三峡库区典型消落带土壤化学性质变化

程瑞梅 刘泽彬 肖文发 王 娜 王晓荣 沈雅飞

(1.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 国家林业局森林生态环境重点实验室 北京 100091； 2.南京林业大学南方现代林业协同创新中心 南京 210037； 3.湖北省林业科学研究院 武汉 430075)



三峡库区典型消落带土壤化学性质变化

程瑞梅1,2刘泽彬1,2肖文发1,2王 娜1,2王晓荣1,3沈雅飞1,2

(1.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 国家林业局森林生态环境重点实验室 北京 100091； 2.南京林业大学南方现代林业协同创新中心 南京 210037； 3.湖北省林业科学研究院 武汉 430075)

【目的】 分析三峡库区消落带土壤化学性质，为深入揭示消落带水土环境变化及为植被恢复与物种筛选提供科学依据。【方法】 在三峡库区典型消落带设置固定监测样地，通过2008年(未水淹)和2012年(经历4次水位涨落)的监测，研究库区典型消落带土壤化学元素的变化特征。【结果】 相比2008年， 2012年消落带各土层pH均显著增加(P<0.05)，pH趋于中性； 与2008年未水淹相比， 2012年消落带不同土层土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾含量分别降低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对较小，而磷素下降幅度最大； 经过4次水位涨落后，消落带土壤养分处于十分贫瘠的状态，以钾元素最为明显； 土壤金属元素在受水位涨落后均增加， 2012年消落带全镁和全钠含量上升幅度最大，与2008年消落带全镁和全钠含量相比差异显著(P<0.05)； 2012年消落带全钙含量虽有上升，但与2008年相比差异不显著。【结论】 随着库区长期的水位涨落，消落带土壤养分匮乏和水体富营养化问题将突显，对于消落带土壤化学性质变化仍需长期监测。

三峡库区; 消落带; 水位涨落; 土壤pH; 土壤有机质; 土壤全量养分; 土壤速效养分; 土壤金属元素

消落带(hydro-fluctuation belt)又称消落区，是河流、湖泊、水库特有的一种现象，其形成主要有2个原因：一是季节性水位涨落，二是周期性蓄水。三峡水库建成后形成了落差近30 m、面积达300 km2的消落带(刘泽彬等， 2013)，与原有消落带相比，新形成的消落带水淹时间延长，造成库区消落带植被大量死亡，从而使库区消落带面临一系列生态环境问题。2011年，《三峡后续工作规划》明确提出植被恢复是三峡库区消落带生态环境治理的主要内容。而土壤是植被生存的基础，受库区水位涨落影响，消落带水土流失严重，土壤特性也必将发生变化(李飞等， 2013)，因此，在植被恢复与重建过程中，土壤理化性质及其变化规律必须予以考虑(康义等， 2010； 郭泉水等， 2012)。同时，土壤也是生态系统中物质和能量交换的场所，其化学元素的变化与地域水分、植被、海拔、气候以及人为干扰等因素有着密切联系，对剧烈的环境变化具有敏感性，可以起到指示作用(王晓荣等， 2010)。

目前，学者们对消落带土壤理化性质变化已开展了大量工作，包括室内模拟研究(张金祥等， 2004； 袁辉等， 2008)和室外原位试验(秦宇等， 2013； 李飞等2013； 雷明等， 2012； 常超等， 2011)，获取了大量基础数据，特别是基于固定监测样地进行的研究，为深入探讨库区消落带土壤元素变化奠定了基础。但当前基于固定监测样地的研究只报道了库区消落带首次经历水位涨落后土壤理化性质的变化(康义等， 2010； 郭泉水等， 2012)，而对消落带经历多次反复水位涨落后土壤化学元素变化的研究尚未见报道。由于反复的淹水-落干-淹水，会使得库区消落带土壤化学性质保持长期的变动(Yangetal.， 2007)，因此对消落带在经历多次水位涨落后土壤化学元素的固定监测十分必要。

