三峡水库消落带典型主动与被动修复策略对土壤饱和导水率的影响

朱 凯 ，马茂华 ，李文娟 ，冉义国 ，冉娇娇 ，吴胜军 *

（1.中国科学院水库水环境重点实验室，中国科学院重庆绿色智能技术研究院，重庆 400714；2.中国科学院大学，北京 100049）

土壤饱和导水率是指土壤孔隙全部充满水时，在单位水势梯度作用下，通过垂直于水流方向单位面积土壤的水流通量或渗流速度[1]，是影响水体流动和溶质运移最重要的土壤水力特性之一[2]。一般而言，较高饱和导水率的土壤，不仅可以延缓降水形成的地表径流，减少侵蚀，还有利于更多的降水更快地渗入，进而提升其涵养水源的功能[3]。此外，详细了解土壤饱和导水率特征对于评估灌溉、入渗率、径流、地下水补给率和排水过程等至关重要。因此，对退化生态系统修复管理中土壤饱和导水率的研究具有重大意义[4-5]。

近年来，围绕退化生态系统的自然和人工修复对生态环境影响的研究，促进了土地利用政策和生态恢复策略的调整与组合优化[6-7]。对退化生态系统开展主动与被动生态修复是国际上公认的两种生态修复策略[8-11]，能够重塑生态系统的土壤属性以及其他生态功能，从而促进生态系统的恢复与稳定[12]。主动修复是指对受损生态系统进行人为的修复与维护，以使生态系统恢复到理想的结构和功能；被动修复是指消除放牧和耕作等人类活动的干扰，使退化生态系统维持次生演替的自然过程[9]。三峡水库自2010年正式蓄水以来在库区形成了与天然河流涨落季节相反、垂直高差达30 m、面积约为349 km2的典型消落带新生湿地[13]。在独特的水位波动条件下，周期性的裸露和浸泡，水位涨落冲刷和淤积，以及大量的土地利用等，致使原有河岸生态系统出现严重退化，继而引发了一系列生态环境问题，例如乔灌木难以存活、土壤侵蚀严重及生态功能退化等[14]。目前，设立自然保护区促进岸带草本植物次生演替的被动修复策略与人工种植耐淹植被的主动修复策略被广泛用于三峡水库消落带的生态恢复治理中[15]。其中，耐水淹胁迫较强的桑树与水杉是消落带中最具代表性的主动修复植被。已有研究大多集中于探究生态修复措施选择，虽取得了丰硕的科研成果，但不同生态修复策略如何影响土壤导水性能仍然是一个尚未明晰的问题。本文以三峡水库消落带为研究对象，选取现有典型的案例为生态修复策略代表，初探不同生态修复策略下土壤饱和导水率及其主要影响因素，其结果可为指导消落带生态保护与重建提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于重庆市开州区境内（108°27′37″～108°33′45″E，31°08′28″～31°11′15″N）。白家溪、大浪坝和乌杨湾消落带位于澎溪河（图1），是三峡库区典型的土质消落带，具有相同的气候、地形和土壤类型（紫色土为主）。澎溪河是三峡库区主要支流之一，其流域面积是库区万州以下支流中最大的。澎溪河消落带位于开县和云阳境内，面积约为38.9 km2，占库区消落带总面积的13.2%，是三峡库区面积最大的消落带。其中，乌杨湾消落带位于白家溪消落带上游，临近城区，土地利用类型多样，为人为干扰较强的库区消落带（农田）。白家溪消落带位于澎溪河湿地自然保护区内，代表消落带被动修复模式。大浪坝消落带位于白家溪消落带与乌杨湾消落带之间，该研究点为人工种植耐淹植被生态修复试验区（主动修复），主要土地利用类型为桑树+水杉复合林、荷塘。研究区为亚热带湿润季风气候，温和湿润。年平均气温18.6℃，年平均降水量1 100～1 500 mm，年平均径流量3.58×109m3。土壤类型以紫色土为主。消落带内植物以草本植物为主，主要有狗牙根（Cynodondactylon）、雀稗（Paspalumthunbergii）、苍耳（Xanthiumsibiricum）等[13，16]。

图1 三峡水库区域图（a）和研究区示意图（b）Fig.1 Location of the Three Gorges Area(TGA)in China(a)and the study region(b)

