李姍澤， 陳 銘,， 王雨春*， 胡明明， 呂 映， 歐陽威， 張家暉,3， 包宇飛

1.中國水利水電科學研究院水生態(tài)環(huán)境研究所， 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室， 北京 100038

2.北京師范大學環(huán)境學院， 北京 100875

3.華中農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院， 湖北 武漢 430070

水庫消落帶是指因水庫蓄水、泄洪或季節(jié)性水位漲落使水庫周邊土地周期性淹沒-落干的特殊區(qū)域[1-4]. 三峽水庫的周期性水位調(diào)控使庫區(qū)高低水位間形成約348.93 km2的水陸過渡區(qū)域[5]. 長時間的淹沒-落干過程不僅改變土壤的理化性質(zhì)，還產(chǎn)生如土壤侵蝕、植被演替等諸多影響[6].

消落帶地區(qū)對環(huán)境變化較為敏感，土壤作為生態(tài)系統(tǒng)中重要的“源”與“匯”，具有重要的地球化學循環(huán)意義. 目前，許多學者開展了針對三峽庫區(qū)消落帶土壤的研究. 例如，常超等[7]認為，消落帶土壤淹水會導致養(yǎng)分流失(如速效鉀、有機質(zhì))，長期淹水會產(chǎn)生有機質(zhì)積累效應；張雷等[8]研究表明，大寧河回水區(qū)消落帶土壤w(TN)顯著高于浸沒土壤，該現(xiàn)象可能是由生活污水排放和化肥濫用等人為因素造成；郭勁松等[9]指出，消落帶土壤由于反復淹水-落干使有機氮向無機氮轉(zhuǎn)化，并存在無機氮向上覆水體釋放的現(xiàn)象；王業(yè)春等[10]發(fā)現(xiàn)，忠縣消落帶土壤w(TN)與w(有機質(zhì))呈顯著相關，且有機氮為TN的主要賦存形態(tài)；郭泉水等[11]研究發(fā)現(xiàn)，湖北庫區(qū)消落帶土壤淹水后w(TN)下降，但w(TN)和w(TK)并未發(fā)生顯著變化. 部分學者針對消落帶土壤的營養(yǎng)元素吸附釋放機理進行研究. 例如，詹艷慧等[12-13]認為，三峽消落帶土壤對氨氮具有一定的吸附能力且隨浸沒次數(shù)增加而增強；程瑞梅等[14]也指出，周期性沖刷會提升消落帶土壤對氨氮和磷酸鹽的吸附能力. 盡管已有大量研究闡述局部地區(qū)w(TN)、w(TP)變化情況，但因庫區(qū)面積大，范圍廣，數(shù)據(jù)采集困難等限制，對三峽全庫區(qū)w(TN)、w(TP)變化的宏觀研究較少.

針對以上情況，該研究檢索、收集、整合近10年三峽庫區(qū)消落帶土壤的研究數(shù)據(jù)，從宏觀角度展開研究，分析不同淹水強度下的土壤w(TN)、w(TP)分布特征及其時空變化規(guī)律，為三峽庫區(qū)營養(yǎng)元素污染控制和生態(tài)治理的進一步研究奠定基礎.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

三峽工程于2003年開始蓄水發(fā)電，2009年全面竣工，是國內(nèi)最大的水利樞紐工程. 三峽庫區(qū)消落帶包含湖北段消落帶和重慶段消落帶. 消落帶高程差高達30 m，主要土壤類型包括石灰性黃壤、紫色土和潮土[15]. 根據(jù)三峽庫區(qū)水位調(diào)度計劃，每年4月末水位緩慢下降，至6月初降至防洪限制水位(145～150 m)，維持該水位至9月下旬. 屆時開始蓄水，于10月末升至正常蓄水水位(175 m)[16]. 如圖1所示，消落帶的水位波動特征可計算不同高程的土壤淹水天數(shù). 具體如下：145 m高程全年淹水，150 m高程淹水周期為320 d左右，155 m高程淹水周期為250 d左右，160 m高程淹水周期為230 d左右，165 m高程淹水周期為160 d左右，170 m高程淹水周期為130 d左右，而175 m高程常年落干.

