楊 玲, 賀秀斌, 鮑玉海, 鄭曉嵐, 宋 嬌,3, 李進(jìn)林

(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; 3.重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院, 重慶 401331)

周期性反季節(jié)高壓淹水—出露過(guò)程使消落帶植被、土壤特性短時(shí)間內(nèi)發(fā)生劇烈變化，加之庫(kù)水波浪、降雨徑流、水位漲落等水動(dòng)力作用和人類活動(dòng)干擾，使得大型水庫(kù)消落帶在不同程度上面臨著復(fù)雜多樣的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[1]，尤其是消落帶土壤侵蝕問(wèn)題較為突出，水文條件驟變導(dǎo)致消落帶土壤侵蝕強(qiáng)度遠(yuǎn)高于陸地坡面[2-3]。強(qiáng)烈的土壤侵蝕將會(huì)造成消落帶土壤質(zhì)量下降、植被生長(zhǎng)受限、庫(kù)岸失穩(wěn)、水體環(huán)境惡化等危害，嚴(yán)重影響消落帶本身應(yīng)有的生態(tài)緩沖、生物多樣性維持、水庫(kù)水質(zhì)保障等生態(tài)服務(wù)功能的有效發(fā)揮，其土壤侵蝕過(guò)程與防治對(duì)策的研究已逐漸成為國(guó)際社會(huì)和學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)[1,3]。消落帶土壤侵蝕的影響因素涉及氣候、地形地貌、土壤、外營(yíng)力等多方面，其中土壤抗蝕性是重要因素之一。而土壤可蝕性K值是衡量土壤抗蝕性的重要指標(biāo)[4]，是土壤侵蝕過(guò)程與機(jī)理研究的重要內(nèi)容，常用來(lái)評(píng)價(jià)土壤被侵蝕營(yíng)力分離、沖蝕和搬運(yùn)的難易程度[5]，對(duì)消落帶土壤侵蝕定量評(píng)價(jià)和水土保持措施機(jī)理研究均有重要科學(xué)意義。

