三峽水庫(kù)消落帶紫色土物理性質(zhì)對(duì)反復(fù)淹水作用的響應(yīng)

呂發(fā)友, 唐 強(qiáng), 張淑娟, 賀秀斌, 鮑玉海

(1.中國(guó)科學(xué)院 水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所山地表生過(guò)程與生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610041; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

三峽水庫(kù)先后經(jīng)過(guò)3次試驗(yàn)性蓄水(156 m，172 m和175 m)后，在庫(kù)岸周邊形成了垂直落差30 m、面積349 km2的消落帶[1-7]。受水位調(diào)度節(jié)律影響，水庫(kù)水位每年在145～175 m間周期性漲落，消落帶在長(zhǎng)期的反復(fù)淹水—出露和干—濕交替過(guò)程中，消落帶水文、植被等條件在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生突變[6,8-12]。消落帶生境的劇烈改變對(duì)其水陸交替生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)巨大變化，而土壤物理性質(zhì)是反映消落帶這一變化的重要指標(biāo)。

有關(guān)消落帶土壤物理性質(zhì)對(duì)水庫(kù)蓄水的響應(yīng)規(guī)律，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)展了一些探索性研究。已有研究表明，三峽水庫(kù)周期性蓄水條件下，水土相互作用過(guò)程主要包括以下兩個(gè)方面：其一，冬季高壓淹水浸泡作用，在此階段，庫(kù)水對(duì)消落帶土體的壓縮固結(jié)、軟化和泥化等作用將顯著改變結(jié)構(gòu)特征，期間還伴隨著庫(kù)水對(duì)土體中可溶成分的長(zhǎng)期溶蝕、沖刷以及離子交換等作用，這將導(dǎo)致土壤顆粒組成和孔隙率發(fā)生變化，同時(shí)促進(jìn)土體的壓縮固結(jié)、軟化、泥化進(jìn)程[13-15]；其二，在一個(gè)水位漲落周期(一年)內(nèi)，消落帶土壤至少經(jīng)過(guò)一次干濕交替，多次循環(huán)后土體將發(fā)生不可逆的性質(zhì)變化和結(jié)構(gòu)損傷[16-17]。程瑞梅等[18]對(duì)三峽水庫(kù)消落帶淹水區(qū)段土壤物理性質(zhì)的分析表明，淹水后消落帶土壤的容重增加、孔隙度減少；康義等[11]對(duì)三峽庫(kù)區(qū)消落帶土壤物理性質(zhì)的定位監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，消落帶土壤容重逐年增長(zhǎng)，田間持水量和孔隙度(總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度)逐年減小，同時(shí)與未受庫(kù)水影響區(qū)域相比，受庫(kù)水影響區(qū)域的土壤容重增長(zhǎng)率、土壤最大持水量和孔隙度的衰減率都更大，并且各土層間的土壤物理性質(zhì)指標(biāo)間存在顯著性差異。