1.2 样地设置与采样

2019年9月，水库水位为145 m左右时，沿着研究区消落带内168 m海拔高程，选取桑树+水杉复合林与自然草地为研究样地，分别代表三峡水库消落带中的主动修复和被动修复地块。同时，选取农田（玉米地、水田）为对照样地。在每个样地按照均匀分布和随机布点原则设置3个采样点，进行0～10 cm土层样品采集。采用环刀（体积100 cm3，直径5 cm，高5 cm）取原状土装入自封袋，所有样品带回实验室立即进行测定。

1.3 样品处理与实验室分析

土壤饱和导水率测定采用恒定水头法，结果取平均值[3，17]，计算方法如下：

式中：Kt为饱和导水率，mm/min；Q为时间t内的出流量，mL；L为水流路径的直线距离，cm；A为水流经过的横截面积，cm2；ΔH为渗流路径始末断面的总水头差，cm；t为出流时间，min。

为了使不同温度下所测得的Kt值便于比较，应换算成10℃时的饱和导水率。

式中：K10为10℃时的饱和导水率，mm/min；Kt为t时的饱和导水率，mm/min；T为测量时的水温，℃。

土壤容重、饱和持水量、毛管含水量、田间持水量、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、总孔隙度以及土壤三相比例采用环刀法测定。土壤有机碳采用重铬酸钾氧化-外加热法来测定。

1.4 数据处理与统计分析

统计分析之前，对数据进行正态性、方差齐性检验，如果数据不满足正态性与方差齐性检验，则对数据进行对数转换。然后用R统计软件对不同土地利用类型的土壤饱和导水率（K10）和所有土壤理化因子进行单因素方差分析，并利用最小显著性差异LSD标注差异显著性；对饱和导水率和土壤理化性质进行Pearson相关分析和显著性检验，最后利用逐步回归分析确定饱和导水率的主要影响因素。

2 结果与分析

2.1 消落带不同生态修复模式的土壤基本理化性质

三峡水库消落带不同生态修复模式与农田土壤理化性质的统计特征分析结果见表1。不同土地利用方式之间的表层（0～10 cm）土壤理化性质具有显著性差异（P＜0.05）。被动修复草地的土壤饱和持水量、毛管含水量、田间持水量、毛管孔隙度、总孔隙度与土壤有机碳含量高于主动修复的桑树+水杉复合林与农田，较玉米地分别提升了24.28%、27.52%、45.52%、11.36%、8.61%、26.89%，较水田分别提升了20.18%、16.39%、27.14%、4.20%、7.35%、10.80%。此外，被动修复草地的固相率与土壤容重显著低于主动修复的桑树-水杉复合林与农田，较玉米地分别降低了8.16%、11.85%，较水田分别降低了7.13%、9.16%。

表1 各研究样地土壤理化性质Table 1 Soil physicochemical properties across all four sites

2.2 消落带不同生态修复模式的土壤饱和导水率特征

消落带被动修复自然草地、主动修复桑树+水杉复合林与农田的表层K10如图2所示。被动修复自然草地K10显著高于主动修复桑树+水杉复合林与农田的K10。各样地K10从大到小依次为：自然草地（0.46±0.15 mm/min）＞桑树+水杉复合林（0.091±0.03mm/min）＞玉米地（0.090±0.04mm/min）＞水田（0.0091±0.01 mm/min）。

图2 不同土地利用类型土壤饱和导水率Fig.2 Soil saturated hydraulic conductivity(K10)of different land use types

2.3 三峡水库消落带土壤饱和导水率的影响因素

土壤K10与土壤理化性质密切相关，不同研究由于其植被、土壤理化性质、气候类型等差异，得出的K10影响因素不同[3，18-19]。本研究中Pearson相关分析（图3）表明，土壤有机碳、土壤毛管孔隙度、土壤总孔隙度与田间持水量与K10具有显著性正相关关系（P＜0.05），而与土壤容重呈显著性负相关关系（P＜0.05）。单一土壤因子与K10的相关性是在忽略其他因子影响的前提下得出的，不能真实反映它们的相关性[20]。为此，再选取土壤饱和含水量（X1），毛管含水量（X2），田间持水量（X3），非毛管孔隙度（X4），毛管孔隙度（X5），总孔隙度（X6）、固相率（X7），液相率（X8），气相率（X9），土壤有机碳（X10），土壤容重（X11）11个变量，采用多元逐步回归分析，筛选最重要的影响因子。得到如下方程：

