三峽水庫消落帶不同水位高程土壤團(tuán)聚體變化特征

張淑娟, 賀秀斌, 鮑玉海, 唐 強(qiáng)

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

土壤團(tuán)聚體是土壤的基本結(jié)構(gòu)單元，其大小分布和穩(wěn)定性影響著土壤的孔隙性、滲透性和可蝕性，反映了土壤結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，決定著土壤肥力的高低，是評價土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，也是影響土壤侵蝕的重要因子[1-2]。國內(nèi)很多學(xué)者在西北黃土高原、亞熱帶紅壤區(qū)和西南山地等區(qū)域，研究了不同土地利用方式、植被類型、耕作方式、水保措施及干濕交替等對團(tuán)聚體特征的影響等[3-7]，但有關(guān)三峽水庫消落帶水位周期性漲落引起的長時間、反季節(jié)性的極端干濕交替對土壤團(tuán)聚體組成及穩(wěn)定性影響的研究相對較少。三峽水庫消落帶72%為土質(zhì)消落帶，紫色土為該區(qū)域的主要土壤類型，結(jié)構(gòu)水穩(wěn)性很差，遇水極易分散、崩解，為易蝕性土壤[8]。在周期性水位漲落引起的極端反季節(jié)性高壓淹水與高溫出露交替影響下，加之消落帶出露期又是庫區(qū)雨熱集中期，消落帶環(huán)境條件發(fā)生劇變，土壤組成和結(jié)構(gòu)，特別是土壤團(tuán)聚體特征改變，引起土壤養(yǎng)分的遷移和土壤可蝕性的變化，導(dǎo)致土壤侵蝕加劇。當(dāng)前針對三峽水庫消落帶的研究主要集中在土壤理化性質(zhì)、土壤侵蝕、泥沙淤積、土地利用與植被重建等方面[9-12]，而針對三峽水庫消落帶土壤團(tuán)聚體變化特征的研究尚不多見?；诖?，本文以三峽水庫消落帶典型土壤紫色土為研究對象，采用干篩法和濕篩法研究消落帶不同水位高程土壤團(tuán)聚體組成，分析消落帶長時間、反季節(jié)性的高壓淹水浸泡與高溫落干出露交替變化對團(tuán)聚體組成和穩(wěn)定性的影響，以期為消落帶土壤侵蝕的防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于三峽庫區(qū)腹地重慶市忠縣石寶鎮(zhèn)庫段(107°32′—108°14′E,30°03′—30°35′N)，地勢較為平坦，屬典型的丘陵地貌。區(qū)域內(nèi)氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年均氣溫18.2℃，年均降水量1 172.1 mm，雨熱同期，降雨多集中在5—9月[13]。區(qū)域內(nèi)出露巖層為第四系殘積土層及侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組砂泥巖，紫色土為該區(qū)域的主要土壤類型，在中國土壤系統(tǒng)分類中屬于正常新成土，結(jié)構(gòu)水穩(wěn)性很差，遇水極易分散、崩解，為易蝕性土壤[8]。受人為清庫和初期淹水的影響，消落帶植被以一年生和多年生草本植物為主，植被類型主要為狗牙根(Cynodondactylon)、空心蓮子草(Alternantheraphiloxeroides)、雙穗雀稗(Paspalumpaspaloides)、馬唐(Digitariasanguinalis)、牛鞭草(Hemarthriaaltissima)和蒼耳(Xanthiumsibiricum)等[13]。

