水库消落带不同海拔狗牙根草地土壤可蚀性研究

杨 玲, 贺秀斌, 鲍玉海, 郑晓岚, 宋 娇,3, 李进林

(1.中国科学院、水利部 成都山地灾害与环境研究所山地表生过程与生态调控重点实验室,成都 610041; 2.中国科学院大学, 北京 100049; 3.重庆师范大学 地理与旅游学院, 重庆 401331)

周期性反季节高压淹水—出露过程使消落带植被、土壤特性短时间内发生剧烈变化，加之库水波浪、降雨径流、水位涨落等水动力作用和人类活动干扰，使得大型水库消落带在不同程度上面临着复杂多样的生态环境问题[1]，尤其是消落带土壤侵蚀问题较为突出，水文条件骤变导致消落带土壤侵蚀强度远高于陆地坡面[2-3]。强烈的土壤侵蚀将会造成消落带土壤质量下降、植被生长受限、库岸失稳、水体环境恶化等危害，严重影响消落带本身应有的生态缓冲、生物多样性维持、水库水质保障等生态服务功能的有效发挥，其土壤侵蚀过程与防治对策的研究已逐渐成为国际社会和学者关注的热点[1,3]。消落带土壤侵蚀的影响因素涉及气候、地形地貌、土壤、外营力等多方面，其中土壤抗蚀性是重要因素之一。而土壤可蚀性K值是衡量土壤抗蚀性的重要指标[4]，是土壤侵蚀过程与机理研究的重要内容，常用来评价土壤被侵蚀营力分离、冲蚀和搬运的难易程度[5]，对消落带土壤侵蚀定量评价和水土保持措施机理研究均有重要科学意义。

我国学者在土壤可蚀性K值研究方面已有众多成果，针对土壤可蚀性研究方法、区域土壤可蚀性特征、不同土地利用类型土壤可蚀性评价、土壤可蚀性实测与估算的定量对比研究等均开展了一系列的研究[6-12]。目前，普遍利用估算模型进行土壤可蚀性K值的计算，主要有土壤可蚀性诺谟方程、修正诺谟方程、EPIC模型、Torri公式以及Shirazi公式[6-7]。紫色土地区常使用EPIC模型进行K值的计算[4,6,8]。但研究区域主要集中在陆地坡面，针对水库消落带土壤可蚀性K值的估算较为缺乏。三峡水库高强度淹水和极端干湿交替环境改变了消落带土壤结构、化学性质和力学特性[13-16]，导致土壤中值粒径增大、团聚体稳定性降低、有机质含量减少[17-19]，上述土壤特性的改变将可能会引起土壤可蚀性的增加。而消落带不同海拔梯度的淹水时长、淹水深度、淹水—出露频率等差异，造成土壤特性、植被等条件具有较强的空间异质性[20-21]，使土壤可蚀性产生空间差异。目前，大型水库蓄水运行造成的消落带土壤可蚀性变化趋势及其空间分异规律尚不明确。由于目前水库消落带缺少长期土壤侵蚀定位观测资料，本研究以三峡水库典型库段消落带草地为例，利用紫色土地区土壤可蚀性研究中常见的估算方法进行消落带土壤可蚀性K值研究，以期探明三峡水库运行后消落带土壤可蚀性在海拔梯度和土层深度上的分异规律，探讨其主要影响因素，为消落带土壤侵蚀预测评价和水土保持措施配置提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于三峡水库重庆市忠县石宝镇库段消落带(107°32′—108°14′E，30°03′—30°35′N)，是三峡水库典型的土质消落带。该区属于亚热带季风性湿润气候，四季分明，夏季高温多雨。年平均气温19.2℃，年平均降水量1 150 mm，主要集中在5—9月，日照充足。该段消落带地形平缓，土壤母质为侏罗系沙溪庙砂页岩(J2s)，土壤类型以紫色砂岩或页岩风化后形成的紫色土为主，此外，还有少部分水稻土和黄棕壤[19]。三峡水库蓄水前，消落带的土地利用方式主要有旱地、水田和林地。主要种植的粮食作物有玉米(Zeamays)、水稻(Oryzaglaberrima)、红薯(Ipomoeabatatas)、黄豆(Glycinemax)、油菜(Brassicacampestris)等。三峡水库蓄水后，消落带土地利用方式主要为草地(自然恢复和人工种植)和局部林地(人工种植)，其中145～160 m低海拔地区主要为草地，160～175 m较高海拔区域以草地为主并局部分布有条带状林地。研究区草本植物以狗牙根(Cynodondactylon)分布最为广泛，其次为苍耳(Xanthiumsibiricum)、扁穗牛鞭草(Hemarthriacompressa)、空心莲子草(AlternantheraPhiloxeroides)、鬼针草(Bidenspilosa)等[22]。本研究选用的狗牙根草地属于人工恢复草地，于2007年种植，已经历10 a以上的周期性淹水—出露过程。研究区消落带位于长江干流，淹没和成陆规律与三峡水库水位调度节律一致，每年9月末、10月初开始因水库蓄水逐渐淹没，一般在11月上旬消落带145 ～175 m全部淹水，次年1—4月消落带逐次从175 m向156 m出露，5月末消落带全部出露，6—9月受汛期洪水影响145 ～160 m消落带遭受短时间淹水过程。该区域淹水前土壤理化特性背景调查显示[19]，研究区消落带土壤淹水前土壤容重、酸碱度、有机质、全氮、全磷、全钾、硝态氮、氨态氮、速效磷、速效钾等各测定指标在不同海拔高程之间的差异均不显著(p>0.05)。

