王麗君，程瑞梅,＊，肖文發(fā),，楊 邵，沈雅飛, ，郭 燕，雷 蕾, ，曾立雄,

(1. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所，國(guó)家林業(yè)和草原局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091；2. 南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210037)

三峽庫(kù)區(qū)消落帶作為水域和陸地生態(tài)系統(tǒng)的過(guò)渡地帶，其土壤不僅受到水位漲落的重力侵蝕和波浪的沖擊，而且在出露成陸期還要遭受雨水的沖刷、淋溶及人類活動(dòng)的影響，長(zhǎng)期作用下導(dǎo)致消落帶土壤理化性質(zhì)發(fā)生劇烈改變[1-2]。2011 年，《三峽后續(xù)工作規(guī)劃》明確提出要大力推動(dòng)三峽庫(kù)區(qū)消落帶植被恢復(fù)和生態(tài)環(huán)境治理。土壤作為生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)和能量交換的重要場(chǎng)所，其物理及化學(xué)性質(zhì)的變化可對(duì)生態(tài)環(huán)境變化起到指示作用。一方面，積累在土壤中的金屬元素，通過(guò)溶解、淋溶、擴(kuò)散等方式進(jìn)入水體而引起水質(zhì)的變化；另一方面，水體中的金屬元素，通過(guò)吸附、沉淀等形式遷移至消落帶土壤中而引起土壤pH 值等環(huán)境的改變，進(jìn)而直接或間接地影響消落帶植物的生長(zhǎng)和恢復(fù)、微生物的活動(dòng)以及土壤的肥力狀況[3-5]。因此，三峽水庫(kù)周期性水位漲落對(duì)消落帶土壤pH 值和金屬元素含量的影響及年際動(dòng)態(tài)規(guī)律值得深入探討。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞消落帶土壤pH 值和金屬元素含量的變化及存在形態(tài)、分布特征規(guī)律等開(kāi)展研究并得出不同結(jié)論[6-7]，如程瑞梅等[8]發(fā)現(xiàn)水淹初期消落帶土壤中重金屬元素鐵、錳、鋅、銅的含量比水淹前均有所下降，但郭沛等[9]通過(guò)2 年的室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)淹水導(dǎo)致Fe2+、Mn2+、有效銅等重金屬含量增加；王業(yè)春等[10]通過(guò)對(duì)消落帶為期2 年的定位監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，消落帶不同水位高程土壤重金屬含量沒(méi)有顯著差異，但郭燕等[11]通過(guò)對(duì)消落帶為期8 年的定位監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)消落帶土壤重金屬在低水位高程的積累過(guò)程較為明顯。造成以上研究結(jié)果出現(xiàn)差異的原因，一方面是因?yàn)槭覂?nèi)模擬研究與現(xiàn)實(shí)環(huán)境差異較大，另一方面是由于三峽水庫(kù)“冬蓄夏排”反季節(jié)性調(diào)度方式的運(yùn)行，使得不同海拔高程的土壤被水淹沒(méi)的時(shí)間不同，所受水位漲落的侵蝕、外界雨水淋溶和人為干擾的程度不同，從而會(huì)形成一系列以水分、海拔等為主要因素的異質(zhì)性層次梯度，這將導(dǎo)致庫(kù)區(qū)消落帶土壤理化性質(zhì)在海拔梯度上和年際變化間具有較高的變異性[12-13]。因此，對(duì)三峽庫(kù)區(qū)消落帶土壤pH 值和金屬元素含量變化規(guī)律的長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)研究十分必要。

基于此，本研究于2008 年8 月選取3 塊生境類型相似的次生灌叢樣地作為長(zhǎng)期固定監(jiān)測(cè)樣地，分析經(jīng)歷水位漲落前（2008 年）以及經(jīng)歷1 次（2009 年），4 次（2012 年），6 次（2014 年），7 次（2015 年），8 次（2016 年）、10 次（2018 年）水位漲落后，消落帶不同海拔區(qū)段（145～155 m，155～165 m 和165～175 m）內(nèi)表層（0～20 cm）土壤的pH 值和7 種金屬元素（鐵、錳、鋅、鉀、鈣、鈉、鎂）含量在海拔區(qū)段和年際間的差異，探索其年際變化規(guī)律，以期為消落帶土壤理化性質(zhì)的演變趨勢(shì)預(yù)測(cè)及水環(huán)境保護(hù)提供依據(jù)，為庫(kù)區(qū)生態(tài)恢復(fù)以及周邊人工活動(dòng)提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 樣地概況

研究區(qū)域位于湖北省宜昌市秭歸縣茅坪鎮(zhèn)，長(zhǎng)江西陵峽南岸，緊鄰三峽大壩，地理位置為30°38′14″～31°11′31″ N，110°00′04″～110°18′41″ E。屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，溫暖濕潤(rùn)，四季分明，雨熱同季；年均氣溫為18.0 ℃，年平均降水量為1 100.0 mm，年均相對(duì)濕度為78%，年日照時(shí)數(shù)為1 632.0 h，年無(wú)霜期約為260.0 d。三峽水庫(kù)受“冬蓄夏排”反季節(jié)性調(diào)度模式的影響，庫(kù)區(qū)周邊土地周期性出露于水面，逐漸形成30 m 落差的消落帶回水區(qū)，其地形起伏較大。本研究區(qū)域平均坡度約為45°，土壤類型為花崗巖母質(zhì)風(fēng)化而成的黃壤土，土層厚度約為40 cm。