圖1 三峽初期蓄水(2006年)和運行穩(wěn)定后(2018年)水文情況

三峽庫區(qū)消落帶地處亞熱帶季風氣候區(qū)，具有雨熱同期的氣候特點. 該地區(qū)雨水豐沛、熱量充足，但也因此導致雨熱條件季節(jié)分布不均，降水多集中分布在6—8月. 三峽庫區(qū)蓄排水周期和該地區(qū)雨情以及天然河流水文周期相反，加之庫區(qū)周邊城鎮(zhèn)密集，人類活動較多，對當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)造成極大影響.

1.2 數(shù)據(jù)來源

在中國知網(wǎng)以“三峽”“消落帶”“土壤”為主題進行搜索，在Web of Science以“riparian zone”“l(fā)ittoral”“water level”“soil”“sediment”為主題、“three gorges”為標題進行搜索. 將其中2009—2019年發(fā)表文獻作為主要數(shù)據(jù)來源，從中提取不同高程、時間、地區(qū)消落帶土壤w(TN)、w(TP)數(shù)據(jù)并歸類. 為保證數(shù)據(jù)有效、合理、可靠，該研究只摘取實地監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)，對同一團隊同一時間獲得的數(shù)據(jù)，只摘取一次. 此外，為不干擾整體分析情況，對同一點位的平行數(shù)據(jù)只選取其平均值進行統(tǒng)計.

該研究共選取32篇文獻，篩選出527條數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)引用信息見表1. 采樣點位于106°29′E～110°56′E、29°33′N～30°50′N之間，涉及重慶主城區(qū)、秭歸縣、忠縣、云陽縣、巫山縣、涪陵區(qū)、豐都縣、開州區(qū)、萬州區(qū)等9個地區(qū)的消落帶(見圖2). 數(shù)據(jù)時段為2007—2017年，涵蓋140～180 m高程，均為0～20 cm表層土數(shù)據(jù).

表1 參考文獻數(shù)據(jù)信息整理

圖2 三峽庫區(qū)消落帶土壤采樣點

1.3 分析方法

使用Excel 2016軟件整理并篩選各文獻中w(TN)、w(TP)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)單位統(tǒng)一為gkg. 使用SPSS 20.0軟件對數(shù)據(jù)進行二次處理，統(tǒng)計不同類別數(shù)據(jù)(不同高程、年際、地區(qū))的平均值和標準誤. 利用Origin 9.0軟件進行統(tǒng)計分析結(jié)果的可視化繪制，分別對高程與地區(qū)數(shù)據(jù)繪制柱狀圖、對年份數(shù)據(jù)繪制箱式圖.

研究使用SPSS 20.0軟件對數(shù)據(jù)進行分析，利用單因素方差分析(one way ANOVA) 中的Bonferroni方法檢驗消落帶土壤w(TN)、w(TP)在不同高程、年份、地區(qū)差異是否顯著，并在圖中利用字母進行差異標注.

2 結(jié)果與分析

2.1 消落帶土壤w(TN)時空分布

氮作為生物地球化學循環(huán)中的主要元素，是包括消落帶在內(nèi)的濕地生態(tài)系統(tǒng)重要的生產(chǎn)力限制因子.通過微生物驅(qū)動的同化、異化作用，使大氣或者動植物中的氮進入土壤. 因水-沉積物界面環(huán)境條件的復雜性，消落帶土壤和水底沉積物成為水生生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)元素重要的“源”和“匯”，水文條件的改變將影響其生物地球化學循環(huán)過程及賦存特征. 按高程、年份、地區(qū)差異對消落帶土壤w(TN)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖3所示.

注： 不同的小寫字母表示不同組間具有顯著性差異. 圖3(B)中圓點為平均值，實線為線性擬合結(jié)果(y=-0.044x+89.657，R2=0.344)，虛線為擬合結(jié)果95%置信區(qū)間.

