季耀波,刘志强
(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州 310014)
全球江河、湖泊、水库众多,受气候变化和人为活动影响,水位大都波动剧烈,并在其岸坡带形成大面积季节性变化的消涨区[1]。由于水淹胁迫,该区域植被破坏严重,生态系统单一。失去植被保护再加上水位变化,导致土壤侵蚀严重,塌岸现象频繁。同时由于缺乏植被带的缓冲吸收,大量面源污染物直接进入江河、湖泊水库,导致水体污染严重。因此,消落区生态环境问题突出。
三峡大坝作为当前全球规模最大的水利水电工程,发挥着巨大的防洪、发电、航运、供水等经济效益和社会效益。当然,三峡工程建设导致的生态环境问题也引起国内外的广泛关注和争论。三峡水库蓄水后形成的水位波动带生态环境变化就是关注和争论的焦点之一。
三峡工程正式蓄水运行后,根据调度方案,为了使水库长期保持有效库容发电,水库采取“蓄清排洪”的运行方式,由此形成库区水位的季节性变化:即每年汛期(6—9月),长江上游来水来沙量达到最大之前,将库水位降至并限制在防洪水位145 m高程运行,并开闸放水排沙;汛期后则关闭闸门,10月开始蓄水,将库水位逐步升至175 m高程,11—12月保持在175 m高水位,拦蓄清水以发挥水库效益;1—4月水位降至156 m高程,利用蓄水,保证发电、通航;5月底降至防洪限制水位145 m高程[2]。三峡水库自2006年156 m蓄水初期运行后,历经2008—2009年175 m试验性蓄水,于2010年首次实现175 m蓄水目标(见图1)。自此,在145 m汛限水位和175 m最高蓄水位之间形成高差30 m、面积349 km2、岸线长度5 578 km、夏季出露冬季淹没的反季节消涨带,称为三峡水库消落带[3-4](见图2)。
图1 三峡水库水位季节性调节变化过程图(2006—2018年)
图2 三峡库区及消落带示意图
水库消落带又称消落区或涨落带,是指由于水库调度引起水库水位周期性变动而在库区周围形成的周期性出露于水面的一段特殊区域,通常指水库最低水位线至最高水位线之间的地貌单元,是水陆生态系统的交错地带[1-5]。消落带是三峡库区的重要组成部分,其生态系统健康是库岸稳定和水库安全运行的重要保障,直接关系着库区社会经济的持续稳定发展。在人工调度下,三峡库区消落带成为水位反复、周期变化的干湿交替区,使其成为水生和陆生生态系统交替控制的生态脆弱带[6]。在库水浸泡、径流冲刷、波浪淘蚀、降雨击溅和干湿交替的长期综合作用下,三峡水库库岸地表植被和土壤理化性质被严重干扰,消落带下垫面特征发生明显变化[7-9]:其一,被库水长期淹没,导致消落带植被由于缺氧、光照不足,逐渐消亡,且短期内难以恢复,土壤失去了最好的保护伞;而消落带水位因反季节调节,夏季出露期天气炎热潮湿,强降雨频繁,失去保护伞的土壤在降雨击溅和坡面径流的冲刷下,极易发生土壤侵蚀和流失,尤其是库岸坡度较大区域,侵蚀尤其严重。其二,三峡水库蓄水后,在周期性干湿交替作用下,库岸土壤理化性质改变,营养元素流失,土壤抗侵蚀能力下降。三峡成库以后,因水域面积增大、吹程增加形成规模较大、频率较高的风成浪,同时因通航船舶数量和吨位增加形成大规模的船行波,都会极大增强对岸坡的冲刷破坏力。在库区波浪、降雨径流和重力的综合作用下,水库消落带的土壤侵蚀异常强烈,严重影响库岸稳定性,消落带库岸塌岸现象随处可见。此外,三峡库区人地矛盾突出,而消落带分布着大量坡耕地,土地资源具有较高的生产潜力和多种利用功能,在水库蓄水消退后,可能被当地农民或有关单位季节性利用。由于库区消落带生态环境的特殊性、人地矛盾的尖锐性和土地季节性整理的复杂性,将进一步加剧水土流失[10]。