該區(qū)域原生植被豐富，喬木主要有馬尾松（Pinus massonianaLamb.）、杉木（Cunninghamia lanceolate（Lamb.）Hook）、白櫟（Quercus fabriHance.）等，林分郁閉度0.5，灌木主要有胡枝子（Lespedeza bicolorTurcz.）、檵木（Loropetalum chinensis(R.Br.) Oliver）、山胡椒（Lindera glauca(Sieb. et Zucc.) BI）、牡荊（Vitex negundoL. var.cannabifolia(Sieb. et Zucc.) Hand.-Mazz.），覆 蓋度50%，草本主要有苧麻（Boehmeria nivea(L.)Gaudich.）、艾麻（Laportea cuspidate(Wedd.) Friis）、野青茅（Deyeuxia arundinacea(L.) Brauv.）、珍珠菜（Lysimachia clethroidesDuby）、復(fù)葉耳蕨（Arachniodes exilis(Hance) Ching）等，覆蓋度75%。2006 年根據(jù)水庫(kù)管理部門的要求，對(duì)消落帶高大喬灌木進(jìn)行砍伐。受人為清庫(kù)和水位漲落的影響，消落帶內(nèi)的原生植被早已消失殆盡。目前，消落帶145～175 m 各海拔區(qū)段的典型植被以一年生和多年生的草本植物為主，草本植被群落共有35 科47 屬51 種。145～155 m 和155～165 m 海拔區(qū)段覆蓋度85%，165～175 m 海拔區(qū)段覆蓋度80%。各海拔區(qū)段均以禾本科（Gramineae）、莎草科（Cyperaceae）、菊科（Compositae）、大戟科（Euphorbiaceae）為主要優(yōu)勢(shì)科，物種以狗牙根（Cynodon dactylon(L.) Pers.）、毛馬唐（Digitaria chrysoblepharaFig.）、狗尾草（Setaria viridis(L.)Beauv.）、香附子（Cyperus rotundusLinn.）、蒼耳（Xanthium sibiricumPatrin ex Widder）、鬼針草（Bidens PilosaL.）、醴腸（Eclipta prostrata(L.)L.）、一年蓬（Erigeron annuus(L.) Pers.）、蜜甘草（Phyllanthus ussuriensisRupr et Maxim）等為主要優(yōu)勢(shì)種。

1.2 樣地設(shè)置

2008 年8 月在秭歸縣茅坪鎮(zhèn)松樹(shù)坳、蘭陵溪、杉木溪典型消落帶回水區(qū)，選擇3 塊生境類型相似的固定次生灌叢樣地（圖1），樣地大小設(shè)置為45 m（高）× 20 m（寬）（由于樣地斜坡平均坡度約為45°，因而GPS 定位的垂直海拔高差30 m 在斜坡上約為45 m），由于不同的海拔高程受水淹情況不同，根據(jù)GPS 海拔定位以145 m 海拔為底邊，175 m 海拔為頂邊，將樣地拉分為145～155、155～165、165～175 m 3 個(gè)海拔區(qū)段，各個(gè)高程均埋設(shè)水泥樁做標(biāo)記。

圖1 三峽庫(kù)區(qū)秭歸段消落帶采樣位置示意圖Fig. 1 Distribution of the soil sampling sites in water-levelfluctuating zone of Three Gorges Reservoir area（zigui）

根據(jù)三峽水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度歷史，2008 年8 月為水庫(kù)運(yùn)行前期，消落帶145～175 m 高程并未遭受水淹；2008 年10 月之后開(kāi)始蓄水，且此后2009—2018 年間周期性漲落的蓄水位均在145～175 m 海拔之間(數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司水情信息)。因此，本研究將2008 年8 月各海拔區(qū)段的土壤pH 值和金屬元素含量作為背景值（對(duì)照）進(jìn)行分析。

1.3 樣品采集與處理

于2008、2009、2012、2014、2015、2016、2018 年8 月，在各海拔區(qū)域內(nèi)，均勻設(shè)置12 個(gè)采樣點(diǎn)。在每個(gè)采樣點(diǎn)，用土鉆采集0～20 cm 的土壤樣品，每個(gè)樣地共取樣36 個(gè)，總共取樣108個(gè)。將同一樣地、同一海拔區(qū)段的土壤樣品手動(dòng)混合均勻后，裝入采樣袋并標(biāo)記采樣點(diǎn)位置及采樣時(shí)間，帶回實(shí)驗(yàn)室自然陰干。土壤樣品自然陰干后，剔除土壤中植物根系、石塊，動(dòng)物殘?bào)w等，研磨過(guò)2 mm 篩備用。