我國(guó)學(xué)者在土壤可蝕性K值研究方面已有眾多成果，針對(duì)土壤可蝕性研究方法、區(qū)域土壤可蝕性特征、不同土地利用類型土壤可蝕性評(píng)價(jià)、土壤可蝕性實(shí)測(cè)與估算的定量對(duì)比研究等均開展了一系列的研究[6-12]。目前，普遍利用估算模型進(jìn)行土壤可蝕性K值的計(jì)算，主要有土壤可蝕性諾謨方程、修正諾謨方程、EPIC模型、Torri公式以及Shirazi公式[6-7]。紫色土地區(qū)常使用EPIC模型進(jìn)行K值的計(jì)算[4,6,8]。但研究區(qū)域主要集中在陸地坡面，針對(duì)水庫(kù)消落帶土壤可蝕性K值的估算較為缺乏。三峽水庫(kù)高強(qiáng)度淹水和極端干濕交替環(huán)境改變了消落帶土壤結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)和力學(xué)特性[13-16]，導(dǎo)致土壤中值粒徑增大、團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低、有機(jī)質(zhì)含量減少[17-19]，上述土壤特性的改變將可能會(huì)引起土壤可蝕性的增加。而消落帶不同海拔梯度的淹水時(shí)長(zhǎng)、淹水深度、淹水—出露頻率等差異，造成土壤特性、植被等條件具有較強(qiáng)的空間異質(zhì)性[20-21]，使土壤可蝕性產(chǎn)生空間差異。目前，大型水庫(kù)蓄水運(yùn)行造成的消落帶土壤可蝕性變化趨勢(shì)及其空間分異規(guī)律尚不明確。由于目前水庫(kù)消落帶缺少長(zhǎng)期土壤侵蝕定位觀測(cè)資料，本研究以三峽水庫(kù)典型庫(kù)段消落帶草地為例，利用紫色土地區(qū)土壤可蝕性研究中常見的估算方法進(jìn)行消落帶土壤可蝕性K值研究，以期探明三峽水庫(kù)運(yùn)行后消落帶土壤可蝕性在海拔梯度和土層深度上的分異規(guī)律，探討其主要影響因素，為消落帶土壤侵蝕預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)和水土保持措施配置提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于三峽水庫(kù)重慶市忠縣石寶鎮(zhèn)庫(kù)段消落帶(107°32′—108°14′E，30°03′—30°35′N)，是三峽水庫(kù)典型的土質(zhì)消落帶。該區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，四季分明，夏季高溫多雨。年平均氣溫19.2℃，年平均降水量1 150 mm，主要集中在5—9月，日照充足。該段消落帶地形平緩，土壤母質(zhì)為侏羅系沙溪廟砂頁(yè)巖(J2s)，土壤類型以紫色砂巖或頁(yè)巖風(fēng)化后形成的紫色土為主，此外，還有少部分水稻土和黃棕壤[19]。三峽水庫(kù)蓄水前，消落帶的土地利用方式主要有旱地、水田和林地。主要種植的糧食作物有玉米(Zeamays)、水稻(Oryzaglaberrima)、紅薯(Ipomoeabatatas)、黃豆(Glycinemax)、油菜(Brassicacampestris)等。三峽水庫(kù)蓄水后，消落帶土地利用方式主要為草地(自然恢復(fù)和人工種植)和局部林地(人工種植)，其中145～160 m低海拔地區(qū)主要為草地，160～175 m較高海拔區(qū)域以草地為主并局部分布有條帶狀林地。研究區(qū)草本植物以狗牙根(Cynodondactylon)分布最為廣泛，其次為蒼耳(Xanthiumsibiricum)、扁穗牛鞭草(Hemarthriacompressa)、空心蓮子草(AlternantheraPhiloxeroides)、鬼針草(Bidenspilosa)等[22]。本研究選用的狗牙根草地屬于人工恢復(fù)草地，于2007年種植，已經(jīng)歷10 a以上的周期性淹水—出露過(guò)程。研究區(qū)消落帶位于長(zhǎng)江干流，淹沒和成陸規(guī)律與三峽水庫(kù)水位調(diào)度節(jié)律一致，每年9月末、10月初開始因水庫(kù)蓄水逐漸淹沒，一般在11月上旬消落帶145 ～175 m全部淹水，次年1—4月消落帶逐次從175 m向156 m出露，5月末消落帶全部出露，6—9月受汛期洪水影響145 ～160 m消落帶遭受短時(shí)間淹水過(guò)程。該區(qū)域淹水前土壤理化特性背景調(diào)查顯示[19]，研究區(qū)消落帶土壤淹水前土壤容重、酸堿度、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、硝態(tài)氮、氨態(tài)氮、速效磷、速效鉀等各測(cè)定指標(biāo)在不同海拔高程之間的差異均不顯著(p>0.05)。

1.2 樣地選擇與土壤樣品采集

2020年6月在研究區(qū)155 m，160 m，163 m，166 m，169 m，172 m海拔選取生境類型、地形平緩的紫色土岸坡，布設(shè)樣地采集土壤樣品，樣地土地利用類型淹水前為旱地，淹水后為狗牙根草地。每個(gè)海拔設(shè)置3個(gè)重復(fù)采樣點(diǎn)，采集0—10 cm和10—20 cm的表層土壤，并以未淹水180 m海拔區(qū)域狗牙根草地土壤為對(duì)照。每個(gè)樣點(diǎn)采集1 kg左右土壤樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行去雜、自然風(fēng)干等前處理。

1.3 土壤理化性質(zhì)分析

采用馬爾文MS-2000激光粒度分析儀(英國(guó)馬爾文儀器有限公司)測(cè)定土壤的顆粒組成。土壤粒徑分級(jí)劃分為：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，計(jì)算砂粒(0.05—2 mm)、粉粒(0.002—0.05 mm)、黏粒(<0.002 mm)含量。采用王國(guó)梁等提出的土壤顆粒分形維數(shù)分析方法計(jì)算體積分形維數(shù)[23]。采用Vario MACRO Cube元素分析儀(德國(guó)Elementar公司)測(cè)試土壤有機(jī)質(zhì)。采用Yoder濕篩法[24-25]測(cè)定土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體組成，并計(jì)算WS0.25(>0.25 mm土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量)指標(biāo)。