由圖3(A)可見，高程155～160 m土壤數(shù)據(jù)與其他高程組數(shù)據(jù)存在顯著性差異，土壤w(TN)在高程150～155 m和高程155～160 m間產(chǎn)生顯著變化. 當高程大于155 m時，w(TN)隨著高程增加而呈現(xiàn)下降趨勢(從1.17 gkg降至0.75 gkg). 當高程小于55 m時，w(TN)保持在較低水平(0.66～0.86 gkg).

由圖3(B)可見，盡管不同年份w(TN)平均值在0.72～1.18 gkg之間波動，但數(shù)據(jù)存在一定年際差異，推測可能與不同研究采樣區(qū)域土壤的時空異質(zhì)性有關. 為了詳細判斷TN年際變化規(guī)律，對數(shù)據(jù)進行線性擬合分析，發(fā)現(xiàn)w(TN)隨年份增加而呈現(xiàn)下降趨勢，Pearson相關性系數(shù)為-0.64，為中度負相關關系，擬合直線的R2約為0.344，可反映數(shù)據(jù)變化的大致趨勢.

由圖3(C)可見，巫山縣、涪陵區(qū)及萬州區(qū)消落帶w(TN)(1.08～1.45 gkg)較高，重慶主城區(qū)消落帶w(TN)(0.59 gkg)較低，高低值之間具有顯著性差異. 消落帶上游地區(qū)(重慶主城區(qū)、涪陵區(qū))w(TN)沿程不斷升高，在涪陵區(qū)達到最高值(1.16 gkg). 進入中下游地區(qū)后，w(TN)呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(除巫山縣點位外)，最終維持在0.85 gkg左右，整體上w(TN)呈現(xiàn)先升后降的趨勢.

2.2 消落帶土壤w(TP)時空分布

磷是引起水體富營養(yǎng)化的重要限制因素之一，自然生態(tài)系統(tǒng)中磷賦存形態(tài)均為化合態(tài). 消落帶土壤中含有Ca2+、Mg2+、Fe3+等金屬離子，易與化合態(tài)磷結(jié)合形成難溶鹽賦存于土壤. 水文條件的改變會影響磷的賦存形態(tài)，使其釋放進入上覆水體，影響水生生態(tài)環(huán)境. 對消落帶土壤w(TP)進行分析，得到土壤w(TP)隨高程、年份、地區(qū)變化的統(tǒng)計結(jié)果，如圖4所示.

注： 不同的小寫字母表示不同組間具有顯著性差異. 圖4(B)中圓點為平均值，實線為線性擬合結(jié)果(y=-0.004x+7.764，R2=0.106)，虛線為擬合結(jié)果95%置信區(qū)間.

由圖4(A)可見，除高程<150 m與高程>175 m組外，其他高程組均不具有顯著性差異，高程<150 m的土壤w(TP)較高，為0.76 gkg，高程>175 m的土壤w(TP)較低，為0.53 gkg. 高程在150～175 m之間時，w(TP)基本保持穩(wěn)定，約為0.6 gkg.

由圖4(B)可見，2008年與2012年w(TP)保持在較高水平(0.93～0.98 gkg). 2008年后，除2012年w(TP)保持在較高水平外，其余年份平均值均低于2007年和2008年，并于2013年達到最低值(0.31 gkg)，極值之間具有顯著性差異. 在2013年之后w(TP)呈上升趨勢并穩(wěn)定在0.39～0.61 gkg之間. 為進一步判斷w(TP)年際變化規(guī)律，對數(shù)據(jù)進行線性擬合分析，w(TP)擬合直線斜率較小，趨于平穩(wěn)，但其R2較低，僅為0.106，即線性關系擬合的可信度較低，故不作為主要分析結(jié)果.