土壤中鐵、錳、鋅、鉀、鈣、鎂、鈉的含量均采用電感耦合等離子體光譜儀進(jìn)行測(cè)定[14]。所有測(cè)定分析工作均在中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所國(guó)家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Microsoft Excel 2016 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。應(yīng)用描述性統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算不同海拔區(qū)段和年際間土壤pH 值和金屬元素含量的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，應(yīng)用雙因素方差分析探索不同海拔和水淹年限對(duì)土壤pH 值和金屬元素含量的影響，并通過(guò)LSD 法多重比較檢驗(yàn)其差異性，利用Pearson 相關(guān)分析和簡(jiǎn)單回歸分析探索土壤pH 值與金屬元素間的關(guān)系，所有統(tǒng)計(jì)分析均在SPSS 24.0 軟件中進(jìn)行。采用Origin 9.1 進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果分析

2.1 消落帶不同海拔區(qū)段土壤pH 值的動(dòng)態(tài)

由圖2 可以看出，海拔梯度和淹沒(méi)年限及其交互作用顯著影響消落帶土壤pH 值（p＜ 0.01）。隨著水位的周期性漲落，消落帶不同海拔區(qū)段土壤pH 值的年際變化總體呈波動(dòng)式增加的趨勢(shì)。經(jīng)歷水位漲落前和經(jīng)歷1 次水位漲落后，消落帶145～155 m、155～165 m、165～175 m 各海拔區(qū)段土壤的pH 值均呈酸性，且年際間差異不顯著；經(jīng)歷4 次水位漲落后，2012 年消落帶各海拔區(qū)段土壤pH 值均顯著增加（p＜ 0.05），增加幅度分別達(dá)到32.0%、25.5%、25.0%；此后隨著水位的周期性漲落，2012—2018 年消落帶各海拔區(qū)段土壤pH 值均呈“上升—下降—上升”的趨勢(shì)。至2018 年，145～155 m 和155～165 m 海拔區(qū)域土壤pH 分別達(dá)到7.84、7.6，由酸性土壤變?yōu)閴A性土壤，165～175 m海拔區(qū)域土壤pH 值達(dá)到7.28，呈中性狀態(tài)。在同一年份的不同海拔區(qū)段內(nèi)，除2009 年外，各調(diào)查年份消落帶土壤pH 值均呈現(xiàn)出：145～155 m ＞155～165 m ＞ 165～175 m 的特征，但所有年份低海拔區(qū)段（145～155 m）與高海拔區(qū)段（165～175 m）土壤pH 值差異均顯著（p＜ 0.05）。

圖2 消落帶不同海拔區(qū)段土壤pH 值的動(dòng)態(tài)Fig. 2 Dynamics of soil pH-value at different altitudes of water-level-fluctuation zone

圖3 消落帶不同海拔區(qū)段土壤鐵含量的動(dòng)態(tài)Fig. 3 Dynamics of iron contents in soil at different altitudes of water-level-fluctuation zone

2.2 消落帶不同海拔區(qū)段土壤金屬元素含量的動(dòng)態(tài)

2.2.1 土壤鐵含量的動(dòng)態(tài) 由圖3 可知，消落帶區(qū)域土壤鐵含量同時(shí)受淹沒(méi)年限、海拔梯度（p＜0.01）及其交互作用（p＜ 0.05）的顯著影響。與經(jīng)歷水位漲落前相比，經(jīng)歷水位漲落后消落帶不同海拔區(qū)段土壤鐵含量均有所減少，年際變化呈現(xiàn)出波動(dòng)式下降的趨勢(shì)，但變化幅度不明顯。在此期間，145～155 m 和155～165 m 海拔區(qū)段土壤鐵含量整體呈先下降后增加的趨勢(shì)，165～175 m 區(qū)段整體呈“下降—增加—下降”的特征。與經(jīng)歷水位漲落前相比，145～155 m 和155～165 m 海拔區(qū)段土壤鐵含量在經(jīng)歷1 次水位漲落后顯著下降，在經(jīng)歷6 次水位漲落后（2014 年），分別下降到最低值43.15 g·kg-1和44.16 g·kg-1，降幅分別為13.3%和6.3%；165～175 m 海拔區(qū)域鐵含量在經(jīng)歷1 次水位漲落后變化不顯著，在經(jīng)歷4 次水位漲落后下降到最低點(diǎn)44.02 g·kg-1，降幅為26.6%。由此可見(jiàn)，低海拔區(qū)段與高海拔區(qū)段土壤鐵含量對(duì)周期性水位漲落的年際響應(yīng)表現(xiàn)出一定的差異性。在同一年份的不同海拔區(qū)段內(nèi)，除2012 年外，其余經(jīng)歷水位漲落的年份消落帶土壤鐵含量均呈現(xiàn)出145～155 m ＜ 155～165 m ＜ 165～175 m 海拔的特征，且145～155 m與165～175 m 區(qū)段差異顯著（p＜ 0.05）。