本文基于2块生境类型相似的固定监测样地，研究未水淹时以及经历4次水位涨落后消落带土壤的化学性质，分析水位涨落对消落带土壤化学性质的影响，以期为深入揭示消落带水土环境变化以及为植被恢复与物种筛选提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于湖北宜昌秭归县(110°00′04″—110°18′41″E，30°38′14″—31°11′31″N)，紧邻三峡大坝。属亚热带大陆性季风气候，温暖湿润，四季分明，雨热同季，热量充沛。年均降雨量1 006.8 mm，年均气温17.0 ℃，年日照时间1 631.5 h(程瑞梅等， 2009)。土壤类型以黄壤为主。该区植被丰富，针叶树种主要有马尾松(Pinusmassoniana)、柏木(Cupressusfunebris)和杉木(Cunninghamialanceolata)等； 阔叶树种主要有栓皮栎(Quercusvariabilis)、白栎(Quercusfabri)、细叶青冈(Cyclobalanopsismyrsinaefolia)、刺槐(Robiniapseudoacacia)和槐树(Sophorajaponica)等； 灌木主要有檵木(Loropetalumchinensis)、胡枝子(Lespedezabicolor)、牡荆(Vitexnegundo)、山胡椒(Linderaglauca)、杜鹃(Rhododendronsimsii)、六道木(Zabeliabiflora)和毛黄栌(Cotinuscoggygria)等； 草本植物主要有芒(Miscanthussinensis)、野青茅(Deyeuxiaarundinacea)、珍珠菜(Lysimachiaclethroides)、苎麻(Boehmerianivea)、艾麻(Laporteacuspidata)、栗褐苔草(Carexbrunnea)和复叶耳蕨(Arachniodesexilis)等。消落带回水区地形起伏大，受库区水位涨落及降水影响，水土流失比较严重。

2 研究方法

2.1 样地设置及土样采集

在秭归县选取典型消落带回水区为试验点，以155～175 m高程为研究区域，于2008和2012年对固定样地土壤指标进行监测。由于2008年冬季以前消落带155～175 m高程并未遭受水淹，2008年冬季以后(10月)才开始经历库区水位涨落带来的水淹(数据来自中国长江三峡集团公司水情信息)，因此本研究采集2008年8月和2012年8月消落带155～175 m高程的土壤数据，分别用来反映消落带未水淹时的土壤状况和经历4次水位涨落后的土壤状况。

本研究2块固定监测样地生境类型相似，未进行人为清库前土地利用类型均为林地，原生植被以马尾松为主，灌木主要有檵木、胡枝子、山胡椒和牡荆等，草本植物主要以栗褐苔草和芒为优势种。经历4次水位涨落后(2012年)，2块固定监测样地的植被主要由狗尾巴草(Setariaviridis)、鬼针草(Bidenspilosa)、毛马唐(Digitariaciliaris)、飞蓬草(Erigeronspeciosus)和香附子(Cyperusrotundus)等草本植物组成。2块固定监测样地土壤类型均为黄壤，平均坡度为30°。每块样地均为20 m(长)×20 m(高)，即每块样地的底边设置在海拔155 m处，顶边设置在海拔175 m处，底线和顶线均平行于水面长20 m。以海拔165 m为分界线，将研究样地划分为2块20 m×10 m的小样地，2块固定监测样地共设置4块小样地。于2008年8月和2012年8月，在每块小样地内沿对角线均匀设置12个取样点，利用土钻在每个取样点按0～5，5～10和10～20 cm这3个土层采集土壤样品，12个取样点同层样品进行混合，带回实验室进行化学分析。

2.2 土壤室内分析

将采集的土壤均匀平铺在干净透气的纸上，室内阴凉通风处进行自然风干，去除石块、动植物残体和根系等杂物后倒入研钵中研细，全部过2 mm 筛，充分混匀后分为2份，一份用于pH和土壤速效养分的测定，一份再次进行研磨使其全部通过100目筛用于有机质和土壤全量养分的测定(国家林业局， 2000)。

采用pH酸度计法测定土壤pH，重铬酸钾氧化-外加热法测定土壤有机质含量，凯氏定氮法测定全氮含量，碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定有效磷含量，乙酸铵浸提-电感耦合等离子体光谱法测定速效钾含量，氢氟酸-高氯酸消煮-电感耦合等离子体光谱法测定全磷、全钾、全钙、全镁和全钠含量，碱解扩散法测定碱解氮含量。

2.3 数据处理

数据统计和作图采用SPSS19.0和Excel 2007软件。 利用t检验对不同年份的土壤数据进行差异显著性检验。 土壤化学元素之间的相关性采用Pearson相关性分析方法，图中数据为平均值±标准误。

3 结果与分析

3.1 消落带土壤pH和有机质含量的变化

由图1可知，与2008年未水淹相比，经历4次水位涨落后(2012年)，消落带不同土层土壤pH均显著上升(P<0.05)，0～5，5～10和10～20 cm土层土壤pH分别增加17.8%，14.0%和11.1%。