由圖4(C)可見，消落帶中上游地區(qū)(重慶主城區(qū)、涪陵區(qū)、豐都縣)w(TP)呈現(xiàn)沿程上升趨勢. 在豐都縣達到高值(0.83 gkg)后，除開州區(qū)和云陽縣點位(即澎溪河消落帶)數(shù)據(jù)平均值突然增加(至0.70 gkg)外，剩余點位w(TP)維持在0.6 gkg左右. 巫山縣消落帶w(TP)達到最低，約為0.45 gkg. 結(jié)果表明，該研究中所涉及區(qū)縣的下游庫區(qū)(包含萬州區(qū)、云陽縣、巫山縣和秭歸縣，主要為湖北庫區(qū))w(TN)較高(平均值為1.03 gkg)，而上游庫區(qū)(包含重慶主城區(qū)、涪陵區(qū)、豐都縣、忠縣，主要為重慶庫區(qū))w(TP)較高(平均值為0.69 gkg).

3 討論

3.1 浸沒強度對消落帶土壤w(TN)、w(TP)的影響

綜上，消落帶土壤w(TN)與淹沒強度相關. 當土壤長時間被水淹沒時(即高程<145 m)，土壤微生物群落處于厭氧環(huán)境，反硝化作用增強，w(硝態(tài)氮)降低，且礦化作用產(chǎn)生的銨態(tài)氮向上覆水體釋放[9]. 高程升至145～155 m時，土壤出現(xiàn)落干周期，已有研究[21]表明，該高程土壤w(有機質(zhì))較高，有機質(zhì)分解可以在落干期提供銨態(tài)氮供給硝化作用，此時土壤暴露于有氧環(huán)境，微生物硝化作用增強，致使土壤中氮素易隨徑流、降水及水位波動發(fā)生遷移. 此外，高程在155 m以下土壤因水位波動經(jīng)歷的淹沒-落干周期次數(shù)較多，淹水周期長達250 d，這一環(huán)境因素加速植物腐解速率，使植物密度降低，加劇土壤中營養(yǎng)物質(zhì)釋放[46]. 基于這一特點，只有空心蓮子草〔Alternantheraphiloxeroides(Mart.) Griseb.〕和狗牙根(Cynodondactylon)等抗逆性較強、水下根莖發(fā)達的植物可在該區(qū)域穩(wěn)定存在[47]. 由于采樣時間通常為6—9月，水熱條件使根系微生物活性增強，利于銨態(tài)氮的生物分解并使水體中部分氮轉(zhuǎn)化為N2O進入大氣，使w(TN)降低[48].

消落帶物種豐富度在高程梯度的中部會達到峰值[49]. 當高程到達160 m時，植被密度較高程145～155 m大量增加；三峽消落帶高程160 m的優(yōu)勢種為狗牙根(Cynodondactylon)、鐵線蕨(Adiantumcapillus-venerisL.)、香附子(CyperusrotundusL.)等多年生草本植物，同時伴隨狗尾草(Setariaviridis)、蒼耳(XanthiumsibiricumPatrinWidder)等一年生植物[20]. 而高程為170 m時，多年生植物密度降低，優(yōu)勢種變?yōu)橐荒晟参铩踩绻肺膊?Setariaviridis)、白酒草(Conyzajaponica)、馬唐(Digitariasanguinalis(L.) Scop.)、豚草(AmbrosiaartemisiifoliaL.)等〕[11,36]. 氮是植物體蛋白質(zhì)的主要成分，并且蛋白質(zhì)又是植物細胞的主要組成部分. 一年生植物的生長周期較多年生植物生長周期短. 水環(huán)境中多年生草本植物的分解速率低于一年生草本植物[50-51]. 因此，一年生植物的腐解會加劇土壤基質(zhì)營養(yǎng)物質(zhì)損失[46]，這一結(jié)論與統(tǒng)計得到的數(shù)據(jù)規(guī)律相符.

淹沒強度差異可能與土壤w(TN)隨著高程增加而下降的統(tǒng)計規(guī)律存在一定關系. 長期反自然節(jié)律的水位波動會導致部分消落帶多年生植物產(chǎn)生抗逆性機制，如植物通過增強固氮菌的固氮作用等氮利用機制，以補償消落帶土壤氮淋失造成的營養(yǎng)物質(zhì)損失. 此類抗逆性機制也有可能會對土壤w(TN)分布情況產(chǎn)生影響. 但這種影響的具體作用過程尚不明確，仍需要進一步開展研究.