1.4 土壤可蝕性K值計(jì)算

本文采用EPIC模型計(jì)算土壤可蝕性K值，公式為[6,8]：

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

式中:SAN為砂粒(0.05～2 mm)含量(%);SIL為粉粒(0.002～0.05 mm)含量(%);CLA為黏粒(<0.002 mm)含量(%);C為有機(jī)碳含量(%);SN1=1表示SAN/100。計(jì)算的土壤可蝕性K值為美國(guó)制單位,將其乘以0.131 7則轉(zhuǎn)變?yōu)閲?guó)際制單位(t·hm2·h)/(MJ·mm·hm2)。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

利用IMB SPSS 20.0和Excel 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)分析和Pearson相關(guān)性分析。圖件制作采用Origin軟件。組間差異顯著性分析采用IMB SPSS 20.0軟件的單因素方差分析，顯著性水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)空間異質(zhì)性

由圖1可見，消落帶與未淹水對(duì)照0—20 cm表層土壤黏粒含量存在顯著差異(p<0.05)，消落帶土壤黏粒含量較對(duì)照大幅降低，減少幅度達(dá)41.19%～79.81%。受水庫(kù)水位漲落節(jié)律的影響，不同海拔消落帶土壤遭受淹水脅迫時(shí)長(zhǎng)和程度有著明顯的不同，表層土壤理化性質(zhì)沿海拔梯度存在明顯的空間異質(zhì)性，表現(xiàn)為：172 m>169 m>166 m>160 m>163 m>155 m，土壤黏粒含量為3.45%～10.05%(見表1)。土壤顆粒的體積分形維數(shù)與黏粒含量分布規(guī)律一致，隨海拔升高而增大，其中155～163 m低海拔區(qū)域的分形維數(shù)顯著低于166 m以上區(qū)域(p<0.05)，差幅可達(dá)10.16%～19.54%，但166 m海拔以上區(qū)域無(wú)顯著差異(p>0.05)。從土壤團(tuán)聚體含量來(lái)看，>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量較對(duì)照明顯降低，且有隨海拔增加而增加的趨勢(shì)，尤其155～163 m低海拔區(qū)域與對(duì)照差異顯著(p<0.05)。消落帶土壤有機(jī)質(zhì)平均含量1.20%～1.60%(見表1)，顯著低于對(duì)照的1.79%(p<0.05)，且與海拔呈正相關(guān)。

表1 消落帶表層0-20 cm土壤主要理化性質(zhì)隨海拔的變化

土壤理化性質(zhì)在不同土層上也具有一定的差異性，總體來(lái)看，0—10 cm土層有機(jī)質(zhì)含量高于10—20 cm土層，平均差值為0.26%，而0—10 cm土層土壤黏粒含量和>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均顯著低于10—20 cm土層(p<0.05)，分別減少0.28%和2.88%。0—10 cm土層土壤顆粒的體積分形維數(shù)稍高于10—20 cm土層，但差異幅度較小，僅為0.01，兩者差異不顯著(p>0.05)。

