三峽水庫(kù)蓄水對(duì)庫(kù)區(qū)消落帶土壤的影響

季耀波，劉志強(qiáng)

（中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

1 問(wèn)題的提出

全球江河、湖泊、水庫(kù)眾多，受氣候變化和人為活動(dòng)影響，水位大都波動(dòng)劇烈，并在其岸坡帶形成大面積季節(jié)性變化的消漲區(qū)[1]。由于水淹脅迫，該區(qū)域植被破壞嚴(yán)重，生態(tài)系統(tǒng)單一。失去植被保護(hù)再加上水位變化，導(dǎo)致土壤侵蝕嚴(yán)重，塌岸現(xiàn)象頻繁。同時(shí)由于缺乏植被帶的緩沖吸收，大量面源污染物直接進(jìn)入江河、湖泊水庫(kù)，導(dǎo)致水體污染嚴(yán)重。因此，消落區(qū)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題突出。

三峽大壩作為當(dāng)前全球規(guī)模最大的水利水電工程，發(fā)揮著巨大的防洪、發(fā)電、航運(yùn)、供水等經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。當(dāng)然，三峽工程建設(shè)導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題也引起國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注和爭(zhēng)論。三峽水庫(kù)蓄水后形成的水位波動(dòng)帶生態(tài)環(huán)境變化就是關(guān)注和爭(zhēng)論的焦點(diǎn)之一。

三峽工程正式蓄水運(yùn)行后，根據(jù)調(diào)度方案，為了使水庫(kù)長(zhǎng)期保持有效庫(kù)容發(fā)電，水庫(kù)采取“蓄清排洪”的運(yùn)行方式，由此形成庫(kù)區(qū)水位的季節(jié)性變化：即每年汛期（6—9月），長(zhǎng)江上游來(lái)水來(lái)沙量達(dá)到最大之前，將庫(kù)水位降至并限制在防洪水位145 m高程運(yùn)行，并開(kāi)閘放水排沙；汛期后則關(guān)閉閘門，10月開(kāi)始蓄水，將庫(kù)水位逐步升至175 m高程，11—12月保持在175 m高水位，攔蓄清水以發(fā)揮水庫(kù)效益；1—4月水位降至156 m高程，利用蓄水，保證發(fā)電、通航；5月底降至防洪限制水位145 m高程[2]。三峽水庫(kù)自2006年156 m蓄水初期運(yùn)行后，歷經(jīng)2008—2009年175 m試驗(yàn)性蓄水，于2010年首次實(shí)現(xiàn)175 m蓄水目標(biāo)（見(jiàn)圖1）。自此，在145 m汛限水位和175 m最高蓄水位之間形成高差30 m、面積349 km2、岸線長(zhǎng)度5 578 km、夏季出露冬季淹沒(méi)的反季節(jié)消漲帶，稱為三峽水庫(kù)消落帶[3-4]（見(jiàn)圖2）。

