1、第32卷第2期2023年2月长江流域资源与环境esources and Environment in the Yangtze BasinVol32 No2Feb 2023三峡水库消落带土壤养分含量及生态化学计量特征孙阔1，2，袁兴中1，2*，王晓锋3，袁嘉1，2，候春丽1，2，魏丽景4(1 重庆大学建筑城规学院，重庆 400044;2 重庆大学三峡库区消落区生态修复与治理研究中心，重庆 400044;3 长江上游湿地科学研究重庆市重点实验室，重庆 401331;4 重庆市开州区自然保护地管理中心，重庆 405400)摘要:作为世界上最大的水利工程，三峡水库的建设和运行对三峡水库消落带土壤环境产
2、生了重大影响。已有研究多关注于三峡库区中某一段消落带或某一支流消落带的土壤环境变化，而缺乏对全库区消落带进行研究。以全库区尺度(8 个断面)的不同海拔消落带土壤(155165 和 165175 m)为研究对象，以断面未淹没区(175185 m)土壤为对比，对土壤养分(土壤有机质SOM、总氮TN、总磷TP、总钾TK)及生态化学计量(C/N、C/P 和 N/P)分布特征进行研究。结果表明:(1)消落带 SOM、TN、TP 和 TK 的含量均低于未淹没区，而C/N、C/P 和P/K 的值均高于未淹没区;(2)消落带165175 m 的SOM 和TN 分别为21.27 和1.14 gkg1，均显著低于
3、 155165 m 海拔和对照组相对应的土壤养分含量，而 T/N 和 N/P 分别为 11.07 和 2.68，与对照组的土壤化学计量比有显著的差异性，且 SOM 变异性最小为 6%、TP 变异性最高为 24%;(3)三峡库区全域内，上游(涪陵区)和中游(忠县、万州区、云阳县、奉节县)的土壤养分含量显著高于下游(巫山县和秭归县)地区，且 SOM、TN、TP 和 TK 的最高值为忠县和万州区消落带土壤，而库区中上游的土壤养分生态化学计量比显著低于下游，且 C/N、C/、PN/P 的最低值均为涪陵区消落带土壤;(4)消落带土壤养分及化学计量比的分布特征受到消落带的海拔及采样点环境特征的显著影响，且
4、采样点环境特征的影响程度更大。研究表明，自2010 年 175 m 蓄水后，经历了 8 年季节性淹没出露的影响，消落带的养分流失状况依旧存在，其中库区下游及 165175 m 的消落带土壤养分保持能力较差，应重点加强该区域和消落带中部高程区土壤保持，以维持三峡水库消落带及水生生态系统健康。关键词:消落带;土壤养分;生态化学计量;水位变化;空间分布;三峡水库中图分类号:S158;S154.2文献标识码:A文章编号:1004-8227(2023)02-0403-12DOI:10.11870/cjlyzyyhj202302016收稿日期:2022-03-31;修回日期:2022-07-14基金项目:
5、国家自然科学基金面上项目(52178031);中央高校基本科研业务费项目(2021CDJQYJC005)作者简介:孙阔(1994)，男，硕士研究生，主要研究方向为大地景观与生态修复 E-mail:*通讯作者 E-mail:三峡工程是当前世界上规模最大的水利工程，集供水、发电、航运和防洪四大效益为一体，为稳定长江经济带的外部自然环境、保障该区域的经济稳定发展及国家战略顺利实施奠定坚实的基础1。由三峡工程而形成的三峡水库采取“冬蓄夏排”的调节方式，在库区两岸海拔 145 175 m 之间形成落差 30 m 的消落带，季节性水位变化使该区域周期性的淹没和出露2，3，导致消落带土壤受到不断冲刷以及原有
6、植物受到长时间反季节淹水胁迫，进而改变了土壤的理化条件和沉积过程，对消落带土壤养分的吸附、解析以及运移过程产生明显影响4，导致出现消落带土壤流失严重、原有河岸带植物难以生长以及生态系统退化等问题57。为解决上述问题，急需对消落带水位变化过程和土壤生物地球化学性质进行深入研究。土壤作为陆地生态系统中养分循环的主要载体，可为植物生长及发育提供必需养分8。土壤中的有机质(SOM)是指存在于土壤中的所有含碳有机化合物，是反映土壤质量和衡量土壤肥力的重要指标，可为土壤生物的生长提供所需的各种营养元素 和 能 源9;土 壤 中 的 氮(N)元素是农田中不可缺少的营养元素，其含量可作为直接影响作物产量的限制
