三峽水庫消落帶土壤侵蝕與生態(tài)重建研究進展

賀秀斌， 鮑玉海

(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)控重點實驗室，610041，成都)

河、湖岸線是人口密集區(qū)和社會經(jīng)濟活動強烈?guī)?，濱岸植被帶是水域與陸地的緩沖過渡帶，是自然健康河流的重要組成部分，具有固土護岸、攔截泥沙與固體廢棄物、消納面源污染物等重要生態(tài)功能，是河流、水庫(湖泊)水體的最后一道生態(tài)屏障帶[1]。三峽庫區(qū)在長江流域社會經(jīng)濟、生態(tài)屏障和水安全方面具有重要的戰(zhàn)略地位。三峽工程運行以來已發(fā)揮了巨大的防洪、發(fā)電等綜合效應(yīng)，但工程的建設(shè)與運行和庫區(qū)移民安置對庫區(qū)及流域生態(tài)系統(tǒng)、地表過程和社會經(jīng)濟也產(chǎn)生了重大的影響，特別是水土流失、面源污染和消落帶生態(tài)退化等問題引起社會廣泛關(guān)注[1-2]。黨和國家要求把三峽庫區(qū)建設(shè)成綠色電站和長江上游生態(tài)文明的示范樣本，打造長江兩岸綠色生態(tài)廊道，修復(fù)長江生態(tài)環(huán)境，推進長江經(jīng)濟帶建設(shè)；但是由于我國農(nóng)、林、水與環(huán)境部門管理分工體制的原因，河湖(庫)消落帶與緩沖帶，一方面是管理與治理的盲區(qū)，重視不夠，另一方面治理難度大，科技研發(fā)不足，缺乏成本低、效益高、實施簡便的治理技術(shù)。

三峽水庫水位漲落時間、頻度和強度等調(diào)水節(jié)律變化極為劇烈，產(chǎn)生了落差30 m的消落帶[3]。三峽水庫消落帶形成初期，在周期性高壓淹水與高幅度干濕交替作用下，其植被群落、植被覆蓋度、土壤理化力學(xué)特性等在短期內(nèi)均發(fā)生了巨變[1,4]。在庫水位周期性漲落、降雨徑流沖刷和波浪淘蝕等共同作用下，消落帶土壤侵蝕在蓄水初期非常劇烈[3,5]。筆者基于2006年三峽水庫初期蓄水以來在消落帶開展的科研實踐工作，分析消落帶土壤侵蝕侵蝕問題，綜述消落帶水土保持與生態(tài)重建技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀，并探討其發(fā)展趨勢與研究展望，以期為三峽水庫消落帶的整治和管理提供借鑒。

1 三峽水庫消落帶概況

圖1 2006—2018年三峽水庫水位運行圖Fig.1 Water level operation of the Three Gorges Reservoir from 2006 to 2018

三峽水庫達到正常蓄水位175 m之后，水庫水位將在汛限水位145 m和正常蓄水位175 m之間周期性漲落(圖1)，在庫周形成面積348.93 km2的水庫消落帶，涉及重慶市、湖北省的26個縣(市、區(qū))[6-7]。受水庫水位調(diào)節(jié)的影響，消落帶不同高程出露時間存在差異，據(jù)2006—2018年水位運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，消落帶下部(145～160 m)最長出露105 d，消落帶中部(160～170 m)最長出露204 d，消落帶上部(170～175 m)最長出露356 d(表1)。坡度<15°的緩平消落帶面積可達217.30 km2，占總面積的62.28%，>25°的陡峭消落帶占總面積的14.58%?？傮w來看，奉節(jié)-秭歸消落帶以峽谷地貌為主，坡度陡峻，土質(zhì)消落帶面積較小、分布零散，奉節(jié)-江津消落帶屬于平行嶺谷區(qū)，坡度較緩，是土質(zhì)消落帶的主要分布庫段。

表1 三峽水庫消落帶分布情況

2 三峽水庫消落帶土壤侵蝕問題

2.1 土壤侵蝕強度特征

土質(zhì)消落帶主要受土地利用與覆蓋變化、降雨徑流沖刷、波浪淘蝕等影響發(fā)生坡面侵蝕、崩塌等庫岸再造過程。2008—2016年采用侵蝕針法對典型庫段土壤侵蝕動態(tài)觀測結(jié)果表明消落帶土壤侵蝕模數(shù)遠高于相同土地利用的庫周坡地(表2)。從多年平均土壤侵蝕模數(shù)來看，長江干流和支流消落帶土壤侵蝕模數(shù)分別為5萬4 050 t/(km2·a)和9 191 t/(km2·a)[5]，達到庫區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)3 185 t/(km2·a)[9]的16倍和3倍以上。