2.2.2 土壤錳含量的動(dòng)態(tài) 由圖4 可以看出，消落帶區(qū)域土壤錳含量同時(shí)受淹沒(méi)年限、海拔梯度（p＜ 0.01）及其交互作用（p＜ 0.05）的顯著影響。與經(jīng)歷水位漲落前相比，經(jīng)歷水位漲落后各年份消落帶不同海拔區(qū)段土壤錳含量均有所下降，其年際變化整體呈現(xiàn)波動(dòng)式下降的趨勢(shì)。其中，145～155 m 和155～165 m 區(qū)段隨著水位漲落周期的增加，土壤錳含量呈現(xiàn)出“下降—上升—下降”的波動(dòng)式變化，而165～175 m 區(qū)段土壤錳含量直線下降。與2008 年相比，145～155 m、155～165 m海拔區(qū)段土壤錳含量在經(jīng)歷4 次水位漲落后（2012 年），顯著下降到最低點(diǎn)，降幅分別達(dá)到42.7%和38.6%，此后在2012—2018 年間，土壤錳含量雖有回升，但均顯著低于2008 年各海拔區(qū)域的土壤錳含量。在經(jīng)歷10 次水位漲落后，2018年各海拔區(qū)段土壤錳含量下降幅度分別為26.4%、24.3%、34.9%。在同一年份的不同海拔區(qū)段土壤中，各調(diào)查年份的錳含量整體表現(xiàn)出“145～155 m ＜155～165 m ＜ 165～175 m”的特征，其中，2008—2014 年間土壤錳含量在低海拔區(qū)段與高海拔區(qū)段間存在顯著差異（p＜ 0.05），在2015—2018 年間各海拔區(qū)段土壤錳含量差異不顯著（p＞ 0.05）。

圖4 消落帶不同海拔區(qū)段土壤錳含量的動(dòng)態(tài)Fig. 4 Dynamics of manganese contents in soil at different altitudes of water-level-fluctuation zone

2.2.3 土壤鋅含量的動(dòng)態(tài) 由圖5 可以看出，消落帶區(qū)域土壤鋅含量同時(shí)受淹沒(méi)年限、海拔梯度及其交互作用的顯著影響（p＜ 0.01）。隨著水位的周期性漲落，2008—2018 年間消落帶區(qū)域土壤鋅含量的年際變化整體上呈現(xiàn)波動(dòng)式下降的趨勢(shì)。在經(jīng)歷1 次水位漲落后，各海拔區(qū)段土壤鋅含量均顯著下降（p＜ 0.05），降幅分別為：66.7%、50.0%、37.8%，在經(jīng)歷4 次（2012 年）水位漲落后，145～155 m 和155～165 m 海拔區(qū)段土壤鋅含量顯著上升（p＜ 0.05），而165～175 m 區(qū)段鋅含量仍顯著下降（p＜ 0.05）；此后隨著周期性的水位漲落，2012—2018 年間各海拔區(qū)段土壤鋅含量均呈現(xiàn)出“先下降后上升”相同的年際變化特征。在經(jīng)歷10 次水位漲落后，2018 年各海拔區(qū)段土壤鋅含量與2008 年相比下降幅度分別為：26.7%、39.4%、70.3%。在同一年份的不同海拔區(qū)段土壤中，只有水位漲落前期和經(jīng)歷1 次水位漲落后，土壤鋅含量表現(xiàn)出145～155 m ＜ 155～165 m ＜ 165～175 m 的特征，且海拔區(qū)段間差異顯著（p＜ 0.05）；此后，在經(jīng)歷多次水位漲落的2012—2018 年間，土壤鋅含量在海拔區(qū)段間并未表現(xiàn)出一致的分布規(guī)律，差異也不顯著（p＞ 0.05）。

2.2.4 土壤鉀含量的動(dòng)態(tài) 由圖6 可以看出，淹沒(méi)年限和海拔梯度顯著影響消落帶區(qū)域土壤鉀含量（p＜ 0.01）。隨著水位的周期性漲落，2008—2018 年間消落帶區(qū)域土壤鉀含量的年際變化整體呈現(xiàn)出波動(dòng)式增加的趨勢(shì)。在經(jīng)歷1 次水位漲落后，各海拔區(qū)段土壤鉀含量都略有上升，但變化均不顯著；而經(jīng)歷4 次水位漲落后（2012 年），各海拔區(qū)段土壤鉀含量均顯著增加（p＜ 0.01），與2008 年相比，增幅分別達(dá)到：233.7%、252.3%、288.4%；此后，在2012—2018 年間，145～155 m海拔區(qū)段鉀含量持續(xù)增加到2016 年達(dá)到最大值9.09 g·kg-1后又顯著下降到5.81 g·kg-1，而155～165 m 和165～175 m 海拔區(qū)段土壤鉀含量則呈現(xiàn)出“下降—上升—下降”的波動(dòng)式變化，但變化均不顯著。在經(jīng)歷10 次水位漲落后（2018 年），與2008 年相比，各海拔區(qū)段土壤鉀含量增加的幅度分別達(dá)到：143.2%，62.2%、168.8%，說(shuō)明水位周期性漲落使得消落帶土壤鉀含量增加。在同一年份的不同海拔區(qū)域，145～155 m 海拔區(qū)段土壤鉀含量整體高于155～165 m 和165～175 m 區(qū)段，而155～165 m 和165～175 m 海拔區(qū)域鉀含量則沒(méi)有明顯差異，說(shuō)明水位的周期性漲落使得消落帶土壤鉀元素在低海拔區(qū)域富集較多。

