摘要
三峡水库的运行使得消落带在淹水-落干过程中与水体之间存在大量的物质迁移和交换，成为碳氮磷等营养元素的“源”和“汇”。生长于消落带土壤上的植物生态系统与土壤相互影响，导致消落带在源汇中不断转化，进而影响整个消落带的生态环境。目前，消落带土壤-植物在淹水-落干过程中碳氮磷等营养元素的转化和迁移过程，及其对水体可能造成的污染负荷还缺乏系统的研究。因此，本研究调查了消落带土壤和植被的基本特征，开展土壤、植物、土壤-植物系统的室内模拟浸泡实验和典型消落带植物的原位分解实验，得以了解消落带土壤-植物系统在淹水-落干周期中的源汇转化过程，查明土壤-植物淹水后的养分释放过程及影响因素和典型优势消落带植物的淹水分解特征，估算出消落带土壤和植物淹水期可能造成的污染负荷，为三峡水库的营养源解析和水环境评价提供了基础数据。主要研究结论如下: (1)消落带土壤有机碳含量范围为8.43～22.52g/kg，平均含量为（12.74±3.82）g/kg;全氮含量范围为0.23～1.93g/kg，平均含量为（0.75±0.28）g/kg;全磷含量范围为0.16～1.28g/kg，平均含量为（0.63±0.18）g/kg。不同地点土壤养分含量存在显著差异，不同高程土壤养分含量差异不明显。淹水能提高土壤磷的有效性，而落干则会降低有效磷的水平。反复淹水-落干后土壤中全磷含量有所下降，淹水使得土壤Al-P含量下降明显。O-P则经过淹水-落干过程活化为Fe-P后得以释放。消落带在淹水期间，土壤对养分有释放的作用，对碳、氮、磷养分的平均释放量分别为（-2961.27±3363.52）、(-363.01±554.51)、(-307.91±142.14)kg/hm2。 (2)不同高程土壤在浸泡过程中上覆水DOC在10-20d及90d出现浓度峰值。150、160、170m土壤DOC的释放量随高程的升高而增加，分别为(22.06±3.25)mg/kg、(31.19±1.90)mg/kg、(61.19±0.61)mg/kg。DOC的释放主要受控于土壤初始养分的含量。土壤浸泡过程上覆水TN浓度逐渐上升，TN释放量随水位高程的变化为150m＞170m＞160m，150、160、170m处土壤TN释放量分别为(49.75±1.17)mg/kg、(41.53±3.26)mg/kg、(44.69±9.97)mg/kg。TN的释放与自身性质关系不大，主要受到微生物活动的影响，氮主要以NO3-N的形式释放。上覆水中TP的浓度先快速大幅上升随后逐渐降低，TP释放量随着土样高程的升高而逐渐降低，150、160、170m处土壤TP释放量分别为(3.83±0.13)mg/kg、(3.81±0.04)mg/kg、(3.39±0.13)mg/kg。TP的释放量随着土壤碳氮磷养分的增加而增加，与N/P显著正相关，主要释放形态为颗粒态。浸泡温度升高不利于土壤TP的释放。碱性条件能加速土壤养分的释放。光照条件会抑制土壤养分的释放。 (3)消落带植被（植被残体）有机碳含量范围为335.52～451.27g/kg，平均含量为（411.21±14.89）g/kg;全氮含量范围为7.70～20.58g/kg，平均含量为（11.68±1.98）g/kg;全磷含量范围为1.11～4.82g/kg，平均含量为（2.65±0.74）g/kg。在落干期间，消落带植被对养分有吸收的作用，对碳、氮、磷养分的平均吸收量分别为（3333.07±733.47）、（82.7±25.82）、（25.77±4.51）kg/hm2;对碳的富集系数为（38.88±8.16），对氮的富集系数为（10.71±2.67），对磷的富集系数为（4.91±0.70）。在淹水期间，消落带植被对养分有释放的作用，对碳、氮、磷养分的平均释放量分别为（-2433.77±865.37）、（-58.02±34.80）、(-20.24±9.82)kg/hm2。消落带植被在经历淹水-落干循环后，植物优势种多为一年生草本植物。 (4)消落带主要优势植物包括狗牙根、鬼针草、水蓼、马唐、稗草、苍耳、牛鞭草等。