圖1 三峽水庫(kù)水位季節(jié)性調(diào)節(jié)變化過(guò)程圖（2006—2018年）

圖2 三峽庫(kù)區(qū)及消落帶示意圖

水庫(kù)消落帶又稱消落區(qū)或漲落帶，是指由于水庫(kù)調(diào)度引起水庫(kù)水位周期性變動(dòng)而在庫(kù)區(qū)周圍形成的周期性出露于水面的一段特殊區(qū)域，通常指水庫(kù)最低水位線至最高水位線之間的地貌單元，是水陸生態(tài)系統(tǒng)的交錯(cuò)地帶[1-5]。消落帶是三峽庫(kù)區(qū)的重要組成部分，其生態(tài)系統(tǒng)健康是庫(kù)岸穩(wěn)定和水庫(kù)安全運(yùn)行的重要保障，直接關(guān)系著庫(kù)區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。在人工調(diào)度下，三峽庫(kù)區(qū)消落帶成為水位反復(fù)、周期變化的干濕交替區(qū)，使其成為水生和陸生生態(tài)系統(tǒng)交替控制的生態(tài)脆弱帶[6]。在庫(kù)水浸泡、徑流沖刷、波浪淘蝕、降雨擊濺和干濕交替的長(zhǎng)期綜合作用下，三峽水庫(kù)庫(kù)岸地表植被和土壤理化性質(zhì)被嚴(yán)重干擾，消落帶下墊面特征發(fā)生明顯變化[7-9]：其一，被庫(kù)水長(zhǎng)期淹沒(méi)，導(dǎo)致消落帶植被由于缺氧、光照不足，逐漸消亡，且短期內(nèi)難以恢復(fù)，土壤失去了最好的保護(hù)傘；而消落帶水位因反季節(jié)調(diào)節(jié)，夏季出露期天氣炎熱潮濕，強(qiáng)降雨頻繁，失去保護(hù)傘的土壤在降雨擊濺和坡面徑流的沖刷下，極易發(fā)生土壤侵蝕和流失，尤其是庫(kù)岸坡度較大區(qū)域，侵蝕尤其嚴(yán)重。其二，三峽水庫(kù)蓄水后，在周期性干濕交替作用下，庫(kù)岸土壤理化性質(zhì)改變，營(yíng)養(yǎng)元素流失，土壤抗侵蝕能力下降。三峽成庫(kù)以后，因水域面積增大、吹程增加形成規(guī)模較大、頻率較高的風(fēng)成浪，同時(shí)因通航船舶數(shù)量和噸位增加形成大規(guī)模的船行波，都會(huì)極大增強(qiáng)對(duì)岸坡的沖刷破壞力。在庫(kù)區(qū)波浪、降雨徑流和重力的綜合作用下，水庫(kù)消落帶的土壤侵蝕異常強(qiáng)烈，嚴(yán)重影響庫(kù)岸穩(wěn)定性，消落帶庫(kù)岸塌岸現(xiàn)象隨處可見(jiàn)。此外，三峽庫(kù)區(qū)人地矛盾突出，而消落帶分布著大量坡耕地，土地資源具有較高的生產(chǎn)潛力和多種利用功能，在水庫(kù)蓄水消退后，可能被當(dāng)?shù)剞r(nóng)民或有關(guān)單位季節(jié)性利用。由于庫(kù)區(qū)消落帶生態(tài)環(huán)境的特殊性、人地矛盾的尖銳性和土地季節(jié)性整理的復(fù)雜性，將進(jìn)一步加劇水土流失[10]。

這些問(wèn)題的產(chǎn)生，使得消落帶成為高度脆弱的生態(tài)系統(tǒng)，消落帶水位高差大（30 m），淹沒(méi)時(shí)間長(zhǎng)（超過(guò)0.5 a），反季節(jié)調(diào)節(jié)，再加上面積大、分布區(qū)域廣且周邊城鎮(zhèn)密集[11]，對(duì)消落帶的土壤及土壤侵蝕[9-13]、植被生理生態(tài)[3，14-17]、地貌[18]等造成嚴(yán)重影響，進(jìn)而威脅庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境和生活生產(chǎn)安全[19-20]，對(duì)入庫(kù)泥沙、水質(zhì)安全、庫(kù)岸穩(wěn)定及城鎮(zhèn)安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響[11]。三峽水庫(kù)消落帶生態(tài)環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)引起國(guó)際社會(huì)和我國(guó)政府的高度重視及眾多學(xué)者的關(guān)注[12]。中央政府明確提出要加強(qiáng)對(duì)三峽水庫(kù)消落帶的管理，維護(hù)庫(kù)岸穩(wěn)定，保障水庫(kù)和水質(zhì)安全。

土壤是三峽水庫(kù)消落帶生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的重要組成部分，水位漲落對(duì)土壤環(huán)境的影響也是消落帶當(dāng)前面臨的主要生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一。明晰水位漲落對(duì)消落帶土壤的影響是消落帶治理和修復(fù)的前提和關(guān)鍵。為此，本文在總結(jié)近些年國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于三峽水庫(kù)蓄水后周期性淹水對(duì)土壤理化性質(zhì)的改變和土壤侵蝕的研究成果基礎(chǔ)上，指出當(dāng)前研究的不足和建議，以期為三峽水庫(kù)消落帶治理和生態(tài)修復(fù)提供依據(jù)。

2 周期性淹水對(duì)消落帶土壤物理性質(zhì)的影響

在水庫(kù)水位上漲時(shí)期，消落帶土壤浸泡在水體中，經(jīng)水浸泡后的土壤，抗剪強(qiáng)度顯著降低，進(jìn)而出現(xiàn)軟化、泥化現(xiàn)象，在波浪不斷沖擊下，表層土壤很容易被剝蝕；水庫(kù)水位下降后，消落帶土壤暴露，而此時(shí)正值雨季，土壤表層還要受到雨水沖刷的影響。在多重影響因子的作用下，必然發(fā)生土壤表層喪失，深層土壤上移[21]。深層土壤上移是土壤結(jié)構(gòu)改變的重要原因。周期性淹水對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響主要包括改變土壤結(jié)構(gòu)、影響土壤磁性和降低土壤抗侵蝕能力3個(gè)方面。