圖5 消落帶不同海拔區(qū)段土壤鋅含量的動(dòng)態(tài)Fig. 5 Dynamics of zinc contents in soil at different altitudes of water-level-fluctuation zone

圖6 消落帶不同海拔區(qū)段土壤鉀含量的動(dòng)態(tài)Fig. 6 Dynamics of potassium contents in soil at different altitudes of water-level-fluctuation zone

2.2.5 土壤鈣含量的動(dòng)態(tài) 由圖7 可知，消落帶區(qū)域土壤鈣含量同時(shí)受淹沒(méi)年限（p＜ 0.01）和海拔梯度（p＜ 0.05）的顯著影響。隨著水位的周期性漲落，2008—2018 年間消落帶區(qū)域土壤鈣含量整體上呈波動(dòng)性增加的趨勢(shì)。在2008—2014 年間，145～175 m 各海拔區(qū)段鈣含量均呈現(xiàn)出“增加—下降—增加”的變化特征，且年際變化顯著（p＜ 0.05）；而在2014—2018 年間，145～155 m 海拔區(qū)域內(nèi)鈣含量持續(xù)增加至2016 年達(dá)到最大值后又顯著下降（p＜ 0.05），155～165 m 和165～175 m 海拔區(qū)域內(nèi)鈣含量則呈現(xiàn)“下降—上升—下降”波浪式變化，且變化均不顯著。整體來(lái)看，除2012 年外，其余各年份不同海拔區(qū)域的鈣含量均大于2008 年各海拔區(qū)域的鈣含量，至2018 年，各海拔區(qū)域鈣含量與2008 年相比，增加幅度分別達(dá)到40.1%、55.2%、27.9%，說(shuō)明長(zhǎng)期水位漲落使得消落帶區(qū)域土壤鈣含量增加；在同一年份的不同海拔區(qū)段內(nèi)，145～155 m 海拔區(qū)段鈣含量整體高于155～165 m 和165～175 m 海拔區(qū)段，而155～165 m 和165～175 m 區(qū)段土壤鈣含量則沒(méi)有明顯差異，說(shuō)明水位的周期性漲落使得消落帶土壤鈣元素在低海拔區(qū)段富集較多。

圖7 消落帶不同海拔區(qū)段土壤鈣含量的動(dòng)態(tài)Fig. 7 Dynamics of calcium contents in soil at different altitudes of water-level-fluctuation zone

圖8 消落帶不同海拔區(qū)段土壤鈉含量的動(dòng)態(tài)Fig. 8 Dynamics of sodium contents in soil at different altitudes of water-level-fluctuation zone

2.2.6 土壤鈉含量的動(dòng)態(tài) 由圖8 可知，消落帶區(qū)域土壤鈉含量的變化同時(shí)受淹沒(méi)年限（p＜ 0.01）、海拔梯度及其交互作用的（p＜ 0.05）的影響。隨著水位的周期性漲落，消落帶區(qū)域土壤鈉含量的年際變化呈逐年下降趨勢(shì)。與經(jīng)歷水位漲落前相比，經(jīng)歷1 次水位漲落后，145～175 m 各海拔區(qū)段土壤鈉含量變化不顯著，而在經(jīng)歷4 次水位漲落后（2012 年），各海拔區(qū)段鈉含量顯著下降（p＜ 0.05），降幅分別為：33.6%、35.2%、31.2%。此后的2012—2018 年間，除145～155 m海拔區(qū)段土壤鈉含量在2012—2014 年顯著下降外，其余各海拔區(qū)域鈉含量均保持逐年下降趨勢(shì)，差異不顯著；在經(jīng)歷10 次水位漲落后（2018 年），各海拔區(qū)段土壤鈉含量與2008 年相比顯著下降（p＜ 0.05），降幅分別為50.5%、45.2%、44.7%，說(shuō)明水位的周期性漲落導(dǎo)致消落帶各海拔區(qū)段土壤鈉元素逐漸流失。在同一年份的不同海拔區(qū)段內(nèi)，除2014 年145～155 m 海拔區(qū)段鈉含量顯著低于155～165 m 和165～175 m 區(qū)段（p＜ 0.05）外，其余各調(diào)查年份不同海拔區(qū)段土壤鈉含量均沒(méi)有顯著差異（p＞ 0.05）。