總之，三峽水庫(kù)消落帶在庫(kù)水理化、力學(xué)作用的共同影響下，土壤容重、顆粒組成、孔隙結(jié)構(gòu)和抗剪強(qiáng)度參數(shù)等指標(biāo)都將發(fā)生顯著變化，并可能在多次作用后達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)[19-20]。但三峽水庫(kù)獨(dú)特的調(diào)度方式，使得不同水位高程的消落帶土壤在水中浸泡和出露時(shí)間不同，遭受反復(fù)淹水作用存在以海拔為主要因素的分異梯度，這將導(dǎo)致消落帶土壤物理性質(zhì)在空間和時(shí)間上具有較高的變異性[18]，但三峽水庫(kù)消落帶形成時(shí)間較短，現(xiàn)有研究尚未對(duì)這一規(guī)律作出系統(tǒng)性的闡述。本文通過(guò)對(duì)三峽庫(kù)區(qū)消落帶重慶忠縣段紫色土的系統(tǒng)采樣分析，對(duì)比未受庫(kù)水影響的消落帶紫色土(175 m以上)，旨在研究三峽水庫(kù)自2006年首次蓄水后，周期性反自然洪枯節(jié)律漲落的庫(kù)水對(duì)消落帶土壤物理性質(zhì)的影響，揭示經(jīng)過(guò)多次淹水脅迫后消落帶土壤物理特性的空間分異規(guī)律，為消落帶水土特征及土壤侵蝕機(jī)理研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于三峽庫(kù)區(qū)中游重慶市忠縣石寶鎮(zhèn)(107°32′—108°14′E，30°03′—30°35′N)。該區(qū)地處新華夏構(gòu)造體系第三隆起帶及其與大巴山弧形褶皺帶交匯處，屬典型的中低山丘陵地貌。地質(zhì)組成以紫色泥巖和砂巖、泥灰?guī)r和灰?guī)r為主，土壤以紫色土為主，伴有黃壤、黃棕壤和水稻土等，主要土地利用類型有旱地、水田、草地和林地等[21-22]。研究區(qū)屬暖濕亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫17～19℃，年均降水量1 045～1 140 mm，年均相對(duì)濕度為77.6%，年均溫較同緯度其他地區(qū)高[23-24]。消落帶出露期天氣炎熱潮濕，多大雨、暴雨，伴有伏旱。水庫(kù)正常運(yùn)行后消落帶植被主要有一年生和多年生草本植物[24-25]。受三峽水庫(kù)“蓄清排渾”年調(diào)度方式的影響，水庫(kù)水位于每年汛期前(5月末)降至防洪限制水位145 m，汛期后(10月初)開(kāi)始逐步蓄水至175 m以便通航發(fā)電，次年2—6月再次逐步回落。三峽水庫(kù)年水位變化曲線(2006—2016)見(jiàn)圖1。

圖12006-2016年三峽水庫(kù)年水位變化曲線

1.2 土壤樣品采集

2016年9月三峽水庫(kù)蓄水前，在研究區(qū)石寶鎮(zhèn)共和村土質(zhì)消落帶進(jìn)行土壤樣品采集。沿消落帶海拔從下到上每隔5 m設(shè)置一個(gè)采樣點(diǎn)，以此標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置的采樣點(diǎn)的水位高程依次是150 m，155 m，160 m，165 m，170 m，175 m和180 m(對(duì)照組)。各采樣點(diǎn)坡度平緩(<3°)、淹水前均為旱地、淹水后均恢復(fù)為覆蓋度90%以上的狗牙根(CynodondactylonL. Pers.)草地，為研究不同土層深度紫色土物理特性對(duì)反復(fù)淹水的響應(yīng)規(guī)律，采樣時(shí)清除上覆沉積泥沙，從沙土分界面開(kāi)始逐層取樣，每10 cm為一層，每個(gè)采樣點(diǎn)取兩個(gè)土層樣(0—10 cm，10—20 cm)。

在各采樣點(diǎn)分別挖土壤剖面，按0—10 cm，10—20 cm分層取樣，包括：(1) 普通環(huán)刀樣3個(gè)(100 cm3)，用于測(cè)定容重、干密度、含水率；(2) 普通環(huán)刀樣5個(gè)(直徑6.18 cm、高2 cm、體積60 cm3)，4個(gè)用于直剪，1個(gè)備用；(3) 散土樣1 kg，用于測(cè)定粒徑組成等。將采集的原狀土樣密封保存，散土樣自然風(fēng)干碾細(xì)過(guò)2 mm土壤篩備用。

1.3 物理性質(zhì)測(cè)定

本文中土壤各物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)測(cè)定如下：土壤容重、質(zhì)量含水率用環(huán)刀法測(cè)定；比重用比重瓶法測(cè)定；孔隙率由比重ρs和容重ρd，通過(guò)推導(dǎo)公式n=1-ρd/ρs得到[25]；顆粒組成通過(guò)Mastersizer2000激光粒度儀測(cè)定；抗剪強(qiáng)度參數(shù)(黏聚力c和內(nèi)摩擦角ψ)通過(guò)ZJ四聯(lián)動(dòng)直剪儀進(jìn)行測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計(jì)分析用Excel和Origin 8.1軟件完成，顯著性檢驗(yàn)用SPSS 19.0軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 反復(fù)淹水對(duì)土壤容重的影響