这些问题的产生,使得消落带成为高度脆弱的生态系统,消落带水位高差大(30 m),淹没时间长(超过0.5 a),反季节调节,再加上面积大、分布区域广且周边城镇密集[11],对消落带的土壤及土壤侵蚀[9-13]、植被生理生态[3,14-17]、地貌[18]等造成严重影响,进而威胁库区生态环境和生活生产安全[19-20],对入库泥沙、水质安全、库岸稳定及城镇安全生产造成严重影响[11]。三峡水库消落带生态环境问题已经引起国际社会和我国政府的高度重视及众多学者的关注[12]。中央政府明确提出要加强对三峡水库消落带的管理,维护库岸稳定,保障水库和水质安全。
土壤是三峡水库消落带生态环境系统的重要组成部分,水位涨落对土壤环境的影响也是消落带当前面临的主要生态环境问题之一。明晰水位涨落对消落带土壤的影响是消落带治理和修复的前提和关键。为此,本文在总结近些年国内外学者关于三峡水库蓄水后周期性淹水对土壤理化性质的改变和土壤侵蚀的研究成果基础上,指出当前研究的不足和建议,以期为三峡水库消落带治理和生态修复提供依据。
在水库水位上涨时期,消落带土壤浸泡在水体中,经水浸泡后的土壤,抗剪强度显著降低,进而出现软化、泥化现象,在波浪不断冲击下,表层土壤很容易被剥蚀;水库水位下降后,消落带土壤暴露,而此时正值雨季,土壤表层还要受到雨水冲刷的影响。在多重影响因子的作用下,必然发生土壤表层丧失,深层土壤上移[21]。深层土壤上移是土壤结构改变的重要原因。周期性淹水对土壤物理性质的影响主要包括改变土壤结构、影响土壤磁性和降低土壤抗侵蚀能力3个方面。
三峡水库水位周期性涨落对消落带土壤最直接的影响就是对其结构的改变。相关研究表明,周期性淹水对消落带土壤粒径、容重、孔隙度、通气度、持水特性等物理属性都有较大影响。
2.1.1 对土壤粒径的影响
在库水、波浪、降雨和坡面径流等冲刷侵蚀综合作用下,消落带中上部发生严重侵蚀,下部则主要发生堆积。在反复不断的侵蚀、沉积分选过程中,消落带土壤的粒径分布将发生显著变化。研究表明,由于受扰动时间和地表植被等影响,消落带内不同高程的土壤表现出不同的粒径分布和分形特征。如忠县石宝镇新政村至共和村段典型消落带土壤分形维数在2.8左右;共有3种质地的土壤,分别是壤质黏土、粉砂质黏土、黏壤土,2种黏土的分形维数不存在显著差异,黏土和壤土的分形维数差异显著且以黏土的较大;随高程增加,土壤粒径表现为由尖峰胖尾分布向尖峰分布变化,与坡上部相比,坡中部及中上部黏粒、粉粒粒级的细粒土壤明显减少,土壤正在粗化;而中下部及底部则不然,土壤中细粒成分明显比背景值高[22](见图3)。说明经过降水和库水的冲刷、淘洗等过程,由于细颗粒土壤的抗冲性差,土壤细颗粒向低处搬运并堆积,所以底部堆积的土壤细颗粒占更大的比例[4]。当然,不同地表覆被类型下的消落带,淹水年限为3 a和1 a的土壤分形维数没有显著差异[22]。
图3 三峡水库忠县石宝寨消落带颗粒组成变化图[22]
2.1.2 对土壤容重、孔隙度和通气度的影响
土壤容重是土壤紧实度的敏感性指标,也是表征土壤质量的重要参数,其大小主要与土壤质地、结构、有机质含量、土壤紧实度、人为活动等有关[23]。土壤孔隙度是土壤的物理性质之一,尤其表层土壤孔隙度分布及其连续性还决定着土壤的水力学特性,进而影响入渗、贮存和排水等物理过程[24]。土壤通气度是对土壤内部空气流通的测量指标,良好的土壤通气度表明土壤内孔隙度及土壤储水性能较高,从而说明土壤结构性状较好,反之则较差。消落带季节性水淹,再加上人为清库和耕作干扰,土壤结构极易遭到破坏,土壤质量逐渐变差。