三峽水庫(kù)消落帶草本植物對(duì)若干土壤物理性質(zhì)的影響

鐘榮華, 呂發(fā)友, 鮑玉海, 賀秀斌

(1.云南大學(xué) 國(guó)際河流與生態(tài)安全研究院, 昆明 650091; 2.云南省國(guó)際河流與跨境生態(tài)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 昆明 650091;3.中國(guó)科學(xué)院 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; 4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

三峽工程是迄今世界上已建最大的水利樞紐工程，其完全運(yùn)行后形成總庫(kù)容393億m3，形成總面積達(dá)1 084 km2的人工湖泊。水庫(kù)水位的季節(jié)性漲落在其三峽庫(kù)周最低水位線至最高水位線之間形成周期性出露地表的一段水陸生態(tài)系統(tǒng)交錯(cuò)地帶，即水庫(kù)消落帶[1]。按照三峽水庫(kù)調(diào)度計(jì)劃，在每年5月末或6月初維持防洪汛限水位145 m，10月開始逐漸升高水位直至175 m，并于次年4—6月回落直至最低水位，從而在庫(kù)周形成垂直高差達(dá)30 m、總面積近349 km2的消落帶[2]。消落帶是三峽庫(kù)區(qū)的重要緩沖帶，其生態(tài)環(huán)境的健康是庫(kù)岸穩(wěn)定和水庫(kù)安全運(yùn)行的重要保障[3]。三峽水庫(kù)水位的反季節(jié)調(diào)節(jié)生成的消落帶由于水位高差大(30 m)，淹沒(méi)時(shí)間長(zhǎng)(超過(guò)半年)，導(dǎo)致消落帶植被退化、消亡[4-5]，土壤侵蝕與泥沙淤積過(guò)程強(qiáng)烈[6-8]，土壤退化嚴(yán)重[9-10]，地貌演化劇烈[11]，進(jìn)而威脅水庫(kù)安全運(yùn)行和庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境健康。因此，恢復(fù)消落帶植被、控制土壤侵蝕是保障三峽水庫(kù)安全運(yùn)行和庫(kù)岸穩(wěn)定的必然選擇[12]。

近些年，為了控制三峽水庫(kù)消落帶土壤侵蝕和面源污染，恢復(fù)消落帶景觀，各有關(guān)單位及科研人員在三峽水庫(kù)消落帶分別嘗試進(jìn)行了多種人工恢復(fù)和自然恢復(fù)相結(jié)合的植被恢復(fù)方案。眾說(shuō)周知，植物具有重要的水土保持效應(yīng)，通過(guò)植物冠層的截流、枯枝落葉層的涵水功能及保護(hù)作用可以有效地削弱降雨徑流侵蝕，同時(shí)通過(guò)根系在土體中交錯(cuò)、穿插等來(lái)固持土壤，改善或增強(qiáng)土壤滲透性、含水率、剪切強(qiáng)度等物理性質(zhì)，與地上部分共同發(fā)揮水土保持效應(yīng)[13-17]。那么消落帶植被的恢復(fù)又將對(duì)土壤理化性質(zhì)造成怎樣的影響呢？當(dāng)前，盡管已有眾多研究探討了周期性水淹—出露過(guò)程對(duì)三峽消落帶土壤理化性質(zhì)的影響[4,18-19]，而對(duì)于消落帶植被對(duì)土壤物理性質(zhì)的改變則關(guān)注較少。因此，本文選取三峽水庫(kù)腹地忠縣石寶鎮(zhèn)消落帶坡度<8°、坡向類似的三種人工恢復(fù)草本及近似自然恢復(fù)消落帶草本狗牙根為對(duì)象，研究不同草本覆蓋下消落帶土壤物理性質(zhì)的差異，以期為三峽水庫(kù)消落帶的植被重建和水土保持提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