1.2 样地选择与土壤样品采集

2020年6月在研究区155 m，160 m，163 m，166 m，169 m，172 m海拔选取生境类型、地形平缓的紫色土岸坡，布设样地采集土壤样品，样地土地利用类型淹水前为旱地，淹水后为狗牙根草地。每个海拔设置3个重复采样点，采集0—10 cm和10—20 cm的表层土壤，并以未淹水180 m海拔区域狗牙根草地土壤为对照。每个样点采集1 kg左右土壤样品，带回实验室，进行去杂、自然风干等前处理。

1.3 土壤理化性质分析

采用马尔文MS-2000激光粒度分析仪(英国马尔文仪器有限公司)测定土壤的颗粒组成。土壤粒径分级划分为：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，计算砂粒(0.05—2 mm)、粉粒(0.002—0.05 mm)、黏粒(<0.002 mm)含量。采用王国梁等提出的土壤颗粒分形维数分析方法计算体积分形维数[23]。采用Vario MACRO Cube元素分析仪(德国Elementar公司)测试土壤有机质。采用Yoder湿筛法[24-25]测定土壤水稳定性团聚体组成，并计算WS0.25(>0.25 mm土壤水稳定性团聚体含量)指标。

1.4 土壤可蚀性K值计算

本文采用EPIC模型计算土壤可蚀性K值，公式为[6,8]：

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

式中:SAN为砂粒(0.05～2 mm)含量(%);SIL为粉粒(0.002～0.05 mm)含量(%);CLA为黏粒(<0.002 mm)含量(%);C为有机碳含量(%);SN1=1表示SAN/100。计算的土壤可蚀性K值为美国制单位,将其乘以0.131 7则转变为国际制单位(t·hm2·h)/(MJ·mm·hm2)。

1.5 数据处理与统计分析

利用IMB SPSS 20.0和Excel 2016软件进行数据处理、统计分析和Pearson相关性分析。图件制作采用Origin软件。组间差异显著性分析采用IMB SPSS 20.0软件的单因素方差分析，显著性水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 土壤理化性质空间异质性

由图1可见，消落带与未淹水对照0—20 cm表层土壤黏粒含量存在显著差异(p<0.05)，消落带土壤黏粒含量较对照大幅降低，减少幅度达41.19%～79.81%。受水库水位涨落节律的影响，不同海拔消落带土壤遭受淹水胁迫时长和程度有着明显的不同，表层土壤理化性质沿海拔梯度存在明显的空间异质性，表现为：172 m>169 m>166 m>160 m>163 m>155 m，土壤黏粒含量为3.45%～10.05%(见表1)。土壤颗粒的体积分形维数与黏粒含量分布规律一致，随海拔升高而增大，其中155～163 m低海拔区域的分形维数显著低于166 m以上区域(p<0.05)，差幅可达10.16%～19.54%，但166 m海拔以上区域无显著差异(p>0.05)。从土壤团聚体含量来看，>0.25 mm水稳性团聚体含量较对照明显降低，且有随海拔增加而增加的趋势，尤其155～163 m低海拔区域与对照差异显著(p<0.05)。消落带土壤有机质平均含量1.20%～1.60%(见表1)，显著低于对照的1.79%(p<0.05)，且与海拔呈正相关。