2.1 對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響

三峽水庫(kù)水位周期性漲落對(duì)消落帶土壤最直接的影響就是對(duì)其結(jié)構(gòu)的改變。相關(guān)研究表明，周期性淹水對(duì)消落帶土壤粒徑、容重、孔隙度、通氣度、持水特性等物理屬性都有較大影響。

2.1.1 對(duì)土壤粒徑的影響

在庫(kù)水、波浪、降雨和坡面徑流等沖刷侵蝕綜合作用下，消落帶中上部發(fā)生嚴(yán)重侵蝕，下部則主要發(fā)生堆積。在反復(fù)不斷的侵蝕、沉積分選過(guò)程中，消落帶土壤的粒徑分布將發(fā)生顯著變化。研究表明，由于受擾動(dòng)時(shí)間和地表植被等影響，消落帶內(nèi)不同高程的土壤表現(xiàn)出不同的粒徑分布和分形特征。如忠縣石寶鎮(zhèn)新政村至共和村段典型消落帶土壤分形維數(shù)在2.8左右；共有3種質(zhì)地的土壤，分別是壤質(zhì)黏土、粉砂質(zhì)黏土、黏壤土，2種黏土的分形維數(shù)不存在顯著差異，黏土和壤土的分形維數(shù)差異顯著且以黏土的較大；隨高程增加，土壤粒徑表現(xiàn)為由尖峰胖尾分布向尖峰分布變化，與坡上部相比，坡中部及中上部黏粒、粉粒粒級(jí)的細(xì)粒土壤明顯減少，土壤正在粗化；而中下部及底部則不然，土壤中細(xì)粒成分明顯比背景值高[22]（見(jiàn)圖3）。說(shuō)明經(jīng)過(guò)降水和庫(kù)水的沖刷、淘洗等過(guò)程，由于細(xì)顆粒土壤的抗沖性差，土壤細(xì)顆粒向低處搬運(yùn)并堆積，所以底部堆積的土壤細(xì)顆粒占更大的比例[4]。當(dāng)然，不同地表覆被類型下的消落帶，淹水年限為3 a和1 a的土壤分形維數(shù)沒(méi)有顯著差異[22]。

圖3 三峽水庫(kù)忠縣石寶寨消落帶顆粒組成變化圖[22]

2.1.2 對(duì)土壤容重、孔隙度和通氣度的影響

土壤容重是土壤緊實(shí)度的敏感性指標(biāo)，也是表征土壤質(zhì)量的重要參數(shù)，其大小主要與土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)含量、土壤緊實(shí)度、人為活動(dòng)等有關(guān)[23]。土壤孔隙度是土壤的物理性質(zhì)之一，尤其表層土壤孔隙度分布及其連續(xù)性還決定著土壤的水力學(xué)特性，進(jìn)而影響入滲、貯存和排水等物理過(guò)程[24]。土壤通氣度是對(duì)土壤內(nèi)部空氣流通的測(cè)量指標(biāo)，良好的土壤通氣度表明土壤內(nèi)孔隙度及土壤儲(chǔ)水性能較高，從而說(shuō)明土壤結(jié)構(gòu)性狀較好，反之則較差。消落帶季節(jié)性水淹，再加上人為清庫(kù)和耕作干擾，土壤結(jié)構(gòu)極易遭到破壞，土壤質(zhì)量逐漸變差。研究表明，在同一消落區(qū)，受水位漲落影響的土壤，其容重要比未受水位漲落影響的區(qū)域高，而土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均小于未受水位漲落影響區(qū)域，而且這種影響作用隨著消落帶經(jīng)受水淹強(qiáng)度的增加而加劇[21]（見(jiàn)圖4）。程瑞梅等[25]對(duì)重慶市秭歸縣內(nèi)消落帶土壤容重、孔隙度的研究結(jié)論，常超等[13]對(duì)重慶市忠縣石寶鎮(zhèn)消落帶土壤容重的研究結(jié)論，均與上述研究結(jié)果相似?？傮w而言，三峽水庫(kù)土質(zhì)消落帶受水位漲落影響，表層土壤被侵蝕搬移，深層土壤暴露，土壤容重增加，而土壤孔隙度指標(biāo)卻有所下降。當(dāng)然，消落帶干濕交替的出現(xiàn)，也會(huì)嚴(yán)重影響土壤的通氣性能。對(duì)秭歸縣消落帶土壤通氣度的研究顯示，經(jīng)過(guò)水淹區(qū)段的土壤通氣度比對(duì)照區(qū)段降低了21.2%[25]。