2.2 土壤可蝕性K值的空間異質(zhì)性

消落帶0—20 cm表層土壤可蝕性K值的統(tǒng)計(jì)分析表明，消落帶表層土壤K值為0.049 6～0.061 2，均值0.054 1，屬于高可蝕性土壤。由圖2可知，消落帶土壤可蝕性因子K值高于對(duì)照，平均比對(duì)照高7.33%，呈現(xiàn)出隨海拔升高而降低的趨勢(shì)，其中155 m，160 m海拔與對(duì)照具有顯著性差異(p<0.05)，平均增加幅度達(dá)到對(duì)照的30.63%，而163～172 m海拔的K值與對(duì)照之間差異不顯著(p>0.05)，相對(duì)增幅僅有3.49%。消落帶所有樣地的K值偏度為0.536，峰度為-0.329，均小于1，變異系數(shù)CV值為12.74%，說(shuō)明消落帶土壤可蝕性K值在各海拔梯度上基本服從正態(tài)分布，空間變異性為中等。在土層分布上，0—10 cm土層的平均K值低于10—20 cm土層，后者是前者的1.03倍，但兩者無(wú)顯著差異(p>0.05)。

注:圖中不同大寫字母表示同一海拔各土層之間存在顯著差異(p<0.05)，不同小寫字母表示同一土層不同海拔之間存在顯著差異(p<0.05)。

2.3 表層土壤可蝕性K值與影響因子相關(guān)性

由圖3可知，K值大小與土壤黏粒含量、體積分形維數(shù)、>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量和有機(jī)質(zhì)等土壤理化性質(zhì)密切相關(guān)。K值與各指標(biāo)的Pearson相關(guān)性分析表明，K值與土壤黏粒含量、>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量和有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.652，-0.628和-0.705(p<0.01)；與土壤顆粒的體積分形維數(shù)呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.427(p>0.05)；而K值與土壤粉粒和砂粒含量呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.419，0.105(p>0.05)。綜上所述，土壤可蝕性因子K值隨黏粒含量、>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量和有機(jī)碳含量的增加而減小，隨粉粒和砂粒含量的增加而增大。圖3的曲線擬合結(jié)果同樣表明K值與土壤理化因子之間具有上述相關(guān)性。由此可知，通過(guò)植被恢復(fù)改善土壤結(jié)構(gòu)，增加>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體和有機(jī)質(zhì)含量，防止波浪和降雨徑流對(duì)表層土體的沖刷，保持消落帶土壤黏粒含量，可有效降低土壤可蝕性。

注:圖中不同大寫字母表示同一海拔各土層之間存在顯著差異(p<0.05)，不同小寫字母表示同一土層不同海拔之間存在顯著差異(p<0.05)。

圖3 土壤可蝕性K值與土壤理化因子的擬合曲線

3 討 論

三峽水庫(kù)消落帶典型斷面155～172 m海拔范圍內(nèi)的狗牙根草地表土可蝕性K值為0.049 6～0.061 2，均值為0.054 1，按饒良懿等[7]土壤可蝕性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到高可蝕性。遠(yuǎn)高于全國(guó)30個(gè)省(市、區(qū))0.023 5～0.046 0范圍的土壤可蝕性K值[5]。但不同估算模型算法會(huì)對(duì)K值結(jié)果產(chǎn)生重要影響，且每個(gè)算法的適用性因區(qū)域而異[6-8]。紫色土地區(qū)的已有研究表明，EPIC算法較適宜于紫色土地區(qū)[6]。因此，本研究采用了該算法對(duì)消落帶土壤可蝕性K值進(jìn)行了分析。根據(jù)采用同一算法對(duì)不同土地利用類型土壤K值研究結(jié)果，紫色土地區(qū)坡耕地、荒地和林地的土壤可蝕性K值(國(guó)際制單位)介于0.041～0.052 8之間[6,8]，明顯低于本研究消落帶土壤的K值。這表明周期性淹水—出露—淹水的極端水文變化過(guò)程，導(dǎo)致了消落帶土壤K值的升高，其根本原因在于消落帶遭受長(zhǎng)時(shí)間、反季節(jié)、高壓淹水脅迫，消落帶土壤特性、植被群落結(jié)構(gòu)均在短時(shí)間發(fā)生顯著變化[3,21,26]，表現(xiàn)在植被消亡演替、劇烈土壤侵蝕、土壤結(jié)構(gòu)劣化等[13-15,21]，并引起土壤有機(jī)質(zhì)、氮磷鉀等養(yǎng)分含量的顯著下降[19]，從而影響土壤可蝕性。

