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三峡库区消落带作为水域和陆地生态系统的过渡地带,其土壤不仅受到水位涨落的重力侵蚀和波浪的冲击,而且在出露成陆期还要遭受雨水的冲刷、淋溶及人类活动的影响,长期作用下导致消落带土壤理化性质发生剧烈改变[1-2]。2011年,《三峡后续工作规划》明确提出要大力推动三峡库区消落带植被恢复和生态环境治理。土壤作为生态系统中物质和能量交换的重要场所,其物理及化学性质的变化可对生态环境变化起到指示作用。一方面,积累在土壤中的金属元素,通过溶解、淋溶、扩散等方式进入水体而引起水质的变化;另一方面,水体中的金属元素,通过吸附、沉淀等形式迁移至消落带土壤中而引起土壤pH值等环境的改变,进而直接或间接地影响消落带植物的生长和恢复、微生物的活动以及土壤的肥力状况[3-5]。因此,三峡水库周期性水位涨落对消落带土壤pH值和金属元素含量的影响及年际动态规律值得深入探讨。
目前,国内外学者围绕消落带土壤pH值和金属元素含量的变化及存在形态、分布特征规律等开展研究并得出不同结论[6-7],如程瑞梅等[8]发现水淹初期消落带土壤中重金属元素铁、锰、锌、铜的含量比水淹前均有所下降,但郭沛等[9]通过2年的室内模拟实验发现淹水导致Fe2+、Mn2+、有效铜等重金属含量增加;王业春等[10]通过对消落带为期2年的定位监测发现,消落带不同水位高程土壤重金属含量没有显著差异,但郭燕等[11]通过对消落带为期8年的定位监测发现消落带土壤重金属在低水位高程的积累过程较为明显。造成以上研究结果出现差异的原因,一方面是因为室内模拟研究与现实环境差异较大,另一方面是由于三峡水库“冬蓄夏排”反季节性调度方式的运行,使得不同海拔高程的土壤被水淹没的时间不同,所受水位涨落的侵蚀、外界雨水淋溶和人为干扰的程度不同,从而会形成一系列以水分、海拔等为主要因素的异质性层次梯度,这将导致库区消落带土壤理化性质在海拔梯度上和年际变化间具有较高的变异性[12-13]。因此,对三峡库区消落带土壤pH值和金属元素含量变化规律的长期定位监测研究十分必要。
基于此,本研究于2008年8月选取3块生境类型相似的次生灌丛样地作为长期固定监测样地,分析经历水位涨落前(2008年)以及经历1次(2009年),4次(2012年),6次(2014年),7次(2015年),8次(2016年)、10次(2018年)水位涨落后,消落带不同海拔区段(145~155 m,155~165 m和165~175 m)内表层(0~20 cm)土壤的pH值和7种金属元素(铁、锰、锌、钾、钙、钠、镁)含量在海拔区段和年际间的差异,探索其年际变化规律,以期为消落带土壤理化性质的演变趋势预测及水环境保护提供依据,为库区生态恢复以及周边人工活动提供科学参考。
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由图2可以看出,海拔梯度和淹没年限及其交互作用显著影响消落带土壤pH值(p < 0.01)。随着水位的周期性涨落,消落带不同海拔区段土壤pH值的年际变化总体呈波动式增加的趋势。经历水位涨落前和经历1次水位涨落后,消落带145~155 m、155~165 m、165~175 m各海拔区段土壤的pH值均呈酸性,且年际间差异不显著;经历4次水位涨落后,2012年消落带各海拔区段土壤pH值均显著增加(p < 0.05),增加幅度分别达到32.0%、25.5%、25.0%;此后随着水位的周期性涨落,2012—2018年消落带各海拔区段土壤pH值均呈“上升—下降—上升”的趋势。至2018年,145~155 m和155~165 m海拔区域土壤pH分别达到7.84、7.6,由酸性土壤变为碱性土壤,165~175 m海拔区域土壤pH值达到7.28,呈中性状态。在同一年份的不同海拔区段内,除2009年外,各调查年份消落带土壤pH值均呈现出:145~155 m > 155~165 m > 165~175 m的特征,但所有年份低海拔区段(145~155 m)与高海拔区段(165~175 m)土壤pH值差异均显著(p < 0.05)。
