松花壩水源區(qū)不同土地利用方式對土壤理化性質的影響

卿小燕，郭 蕾，趙克瓊，吳曉妮

(1.云南高科環(huán)境保護科技有限公司，云南 昆明 650000；2.云南省昆明市盤龍區(qū)水務局，云南 昆明 650051；3.昆明學院 農學與生命科學學院,云南 昆明 650214)

面源污染一直是水體富營養(yǎng)化的主要來源，由于污染源頭多、范圍廣、污染的產生和輸移過程復雜、時空變動不確定等特點，成為湖泊污染削減和環(huán)境治理的難題[1-3]。作為土壤中的主要生態(tài)因子，氮與磷因不同土地利用方式而導致其生態(tài)系統中元素生物地球化學循環(huán)各異，加上外部的人為耕作制度與管理措施更加劇了土壤氮、磷含量的諸多不確定性[4-6]。目前，很多研究已對不同流域內的不同土地利用方式下的土壤理化性質進行了分析，如在流域或集水區(qū)尺度上對不同土地利用類型土壤氮、磷的研究[7-8]。大多數研究結果表明，不同土地利用方式對土壤養(yǎng)分含量具有顯著的影響。土壤中養(yǎng)分含量的高低作為面源污染的“源”常常決定了面源污染輸移過程中的強度和通量[9]。因此，了解流域內重點保護區(qū)或脆弱區(qū)內不同土地利用類型及其變化對土壤理化性質的影響，對掌握土壤肥力現狀、合理管理土地資源、改善水質環(huán)境等具有重要意義。

松華壩水源保護區(qū)是我國第一個飲用水資源保護區(qū)，既是昆明市重要飲用水源地，也是滇池水源最主要的匯水區(qū)，松華壩水庫水體的水質直接影響著滇池水體水質。因此，松華壩水源保護區(qū)水資源保護利用和水環(huán)境污染防治工作尤為重要。但由于該區(qū)域內農業(yè)面源污染導致過量營養(yǎng)元素輸入到水體中，增加了該水庫水質富營養(yǎng)化狀態(tài)的風險，進而威脅昆明市的經濟發(fā)展和社會穩(wěn)定[10]。為了減少農業(yè)面源污染對水體的影響，部分農田實施了“退耕還林還濕地”，以期減少氮、磷污染的輸移。為了了解不同農田利用方式下土壤理化性質的變化，本研究選取傳統種植的農田(菜地與玉米種植)及“田改林”地為研究對象，對其主要理化性質進行監(jiān)測分析，為探明不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分變化及農業(yè)面源污染防控提供科學依據，并支持該區(qū)域生態(tài)清潔小流域的建設。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于昆明市主城區(qū)東北部13 km處，地處鐵沖小流域(102°45′55″～102°50′15″ E，25°22′24″～25°26′13″ N)，屬松華壩水庫水源區(qū)。該小流域屬北亞熱帶和暖溫帶混合型氣候，平均海拔2250 m，屬淺切割低山丘陵中輕度流失區(qū)。多年平均氣溫13.5 ℃,流域降水集中，干濕季節(jié)分明，多年平均降雨量為1042.5 mm。一般雨季(5～10月)降水占全年降水量的87%。該小流域土壤主要是由砂巖、砂頁巖、灰?guī)r風化形成的紅壤和紅壤性水稻土。山地區(qū)的主要植被為常綠闊葉林、落葉闊葉林、針葉林、灌木林地。由于位于昆明市重點水源保護區(qū)，流域內農田種植方式主要以傳統蔬菜、玉米(Zeamays)、蠶豆(Viciafaba)、馬鈴薯(Solanumtuberosum)等糧食作物為主，重點保護區(qū)內的農田根據政策退田還林，主要種植楊樹(PopulusL.)、中山杉(Ascendensmucronatum)等喬木。

1.2 樣品的采集與測定

基于前期不同土地利用格局，選擇廣泛分布的蔬菜種植地(蔬菜地)、玉米種植地(玉米地)、田改林地(林地)作為主要土地利用類型，每種利用類型選擇3塊代表性樣地(20 m×20 m)，每個樣地之間相距至少1 km。土地利用情況及人工管理措施等見表1。分別于2018年7月、9月、11月對每個樣地內土壤進行采樣，樣品采集按照S形多點混合的原則。每一點根據土壤深度采0～20 cm和20～40 cm土壤層的樣品。所有樣品帶回實驗室，去除作物根系、石礫、有機殘體等雜物后，過篩保存并進行相關的指標分析。