植物在浸泡过程中上覆水DOC的浓度在7-10d出现浓度峰值，120d后保持稳定，DOC平均释放量为(15.24±7.72)g/kg。不同植物之间DOC释放量存在显著差异。各植物浸泡时TN浓度在5d出现峰值，120d后浓度保持不变，各植物的TN释放平均量为(4.58±2.32)g/kg，不同植物之间存在显著差异。其中鬼针草向上覆水中释放TN量最大，为(8.28±0.24)g/kg;柳树茎叶最小，仅为(1.76±0.08)g/kg。氮在上覆水主要以PN和DON为主，随着浸泡的进行，NH4-N浓度逐渐增加。植物浸泡时TP在15d出现浓度峰值，90d后浓度保持不变。TP的平均释放量为(3.55±2.55)g/kg，不同植物之间存在显著差异，其中苍耳释放量最大，狗牙根、牛鞭草和水蓼的释放量相差较小。TP的释放以PO4-P和PP为主，随着浸泡进行，PO4-P浓度逐渐减小，PP浓度增加升高。植物在浸泡过程中氮磷元素的释放主要受植物体磷含量和初始C/P的影响。水温温度升高不利于植物养分的释放。酸性和弱碱性均能促进植物分解，有利于各养分的释放。光照会极大的抑制植物淹水DOC、TN和TP养分释放。 (5)消落带优势植物淹水后分解以30d为转折点，前30d淹水主要是易溶大分子物质的快速洗脱，30d以后则为木质素为主的慢速有机化学分解过程。8种植物的分解速率排序为马唐＞稗草＞牛鞭草＞狗牙根＞水蓼＞苍耳＞鬼针草＞柳树茎叶。200d淹水过程中，8种消落带植物的平均失重速率为(0.36±0.04)％/d，其中前期平均失重速率为(1.99±0.33)％/d，后期平均失重速率较前期低28倍，为(0.07±0.04)％/d。植物淹水分解的释放速率与植物初始C/N关系明显，其中，在C/N为25-50时，分解速率随C/N增加而上升;C/N为50-100范围时，分解速率随C/N增加而下降。植物的干重、有机质、全氮、全磷的损失量均受到植物初始磷含量的制约。完全分解后，植物有机碳、全氮、全磷的平均损失量为（312.40±39.97）g/kg、(6.56±4.65)g/kg、（2.25±1.25）g/kg。其中，苍耳和鬼针草的养分损失量最大，而水蓼和狗牙根的的养分损失相对较小。 (6)土壤-植物系统在浸泡过程中，上覆水DOC浓度是逐渐增加的，且随着水位高程的增加，系统对DOC的释放量逐渐减少，分别为(73.76±41.04)mg/kg、(37.36±15.28)mg/kg、(31.31±23.03)mg/kg。土壤-植物系统浸泡中，TN的浓度仅在30-60d发生快速上升，而后保持不变。各水位高程系统的TN释放大小为:150m＞160m＞170m，平均TN释放量为(32.45±6.65)mg/kg。系统中TN的释放以PN为主，占80％以上。上覆水中TP的浓度变化与TN一致，60d后浓度稳定。各水位高程的土壤-植物系统TP释放量为(10.25±1.27)mg/kg、(6.01±2.41)mg/kg、(5.70±2.18)mg/kg。浸泡过程中，PP浓度增加增加，DP浓度逐渐减少，最终PP占TP释放量的90％以上。土壤-植物系统浸泡上覆水各养分的浓度变化和释放量与土壤和植物浸泡差异明显，认为植物的根际效应是在研究消落带淹水时养分循环中不可缺乏的部分。 (7)消落带在落干期间，植被吸收土壤养分;在淹水期间，消落带土壤和植被均释放养分。总体来说，消落带土壤-植物系统在淹水期表现为养分的释放源，在落干期间表现为养分的吸收汇。淹水200d，消落带土壤向水体中释放的有机碳、氮、磷负荷平均为104.63kg/hm2、109.10kg/hm2、9.61kg/hm2;消落带植被向水体中释放的有机碳、氮、磷负荷平均为143.23kg/hm2、89.06kg/hm2、22.68kg/hm2;消落带土壤向水体中释放的有机碳、氮、磷负荷平均为130.60kg/hm2、85.84kg/hm2、19.91kg/hm2。消落带土壤-植物系统的养分淹水释放已成为三峡水库营养物质的重要来源。
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