研究表明,在同一消落区,受水位涨落影响的土壤,其容重要比未受水位涨落影响的区域高,而土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均小于未受水位涨落影响区域,而且这种影响作用随着消落带经受水淹强度的增加而加剧[21](见图4)。程瑞梅等[25]对重庆市秭归县内消落带土壤容重、孔隙度的研究结论,常超等[13]对重庆市忠县石宝镇消落带土壤容重的研究结论,均与上述研究结果相似。总体而言,三峡水库土质消落带受水位涨落影响,表层土壤被侵蚀搬移,深层土壤暴露,土壤容重增加,而土壤孔隙度指标却有所下降。当然,消落带干湿交替的出现,也会严重影响土壤的通气性能。对秭归县消落带土壤通气度的研究显示,经过水淹区段的土壤通气度比对照区段降低了21.2%[25]。
图4 三峡水库秭归县消落带土壤容重、孔隙度和通气度对比图[25]
2.1.3 对土壤持水特性的影响
土壤持水性能直接影响土壤抗水蚀能力,是反映土壤生态功能的重要指标[26]。消落带土壤长期浸泡在水体中,土壤结构发生改变,抗剪强度显著降低,这将对土壤的持水性能产生严重影响。研究表明,由于经过水位涨落产生的干湿交替极大地破坏了土壤结构,影响了土壤水分的贮存性能,因此,与非消落带相比,消落带不同土层土壤最大持水量、毛管持水量和田间持水量均有较大幅度的降低,而且这种影响作用随着消落带经受的水位涨落周年的增加而加剧[21-25](见图5)。可见,三峡水库周期性的蓄水严重影响库区消落带土壤的持水性能,这将降低土壤的抗侵蚀能力,加剧消落带的土壤侵蚀和生态环境破坏。
图5 三峡水库秭归县和巫山县消落带淹没区和未淹区土壤持水性能变化图[21]
土壤都具有一定的磁性,而且其大小与土壤的矿物组成、颗粒大小、孔隙度、紧实度、有机质含量等理化指标密切相关[27]。在长时间高压淹水与高温干旱交替变化条件下,三峡水库消落带土壤磁化率特性也将受到不同程度的影响。研究表明,土壤质量磁化率在不同高程带呈现不同的变化特征:在165 m以上高程处磁化率比较稳定,165 m以下磁化率则开始缓慢下降,至157 m以下区域,磁化率又呈现快速增长趋势(见图6)。对土壤质量磁化率与土壤粒度的相关分析显示,磁化率与土壤中的砂粒和粒径大于0.020 mm的粉粒体积百分比呈现显著负相关,而与0.002~0.020 mm粒径的粉粒和黏粒体积百分比呈显著正相关。由土壤粒径随高程的变化规律可推断,此现象是在高水位时水浪冲刷以及低水位时雨水、坡面径流冲蚀等作用引起的土壤流失过程中,土壤在消落带中上部主要发生侵蚀、分选及在下部堆积等诸多因素共同作用造成的[4]。
图6 忠县石宝镇消落带不同断面和不同土层土壤质量(低频)磁化率分布图[4]
土壤的抗侵蚀能力按其作用动力可分为抗冲性和抗蚀性。土壤抗冲性(Soil anti-scouribility)是指土壤抵抗径流对其机械破坏和推动下移的性能;土壤抗蚀性(Soil anti-erodibility)是指土壤对侵蚀营力分散和搬运作用的抵抗能力[28]。抗侵蚀能力大小是土壤理化性质综合作用的结果,水位变化对消落带土壤物理性质的改变最终都将影响到土壤的抗侵蚀能力。研究表明,消落带土壤受水淹后,土壤理化性质的改变显著降低了土壤的抗侵蚀能力,土壤水稳性团聚体类、土壤无机胶粒类、团聚类、有机质及水稳性指数是影响三峡水库消落带土壤抗蚀性的4类主要因子[29]。当然,消落带土壤经水淹长期浸泡后,土壤强度降低,发生软化、泥化,土壤的抗冲性能也必将受到很大影响。关于周期性淹水条件下消落带土壤抗蚀性的响应,尤其是土壤抗冲性的变化有待进一步研究。
