朱 凱 ，馬茂華 ，李文娟 ，冉義國 ，冉嬌嬌 ，吳勝軍 *

（1.中國科學院水庫水環(huán)境重點實驗室，中國科學院重慶綠色智能技術(shù)研究院，重慶 400714；2.中國科學院大學，北京 100049）

土壤飽和導水率是指土壤孔隙全部充滿水時，在單位水勢梯度作用下，通過垂直于水流方向單位面積土壤的水流通量或滲流速度[1]，是影響水體流動和溶質(zhì)運移最重要的土壤水力特性之一[2]。一般而言，較高飽和導水率的土壤，不僅可以延緩降水形成的地表徑流，減少侵蝕，還有利于更多的降水更快地滲入，進而提升其涵養(yǎng)水源的功能[3]。此外，詳細了解土壤飽和導水率特征對于評估灌溉、入滲率、徑流、地下水補給率和排水過程等至關(guān)重要。因此，對退化生態(tài)系統(tǒng)修復管理中土壤飽和導水率的研究具有重大意義[4-5]。

近年來，圍繞退化生態(tài)系統(tǒng)的自然和人工修復對生態(tài)環(huán)境影響的研究，促進了土地利用政策和生態(tài)恢復策略的調(diào)整與組合優(yōu)化[6-7]。對退化生態(tài)系統(tǒng)開展主動與被動生態(tài)修復是國際上公認的兩種生態(tài)修復策略[8-11]，能夠重塑生態(tài)系統(tǒng)的土壤屬性以及其他生態(tài)功能，從而促進生態(tài)系統(tǒng)的恢復與穩(wěn)定[12]。主動修復是指對受損生態(tài)系統(tǒng)進行人為的修復與維護，以使生態(tài)系統(tǒng)恢復到理想的結(jié)構(gòu)和功能；被動修復是指消除放牧和耕作等人類活動的干擾，使退化生態(tài)系統(tǒng)維持次生演替的自然過程[9]。三峽水庫自2010年正式蓄水以來在庫區(qū)形成了與天然河流漲落季節(jié)相反、垂直高差達30 m、面積約為349 km2的典型消落帶新生濕地[13]。在獨特的水位波動條件下，周期性的裸露和浸泡，水位漲落沖刷和淤積，以及大量的土地利用等，致使原有河岸生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)嚴重退化，繼而引發(fā)了一系列生態(tài)環(huán)境問題，例如喬灌木難以存活、土壤侵蝕嚴重及生態(tài)功能退化等[14]。目前，設(shè)立自然保護區(qū)促進岸帶草本植物次生演替的被動修復策略與人工種植耐淹植被的主動修復策略被廣泛用于三峽水庫消落帶的生態(tài)恢復治理中[15]。其中，耐水淹脅迫較強的桑樹與水杉是消落帶中最具代表性的主動修復植被。已有研究大多集中于探究生態(tài)修復措施選擇，雖取得了豐碩的科研成果，但不同生態(tài)修復策略如何影響土壤導水性能仍然是一個尚未明晰的問題。本文以三峽水庫消落帶為研究對象，選取現(xiàn)有典型的案例為生態(tài)修復策略代表，初探不同生態(tài)修復策略下土壤飽和導水率及其主要影響因素，其結(jié)果可為指導消落帶生態(tài)保護與重建提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于重慶市開州區(qū)境內(nèi)（108°27′37″～108°33′45″E，31°08′28″～31°11′15″N）。白家溪、大浪壩和烏楊灣消落帶位于澎溪河（圖1），是三峽庫區(qū)典型的土質(zhì)消落帶，具有相同的氣候、地形和土壤類型（紫色土為主）。澎溪河是三峽庫區(qū)主要支流之一，其流域面積是庫區(qū)萬州以下支流中最大的。澎溪河消落帶位于開縣和云陽境內(nèi)，面積約為38.9 km2，占庫區(qū)消落帶總面積的13.2%，是三峽庫區(qū)面積最大的消落帶。其中，烏楊灣消落帶位于白家溪消落帶上游，臨近城區(qū)，土地利用類型多樣，為人為干擾較強的庫區(qū)消落帶（農(nóng)田）。白家溪消落帶位于澎溪河濕地自然保護區(qū)內(nèi)，代表消落帶被動修復模式。大浪壩消落帶位于白家溪消落帶與烏楊灣消落帶之間，該研究點為人工種植耐淹植被生態(tài)修復試驗區(qū)（主動修復），主要土地利用類型為桑樹+水杉復合林、荷塘。研究區(qū)為亞熱帶濕潤季風氣候，溫和濕潤。年平均氣溫18.6℃，年平均降水量1 100～1 500 mm，年平均徑流量3.58×109m3。土壤類型以紫色土為主。消落帶內(nèi)植物以草本植物為主，主要有狗牙根（Cynodondactylon）、雀稗（Paspalumthunbergii）、蒼耳（Xanthiumsibiricum）等[13，16]。

圖1 三峽水庫區(qū)域圖（a）和研究區(qū)示意圖（b）Fig.1 Location of the Three Gorges Area(TGA)in China(a)and the study region(b)