表2 消落帶與上方庫周紫色土坡地土壤侵蝕情況對比

2.2 土壤侵蝕時空分布規(guī)律

>5°的土質(zhì)消落帶坡地土壤侵蝕強烈，主要表現(xiàn)為波浪侵蝕和降雨徑流侵蝕，也伴有崩塌等重力侵蝕出現(xiàn)；而在<5°的平緩消落帶坡地，土壤侵蝕一般多發(fā)生在階地前緣、田坎和陡坎部位，主要表現(xiàn)為波浪淘蝕引起的崩塌等重力侵蝕形式[13]。同時，由于水庫干流波浪發(fā)生頻率與強度高于支流(圖2)，干流消落帶土壤侵蝕模數(shù)是支流的6倍；從垂直分布上來看，干流消落帶沿水位高程垂直差異顯著，170～175 m的土壤侵蝕最為劇烈，而支流消落帶海拔梯度差異并不顯著[5]。

隨著土壤-植被生態(tài)系統(tǒng)對淹水—出露—淹水交替過程的適應(yīng)恢復(fù)，土壤侵蝕強度逐漸減小，2008—2016年的監(jiān)測結(jié)果表明(圖3)，干流和支流消落帶土壤侵蝕強度年均降幅分別達到4.1 mm/a和1.7 mm/a[5];但浪涌與徑流沖刷將對土質(zhì)消落帶持續(xù)作用，使消落帶高強度的土壤侵蝕仍將存在一段時期，對消落帶植被重建與生態(tài)修復(fù)產(chǎn)生重要限制作用。

圖2 三峽水庫170 m高水位時干流與支流波浪參數(shù)對比Fig.2 Wave parameters of mainstream and tributary at 170 m water level in the Three Gorges Reservoir

圖3 2008—2016年三峽水庫土質(zhì)消落帶土壤侵蝕強度變化Fig.3 Change of soil erosion intensity in earth-bank riparian zone of the Three Gorges Reservoir from 2008 to 2016

2.3 消落帶土壤侵蝕加劇發(fā)展的主要因素

1) 原有陸生植物消亡或減少。 三峽蓄水使消落帶生態(tài)系統(tǒng)由陸生型演變?yōu)樗懡惶婵刂菩?，原有植被逐步消亡演替。?jù)調(diào)查，蓄水淹沒植物120科358屬550多種，維管植物種類下降近50%，科減少26.51%，屬減少29.58%[14]，且群落結(jié)構(gòu)趨于簡單[15]，一年生草本占據(jù)優(yōu)勢[16]。而一年生植被的固土能力弱于多年生植被[17];因此，消落帶植被變化使消落帶土壤抗侵蝕性能降低。

2)復(fù)合侵蝕營力多向交替作用。蓄水前降雨徑流是消落帶主要侵蝕營力，而蓄水后坡面侵蝕過程受控于降雨徑流、波浪、水位消長和重力等多營力作用[3],造成消落帶土壤顆粒受力方式有別于陸地坡面，不僅遭受順坡和逆坡向的往復(fù)沖刷，而且承受庫水托浮力、坡體內(nèi)滲透壓力、重力的內(nèi)外交互共同作用。具體表現(xiàn)為：成陸期遭受降雨徑流順坡向侵蝕；而淹沒期遭受波浪順坡向爬升和逆坡向回流的往復(fù)淘蝕；同時，岸坡土體水分和地下水位動態(tài)變化使土體荷載增加與削減頻繁交替，地下水形成滲流或碎屑流，土壤顆粒遭受潛蝕和重力下拉作用。

3) 消落帶土壤理化力學(xué)性質(zhì)巨變。 土體隨水位消長而發(fā)生大幅干濕交替，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)、密度、孔隙度、pH、有機質(zhì)與其他理化性質(zhì)發(fā)生顯著變化[18]。同時，土壤力學(xué)特性發(fā)生劣化，土體抗剪強度隨水分含量增加呈指數(shù)下降。消落帶典型土壤干濕交替模擬試驗研究[19]表明：隨干濕交替次數(shù)增加，紫色土剛度逐漸減小；隨干濕交替幅度增加，抗剪強度迅速降低。