消落帶內(nèi)部土壤可蝕性K值隨土層和海拔的分布差異，主要原因是不同海拔土壤的淹沒時(shí)間、庫(kù)水壓力、淹水—出露頻率和水位變動(dòng)幅度等均具有差異，遭受的土壤侵蝕情況也不同[27]，導(dǎo)致坡面侵蝕產(chǎn)沙、團(tuán)聚體組成和穩(wěn)定性、植物根系分形特征、有機(jī)質(zhì)含量等具有一定的空間異質(zhì)性[18-19,21,27]。相關(guān)研究表明，消落帶低海拔區(qū)域淹水時(shí)間和淹水深度顯著高于高海拔區(qū)域，植被可利用的生長(zhǎng)時(shí)間減少，造成植被群落多樣性和覆蓋度降低，根系固土作用減弱，使土壤團(tuán)聚體更易分散[18]。本研究結(jié)果表明，與未淹水的180 m海拔對(duì)照樣地土壤相比，消落帶155～163 m低海拔區(qū)域土壤>0.25 mm的團(tuán)聚體平均含量顯著降低(p<0.05)，這表明周期性淹水浸泡和波浪沖擊的特殊水文環(huán)境導(dǎo)致消落帶土壤大粒徑團(tuán)聚體崩解破碎，使得團(tuán)聚體粒徑降低。這可能也與消落帶水位快速升降引起的團(tuán)聚體崩解有關(guān)[18]。消落帶不同海拔植被組成與群落結(jié)構(gòu)的差異，也會(huì)影響到土壤養(yǎng)分的積累與分解存在空間異質(zhì)性，消落帶土壤在經(jīng)歷多次淹水—出露—淹水的干濕循環(huán)后，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量均顯著下降[28]，且呈現(xiàn)隨海拔升高而升高的趨勢(shì)[29]。土壤可蝕性是由土壤內(nèi)在理化性質(zhì)決定的特征參數(shù)[6]，K值大小與土壤顆粒組成和有機(jī)質(zhì)密切相關(guān)[7]。消落帶土壤特性在海拔梯度上的空間異質(zhì)性，將導(dǎo)致土壤可蝕性K值沿海拔梯度存在空間差異。本研究結(jié)果表明消落帶0—20 cm表層土壤有機(jī)質(zhì)、黏粒、>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體等含量均隨著海拔的降低而降低(圖1)，且上述因子均與土壤可蝕性K值呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)，最終導(dǎo)致消落帶土壤可蝕性K值隨海拔升高而降低。

4 結(jié) 論

(1) 消落帶土壤理化性質(zhì)在海拔和土層上均具有明顯的空間異質(zhì)性，0—20 cm表層土壤顆粒的體積分形維數(shù)與黏粒含量在不同海拔表現(xiàn)為：對(duì)照>172 m>169 m>166 m>160 m>163 m>155 m。155～163 m低海拔區(qū)域的分形維數(shù)顯著低于166 m以上區(qū)域(p<0.05)，差幅可達(dá)10.16%～19.54%。消落帶大于0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體和有機(jī)質(zhì)含量較對(duì)照明顯降低，與海拔呈正相關(guān)關(guān)系。0—10 cm土層有機(jī)質(zhì)含量高于10—20 cm土層，而0—10 cm土層土壤黏粒含量和>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均顯著低于10—20 cm土層(p<0.05)。

(2) 消落帶0—20 cm表層土壤可蝕性K值平均為0.054 1，高于對(duì)照，且隨海拔的升高而降低。0—10 cm和10—20 cm土層的土壤可蝕性K值無(wú)顯著性差異(p>0.05)。

(3) 消落帶土壤黏粒含量、>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量和有機(jī)質(zhì)含量對(duì)土壤可蝕性K值有重要影響，與K值呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)。土壤顆粒的體積分形維數(shù)與K值呈負(fù)相關(guān)。而土壤粉粒和砂粒含量則與K值呈正相關(guān)。