1.2 土壤樣品采集與處理

在忠縣石寶鎮(zhèn)共和村選取典型岸坡，于2016年9月水庫蓄水前進(jìn)行采樣。為降低土地利用、土壤類型、地形地貌對研究結(jié)果的影響，本文選取生境類型相似的紫色土樣帶采集土壤樣品，樣帶內(nèi)的土地利用在人為清庫前均為旱地、淹水后為以狗牙根為主的草地。土壤樣品采集點(diǎn)分別布設(shè)在水位高程150 m，155 m，160 m，165 m，170 m，175 m和180 m，采集0—20 cm的表層土壤，其中以未淹水高程180 m的土壤作為對照，樣地概況見表1。每個樣點(diǎn)采集3塊大小為101010 cm的原狀土塊，放于樣品盒內(nèi)，用于團(tuán)聚體組成分析;用環(huán)刀(體積為100 cm3)采集原狀土樣品用于測定土壤容重;采用五點(diǎn)法采集1 kg土壤樣品并混合均勻，帶回實(shí)驗(yàn)室。采集的原狀土塊沿土壤自然結(jié)構(gòu)輕輕剝成直徑為10—12 cm的小土塊，挑去其中的石塊和粗根等雜物，自然風(fēng)干后用以測定土壤團(tuán)聚體的組成;采集的混合土壤在自然風(fēng)干后，進(jìn)行研磨和過篩，用于土壤理化性質(zhì)分析。

表1 不同水位高程樣地概況

1.3 樣品測定與指標(biāo)計(jì)算

土壤理化性質(zhì)采用常規(guī)方法測定，其中土壤顆粒組成采用MasterSize 2000型激光粒度分析儀測定，根據(jù)美國制劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分，即砂粒為0.05～2 mm，粉粒為0.002～0.05 mm，黏粒為<0.002 mm;土壤容重用環(huán)刀法測定;土壤有機(jī)碳用元素分析儀測定。采樣點(diǎn)土壤基本理化性質(zhì)見表2。

表2 不同水位高程土壤基本理化性質(zhì)

土壤團(tuán)聚體采用干篩法和濕篩法分別測定非水穩(wěn)定性團(tuán)聚體和水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量[14]。根據(jù)濕篩法測定的水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成結(jié)果，計(jì)算出>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量(R0.25)、平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)、團(tuán)聚體分形維數(shù)(D)和團(tuán)聚體的破壞率(PAD)等常用指標(biāo)來表征團(tuán)聚體穩(wěn)定性，其中R0.25，MWD和GMD越大，D和PAD越小，表示土壤團(tuán)聚度越高，團(tuán)聚體穩(wěn)定性越好[3,7]。各指標(biāo)計(jì)算公式如下，其中分形維數(shù)采用楊培嶺等[15]推導(dǎo)的公式計(jì)算:

R0.25=mj/m×100%

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:mj為>0.25 mm水穩(wěn)定性大團(tuán)聚體的風(fēng)干質(zhì)量(g);m為樣品總質(zhì)量(g);Xi是第i粒級的平均直徑(mm);n為篩子的數(shù)量;mi為第i粒級的團(tuán)聚體重量(g);wi為直徑小于Xi的累積重量(g);Xmax為最大粒級土粒平均直徑(mm);Wd為>0.25 mm干篩團(tuán)聚體百分含量(%);Ww為>0.25 mm濕篩團(tuán)聚體百分含量(%)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 19.0軟件中的單因素方差分析(ANOVA)和多重比較(LSD法，p<0.05)對消落帶不同水位高程土壤團(tuán)聚體組成和穩(wěn)定性指標(biāo)的差異性進(jìn)行分析，采用Person法對團(tuán)聚體指標(biāo)和土壤理化性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析，采用Origin 2016軟件繪制圖形。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤非水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布特征