土壤养分是土壤质量的主要表征,而土壤pH值对土壤养分有重要影响,二者对水淹胁迫都极其敏感。在季节性干湿交替变化驱动下,三峡水库消落带土壤酸碱性、养分也将发生改变。
3.1.1 对土壤pH值的影响
土壤pH值是土壤质量的重要指标,可控制和影响土壤中微生物区系的改变,从而影响绝大多数营养元素的转化方向、转化过程、形态及其有效性[24]。土壤pH值一般随土壤含水率增加有升高的趋势,酸性土壤尤为明显[23]。相关研究表明,尽管不同区域的消落带土壤性质差异较大,在经历水淹后,土壤pH值均表现为有所升高,并且随着淹水强度(时间)的增加,土壤pH值也不断升高。如忠县石宝镇消落带土壤pH值为:未淹水土壤<淹水后暴露土壤<长期淹水土壤,淹水后土壤由微碱性(pH =7.91)变为碱性[13](pH =8.14);湖北省秭归县消落带土壤淹水1 a后就由微酸性趋于中性[30]。当然,不同土层深度的pH值并没有显著差异,而不同的土地利用方式对土壤pH值有影响,同一高程处次生灌丛的土壤pH值要高于弃荒地(见图7)。
图7 三峡水库秭归县消落带土壤pH值变化图[30]
3.1.2 对土壤养分的影响
在干湿交替驱动下,不同区域消落带土壤养分的响应不尽相同。王晓荣等[30]对三峡库区秭归县消落带初期次生灌丛和弃耕地2种主要植被类型土壤养分特征的研究表明,除有效磷外,次生灌丛土壤养分含量均高于弃耕地,随海拔的升高,土壤养分未表现出明显差异性。与对照样带相比较,消落带内全磷、有效磷、全钾、速效钾含量增加,表明水淹和清库等人为活动对土壤母质风化影响严重,导致消落带内土壤磷和钾含量增高,而速效钾在水淹后则大量流失;随着土壤层次的加深,除了有效磷外,其他养分都表现出逐渐降低的趋势。当然,彼时消落带尚处于形成初期,未形成明显的水分梯度,其养分和水分没有显著相关性。常超等[13]对忠县石宝镇消落带土壤理化性质的研究则显示,该区域土壤养分平均含量普遍下降,其中速效钾含量下降最多(46.7%),淹水易造成养分流失;消落带土壤淹水前各测定指标在不同高程之间差异均不显著;淹水后,除硝态氮含量有所增加以外,有机质、全氮、全磷、全钾、氨态氮、速效磷、速效钾含量均低于未淹水土壤;同时不同淹水强度下,土壤养分含量的差异极显著或差异显著;总体上,淹水时间越长,土壤养分含量越低,长期淹水后(主要在146 m高程以下低水位处)的土壤出现有机质及全量养分累积现象(见图8)。王业春等[31]的研究也证明淹水后,土壤有机质、总氮、总磷在160 m和170 m水位高程间均没有显著差异。郭劲松等[32]认为干湿交替是影响消落带土壤有机质和全氮分布的重要因子;与三峡库区其他区域土壤有机质和全氮含量相比,库区消落带土壤有机质和全氮含量处于偏低水平,且随三峡水库运行有所降低。
图8 三峡水库秭归县消落带土壤养分沿高程变化图[30]
消落带不同的植被覆盖和恢复方式也对土壤养分和质量有较大影响。对三峡库区忠县消落带土壤氮的研究表明,经历水淹后,土壤氨态氮和硝态氮含量均显著降低;不同植被覆盖下的土壤养分含量有显著差异,灌丛消落带土壤有机碳、氨态氮和硝态氮的含量比草本植物覆盖和乔木林下的土壤要高[34]。忠县、万州和秭归县消落带的土壤在经历水淹后,与植被自然恢复区相比,人工恢复区土壤的有机质和硝态氮含量更高,而pH值、容重和总磷含量较低,自然恢复区的土壤质量指数更高[35]。
综上可见,经历水淹后,三峡水库消落带土壤的pH值有所增加,而土壤养分含量普遍下降并且有随着淹水强度增加而增加的趋势,这就进一步证明经历周期性水淹后,三峡水库消落带土壤质量正在逐步变差。消落带土壤养分的改变对三峡水库的水质安全构成严重威胁,是水库富营养化的潜在污染源。研究显示,三峡水库消落带大部分地区的土壤氮含量严重超标,土壤磷含量也有部分区域超标[33],应该引起有关部门的足够重视。
