淹水落干對巢湖圩堤消落區(qū)土壤營養(yǎng)成分的影響

匡武　吳添天　張彥輝　嚴(yán)云志　芮明

摘要 通過多次采樣，分析巢湖西北部圩堤消落區(qū)土壤中有機(jī)質(zhì)及氮磷在自然區(qū)域和人工修復(fù)區(qū)域的含量特征，研究巢湖西北部不同區(qū)域消落區(qū)土壤中有機(jī)質(zhì)及氮磷的分布規(guī)律，探索人工修復(fù)措施對消落區(qū)生態(tài)環(huán)境改善的效果。結(jié)果表明：淹水落干過程有利于消落區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)的積累和對氮素的吸附，同時增強(qiáng)消落區(qū)土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、有機(jī)磷的空間異質(zhì)性，并且減小消落區(qū)內(nèi)不同樣點之間土壤全磷含量差異。在自然區(qū)域中，氮素較高的農(nóng)業(yè)耕作區(qū)土壤在淹水條件下會向上覆水釋氮，無植被覆蓋的天然崩岸區(qū)土壤磷素會富集，在下次淹水時可能會向上覆水釋磷；在人工修復(fù)區(qū)域，挺水植物能夠有效攔截由于湖水沖刷引起的消落區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)流失，并且改善消落區(qū)底質(zhì)。此外，不同人工修復(fù)區(qū)域的多種類型植被增強(qiáng)了消落區(qū)空間異質(zhì)性，有利于保護(hù)消落區(qū)的生物多樣性，并且提高環(huán)湖景觀的觀賞性。

關(guān)鍵詞 淹水落干；巢湖消落區(qū)；有機(jī)質(zhì)；氮；磷

中圖分類號 S15；X53 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）11-070-04

消落區(qū)作為湖泊水體的最后一道生態(tài)屏障，對湖泊水質(zhì)安全起著重要的作用。Svensson等[1-2]早已研究表明，濕地土壤中的磷會向上覆水中釋放，而土壤氮素流失的多少取決于土壤的抗侵蝕能力[3]。由于消落區(qū)土壤在生態(tài)系統(tǒng)中的重要性，近年來也受到越來越多的關(guān)注。在國內(nèi)，對消落區(qū)的研究多以三峽庫區(qū)消落區(qū)為研究對象。程瑞梅等[4]對三峽庫區(qū)消落區(qū)土壤的理化性質(zhì)進(jìn)行了調(diào)查研究，結(jié)果表明季節(jié)性水淹導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)被破壞，土壤質(zhì)量逐漸變差。詹艷慧等[5]研究了淹水-落干對三峽消落區(qū)土壤氮素和磷素等溫吸附、解吸特性的影響，結(jié)果表明吸附一定量氨氮、磷的消落區(qū)土壤再淹后水中磷、氨氮均會再次逐漸釋放到上覆水中，且土壤吸附外源氮磷越多，淹水釋放強(qiáng)度越大。消落區(qū)作為水陸結(jié)合帶，與水體的關(guān)系必然十分緊密。在降雨過程中，消落區(qū)豐富的植被可減少雨水在地表的流失和對表土的沖刷，從而減少對水體的污染[6]。經(jīng)歷水位漲、落后，消落區(qū)土壤的物理性狀會發(fā)生很大改變，消落區(qū)土壤養(yǎng)分含量總體呈下降趨勢，植物種類數(shù)量可能會急劇減少[7]。為保護(hù)水體的健康，對相應(yīng)消落區(qū)環(huán)境的改善尤為必要。范小華等[8]提出利用生物緩沖帶、復(fù)合生態(tài)、坡地農(nóng)業(yè)、流域生態(tài)學(xué)、人工濕地及生態(tài)河堤等技術(shù)對消落區(qū)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行保護(hù)與調(diào)控的措施。巢湖作為受污染嚴(yán)重的“三湖”之一，其治理狀況一直受到地區(qū)乃至全國的關(guān)注。為全面、切實、有效地開展治理巢湖的工作，進(jìn)行巢湖圩堤消落區(qū)的植被恢復(fù)及生態(tài)系統(tǒng)重建，發(fā)揮消落區(qū)植被在防治水土流失和土地退化[9]、提高土壤肥力、降低水體污染等方面的重要作用，就顯得十分必要[10]。