3 水庫消落帶水土保持與生態(tài)重建技術(shù)研發(fā)進展

特大型水庫對庫區(qū)生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟發(fā)展的影響是國內(nèi)外政府、社會和科學(xué)工程界關(guān)注的熱點。消落帶研究早期多集中在海岸和河流自然消落帶，發(fā)達國家對水庫消落帶的研究重點在生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)觀測及其演變過程等方面。歐洲長期觀測研究表明水庫消落帶生態(tài)系統(tǒng)需要60年以上才能穩(wěn)定[20]。三峽消落帶為反季節(jié)消落帶，夏天成陸期光、熱、雨資源集中，有較高的生產(chǎn)潛力和利用價值，因此國內(nèi)很多學(xué)者對其利用開發(fā)模式進行了廣泛的探索[2,4]。近年來開展了植被演替、適生植物篩選、植被恢復(fù)限制因素和恢復(fù)模式等方面的理論探討和試驗研究[21-29]，在土壤基質(zhì)保護、耐淹抗旱植物選育和植被組配等生態(tài)修復(fù)與重建方面取得了巨大進展，但尚未形成可推廣應(yīng)用的技術(shù)體系。

3.1 土壤基質(zhì)穩(wěn)固與整治

土壤與植被的關(guān)系常被喻為“皮”與“毛”的關(guān)系，“皮之不存，毛將焉附”，植被重建與生態(tài)修復(fù)首先要考慮土壤基質(zhì)因子。與其他坡地對比，水庫消落帶土壤受高壓淹水-高溫出露干濕交替過程和浪涌侵蝕2個特殊因子影響，侵蝕劇烈。傳統(tǒng)高標(biāo)準(zhǔn)的鋼筋混凝土工程無疑可有效地穩(wěn)固岸坡和保護土壤，但其成本高、景觀效果差、不利于植物生長等缺點也非常突出；因此，采取半混凝土即柔性工程，或土質(zhì)-植物工程技術(shù)成為一種“自然工法”固土護岸趨勢，以促進植被與土壤的良性互動。主要是通過微地形改造，構(gòu)建陡坡固土擋護、坡面植生護坡等系統(tǒng)，比如實施碎石覆蓋護坡[30]、消浪植生型生態(tài)護坡[31]、基塘工程[32]、生態(tài)袋、串珠式柔性護坡等技術(shù)，有效保育植物生長基質(zhì)條件。此外，三峽水庫消落帶有62%左右為<15°的旱地或臺地，而這些平壩或緩平梯地在夏季水位下降后容易形成局部性的滯留水體，自然排水過程緩慢，防礙植被恢復(fù)對消落帶有限出露時間的有效利用，同時也帶來景觀和庫周人居衛(wèi)生環(huán)境破壞，需開挖快速排水溝渠系統(tǒng)進行落水排干。

3.2 適宜植物的選育與組配

篩選適生物種是消落帶生態(tài)重建的關(guān)鍵，相關(guān)研究表明用多年生草本植物進行生態(tài)重建較為經(jīng)濟、高效[28]。筆者研究團隊依托近年承擔(dān)的10多項國家科研項目，與其他科研院所聯(lián)合攻關(guān)，于2007年開始在忠縣庫段消落帶開展了適生植物篩選及生態(tài)重建的試驗示范，篩選出抗旱耐淹且具護坡效應(yīng)的狗牙根(Cynodondactylon)、雙穗雀稗(Paspalumdistichum)、扁穗牛鞭草(Hemarthriacompressa(L. f.) R.Br.)、野古草(Arundinellaanomala)、桑樹(MorusalbaL.)、柳樹(Salixbabylonica)、池杉(TaxodiumascendensBrongn.)、睡蓮(NymphaeaL.)、黃花鳶尾(IriswilsoniiC. H. Wright)、荷花(Nelumbonucifera)等10余個植物品種[15，23]。國內(nèi)其他學(xué)者也篩選出了菖蒲(AcoruscalamusL.)[24]、濕地松(Pinuselliottii)[25]、秋華柳(Salixvariegata)[26]、宜昌黃楊(Buxusichangensis)[27]、香根草(Vetiveriazizanioides)[28]、香附子(Cyperusrotundus)[29]等適生植物；但植物對消落帶特殊環(huán)境的適應(yīng)需長期觀測驗證，適生植物的篩選將是一個長期持續(xù)、動態(tài)調(diào)節(jié)的過程。已有研究表明某些植物經(jīng)歷多次淹水周期后其優(yōu)勢地位正逐漸減弱，在物種篩選時需重視對植物群落的動態(tài)調(diào)查分析和長期生物學(xué)特性觀察[23]；除此之外，還應(yīng)根據(jù)消落帶淹沒—出露節(jié)律、立地條件及其區(qū)位生態(tài)服務(wù)功能，以水陸兩棲、根系發(fā)達、截污能力強、生物量可回收利用和景觀效果優(yōu)良的鄉(xiāng)土植物物種為主，因地制宜、合理配置。近年實踐中主要采用單一植物、喬木混交、喬灌混交、喬(灌)草混交、喬木與水生植物混交等5種組配模式。