石寶鎮(zhèn)地處重慶市東北部三峽庫(kù)區(qū)腹心地帶(107°32′—108°14′E，30°03′—30°35N′)，隸屬忠縣，距離縣城32 km。境內(nèi)溪河縱橫，山地起伏，屬典型的丘陵地貌，出露巖層為侏羅紀(jì)沙溪廟砂頁(yè)巖，分布有紫色土、黃壤、黃棕壤、石灰土和水稻土等土壤類型，以紫色土為主，土地利用類型以旱地、水田、林地等為主[20]。該區(qū)域地處暖濕亞熱帶東南季風(fēng)區(qū)，四季分明，降水充足，年均降雨量1 150 mm，日照充足，年均溫19.2℃[13]。三峽消落帶地形起伏較大，易風(fēng)化巖層出露較多，淹水前多為旱地和水稻田，因夏季降雨多且集中，加之庫(kù)水、波浪沖刷劇烈，水土流失極其嚴(yán)重[6]。由于水庫(kù)運(yùn)行前期的人為清庫(kù)和初期水淹的影響，消落帶內(nèi)原生植被早已消亡殆盡，形成以次生植被(主要是草本植物和灌叢)和棄耕地為主的植被類型[20]。

1.2 樣地設(shè)置及采樣

于2013年5月中旬消落帶退水后，在石寶鎮(zhèn)共和村消落帶172～174 m高程處分別選擇牛鞭草(H.altissima)、扁穗牛鞭草(H.compressa)、雙穗雀稗(P.paspaeoides)三種人工恢復(fù)草和自然恢復(fù)狗牙根(C.dactylon)4條消落帶樣帶。其中三種人工恢復(fù)草本種植于2007年，自三峽水庫(kù)首次蓄水達(dá)到175 m后(2010年10月)，經(jīng)受了3 a的周期性淹沒(méi)和暴露，長(zhǎng)勢(shì)良好，覆蓋度均在90%以上；自然恢復(fù)雜草主要優(yōu)勢(shì)種群為狗牙根，覆蓋度90%以上。各樣帶地形地貌類似，均為平緩坡地，土壤類型為紫色土，土壤質(zhì)地主要為壤質(zhì)黏土。四種草本類型各選取一5 m×20 m樣帶，四條樣帶相鄰。在各樣帶選擇緩坡(<8°)按S型曲線選取4個(gè)樣點(diǎn)采樣。

其中用于土壤物理性質(zhì)分析的采集表層樣(30 cm以內(nèi))，在不破壞土壤自然分層的條件下每10 cm采一個(gè)分層樣，在土壤自然分層處優(yōu)先按自然分層采樣。采樣時(shí)盡量是土塊不受到擠壓，并剝?nèi)ネ翂K表面與土鏟直接接觸而變形的部分，分別采集普通環(huán)刀樣(100 cm3)用于土壤容重和水分測(cè)定，每層取3個(gè)重復(fù)，共采集144個(gè)環(huán)刀樣帶回實(shí)驗(yàn)室；采集散土樣，每個(gè)樣品采集1 kg左右，然后將樣品置于塑料盒(袋)中，共采集48個(gè)土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，及時(shí)將土樣掰成小塊，清除石礫、枯枝落葉、根系及其他雜物，自然風(fēng)干；將風(fēng)干土樣全部過(guò)2 mm的，供粒徑分析備用。再在四條草本植物樣帶周邊隨機(jī)選取地形地貌相似的5個(gè)裸地樣點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)同樣分層取樣至30 cm深，測(cè)定容重環(huán)刀樣每層3個(gè)重復(fù)，共采集45個(gè)環(huán)刀樣；袋裝樣將5個(gè)樣點(diǎn)各層土壤合為一個(gè)樣，每層三個(gè)重復(fù)共采集裸地土壤袋裝散土樣品9個(gè)。將樣品去除雜質(zhì)后編號(hào)，裝封口袋帶回實(shí)驗(yàn)室分析。