消落帶土壤容重隨水位高程分布情況見(jiàn)圖2?？傮w看來(lái)，土壤容重隨土層深度的增加而增大，相對(duì)于表土層(0—10 cm)，對(duì)照組的層間土壤容重增長(zhǎng)率(34.68%)明顯高于消落帶土壤(0.76%～25.54%,平均增長(zhǎng)率11.50%)，淹水前后容重層間差異的單因素方差分析結(jié)果表明，對(duì)照組和消落帶土壤容重的層間變化的差異顯著，可見(jiàn)周期性淹水能有效減小消落帶土壤容重的層間差異。隨水位高程的增加，10—20 cm層土壤容重以一階線性函數(shù)的趨勢(shì)降低(y=3.18-0.01x，R2=0.847)，最大降幅達(dá)16.42%，0—10 cm層土壤容重分布具有一定波動(dòng)性，無(wú)明顯擬合規(guī)律，但總體趨勢(shì)相同，波動(dòng)的原因可能是表土層受人類活動(dòng)和植被根系等的干擾相對(duì)較大；與對(duì)照組相比，除175 m采樣點(diǎn)0—10 cm層外，各土層的土壤容重均有所增大，最大增長(zhǎng)百分比分別為38.42%(160 m，0—10 cm層)和12.54%(155 m，10—20 cm層)，可見(jiàn)淹水對(duì)表土層土壤容重的影響更為明顯。

2.2 反復(fù)淹水對(duì)土壤孔隙率的影響

不同高程消落帶土壤孔隙率隨水位高程分布情況見(jiàn)圖3?？傮w看來(lái)，庫(kù)水作用下，表層(0—10 cm)土壤孔隙率的響應(yīng)程度強(qiáng)于10—20 cm層，孔隙率分布范圍為40.77%～62.82%，且表層土壤的孔隙率普遍大于10—20 cm土層(160 m和165 m點(diǎn)除外)，這可能是由于下層土成土?xí)r間更早，固結(jié)度更高，表層土受人類活動(dòng)干擾、植被根系和干濕交替作用等的影響更劇烈所致。隨水位高程增加，0—10 cm土層的孔隙率先減小后增大，在160 m處出現(xiàn)極小值40.77%；10—20 cm層土壤孔隙率隨高程增加呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，孔隙率變化范圍為42.32%～49.31%。除175 m采樣點(diǎn)10—20 cm層外，消落帶土壤的孔隙率均低于對(duì)照組，最大降幅達(dá)35.10%(160 m，0—10 cm層)，這表明周期性淹水促進(jìn)了消落帶土壤的固結(jié)過(guò)程，水位高程越低，消落帶土體所受庫(kù)水壓力越大、作用時(shí)間越長(zhǎng)，固結(jié)度越高，孔隙率越小；水位高程越高，消落帶土體受庫(kù)水壓力越小、時(shí)間越短，固結(jié)度越低，孔隙率越大；150～160 m水位高程段消落帶土體在0—10 cm層孔隙率與160～175 m高程段變化趨勢(shì)相反的原因可能是由于相對(duì)于固結(jié)過(guò)程中的壓力作用，此段消落帶表土層受庫(kù)水浸泡等作用的影響更大，在庫(kù)水浸泡過(guò)程中，低水位段消落帶土壤浸泡時(shí)間更長(zhǎng)，庫(kù)水溶解和波浪沖刷過(guò)程帶走了表土中的大量細(xì)土顆粒所致。