不同水位高程土壤非水穩(wěn)定性團(tuán)聚體組成見圖1。7個水位高程土壤團(tuán)聚體均以>0.25 mm的大團(tuán)聚體為主，占總量的95%以上。土壤非水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成的6個粒級中，>5 mm的團(tuán)聚體含量(63.55%～79.15%)最大。與對照組180 m的土壤相比，消落帶內(nèi)>5 mm的非水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量平均降低了13.90%,5～2 mm，2～1 mm，1～0.5 mm，0.5～0.25 mm和<0.25 mm的非水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量則分別增加了19.06%，70.13%，112.34%，238.42%和181.28%。消落帶內(nèi)>5 mm的非水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量隨水位高程的降低而降低，最大降幅為19.71%;2～1 mm的非水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量隨水位高程降低呈增加的趨勢，由180 m的4.31%增加到150 m的8.56%;0.5～0.25 mm的團(tuán)聚體隨水位高程的降低表現(xiàn)為先增加后降低，最大值為160 m的4.02%;消落帶內(nèi)<0.25 mm的微團(tuán)聚體含量隨著水位高程的降低整體呈增加的趨勢，增幅為9.74%～289.97%。表明周期性的淹水—出露顯著影響了土壤非水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成，部分大粒徑團(tuán)聚體崩解為小粒徑團(tuán)聚體或微團(tuán)聚體，水位高程越低，變化越顯著。

圖1 不同水位高程土壤非水穩(wěn)定性團(tuán)聚體組成

2.2 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布特征

不同水位高程土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分布見圖2。7個水位高程土壤中>0.25 mm的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體占總量的63.60%以上。土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成的6個粒級中，150 m土壤中<0.25 mm的微團(tuán)聚體含量最大，為36.40%，其余6個水位高程土壤中>5 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量最大，為32.38%～77.35%。與對照組180 m的土壤相比，消落帶內(nèi)>5 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量平均降低了33.41%,5～2 mm，2～1 mm，1～0.5 mm，0.5～0.25 mm和<0.25 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量則分別增加48.02%，132.71%，193.53%，236.81%和120.57%。消落帶內(nèi)>5 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量隨著水位高程的降低顯著降低(p<0.05)，由175 m的72.35%逐漸降低到150 m的11.45%。消落帶內(nèi)5～2 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量隨水位高程變化表現(xiàn)為中水位高程(160～165 m)含量最低，高水位高程(170～175 m)含量次之，低水位高程(150～155 m)含量最高。消落帶內(nèi)2～1 mm和1～0.5 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量隨水位高程變化均表現(xiàn)為高水位高程<中水位高程<低水位高程。0.5～0.25 mm和<0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均隨著水位高程的降低而增加，最大增幅分別為701.39%和402.97%。表明周期性水位漲落對水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成影響顯著，隨著水位高程的降低，大團(tuán)聚體崩解為微團(tuán)聚體的含量顯著增加。

圖2 不同水位高程土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成

2.3 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性變化特征

不同水位高程土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)見表3。與對照組180 m的土壤相比，消落帶內(nèi)>0.25 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量(R0.25)、平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)分別降低了9.43%，24.45%和36.31%，團(tuán)聚體分形維數(shù)(D)和團(tuán)聚體破壞率(PAD)分別增加4.95%和132.24%。消落帶內(nèi)R0.25隨著水位高程的降低顯著降低，由175 m的92.05%逐漸降低到150 m的63.60%;消落帶內(nèi)MWD和GMD降幅分別為3.31%～66.43%和5.81%～81.35%，隨著水位高程的變化，MWD和GMD均表現(xiàn)為180 m>175 m>170 m>165 m>160 m>155 m>150 m，且不同水位間差異顯著(p<0.05)。D介于2.41～2.73，隨著水位高程的降低顯著增加。PAD在160 m及以上水位高程間差異不顯著(p>0.05)，與180 m的土壤相比，消落帶內(nèi)PAD隨著水位高程的降低而增加，增幅分別為4.73%，24.49%，54.22%，78.55%，169.26%和463.51%。表明周期性的水位漲落顯著降低了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，淹水時間越長，團(tuán)聚體越不穩(wěn)定。

表3 不同水位高程土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)