狗牙根和牛鞭草地同時(shí)采集室內(nèi)直剪試驗(yàn)環(huán)刀樣。用于抗剪試驗(yàn)的土樣采集：南京土壤儀器廠生產(chǎn)的ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀配套的環(huán)刀(底面積30 cm2，高2 cm)分層采集土壤表層樣(20 cm以內(nèi))，每10 cm采一分層樣，按照剪切儀的要求四個(gè)樣為一組，故每層取四個(gè)重復(fù)樣，采取同層多點(diǎn)混合取樣，每樣區(qū)取3個(gè)重復(fù)，共采集120個(gè)環(huán)刀樣、30組試樣，帶回實(shí)驗(yàn)室供測(cè)試用。

1.3 土壤物理力學(xué)測(cè)定

本研究中各土壤物理性質(zhì)測(cè)定方法如下：容重采用環(huán)刀法測(cè)定；顆粒組成采用Malvern Mastersizer 2000激光粒度儀測(cè)定；磁化率采用捷克ZH公司SM—30型磁化率儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定其體積磁化率；抗剪強(qiáng)度將上述剪切儀的環(huán)刀樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，分別在50，100，150，200 kPa 4級(jí)荷載、量力環(huán)率定系數(shù)為1.695 kPa/0.01 mm的條件下，釆用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀進(jìn)行快剪試驗(yàn)，測(cè)定土樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(內(nèi)摩擦角?和粘聚力c)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤容重差異

四種草地和裸地土壤容重(Bulk density,BD)隨土層深度的變化見(jiàn)圖1?？傮w上，在0—30 cm土層中，隨著土層深度的增加，土壤容重增大；兩種牛鞭草地的BD要高于狗牙根和雙穗雀稗草地，而裸地的各土層容重均要顯著高于四種草地(T=-7.02，p<0.01)；平均容重為裸地(2.25 g/cm3)>牛鞭草地(2.08 g/cm3)>扁穗牛鞭草地(2.05 g/cm3)>狗牙根草地(1.90 g/cm3)>雙穗雀稗草地(1.87 g/cm3)。當(dāng)然，不同土層中，不同土地利用的土壤容重大小順序不一。在表層土壤(0—10 cm)中，除雙穗雀稗草地土壤容重高于狗牙根地外，其余與平均容重大小順序相同；10—20 cm土層中，BD大小次序與平均容重一致，當(dāng)然2種牛鞭草地的BD差異較小、狗牙根和雙穗雀稗地的BD大小基本一致；20—30 cm土層中則是除扁穗牛鞭草地容重高于牛鞭草地外，其他與平均容重大小次序一致。

圖1不同覆蓋類型下土壤容重的剖面變化

2.2 土壤顆粒組成變化

四種草本覆蓋下土壤顆粒組成及其中值粒徑(Median size)見(jiàn)圖2。根據(jù)美國(guó)土壤粒徑分類標(biāo)準(zhǔn)(USDA)，5種土地類型的土壤質(zhì)地均屬粉壤土。圖2顯示，盡管牛鞭草地土壤沙礫含量較其他四種土地利用類型土壤要高，但五種土地利用土壤不同土層間的中值粒徑無(wú)顯著差異(F=0.29，p=0.75)，不同土地利用類型間土壤的中值粒徑差異亦不顯著(R2=7.70，p=0.10)。值得注意的是，裸地的中值粒徑隨著土層的加深逐漸降低?？傮w上，四種草本覆蓋下土壤顆粒組成無(wú)明顯差異。