有研究表明，巢湖流域的土地利用方式與地表徑流中營養(yǎng)鹽的輸入之間存在明顯的對應(yīng)關(guān)系[11]。在不同的土地利用類型下，水相中磷素遷移通量（指隨地表徑流遷移的單位面積磷素流失量）也存在顯著差異[12]。通過分析巢湖西北部圩堤消落區(qū)土壤中有機(jī)質(zhì)及氮磷在不同自然區(qū)域與人工修復(fù)區(qū)域的含量特征，筆者研究了淹水前后各種條件下消落區(qū)土壤中有機(jī)質(zhì)及氮磷的變化規(guī)律，力圖為巢湖圩堤消落區(qū)重建與生態(tài)功能恢復(fù)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于巢湖西北部圩堤。土壤類型以黃褐土與水稻土為主，土壤母質(zhì)以黃土母質(zhì)與流水沖積、沉積母質(zhì)為主。氣候?qū)倥瘻貛н^渡性的副熱帶季風(fēng)氣候區(qū)溫和濕潤， 年平均溫度15～16 ℃；流域內(nèi)降水量年際變化較大，多年平均降水量為1 100 mm，夏季6～8月占年降水量的39%；流域主導(dǎo)風(fēng)向，夏季為東南風(fēng)，冬季為東北風(fēng)；多年平均濕度77%，最大濕度81%。

1.2 樣點設(shè)置與樣品采集、分析

樣點設(shè)置充分考慮巢湖目前的水位波動情況。2008年巢湖最低水位8.30 m，最高水位9.53 m。根據(jù)氣象資料，合肥市降雨多集中在5～8月；5～12月水位較低，消落區(qū)大部分露出；8月由于大量雨水的緣故，水位升高，消落區(qū)被淹沒；12月消落區(qū)已落干。因此，選擇5、8和12月在巢湖西北部圩堤消落區(qū)進(jìn)行土壤調(diào)查，并且采集樣品。

1.2.1樣點設(shè)置。研究采樣位置位于巢湖西北部消落區(qū)。樣點分布及基本信息見圖1、表1。土壤樣點按照自然條件與人工修復(fù)區(qū)域布置。

1.2.2 樣品采集與分析。按照《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ/T 166）的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行采樣。在陸地部分，使用工兵鏟挖掘0～10 cm土壤；在消落區(qū)被水淹后，使用彼得遜采泥器采集土壤。

①土壤預(yù)處理。在土樣風(fēng)干后，剔除石塊、 根系、動植物殘體等明顯雜物后倒入陶瓷研缽中研細(xì)，過100目篩，充分混勻后放入聚乙烯自封袋內(nèi)，待測。

②分析方法。將干燥樣品于550 ℃灼燒3 h，計算失重，得有機(jī)質(zhì)含量[13-14]；全磷采用堿融-鉬銻抗比色法測定[15]；全氮采用半微量凱氏法測定[15]；磷分級方法為Goltman改進(jìn)法[16]。數(shù)據(jù)分析應(yīng)用SPSS 21.0和Excel 2003、Origin 8.0完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 消落區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)及氮磷空間分布特征

由表2可知，研究區(qū)域消落區(qū)和對照組土壤有機(jī)質(zhì)含量均值分別為（41.54±18.87）和（36.86±18.44） g/kg，分布范圍分別在10.34～93.83和6.64～89.72 g/kg 之間。正態(tài)檢驗結(jié)果表明，消落區(qū)及對照組土樣中的有機(jī)質(zhì)含量均服從正態(tài)分布，消落區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)均值在置信度 0.95 下的置信區(qū)間為（32.52，41.19），對照組土壤有機(jī)質(zhì)均值在置信度0.95下的置信區(qū)間為（37.60，45.72），消落區(qū)土壤樣品有機(jī)質(zhì)含量的變異系數(shù)（50.0%）比其上方土壤樣品（45.4%）大。這說明消落區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量離散程度較高，淹水落干的過程對土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響形式較復(fù)雜。這與各個樣點的自然環(huán)境、受到污染的方式種類等因素有關(guān)?？傮w上，消落區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)均值大于未淹水土壤中有機(jī)質(zhì)均值，表明干濕交替（淹水落干）使得消落區(qū)土壤中有機(jī)質(zhì)含量增加。

研究區(qū)域消落區(qū)和對照組土壤全氮含量均值分別為（420.05±323.54）和（417.99±232.42） mg/kg，分布范圍分別在84.76～2 130.04和78.31～1 360.04 mg/kg 之間。經(jīng)過k-s檢驗，對照組土壤中全氮含量服從正態(tài)分布，其均值在置信度0.95下的置信區(qū)間為（368.46，467.53），消落區(qū)土壤中全氮含量不服從正態(tài)分布。消落區(qū)土壤樣品全氮含量的變異系數(shù)（77.0%）明顯比對照組土壤樣品（55.6%）大，兩者都大于有機(jī)質(zhì)的變異系數(shù)?？梢姡谘芯繀^(qū)域內(nèi)的分布相對有機(jī)質(zhì)更不均衡，其中消落區(qū)土壤表現(xiàn)更明顯。這說明長期反復(fù)落干-淹水-落干的過程對土壤中全氮含量的影響較顯著；落干-淹水-落干的過程使得消落區(qū)不同樣點土壤中全氮含量差異增大，空間異質(zhì)性得到增強(qiáng)。