2.2.7 土壤鎂含量的動(dòng)態(tài) 由圖9 可以看出，消落帶區(qū)域土壤鈉含量的變化同時(shí)受淹沒(méi)年限（p＜0.01）及年限與海拔梯度的交互作用（p＜ 0.05）的影響。隨著水位的周期性漲落，消落帶區(qū)域土壤鎂含量的年際變化特征呈現(xiàn)波動(dòng)式增加趨勢(shì)。與經(jīng)歷水位漲落前相比，經(jīng)歷1 次水位漲落后，2009 年消落帶145～175 m 各海拔區(qū)段土壤鎂含量都顯著增加（p＜ 0.01），增幅分別為：64.0%、71.7%、84.0%，2009—2012 年，各海拔區(qū)域鎂含量逐漸下降，其中155～165 m 海拔區(qū)域鎂含量下降顯著；此后在2012—2018 年間，各海拔區(qū)域鎂含量均持續(xù)增加到2016 年達(dá)到最大值，增幅分別為，102.7%、127%、126.4%。此后2018 年雖有所下降，但仍顯著高于經(jīng)歷水位漲落前，增加幅度分別為62.4%、90.4%、100.4%。整體來(lái)看，2008—2018 年間，各海拔區(qū)段內(nèi)土壤鎂含量均呈現(xiàn)出“上升—下降—上升—下降”相同的波動(dòng)式變化特征。在同一年份的不同海拔區(qū)段內(nèi)，除2014 年的155～165 m 和165～175 m 海拔鎂含量有顯著差異（p＜ 0.05）外，其余各年份不同海拔區(qū)段間的土壤鎂含量均沒(méi)有一致的變化規(guī)律及顯著差異，即水位的周期性漲落對(duì)消落帶土壤鎂含量在不同海拔高程的分布沒(méi)有造成顯著性影響。

圖9 消落帶不同海拔區(qū)段土壤鎂含量的動(dòng)態(tài)Fig. 9 Dynamics of magnesium contents in soil at different altitudes of water-level-fluctuation zone

2.3 消落帶土壤pH 值與金屬元素含量的關(guān)系

相關(guān)性分析（表1）可知，土壤金屬元素鐵、錳、鋅含量之間存在極顯著正相關(guān)（p＜ 0.01）；鉀含量與鐵、錳、鋅之間均存在顯著負(fù)相關(guān)（p＜0.05），與鈣含量存在顯著正相關(guān)（p＜ 0.05）；鎂含量與鈣、鉀之間均存在極顯著正相關(guān)（p＜0.01），與鋅含量存在極顯著負(fù)相關(guān)（p＜ 0.01）；鈉含量與鉀、鈣、鎂含量之間均存在極顯著負(fù)相關(guān)（p＜ 0.01），與鋅存在顯著正相關(guān)（p＜ 0.05）。土壤pH 值與鉀、鈣、鎂含量之間存在極顯著正相關(guān)（p＜ 0.01），與錳、鋅、鈉含量之間存在極顯著負(fù)相關(guān)（p＜ 0.01），與鐵含量存在顯著負(fù)相關(guān)（p＜ 0.05）。

為了更深入地了解土壤pH 值對(duì)金屬元素含量的影響情況，以土壤pH 值為自變量，各金屬元素含量為因變量進(jìn)行簡(jiǎn)單回歸分析（表2），可以看出，土壤鉀、鈣、鎂含量與土壤pH 值具有顯著正線性相關(guān)關(guān)系（p＜ 0.01），以土壤pH 值為主的因子對(duì)土壤鉀、鈣、鎂含量變化的貢獻(xiàn)量分別為71.5%、31.8%、34.1%。土壤鈉、錳、鋅含量與pH 值呈現(xiàn)顯著負(fù)線性相關(guān)關(guān)系（p＜ 0.01），pH 值分別解釋了土壤鈉、錳、鋅含量變化的80.5%、33.4%、31.9%，土壤鐵含量與pH 值也呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（p＜ 0.05），pH 值解釋了土壤鐵含量變化的19.9%，相比其它金屬元素，鐵含量變化受土壤pH 值的影響相對(duì)較小。整體來(lái)看，消落帶土壤各金屬元素含量受pH 值的顯著影響，金屬元素之間，金屬元素含量與土壤pH 值之間均有密切相關(guān)性。

表1 消落帶土壤pH 值與金屬元素含量的相關(guān)性分析Table 1 Correlation analysis between soil pH-value and metal elements contents in water-level-fluctuation zone

表2 消落帶土壤pH 值與金屬元素含量的回歸分析模型Table 2 Regression analysis model between soil pH-value and metal elements contents in water-level-fluctuation zone