圖2不同覆蓋類型下土壤顆粒組成及中值粒徑(D0.5)變化

2.3 土壤體積磁化率

四種草本覆蓋下土壤磁化率隨土層深度的變化見(jiàn)圖3。0—10 cm和10—20 cm土層中，裸地SMS(分別為1.532×10-7，1.011×10-7m3/kg)小于草地(平均分別為2.257×10-7，1.273×10-7m3/kg)，而20—30 cm土層中則要高于草地(裸地2.526×10-7m3/kg，草地平均1.300×10-7m3/kg)?？傮w上，除裸地磁化率隨土層深度先減少后增加外，四種草地覆蓋下土壤體積磁化率都隨土層深度增加而下降；其中牛鞭草和雙穗雀稗2種草地的磁化率變化基本一致，而狗牙根和扁穗牛鞭草2種草地的上層(0—10 cm)土壤體積磁化率要顯著高于另外2種草地，這可能與這兩種草地上層土壤(0—10 cm)的黏粒含量較高有關(guān)(圖2)，因?yàn)橥寥来呕释c土壤黏粒含量呈正相關(guān)[19]。裸地表層(0—10 cm)土壤磁化率要低于四種草地，而扁穗牛鞭草和狗牙根草地的表層土壤磁化率則要顯著高于其他2種草地和裸地。

圖3不同覆蓋類型下土壤體積磁化率隨土層深度的變化

2.4 對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的影響

土壤抗剪強(qiáng)度是反映土壤抗侵蝕性能的重要參數(shù)，其大小與土壤容重、含水量、顆粒組成等土壤物理特性和土壤中根系分布狀況有重要關(guān)系[17]。先前研究顯示，狗牙根匍匐生長(zhǎng)，地上部分較發(fā)達(dá)，而牛鞭草則直立生長(zhǎng)，地上和根系均發(fā)達(dá)[20]。因此，本研究在消落帶采集地形地貌相似、蓋度均為95%以上的兩種不同類型草地(狗牙根、牛鞭草)和裸地的剪切環(huán)刀樣帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行直剪試驗(yàn)，分析根系對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖4和圖5所示，牛鞭草和狗牙根地土壤抗剪強(qiáng)度和粘聚力均要高于裸地，不同垂直壓力條件下，2種草地的抗剪強(qiáng)度都要高于裸地，其中牛鞭草地抗剪強(qiáng)度又要明顯高于狗牙根地；牛鞭草地0—10 cm和10—20 cm層土壤粘聚力(C)分別比裸地增加319.81%和46.89%，而狗牙根草地對(duì)比裸地土壤粘聚力的增加幅度分別為17.69%(0—10 cm)和43.13%(10—20 cm)。因三種土地類型的采樣點(diǎn)相鄰，根據(jù)實(shí)地調(diào)查情況及前人的相關(guān)研究，所有樣地的土壤物理性質(zhì)差異較小，可視為同質(zhì)，因此土壤粘聚力的增加主要由根系的存在差異導(dǎo)致。同時(shí)，根系的存在對(duì)土壤內(nèi)摩擦角(?)也有增強(qiáng)效應(yīng)。如圖5所示，與裸地相比，除狗牙根草地10—20 cm土層外，有根系土壤內(nèi)摩擦角都明顯增大，其中尤以牛鞭草地土壤內(nèi)磨察角增大極為顯著(0—10 cm，T=75.00，p<0.001；10—20 cm，T=118.68，p<0.001)。