1.2 樣地設(shè)置與采樣

2019年9月，水庫水位為145 m左右時，沿著研究區(qū)消落帶內(nèi)168 m海拔高程，選取桑樹+水杉復合林與自然草地為研究樣地，分別代表三峽水庫消落帶中的主動修復和被動修復地塊。同時，選取農(nóng)田（玉米地、水田）為對照樣地。在每個樣地按照均勻分布和隨機布點原則設(shè)置3個采樣點，進行0～10 cm土層樣品采集。采用環(huán)刀（體積100 cm3，直徑5 cm，高5 cm）取原狀土裝入自封袋，所有樣品帶回實驗室立即進行測定。

1.3 樣品處理與實驗室分析

土壤飽和導水率測定采用恒定水頭法，結(jié)果取平均值[3，17]，計算方法如下：

式中：Kt為飽和導水率，mm/min；Q為時間t內(nèi)的出流量，mL；L為水流路徑的直線距離，cm；A為水流經(jīng)過的橫截面積，cm2；ΔH為滲流路徑始末斷面的總水頭差，cm；t為出流時間，min。

為了使不同溫度下所測得的Kt值便于比較，應(yīng)換算成10℃時的飽和導水率。

式中：K10為10℃時的飽和導水率，mm/min；Kt為t時的飽和導水率，mm/min；T為測量時的水溫，℃。

土壤容重、飽和持水量、毛管含水量、田間持水量、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度以及土壤三相比例采用環(huán)刀法測定。土壤有機碳采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法來測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

統(tǒng)計分析之前，對數(shù)據(jù)進行正態(tài)性、方差齊性檢驗，如果數(shù)據(jù)不滿足正態(tài)性與方差齊性檢驗，則對數(shù)據(jù)進行對數(shù)轉(zhuǎn)換。然后用R統(tǒng)計軟件對不同土地利用類型的土壤飽和導水率（K10）和所有土壤理化因子進行單因素方差分析，并利用最小顯著性差異LSD標注差異顯著性；對飽和導水率和土壤理化性質(zhì)進行Pearson相關(guān)分析和顯著性檢驗，最后利用逐步回歸分析確定飽和導水率的主要影響因素。

2 結(jié)果與分析

2.1 消落帶不同生態(tài)修復模式的土壤基本理化性質(zhì)

三峽水庫消落帶不同生態(tài)修復模式與農(nóng)田土壤理化性質(zhì)的統(tǒng)計特征分析結(jié)果見表1。不同土地利用方式之間的表層（0～10 cm）土壤理化性質(zhì)具有顯著性差異（P＜0.05）。被動修復草地的土壤飽和持水量、毛管含水量、田間持水量、毛管孔隙度、總孔隙度與土壤有機碳含量高于主動修復的桑樹+水杉復合林與農(nóng)田，較玉米地分別提升了24.28%、27.52%、45.52%、11.36%、8.61%、26.89%，較水田分別提升了20.18%、16.39%、27.14%、4.20%、7.35%、10.80%。此外，被動修復草地的固相率與土壤容重顯著低于主動修復的桑樹-水杉復合林與農(nóng)田，較玉米地分別降低了8.16%、11.85%，較水田分別降低了7.13%、9.16%。

表1 各研究樣地土壤理化性質(zhì)Table 1 Soil physicochemical properties across all four sites

2.2 消落帶不同生態(tài)修復模式的土壤飽和導水率特征

消落帶被動修復自然草地、主動修復桑樹+水杉復合林與農(nóng)田的表層K10如圖2所示。被動修復自然草地K10顯著高于主動修復桑樹+水杉復合林與農(nóng)田的K10。各樣地K10從大到小依次為：自然草地（0.46±0.15 mm/min）＞桑樹+水杉復合林（0.091±0.03mm/min）＞玉米地（0.090±0.04mm/min）＞水田（0.0091±0.01 mm/min）。

圖2 不同土地利用類型土壤飽和導水率Fig.2 Soil saturated hydraulic conductivity(K10)of different land use types

2.3 三峽水庫消落帶土壤飽和導水率的影響因素

土壤K10與土壤理化性質(zhì)密切相關(guān)，不同研究由于其植被、土壤理化性質(zhì)、氣候類型等差異，得出的K10影響因素不同[3，18-19]。本研究中Pearson相關(guān)分析（圖3）表明，土壤有機碳、土壤毛管孔隙度、土壤總孔隙度與田間持水量與K10具有顯著性正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），而與土壤容重呈顯著性負相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。單一土壤因子與K10的相關(guān)性是在忽略其他因子影響的前提下得出的，不能真實反映它們的相關(guān)性[20]。為此，再選取土壤飽和含水量（X1），毛管含水量（X2），田間持水量（X3），非毛管孔隙度（X4），毛管孔隙度（X5），總孔隙度（X6）、固相率（X7），液相率（X8），氣相率（X9），土壤有機碳（X10），土壤容重（X11）11個變量，采用多元逐步回歸分析，篩選最重要的影響因子。得到如下方程：