2.4 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與理化性質(zhì)相關(guān)分析

由團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)與土壤顆粒組成、土壤容重和有機(jī)碳的相關(guān)性分析可知(表4)，團(tuán)聚體的5個穩(wěn)定性指標(biāo)與土壤理化性質(zhì)之間均具有顯著或極顯著的相關(guān)性(p<0.05或p<0.01)。>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、平均重量直徑和幾何平均直徑與砂粒含量、容重之間顯著或極顯著負(fù)相關(guān)，而與粉粒、黏粒、有機(jī)碳之間具有顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系。分形維數(shù)、結(jié)構(gòu)破碎率則相反，與土壤砂粒含量、容重之間呈顯著或極顯著正相關(guān)，而與粉粒含量、黏粒含量、有機(jī)碳含量之間具有顯著或極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。表明土壤顆粒組成、容重和有機(jī)碳對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性具有顯著影響。

表4 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)與土壤理化性質(zhì)相關(guān)分析

3 討 論

三峽水庫消落帶水位周期性漲落導(dǎo)致不同水位高程土壤的淹水浸泡時間、淹水深度、水柱壓力、干濕交替頻率和幅度等具有差異(表1)，顯著影響了土壤非水穩(wěn)性和水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成。本研究發(fā)現(xiàn)，與非消落帶180 m土壤相比，消落帶內(nèi)>5 mm的非水穩(wěn)性和水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量顯著降低，其余5個粒級的非水穩(wěn)性和水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量顯著增加;隨著水位高程的降低，>5 mm的非水穩(wěn)性團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體均顯著降低，而<0.25 mm的非水穩(wěn)性團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體均顯著增加。表明三峽水庫消落帶周期性水位漲落使得部分大粒徑團(tuán)聚體崩解為小粒徑團(tuán)聚體或微團(tuán)聚體，且隨著水位高程降低，變化幅度增大，這可能與消落帶水位快速升降引起的團(tuán)聚體崩解有關(guān)。陸鑄疇等[16]研究表明三峽庫區(qū)消落帶土壤團(tuán)聚體的破壞主要是由土壤孔隙中的氣泡爆破產(chǎn)生的消散作用引起的。紫色土結(jié)構(gòu)水穩(wěn)性極差，在淹水過程中，水分迅速進(jìn)入團(tuán)聚體內(nèi)部擠壓空氣造成團(tuán)聚體內(nèi)部壓強(qiáng)增大從而發(fā)生崩解，隨著水位高程的降低，淹水深度和時間增加，水壓力增大，干濕交替更加頻繁，紫色土軟化和泥化程度增大，土壤粘結(jié)力降低，促進(jìn)團(tuán)聚體水化，增強(qiáng)消散作用，導(dǎo)致大粒徑團(tuán)聚體破碎為小粒徑團(tuán)聚體的含量增加。本研究表明，150 m水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量變化最為顯著，可能是因?yàn)?50 m處水位較低，除受周期性水位漲落影響外，還受波浪和行船引起的涌浪的影響，土壤結(jié)構(gòu)破壞程度大，淹水過程中團(tuán)聚體更易崩解。