7、性因素10;由土壤供应的磷(P)素和钾(K)素均为植物生长所必须的营养元素，可参与到植物不同生长阶段的生理生化过程11，12。当所有土壤养分以合适的生态化学计量比存在时，才能促进生态系统健康和稳定。作为当前生物地球化学研究的前沿热点，生态化学计量学可为土壤养分循环及土壤治理研究提供解决思路13，14，不仅可反映土壤 C、N、P、K 的循环和平衡特征，还可用于指示土壤中的养分状况，已成为当前衡量土壤质量的重要指标15，16，如土壤 C/N 可反映土壤有机质的分解与积累状况17、C/P 可用于指示土壤中 P 元素的矿化能力18、N/P 可作为衡量土壤中 N 元素是否饱和的诊断指标19。因此，土壤中
8、的 C、N、P、K 元素含量以及其生态化学计量比可作为研究不同空间尺度上土壤生态系统中元素循环的重要指标，对具有季节性水位变化的三峡水库消落带，进行土壤养分含量及生态化学计量比的研究具有重要意义。三峡库区消落带由于受到冬季蓄水淹没和夏季洪水冲刷的影响，土壤的氧化还原环境产生周期性的变化20，直接影响消落带土壤养分不断流失和释放，从而对土壤的养分供应水平和生态化学计量特征产生作用21，最终导致土壤理化性质在不同空间和时间上均具有较高的异质性22。当前已有大量研究关注消落带的土壤养分及其生态化学计量特征的变化，如 针 对 三 峡 库 区 万 州段23、丰都忠县段24以及支流澎溪河25等消落带土壤进
9、行研究，得出受水位变化的消落带土壤养分中 SOM 的空间变异系数最大、土壤保留 P 元素降低以及土壤 N 元素损失会加剧等结果。但已有研究多关注于三峡库区内某一段或某一支流的消落带2426，仅有少数研究涉及到全库区的空间格局，因此当前全库区消落带土壤养分和生态化学计量特征的分布规律及其影响机制尚不明晰。本研究以三峡水库消落带土壤为研究对象，从库区长江干流重庆涪陵段至湖北秭归段，以库区海拔高于 175185 m 的未淹没区为对照，调查和分析水位变化影响下全库区尺度消落带不同海拔(155 165 m 和 165 175 m)土壤养分(有机质、TN、TP、TK)含量及化学计量比(C/N，C/P，N/
10、P)特征的空间变异情况，以期揭示全库区尺度下消落带土壤养分对环境变化的响应，为三峡水库消落带和其它大型蓄水水库消落带生态系统管理提供科学依据。1材料与方法1.1研究区概况研究区位于三峡库区重庆市涪陵区至湖北省秭归县之间的三峡水库消落带。三峡水库消落带东起三峡大坝所在的三斗坪，西至重庆江津花红堡，总面积 348.93 km2 27，涉及重庆市和湖北省的 26 个区(市、县)。三峡库区处于中国地势第二级阶梯向第三级阶梯过渡的地带，地貌以山地和丘陵为主。属湿润的亚热带季风气候，年均气温 16.5 18.0，年降雨量 1 0001 800 mm，约 80%的降水发生于 410 月。土壤类型以黄壤、紫色
11、土、石灰土、水稻土和潮土等为主28。三峡水位每年 9 月底开始蓄水，10 月中旬蓄水至175 m，高水位运行至 12 月;随后缓慢放水，至次年 5 月底降至 145 m。因此，三峡水库水位变化为每年冬季高水位 175 m，夏季低水位 145 m。三峡库区内距三峡大坝由远及近，从重庆涪陵区到湖北秭归县，库区两岸坡度逐渐变陡，且水位涨落面积逐渐减少29。1.2样品采集及处理2018 年 7 月，在三峡库区沿长江干流距三峡大坝由远及近，依次选择重庆涪陵区双桂村、忠县连二村、万州区驸马村、云阳县糖坊村、奉节县白帝村、巫山县红田村、湖北秭归县香溪村及秭归县香太平溪村等地设置调查断面，共设置 8个调查断面