经历水淹作用后,消落带土壤金属含量和类别也会发生较大变化。对三峡水库秭归县消落带土壤重金属的研究显示,水淹区段与未淹区段、对比样带相比较,全铜、全铁、全锰、全锌等重金属的含量分别降低66.62%,11.29%,40.93%,18.41%和54.97%,2.19%,17.86%,35.29% ,说明经过水淹后,土壤释放的重金属含量大于从水中吸附的含量,重金属元素流失严重;水淹区段的碱性金属如全钙、全镁、全钠的含量则分别比未淹区段升高9.10%,8.00%,21.15%;全镁、全钠的含量比对比样带升高4.50%,25.70%,全钙的含量降低30.40%[25](见图9)。总体上消落带内土壤全钠含量为次生灌丛<弃荒地,全钙和全镁则为次生灌丛>弃荒地。
图9 三峡水库消落带土壤碱性金属含量变化图[25]
同样,经历周期性水淹后,消落带土壤重金属的类型和来源也发生变化,并且出现不同程度的重金属污染。研究表明,三峡水库消落带被淹没前,土壤重金属污染物主要是砷和镉,其中有45%的砷污染来源于生活污水,59%的镉污染来源于工业废弃物;淹水后土壤重金属污染物主要为汞、镉和铅,船舶航运是这些重金属的主要污染源,地累积指数法显示,镉为中度污染,汞为低度污染;消落带土壤的重金属含量呈现显著的空间变化,一般高水位区和低水位区的重金属含量要高于其他水位区,而且有植被生长区的重金属含量显著低于无植被区[36-37]。对三峡水库重庆段消落带不同水位高程土壤汞风险评价显示,消落带土壤汞含量平均值为(68.5±22.7)ug/kg,高程土壤汞的平均含量依次为155~165 m>145~155 m>165~175 m。单因子污染指数评价结果显示,不同水位高程土壤汞均未超过土壤环境质量标准的一级标准,但有80.2%采样点的土壤汞含量超过三峡库区土壤背景值[38]。三峡水库消落带淹水前后土壤重金属含量变化见图10[39]。
图10 三峡水库消落带淹水前后土壤重金属含量变化图[39]
消落带受干湿交替的周期性淹水影响,地面植被和土壤结构被严重破坏,在生态系统的稳定、抗外界干扰能力及对生态环境变化的适应性上,均表现出明显的脆弱特性[6]。加之消落带水位涨落反自然洪枯规律,出露成陆时期天气炎热潮湿,大雨、暴雨频繁,在波浪淘蚀和降雨径流冲刷的共同作用下发生严重的土壤侵蚀[9]。消落带严重的土壤侵蚀已经成为三峡水库主要的生态环境问题之一。据鲍玉海等人[40]研究,三峡水库消落带土壤侵蚀主要受区域气候特征、地形地貌、土壤条件、水位涨落、船行波及波浪和人类活动等因素影响。侵蚀类型包括波浪侵蚀、降雨径流侵蚀、崩塌和滑坡等4种类型。其中波浪侵蚀包括浪蚀作用、波浪及岸边流的搬运作用,造成的一次性破坏规模较小,但作用时空分布广,且可以为岸坡后退提供必须的临空条件。降雨径流侵蚀主要发生在消落带成陆初期,此时正处于水热资源丰富的夏秋季节,消落带植被由于淹水消亡不能及时恢复,加之涌浪侵蚀对土壤结构的破坏,在降雨和坡面径流的作用下,极易发生土壤侵蚀,但随着消落带自然植被的逐渐恢复,地表覆被增加,降雨径流侵蚀的作用越来越弱。崩塌和滑坡是消落带水文地质、土壤、植被等条件改变后,在库水波浪、降雨径流和自身重力等多种侵蚀营力综合作用下的结果。波浪侵蚀和崩塌是消落带土壤侵蚀的主要表现形式[9,40]。