研究區(qū)域消落區(qū)和對照組土壤有機(jī)磷含量均值分別為（114.62±137.35）和（99.67±99.56） mg/kg，分布范圍分別在16.28～757.09和17.35～544.06 mg/kg 之間。消落區(qū)和對照組土壤全磷含量均值分別為（330.38±223.69）和（288.42±201.90） mg/kg，分布范圍分別在（83.13～1 144.11）和（49.85～1 068.97） mg/kg 之間。通過k-s正態(tài)性檢驗，發(fā)現(xiàn)消落區(qū)土壤中的全磷含量服從正態(tài)分布，而消落區(qū)土壤中的有機(jī)磷和對照組土壤中的有機(jī)磷、全磷含量都不服從正態(tài)分布。消落區(qū)土壤全磷均值在置信度0.95下的置信區(qū)間為（277.82，382.95）。消落區(qū)土壤中有機(jī)磷含量的變異系數(shù)為119.8%，屬于強(qiáng)變異程度；對照組土壤中有機(jī)磷含量為99.9%，屬于中等變異強(qiáng)度，已較接近強(qiáng)變異程度。這說明有機(jī)磷在研究區(qū)域內(nèi)的分布相當(dāng)不均衡。這與研究區(qū)域受湖水漲落、植被覆蓋、人為干擾等因素密切相關(guān)，消落區(qū)土壤有機(jī)磷的分布尤為如此。消落區(qū)土壤中全磷含量的變異系數(shù)（67.7%）小于對照組土壤中全磷含量變異系數(shù)（70.0%），說明消落區(qū)由于湖水漲落引起的干濕交替可減小不同采樣點之間土壤全磷含量差異。

2.2 淹水前后消落區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量變化

由圖2可知，在夏季水位上漲后，拋石防護(hù)林區(qū)的拋石堤岸易于受到湖水的拍打沖擊，使得該處局部水體運動劇烈，有機(jī)質(zhì)隨表層土壤被上覆水沖刷攜帶入湖，使得8月淹水期間的有機(jī)質(zhì)含量較5月有所降低。豐富的有機(jī)質(zhì)可以促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)形成，改善土壤物理性質(zhì)，可見與拋石堤岸相比，以挺水植物作為消落區(qū)水陸“屏障”更有利于消落區(qū)的水土保持和有機(jī)質(zhì)的積累，從而改善消落區(qū)底質(zhì)。在淹水條件下天然崩岸區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)增加比其他樣點明顯，該樣點附近有居民居住和施工工地，由此可推測該樣點夏季有機(jī)質(zhì)含量的明顯增加與周邊區(qū)域產(chǎn)生的生產(chǎn)、生活污染有關(guān)?？梢姡藶橐蛩厥峭寥烙袡C(jī)質(zhì)含量增加的一個重要因素。

淹水落干后土壤有機(jī)質(zhì)含量比淹水前都有所增加。在研究期間，各個樣點的土壤有機(jī)質(zhì)基本都處于積累狀態(tài)。這說明淹水落干的過程有利于消落區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加，增幅為27.7%～236.0%。

2.3 淹水前后消落區(qū)土壤全氮含量變化

由圖3可知，除農(nóng)田挺水植被區(qū)外，淹水條件下土壤全氮含量比之前未淹水條件下的有所增加。分析認(rèn)為，巢湖水體夏季富營養(yǎng)化狀況嚴(yán)重，在淹水狀態(tài)下上覆水中的氮必然會影響被淹沒的土壤氮含量；另一方面，該次研究區(qū)域都或多或少受到人為干擾，所以全氮含量受到人為因素和自然因素的雙重影響，夏季暴雨頻繁，大量的硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、氨及銨根離子會隨著暴雨徑流遷移到消落區(qū)的上覆水中。在農(nóng)田挺水植被區(qū)中，淹水條件下全氮含量顯著減小。該樣點附近為大片農(nóng)田，故該處受農(nóng)業(yè)耕作的影響尤為嚴(yán)重。土壤吸附的氨氮越多，淹水釋放總氮亦越多[5]。在淹水條件下，該樣點土壤中的全氮含量顯著減小，土壤向上覆水中釋放大量的氮，增大巢湖水體富營養(yǎng)化的風(fēng)險。