對w(TP)的高程變化進行分析，發(fā)現(xiàn)高程w(TP)較高，且該高程土壤長期處于浸沒或者反復淹水-落干狀態(tài)(淹水周期高達320 d). 結(jié)合已有研究[45]發(fā)現(xiàn)，三峽地區(qū)土壤TP主要由生物較難利用的Ca-P(鈣結(jié)合態(tài)磷)構成. Ca-P因其難溶性，即使經(jīng)歷淹水過程也較難向上覆水體釋放[52]，但該形態(tài)磷會被土壤微粒吸附[53]，隨水位變化產(chǎn)生的坡面侵蝕和波浪侵蝕作用進入水體. 模擬研究[51]也表明，大部分磷素流失都是基于土壤介質(zhì)流失所產(chǎn)生. 泥沙吸附的磷在水-沉積物界面發(fā)生一系列遷移轉(zhuǎn)化過程，最終使沉積物w(TP)增加，這與高程<150 m土壤w(TP)顯著高于其他高程組的結(jié)論相符.

從植物腐解的角度分析，研究[47,51]表明，植物淹水腐爛向上覆水體釋放的磷以溶解性無機磷(DIP)為主. DIP在水體中易吸附于懸浮顆粒物，由于三峽地區(qū)土質(zhì)為石灰質(zhì)黃壤，w(Ca2+)高. 當DIP與碳酸鈣發(fā)生共沉淀，活性磷的活性降低，隨泥沙沉積，使沉積物中w(TP)上升[52]. 也有研究表明，多年生草本對水體w(TP)影響略小于一年生草本[54]，即一年生植物的腐解對消落帶土壤TP的流失影響更大，這與統(tǒng)計結(jié)果中高程>170 m范圍內(nèi)(一年生植物密度大于多年生植物密度)w(TP)較低的規(guī)律相符.

3.2 消落帶土壤淹沒條件變化對其產(chǎn)生的長期影響

三峽大壩自2008年正式蓄水至175 m，結(jié)合對w(TN)、w(TP)的逐年分析，發(fā)現(xiàn)在2008—2009年節(jié)點處二者均產(chǎn)生顯著差異，其中w(TP)變化更顯著，2008年后w(TP)普遍低于2008年前. 通過對多年數(shù)據(jù)的線性擬合發(fā)現(xiàn)，消落帶w(TN)整體呈現(xiàn)逐年遞減的趨勢，但w(TP)變化趨勢較為平穩(wěn). 結(jié)果表明，水位調(diào)節(jié)導致的反復淹水-落干過程確實對消落帶土壤中TN產(chǎn)生淋溶作用，而對TP的影響較小.

結(jié)合已有研究[7]發(fā)現(xiàn)，一定強度的淹水使土壤環(huán)境氧化還原電位降低，還原性增強. 此外，隨著消落帶土壤經(jīng)歷淹水-落干周期次數(shù)的增加，消落帶植物群落逐步演替，植物殘體的變化影響了物質(zhì)循環(huán). 這些條件有利于有機質(zhì)和TN的積累[9,12]. 冬季高水位環(huán)境時，處于低溫厭氧環(huán)境的土壤微生物活性低，分解有機質(zhì)速率慢. 夏季低水位環(huán)境時，溫度上升且微生物暴露于有氧環(huán)境，促進有機質(zhì)分解. 已有研究[12]表明，有機氮為TN的主要賦存形態(tài). 有機質(zhì)分解導致大量氮素釋放進入上覆水體. 不同年份w(TP)差異較大，認為這一現(xiàn)象是由于土壤的空間異質(zhì)性導致，但總體變化趨勢平穩(wěn). 土壤淹水會導致pH趨于中性[55]. TP的重要賦存形態(tài)Ca-P在中性或弱堿性環(huán)境中活性較弱，只有pH趨于酸性時才會釋放進入上覆水體. 但氮、磷元素在水-沉積物界面的具體遷移過程和形態(tài)轉(zhuǎn)變過程仍需進一步研究.

