水庫消落帶不同海拔狗牙根草地土壤可蝕性研究

楊 玲, 賀秀斌, 鮑玉海, 鄭曉嵐, 宋 嬌,3, 李進林

(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; 3.重慶師范大學 地理與旅游學院, 重慶 401331)

周期性反季節高壓淹水—出露過程使消落帶植被、土壤特性短時間內發生劇烈變化，加之庫水波浪、降雨徑流、水位漲落等水動力作用和人類活動干擾，使得大型水庫消落帶在不同程度上面臨著復雜多樣的生態環境問題[1]，尤其是消落帶土壤侵蝕問題較為突出，水文條件驟變導致消落帶土壤侵蝕強度遠高于陸地坡面[2-3]。強烈的土壤侵蝕將會造成消落帶土壤質量下降、植被生長受限、庫岸失穩、水體環境惡化等危害，嚴重影響消落帶本身應有的生態緩沖、生物多樣性維持、水庫水質保障等生態服務功能的有效發揮，其土壤侵蝕過程與防治對策的研究已逐漸成為國際社會和學者關注的熱點[1,3]。消落帶土壤侵蝕的影響因素涉及氣候、地形地貌、土壤、外營力等多方面，其中土壤抗蝕性是重要因素之一。而土壤可蝕性K值是衡量土壤抗蝕性的重要指標[4]，是土壤侵蝕過程與機理研究的重要內容，常用來評價土壤被侵蝕營力分離、沖蝕和搬運的難易程度[5]，對消落帶土壤侵蝕定量評價和水土保持措施機理研究均有重要科學意義。

我國學者在土壤可蝕性K值研究方面已有眾多成果，針對土壤可蝕性研究方法、區域土壤可蝕性特征、不同土地利用類型土壤可蝕性評價、土壤可蝕性實測與估算的定量對比研究等均開展了一系列的研究[6-12]。目前，普遍利用估算模型進行土壤可蝕性K值的計算，主要有土壤可蝕性諾謨方程、修正諾謨方程、EPIC模型、Torri公式以及Shirazi公式[6-7]。紫色土地區常使用EPIC模型進行K值的計算[4,6,8]。但研究區域主要集中在陸地坡面，針對水庫消落帶土壤可蝕性K值的估算較為缺乏。三峽水庫高強度淹水和極端干濕交替環境改變了消落帶土壤結構、化學性質和力學特性[13-16]，導致土壤中值粒徑增大、團聚體穩定性降低、有機質含量減少[17-19]，上述土壤特性的改變將可能會引起土壤可蝕性的增加。而消落帶不同海拔梯度的淹水時長、淹水深度、淹水—出露頻率等差異，造成土壤特性、植被等條件具有較強的空間異質性[20-21]，使土壤可蝕性產生空間差異。目前，大型水庫蓄水運行造成的消落帶土壤可蝕性變化趨勢及其空間分異規律尚不明確。由于目前水庫消落帶缺少長期土壤侵蝕定位觀測資料，本研究以三峽水庫典型庫段消落帶草地為例，利用紫色土地區土壤可蝕性研究中常見的估算方法進行消落帶土壤可蝕性K值研究，以期探明三峽水庫運行后消落帶土壤可蝕性在海拔梯度和土層深度上的分異規律，探討其主要影響因素，為消落帶土壤侵蝕預測評價和水土保持措施配置提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于三峽水庫重慶市忠縣石寶鎮庫段消落帶(107°32′—108°14′E，30°03′—30°35′N)，是三峽水庫典型的土質消落帶。該區屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，四季分明，夏季高溫多雨。年平均氣溫19.2℃，年平均降水量1 150 mm，主要集中在5—9月，日照充足。該段消落帶地形平緩，土壤母質為侏羅系沙溪廟砂頁巖(J2s)，土壤類型以紫色砂巖或頁巖風化后形成的紫色土為主，此外，還有少部分水稻土和黃棕壤[19]。三峽水庫蓄水前，消落帶的土地利用方式主要有旱地、水田和林地。主要種植的糧食作物有玉米(Zeamays)、水稻(Oryzaglaberrima)、紅薯(Ipomoeabatatas)、黃豆(Glycinemax)、油菜(Brassicacampestris)等。三峽水庫蓄水后，消落帶土地利用方式主要為草地(自然恢復和人工種植)和局部林地(人工種植)，其中145～160 m低海拔地區主要為草地，160～175 m較高海拔區域以草地為主并局部分布有條帶狀林地。研究區草本植物以狗牙根(Cynodondactylon)分布最為廣泛，其次為蒼耳(Xanthiumsibiricum)、扁穗牛鞭草(Hemarthriacompressa)、空心蓮子草(AlternantheraPhiloxeroides)、鬼針草(Bidenspilosa)等[22]。本研究選用的狗牙根草地屬于人工恢復草地，于2007年種植，已經歷10 a以上的周期性淹水—出露過程。研究區消落帶位于長江干流，淹沒和成陸規律與三峽水庫水位調度節律一致，每年9月末、10月初開始因水庫蓄水逐漸淹沒，一般在11月上旬消落帶145 ～175 m全部淹水，次年1—4月消落帶逐次從175 m向156 m出露，5月末消落帶全部出露，6—9月受汛期洪水影響145 ～160 m消落帶遭受短時間淹水過程。該區域淹水前土壤理化特性背景調查顯示[19]，研究區消落帶土壤淹水前土壤容重、酸堿度、有機質、全氮、全磷、全鉀、硝態氮、氨態氮、速效磷、速效鉀等各測定指標在不同海拔高程之間的差異均不顯著(p>0.05)。