圖2不同高程消落帶土壤容重變化

圖3不同高程消落帶孔隙率分布

2.3 反復(fù)淹水對(duì)土壤顆粒組成的影響

不同水位高程消落帶的土壤顆粒組成及其中值粒徑(Median size)見(jiàn)圖4。顆粒組成以粉粒和砂粒為主，除150 m采樣點(diǎn)表層土以外，粉粒體積百分比均超過(guò)50%，根據(jù)國(guó)際土壤質(zhì)地分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，所選采樣帶的土壤質(zhì)地均為粉砂質(zhì)壤土。未受周期性淹水影響的180 m處的消落帶土壤，黏粒體積百分比為3.26%～4.05%，粉粒體積百分比為66.56%～67.79%，砂粒體積百分比為28.16%～30.19%，中值粒徑介于10.29～10.91 μm；經(jīng)歷過(guò)6次周期性淹水的175 m處的消落帶土壤，黏粒體積百分比為2.99%～3.34%，粉粒體積百分比為62.58%～65.22%，砂粒體積百分比為31.45%～34.43%，中值粒徑介于11.20～12.40 μm；經(jīng)歷過(guò)8次周期性淹水的160～170 m間的消落帶土壤，黏粒體積百分比為1.98%～4.05%，粉粒體積百分比為53.04%～61.71%，砂粒體積百分比為34.93%～44.98%，中值粒徑介于12.35～17.03 μm；經(jīng)歷過(guò)10次周期性淹水-出露后的150～155 m間的消落帶土壤，黏粒體積百分比為1.46%～3.33%，粉粒體積百分比為40.70%～56.54%，砂粒體積百分比為40.18%～57.84%，中值粒徑介于14.34～26.38 μm。

消落帶土壤顆粒組成整體上以低水位高程段較粗、高水位高程段較細(xì)、表土層顆粒較粗、10—20 cm土層顆粒較細(xì)的特征分布。隨水位高程增加，各土層黏粒和粉粒的體積百分比均有所增加，砂粒體積百分比降低，消落帶上不同土層深度土壤中砂粒體積百分比降低幅度分別達(dá)40.47%和21.74%，但均高于未淹水段，最大增長(zhǎng)率達(dá)91.60%和42.67%；中值粒徑逐漸降低，0—10 cm土層的變化趨勢(shì)顯著強(qiáng)于10—20 cm層(p<0.05),消落帶上不同土層深度土壤中砂粒體積百分比降低幅度分別達(dá)52.99%和21.84%，但均高于未淹水段，最大增長(zhǎng)率分別達(dá)141.72%和39.26%。

圖4不同水位高程段消落帶土壤顆粒組成及其中值粒徑

2.4 反復(fù)淹水對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的影響

同一時(shí)期消落帶土壤抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨高程分布見(jiàn)圖5?？傮w看來(lái)，周期性淹水對(duì)0—10 cm土層抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、ψ的影響顯著大于10—20 cm土層(p<0.05)；160～180 m水位高程段(0～8次淹水)土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、ψ的響應(yīng)極為強(qiáng)烈，150～160 m水位高程段(10次淹水)的消落帶土壤，抗剪強(qiáng)度參數(shù)值漸趨穩(wěn)定。隨土層深度增加，黏聚力無(wú)明顯變化規(guī)律，但10—20 cm層的土壤黏聚力均大于同一采樣點(diǎn)處表土層(0—10 cm)黏聚力；隨著消落帶水位高程的降低，黏聚力分布呈先升高后降低的趨勢(shì)，與對(duì)照組相比，淹水明顯增大了土壤的黏聚力，最多分別增加了163.24%(0—10 cm，160 m處)和195.76%(10—20 cm，165 m處)。隨水位高程變化，內(nèi)摩擦角的分布相對(duì)較穩(wěn)定，消落帶上兩土層的內(nèi)摩擦角分布范圍分別為12.9°～29.6°和16.4°～21.6°，但消落帶上各采樣點(diǎn)的內(nèi)摩擦角均低于同層對(duì)照組土壤，最大降低百分比分別為54.42%(0—10 cm，170 m處)和33.06%(10—20 cm，165 m處)；隨土層深度的增加，相同水位高程處土壤的內(nèi)摩擦角明顯降低(170 m處除外)，兩土層間內(nèi)摩擦角差最多達(dá)13.2°。

