近10年来三峡消落带土壤氮、磷时空分布特征研究

李姗泽， 陈 铭,， 王雨春*， 胡明明， 吕 映， 欧阳威， 张家晖,3， 包宇飞

1.中国水利水电科学研究院水生态环境研究所， 流域水循环模拟与调控国家重点实验室， 北京 100038

2.北京师范大学环境学院， 北京 100875

3.华中农业大学资源与环境学院， 湖北 武汉 430070

水库消落带是指因水库蓄水、泄洪或季节性水位涨落使水库周边土地周期性淹没-落干的特殊区域[1-4]. 三峡水库的周期性水位调控使库区高低水位间形成约348.93 km2的水陆过渡区域[5]. 长时间的淹没-落干过程不仅改变土壤的理化性质，还产生如土壤侵蚀、植被演替等诸多影响[6].

消落带地区对环境变化较为敏感，土壤作为生态系统中重要的“源”与“汇”，具有重要的地球化学循环意义. 目前，许多学者开展了针对三峡库区消落带土壤的研究. 例如，常超等[7]认为，消落带土壤淹水会导致养分流失(如速效钾、有机质)，长期淹水会产生有机质积累效应；张雷等[8]研究表明，大宁河回水区消落带土壤w(TN)显著高于浸没土壤，该现象可能是由生活污水排放和化肥滥用等人为因素造成；郭劲松等[9]指出，消落带土壤由于反复淹水-落干使有机氮向无机氮转化，并存在无机氮向上覆水体释放的现象；王业春等[10]发现，忠县消落带土壤w(TN)与w(有机质)呈显著相关，且有机氮为TN的主要赋存形态；郭泉水等[11]研究发现，湖北库区消落带土壤淹水后w(TN)下降，但w(TN)和w(TK)并未发生显著变化. 部分学者针对消落带土壤的营养元素吸附释放机理进行研究. 例如，詹艳慧等[12-13]认为，三峡消落带土壤对氨氮具有一定的吸附能力且随浸没次数增加而增强；程瑞梅等[14]也指出，周期性冲刷会提升消落带土壤对氨氮和磷酸盐的吸附能力. 尽管已有大量研究阐述局部地区w(TN)、w(TP)变化情况，但因库区面积大，范围广，数据采集困难等限制，对三峡全库区w(TN)、w(TP)变化的宏观研究较少.

针对以上情况，该研究检索、收集、整合近10年三峡库区消落带土壤的研究数据，从宏观角度展开研究，分析不同淹水强度下的土壤w(TN)、w(TP)分布特征及其时空变化规律，为三峡库区营养元素污染控制和生态治理的进一步研究奠定基础.

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

三峡工程于2003年开始蓄水发电，2009年全面竣工，是国内最大的水利枢纽工程. 三峡库区消落带包含湖北段消落带和重庆段消落带. 消落带高程差高达30 m，主要土壤类型包括石灰性黄壤、紫色土和潮土[15]. 根据三峡库区水位调度计划，每年4月末水位缓慢下降，至6月初降至防洪限制水位(145～150 m)，维持该水位至9月下旬. 届时开始蓄水，于10月末升至正常蓄水水位(175 m)[16]. 如图1所示，消落带的水位波动特征可计算不同高程的土壤淹水天数. 具体如下：145 m高程全年淹水，150 m高程淹水周期为320 d左右，155 m高程淹水周期为250 d左右，160 m高程淹水周期为230 d左右，165 m高程淹水周期为160 d左右，170 m高程淹水周期为130 d左右，而175 m高程常年落干.

图1 三峡初期蓄水(2006年)和运行稳定后(2018年)水文情况

三峡库区消落带地处亚热带季风气候区，具有雨热同期的气候特点. 该地区雨水丰沛、热量充足，但也因此导致雨热条件季节分布不均，降水多集中分布在6—8月. 三峡库区蓄排水周期和该地区雨情以及天然河流水文周期相反，加之库区周边城镇密集，人类活动较多，对当地生态系统造成极大影响.

