。模擬淹水實驗[16]發現淹水后酸性土壤的pH 值升高, 堿性土壤的pH 值降低；定位監測研究[17-18]表明隨著三峽庫區水位的周期性漲落，無論母巖類型是石灰巖或是花崗巖，消落帶土壤pH 值均逐漸趨于中性。本研究發現（圖2），消落帶土壤在經歷多次水位漲落后，165～175 m 海拔區域土壤的pH 值從2008 年的4.9 逐漸上升到2018 年的7.28，由酸性土壤變為中性土壤，這與前人的結論相吻合；但145～155 m 和155～165 m 海拔區域的土壤pH 值從2008 年的5.8、5.3 逐漸上升到2012 年的7.73、6.65，由酸性土變為堿性和中性土壤之后，pH 值仍在繼續上升，至2018 年已上升到7.84 和7.6，均變成了堿性土壤，與前人的結論存在差異[16-18]，這一方面可能是由于之前的研究多處于消落帶的幼年期，淹水周期較短（1～3 年），土壤pH 值受水淹的影響尚未完全體現出來，另一方面由于消落帶土壤在受到長期水位漲落的沖擊后，水土流失嚴重，巖石逐漸風化處于鈣淀積階段，大部分的Cl、S 和Na 淋失，而Ca、Mg、K 等元素保留下來，有些鈣離子游離出來形成碳酸鈣，在土壤中形成鈣積風化殼，造成土壤呈堿性[19]；也有研究發現淹水會使得水體中的堿性金屬容易被土壤吸附，導致土壤中堿性金屬元素的含量增加，從而使得土壤pH 值上升[11,20]。研究發現，土壤pH 值與堿性金屬元素鉀、鈣、鎂含量均存在顯著正相關（p＜ 0.01）（表1），這與之前的結論相符[15]。

一般而言，土壤中的堿性陽離子可以維持植物正常的生長需求，一旦土壤中某種陽離子匱乏，土壤性質和植物的生長發育都會受到很大的影響，而這些離子的存在又與土壤的淋溶程度、土壤的pH 值、土壤養分元素的存在形態、土壤微生物的區系等有很大的關系[8,21]。前人研究發現消落帶土壤在經歷水位漲落后，土壤鈉質量分數的釋放量要大于從水中的吸附量，而土壤中鉀、鈣、鎂質量分數從水中吸附量大于土壤釋放量，導致鈉含量下降，鉀、鈣、鎂含量上升[2,22]；本研究也發現，經歷10 年水位漲落后，消落帶土壤中鈉含量顯著下降，且在各海拔區段間無顯著差異（圖8），這是因為鈉鹽極易溶于水，受長期水庫水位漲落的淹沒和淋溶影響，各海拔區段土壤鈉含量均釋放到水體中，造成鈉含量的流失；而土壤鉀、鈣、鎂的含量均顯著增加（圖6，圖7，圖9），且在145～155 m海拔區段土壤中富集鉀和鈣，這是因為土壤中鉀、鈣的吸附量一般隨土壤pH 的升高而增加，在pH ＞5.5 時，A13+以羥基聚合陽離子沉淀，隨pH 增加，羥基聚合物的-OH 數量增多，可降低鉀、鈣固定的A1(OH)x 的數量的減少，從而有利于土壤對鉀、鈣的固定[23]。145～155 m 海拔區段的土壤pH 從2012 年之后一直大于5.5，且始終大于155～165 m 和165～175 m 區段，因而該區段土壤吸附固定的鉀、鈣含量最多。此外，在堿性條件下，土壤伴隨離子以Na+為主，Na+較容易被K+代換出來[23]，這也導致了土壤固定的鉀含量增加，鈉含量下降，鈉與鉀含量呈顯著負相關（p＜ 0.01）也再次證實了這一結果。同時，本研究發現，在經歷10 年水位漲落后，鉀、鎂含量的上升幅度要高于鈣，這可能是與鈣離子易與水體中的重金屬元素發生交互耦合作用，導致部分土壤鈣離子被轉移出土壤有關[24]。

