滇池流域大棚土壤磷素空間分布特征研究*

楊浩瑜 ，張 敏，鄧 洪，劉惠見，張乃明 ，包 立

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650201；2.云南省土壤培肥與污染修復(fù)工程實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650201)

滇池是西南地區(qū)最大的淡水湖，其半封閉的湖體結(jié)構(gòu)、流入的河流交換周期長(zhǎng)，導(dǎo)致水體污染物滯留時(shí)間長(zhǎng)，滇池水體富營(yíng)養(yǎng)化非常嚴(yán)重。中國(guó)已將滇池水污染問題定位為全國(guó)水污染防治的重點(diǎn)[1]。磷不僅是造成湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的主要營(yíng)養(yǎng)成分，還是富營(yíng)養(yǎng)化的限制因子[2]，磷肥和有機(jī)磷農(nóng)藥中的磷素隨土壤下滲和地表徑流進(jìn)入水體[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1980—2010 年，中國(guó)農(nóng)田的磷肥施用量增長(zhǎng)了2 倍[4]，而磷肥利用率不到20%[5]，長(zhǎng)期過量的施用磷肥會(huì)導(dǎo)致土壤中磷素通過徑流等方式向水體遷移，進(jìn)而造成水質(zhì)污染。有研究[6-10]統(tǒng)計(jì)了2002—2017 年部分關(guān)于有機(jī)磷農(nóng)藥賦存的文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)土壤中含有機(jī)磷農(nóng)藥十幾種，并通過不同途徑分配到其他環(huán)境介質(zhì)中，對(duì)人體和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生危害。

設(shè)施栽培具有良好的可控性，可人工調(diào)節(jié)大棚內(nèi)溫度、濕度等因素[11]。由于其可減少氣候?qū)ψ魑锷L(zhǎng)的限制并有較高經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，在全球有著很好的發(fā)展前景。隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，中國(guó)的設(shè)施栽培規(guī)模也得到迅速發(fā)展。至2016年，中國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)面積已達(dá)5 872 萬hm2，居全球第一，其中95%以上是利用聚烯烴溫室大棚膜覆蓋[12-14]。滇池流域是全國(guó)最典型的大棚種植區(qū)之一，其大棚面積占區(qū)域種植面積的80%以上[15]。有研究表明：2014 年滇池流域入湖污染物中來源于農(nóng)業(yè)面源污染的總磷達(dá)175 t[16]。因此，設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展應(yīng)該與水質(zhì)保護(hù)相協(xié)調(diào)。

關(guān)于滇池流域不同土壤利用方式的土壤磷積累方面已有大量研究[17-18]，而對(duì)于滇池大棚土壤磷素的空間分布的研究鮮有報(bào)道[19-20]。本研究以滇池全流域的大棚土壤為供試土壤，并對(duì)大棚土壤的磷素空間分布特征進(jìn)行研究分析，為滇池流域農(nóng)田磷素養(yǎng)分管理以及面源污染防治提供依據(jù)，并為流域大棚土壤質(zhì)量的改良和修復(fù)提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

滇池流域面積約為2 920 km2，面源污染主要集中于雨季，即每年的5—10 月。

1.2 樣品采集

如圖1 所示：于2014 年6—10 月，在滇池流域的大棚中采用隨機(jī)多點(diǎn)混合采樣法得到102 個(gè)0～20 cm 的表層土壤樣本，風(fēng)干去除石礫、有機(jī)殘?bào)w和作物根系等非土壤物質(zhì)。風(fēng)干后土樣分別過1 mm 和0.25 mm 篩后裝袋保存。

1.3 樣品分析與方法

土壤全磷使用高氯酸—硫酸消煮，鉬銻抗比色紫外分光光度法測(cè)定；土壤有效磷采用碳酸氫鈉浸提，鉬藍(lán)比色紫外分光光度法測(cè)定；土壤水溶性磷使用蒸餾水提取，鉬銻抗比色法測(cè)定[21]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

為保證數(shù)據(jù)的可靠性，對(duì)受人為影響較重的采樣點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)處理并剔除異常樣本。采用3 倍標(biāo)準(zhǔn)差法處理樣本數(shù)據(jù)，±3S為標(biāo)準(zhǔn)，表示某指標(biāo)所有樣點(diǎn)的平均值，S為標(biāo)準(zhǔn)差，超出該范圍的數(shù)據(jù)則需剔除[22]。所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2013、SPSS 23.0 等軟件進(jìn)行分析與統(tǒng)計(jì)；利用ArcGIS 10.0 對(duì)全磷、速效磷和水溶性磷的分布進(jìn)行普通克里格插值，建立滇池流域大棚土壤磷素空間分布圖。應(yīng)用半方差分析其空間結(jié)構(gòu)，其中C0表示塊金值，代表由試驗(yàn)誤差和隨機(jī)因素引起的變異；C為偏基臺(tái)值，代表由非人為的區(qū)域因素(空間自相關(guān)部分)引起的變異；塊金效應(yīng)代表了無法解釋的或隨機(jī)的變異，通常由測(cè)定誤差或土壤性質(zhì)的微變異所造成(表1)。