圖5不同水位高程消落帶土壤抗剪強(qiáng)度參數(shù)

3 討 論

三峽消落帶在庫(kù)水周期性高壓浸泡[14]、干濕交替[10,26-27]等作用下，土壤的物理力學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化[13,28]。由于消落帶不同高程段所受庫(kù)水的主要作用方式和程度不同，因此不同水位高程消落帶土壤的物理特性分布有一定的差異。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，庫(kù)水對(duì)消落帶土壤容重、孔隙率、機(jī)械組成和抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響程度隨土層深度遞減，本文以與消落帶土壤侵蝕關(guān)系最密切的表土層(0—10 cm)為例，分別用150 m和155 m兩采樣點(diǎn)的平均值、160～170 m采樣點(diǎn)的平均值代表消落帶底部和中間段的各性質(zhì)指標(biāo)，按淹水周期將所選樣帶(150～180 m)分為四段，按水位高程從下到上依次為：2006年開(kāi)始淹水的底部消落帶(150～155 m)；2008年開(kāi)始淹水的中間段(160～170 m)；2010年開(kāi)始淹水的上部消落帶(175 m)和未淹水段消落帶(180 m)。對(duì)不同水位高程消落帶土壤的物理特性討論如下：

三峽消落帶上，淹水次數(shù)最多(10 a)、周期最長(zhǎng)(每年超過(guò)8個(gè)月)、受水壓力影響最大的底部消落帶，其土壤具有組成顆粒最粗(砂粒含量為49.56%)、土壤容重較大(1.41 g/cm3，僅略低于中間段)、孔隙率較低(50.63%，僅略高于中間段)。這可能與庫(kù)水作用密切相關(guān)，一方面由于消落帶長(zhǎng)期浸泡于庫(kù)水中，庫(kù)水對(duì)消落帶土體的溶蝕、沖刷等作用可能帶走大量細(xì)小顆粒而導(dǎo)致其組成顆粒變粗；另一方面可能是在淹水-落干形成的干濕交替作用和淹水期的庫(kù)水壓力作用下，土體中孔隙被壓縮固結(jié)、土骨架間連接更加緊密，加之細(xì)顆粒膠結(jié)形成更穩(wěn)定的團(tuán)聚體而出現(xiàn)容重較大、孔隙率較低的現(xiàn)象[14-15,17-20]。

三峽消落帶上，中間段消落帶土體的孔隙率最小、容重最大，分別為47.96%和1.43 g/cm3，砂粒體積含量占比40.17%，僅低于底部消落帶土體。中間段消落帶受庫(kù)水浸泡時(shí)間相對(duì)較短，因庫(kù)水浸泡而溶蝕帶走的細(xì)小顆粒較少，顆粒級(jí)配較好，在庫(kù)水的壓密固結(jié)過(guò)程中，細(xì)顆粒填充了土骨架間的空隙而出現(xiàn)孔隙率較底部消落帶更小、容重更大的情況。

三峽消落帶上，上部消落帶土壤容重最小(1.35 g/cm3)、孔隙率最大(50.89%)，顆粒組成中砂粒含量最低(34.43%)。該段消落帶淹水周期少、淹水時(shí)間較短而細(xì)粒含量相對(duì)較多，土顆粒級(jí)配較差，同時(shí)由于固結(jié)過(guò)程中的水壓力作用小，最終導(dǎo)致該段土體的孔隙率最大、容重最小。

未淹水段消落帶的土壤容重和砂粒含量最小，分別為1.42 g/cm3，30.19%，同時(shí)孔隙率最大(62.71%)，這說(shuō)明三峽水庫(kù)周期性淹水帶走了土體中的細(xì)顆粒，同時(shí)水壓力和干濕交替等作用促進(jìn)了土體固結(jié)，使土體內(nèi)孔隙減少而容重有所增加[29-30]。