受水位涨落影响，消落带土壤有机质含量显著下降(P<0.05)， 2012年消落带0～5，5～10和10～20 cm土层土壤有机质含量分别为13.73，7.96和6.20 g·kg-1，相比2008年未水淹时分别降低42.1%，53.3%和36.9%。

2.2 消落带土壤全量养分含量的变化

图2 2008和2012年消落带土壤全氮、全磷和全钾含量随土层的变化Fig.2 Changes of soil total N, total P, and total K content in hydro-fluctuation belt with soil layer in 2008 and 2012

由图2可知， 2012年消落带0～5，5～10和10～20 cm土层土壤全氮含量分别为0.96,0.65和0.40 g·kg-1，相比2008年未水淹时分别降低23.5%,21.2%和12.0%，但差异均不显著。2012年消落带不同土层土壤全磷和全钾含量均显著下降(P<0.05)， 2012年0～5，5～10和10～20 cm土层土壤全磷含量分别为0.74，0.62和0.64 g·kg-1，相比2008年未水淹时分别降低42.0%，46.3%和52.3%； 2012年0～5，5～10和10～20 cm土层土壤全钾含量分别为1.60，1.27和1.25 g·kg-1，相比2008年未水淹时分别降低39.7%，41.6%和43.8%。

2.3 土壤速效养分含量的变化

图3 2008和2012年消落带土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量随土层的变化Fig.3 Changes of soil available N, available P， and available K, in hydro-fluctuation belt with soil layer in 2008 and 2012

受水位涨落影响，消落带土壤速效养分含量的变化与全量养分基本一致。虽然2012年土壤各土层碱解氮含量相比2008年下降12.3%～17.5%，但差异不显著(图3)。而2012年有效磷含量较2008年显著下降78.5%～91.4%(P<0.01)， 2012年速效钾含量较2008年显著下降41.1%～57.9%(P<0.05)。从各速效养分含量的下降幅度来看，土壤有效磷是受水位涨落影响最大的养分元素。

2.4 土壤金属元素含量的变化

与土壤养分元素含量的变化有所不同，土壤金属元素受水位涨落影响后其含量均增加(图4)。2012年土壤消落带0～5，5～10和10～20 cm土层土壤全钙含量相比2008年未水淹时分别增加34.3%，10.0%和12.6%，但差异不显著。2012年各土层土壤全镁和全钠含量显著高于2008年(P<0.01)， 2012年0～5，5～10和10～20 cm土层土壤全镁含量分别比2008年增加152.7%，124.3%和137.6%， 2012年土壤全钠含量分别比2008年增加146.2%，88.9%和95.0%。

图4 2008和2012年消落带土壤全钙、全镁和全钠含量随土层的变化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 消落带土壤化学因子间相关性

由表1可知，土壤pH与有机质含量显著负相关(P<0.05)，与全磷、全钾、有效磷和速效钾含量极显著负相关(P<0.01)，与全镁和全钠含量极显著正相关(P<0.01)。土壤有机质含量与全量养分含量和速效养分含量均极显著相关(P<0.01)。全氮和碱解氮、全磷和全钾、有效磷和速效钾含量间极显著正相关(P<0.01)。此外，磷素(全磷和有效磷)和钾素(全钾和速效钾)含量间极显著正相关(P<0.01)。

3 讨论

3.1 水位涨落对土壤pH和有机质含量的影响

已有研究(张金祥等， 2004)表明，不管土壤初始为酸性还是碱性，经过淹水后，pH均逐渐趋于中性。本研究也验证了这一结论，经历4次水位涨落后，消落带各土层土壤pH从未水淹时的5.44～5.52升高至6.20～6.45，逐渐趋近于中性。土壤pH变化是一个多因素综合影响的过程，除受江水浸泡的稀释作用外，有机质的分解以及氧化物呈碱性的元素(镁和钠等)的变化均会对土壤pH产生影响(王晓阳等， 2010； 王晓荣等， 2010)。本研究中，土壤pH与有机质、全镁和全钠含量显著相关，表明研究区土壤pH的变化受有机质、镁和钠等元素的影响。此外，土壤pH的变化也会影响某些化学元素的形态和有效性，本研究中，pH与全磷、全钾、有效磷和速效钾含量显著负相关，磷、钾均来自于土壤母岩的侵蚀风化，淹水在一定程度上降低了土壤的酸度，从而减轻了酸对土壤母岩的侵蚀风化(王晓荣等， 2010； 姜文伟等， 2004)。