1.2 数据来源

在中国知网以“三峡”“消落带”“土壤”为主题进行搜索，在Web of Science以“riparian zone”“littoral”“water level”“soil”“sediment”为主题、“three gorges”为标题进行搜索. 将其中2009—2019年发表文献作为主要数据来源，从中提取不同高程、时间、地区消落带土壤w(TN)、w(TP)数据并归类. 为保证数据有效、合理、可靠，该研究只摘取实地监测结果数据，对同一团队同一时间获得的数据，只摘取一次. 此外，为不干扰整体分析情况，对同一点位的平行数据只选取其平均值进行统计.

该研究共选取32篇文献，筛选出527条数据，数据引用信息见表1. 采样点位于106°29′E～110°56′E、29°33′N～30°50′N之间，涉及重庆主城区、秭归县、忠县、云阳县、巫山县、涪陵区、丰都县、开州区、万州区等9个地区的消落带(见图2). 数据时段为2007—2017年，涵盖140～180 m高程，均为0～20 cm表层土数据.

表1 参考文献数据信息整理

图2 三峡库区消落带土壤采样点

1.3 分析方法

使用Excel 2016软件整理并筛选各文献中w(TN)、w(TP)数据，将数据单位统一为gkg. 使用SPSS 20.0软件对数据进行二次处理，统计不同类别数据(不同高程、年际、地区)的平均值和标准误. 利用Origin 9.0软件进行统计分析结果的可视化绘制，分别对高程与地区数据绘制柱状图、对年份数据绘制箱式图.

研究使用SPSS 20.0软件对数据进行分析，利用单因素方差分析(one way ANOVA) 中的Bonferroni方法检验消落带土壤w(TN)、w(TP)在不同高程、年份、地区差异是否显著，并在图中利用字母进行差异标注.

2 结果与分析

2.1 消落带土壤w(TN)时空分布

氮作为生物地球化学循环中的主要元素，是包括消落带在内的湿地生态系统重要的生产力限制因子.通过微生物驱动的同化、异化作用，使大气或者动植物中的氮进入土壤. 因水-沉积物界面环境条件的复杂性，消落带土壤和水底沉积物成为水生生态系统营养元素重要的“源”和“汇”，水文条件的改变将影响其生物地球化学循环过程及赋存特征. 按高程、年份、地区差异对消落带土壤w(TN)数据进行统计分析，结果如图3所示.

注： 不同的小写字母表示不同组间具有显著性差异. 图3(B)中圆点为平均值，实线为线性拟合结果(y=-0.044x+89.657，R2=0.344)，虚线为拟合结果95%置信区间.

由图3(A)可见，高程155～160 m土壤数据与其他高程组数据存在显著性差异，土壤w(TN)在高程150～155 m和高程155～160 m间产生显著变化. 当高程大于155 m时，w(TN)随着高程增加而呈现下降趋势(从1.17 gkg降至0.75 gkg). 当高程小于55 m时，w(TN)保持在较低水平(0.66～0.86 gkg).

由图3(B)可见，尽管不同年份w(TN)平均值在0.72～1.18 gkg之间波动，但数据存在一定年际差异，推测可能与不同研究采样区域土壤的时空异质性有关. 为了详细判断TN年际变化规律，对数据进行线性拟合分析，发现w(TN)随年份增加而呈现下降趋势，Pearson相关性系数为-0.64，为中度负相关关系，拟合直线的R2约为0.344，可反映数据变化的大致趋势.

由图3(C)可见，巫山县、涪陵区及万州区消落带w(TN)(1.08～1.45 gkg)较高，重庆主城区消落带w(TN)(0.59 gkg)较低，高低值之间具有显著性差异. 消落带上游地区(重庆主城区、涪陵区)w(TN)沿程不断升高，在涪陵区达到最高值(1.16 gkg). 进入中下游地区后，w(TN)呈现逐渐下降趋势(除巫山县点位外)，最终维持在0.85 gkg左右，整体上w(TN)呈现先升后降的趋势.

