三峽水庫消落帶典型主動(dòng)與被動(dòng)修復(fù)策略對土壤飽和導(dǎo)水率的影響

朱 凱 ，馬茂華 ，李文娟 ，冉義國 ，冉嬌嬌 ，吳勝軍 *

（1.中國科學(xué)院水庫水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院，重慶 400714；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

土壤飽和導(dǎo)水率是指土壤孔隙全部充滿水時(shí)，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(dòng)和溶質(zhì)運(yùn)移最重要的土壤水力特性之一[2]。一般而言，較高飽和導(dǎo)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(jìn)而提升其涵養(yǎng)水源的功能[3]。此外，詳細(xì)了解土壤飽和導(dǎo)水率特征對于評估灌溉、入滲率、徑流、地下水補(bǔ)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(fù)管理中土壤飽和導(dǎo)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(fù)對生態(tài)環(huán)境影響的研究，促進(jìn)了土地利用政策和生態(tài)恢復(fù)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(dòng)與被動(dòng)生態(tài)修復(fù)是國際上公認(rèn)的兩種生態(tài)修復(fù)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(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與穩(wěn)定[12]。主動(dòng)修復(fù)是指對受損生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行人為的修復(fù)與維護(hù)，以使生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)到理想的結(jié)構(gòu)和功能；被動(dòng)修復(fù)是指消除放牧和耕作等人類活動(dòng)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(dá)30 m、面積約為349 km2的典型消落帶新生濕地[13]。在獨(dú)特的水位波動(dòng)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(yán)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(yán)重及生態(tài)功能退化等[14]。目前，設(shè)立自然保護(hù)區(qū)促進(jìn)岸帶草本植物次生演替的被動(dòng)修復(fù)策略與人工種植耐淹植被的主動(dòng)修復(fù)策略被廣泛用于三峽水庫消落帶的生態(tài)恢復(fù)治理中[15]。其中，耐水淹脅迫較強(qiáng)的桑樹與水杉是消落帶中最具代表性的主動(dòng)修復(fù)植被。已有研究大多集中于探究生態(tài)修復(fù)措施選擇，雖取得了豐碩的科研成果，但不同生態(tài)修復(fù)策略如何影響土壤導(dǎo)水性能仍然是一個(gè)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(fù)策略代表，初探不同生態(tài)修復(fù)策略下土壤飽和導(dǎo)水率及其主要影響因素，其結(jié)果可為指導(dǎo)消落帶生態(tài)保護(hù)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(qiáng)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(hù)區(qū)內(nèi)，代表消落帶被動(dòng)修復(fù)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(diǎn)為人工種植耐淹植被生態(tài)修復(fù)試驗(yàn)區(qū)（主動(dòng)修復(fù)），主要土地利用類型為桑樹+水杉復(fù)合林、荷塘。研究區(qū)為亞熱帶濕潤季風(fēng)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(shí)，沿著研究區(qū)消落帶內(nèi)168 m海拔高程，選取桑樹+水杉復(fù)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(dòng)修復(fù)和被動(dòng)修復(fù)地塊。同時(shí)，選取農(nóng)田（玉米地、水田）為對照樣地。在每個(gè)樣地按照均勻分布和隨機(jī)布點(diǎn)原則設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn)，進(jìn)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(shí)驗(yàn)室立即進(jìn)行測定。

1.3 樣品處理與實(shí)驗(yàn)室分析

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

式中：Kt為飽和導(dǎo)水率，mm/min；Q為時(shí)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(shí)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(shí)的飽和導(dǎo)水率。

式中：K10為10℃時(shí)的飽和導(dǎo)水率，mm/min；Kt為t時(shí)的飽和導(dǎo)水率，mm/min；T為測量時(shí)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(jī)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(jì)分析

統(tǒng)計(jì)分析之前，對數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性、方差齊性檢驗(yàn)，如果數(shù)據(jù)不滿足正態(tài)性與方差齊性檢驗(yàn)，則對數(shù)據(jù)進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換。然后用R統(tǒng)計(jì)軟件對不同土地利用類型的土壤飽和導(dǎo)水率（K10）和所有土壤理化因子進(jìn)行單因素方差分析，并利用最小顯著性差異LSD標(biāo)注差異顯著性；對飽和導(dǎo)水率和土壤理化性質(zhì)進(jìn)行Pearson相關(guān)分析和顯著性檢驗(yàn)，最后利用逐步回歸分析確定飽和導(dǎo)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(fù)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(fù)模式與農(nóng)田土壤理化性質(zhì)的統(tǒng)計(jì)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(dòng)修復(fù)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(jī)碳含量高于主動(dòng)修復(fù)的桑樹+水杉復(fù)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(dòng)修復(fù)草地的固相率與土壤容重顯著低于主動(dòng)修復(fù)的桑樹-水杉復(fù)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(fù)模式的土壤飽和導(dǎo)水率特征