12、，且参照已有研究将研究区域分为三峡库区上游(涪陵区)、三峡库区中游(忠县、万州区、云阳县、奉节县)和三峡库区下游(巫山县和秭归县)区域29(图 1，表 1)。根据三峡水库消落带水位情况，在每个断面，在海拔 155 165、165175 和 175185 m 以上区域上设置顺长江水流方向的长 30 m 的样带，每个样带选择人为干扰较少、生境特征相似的地点随机取 5 个重复样点作为土壤采样点。各样带样点的水深深度和水淹时间不同，海拔越高，水淹时间越短;调查样点距离三峡大坝越远，同样的海拔淹水时间越短。在每个样点采样时，去除土壤表面的枯枝落叶 等 杂 物，用 取 样 器 采 取 表 层 土 壤(0
13、10 cm)，将采集的土壤混合均匀后装入密封袋，带回实验室风干、挑根后备用于土壤养分的测定。将采集的土样自然风干后，进行碾磨并分别过 1 和0.25 mm 筛，用于测定土样 SOM、TN、TP、TK 含404长江流域资源与环境第 32 卷量等指标。其中 SOM 采用重铬酸钾氧化外加热法测定，TN 采用硫酸消煮比色法和全自动化学流动分析仪测定，TP 采用钒钼黄显色分光光度法测定，TK 采用王水酸熔火焰光度计法测定。图 1研究区域样点分布图Fig.1Distribution of sampling sites in littoral zone表 18 个采样断面的基本环境特征Tab.1Basic
14、environmental characteristics of 8 sampling sections采样断面(三峡库区)距三峡大坝距离(km)土壤质地土壤 pH植物群落优势种蓄水前土地利用类型涪陵区双桂村(上游)469黏土、砂土8186狗牙根、苘麻、三叶鬼针草、草木樨等自然草地、旱地忠县连二村(中游)350黏土5786狗牙根、苍耳、苘麻、草木樨等农田(水田)万州区驸马村(中游)267黏土6386狗牙根、苍耳、三叶鬼针草、草木樨等农田、自然疏林地云阳县糖坊村(中游)235黏土8389狗牙根、苍耳、苘麻、三叶鬼针草、草木樨等自然疏林地奉节县白帝村(中游)149砂土8187狗牙根、苍耳、苘麻等自
15、然灌草丛、农田(旱地)巫山县红田村(下游)121砂土7687狗牙根、苍耳、苘麻、草木樨等自然灌草丛秭归县香溪村(下游)30黏土6685狗牙根、苍耳、苘麻、三叶鬼针草、草木樨等农田(旱地)秭归县太平溪村(下游)5砂土6692狗牙根、苍耳、三叶鬼针草、草木樨等自然疏林地、旱地1.3数据处理使用 Excel 2010 对所得数据进行初步处理。利用 SPSS 22.0 对数据进行统计分析，采用单因素方法分析(One-way AVONA)检验不同海拔及样点土壤养分(SOM、TN、TP、TK)及化学计量比(C/N、C/P、N/P)间的差异，使用 LSD 法进行多重比较，本文中的统计学显著性水准 均取值0.
16、05;采用一般线性模型(GLM)分析海拔和样地对于土壤养分含量及化学计量比的交互影响;按照公式变异系数(CV)=标准偏差/平均数100%，计算数据变异系数;运用 Pearson 相关分析检验土壤养分含量与其生态化学计量特征间的相关性。利用 Arcgis 10.7 对采样点的空间数据进行分析。采用 Origin 9 作图。504第 2 期孙阔，等:三峡水库消落带土壤养分含量及生态化学计量特征2结果与分析2.1消落带不同海拔土壤 SOM、TN、TP、TK含量及化学计量比特征三峡 水 库 消 落 带 两 个 海 拔 高 程 与 对 照 区(175185 m 高程的非淹没区)的土壤养分含量及变化范围如图 2 所示。消落带与对照区的土壤SOM 和 TN 含量均呈现显著差异，其中在消落带中部、上部和对照区的土壤 SOM 含量分别为21.4124.55、17.9222.88、22.1725.57 g/kg，而土壤 TN 的含量分别为 0.84 1.54、0.81 1.49 和 0.891.69 g/kg;对照区的土壤 TP 含量(范围 0.30 0.71 g/kg)与消落带之间有显著差异，但消 落