由于侵蚀条件的差异,土壤侵蚀主要发生在干流消落带,而库湾消落带受波浪影响较小,土壤侵蚀程度较轻,分布面积少。根据2008年三峡水库156 m水位运行周期内消落带土壤侵蚀监测数据显示,干流消落带土壤侵蚀强度高达71 mm/a,而库湾土壤侵蚀强度仅为11 mm/a,干流消落带土壤侵蚀深度是库湾的7倍。消落带土壤侵蚀程度受水位停留时间的影响,在低水位线(145~150 m)附近土壤侵蚀最为强烈。坡度>5°的消落带土质岸坡土壤侵蚀强烈,分布面积较广;在平坝或台阶地上,土壤侵蚀一般只发生在田坎、陡坎部位。居民点附近的消落带,人类活动频繁,退水后多被农民自发利用种植旱农或经济作物,水土保持耕作措施未跟上,植被和土壤反复破坏,加剧了土壤侵蚀的发生。远离村庄的远山区植被受人为破坏比较少,一般退水后自然恢复的草本植物覆盖较好,土壤侵蚀相对较轻[9]。不同土地利用方式下的土壤侵蚀强度差异明显,根据鲍玉海等人[41]2008—2012年的侵蚀针监测结果,消落带裸地和传统农耕地的侵蚀模数分别高达 92 423,94 887 t·km-2·a-1,穴播耕地为 64 670 t·km-2·a-1,草地最小,自然草地和人工草地分别为 37 794,21 340 t·km-2·a-1(见图 11)。
图11 石宝寨消落带不同土地利用方式下的土壤侵蚀率图[41]
三峡水库蓄水后,消落带地貌发生强烈的变化,其地貌演化过程可分为强烈侵蚀期、基本稳定期和淤积填平期。其中强烈侵蚀期大概10 a或稍长,基本稳定期约数十年,淤积填平期约数百年[18]。当前,三峡水库消落带正处于强烈侵蚀期末期,对库区多处消落带的野外勘察发现,在植被人工恢复和自然恢复、免耕休耕和水土保持工程等的综合措施下,大部分消落带已基本稳定,侵蚀明显减弱,甚至没有侵蚀。不过还存在部分消落带,由于坡度较陡,植被难以恢复,或者由于发生崩塌、滑坡,侵蚀依然剧烈。因此,建议针对这些侵蚀剧烈的局部优先考虑进行治理,防止侵蚀加剧,以稳定库岸。
综上所述,三峡水库周期性蓄水引起的水位涨落对三峡水库消落带土壤的容重、孔隙度、粒径、持水性、抗侵蚀能力等物理属性,pH值、养分、金属含量等化学性质都有很大影响。土壤理化性质的改变,再加上波浪、降雨径流等侵蚀营力的综合作用,也直接加剧消落带的土壤侵蚀。具体可归纳为:
(1)周期性淹水增加了消落带土壤容重,降低了土壤孔隙度、持水性和抗侵蚀能力。沿高程从消落带底部至顶部,土壤颗粒逐渐粗化。
(2)周期性淹水增加了消落带土壤的pH值,而土壤养分含量则大多出现下降趋势,同时部分重金属富集,说明消落带土壤质量正在逐步恶化,并且局部出现污染。
(3)在周期性淹水、波浪冲刷和降雨侵蚀等综合营力作用下,消落带上部主要发生侵蚀,中部侵蚀和淤积交错,下部主要发生沉积,波浪侵蚀对消落带土壤的侵蚀贡献最大。
对三峡水库季节性调节导致的水位涨落变化对消落带土壤的影响,虽已经得到众多专家学者关注和研究,但当前研究还存在诸多问题和不足。如:①大多数研究只针对三峡水库广阔消落带的单一或某几个研究区域得出结论,缺乏对整个三峡水库消落带的全局考虑和对比分析;②消落带土壤侵蚀严重,对土壤抗冲性研究和波浪作用对消落带的侵蚀过程研究,目前尚欠缺;③缺乏对水位涨落之土壤响应过程的机制认识。
为此,日后应对三峡水库消落带进行全方位、分区域的对比研究,补充和完善相关研究结论,以期更为系统地理解水位涨落对消落带土壤的影响,并在此基础上为三峡水库消落带的植被修复、水土保持和生态重建提供更为有利的证据和理论支撑。
针对三峡水库水位周期性涨落引起的消落带土壤退化和严重的土壤侵蚀,建议尽快实施三峡水库消落带固土护坡工程,控制消落带土壤的继续退化和侵蚀。同时加强三峡水库消落带的植被重建工作,稳定并逐步修复消落带的土壤环境。