3 討論

土壤酸堿度對(duì)土壤的氧化還原、吸附解吸、沉淀溶解和配合反應(yīng)等化學(xué)過(guò)程起到支配作用，幾乎所有的金屬離子在土壤中的吸附解吸都是pH 依賴型的，其主要是通過(guò)影響金屬化合物在土壤溶液中的溶解度來(lái)影響金屬元素的行為，進(jìn)而影響其含量大小[8,15]。模擬淹水實(shí)驗(yàn)[16]發(fā)現(xiàn)淹水后酸性土壤的pH 值升高, 堿性土壤的pH 值降低；定位監(jiān)測(cè)研究[17-18]表明隨著三峽庫(kù)區(qū)水位的周期性漲落，無(wú)論母巖類型是石灰?guī)r或是花崗巖，消落帶土壤pH 值均逐漸趨于中性。本研究發(fā)現(xiàn)（圖2），消落帶土壤在經(jīng)歷多次水位漲落后，165～175 m 海拔區(qū)域土壤的pH 值從2008 年的4.9 逐漸上升到2018 年的7.28，由酸性土壤變?yōu)橹行酝寥?，這與前人的結(jié)論相吻合；但145～155 m 和155～165 m 海拔區(qū)域的土壤pH 值從2008 年的5.8、5.3 逐漸上升到2012 年的7.73、6.65，由酸性土變?yōu)閴A性和中性土壤之后，pH 值仍在繼續(xù)上升，至2018 年已上升到7.84 和7.6，均變成了堿性土壤，與前人的結(jié)論存在差異[16-18]，這一方面可能是由于之前的研究多處于消落帶的幼年期，淹水周期較短（1～3 年），土壤pH 值受水淹的影響尚未完全體現(xiàn)出來(lái)，另一方面由于消落帶土壤在受到長(zhǎng)期水位漲落的沖擊后，水土流失嚴(yán)重，巖石逐漸風(fēng)化處于鈣淀積階段，大部分的Cl、S 和Na 淋失，而Ca、Mg、K 等元素保留下來(lái)，有些鈣離子游離出來(lái)形成碳酸鈣，在土壤中形成鈣積風(fēng)化殼，造成土壤呈堿性[19]；也有研究發(fā)現(xiàn)淹水會(huì)使得水體中的堿性金屬容易被土壤吸附，導(dǎo)致土壤中堿性金屬元素的含量增加，從而使得土壤pH 值上升[11,20]。研究發(fā)現(xiàn)，土壤pH 值與堿性金屬元素鉀、鈣、鎂含量均存在顯著正相關(guān)（p＜ 0.01）（表1），這與之前的結(jié)論相符[15]。

一般而言，土壤中的堿性陽(yáng)離子可以維持植物正常的生長(zhǎng)需求，一旦土壤中某種陽(yáng)離子匱乏，土壤性質(zhì)和植物的生長(zhǎng)發(fā)育都會(huì)受到很大的影響，而這些離子的存在又與土壤的淋溶程度、土壤的pH 值、土壤養(yǎng)分元素的存在形態(tài)、土壤微生物的區(qū)系等有很大的關(guān)系[8,21]。前人研究發(fā)現(xiàn)消落帶土壤在經(jīng)歷水位漲落后，土壤鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的釋放量要大于從水中的吸附量，而土壤中鉀、鈣、鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)從水中吸附量大于土壤釋放量，導(dǎo)致鈉含量下降，鉀、鈣、鎂含量上升[2,22]；本研究也發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷10 年水位漲落后，消落帶土壤中鈉含量顯著下降，且在各海拔區(qū)段間無(wú)顯著差異（圖8），這是因?yàn)殁c鹽極易溶于水，受長(zhǎng)期水庫(kù)水位漲落的淹沒(méi)和淋溶影響，各海拔區(qū)段土壤鈉含量均釋放到水體中，造成鈉含量的流失；而土壤鉀、鈣、鎂的含量均顯著增加（圖6，圖7，圖9），且在145～155 m海拔區(qū)段土壤中富集鉀和鈣，這是因?yàn)橥寥乐锈?、鈣的吸附量一般隨土壤pH 的升高而增加，在pH ＞5.5 時(shí)，A13+以羥基聚合陽(yáng)離子沉淀，隨pH 增加，羥基聚合物的-OH 數(shù)量增多，可降低鉀、鈣固定的A1(OH)x 的數(shù)量的減少，從而有利于土壤對(duì)鉀、鈣的固定[23]。145～155 m 海拔區(qū)段的土壤pH 從2012 年之后一直大于5.5，且始終大于155～165 m 和165～175 m 區(qū)段，因而該區(qū)段土壤吸附固定的鉀、鈣含量最多。此外，在堿性條件下，土壤伴隨離子以Na+為主，Na+較容易被K+代換出來(lái)[23]，這也導(dǎo)致了土壤固定的鉀含量增加，鈉含量下降，鈉與鉀含量呈顯著負(fù)相關(guān)（p＜ 0.01）也再次證實(shí)了這一結(jié)果。同時(shí)，本研究發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)歷10 年水位漲落后，鉀、鎂含量的上升幅度要高于鈣，這可能是與鈣離子易與水體中的重金屬元素發(fā)生交互耦合作用，導(dǎo)致部分土壤鈣離子被轉(zhuǎn)移出土壤有關(guān)[24]。