淹水后落干的土壤中全氮含量比淹水前高。經(jīng)淹水-落干對氨氮的吸附能力得到增強(qiáng)[5]；另一方面，陸生植物已死或凋落的生物殘體在土壤中經(jīng)微生物分解會有氮的產(chǎn)生，從而增加土壤中全氮含量。

2.4 淹水前后消落區(qū)土壤有機(jī)磷含量變化

由圖4可知，消落區(qū)在淹水條件下的有機(jī)磷含量比之前未淹水條件下的有所增加。有研究表明，有機(jī)磷在整個淹水期先降低后升高，有機(jī)磷淹水前期以溶解為主，后期以閉蓄為主，淹水初期閉蓄態(tài)磷釋放，而淹水后期有機(jī)磷增加可能是一部分鐵磷轉(zhuǎn)化的結(jié)果[17]。

除天然崩岸區(qū)外，落干后土壤中有機(jī)磷含量比淹水狀態(tài)下有所減少。消落區(qū)研究區(qū)域內(nèi)除天然崩岸以外的樣點，均有大量自然生長或人工種植的蘆葦及其他挺水植物。相關(guān)研究表明，有機(jī)磷含量降低主要是由于蘆葦根際間有大量微生物，落干后良好的通氣狀況能促進(jìn)微生物的活性，大量微生物分解有機(jī)質(zhì)的活動使有機(jī)磷礦化，從而使得土壤中有機(jī)磷含量減少[18]。天然崩岸區(qū)無挺水植物生長，微生物對有機(jī)磷的礦化作用較小，故隨著土壤有機(jī)質(zhì)的積累，有機(jī)磷含量也有所增加。

2.5 淹水前后消落區(qū)土壤全磷含量變化

由圖5可知，淹水期間消落區(qū)內(nèi)各樣點土壤全磷含量比之前落干狀態(tài)下均有所增加。夏季暴雨頻繁，消落區(qū)上方表層土壤中的磷素隨暴雨沖刷作用流入消落區(qū)。由于消落區(qū)土壤對磷的吸附作用，土壤中全磷含量有所增加。在淹水后落干的條件下，除天然崩岸區(qū)外，其他樣點的土壤全磷含量都有所降低。這是由于消落區(qū)中植被生長對磷的需求使得土壤中全磷含量降低，而天然崩岸區(qū)沒有人工種植的植被，土表為裸露狀態(tài)，故外來的磷素只能富集在土壤中，當(dāng)土壤中磷素積累到一定程度后，等到下一次淹水，土壤就有可能會向上覆水釋磷。

3 結(jié)論

（1） 研究區(qū)域消落區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)均值為（41.54±18.87） g/kg，含量在10.34～93.83 g/kg之間；全氮含量均值為（420.05±323.54） mg/kg，含量在84.76～2 130.04 mg/kg之間；有機(jī)磷含量均值為（114.62±137.35） mg/kg，含量在16.28～757.09 mg/kg之間；全磷含量均值為（330.38±223.69） mg/kg，含量在83.13～1 144.11 mg/kg之間。

（2）總體來看，人類活動以及淹水落干過程有利于消落區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加。淹水落干過程有利于土壤對氮素的吸附，使得土壤中全氮含量增加。

（3）淹水落干過程能夠增強(qiáng)消落區(qū)土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、有機(jī)磷的空間異質(zhì)性，其中消落帶土壤中有機(jī)磷含量的變異系數(shù)為119.8%，屬于強(qiáng)變異程度。淹水落干過程可以減小消落區(qū)內(nèi)不同樣點之間土壤全磷含量差異。

（4）在淹水期間，風(fēng)浪使得湖水劇烈波動，從而沖刷消落區(qū)土壤，并且攜帶有機(jī)質(zhì)進(jìn)入湖體。挺水植物能夠保護(hù)土壤，從而減少有機(jī)質(zhì)的流失。此外，不同人工修復(fù)區(qū)域的不同類型植被客觀上增強(qiáng)了消落區(qū)的空間異質(zhì)性，有利于保護(hù)消落區(qū)的生物多樣性，同時可形成優(yōu)美的湖濱帶景觀。

（5）在農(nóng)業(yè)過程中，氮肥施用對消落區(qū)土壤中氮的增加影響顯著。在淹水條件下，消落區(qū)土壤會向上覆水中釋氮。

（6）在淹水后落干的條件下，植被攝磷使得土壤中全磷含量降低，無植被覆蓋的土地磷素會富集，在下次淹水時有可能會向上覆水釋磷。

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責(zé)任編輯 劉月娟 責(zé)任校對 李巖