1.2 樣地選擇與土壤樣品采集

2020年6月在研究區155 m，160 m，163 m，166 m，169 m，172 m海拔選取生境類型、地形平緩的紫色土岸坡，布設樣地采集土壤樣品，樣地土地利用類型淹水前為旱地，淹水后為狗牙根草地。每個海拔設置3個重復采樣點，采集0—10 cm和10—20 cm的表層土壤，并以未淹水180 m海拔區域狗牙根草地土壤為對照。每個樣點采集1 kg左右土壤樣品，帶回實驗室，進行去雜、自然風干等前處理。

1.3 土壤理化性質分析

采用馬爾文MS-2000激光粒度分析儀(英國馬爾文儀器有限公司)測定土壤的顆粒組成。土壤粒徑分級劃分為：0—0.002 mm，0.002—0.05 mm，0.05—0.1 mm，0.1—0.25 mm，0.25—0.5 mm，0.5—1 mm，1—2 mm，計算砂粒(0.05—2 mm)、粉粒(0.002—0.05 mm)、黏粒(<0.002 mm)含量。采用王國梁等提出的土壤顆粒分形維數分析方法計算體積分形維數[23]。采用Vario MACRO Cube元素分析儀(德國Elementar公司)測試土壤有機質。采用Yoder濕篩法[24-25]測定土壤水穩定性團聚體組成，并計算WS0.25(>0.25 mm土壤水穩定性團聚體含量)指標。

1.4 土壤可蝕性K值計算

本文采用EPIC模型計算土壤可蝕性K值，公式為[6,8]：

K={0.2+0.3exp[-0.0256SAN(1-SIL/100)]}·

式中:SAN為砂粒(0.05～2 mm)含量(%);SIL為粉粒(0.002～0.05 mm)含量(%);CLA為黏粒(<0.002 mm)含量(%);C為有機碳含量(%);SN1=1表示SAN/100。計算的土壤可蝕性K值為美國制單位,將其乘以0.131 7則轉變為國際制單位(t·hm2·h)/(MJ·mm·hm2)。

1.5 數據處理與統計分析

利用IMB SPSS 20.0和Excel 2016軟件進行數據處理、統計分析和Pearson相關性分析。圖件制作采用Origin軟件。組間差異顯著性分析采用IMB SPSS 20.0軟件的單因素方差分析，顯著性水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 土壤理化性質空間異質性