有研究發(fā)現(xiàn)，消落帶水淹初期土壤鐵、錳、鎘、鋅、銅均不同程度的溶出而進(jìn)入江水，造成了重金屬含量的嚴(yán)重流失[8,25]。本研究也發(fā)現(xiàn)，消落帶土壤在經(jīng)歷水位漲落后，各海拔區(qū)段土壤中鐵、錳、鋅含量均顯著下降（圖3、圖4、圖5），這可能與各海拔區(qū)段土壤pH 值在逐漸增高有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)土壤pH 值較低時(shí)（酸性條件下），鐵、錳、鋅的含量會(huì)升高，當(dāng)土壤pH 值較高時(shí)（堿性條件下），鐵、錳、鋅的含量會(huì)下降[26]，這也符合前人研究結(jié)論[15,27]及本研究中通過(guò)回歸分析發(fā)現(xiàn)土壤鐵、錳、鋅含量與pH 值存在顯著負(fù)線性相關(guān)的結(jié)果（表2）。王業(yè)春等[10]通過(guò)對(duì)消落帶進(jìn)行為期兩年的監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，由于重金屬自身移動(dòng)性差，因而不同水位高程間的重金屬含量沒(méi)有顯著分布差異。本研究同樣發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)歷6 次水位漲落后，2014—2018年不同海拔高程間鋅含量沒(méi)有顯著差異。這主要與消落帶土壤中鋅的存在形態(tài)有關(guān)，土壤中重金屬的存在形態(tài)主要包括可交換態(tài)、有機(jī)物及硫化物結(jié)合態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、Fe-Mn 氧化物結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)形式，其中殘?jiān)鼞B(tài)是指存在于原生礦物晶格中的重金屬，其性質(zhì)穩(wěn)定，不易發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化[7,28]。有研究發(fā)現(xiàn)消落帶土壤經(jīng)過(guò)多次水位漲落后，土壤中84.5%的鋅元素主要以性質(zhì)穩(wěn)定，不易發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化的殘?jiān)鼞B(tài)形式存在[29]，因而此時(shí)的鋅元素不易受到各海拔區(qū)段水位淹沒(méi)時(shí)間長(zhǎng)短的影響，導(dǎo)致不同海拔區(qū)段土壤中鋅含量差異不顯著（圖5）。此外，本研究發(fā)現(xiàn)在經(jīng)歷10 次水位周期性漲落期間，消落帶土壤中鐵、錳含量均呈現(xiàn)出145～155 m ＜ 155～165 m ＜ 165～175 m 的特征，與前人的結(jié)論[10]存在差異[10]。這一方面是由于三峽水庫(kù)獨(dú)特的調(diào)度方式，使得消落帶不同海拔高程的土壤在水中浸泡時(shí)間和所承受的壓力差不同，因而造成重金屬含量的垂直分布差異。低海拔區(qū)段經(jīng)歷水淹時(shí)間較長(zhǎng)，承受水體流動(dòng)的侵蝕最為嚴(yán)重，因而加速了土壤中的鐵、錳元素的釋放[8,12,30]。另一方面由于水淹造成了土壤的氧化還原環(huán)境發(fā)生變化，土壤從裸露的氧化環(huán)境轉(zhuǎn)入淹水時(shí)的還原環(huán)境，造成了Fe-Mn 氧化物的價(jià)態(tài)發(fā)生改變，導(dǎo)致可溶性Mn2+、Fe2+所占比例增大[9,31]，而還原條件下低價(jià)態(tài)的化合物溶解性更大，有利于鐵、錳的遷移，從而導(dǎo)致了低海拔區(qū)段土壤中鐵、錳含量的下降，這也與前人研究發(fā)現(xiàn)的消落帶低高程土壤中鐵、錳在遷出的結(jié)果相符[11]。

4 結(jié)論

三峽水庫(kù)運(yùn)行10 年間，隨著水庫(kù)水位的周期性漲落，消落帶不同海拔區(qū)段土壤pH 值和金屬元素含量均發(fā)生了不同程度的改變。經(jīng)歷10 次水位漲落后，145～155 m 和155～165 m 區(qū)段土壤已由酸性變?yōu)閴A性，165～175 m 區(qū)段由酸性變?yōu)橹行?。隨著水庫(kù)水位漲落周期的增加，不同海拔區(qū)段土壤金屬元素鐵、錳、鋅含量呈現(xiàn)波動(dòng)性下降的特征，堿性金屬元素鉀、鈣、鎂含量呈現(xiàn)波動(dòng)性增加的趨勢(shì)，鈉含量則呈現(xiàn)逐年遞減的趨勢(shì)。

在此期間，海拔是影響土壤pH 值和金屬元素含量的重要因素。土壤pH 值和鉀含量呈現(xiàn)145～155 m ＞ 155～165 m ＞ 165～175 m 的特征，鐵、錳含量呈現(xiàn)出145～155 m ＜ 155～165 m ＜ 165～175 m的特征，鈣含量在145～155 m 區(qū)段富集，鈉、鎂、鋅含量則無(wú)明顯的海拔差異。

土壤pH 值是影響消落帶土壤金屬元素含量的另一重要因子。土壤pH 值與鉀、鈣、鎂含量呈顯著正相關(guān)，與錳、鋅、鈉、鐵含量顯著負(fù)相關(guān)。這些結(jié)果為預(yù)測(cè)三峽庫(kù)區(qū)消落帶不同海拔區(qū)段土壤質(zhì)量的演變趨勢(shì)提供重要的基礎(chǔ)依據(jù)，對(duì)消落帶生態(tài)恢復(fù)及治理具有指導(dǎo)意義。