圖4 三峽水庫(kù)秭歸縣消落帶土壤容重、孔隙度和通氣度對(duì)比圖[25]

2.1.3 對(duì)土壤持水特性的影響

土壤持水性能直接影響土壤抗水蝕能力，是反映土壤生態(tài)功能的重要指標(biāo)[26]。消落帶土壤長(zhǎng)期浸泡在水體中，土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，抗剪強(qiáng)度顯著降低，這將對(duì)土壤的持水性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。研究表明，由于經(jīng)過(guò)水位漲落產(chǎn)生的干濕交替極大地破壞了土壤結(jié)構(gòu)，影響了土壤水分的貯存性能，因此，與非消落帶相比，消落帶不同土層土壤最大持水量、毛管持水量和田間持水量均有較大幅度的降低，而且這種影響作用隨著消落帶經(jīng)受的水位漲落周年的增加而加劇[21-25]（見(jiàn)圖5）。可見(jiàn)，三峽水庫(kù)周期性的蓄水嚴(yán)重影響庫(kù)區(qū)消落帶土壤的持水性能，這將降低土壤的抗侵蝕能力，加劇消落帶的土壤侵蝕和生態(tài)環(huán)境破壞。

圖5 三峽水庫(kù)秭歸縣和巫山縣消落帶淹沒(méi)區(qū)和未淹區(qū)土壤持水性能變化圖[21]

2.2 對(duì)土壤磁性的影響

土壤都具有一定的磁性，而且其大小與土壤的礦物組成、顆粒大小、孔隙度、緊實(shí)度、有機(jī)質(zhì)含量等理化指標(biāo)密切相關(guān)[27]。在長(zhǎng)時(shí)間高壓淹水與高溫干旱交替變化條件下，三峽水庫(kù)消落帶土壤磁化率特性也將受到不同程度的影響。研究表明，土壤質(zhì)量磁化率在不同高程帶呈現(xiàn)不同的變化特征：在165 m以上高程處磁化率比較穩(wěn)定，165 m以下磁化率則開(kāi)始緩慢下降，至157 m以下區(qū)域，磁化率又呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)（見(jiàn)圖6）。對(duì)土壤質(zhì)量磁化率與土壤粒度的相關(guān)分析顯示，磁化率與土壤中的砂粒和粒徑大于0.020 mm的粉粒體積百分比呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，而與0.002~0.020 mm粒徑的粉粒和黏粒體積百分比呈顯著正相關(guān)。由土壤粒徑隨高程的變化規(guī)律可推斷，此現(xiàn)象是在高水位時(shí)水浪沖刷以及低水位時(shí)雨水、坡面徑流沖蝕等作用引起的土壤流失過(guò)程中，土壤在消落帶中上部主要發(fā)生侵蝕、分選及在下部堆積等諸多因素共同作用造成的[4]。

圖6 忠縣石寶鎮(zhèn)消落帶不同斷面和不同土層土壤質(zhì)量（低頻）磁化率分布圖[4]

2.3 對(duì)土壤抗蝕性的影響

土壤的抗侵蝕能力按其作用動(dòng)力可分為抗沖性和抗蝕性。土壤抗沖性（Soil anti-scouribility）是指土壤抵抗徑流對(duì)其機(jī)械破壞和推動(dòng)下移的性能；土壤抗蝕性（Soil anti-erodibility）是指土壤對(duì)侵蝕營(yíng)力分散和搬運(yùn)作用的抵抗能力[28]?？骨治g能力大小是土壤理化性質(zhì)綜合作用的結(jié)果，水位變化對(duì)消落帶土壤物理性質(zhì)的改變最終都將影響到土壤的抗侵蝕能力。研究表明，消落帶土壤受水淹后，土壤理化性質(zhì)的改變顯著降低了土壤的抗侵蝕能力，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體類、土壤無(wú)機(jī)膠粒類、團(tuán)聚類、有機(jī)質(zhì)及水穩(wěn)性指數(shù)是影響三峽水庫(kù)消落帶土壤抗蝕性的4類主要因子[29]。當(dāng)然，消落帶土壤經(jīng)水淹長(zhǎng)期浸泡后，土壤強(qiáng)度降低，發(fā)生軟化、泥化，土壤的抗沖性能也必將受到很大影響。關(guān)于周期性淹水條件下消落帶土壤抗蝕性的響應(yīng)，尤其是土壤抗沖性的變化有待進(jìn)一步研究。