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由图3可知,消落带区域土壤铁含量同时受淹没年限、海拔梯度(p < 0.01)及其交互作用(p < 0.05)的显著影响。与经历水位涨落前相比,经历水位涨落后消落带不同海拔区段土壤铁含量均有所减少,年际变化呈现出波动式下降的趋势,但变化幅度不明显。在此期间,145~155 m和155~165 m海拔区段土壤铁含量整体呈先下降后增加的趋势,165~175 m区段整体呈“下降—增加—下降”的特征。与经历水位涨落前相比,145~155 m和155~165 m海拔区段土壤铁含量在经历1次水位涨落后显著下降,在经历6次水位涨落后(2014年),分别下降到最低值43.15 g·kg−1和44.16 g·kg−1,降幅分别为13.3%和6.3%;165~175 m海拔区域铁含量在经历1次水位涨落后变化不显著,在经历4次水位涨落后下降到最低点44.02 g·kg−1,降幅为26.6%。由此可见,低海拔区段与高海拔区段土壤铁含量对周期性水位涨落的年际响应表现出一定的差异性。在同一年份的不同海拔区段内,除2012年外,其余经历水位涨落的年份消落带土壤铁含量均呈现出145~155 m < 155~165 m < 165~175 m海拔的特征,且145~155 m与165~175 m区段差异显著(p < 0.05)。
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由图4可以看出,消落带区域土壤锰含量同时受淹没年限、海拔梯度(p < 0.01)及其交互作用(p < 0.05)的显著影响。与经历水位涨落前相比,经历水位涨落后各年份消落带不同海拔区段土壤锰含量均有所下降,其年际变化整体呈现波动式下降的趋势。其中,145~155 m和155~165 m区段随着水位涨落周期的增加,土壤锰含量呈现出“下降—上升—下降”的波动式变化,而165~175 m区段土壤锰含量直线下降。与2008年相比,145~155 m、155~165 m海拔区段土壤锰含量在经历4次水位涨落后(2012年),显著下降到最低点,降幅分别达到42.7%和38.6%,此后在2012—2018年间,土壤锰含量虽有回升,但均显著低于2008年各海拔区域的土壤锰含量。在经历10次水位涨落后,2018年各海拔区段土壤锰含量下降幅度分别为26.4%、24.3%、34.9%。在同一年份的不同海拔区段土壤中,各调查年份的锰含量整体表现出“145~155 m < 155~165 m < 165~175 m”的特征,其中,2008—2014年间土壤锰含量在低海拔区段与高海拔区段间存在显著差异(p < 0.05),在2015—2018年间各海拔区段土壤锰含量差异不显著(p > 0.05)。
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由图5可以看出,消落带区域土壤锌含量同时受淹没年限、海拔梯度及其交互作用的显著影响(p < 0.01)。随着水位的周期性涨落,2008—2018年间消落带区域土壤锌含量的年际变化整体上呈现波动式下降的趋势。在经历1次水位涨落后,各海拔区段土壤锌含量均显著下降(p < 0.05),降幅分别为:66.7%、50.0%、37.8%,在经历4次(2012年)水位涨落后,145~155 m和155~165 m海拔区段土壤锌含量显著上升(p < 0.05),而165~175 m区段锌含量仍显著下降(p < 0.05);此后随着周期性的水位涨落,2012—2018年间各海拔区段土壤锌含量均呈现出“先下降后上升”相同的年际变化特征。在经历10次水位涨落后,2018年各海拔区段土壤锌含量与2008年相比下降幅度分别为:26.7%、39.4%、70.3%。在同一年份的不同海拔区段土壤中,只有水位涨落前期和经历1次水位涨落后,土壤锌含量表现出145~155 m < 155~165 m < 165~175 m的特征,且海拔区段间差异显著(p < 0.05);此后,在经历多次水位涨落的2012—2018年间,土壤锌含量在海拔区段间并未表现出一致的分布规律,差异也不显著(p > 0.05)。