三峽水庫消落帶水位周期性漲落對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性影響顯著。本文研究發(fā)現(xiàn)，>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、平均重量直徑和幾何平均直徑均隨著水位高程的降低而降低，而分形維數(shù)和團(tuán)聚體破碎率則隨著水位高程的降低呈增加的趨勢。表明團(tuán)聚體穩(wěn)定性隨著水位高程的降低顯著降低，而陸鑄疇等[16]研究結(jié)果則表明，消落帶中間高程團(tuán)聚體最穩(wěn)定，低水位高程團(tuán)聚體穩(wěn)定性最差，這種差異可能與研究區(qū)的植被組成、有機(jī)質(zhì)含量、土地利用和研究方法等不同有關(guān)。干濕交替主要通過影響團(tuán)聚體孔隙結(jié)構(gòu)和微生物群落活動，進(jìn)而影響團(tuán)聚體的脹縮和膠結(jié)劑的穩(wěn)定性，改變團(tuán)聚體水穩(wěn)性[6]。本文中團(tuán)聚體穩(wěn)定性隨著水位高程的降低而顯著降低，可能是因?yàn)槭苎退畷r間、淹水深度、干濕交替頻率和強(qiáng)度的影響，消落帶不同水位高程植物生長、動物及微生物活動和土壤性質(zhì)等發(fā)生變化，進(jìn)而影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。隨著水位高程的降低，淹水時間和淹水深度增加，植被的生長期變短，植被的多樣性和覆蓋度降低(表1)，植物根系及根系分泌物減少，對土壤團(tuán)聚體的穿插與纏結(jié)作用降低，土壤團(tuán)聚體更易分散。消落帶動物如蚯蚓和螞蟻等的排泄物和挖掘洞穴等活動可影響團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定性，微生物群落活動通過影響團(tuán)聚體膠結(jié)劑的分解和合成，改變土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性[6]。三峽水庫消落帶土壤環(huán)境因子如溫度、濕度和氧氣等隨著淹水時間和淹水深度的增加而發(fā)生變化，造成消落帶土壤動物及微生物活動隨著水位高程降低而受到限制，影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。土壤理化性質(zhì)中，有機(jī)膠結(jié)劑土壤有機(jī)質(zhì)和無機(jī)膠結(jié)劑土壤黏粒對于團(tuán)聚體的穩(wěn)定性具有重要作用。本研究表明消落帶土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與土壤黏粒和有機(jī)碳之間均具有顯著或極顯著相關(guān)性(表4)，但與黏粒相比，團(tuán)聚體穩(wěn)定性與有機(jī)碳之間的相關(guān)性更為顯著，主要是因?yàn)楸狙芯恐型寥鲤ち：繕O低(表2)，對團(tuán)聚體的膠結(jié)作用較弱，該區(qū)域主要以有機(jī)碳的膠結(jié)作用為主。土壤有機(jī)質(zhì)作為一種重要的膠結(jié)物質(zhì)，不僅可以增強(qiáng)團(tuán)聚體之間的粘結(jié)力，而且土壤有機(jī)質(zhì)在團(tuán)聚體周圍形成疏水表面層，可以減緩?fù)寥罎窕俾?，降低消散作用，提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性[17]。本文中土壤有機(jī)碳隨著水位高程的降低顯著降低(表2)，導(dǎo)致消散作用強(qiáng)度隨著水位高程降低而增強(qiáng)，團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低。本文通過對消落帶不同水位高程的團(tuán)聚體特征進(jìn)行分析，揭示了消落帶水位周期性漲落對團(tuán)聚體組成和穩(wěn)定性的影響，今后應(yīng)加強(qiáng)其影響機(jī)制的研究。

4 結(jié) 論

(1) 7個水位高程土壤團(tuán)聚體組成均以>0.25 mm的大團(tuán)聚體為主，>0.25 mm的非水穩(wěn)性和水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量分別占95%以上和63.6%以上;>5 mm的非水穩(wěn)性和水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均隨水位高程降低而降低;<0.25 mm的非水穩(wěn)性和水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均隨水位高程的降低整體呈增加的趨勢。表明三峽水庫消落帶水位周期性漲落下部分大粒徑團(tuán)聚體崩解為小粒徑團(tuán)聚體或微團(tuán)聚體，水位高程越低，變化越顯著。

(2) >0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、平均重量直徑和幾何平均直徑均隨著水位高程的降低顯著降低;分形維數(shù)和破碎率隨著水位高程的降低顯著增加。表明三峽水庫消落帶水位周期性漲落降低了團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，團(tuán)聚體穩(wěn)定性隨水位高程的降低而降低。

(3) 團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)與土壤顆粒組成、容重和有機(jī)碳含量均顯著或極顯著相關(guān)，其中>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、平均重量直徑和幾何平均直徑與有機(jī)碳極顯著正相關(guān)，分形維數(shù)和團(tuán)聚體破碎率則與有機(jī)碳極顯著負(fù)相關(guān)。