圖4不同覆被下土壤抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線

3 討 論

植物及其根系對(duì)土壤物理力學(xué)性質(zhì)有重要影響[17]。本研究結(jié)果顯示草地的土壤容重要顯著低于裸地，而抗剪強(qiáng)度則要顯著高于裸地；裸地表層土的砂粒含量要高于草地，黏粒含量則要低于草地，因而表層土壤的體積磁化率也要低于草地。這些結(jié)果與國(guó)內(nèi)外眾多研究結(jié)果類似[15,21-24]，說(shuō)明植物及其根系確實(shí)可以顯著地改變土壤的物理特性，進(jìn)而增強(qiáng)土壤抗侵蝕能力?？傮w上，牛鞭草地粗顆粒部分比例較其他土地類型要高，但沒(méi)有顯著差異，這可能與牛鞭草的地下根系發(fā)達(dá)有關(guān)，根系的存在會(huì)增加土壤孔隙度，促進(jìn)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成，土壤顆粒發(fā)生粗化。牛鞭草雖然地上部分同樣發(fā)達(dá)，但是因其直立生長(zhǎng)，莖稈底層枝葉稀少，地表除了直立生長(zhǎng)的牛鞭草莖稈外，無(wú)其他植物覆蓋。裸地和牛鞭草地的表層(0—10 cm)砂粒含量相比其他三種草地要高，可能與這兩種土地類型的土壤表層細(xì)顆粒部分在江水、波浪淘蝕和降雨徑流沖刷下極易沖走，從而使表層土壤發(fā)生粗化；而其他草本植物地上部分覆蓋層厚，可以防止表層土壤被沖刷侵蝕，大部分粗顆粒仍然可以保留有關(guān)。盡管裸地和草地的土壤機(jī)械組成并沒(méi)有明顯差異(圖2)，但裸地的土壤容重要顯著高于草地(圖1)，這可能與不同土地利用類型土壤的有機(jī)質(zhì)含量、水分含量等差異有關(guān)，同時(shí)草地土壤中豐富的根系穿插分布不同程度上增加了土壤的孔隙度，進(jìn)而降低了土壤容重。值得注意的是，本研究采集樣品的土壤容重最低都在1.75 g/cm3以上，最高可達(dá)2.36 g/cm3，這些結(jié)果要顯著高于前人在三峽水庫(kù)消落帶的研究結(jié)果[9-10,18]，容重基本為1.4～1.8 g/cm3。這主要是由于三峽水庫(kù)消落帶經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間水淹浸泡-落干暴露的干濕交替循環(huán)后，土壤被壓實(shí)，表層細(xì)顆粒土被沖刷所致。而牛鞭草和狗牙根兩種草本的根系均能提高土壤抗剪強(qiáng)度，但是兩者的效率卻有明顯差異，這可能是由兩種草地根系的分布差異及根系抗拉性能差異所致。根據(jù)作者對(duì)此區(qū)域根系的研究結(jié)果[20]，牛鞭草地的根系密度要顯著高于狗牙根地，尤其是在0—10 cm土層中，因此，牛鞭草地的抗剪強(qiáng)度整體上要強(qiáng)于狗牙根地。

圖5根系對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)效果

總體上，本研究認(rèn)為恢復(fù)消落帶進(jìn)行草本植物確實(shí)可以一定程度上改善土壤物理性質(zhì)，增強(qiáng)土壤抗侵蝕能力。當(dāng)然，三峽水庫(kù)消落帶面積巨大，且不同庫(kù)段消落帶類型、土壤、地貌、植被恢復(fù)模式等差異較大，植物對(duì)消落帶土壤理化的影響也不盡相同。日后需充分考慮不同恢復(fù)模式、地貌特征和土壤類型等因素，以期更全面的理解消落帶植被恢復(fù)對(duì)土壤理化特性的影響。

4 結(jié) 論

三峽水庫(kù)消落帶草本植物對(duì)土壤容重、土壤體積磁化率和抗剪強(qiáng)度有重要影響，對(duì)顆粒組成影響不明顯。裸地的土壤容重要顯著高于四種草地，平均容重為裸地(2.25 g/cm3)>牛鞭草地(2.08 g/cm3)>扁穗牛鞭草地(2.05 g/cm3)>狗牙根草地(1.90 g/cm3)>雙穗雀稗草地(1.87 g/cm3)；裸地和四種草地的土壤顆粒組成無(wú)顯著差異；對(duì)照裸地表層土壤體積磁化率也要弱于草地，狗牙根和扁穗牛鞭草2種草地的上層(0—10 cm)土壤體積磁化率要顯著高于另外2種草地。根系可以顯著增強(qiáng)土壤抗剪強(qiáng)度，其中牛鞭草地0—10 cm和10—20 cm層土壤粘聚力分別比裸地增加319.81%和46.89%，而狗牙根草地對(duì)比裸地土壤粘聚力的增加幅度分別為17.69%(0—10 cm)和43.13%(10—20 cm)。

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