3 周期性淹水對(duì)消落帶土壤化學(xué)特性的影響

3.1 周期性淹水對(duì)消落帶土壤pH值和養(yǎng)分的影響

土壤養(yǎng)分是土壤質(zhì)量的主要表征，而土壤pH值對(duì)土壤養(yǎng)分有重要影響，二者對(duì)水淹脅迫都極其敏感。在季節(jié)性干濕交替變化驅(qū)動(dòng)下，三峽水庫(kù)消落帶土壤酸堿性、養(yǎng)分也將發(fā)生改變。

3.1.1 對(duì)土壤pH值的影響

土壤pH值是土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，可控制和影響土壤中微生物區(qū)系的改變，從而影響絕大多數(shù)營(yíng)養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化方向、轉(zhuǎn)化過(guò)程、形態(tài)及其有效性[24]。土壤pH值一般隨土壤含水率增加有升高的趨勢(shì)，酸性土壤尤為明顯[23]。相關(guān)研究表明，盡管不同區(qū)域的消落帶土壤性質(zhì)差異較大，在經(jīng)歷水淹后，土壤pH值均表現(xiàn)為有所升高，并且隨著淹水強(qiáng)度（時(shí)間）的增加，土壤pH值也不斷升高。如忠縣石寶鎮(zhèn)消落帶土壤pH值為：未淹水土壤＜淹水后暴露土壤＜長(zhǎng)期淹水土壤，淹水后土壤由微堿性（pH =7.91）變?yōu)閴A性[13]（pH =8.14）；湖北省秭歸縣消落帶土壤淹水1 a后就由微酸性趨于中性[30]。當(dāng)然，不同土層深度的pH值并沒(méi)有顯著差異，而不同的土地利用方式對(duì)土壤pH值有影響，同一高程處次生灌叢的土壤pH值要高于棄荒地（見(jiàn)圖7）。

圖7 三峽水庫(kù)秭歸縣消落帶土壤pH值變化圖[30]

3.1.2 對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

在干濕交替驅(qū)動(dòng)下，不同區(qū)域消落帶土壤養(yǎng)分的響應(yīng)不盡相同。王曉榮等[30]對(duì)三峽庫(kù)區(qū)秭歸縣消落帶初期次生灌叢和棄耕地2種主要植被類型土壤養(yǎng)分特征的研究表明，除有效磷外，次生灌叢土壤養(yǎng)分含量均高于棄耕地，隨海拔的升高，土壤養(yǎng)分未表現(xiàn)出明顯差異性。與對(duì)照樣帶相比較，消落帶內(nèi)全磷、有效磷、全鉀、速效鉀含量增加，表明水淹和清庫(kù)等人為活動(dòng)對(duì)土壤母質(zhì)風(fēng)化影響嚴(yán)重，導(dǎo)致消落帶內(nèi)土壤磷和鉀含量增高，而速效鉀在水淹后則大量流失；隨著土壤層次的加深，除了有效磷外，其他養(yǎng)分都表現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)。當(dāng)然，彼時(shí)消落帶尚處于形成初期，未形成明顯的水分梯度，其養(yǎng)分和水分沒(méi)有顯著相關(guān)性。常超等[13]對(duì)忠縣石寶鎮(zhèn)消落帶土壤理化性質(zhì)的研究則顯示，該區(qū)域土壤養(yǎng)分平均含量普遍下降，其中速效鉀含量下降最多（46.7%），淹水易造成養(yǎng)分流失；消落帶土壤淹水前各測(cè)定指標(biāo)在不同高程之間差異均不顯著；淹水后，除硝態(tài)氮含量有所增加以外，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、氨態(tài)氮、速效磷、速效鉀含量均低于未淹水土壤；同時(shí)不同淹水強(qiáng)度下，土壤養(yǎng)分含量的差異極顯著或差異顯著；總體上，淹水時(shí)間越長(zhǎng)，土壤養(yǎng)分含量越低，長(zhǎng)期淹水后（主要在146 m高程以下低水位處）的土壤出現(xiàn)有機(jī)質(zhì)及全量養(yǎng)分累積現(xiàn)象（見(jiàn)圖8）。王業(yè)春等[31]的研究也證明淹水后，土壤有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷在160 m和170 m水位高程間均沒(méi)有顯著差異。郭勁松等[32]認(rèn)為干濕交替是影響消落帶土壤有機(jī)質(zhì)和全氮分布的重要因子；與三峽庫(kù)區(qū)其他區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量相比，庫(kù)區(qū)消落帶土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量處于偏低水平，且隨三峽水庫(kù)運(yùn)行有所降低。