圖3 飽和導水率與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析Fig.3 Correlation coefficients among saturated hydraulic conductivity and soil physical and chemical properties

由回歸方程可知，K10的主導影響因子是土壤田間持水量（圖4）。土壤田間持水量的增加會增加K10。

圖4 飽和導水率與田間持水量的關(guān)系Fig.4 Relationship between saturated hydraulic conductivity(K10)and soil field capacity(FC)

3 討論

由于土壤理化性質(zhì)在短期和中期內(nèi)保持穩(wěn)定，因此，單次測定土壤理化性質(zhì)能夠充分代表各樣地的土壤條件[21]。不同土地利用方式對土壤理化性質(zhì)具有顯著影響，一方面植被類型不同導致根系結(jié)構(gòu)不同，土壤團粒結(jié)構(gòu)和孔隙性因根系通過穿插和根際生物活動而改變；另一方面，植被構(gòu)成的差異造成了林下動植物殘體和微生物分解后進入土壤中養(yǎng)分的差異[3]。被動修復自然草地土壤飽和含水量、毛管含水量與田間持水量顯著高于主動修復桑樹+水杉復合林與農(nóng)田。說明與主動修復相比，被動修復自然草地土壤能夠更好地截流、儲存水分，有利于減少水土流失與增加營養(yǎng)物質(zhì)固持。此外，被動修復自然草地具有更高的毛管孔隙度與總孔隙度，以及最低的土壤容重，說明被動修復模式下的土壤具有更良好的孔隙結(jié)構(gòu)，這有利于植物根系伸展與土壤動物活動[22]。而主動修復桑樹+水杉復合林與農(nóng)田由于較為頻繁的人類活動，如踩踏壓實、肥料使用、翻耕等都有可能壓實土壤，增加土壤容重，破壞土壤孔隙結(jié)構(gòu)[23-24]。頻繁的耕作活動會破壞表層土壤結(jié)構(gòu)，增加有機碳礦化損失[25-26]；桑樹-水杉復合林中，由于消落帶蓄水期強烈的水位波動與水流沖刷，凋落物還沒來得及歸還土壤就被水流沖走，故而有機碳含量較低[27]；而被動修復自然草地由于較少遭受人類干擾，優(yōu)勢草本（如狗牙根）發(fā)達的根系組織利于儲存有機碳含量，因此，保有最高的有機碳含量[16]。

土壤飽和導水率反映了土壤的入滲和滲漏性質(zhì)，是研究水分、溶質(zhì)在土壤中運動規(guī)律的重要水力參數(shù)[24]。研究結(jié)果表明，三峽水庫消落帶被動修復自然草地的土壤飽和導水率遠遠高于主動修復林地及農(nóng)田的土壤飽和導水率。說明了被動修復自然草地的土壤水分入滲狀況優(yōu)于桑樹+水杉復合林。尤其是三峽水庫消落帶落干期強降雨頻發(fā)，在同等降雨情況下，桑樹+水杉復合林與農(nóng)田中的雨水無法及時下滲，更容易形成產(chǎn)流，增加土壤侵蝕風險。而將農(nóng)田退耕還草后，土壤飽和導水率增加，下滲能力增強。這主要是由于土壤飽和導水率與土壤容重、土壤孔隙度等土壤物理性質(zhì)及土壤中的根系與其附屬的土壤生物密切相關(guān)，良好的土壤物理特性以及根系狀況都有助于增加土壤水分入滲，減少水土流失[28]。此外，田間持水量反映了土壤的持水特性，土壤總孔隙度與容重反映了自然土壤孔隙性，土壤有機碳有利于大團聚體的形成[29-30]?？偪紫抖却?，大小孔隙分配適當，團粒之間排列疏松，則土壤通透性好[3，22]。因此，田間持水量是影響飽和導水率的最主要因素。以上結(jié)果表明，對消落帶開展被動修復能夠減少土壤侵蝕，保持水土。

4 結(jié)論

通過對三峽水庫消落帶不同生態(tài)修復策略與農(nóng)田土壤飽和導水率及其影響因素的初步探究，得出以下結(jié)論。

（1）不同生態(tài)修復策略對消落帶土壤理化性質(zhì)具有顯著影響。被動修復策略的土壤理化性質(zhì)優(yōu)于主動修復策略，自然草地的土壤飽和持水量、毛管含水量、田間持水量、毛管孔隙度、總孔隙度與土壤有機碳含量高于主動修復的桑樹+水杉復合林與農(nóng)田，而土壤容重卻顯著低于主動修復的桑樹+水杉復合林與農(nóng)田。

（2）被動修復自然草地的土壤飽和導水率顯著高于主動修復桑樹+水杉復合林及農(nóng)田的飽和導水率，土壤田間持水量是影響三峽水庫消落帶土壤飽和導水率的主導因子。

（3）相對于主動修復策略，被動修復策略能夠更有效地保持水土，減少土壤侵蝕。

（4）后期的研究中應(yīng)考慮消落帶高程、土壤分層、復合生態(tài)修復模式對土壤飽和導水率的時空分布影響。