消落帶被動(dòng)修復(fù)自然草地、主動(dòng)修復(fù)桑樹+水杉復(fù)合林與農(nóng)田的表層K10如圖2所示。被動(dòng)修復(fù)自然草地K10顯著高于主動(dòng)修復(fù)桑樹+水杉復(fù)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(fù)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(dǎo)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(dǎo)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(jī)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(fù)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(shí)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(jī)碳（X10），土壤容重（X11）11個(gè)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(dǎo)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(dǎo)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(huì)增加K10。

圖4 飽和導(dǎo)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(dǎo)致根系結(jié)構(gòu)不同，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和孔隙性因根系通過穿插和根際生物活動(dòng)而改變；另一方面，植被構(gòu)成的差異造成了林下動(dòng)植物殘?bào)w和微生物分解后進(jìn)入土壤中養(yǎng)分的差異[3]。被動(dòng)修復(fù)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(dòng)修復(fù)桑樹+水杉復(fù)合林與農(nóng)田。說明與主動(dòng)修復(fù)相比，被動(dòng)修復(fù)自然草地土壤能夠更好地截流、儲(chǔ)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(dòng)修復(fù)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(dòng)修復(fù)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(dòng)物活動(dòng)[22]。而主動(dòng)修復(fù)桑樹+水杉復(fù)合林與農(nóng)田由于較為頻繁的人類活動(dòng)，如踩踏壓實(shí)、肥料使用、翻耕等都有可能壓實(shí)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(dòng)會(huì)破壞表層土壤結(jié)構(gòu)，增加有機(jī)碳礦化損失[25-26]；桑樹-水杉復(fù)合林中，由于消落帶蓄水期強(qiáng)烈的水位波動(dòng)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(jī)碳含量較低[27]；而被動(dòng)修復(fù)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(dá)的根系組織利于儲(chǔ)存有機(jī)碳含量，因此，保有最高的有機(jī)碳含量[16]。

土壤飽和導(dǎo)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(yùn)動(dòng)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(dòng)修復(fù)自然草地的土壤飽和導(dǎo)水率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于主動(dòng)修復(fù)林地及農(nóng)田的土壤飽和導(dǎo)水率。說明了被動(dòng)修復(fù)自然草地的土壤水分入滲狀況優(yōu)于桑樹+水杉復(fù)合林。尤其是三峽水庫消落帶落干期強(qiáng)降雨頻發(fā)，在同等降雨情況下，桑樹+水杉復(fù)合林與農(nóng)田中的雨水無法及時(shí)下滲，更容易形成產(chǎn)流，增加土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)。而將農(nóng)田退耕還草后，土壤飽和導(dǎo)水率增加，下滲能力增強(qiáng)。這主要是由于土壤飽和導(dǎo)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(jī)碳有利于大團(tuán)聚體的形成[29-30]?？偪紫抖却?，大小孔隙分配適當(dāng)，團(tuán)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(dǎo)水率的最主要因素。以上結(jié)果表明，對消落帶開展被動(dòng)修復(fù)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(fù)策略與農(nóng)田土壤飽和導(dǎo)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(fù)策略對消落帶土壤理化性質(zhì)具有顯著影響。被動(dòng)修復(fù)策略的土壤理化性質(zhì)優(yōu)于主動(dòng)修復(fù)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(jī)碳含量高于主動(dòng)修復(fù)的桑樹+水杉復(fù)合林與農(nóng)田，而土壤容重卻顯著低于主動(dòng)修復(fù)的桑樹+水杉復(fù)合林與農(nóng)田。

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

（3）相對于主動(dòng)修復(fù)策略，被動(dòng)修復(fù)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(fù)合生態(tài)修復(fù)模式對土壤飽和導(dǎo)水率的時(shí)空分布影響。