圖8 三峽水庫(kù)秭歸縣消落帶土壤養(yǎng)分沿高程變化圖[30]

消落帶不同的植被覆蓋和恢復(fù)方式也對(duì)土壤養(yǎng)分和質(zhì)量有較大影響。對(duì)三峽庫(kù)區(qū)忠縣消落帶土壤氮的研究表明，經(jīng)歷水淹后，土壤氨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量均顯著降低；不同植被覆蓋下的土壤養(yǎng)分含量有顯著差異，灌叢消落帶土壤有機(jī)碳、氨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量比草本植物覆蓋和喬木林下的土壤要高[34]。忠縣、萬(wàn)州和秭歸縣消落帶的土壤在經(jīng)歷水淹后，與植被自然恢復(fù)區(qū)相比，人工恢復(fù)區(qū)土壤的有機(jī)質(zhì)和硝態(tài)氮含量更高，而pH值、容重和總磷含量較低，自然恢復(fù)區(qū)的土壤質(zhì)量指數(shù)更高[35]。

綜上可見(jiàn)，經(jīng)歷水淹后，三峽水庫(kù)消落帶土壤的pH值有所增加，而土壤養(yǎng)分含量普遍下降并且有隨著淹水強(qiáng)度增加而增加的趨勢(shì)，這就進(jìn)一步證明經(jīng)歷周期性水淹后，三峽水庫(kù)消落帶土壤質(zhì)量正在逐步變差。消落帶土壤養(yǎng)分的改變對(duì)三峽水庫(kù)的水質(zhì)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，是水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化的潛在污染源。研究顯示，三峽水庫(kù)消落帶大部分地區(qū)的土壤氮含量嚴(yán)重超標(biāo)，土壤磷含量也有部分區(qū)域超標(biāo)[33]，應(yīng)該引起有關(guān)部門的足夠重視。

3.2 周期性淹水條件下消落帶土壤金屬含量的變化

經(jīng)歷水淹作用后，消落帶土壤金屬含量和類別也會(huì)發(fā)生較大變化。對(duì)三峽水庫(kù)秭歸縣消落帶土壤重金屬的研究顯示，水淹區(qū)段與未淹區(qū)段、對(duì)比樣帶相比較，全銅、全鐵、全錳、全鋅等重金屬的含量分別降低66.62%，11.29%，40.93%，18.41%和54.97%，2.19%，17.86%，35.29% ，說(shuō)明經(jīng)過(guò)水淹后，土壤釋放的重金屬含量大于從水中吸附的含量，重金屬元素流失嚴(yán)重；水淹區(qū)段的堿性金屬如全鈣、全鎂、全鈉的含量則分別比未淹區(qū)段升高9.10%，8.00%，21.15%；全鎂、全鈉的含量比對(duì)比樣帶升高4.50%，25.70%，全鈣的含量降低30.40%[25]（見(jiàn)圖9）。總體上消落帶內(nèi)土壤全鈉含量為次生灌叢<棄荒地，全鈣和全鎂則為次生灌叢>棄荒地。

圖9 三峽水庫(kù)消落帶土壤堿性金屬含量變化圖[25]

同樣，經(jīng)歷周期性水淹后，消落帶土壤重金屬的類型和來(lái)源也發(fā)生變化，并且出現(xiàn)不同程度的重金屬污染。研究表明，三峽水庫(kù)消落帶被淹沒(méi)前，土壤重金屬污染物主要是砷和鎘，其中有45%的砷污染來(lái)源于生活污水，59%的鎘污染來(lái)源于工業(yè)廢棄物；淹水后土壤重金屬污染物主要為汞、鎘和鉛，船舶航運(yùn)是這些重金屬的主要污染源，地累積指數(shù)法顯示，鎘為中度污染，汞為低度污染；消落帶土壤的重金屬含量呈現(xiàn)顯著的空間變化，一般高水位區(qū)和低水位區(qū)的重金屬含量要高于其他水位區(qū)，而且有植被生長(zhǎng)區(qū)的重金屬含量顯著低于無(wú)植被區(qū)[36-37]。對(duì)三峽水庫(kù)重慶段消落帶不同水位高程土壤汞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)顯示，消落帶土壤汞含量平均值為（68.5±22.7）ug/kg，高程土壤汞的平均含量依次為155~165 m＞145~155 m＞165~175 m。單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，不同水位高程土壤汞均未超過(guò)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，但有80.2%采樣點(diǎn)的土壤汞含量超過(guò)三峽庫(kù)區(qū)土壤背景值[38]。三峽水庫(kù)消落帶淹水前后土壤重金屬含量變化見(jiàn)圖10[39]。