2.2 消落带土壤w(TP)时空分布

磷是引起水体富营养化的重要限制因素之一，自然生态系统中磷赋存形态均为化合态. 消落带土壤中含有Ca2+、Mg2+、Fe3+等金属离子，易与化合态磷结合形成难溶盐赋存于土壤. 水文条件的改变会影响磷的赋存形态，使其释放进入上覆水体，影响水生生态环境. 对消落带土壤w(TP)进行分析，得到土壤w(TP)随高程、年份、地区变化的统计结果，如图4所示.

注： 不同的小写字母表示不同组间具有显著性差异. 图4(B)中圆点为平均值，实线为线性拟合结果(y=-0.004x+7.764，R2=0.106)，虚线为拟合结果95%置信区间.

由图4(A)可见，除高程<150 m与高程>175 m组外，其他高程组均不具有显著性差异，高程<150 m的土壤w(TP)较高，为0.76 gkg，高程>175 m的土壤w(TP)较低，为0.53 gkg. 高程在150～175 m之间时，w(TP)基本保持稳定，约为0.6 gkg.

由图4(B)可见，2008年与2012年w(TP)保持在较高水平(0.93～0.98 gkg). 2008年后，除2012年w(TP)保持在较高水平外，其余年份平均值均低于2007年和2008年，并于2013年达到最低值(0.31 gkg)，极值之间具有显著性差异. 在2013年之后w(TP)呈上升趋势并稳定在0.39～0.61 gkg之间. 为进一步判断w(TP)年际变化规律，对数据进行线性拟合分析，w(TP)拟合直线斜率较小，趋于平稳，但其R2较低，仅为0.106，即线性关系拟合的可信度较低，故不作为主要分析结果.

由图4(C)可见，消落带中上游地区(重庆主城区、涪陵区、丰都县)w(TP)呈现沿程上升趋势. 在丰都县达到高值(0.83 gkg)后，除开州区和云阳县点位(即澎溪河消落带)数据平均值突然增加(至0.70 gkg)外，剩余点位w(TP)维持在0.6 gkg左右. 巫山县消落带w(TP)达到最低，约为0.45 gkg. 结果表明，该研究中所涉及区县的下游库区(包含万州区、云阳县、巫山县和秭归县，主要为湖北库区)w(TN)较高(平均值为1.03 gkg)，而上游库区(包含重庆主城区、涪陵区、丰都县、忠县，主要为重庆库区)w(TP)较高(平均值为0.69 gkg).

3 讨论

3.1 浸没强度对消落带土壤w(TN)、w(TP)的影响

综上，消落带土壤w(TN)与淹没强度相关. 当土壤长时间被水淹没时(即高程<145 m)，土壤微生物群落处于厌氧环境，反硝化作用增强，w(硝态氮)降低，且矿化作用产生的铵态氮向上覆水体释放[9]. 高程升至145～155 m时，土壤出现落干周期，已有研究[21]表明，该高程土壤w(有机质)较高，有机质分解可以在落干期提供铵态氮供给硝化作用，此时土壤暴露于有氧环境，微生物硝化作用增强，致使土壤中氮素易随径流、降水及水位波动发生迁移. 此外，高程在155 m以下土壤因水位波动经历的淹没-落干周期次数较多，淹水周期长达250 d，这一环境因素加速植物腐解速率，使植物密度降低，加剧土壤中营养物质释放[46]. 基于这一特点，只有空心莲子草〔Alternantheraphiloxeroides(Mart.) Griseb.〕和狗牙根(Cynodondactylon)等抗逆性较强、水下根茎发达的植物可在该区域稳定存在[47]. 由于采样时间通常为6—9月，水热条件使根系微生物活性增强，利于铵态氮的生物分解并使水体中部分氮转化为N2O进入大气，使w(TN)降低[48].