表1 不同土地利用類型樣地的基本情況

土壤樣品測定包括物理性質(容重、含水量及其土壤持水性能)和化學性質(pH值、有機質、全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、全磷和有效磷)。其中容重、含水量、持水性能采用環(huán)刀法測定；pH值利用酸度計進行測定；土壤有機質含量采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定；土壤全氮采用半微量凱氏定氮法測定；土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮分別采用紫外分光光度法和納氏比色法測定；土壤全磷和有效磷分別采用酸溶-鉬銻抗比色法和雙酸浸提-鉬銻抗比色法測定[11]。

1.3 數據分析

為了比較不同土地利用方式、采樣時間、土壤深度對不同土壤參數的影響，利用多元方差分析(Three-way ANOVA)進行統計，并利用方差分析，重點比較不同土地利用方式之間土壤理化性質的差異。數據使用SPSS 21.0軟件對數據進行統計分析。為了解不同土地利用方式對土壤理化性質的綜合影響，本研究采用均值化評價方法[12]，計算公式為：X=Xi/Mi，其中X為量綱化后的值；Xi為實際土壤某理化參數值；Mi為土壤某理化參數均值。

按各項土壤各參數得分逐項相加得出不同土地利用方式對土壤理化性質的綜合影響系數：W=X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9，其中，W為土地利用方式對土壤理化性質的綜合影響系數；X1～X9分別為無量綱化的土壤容重、含水量、pH值、有機質、全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、全磷和有效磷；為了量化9個土壤理化參數在綜合影響系數中的相對貢獻，分別用X1～X9除以W得出每個參數指標的相對貢獻比例。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式下土壤理化性質的多因素方差分析

多因素方差分析表明，不同土地利用方式、月份、土壤深度及其交互作用對大多數土壤理化性質具有顯著的影響(表2)。從表2可看出，土地利用方式和土壤深度對所有9個理化參數均有顯著影響(P<0.01)；除pH值和有機質外，月份對其他7個理化參數也具有顯著影響(P<0.05)。除此之外，土地利用方式與月份、土地利用方式與土深的交互作用對大多數土壤理化性質也具有顯著影響；相比而言，月份與土深、土地利用方式與月份和土深的交互作用對土壤理化性質影響相對較小。雖然月份與土深對土壤理化性質具有顯著影響，但由于月份與土壤深度相對是不可控因素，故本研究重點分析不同土地利用方式對土壤理化性質的影響。

表2 土地利用方式(LU)、月份(M)及土壤深度(SL)影響土壤理化性質的方差分析

2.2 不同土地利用方式對土壤物理性質的影響

不同土地利用方式下的土壤容重見圖1。從不同土地利用方式來看，7月份林地土壤容重顯著高于農田土壤(菜地與玉米地)；9月份林地土壤容重仍保持最高，11月份3種土地利用方式下土壤表層的容重未呈現顯著差異。從不同土壤深度來看，20～40 cm土層的土壤容重整體上高于表層0～20 cm的土壤。從時間動態(tài)來看，在主要生長期內農田(菜地與玉米地)土壤的容重呈增加趨勢，而林地土壤容重相對保持恒定。在農田種植過程中，常通過人為松土改善土壤通氣狀態(tài)，進而導致土壤容重較低，而林地由于無松地現象，故土壤容重較高[13]。

通過對比不同土地利用方式下土壤的涵養(yǎng)能力發(fā)現：玉米地的飽和含水量和田間持水量最高，其次為菜地，林地的土壤飽和含水量及田間持水量最低(圖2)。方差分析表明，農田土壤的飽和含水量顯著高于林地，玉米地的田間持水量顯著高于林地，這主要是由于農田松土導致較低的容重所致[13]。不同土地利用方式下土壤含水量的變化特征表明：在7月份3種土地利用方式下的土壤含水量相似，無顯著差異(P>0.05)；在9月和11月林地的土壤含水量顯著高于農田；從不同土層來看，土壤表層的土壤含水量普遍低于20～40 cm土層；從時間動態(tài)變化來看，3種土地利用方式下土壤水分呈現先增加后減低的趨勢(圖3)?？傮w來看，林地的土壤含水量比農田高，說明林地由于具有較多的地上植被，水分涵養(yǎng)能力較高，水分蒸散發(fā)相對較少；而農田地表相對裸露性較高，水分散失較多，導致地表的土壤水分含量明顯低于林地[8,13]。