圖10 三峽水庫(kù)消落帶淹水前后土壤重金屬含量變化圖[39]

4 周期性淹水驅(qū)動(dòng)下消落帶的土壤侵蝕響應(yīng)

消落帶受干濕交替的周期性淹水影響，地面植被和土壤結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞，在生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定、抗外界干擾能力及對(duì)生態(tài)環(huán)境變化的適應(yīng)性上，均表現(xiàn)出明顯的脆弱特性[6]。加之消落帶水位漲落反自然洪枯規(guī)律，出露成陸時(shí)期天氣炎熱潮濕，大雨、暴雨頻繁，在波浪淘蝕和降雨徑流沖刷的共同作用下發(fā)生嚴(yán)重的土壤侵蝕[9]。消落帶嚴(yán)重的土壤侵蝕已經(jīng)成為三峽水庫(kù)主要的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一。據(jù)鮑玉海等人[40]研究，三峽水庫(kù)消落帶土壤侵蝕主要受區(qū)域氣候特征、地形地貌、土壤條件、水位漲落、船行波及波浪和人類活動(dòng)等因素影響。侵蝕類型包括波浪侵蝕、降雨徑流侵蝕、崩塌和滑坡等4種類型。其中波浪侵蝕包括浪蝕作用、波浪及岸邊流的搬運(yùn)作用，造成的一次性破壞規(guī)模較小，但作用時(shí)空分布廣，且可以為岸坡后退提供必須的臨空條件。降雨徑流侵蝕主要發(fā)生在消落帶成陸初期，此時(shí)正處于水熱資源豐富的夏秋季節(jié)，消落帶植被由于淹水消亡不能及時(shí)恢復(fù)，加之涌浪侵蝕對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的破壞，在降雨和坡面徑流的作用下，極易發(fā)生土壤侵蝕，但隨著消落帶自然植被的逐漸恢復(fù)，地表覆被增加，降雨徑流侵蝕的作用越來(lái)越弱。崩塌和滑坡是消落帶水文地質(zhì)、土壤、植被等條件改變后，在庫(kù)水波浪、降雨徑流和自身重力等多種侵蝕營(yíng)力綜合作用下的結(jié)果。波浪侵蝕和崩塌是消落帶土壤侵蝕的主要表現(xiàn)形式[9，40]。

由于侵蝕條件的差異，土壤侵蝕主要發(fā)生在干流消落帶，而庫(kù)灣消落帶受波浪影響較小，土壤侵蝕程度較輕，分布面積少。根據(jù)2008年三峽水庫(kù)156 m水位運(yùn)行周期內(nèi)消落帶土壤侵蝕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，干流消落帶土壤侵蝕強(qiáng)度高達(dá)71 mm/a，而庫(kù)灣土壤侵蝕強(qiáng)度僅為11 mm/a，干流消落帶土壤侵蝕深度是庫(kù)灣的7倍。消落帶土壤侵蝕程度受水位停留時(shí)間的影響，在低水位線（145~150 m）附近土壤侵蝕最為強(qiáng)烈。坡度＞5°的消落帶土質(zhì)岸坡土壤侵蝕強(qiáng)烈，分布面積較廣；在平壩或臺(tái)階地上，土壤侵蝕一般只發(fā)生在田坎、陡坎部位。居民點(diǎn)附近的消落帶，人類活動(dòng)頻繁，退水后多被農(nóng)民自發(fā)利用種植旱農(nóng)或經(jīng)濟(jì)作物，水土保持耕作措施未跟上，植被和土壤反復(fù)破壞，加劇了土壤侵蝕的發(fā)生。遠(yuǎn)離村莊的遠(yuǎn)山區(qū)植被受人為破壞比較少，一般退水后自然恢復(fù)的草本植物覆蓋較好，土壤侵蝕相對(duì)較輕[9]。不同土地利用方式下的土壤侵蝕強(qiáng)度差異明顯，根據(jù)鮑玉海等人[41]2008—2012年的侵蝕針監(jiān)測(cè)結(jié)果，消落帶裸地和傳統(tǒng)農(nóng)耕地的侵蝕模數(shù)分別高達(dá) 92 423，94 887 t·km-2·a-1，穴播耕地為 64 670 t·km-2·a-1，草地最小，自然草地和人工草地分別為 37 794，21 340 t·km-2·a-1（見(jiàn)圖 11）。