結(jié)合地區(qū)點位分析，w(TN)、w(TP)的空間差異性大，認為氮、磷元素在空間上的分布情況和人類活動密切相關.w(TN)、w(TP)在三峽消落帶上游地區(qū)(重慶主城區(qū)至豐都縣)均呈現(xiàn)出沿程升高的趨勢. 消落帶上游地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展迅速，城市化水平高，消落帶土壤受工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航運、居民生活等人類活動影響較大[56]. 污染物進入水體中，在水位波動過程中經(jīng)吸附-解吸作用會影響消落帶土壤氮、磷元素分布. 進入消落帶中游地區(qū)(忠縣至云陽縣)后，人類活動影響減弱，w(TN)、w(TP)保持在穩(wěn)定水平. 消落帶下游地區(qū)巫山縣w(TN)較高. 結(jié)合原始數(shù)據(jù)情況，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)土壤類型主要有黃壤土和紫色土，主要土地利用類型為農(nóng)業(yè)用地和荒地，采樣時間均在2015年以前. 相較中上游地區(qū)，下游地區(qū)(云陽縣、奉節(jié)縣、巫山縣)多為農(nóng)業(yè)用地，耕地面積約占32.67%～35.98%，為主要土地利用類型[57]. 由于淹沒-落干周期緣故，大多數(shù)農(nóng)業(yè)用地都位于高程160 m以上，主要作物為玉米[58]. 因此對耕地作物施肥或植物殘體分解的情況可能會在消落帶土壤落干期導致w(TN)上升，而TN在浸沒期向上覆水體釋放. 消落帶下游地區(qū)存在高強度水土流失情況，而在消落帶中上游地區(qū)卻鮮有發(fā)生[59]. 進一步表明該類型土地景觀脆弱化程度明顯，生態(tài)環(huán)境安全性較差，故該地區(qū)由農(nóng)業(yè)非點源輸出氮產(chǎn)生的水體富營養(yǎng)化風險不容忽視.

由于該研究主要依據(jù)文獻數(shù)據(jù)的搜集整理，存在研究資料的局限性，如云陽縣、開州區(qū)相關研究文獻較多，同其他地區(qū)存在數(shù)據(jù)總量上的差異；而巫山縣、忠縣地區(qū)數(shù)據(jù)起始年份不同. 盡管歷史資料的年份不能統(tǒng)一，但在時空尺度上仍可以反映出消落帶土壤w(TN)、w(TP)的變化特征. 如果要在大尺度、長時間序列的研究中真正解決這一問題，需要開展持續(xù)性跟蹤監(jiān)測研究或采取更加先進、便捷的監(jiān)測手段，對消落帶生態(tài)進行全面系統(tǒng)地保護.

4 結(jié)論

a) 高程統(tǒng)計結(jié)果表明，水位調(diào)節(jié)導致的淹沒強度變化對消落帶土壤中TN產(chǎn)生淋溶作用，而對TP的影響較小. 消落帶土壤w(TN)隨高程增加呈先增后降的趨勢，變化拐點位于高程155～160 m處. 消落帶土壤w(TP)隨高程增加呈逐漸降低趨勢.

b) 時間統(tǒng)計結(jié)果表明，消落帶土壤w(TN)整體呈現(xiàn)逐年遞減的趨勢，但w(TP)變化趨勢較為平穩(wěn). 一定時間內(nèi)土壤中TN具有積累效應，但隨淹沒周期增加，對TN產(chǎn)生淋溶作用，存在釋放進入上覆水體的風險. 不同年份w(TP)變化情況無顯著規(guī)律，需要進一步進行研究.

c) 地區(qū)統(tǒng)計結(jié)果表明，三峽下游庫區(qū)(主要為湖北庫區(qū))消落帶土壤w(TN)較高，而三峽上游庫區(qū)(主要為重慶庫區(qū))w(TP)較高. 消落帶上游地區(qū)應更關注土壤中高w(TP)帶來的環(huán)境風險，而消落帶下游地區(qū)應更關注因水土流失和非點源輸出導致的高w(TN)所致環(huán)境風險.