圖2 不同土地利用方式下土壤飽和含水量及田間持水量比較

圖3 不同土地利用方式下土壤含水量及其變化

不同土地利用方式下土壤pH值對比發(fā)現：林地的pH值稍高于農田(菜地與玉米地)，7月與9月，20～40 cm土壤層的pH值比表層0～20 cm土層略高，而11月份，20～40 cm土壤層的pH值比表層0～20 cm土層略低(圖4)；通過方差分析表明：7月和9月份林地20～40 cm土壤層的pH值顯著高于農田，而在11月份，林地0～20 cm土層的pH值顯著高于菜地與玉米地0～20 cm土壤層(P<0.05)；整體而言，pH值相對保持穩(wěn)定，其變異程度較低(圖4)。不同土地管理方式是導致土壤pH值發(fā)生變化的重要因素。在農田土壤中由于使用化肥，導致土壤pH值降低，尤其是氮肥，在轉化過程中常伴隨NH4+和H+的釋放，導致土壤pH值降低，相對而言，林地pH值相對保持穩(wěn)定，可能與林地內腐殖層的有機質分解有關[14-15]。

圖4 不同土地利用方式下土壤pH值及其變化

2.3 不同土地利用方式下對土壤化學性質的影響

通過比較不同土地利用方式下土壤有機質含量，可發(fā)現林地土壤中的有機質含量普遍高于農田(菜地與玉米地)(圖5)，這與不同土地管理方式有關，農田由于人為取走地上蔬菜及玉米，導致無凋落物輸入，即便蔬菜地有少量農家肥輸入，但輸入量仍少于無人為干擾的林地，林地內樹種為落葉闊葉樹種，每年旱季大量凋落物輸入土壤，導致有較高的凋落物層，進而提高了土壤有機質的含量[8,15]，土壤表層有機質含量高于底層主要與凋落物及農家肥直接輸入到地表層密切有關；通過動態(tài)變化來看，有機質含量變化幅度并不明顯(圖5)。

圖5 不同土地利用方式下土壤有機質含量及其變化

不同土地利用類型下，土壤全氮、硝態(tài)氮及銨態(tài)氮的變化特征見圖6。不同土地利用方式比較可以發(fā)現，農田(菜地與玉米地)0～20 cm土壤的全氮、硝態(tài)氮及銨態(tài)氮含量在7、9、11月份均顯著高于林地，對于20～40 cm土層除11月份外，其他月份也表現為農田土壤全氮、硝態(tài)氮及銨態(tài)氮含量顯著高于林地，一方面與農田施肥有關，另一方面與林地植物生長對土壤氮吸收及氮礦化速率增加有關。5～10月份是該區(qū)域生長期，水熱條件良好，林地氮礦化速率增加并伴隨植物快速生長，故導致土壤氮含量降低[16]；對于不同土層而言，3種土地利用方式尤其是農田土壤，其表層的全氮、硝態(tài)氮及銨態(tài)氮含量均高于底層土壤；從時間動態(tài)變化來看，農田土壤硝態(tài)氮含量呈現先增加后降低的趨勢，這可能與土壤微生物有關，尤其是硝化細菌。9月份硝態(tài)氮含量高一方面與施肥有關，另一方面與土壤硝化作用的影響也有一定關系[17]。相對而言，銨態(tài)氮在時間動態(tài)上變化幅度較小。

圖6 不同土地利用方式下土壤全氮、硝態(tài)氮及銨態(tài)氮含量及其變化

對比不同土地利用方式下的土壤全磷及有效磷變化，從圖7可以發(fā)現，農田(菜地與玉米地)土壤全磷含量顯著高于林地土壤，其中表層土壤與底層土壤全磷含量差異不大，在生長期內土壤全磷相對保持穩(wěn)定，變化幅度較小(圖7)。而對于有效磷而言，除7月份菜地與林地表層土壤有效磷無顯著差異外，其他月份及土壤層次下農田(菜地與玉米地)土壤有效磷含量均顯著高于林地土壤(P<0.05)；土壤表層有效磷含量除9月份的林地外，其他表層土壤有效磷含量均明顯高低20～40 cm土層；從動態(tài)變化看，農田土壤表層的有效磷含量呈增加趨勢，而20～40 cm土層的有效磷相對變化幅度不大，相對保持穩(wěn)定(圖7)。農田全磷及有效磷含量比林地高的主要原因主要與農田施肥有關。與全磷相比，土壤有效磷含量受人為耕作、施肥等措施的影響更為顯著。隨著雨季的進行，農田表層土有效磷呈現增加的趨勢，而林地表層土壤有效磷呈現先下降后增加的趨勢?？傮w而言，土壤有效磷含量的變化與施肥及林地礦化及徑流養(yǎng)分流失等相關[8,15,18]。