消落帶土壤粒徑分布低水位高程段粗、高水位高程段細(xì)的特征，與杜高贊2009年的研究結(jié)論[3]相反，這可能是由于隨著消落帶淹水周期的增加，水壓力和干濕交替等對(duì)消落帶土壤的影響程度逐漸凸顯所致。下部消落帶受庫(kù)水浸泡時(shí)間更長(zhǎng)、壓力更大、干濕交替次數(shù)更多，在這些作用共同影響下，一方面土體內(nèi)部的黏粒、粉粒等細(xì)小顆粒和易溶鹽被庫(kù)水溶解、沖刷帶走；另一方面，細(xì)顆粒在周期性的干濕交替和壓力作用下更易結(jié)合成穩(wěn)定的團(tuán)聚體，也將導(dǎo)致低水位高程段消落帶顆粒粗、高水位高程段消落帶顆粒細(xì)的結(jié)果。

土壤抗剪強(qiáng)度由粘聚力和內(nèi)摩擦角表征，由于影響其參數(shù)的因素較多[20,32-33](礦物成分、有機(jī)質(zhì)、含水率等)，尤其對(duì)含水率極為敏感。同一時(shí)期不同水位高程段土壤的質(zhì)量含水率差異極大(采樣時(shí)實(shí)測(cè)消落帶土壤質(zhì)量含水率為18.99%～37.03%)，因此抗剪強(qiáng)度參數(shù)在消落帶上的無(wú)明顯的分布規(guī)律，本文數(shù)據(jù)僅能表示同一時(shí)期、不同水位高程段消落帶上土壤抗剪強(qiáng)度的分布特征。采樣期消落帶0—10 cm層土壤粘聚力分布情況為中間段(44.42 kPa)>底部消落帶(21.24 kPa)>未淹水段(19.26 kPa)>上部消落帶(8.36 kPa)，內(nèi)摩擦角的分布情況恰與之相反，分別是上部消落帶(29.60°)>未淹水段(28.30°)>底部消落帶(23.10°)>中間段(19.77°)。

4 結(jié) 論

(1) 三峽水庫(kù)周期性蓄水條件下，消落帶上表土層土壤受人為擾動(dòng)、植被根系、地表徑流等的影響較深層土更大，消落帶土壤容重、孔隙率、機(jī)械組成和抗剪強(qiáng)度參數(shù)對(duì)淹水作用的響應(yīng)程度隨土層深度增加而遞減。

(2) 淹水前后消落帶土壤的基本物理性質(zhì)存在顯著差異。隨水位高程增加，消落帶土壤(150～175 m段)受淹水周期、淹水時(shí)間和水壓力的影響均減小，對(duì)庫(kù)水作用響應(yīng)最強(qiáng)烈的表土層(0—10 cm)的土壤：容重逐漸降低，最大降幅達(dá)16.42%，但均高于未淹水段(180 m)，淹水后土壤容重最大增長(zhǎng)率達(dá)38.42%；孔隙率整體呈先降后增的趨勢(shì)，在160 m處出現(xiàn)最小孔隙率40.77%，且淹水后的土壤孔隙率均低于未淹水段，最大降低幅度達(dá)35.10%；粒徑分析表明采樣帶土壤屬于粉砂質(zhì)壤土，顆粒組成呈低水位段粗、高水位段細(xì)，表層粗、底層細(xì)的特征分布；隨水位高程增加，消落帶土壤中粗顆粒(砂粒)體積百分含量逐漸減少，最大降幅達(dá)40.47%，但均高于未淹水段，淹水后土壤砂粒體積含量最大增幅達(dá)91.60%；中值粒徑逐漸減小，最大降幅為52.99%，但均大于未淹水段，淹水后中值粒徑最大增幅達(dá)141.72%；同一時(shí)期黏聚力隨水位高程增高以先增高后降低的趨勢(shì)分布，最大變化幅度達(dá)195.76%，淹水前后黏聚力最大變化幅度達(dá)163.24%，內(nèi)摩擦角沿水位高程的分布變化較小，淹水前后內(nèi)摩擦角最大變化幅度達(dá)54.42%。

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