圖1 大棚土壤取樣點(diǎn)Fig.1 Sampling points of greenhouse soil

表1 塊金效應(yīng)與空間相關(guān)性Tab.1 Nugget effect and spatial correlation

2 結(jié)果與分析

2.1 滇池流域大棚土壤各磷素含量及相關(guān)性分析

如表2 所示：所有大棚土壤樣品全磷的含量分布區(qū)間為0.99～2.34 g/kg，平均值為1.34 g/kg；全磷含量與2011 年滇池周邊設(shè)施大棚種植區(qū)土壤和廢棄大棚區(qū)土壤[23]相比分別下降了43.28%和21.64%。所有大棚土壤樣品中有效磷含量范圍為35.14～181.33 mg/kg，平均值為62.94 mg/kg。大棚土壤樣品中水溶性磷含量范圍為12.99～94.56 mg/kg，平均值為26.40 mg/kg。有效磷和水溶性磷變異系數(shù)分別為0.75 和1.00，高于全磷的變異系數(shù)0.26 。

表2 滇池流域大棚土壤磷素累積特征Tab.2 Greenhouse soil phosphorus accumulation characteristics of Dianchi Lake basin

從全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)來看，本次采集的滇池流域大棚土壤樣本全磷和有效磷均為一級(jí)(表3)。

對(duì)滇池大棚土壤中全磷、有效磷和水溶性磷之間進(jìn)行相關(guān)性分析，得到研究區(qū)域內(nèi)大棚土壤全磷與有效磷含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(R2=0.965 4)，與水溶性磷含量也呈正相關(guān)關(guān)系(R2=0.968 6)(圖2)。

表3 全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 The second national soil census nutrient grading standard

圖2 大棚土壤全磷含量與有效磷及水溶性磷含量相關(guān)性Fig.2 Correlation between total phosphorus content (TP) and file contents of available phosphorus (AP) and water-soluble phosorus (WSP) in greenhouse soils of Dianchi Lake

2.2 滇池流域大棚土壤磷素空間分布

在對(duì)研究區(qū)內(nèi)大棚土壤磷素做空間插值前需進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，對(duì)于非正態(tài)分布序列通過對(duì)數(shù)方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。所有數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布，進(jìn)而進(jìn)行地理統(tǒng)計(jì)學(xué)普通克里金插值分析。

從表4 可見：總體來看，滇池流域大棚土壤磷素與模擬試驗(yàn)變異函數(shù)擬合較好(決定系數(shù)R2均在0.7 以上)。塊金效應(yīng)［C0/(C+C0)］可用來表明系統(tǒng)變量的空間相關(guān)性的程度[24]。土壤全磷和有效磷的塊金效應(yīng)分別為0.108 和0.027，具有很強(qiáng)空間相關(guān)性，受結(jié)構(gòu)性因素(自然因素)的影響較大；水溶性磷的塊金效應(yīng)達(dá)到0.434，屬中等空間自相關(guān)，受耕作等人為因素影響的程度大。

表4 滇池流域大棚土壤磷素地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析Tab.4 Greenhouse soil phosphorus in Dianchi Lake basin geostatistical analysis

利用普通克里金插值，得到滇池流域大棚土壤全磷、有效磷和水溶性磷的空間分布情況，如圖3 所示。土壤全磷含量高值區(qū)主要分布在滇池東岸呈貢區(qū)馬料河、洛龍河和撈漁河流域周邊的斗南、金馬鋪和上蒜村等地，以及滇池北部盤龍區(qū)盤龍江流域松華壩附近，以上所有樣點(diǎn)全磷含量均高于1 g/kg；土壤有效磷含量高值區(qū)主要分布在滇池西岸西山區(qū)、東岸呈貢區(qū)和官渡區(qū)寶象河流域周邊，樣點(diǎn)有效磷含量均高于40 mg/kg；土壤水溶性磷含量高值區(qū)和有效磷一樣，主要分布在滇池東西兩岸。滇池流域大棚土壤全磷，有效磷和水溶性磷的空間分布狀況基本一致，均表現(xiàn)出東岸種植區(qū)含量普遍高于其他地區(qū)。說明其存在一定的相關(guān)性，但具體的分布變化狀況又各有特點(diǎn)，因此，對(duì)滇池流域大棚土壤的研究要根據(jù)不同的磷形態(tài)來進(jìn)行。

圖3 滇池流域土壤全磷、有效磷和水溶性磷空間分布圖Fig.3 The spatial distribution of soil total phosphorus (TP),available phosphorus (AP) and water-soluble phosphorus (WSP) in Dianchi Lake basin