由圖1可見，消落帶與未淹水對照0—20 cm表層土壤黏粒含量存在顯著差異(p<0.05)，消落帶土壤黏粒含量較對照大幅降低，減少幅度達41.19%～79.81%。受水庫水位漲落節律的影響，不同海拔消落帶土壤遭受淹水脅迫時長和程度有著明顯的不同，表層土壤理化性質沿海拔梯度存在明顯的空間異質性，表現為：172 m>169 m>166 m>160 m>163 m>155 m，土壤黏粒含量為3.45%～10.05%(見表1)。土壤顆粒的體積分形維數與黏粒含量分布規律一致，隨海拔升高而增大，其中155～163 m低海拔區域的分形維數顯著低于166 m以上區域(p<0.05)，差幅可達10.16%～19.54%，但166 m海拔以上區域無顯著差異(p>0.05)。從土壤團聚體含量來看，>0.25 mm水穩性團聚體含量較對照明顯降低，且有隨海拔增加而增加的趨勢，尤其155～163 m低海拔區域與對照差異顯著(p<0.05)。消落帶土壤有機質平均含量1.20%～1.60%(見表1)，顯著低于對照的1.79%(p<0.05)，且與海拔呈正相關。

表1 消落帶表層0-20 cm土壤主要理化性質隨海拔的變化

土壤理化性質在不同土層上也具有一定的差異性，總體來看，0—10 cm土層有機質含量高于10—20 cm土層，平均差值為0.26%，而0—10 cm土層土壤黏粒含量和>0.25 mm水穩性團聚體含量均顯著低于10—20 cm土層(p<0.05)，分別減少0.28%和2.88%。0—10 cm土層土壤顆粒的體積分形維數稍高于10—20 cm土層，但差異幅度較小，僅為0.01，兩者差異不顯著(p>0.05)。

2.2 土壤可蝕性K值的空間異質性

消落帶0—20 cm表層土壤可蝕性K值的統計分析表明，消落帶表層土壤K值為0.049 6～0.061 2，均值0.054 1，屬于高可蝕性土壤。由圖2可知，消落帶土壤可蝕性因子K值高于對照，平均比對照高7.33%，呈現出隨海拔升高而降低的趨勢，其中155 m，160 m海拔與對照具有顯著性差異(p<0.05)，平均增加幅度達到對照的30.63%，而163～172 m海拔的K值與對照之間差異不顯著(p>0.05)，相對增幅僅有3.49%。消落帶所有樣地的K值偏度為0.536，峰度為-0.329，均小于1，變異系數CV值為12.74%，說明消落帶土壤可蝕性K值在各海拔梯度上基本服從正態分布，空間變異性為中等。在土層分布上，0—10 cm土層的平均K值低于10—20 cm土層，后者是前者的1.03倍，但兩者無顯著差異(p>0.05)。

注:圖中不同大寫字母表示同一海拔各土層之間存在顯著差異(p<0.05)，不同小寫字母表示同一土層不同海拔之間存在顯著差異(p<0.05)。

2.3 表層土壤可蝕性K值與影響因子相關性

由圖3可知，K值大小與土壤黏粒含量、體積分形維數、>0.25 mm水穩性團聚體含量和有機質等土壤理化性質密切相關。K值與各指標的Pearson相關性分析表明，K值與土壤黏粒含量、>0.25 mm水穩性團聚體含量和有機質含量呈極顯著負相關，相關系數分別為-0.652，-0.628和-0.705(p<0.01)；與土壤顆粒的體積分形維數呈負相關，相關系數為-0.427(p>0.05)；而K值與土壤粉粒和砂粒含量呈正相關，相關系數分別為0.419，0.105(p>0.05)。綜上所述，土壤可蝕性因子K值隨黏粒含量、>0.25 mm水穩性團聚體含量和有機碳含量的增加而減小，隨粉粒和砂粒含量的增加而增大。圖3的曲線擬合結果同樣表明K值與土壤理化因子之間具有上述相關性。由此可知，通過植被恢復改善土壤結構，增加>0.25 mm水穩性團聚體和有機質含量，防止波浪和降雨徑流對表層土體的沖刷，保持消落帶土壤黏粒含量，可有效降低土壤可蝕性。