圖11 石寶寨消落帶不同土地利用方式下的土壤侵蝕率圖[41]

三峽水庫(kù)蓄水后，消落帶地貌發(fā)生強(qiáng)烈的變化，其地貌演化過(guò)程可分為強(qiáng)烈侵蝕期、基本穩(wěn)定期和淤積填平期。其中強(qiáng)烈侵蝕期大概10 a或稍長(zhǎng)，基本穩(wěn)定期約數(shù)十年，淤積填平期約數(shù)百年[18]。當(dāng)前，三峽水庫(kù)消落帶正處于強(qiáng)烈侵蝕期末期，對(duì)庫(kù)區(qū)多處消落帶的野外勘察發(fā)現(xiàn)，在植被人工恢復(fù)和自然恢復(fù)、免耕休耕和水土保持工程等的綜合措施下，大部分消落帶已基本穩(wěn)定，侵蝕明顯減弱，甚至沒(méi)有侵蝕。不過(guò)還存在部分消落帶，由于坡度較陡，植被難以恢復(fù)，或者由于發(fā)生崩塌、滑坡，侵蝕依然劇烈。因此，建議針對(duì)這些侵蝕劇烈的局部?jī)?yōu)先考慮進(jìn)行治理，防止侵蝕加劇，以穩(wěn)定庫(kù)岸。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，三峽水庫(kù)周期性蓄水引起的水位漲落對(duì)三峽水庫(kù)消落帶土壤的容重、孔隙度、粒徑、持水性、抗侵蝕能力等物理屬性，pH值、養(yǎng)分、金屬含量等化學(xué)性質(zhì)都有很大影響。土壤理化性質(zhì)的改變，再加上波浪、降雨徑流等侵蝕營(yíng)力的綜合作用，也直接加劇消落帶的土壤侵蝕。具體可歸納為：

（1）周期性淹水增加了消落帶土壤容重，降低了土壤孔隙度、持水性和抗侵蝕能力。沿高程從消落帶底部至頂部，土壤顆粒逐漸粗化。

（2）周期性淹水增加了消落帶土壤的pH值，而土壤養(yǎng)分含量則大多出現(xiàn)下降趨勢(shì)，同時(shí)部分重金屬富集，說(shuō)明消落帶土壤質(zhì)量正在逐步惡化，并且局部出現(xiàn)污染。

（3）在周期性淹水、波浪沖刷和降雨侵蝕等綜合營(yíng)力作用下，消落帶上部主要發(fā)生侵蝕，中部侵蝕和淤積交錯(cuò)，下部主要發(fā)生沉積，波浪侵蝕對(duì)消落帶土壤的侵蝕貢獻(xiàn)最大。

對(duì)三峽水庫(kù)季節(jié)性調(diào)節(jié)導(dǎo)致的水位漲落變化對(duì)消落帶土壤的影響，雖已經(jīng)得到眾多專家學(xué)者關(guān)注和研究，但當(dāng)前研究還存在諸多問(wèn)題和不足。如：①大多數(shù)研究只針對(duì)三峽水庫(kù)廣闊消落帶的單一或某幾個(gè)研究區(qū)域得出結(jié)論，缺乏對(duì)整個(gè)三峽水庫(kù)消落帶的全局考慮和對(duì)比分析；②消落帶土壤侵蝕嚴(yán)重，對(duì)土壤抗沖性研究和波浪作用對(duì)消落帶的侵蝕過(guò)程研究，目前尚欠缺；③缺乏對(duì)水位漲落之土壤響應(yīng)過(guò)程的機(jī)制認(rèn)識(shí)。

為此，日后應(yīng)對(duì)三峽水庫(kù)消落帶進(jìn)行全方位、分區(qū)域的對(duì)比研究，補(bǔ)充和完善相關(guān)研究結(jié)論，以期更為系統(tǒng)地理解水位漲落對(duì)消落帶土壤的影響，并在此基礎(chǔ)上為三峽水庫(kù)消落帶的植被修復(fù)、水土保持和生態(tài)重建提供更為有利的證據(jù)和理論支撐。

針對(duì)三峽水庫(kù)水位周期性漲落引起的消落帶土壤退化和嚴(yán)重的土壤侵蝕，建議盡快實(shí)施三峽水庫(kù)消落帶固土護(hù)坡工程，控制消落帶土壤的繼續(xù)退化和侵蝕。同時(shí)加強(qiáng)三峽水庫(kù)消落帶的植被重建工作，穩(wěn)定并逐步修復(fù)消落帶的土壤環(huán)境。