消落带物种丰富度在高程梯度的中部会达到峰值[49]. 当高程到达160 m时，植被密度较高程145～155 m大量增加；三峡消落带高程160 m的优势种为狗牙根(Cynodondactylon)、铁线蕨(Adiantumcapillus-venerisL.)、香附子(CyperusrotundusL.)等多年生草本植物，同时伴随狗尾草(Setariaviridis)、苍耳(XanthiumsibiricumPatrinWidder)等一年生植物[20]. 而高程为170 m时，多年生植物密度降低，优势种变为一年生植物〔如狗尾草(Setariaviridis)、白酒草(Conyzajaponica)、马唐(Digitariasanguinalis(L.) Scop.)、豚草(AmbrosiaartemisiifoliaL.)等〕[11,36]. 氮是植物体蛋白质的主要成分，并且蛋白质又是植物细胞的主要组成部分. 一年生植物的生长周期较多年生植物生长周期短. 水环境中多年生草本植物的分解速率低于一年生草本植物[50-51]. 因此，一年生植物的腐解会加剧土壤基质营养物质损失[46]，这一结论与统计得到的数据规律相符.

淹没强度差异可能与土壤w(TN)随着高程增加而下降的统计规律存在一定关系. 长期反自然节律的水位波动会导致部分消落带多年生植物产生抗逆性机制，如植物通过增强固氮菌的固氮作用等氮利用机制，以补偿消落带土壤氮淋失造成的营养物质损失. 此类抗逆性机制也有可能会对土壤w(TN)分布情况产生影响. 但这种影响的具体作用过程尚不明确，仍需要进一步开展研究.

对w(TP)的高程变化进行分析，发现高程w(TP)较高，且该高程土壤长期处于浸没或者反复淹水-落干状态(淹水周期高达320 d). 结合已有研究[45]发现，三峡地区土壤TP主要由生物较难利用的Ca-P(钙结合态磷)构成. Ca-P因其难溶性，即使经历淹水过程也较难向上覆水体释放[52]，但该形态磷会被土壤微粒吸附[53]，随水位变化产生的坡面侵蚀和波浪侵蚀作用进入水体. 模拟研究[51]也表明，大部分磷素流失都是基于土壤介质流失所产生. 泥沙吸附的磷在水-沉积物界面发生一系列迁移转化过程，最终使沉积物w(TP)增加，这与高程<150 m土壤w(TP)显著高于其他高程组的结论相符.

从植物腐解的角度分析，研究[47,51]表明，植物淹水腐烂向上覆水体释放的磷以溶解性无机磷(DIP)为主. DIP在水体中易吸附于悬浮颗粒物，由于三峡地区土质为石灰质黄壤，w(Ca2+)高. 当DIP与碳酸钙发生共沉淀，活性磷的活性降低，随泥沙沉积，使沉积物中w(TP)上升[52]. 也有研究表明，多年生草本对水体w(TP)影响略小于一年生草本[54]，即一年生植物的腐解对消落带土壤TP的流失影响更大，这与统计结果中高程>170 m范围内(一年生植物密度大于多年生植物密度)w(TP)较低的规律相符.

3.2 消落带土壤淹没条件变化对其产生的长期影响

三峡大坝自2008年正式蓄水至175 m，结合对w(TN)、w(TP)的逐年分析，发现在2008—2009年节点处二者均产生显著差异，其中w(TP)变化更显著，2008年后w(TP)普遍低于2008年前. 通过对多年数据的线性拟合发现，消落带w(TN)整体呈现逐年递减的趋势，但w(TP)变化趋势较为平稳. 结果表明，水位调节导致的反复淹水-落干过程确实对消落带土壤中TN产生淋溶作用，而对TP的影响较小.