有研究發現，消落帶水淹初期土壤鐵、錳、鎘、鋅、銅均不同程度的溶出而進入江水，造成了重金屬含量的嚴重流失[8,25]。本研究也發現，消落帶土壤在經歷水位漲落后，各海拔區段土壤中鐵、錳、鋅含量均顯著下降（圖3、圖4、圖5），這可能與各海拔區段土壤pH 值在逐漸增高有關。研究發現當土壤pH 值較低時（酸性條件下），鐵、錳、鋅的含量會升高，當土壤pH 值較高時（堿性條件下），鐵、錳、鋅的含量會下降[26]，這也符合前人研究結論[15,27]及本研究中通過回歸分析發現土壤鐵、錳、鋅含量與pH 值存在顯著負線性相關的結果（表2）。王業春等[10]通過對消落帶進行為期兩年的監測發現，由于重金屬自身移動性差，因而不同水位高程間的重金屬含量沒有顯著分布差異。本研究同樣發現，在經歷6 次水位漲落后，2014—2018年不同海拔高程間鋅含量沒有顯著差異。這主要與消落帶土壤中鋅的存在形態有關，土壤中重金屬的存在形態主要包括可交換態、有機物及硫化物結合態、碳酸鹽結合態、Fe-Mn 氧化物結合態和殘渣態形式，其中殘渣態是指存在于原生礦物晶格中的重金屬，其性質穩定，不易發生遷移轉化[7,28]。有研究發現消落帶土壤經過多次水位漲落后，土壤中84.5%的鋅元素主要以性質穩定，不易發生遷移轉化的殘渣態形式存在[29]，因而此時的鋅元素不易受到各海拔區段水位淹沒時間長短的影響，導致不同海拔區段土壤中鋅含量差異不顯著（圖5）。此外，本研究發現在經歷10 次水位周期性漲落期間，消落帶土壤中鐵、錳含量均呈現出145～155 m ＜ 155～165 m ＜ 165～175 m 的特征，與前人的結論[10]存在差異[10]。這一方面是由于三峽水庫獨特的調度方式，使得消落帶不同海拔高程的土壤在水中浸泡時間和所承受的壓力差不同，因而造成重金屬含量的垂直分布差異。低海拔區段經歷水淹時間較長，承受水體流動的侵蝕最為嚴重，因而加速了土壤中的鐵、錳元素的釋放[8,12,30]。另一方面由于水淹造成了土壤的氧化還原環境發生變化，土壤從裸露的氧化環境轉入淹水時的還原環境，造成了Fe-Mn 氧化物的價態發生改變，導致可溶性Mn2+、Fe2+所占比例增大[9,31]，而還原條件下低價態的化合物溶解性更大，有利于鐵、錳的遷移，從而導致了低海拔區段土壤中鐵、錳含量的下降，這也與前人研究發現的消落帶低高程土壤中鐵、錳在遷出的結果相符[11]。

4 結論

三峽水庫運行10 年間，隨著水庫水位的周期性漲落，消落帶不同海拔區段土壤pH 值和金屬元素含量均發生了不同程度的改變。經歷10 次水位漲落后，145～155 m 和155～165 m 區段土壤已由酸性變為堿性，165～175 m 區段由酸性變為中性。隨著水庫水位漲落周期的增加，不同海拔區段土壤金屬元素鐵、錳、鋅含量呈現波動性下降的特征，堿性金屬元素鉀、鈣、鎂含量呈現波動性增加的趨勢，鈉含量則呈現逐年遞減的趨勢。

在此期間，海拔是影響土壤pH 值和金屬元素含量的重要因素。土壤pH 值和鉀含量呈現145～155 m ＞ 155～165 m ＞ 165～175 m 的特征，鐵、錳含量呈現出145～155 m ＜ 155～165 m ＜ 165～175 m的特征，鈣含量在145～155 m 區段富集，鈉、鎂、鋅含量則無明顯的海拔差異。

土壤pH 值是影響消落帶土壤金屬元素含量的另一重要因子。土壤pH 值與鉀、鈣、鎂含量呈顯著正相關，與錳、鋅、鈉、鐵含量顯著負相關。這些結果為預測三峽庫區消落帶不同海拔區段土壤質量的演變趨勢提供重要的基礎依據，對消落帶生態恢復及治理具有指導意義。