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由图6可以看出,淹没年限和海拔梯度显著影响消落带区域土壤钾含量(p < 0.01)。随着水位的周期性涨落,2008—2018年间消落带区域土壤钾含量的年际变化整体呈现出波动式增加的趋势。在经历1次水位涨落后,各海拔区段土壤钾含量都略有上升,但变化均不显著;而经历4次水位涨落后(2012年),各海拔区段土壤钾含量均显著增加(p < 0.01),与2008年相比,增幅分别达到:233.7%、252.3%、288.4%;此后,在2012—2018年间,145~155 m海拔区段钾含量持续增加到2016年达到最大值9.09 g·kg−1后又显著下降到5.81 g·kg−1,而155~165 m和165~175 m海拔区段土壤钾含量则呈现出“下降—上升—下降”的波动式变化,但变化均不显著。在经历10次水位涨落后(2018年),与2008年相比,各海拔区段土壤钾含量增加的幅度分别达到:143.2%,62.2%、168.8%,说明水位周期性涨落使得消落带土壤钾含量增加。在同一年份的不同海拔区域,145~155 m海拔区段土壤钾含量整体高于155~165 m和165~175 m区段,而155~165 m和165~175 m海拔区域钾含量则没有明显差异,说明水位的周期性涨落使得消落带土壤钾元素在低海拔区域富集较多。
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由图7可知,消落带区域土壤钙含量同时受淹没年限(p < 0.01)和海拔梯度(p < 0.05)的显著影响。随着水位的周期性涨落,2008—2018年间消落带区域土壤钙含量整体上呈波动性增加的趋势。在2008—2014年间,145~175 m各海拔区段钙含量均呈现出“增加—下降—增加”的变化特征,且年际变化显著(p < 0.05);而在2014—2018年间,145~155 m海拔区域内钙含量持续增加至2016年达到最大值后又显著下降(p < 0.05),155~165 m和165~175 m海拔区域内钙含量则呈现“下降—上升—下降”波浪式变化,且变化均不显著。整体来看,除2012年外,其余各年份不同海拔区域的钙含量均大于2008年各海拔区域的钙含量,至2018年,各海拔区域钙含量与2008年相比,增加幅度分别达到40.1%、55.2%、27.9%,说明长期水位涨落使得消落带区域土壤钙含量增加;在同一年份的不同海拔区段内,145~155 m海拔区段钙含量整体高于155~165 m和165~175 m海拔区段,而155~165 m和165~175 m区段土壤钙含量则没有明显差异,说明水位的周期性涨落使得消落带土壤钙元素在低海拔区段富集较多。
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由图8可知,消落带区域土壤钠含量的变化同时受淹没年限(p < 0.01)、海拔梯度及其交互作用的(p < 0.05)的影响。随着水位的周期性涨落,消落带区域土壤钠含量的年际变化呈逐年下降趋势。与经历水位涨落前相比,经历1次水位涨落后,145~175 m各海拔区段土壤钠含量变化不显著,而在经历4次水位涨落后(2012年),各海拔区段钠含量显著下降(p < 0.05),降幅分别为:33.6%、35.2%、31.2%。此后的2012—2018年间,除145~155 m海拔区段土壤钠含量在2012—2014年显著下降外,其余各海拔区域钠含量均保持逐年下降趋势,差异不显著;在经历10次水位涨落后(2018年),各海拔区段土壤钠含量与2008年相比显著下降(p < 0.05),降幅分别为50.5%、45.2%、44.7%,说明水位的周期性涨落导致消落带各海拔区段土壤钠元素逐渐流失。在同一年份的不同海拔区段内,除2014年145~155 m海拔区段钠含量显著低于155~165 m和165~175 m区段(p < 0.05)外,其余各调查年份不同海拔区段土壤钠含量均没有显著差异(p > 0.05)。
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由图9可以看出,消落带区域土壤钠含量的变化同时受淹没年限(p < 0.01)及年限与海拔梯度的交互作用(p < 0.05)的影响。随着水位的周期性涨落,消落带区域土壤镁含量的年际变化特征呈现波动式增加趋势。与经历水位涨落前相比,经历1次水位涨落后,2009年消落带145~175 m各海拔区段土壤镁含量都显著增加(p < 0.01),增幅分别为:64.0%、71.7%、84.0%,2009—2012年,各海拔区域镁含量逐渐下降,其中155~165 m海拔区域镁含量下降显著;此后在2012—2018年间,各海拔区域镁含量均持续增加到2016年达到最大值,增幅分别为,102.7%、127%、126.4%。此后2018年虽有所下降,但仍显著高于经历水位涨落前,增加幅度分别为62.4%、90.4%、100.4%。整体来看,2008—2018年间,各海拔区段内土壤镁含量均呈现出“上升—下降—上升—下降”相同的波动式变化特征。在同一年份的不同海拔区段内,除2014年的155~165 m和165~175 m海拔镁含量有显著差异(p < 0.05)外,其余各年份不同海拔区段间的土壤镁含量均没有一致的变化规律及显著差异,即水位的周期性涨落对消落带土壤镁含量在不同海拔高程的分布没有造成显著性影响。