图3 饱和导水率与土壤理化性质的相关性分析Fig.3 Correlation coefficients among saturated hydraulic conductivity and soil physical and chemical properties

由回归方程可知，K10的主导影响因子是土壤田间持水量（图4）。土壤田间持水量的增加会增加K10。

图4 饱和导水率与田间持水量的关系Fig.4 Relationship between saturated hydraulic conductivity(K10)and soil field capacity(FC)

3 讨论

由于土壤理化性质在短期和中期内保持稳定，因此，单次测定土壤理化性质能够充分代表各样地的土壤条件[21]。不同土地利用方式对土壤理化性质具有显著影响，一方面植被类型不同导致根系结构不同，土壤团粒结构和孔隙性因根系通过穿插和根际生物活动而改变；另一方面，植被构成的差异造成了林下动植物残体和微生物分解后进入土壤中养分的差异[3]。被动修复自然草地土壤饱和含水量、毛管含水量与田间持水量显著高于主动修复桑树+水杉复合林与农田。说明与主动修复相比，被动修复自然草地土壤能够更好地截流、储存水分，有利于减少水土流失与增加营养物质固持。此外，被动修复自然草地具有更高的毛管孔隙度与总孔隙度，以及最低的土壤容重，说明被动修复模式下的土壤具有更良好的孔隙结构，这有利于植物根系伸展与土壤动物活动[22]。而主动修复桑树+水杉复合林与农田由于较为频繁的人类活动，如踩踏压实、肥料使用、翻耕等都有可能压实土壤，增加土壤容重，破坏土壤孔隙结构[23-24]。频繁的耕作活动会破坏表层土壤结构，增加有机碳矿化损失[25-26]；桑树-水杉复合林中，由于消落带蓄水期强烈的水位波动与水流冲刷，凋落物还没来得及归还土壤就被水流冲走，故而有机碳含量较低[27]；而被动修复自然草地由于较少遭受人类干扰，优势草本（如狗牙根）发达的根系组织利于储存有机碳含量，因此，保有最高的有机碳含量[16]。

土壤饱和导水率反映了土壤的入渗和渗漏性质，是研究水分、溶质在土壤中运动规律的重要水力参数[24]。研究结果表明，三峡水库消落带被动修复自然草地的土壤饱和导水率远远高于主动修复林地及农田的土壤饱和导水率。说明了被动修复自然草地的土壤水分入渗状况优于桑树+水杉复合林。尤其是三峡水库消落带落干期强降雨频发，在同等降雨情况下，桑树+水杉复合林与农田中的雨水无法及时下渗，更容易形成产流，增加土壤侵蚀风险。而将农田退耕还草后，土壤饱和导水率增加，下渗能力增强。这主要是由于土壤饱和导水率与土壤容重、土壤孔隙度等土壤物理性质及土壤中的根系与其附属的土壤生物密切相关，良好的土壤物理特性以及根系状况都有助于增加土壤水分入渗，减少水土流失[28]。此外，田间持水量反映了土壤的持水特性，土壤总孔隙度与容重反映了自然土壤孔隙性，土壤有机碳有利于大团聚体的形成[29-30]。总孔隙度大，大小孔隙分配适当，团粒之间排列疏松，则土壤通透性好[3，22]。因此，田间持水量是影响饱和导水率的最主要因素。以上结果表明，对消落带开展被动修复能够减少土壤侵蚀，保持水土。

4 结论

通过对三峡水库消落带不同生态修复策略与农田土壤饱和导水率及其影响因素的初步探究，得出以下结论。

（1）不同生态修复策略对消落带土壤理化性质具有显著影响。被动修复策略的土壤理化性质优于主动修复策略，自然草地的土壤饱和持水量、毛管含水量、田间持水量、毛管孔隙度、总孔隙度与土壤有机碳含量高于主动修复的桑树+水杉复合林与农田，而土壤容重却显著低于主动修复的桑树+水杉复合林与农田。

（2）被动修复自然草地的土壤饱和导水率显著高于主动修复桑树+水杉复合林及农田的饱和导水率，土壤田间持水量是影响三峡水库消落带土壤饱和导水率的主导因子。

（3）相对于主动修复策略，被动修复策略能够更有效地保持水土，减少土壤侵蚀。

（4）后期的研究中应考虑消落带高程、土壤分层、复合生态修复模式对土壤饱和导水率的时空分布影响。