3 討論

本研究結(jié)果表明：滇池流域大棚土壤全磷、有效磷和水溶性磷都處于極高水平。主要是因?yàn)榈岢亓饔蚴抢ッ髦饕幕ɑ芎褪卟朔N植基地，近年來大棚中化肥的施用量增長(zhǎng)較快，施用強(qiáng)度也逐漸增高，但是以增加礦物磷養(yǎng)分的施用量以期獲得高產(chǎn)[25]的同時(shí)，磷的利用率很低，導(dǎo)致大量磷素以各種形態(tài)累積在土壤中[26]。隨著2012 年“四退三還”工作執(zhí)行以來，滇池湖岸線周邊約有87 萬m2大棚被拆除并恢復(fù)為濕地，隨著大棚栽培的減少，磷素含量也隨之降低。

土壤中的速效磷是全磷的一部分，而速效磷中又包含易被植物吸收的水溶性磷[27]。研究區(qū)全磷與有效磷、水溶性磷的正相關(guān)關(guān)系與很多研究結(jié)果相一致：土壤中磷素含量與徑流進(jìn)入水體中磷素的濃度呈顯著正相關(guān)[28-29]，同時(shí)土壤水溶性磷含量與全磷的淋溶損失也具有正相關(guān)性[30-31]。

全流域尺度上，全磷含量最高，變幅最大，累積量最大的地區(qū)為東岸湖濱大棚種植區(qū)，顯著高于其他區(qū)域。這是因?yàn)榈岢貣|岸上蒜村為富磷區(qū)，本身磷背景值較高，加之花卉和蔬菜的種植導(dǎo)致該區(qū)域全磷含量偏高。除此之外滇池東岸的斗南和馬金鋪片區(qū)也有著較長(zhǎng)的花卉和蔬菜種植歷史，大量的化肥施用也是增加大棚土壤中全磷含量的原因之一。同時(shí)，全磷在西岸也有較高累積，但變化程度不大。滇池北部松華壩片區(qū)全磷含量也高于平均水平，主要是因?yàn)樵搮^(qū)域的耕地農(nóng)藥施用量為139 t，但利用率僅為20%～30%。滇池流域大面積的大棚土壤磷素含量非常高，因而磷進(jìn)入滇池引發(fā)水體富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)同樣很大。

土壤有效磷分布具有明顯的空間特征，土壤有效磷是土壤磷素養(yǎng)分供應(yīng)水平高低的指標(biāo)，土壤磷素含量高低在一定程度反映了土壤中磷素的貯量和供應(yīng)能力[32]。根據(jù)已有研究表明[33]：滇池流域的紅壤中有效磷＜40 mg/kg 時(shí)，對(duì)環(huán)境中的水體富營(yíng)養(yǎng)化沒有顯著的影響；流域紅壤有效磷介于40～70.9 mg/kg 之間時(shí)，對(duì)滇池水環(huán)境有一定的影響；土壤有效磷＞70.9 mg/kg 時(shí)，對(duì)滇池流域水體環(huán)境富營(yíng)養(yǎng)化具有顯著影響。從整個(gè)區(qū)域尺度看，有效磷含量高的區(qū)域?yàn)榱饔蛭靼洞笈锏湫头N植區(qū)和東岸呈貢種植區(qū)，有效磷含量均高于70.9 mg/kg。滇池東岸寶象河流域西南角有效磷含量明顯高于其他地區(qū)，最高值達(dá)到176.4 mg/kg；而寶象河?xùn)|北角含量較低，大致在30～40 mg/kg。在滇池南部的東大河流域，大棚土壤有效磷含量呈現(xiàn)由西南向東北遞增的趨勢(shì)，西南部背離滇池的山區(qū)有效磷含量最低，小于40 mg/kg。滇池北部的盤龍江流域大棚土壤有效磷含量也介于52.4～89.7 mg/kg 之間，對(duì)滇池水環(huán)境有顯著影響?？傮w來看，有效磷在大棚的累積不如全磷顯著，但利用率低的區(qū)域，流失風(fēng)險(xiǎn)依然很大。

土壤水溶性磷分布具有明顯的空間特征，從整個(gè)區(qū)域尺度看，水溶性磷的含量較高，其中東岸大棚區(qū)的含量最高，但變幅最大，受人為因素的影響也最為明顯，一旦離開大棚區(qū)，水溶性磷的含量迅速下降。土壤水溶性磷是土壤磷素進(jìn)入水體引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的直接指標(biāo)，這也說明大棚區(qū)域的磷流失風(fēng)險(xiǎn)高于其他土地利用類型。

4 結(jié)論

在滇池流域，大棚土壤中的磷素顯著累積，全磷和有效磷含量均屬于《全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》中的一級(jí)水平，水溶性磷含量也處于極高水平；大棚土壤中全磷與有效磷、水溶性磷均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)的關(guān)系；從地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析來看，大棚土壤全磷和有效磷受自然因素的影響較大，水溶性磷受人為因素的影響較大；從空間分布看，全磷含量在滇池東岸大棚區(qū)最高，有效磷含量在滇池西岸和東岸大棚區(qū)最高，水溶性磷含量分布情況與有效磷呈相同趨勢(shì)；磷素的累積對(duì)滇池環(huán)境影響嚴(yán)重，存在較高的流失風(fēng)險(xiǎn)。