表1 消落带表层0-20 cm土壤主要理化性质随海拔的变化

土壤理化性质在不同土层上也具有一定的差异性，总体来看，0—10 cm土层有机质含量高于10—20 cm土层，平均差值为0.26%，而0—10 cm土层土壤黏粒含量和>0.25 mm水稳性团聚体含量均显著低于10—20 cm土层(p<0.05)，分别减少0.28%和2.88%。0—10 cm土层土壤颗粒的体积分形维数稍高于10—20 cm土层，但差异幅度较小，仅为0.01，两者差异不显著(p>0.05)。

2.2 土壤可蚀性K值的空间异质性

消落带0—20 cm表层土壤可蚀性K值的统计分析表明，消落带表层土壤K值为0.049 6～0.061 2，均值0.054 1，属于高可蚀性土壤。由图2可知，消落带土壤可蚀性因子K值高于对照，平均比对照高7.33%，呈现出随海拔升高而降低的趋势，其中155 m，160 m海拔与对照具有显著性差异(p<0.05)，平均增加幅度达到对照的30.63%，而163～172 m海拔的K值与对照之间差异不显著(p>0.05)，相对增幅仅有3.49%。消落带所有样地的K值偏度为0.536，峰度为-0.329，均小于1，变异系数CV值为12.74%，说明消落带土壤可蚀性K值在各海拔梯度上基本服从正态分布，空间变异性为中等。在土层分布上，0—10 cm土层的平均K值低于10—20 cm土层，后者是前者的1.03倍，但两者无显著差异(p>0.05)。

注:图中不同大写字母表示同一海拔各土层之间存在显著差异(p<0.05)，不同小写字母表示同一土层不同海拔之间存在显著差异(p<0.05)。

2.3 表层土壤可蚀性K值与影响因子相关性

由图3可知，K值大小与土壤黏粒含量、体积分形维数、>0.25 mm水稳性团聚体含量和有机质等土壤理化性质密切相关。K值与各指标的Pearson相关性分析表明，K值与土壤黏粒含量、>0.25 mm水稳性团聚体含量和有机质含量呈极显著负相关，相关系数分别为-0.652，-0.628和-0.705(p<0.01)；与土壤颗粒的体积分形维数呈负相关，相关系数为-0.427(p>0.05)；而K值与土壤粉粒和砂粒含量呈正相关，相关系数分别为0.419，0.105(p>0.05)。综上所述，土壤可蚀性因子K值随黏粒含量、>0.25 mm水稳性团聚体含量和有机碳含量的增加而减小，随粉粒和砂粒含量的增加而增大。图3的曲线拟合结果同样表明K值与土壤理化因子之间具有上述相关性。由此可知，通过植被恢复改善土壤结构，增加>0.25 mm水稳性团聚体和有机质含量，防止波浪和降雨径流对表层土体的冲刷，保持消落带土壤黏粒含量，可有效降低土壤可蚀性。