本研究中，经历4次水位涨落后，库区消落带有机质含量平均为9.30 g·kg-1，与消落带的早期研究结果(郭泉水等， 2012； 郭劲松等， 2012)对比发现，消落带土壤有机质含量呈现出随三峡水库运行时段增加而逐年下降的趋势。由于三峡库区消落带长时间的淹水，地表植被大量死亡和消失必将使土壤有机质的补给受阻； 此外，消落带周期性的干湿交替环境也会加速土壤有机质的分解(王业春， 2012)。根据全国第二次土壤普查养分分级标准，经历4次水位涨落后土壤有机质含量已由未水淹时的4级降至5级，说明该区土壤有机质含量已十分贫瘠。

3.2 水位涨落对土壤养分含量的影响

大量研究(Qiuetal., 1996； Péreszetal.， 1999)表明，长期淹水必将引起河岸带土壤氮的流失。本研究中，经历4次水位涨落后，消落带不同土层氮素含量也均出现了下降。由于自然条件下土壤全氮和碱解氮主要来源于土壤有机质，消落带土壤有机质的流失可能导致氮素含量下降，本研究中土壤全氮和碱解氮含量均与有机质含量极显著相关也证明了这一点。但氮素下降的幅度并没有土壤有机质大，这可能是因为消落带氮素除来自土壤有机质外，水位的上涨也会将江水中的氮素带入消落带土壤中。研究发现，磷素是研究区流失最大的化学元素，尤其是有效磷。Sondergaard等(1992)研究发现，强风引起的水动力会增加沉积物向水体释放的磷通量，库区消落带周期性涨落引起的水文扰动可能影响了磷素水土界面的转化和释放过程，造成磷的物理释放； 同时由于库区长时间淹水，土壤处于强烈的还原状态，Fe3+极易转化为Fe2+，使被固定的沉积态磷素溶解进入水体中，造成磷素的化学释放(Watts， 2000； 常超等， 2011)。因此，随着库区进一步蓄水，库区水体富营养化问题将可能突显。

郭泉水等(2012)对消落带土壤首次经历水位涨落影响后的土壤化学性质进行了分析，发现土壤钾素(全钾和速效钾)含量与未水淹前差异不显著。本研究中，消落带土壤经历4次水位涨落后，土壤全钾和速效钾含量均显著低于未水淹时，表明随着库区长期的水位涨落，消落带土壤化学性质必然会受到影响。造成钾元素流失的原因是多方面的，除水位涨落冲刷带走一部分钾元素外，钾素的流失可能与有机质含量的降低有关(刘世全等， 2005)(土壤有机质具有突出的保钾作用，本研究中二者也极显著正相关)； 同时淹水后土壤中Fe2+和Mn2+的增加可以将交换性钾置换进入土壤溶液，也可能是造成钾流失的原因(常超等， 2011)。根据全国第二次土壤普查养分分级标准，经历4次水位涨落后，土壤全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷以及速效钾含量分别处于5，5，6，5，4和6级，总体来看，研究区消落带土壤养分含量已处于很低的水平，尤其是钾元素，土壤贫瘠比较严重。

表1 三峡库区消落带土壤化学因子间相关性①Tab.1 Correlations of soil chemical factors in hydro-fluctuation belt of Three Gorges Reservoir

①*P< 0.05, **P< 0.01.

3.3 水位涨落对土壤金属元素含量的影响

程瑞梅等(2009)研究表明，受淹土壤更易于吸附水体中的某些金属元素，从而增加土壤金属元素含量。本研究结果与此相同，受水位涨落影响，消落带全钙、全镁和全钠均显著增加，但也发现，全镁和全钠上升的幅度要明显高于全钙，原因可能与土壤中的钙易于和水体中的重金属发生交互和耦合而被转移出土壤有关(Mirbagherietal., 2005)。随着库区长期的水位涨落，消落带土壤金属元素的增加是否会对生长在消落带中的植物以及生态环境产生影响仍需进一步的研究和评估。

4 结论

对三峡库区秭归段消落带未水淹以及经历4次水位涨落后土壤化学元素的分析表明： 经历4次水位涨落后，消落带土壤钙、镁和钠等金属元素含量增加，土壤pH趋于中性，但消落带土壤养分元素(有机质、氮、磷和钾等)均出现了一定程度的流失。随着三峡库区进一步蓄水，库区消落带土壤养分匮乏以及水体富营养化问题将进一步突显。

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(责任编辑 于静娴)

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。

林业科技支撑计划(2015BAD07B040301, 2011BAD38B04)。

S714.2

A

1001-7488(2017)02-0019-07