3.3 消落帶不同生態(tài)型植被的時空配置

考慮不同生態(tài)型物種對消落帶不同海拔生境條件的適應(yīng)性差異，相關(guān)研究認為應(yīng)按海拔區(qū)間來配置不同生態(tài)型的適生植物[21,33]，即依據(jù)淹水時間、深度的差異來進行消落帶植物空間配置。目前已有國內(nèi)學(xué)者提出了不同海拔區(qū)間的喬灌草垂直配置模式，明確了喬灌草立體配置、灌草復(fù)合種植和草本植物混交配置的構(gòu)建原則、適宜海拔區(qū)間和植物品種組成[33]。筆者研究團隊在重慶忠縣庫段消落帶開展了10余年的試驗示范，利用適生深根系喬(灌)木和淺根系多年生草本為植物材料，考慮地形因素和生態(tài)景觀需要，緩坡部位配置淺根系多年生草本，陡坡部位復(fù)合配置深根系喬灌和淺根系草本，提出了不同生態(tài)型植被的海拔分區(qū)配置模式：145～155 m播種一年生和多年生草本，如毛馬唐(DigitariachrysoblepharaFig.)、千金子(Leptochloachinensis(L.) Nees)、狗牙根等，構(gòu)建短期消落帶植被，在退水后能夠完成生活史，靠土壤種子庫或者克隆繁殖擴散實現(xiàn)種群更新；155～165 m種植狗牙根、扁穗牛鞭草、雙穗雀稗等多年生草本，主要通過克隆生長保持種群數(shù)量；165～173 m種植桑樹、秋華柳、池杉等喬灌植物，林下套種多年生草本或水生景觀植物；173～175 m種植柳樹、池杉、落羽杉(Taxodiumdistichum(L.) Rich.)、桑樹、秋華柳等喬灌植物，林下套種多年生草本或水生景觀植物。目前，示范區(qū)內(nèi)旱柳(SalixmatsudanaKoidz)、池杉、扁穗牛鞭草、狗牙根、荷花等長勢良好，植被覆蓋率超過90%。

3.4 消落帶生態(tài)治理綜合模式

三峽水庫周邊人口密集且擁有長江黃金航道，水庫消落帶多有農(nóng)業(yè)利用、景觀發(fā)展的需求；同時，消落帶位于水庫水域和陸地生態(tài)系統(tǒng)的過渡區(qū)域，是庫周坡地徑流污染物進入水庫水體的最后一道生態(tài)屏障，具有巨大的生態(tài)服務(wù)功能：因此，在發(fā)揮植被固土護岸功能的基礎(chǔ)上，對其生態(tài)重建還有攔沙截污、美化景觀等現(xiàn)實需求。基于以上認識，結(jié)合土質(zhì)消落帶地形條件及區(qū)位特性，國內(nèi)學(xué)者充分考慮區(qū)域生態(tài)服務(wù)功能與生態(tài)環(huán)境問題區(qū)域分異規(guī)律，利用林草植被恢復(fù)、簡易工程護岸、人工濕地構(gòu)建等手段，形成了多種生態(tài)治理綜合模式。

1) 自然恢復(fù)模式。主要適用于距城鎮(zhèn)或景點較遠、受人類活動干擾較少或交通不便的區(qū)域。主要技術(shù)措施為保護自然狀況，避免人類活動干預(yù)，利用土壤種子庫，促進其自然發(fā)育[21-22]。

2)景觀植被生態(tài)恢復(fù)模式。主要適用于碼頭、旅游景點、城鄉(xiāng)集鎮(zhèn)居民點周邊。主要技術(shù)途徑是按照重塑沿岸植被景觀和生態(tài)緩沖功能要求構(gòu)建植被生態(tài)系統(tǒng)[21,32-33]，利用有觀賞價值的喬灌草植被，沿海拔梯度進行草本(145～165 m)、喬灌草混交(165～175 m)等種植，并輔以串珠式柔性護坡技術(shù)、生態(tài)袋、植生磚等簡易工程措施對土壤基質(zhì)強化防護；同時利用平緩臺地或原有水田，構(gòu)建水生植物觀賞型人工濕地。