注:图中不同大写字母表示同一海拔各土层之间存在显著差异(p<0.05)，不同小写字母表示同一土层不同海拔之间存在显著差异(p<0.05)。

图3 土壤可蚀性K值与土壤理化因子的拟合曲线

3 讨 论

三峡水库消落带典型断面155～172 m海拔范围内的狗牙根草地表土可蚀性K值为0.049 6～0.061 2，均值为0.054 1，按饶良懿等[7]土壤可蚀性分级标准，达到高可蚀性。远高于全国30个省(市、区)0.023 5～0.046 0范围的土壤可蚀性K值[5]。但不同估算模型算法会对K值结果产生重要影响，且每个算法的适用性因区域而异[6-8]。紫色土地区的已有研究表明，EPIC算法较适宜于紫色土地区[6]。因此，本研究采用了该算法对消落带土壤可蚀性K值进行了分析。根据采用同一算法对不同土地利用类型土壤K值研究结果，紫色土地区坡耕地、荒地和林地的土壤可蚀性K值(国际制单位)介于0.041～0.052 8之间[6,8]，明显低于本研究消落带土壤的K值。这表明周期性淹水—出露—淹水的极端水文变化过程，导致了消落带土壤K值的升高，其根本原因在于消落带遭受长时间、反季节、高压淹水胁迫，消落带土壤特性、植被群落结构均在短时间发生显著变化[3,21,26]，表现在植被消亡演替、剧烈土壤侵蚀、土壤结构劣化等[13-15,21]，并引起土壤有机质、氮磷钾等养分含量的显著下降[19]，从而影响土壤可蚀性。

消落带内部土壤可蚀性K值随土层和海拔的分布差异，主要原因是不同海拔土壤的淹没时间、库水压力、淹水—出露频率和水位变动幅度等均具有差异，遭受的土壤侵蚀情况也不同[27]，导致坡面侵蚀产沙、团聚体组成和稳定性、植物根系分形特征、有机质含量等具有一定的空间异质性[18-19,21,27]。相关研究表明，消落带低海拔区域淹水时间和淹水深度显著高于高海拔区域，植被可利用的生长时间减少，造成植被群落多样性和覆盖度降低，根系固土作用减弱，使土壤团聚体更易分散[18]。本研究结果表明，与未淹水的180 m海拔对照样地土壤相比，消落带155～163 m低海拔区域土壤>0.25 mm的团聚体平均含量显著降低(p<0.05)，这表明周期性淹水浸泡和波浪冲击的特殊水文环境导致消落带土壤大粒径团聚体崩解破碎，使得团聚体粒径降低。这可能也与消落带水位快速升降引起的团聚体崩解有关[18]。消落带不同海拔植被组成与群落结构的差异，也会影响到土壤养分的积累与分解存在空间异质性，消落带土壤在经历多次淹水—出露—淹水的干湿循环后，土壤有机质、全氮、全磷、全钾含量均显著下降[28]，且呈现随海拔升高而升高的趋势[29]。土壤可蚀性是由土壤内在理化性质决定的特征参数[6]，K值大小与土壤颗粒组成和有机质密切相关[7]。消落带土壤特性在海拔梯度上的空间异质性，将导致土壤可蚀性K值沿海拔梯度存在空间差异。本研究结果表明消落带0—20 cm表层土壤有机质、黏粒、>0.25 mm水稳定性团聚体等含量均随着海拔的降低而降低(图1)，且上述因子均与土壤可蚀性K值呈极显著负相关(p<0.01)，最终导致消落带土壤可蚀性K值随海拔升高而降低。

4 结 论

(1) 消落带土壤理化性质在海拔和土层上均具有明显的空间异质性，0—20 cm表层土壤颗粒的体积分形维数与黏粒含量在不同海拔表现为：对照>172 m>169 m>166 m>160 m>163 m>155 m。155～163 m低海拔区域的分形维数显著低于166 m以上区域(p<0.05)，差幅可达10.16%～19.54%。消落带大于0.25 mm水稳性团聚体和有机质含量较对照明显降低，与海拔呈正相关关系。0—10 cm土层有机质含量高于10—20 cm土层，而0—10 cm土层土壤黏粒含量和>0.25 mm水稳性团聚体含量均显著低于10—20 cm土层(p<0.05)。

(2) 消落带0—20 cm表层土壤可蚀性K值平均为0.054 1，高于对照，且随海拔的升高而降低。0—10 cm和10—20 cm土层的土壤可蚀性K值无显著性差异(p>0.05)。

(3) 消落带土壤黏粒含量、>0.25 mm水稳性团聚体含量和有机质含量对土壤可蚀性K值有重要影响，与K值呈极显著负相关(p<0.01)。土壤颗粒的体积分形维数与K值呈负相关。而土壤粉粒和砂粒含量则与K值呈正相关。