注:圖中不同大寫字母表示同一海拔各土層之間存在顯著差異(p<0.05)，不同小寫字母表示同一土層不同海拔之間存在顯著差異(p<0.05)。

圖3 土壤可蝕性K值與土壤理化因子的擬合曲線

3 討 論

三峽水庫消落帶典型斷面155～172 m海拔范圍內的狗牙根草地表土可蝕性K值為0.049 6～0.061 2，均值為0.054 1，按饒良懿等[7]土壤可蝕性分級標準，達到高可蝕性。遠高于全國30個省(市、區)0.023 5～0.046 0范圍的土壤可蝕性K值[5]。但不同估算模型算法會對K值結果產生重要影響，且每個算法的適用性因區域而異[6-8]。紫色土地區的已有研究表明，EPIC算法較適宜于紫色土地區[6]。因此，本研究采用了該算法對消落帶土壤可蝕性K值進行了分析。根據采用同一算法對不同土地利用類型土壤K值研究結果，紫色土地區坡耕地、荒地和林地的土壤可蝕性K值(國際制單位)介于0.041～0.052 8之間[6,8]，明顯低于本研究消落帶土壤的K值。這表明周期性淹水—出露—淹水的極端水文變化過程，導致了消落帶土壤K值的升高，其根本原因在于消落帶遭受長時間、反季節、高壓淹水脅迫，消落帶土壤特性、植被群落結構均在短時間發生顯著變化[3,21,26]，表現在植被消亡演替、劇烈土壤侵蝕、土壤結構劣化等[13-15,21]，并引起土壤有機質、氮磷鉀等養分含量的顯著下降[19]，從而影響土壤可蝕性。

消落帶內部土壤可蝕性K值隨土層和海拔的分布差異，主要原因是不同海拔土壤的淹沒時間、庫水壓力、淹水—出露頻率和水位變動幅度等均具有差異，遭受的土壤侵蝕情況也不同[27]，導致坡面侵蝕產沙、團聚體組成和穩定性、植物根系分形特征、有機質含量等具有一定的空間異質性[18-19,21,27]。相關研究表明，消落帶低海拔區域淹水時間和淹水深度顯著高于高海拔區域，植被可利用的生長時間減少，造成植被群落多樣性和覆蓋度降低，根系固土作用減弱，使土壤團聚體更易分散[18]。本研究結果表明，與未淹水的180 m海拔對照樣地土壤相比，消落帶155～163 m低海拔區域土壤>0.25 mm的團聚體平均含量顯著降低(p<0.05)，這表明周期性淹水浸泡和波浪沖擊的特殊水文環境導致消落帶土壤大粒徑團聚體崩解破碎，使得團聚體粒徑降低。這可能也與消落帶水位快速升降引起的團聚體崩解有關[18]。消落帶不同海拔植被組成與群落結構的差異，也會影響到土壤養分的積累與分解存在空間異質性，消落帶土壤在經歷多次淹水—出露—淹水的干濕循環后，土壤有機質、全氮、全磷、全鉀含量均顯著下降[28]，且呈現隨海拔升高而升高的趨勢[29]。土壤可蝕性是由土壤內在理化性質決定的特征參數[6]，K值大小與土壤顆粒組成和有機質密切相關[7]。消落帶土壤特性在海拔梯度上的空間異質性，將導致土壤可蝕性K值沿海拔梯度存在空間差異。本研究結果表明消落帶0—20 cm表層土壤有機質、黏粒、>0.25 mm水穩定性團聚體等含量均隨著海拔的降低而降低(圖1)，且上述因子均與土壤可蝕性K值呈極顯著負相關(p<0.01)，最終導致消落帶土壤可蝕性K值隨海拔升高而降低。

4 結 論

(1) 消落帶土壤理化性質在海拔和土層上均具有明顯的空間異質性，0—20 cm表層土壤顆粒的體積分形維數與黏粒含量在不同海拔表現為：對照>172 m>169 m>166 m>160 m>163 m>155 m。155～163 m低海拔區域的分形維數顯著低于166 m以上區域(p<0.05)，差幅可達10.16%～19.54%。消落帶大于0.25 mm水穩性團聚體和有機質含量較對照明顯降低，與海拔呈正相關關系。0—10 cm土層有機質含量高于10—20 cm土層，而0—10 cm土層土壤黏粒含量和>0.25 mm水穩性團聚體含量均顯著低于10—20 cm土層(p<0.05)。

(2) 消落帶0—20 cm表層土壤可蝕性K值平均為0.054 1，高于對照，且隨海拔的升高而降低。0—10 cm和10—20 cm土層的土壤可蝕性K值無顯著性差異(p>0.05)。

(3) 消落帶土壤黏粒含量、>0.25 mm水穩性團聚體含量和有機質含量對土壤可蝕性K值有重要影響，與K值呈極顯著負相關(p<0.01)。土壤顆粒的體積分形維數與K值呈負相關。而土壤粉粒和砂粒含量則與K值呈正相關。