圖7 不同土地利用方式下土壤全磷及有效磷含量及其變化

2.4 不同土地利用方式對土壤理化性質的綜合影響

對比不同土地利用類型對土壤理化性質的綜合影響系數可以發(fā)現，所有月份及不同土壤層次內的綜合影響系數依次為菜地、玉米地、林地(表3)，說明農田土壤理化性質比林地較好。但對不同土壤參數在綜合影響中的貢獻比進行分析發(fā)現，菜地和玉米地中有效態(tài)氮、有效磷占據最高的貢獻比，而林地中有機質及含水量占據最高的貢獻比(表3)。通過對3個月進行綜合分析，同樣發(fā)現農田對土壤理化性質的綜合影響比林地高，其中表層與底層土壤中菜地中硝態(tài)氮在綜合影響中的貢獻比最高，分別為0.14和0.15；玉米地中有效磷的貢獻比最高，在表層與土壤底層其貢獻比分別為0.14和0.15；對于林地，有機質的貢獻比最高，分別為0.17和0.15。通過表3可以發(fā)現，農田理化性質較好，可利用有效態(tài)氮、有效態(tài)磷貢獻比例較高；而林地理化性質相對農田而言較差，但有機質貢獻比例較高。

表3 不同土地利用類型對土壤理化性質的綜合影響系數及土壤參數在綜合影響中的貢獻比

從土壤理化性質來看，基于不同土地利用類型對土壤理化性質的綜合影響系數及各個參數在其中的貢獻比例，可以看出該流域內農田土壤理化性質要好于林地，這主要與農田人為管理措施密切相關，外源性可利用性的氮、磷養(yǎng)分的輸入及外部松土等措施增加了土壤理化性質[8,15,17]。相對而言，林地只能通過自身生物地球化學循環(huán)來改善自身土壤理化性質，由于林地幾乎無人為干擾，加上原來立地殘留的土壤養(yǎng)分，導致林地生長速率較快，進而形成較高的凋落物層，提升了土壤的有機質含量，但林地對原有農田土壤的改善效益，一方面需要較長時間得以體現，另一方面無外部養(yǎng)分的輸入也是導致林地土壤理化性質低于農田的另一主要原因[8,15,16]。

從面源污染輸移及防控角度分析，農田盡管具有較好的土壤理化性質，但養(yǎng)分多以有效利用態(tài)存在，加上地上無較好的地被層及良好的群落結構，氮、磷養(yǎng)分極易通過地表或地下徑流向外輸出，進而增加水體的富營養(yǎng)化風險[18]；而林地卻可以通過良好的群落結構減少地表徑流量的產生，并通過積累有機質慢慢改善土壤理化性質及土壤結構，進而有效提升土壤質量，達到減少養(yǎng)分向外輸出的風險[8]。但由于農田改林地的時間不長，故產生的生態(tài)效益還需要慢慢進行積累。本研究主要側重面源污染輸移過程中的土壤面源污染物的“源強”的分析，但面源污染的輸移也取決于氮、磷養(yǎng)分的“流”和“匯”，因此，還需要對不同土地利用方式進行面源污染輸移過程及土壤對養(yǎng)分截留能力等方面的監(jiān)測與評估，才能更全面地了解不同土地利用類型對面源污染防控的綜合效益[2,9]，進而有效地指導區(qū)域生態(tài)建設與生態(tài)管理。

3 結論

(1)土地利用方式、土壤深度及時間均顯著影響土壤理化性質。

(2)林地土壤容重、含水量及有機質含量高于農田土壤(菜地與玉米地)，而農田土壤氮、磷含量(全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、全磷和有效磷)含量高于林地。

(3)土地利用類型對土壤理化性質的綜合影響系數從高到低依次為菜地、玉米地、林地，其中農田土壤有效態(tài)氮、有效態(tài)磷及林地土壤有機質含量在綜合影響中貢獻比例在所有理化參數中最高。

(4)從土壤理化性質看，人為管理措施是導致農田理化性質較好的主要原因；從面源污染防控角度看，農改林可有效降低土壤養(yǎng)分源強，降低向外輸移的風險。同時還應結合氮、磷養(yǎng)分的“流-匯”等過程，綜合評估不同土地利用方式的面源污染防控的綜合效益。