结合已有研究[7]发现，一定强度的淹水使土壤环境氧化还原电位降低，还原性增强. 此外，随着消落带土壤经历淹水-落干周期次数的增加，消落带植物群落逐步演替，植物残体的变化影响了物质循环. 这些条件有利于有机质和TN的积累[9,12]. 冬季高水位环境时，处于低温厌氧环境的土壤微生物活性低，分解有机质速率慢. 夏季低水位环境时，温度上升且微生物暴露于有氧环境，促进有机质分解. 已有研究[12]表明，有机氮为TN的主要赋存形态. 有机质分解导致大量氮素释放进入上覆水体. 不同年份w(TP)差异较大，认为这一现象是由于土壤的空间异质性导致，但总体变化趋势平稳. 土壤淹水会导致pH趋于中性[55]. TP的重要赋存形态Ca-P在中性或弱碱性环境中活性较弱，只有pH趋于酸性时才会释放进入上覆水体. 但氮、磷元素在水-沉积物界面的具体迁移过程和形态转变过程仍需进一步研究.

结合地区点位分析，w(TN)、w(TP)的空间差异性大，认为氮、磷元素在空间上的分布情况和人类活动密切相关.w(TN)、w(TP)在三峡消落带上游地区(重庆主城区至丰都县)均呈现出沿程升高的趋势. 消落带上游地区经济发展迅速，城市化水平高，消落带土壤受工业、农业、航运、居民生活等人类活动影响较大[56]. 污染物进入水体中，在水位波动过程中经吸附-解吸作用会影响消落带土壤氮、磷元素分布. 进入消落带中游地区(忠县至云阳县)后，人类活动影响减弱，w(TN)、w(TP)保持在稳定水平. 消落带下游地区巫山县w(TN)较高. 结合原始数据情况，发现该地区土壤类型主要有黄壤土和紫色土，主要土地利用类型为农业用地和荒地，采样时间均在2015年以前. 相较中上游地区，下游地区(云阳县、奉节县、巫山县)多为农业用地，耕地面积约占32.67%～35.98%，为主要土地利用类型[57]. 由于淹没-落干周期缘故，大多数农业用地都位于高程160 m以上，主要作物为玉米[58]. 因此对耕地作物施肥或植物残体分解的情况可能会在消落带土壤落干期导致w(TN)上升，而TN在浸没期向上覆水体释放. 消落带下游地区存在高强度水土流失情况，而在消落带中上游地区却鲜有发生[59]. 进一步表明该类型土地景观脆弱化程度明显，生态环境安全性较差，故该地区由农业非点源输出氮产生的水体富营养化风险不容忽视.

由于该研究主要依据文献数据的搜集整理，存在研究资料的局限性，如云阳县、开州区相关研究文献较多，同其他地区存在数据总量上的差异；而巫山县、忠县地区数据起始年份不同. 尽管历史资料的年份不能统一，但在时空尺度上仍可以反映出消落带土壤w(TN)、w(TP)的变化特征. 如果要在大尺度、长时间序列的研究中真正解决这一问题，需要开展持续性跟踪监测研究或采取更加先进、便捷的监测手段，对消落带生态进行全面系统地保护.

4 结论

a) 高程统计结果表明，水位调节导致的淹没强度变化对消落带土壤中TN产生淋溶作用，而对TP的影响较小. 消落带土壤w(TN)随高程增加呈先增后降的趋势，变化拐点位于高程155～160 m处. 消落带土壤w(TP)随高程增加呈逐渐降低趋势.

b) 时间统计结果表明，消落带土壤w(TN)整体呈现逐年递减的趋势，但w(TP)变化趋势较为平稳. 一定时间内土壤中TN具有积累效应，但随淹没周期增加，对TN产生淋溶作用，存在释放进入上覆水体的风险. 不同年份w(TP)变化情况无显著规律，需要进一步进行研究.

c) 地区统计结果表明，三峡下游库区(主要为湖北库区)消落带土壤w(TN)较高，而三峡上游库区(主要为重庆库区)w(TP)较高. 消落带上游地区应更关注土壤中高w(TP)带来的环境风险，而消落带下游地区应更关注因水土流失和非点源输出导致的高w(TN)所致环境风险.