3)分區(qū)固土護岸模式。主要適用于坡度較陡、植被覆蓋低、土壤侵蝕劇烈，且對周邊庫岸穩(wěn)定、人民生命財產(chǎn)安全潛在危害較嚴重的區(qū)域。主要技術(shù)途徑是按照固土護岸和保護生態(tài)環(huán)境的要求構(gòu)建植被生態(tài)系統(tǒng)，沿海拔從低到高依次種植一年生和多年生草本、灌木和喬木(或喬灌草混交)，并結(jié)合防沖刷生態(tài)型護坡、柔性串珠式護坡、植生磚等半混凝土護坡技術(shù)，最大限度的降低波浪沖刷，維持植物生長必要的土壤基質(zhì)條件，形成喬灌草立體結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)生物-工程相結(jié)合的生態(tài)防護[21,31]。

4)生態(tài)濕地攔沙截污模式。主要適用于坡長較長、植被覆蓋低且消落帶上方存在集中成片農(nóng)村農(nóng)業(yè)活動的區(qū)域。主要技術(shù)途徑是選擇水淹耐受能力強、具有減污固污的濕地植物[22]，構(gòu)建喬灌草復(fù)合緩沖型攔沙截污濕地生態(tài)系統(tǒng)。

5)季節(jié)性環(huán)境友好利用模式。主要適用于地勢平緩、土壤較厚、淹水前為水田或旱地的區(qū)域。主要技術(shù)途徑是實施免耕、控肥等有機農(nóng)業(yè)種植方式，對消落帶160 m以上的土地進行季節(jié)性利用[21,34]。如在160～165 m區(qū)域布局生產(chǎn)周期較短的綠葉菜、短季作物等；在165～175 m區(qū)域布局長生產(chǎn)周期的桑樹、經(jīng)濟或糧食作物等。

6)生態(tài)漁業(yè)飼草種植模式。主要適用于支流庫灣。主要技術(shù)途徑是利用優(yōu)質(zhì)速生牧草，恢復(fù)消落帶植被，形成草食性魚類的天然草料[35]，促進三峽庫區(qū)天然生態(tài)漁場建設(shè)。

4 展望

當(dāng)前，三峽水庫消落帶面臨著生物多樣性銳減、生態(tài)系統(tǒng)受損、土壤侵蝕加劇等生態(tài)環(huán)境問題，影響水庫安全運行與庫區(qū)生態(tài)安全。消落帶生態(tài)系統(tǒng)形成時間較短，目前正經(jīng)歷強烈的庫岸再造、生態(tài)系統(tǒng)演變、景觀重塑等過程，結(jié)構(gòu)功能尚不穩(wěn)定，其地貌過程與生態(tài)重建研究還處于起步階段，相關(guān)理論、實踐研究將需要一個長期持續(xù)性的過程；因此，針對三峽水庫蓄水初期土質(zhì)消落帶涌現(xiàn)出的土壤侵蝕問題，結(jié)合相關(guān)研究成果與實踐經(jīng)驗，對消落帶水土保持與生態(tài)重建提出如下建議。

1)消落帶植被重建需根據(jù)區(qū)位生態(tài)服務(wù)功能需求和地形條件因勢利導(dǎo)提出不同的重建途徑，探索高效固土截污植物篩選及配置技術(shù)，研發(fā)高效穩(wěn)固的植被生境構(gòu)筑技術(shù)，構(gòu)建消落帶植被生態(tài)系統(tǒng)以改善其環(huán)境結(jié)構(gòu)和生物組成，并探索植物回收利用途徑，避免二次污染，同時對植被-土壤生態(tài)系統(tǒng)進行定位監(jiān)測，以優(yōu)化植物品種和植被重建方式，為消落帶治理和水質(zhì)保護提供技術(shù)支撐，

2)加強消落帶土壤侵蝕過程的長期觀測研究，明確降雨徑流、波浪和重力等外營力復(fù)合侵蝕過程的發(fā)生發(fā)展規(guī)律和空間分布格局，并進行消落帶土壤侵蝕跟蹤監(jiān)測，動態(tài)評估消落帶植被水土保持效益，為消落帶生態(tài)重建提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

3)針對消落帶受損情況、脆弱性與功能需求，研發(fā)相應(yīng)防治或重建措施，探索分區(qū)分階段生態(tài)緩沖帶建設(shè)方案，并加強開展生態(tài)緩沖帶規(guī)模、結(jié)構(gòu)與功能研究。

4)開展三峽水庫消落帶生態(tài)屏障構(gòu)建試驗示范工程。三峽水庫消落帶具有重要生態(tài)區(qū)位，建議設(shè)立科技專項對消落帶適生植物進行篩選、栽培和組配的技術(shù)研發(fā)，開展試驗示范工程建設(shè)，為“長江流域重大生態(tài)修復(fù)工程”“推動長江經(jīng)濟帶發(fā)展項目”和“長江兩岸造林綠化”提供技術(shù)支撐。