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相关性分析(表1)可知,土壤金属元素铁、锰、锌含量之间存在极显著正相关(p < 0.01);钾含量与铁、锰、锌之间均存在显著负相关(p < 0.05),与钙含量存在显著正相关(p < 0.05);镁含量与钙、钾之间均存在极显著正相关(p < 0.01),与锌含量存在极显著负相关(p < 0.01);钠含量与钾、钙、镁含量之间均存在极显著负相关(p < 0.01),与锌存在显著正相关(p < 0.05)。土壤pH值与钾、钙、镁含量之间存在极显著正相关(p < 0.01),与锰、锌、钠含量之间存在极显著负相关(p < 0.01),与铁含量存在显著负相关(p < 0.05)。
钙(Ca) 铁(Fe) 钾(K) 镁(Mg) 锰(Mn) 钠(Na) 锌(Zn) pH 钙(Ca) 1 铁(Fe) −0.122 1 钾(K) 0.459* −0.480* 1 镁(Mg) 0.810** −0.191 0.571** 1 锰(Mn) −0.169 0.773** −0.481* −0.268 1 钠(Na) −0.557** 0.323 −0.851** −0.708** 0.415 1 锌(Zn) −0.417 0.739** −0.506* −0.656** 0.674** 0.528* 1 pH 0.564** −0.446* 0.846** 0.584** −0.578** −0.897** −0.565** 1 注:**表示在0.01水平上相关性显著,*表示在0.05水平上相关性显著。
Note: **indicates significance at 0.01, * indicates significance at 0.05.Table 1. Correlation analysis between soil pH-value and metal elements contents in water-level-fluctuation zone
为了更深入地了解土壤pH 值对金属元素含量的影响情况,以土壤pH值为自变量,各金属元素含量为因变量进行简单回归分析(表2),可以看出,土壤钾、钙、镁含量与土壤pH值具有显著正线性相关关系(p < 0.01),以土壤pH值为主的因子对土壤钾、钙、镁含量变化的贡献量分别为71.5%、31.8%、34.1%。土壤钠、锰、锌含量与pH值呈现显著负线性相关关系(p < 0.01),pH值分别解释了土壤钠、锰、锌含量变化的80.5%、33.4%、31.9%,土壤铁含量与pH值也呈显著负相关关系(p < 0.05),pH值解释了土壤铁含量变化的19.9%,相比其它金属元素,铁含量变化受土壤pH值的影响相对较小。整体来看,消落带土壤各金属元素含量受pH值的显著影响,金属元素之间,金属元素含量与土壤pH值之间均有密切相关性。
金属元素
Metal Element回归方程
Regression EquationR2 P 钾(K) y = −8 + 2.01x 0.715 < 0.001 钙(Ca) y = 2.66 + 1.31x 0.318 0.008 镁(Mg) y = 1.51 + 1.36x 0.341 0.005 钠(Na) y = 50.19 − 4.6x 0.805 < 0.001 铁(Fe) y = 61.26 − 1.99x 0.199 0.043 锰(Mn) y = 1.51 − 0.09x 0.334 0.006 锌(Zn) y = 0.38 − 0.04x 0.319 0.008 注:x表示土壤pH值,y表示各金属元素含量。
Note:x represent soil pH, y represent the content of each metal element.Table 2. Regression analysis model between soil pH-value and metal elements contents in water-level-fluctuation zone