高原湖泊杞麓湖流域典型蔬菜地土壤及周邊水質特征

王春雪,岳學文,李 坤,李義林,潘志賢,方海東,李建查,史亮濤*

(1.云南省農(nóng)業(yè)科學院 熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所,云南 元謀 651300;2.元謀干熱河谷植物園,云南 元謀 651300)

湖泊水質退化已成為國際上關注的熱點問題,特別是具有戰(zhàn)略意義和典型生境的湖泊,更加成為水安全保障和科學研究關注的熱點[1〗。水質惡化可能產(chǎn)生嚴重的生態(tài)和環(huán)境影響,并會導致污染暴露和水資源脆弱等問題[2〗。高原湖泊與一般湖泊相比,其獨特的發(fā)育成因和自然地理特征導致了生物類型和生態(tài)環(huán)境的特殊性,其生態(tài)價值更加顯著,對其流域經(jīng)濟發(fā)展有重要影響[3〗。云南的高原湖泊是云南省極為寶貴的自然資源,由于獨特的自然條件、經(jīng)緯度地帶性規(guī)律,所以其具有豐富的生物多樣性。但是,高原太陽輻射強、日照時間長,致使湖泊蒸發(fā)量大、水量減小、流動性弱,最終導致水體抗污染能力差、生態(tài)敏感性增強[3〗。環(huán)境壓力的逐步增加,生態(tài)日益脆弱,使得高原湖泊流域的生態(tài)環(huán)境修復成為云南亟待解決的問題[3〗。

杞麓湖是云南九大高原湖泊之一,位于通?？h境內,是滇中經(jīng)濟區(qū)和玉溪市生態(tài)環(huán)境建設、社會經(jīng)濟及文化發(fā)展的重要依托和基礎[2]。該湖泊具有多種生態(tài)功能,但是,流域內人口的增加和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動加劇了可用水壓力,同時,“十二五”期間的連續(xù)干旱等加劇了流域內的生態(tài)安全風險,生態(tài)保護形勢嚴峻[4]。而且,杞麓湖是封閉型湖泊,沒有出湖河流,導致營養(yǎng)物質在湖泊中積累,增大了其治理難度[2]。農(nóng)業(yè)是杞麓湖流域的基礎產(chǎn)業(yè),流域蔬菜的種植面積達到了50%以上。通海縣的壩區(qū)蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展早、面積大,整個壩區(qū)1年基本上實施蔬菜連作,形成了玉溪市乃至云南省最大的蔬菜種植基地[5]。在杞麓湖流域內年蔬菜種植面積約為1.33萬hm2,每年產(chǎn)生的廢棄菜葉約為38萬t。蔬菜種植產(chǎn)業(yè)的施肥量、用藥量大,流失嚴重。農(nóng)業(yè)面源污染和村鎮(zhèn)生活污染對杞麓湖污染的“貢獻率”達到80%以上。該流域內農(nóng)業(yè)面源污染嚴重,入湖河流的水質污染嚴重,直接向湖中輸入大量污染物,污染物以有機污染、氮和磷污染為主[6]。

目前,杞麓湖是云南省九大高原湖泊中污染較為嚴重的4個湖泊之一[7]。自20世紀80年代以來,杞麓湖出現(xiàn)了富營養(yǎng)化,湖泊流域的社會、經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境受到制約[2]。由生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的2019年的《生態(tài)環(huán)境狀況公報》顯示,杞麓湖水質處于劣Ⅴ類。農(nóng)田中的氮、磷會隨著地表徑流進入水體,還會隨著水在土壤中淋溶,最終導致土壤質量降低、水體富營養(yǎng)化等農(nóng)業(yè)面源污染問題[8]。農(nóng)業(yè)面源污染占了入湖污染總量的85%以上,是杞麓湖的主要污染來源。2017年,杞麓湖流域農(nóng)作物單位面積的化肥施用量達516.69 kg/hm2,嚴重超出了國際公認的施肥生態(tài)安全上限(225 kg/hm2),也嚴重超出了全國平均施肥量(262 kg/hm2),導致了嚴重的農(nóng)業(yè)面源污染[9]。因此,要把整治農(nóng)業(yè)面源污染放在保護杞麓湖的首位[6]。

筆者選擇杞麓湖流域典型的蔬菜地塊和其鄰近的水體作為研究對象,研究了同一時期耕層土壤養(yǎng)分參數(shù)與水質參數(shù)各自的特征,以及它們之間的關系,并提出了有關土地利用和水體保護的合理建議,以期為杞麓湖流域的生態(tài)和經(jīng)濟建設提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

杞麓湖流域位于滇中地區(qū)通?？h(102°34′～102°52′E,24°6′～24°12′N),屬于亞熱帶半濕潤高原季風氣候區(qū)。盆地內早晚溫差大、四季溫差小、雨熱同季、干濕季分明,年平均降雨量為900 mm,年均氣溫為16 ℃,年日照時間為2274 h,降水主要集中于5～10月[10]。盆地內地勢由東北向西南逐漸升高,坡度為3°～10°,海拔為1796～1820 m,土壤類型為水稻土[11]。湖泊最高水位是1796 m,其水域面積是37.26 km2,容水量是1.676億m3[2],占通海水資源總量的1/2。流域總面積為354.94 hm2,總人口為24.09萬人,聚集著通?？h全縣93%的人口,灌溉9667 hm2的耕地[6]。區(qū)域內的主要作物為蔬菜、糧食、烤煙、油料和花卉。該流域是一個典型高原湖盆地,中部湖泊,湖周圍平壩區(qū)主要分布在湖泊的西北南三面。流域內地形復雜、溝壑縱橫,土質、降雨、氣溫、濕度等異質性強[4]。流域包括7個街道及鄉(xiāng)鎮(zhèn)，以及60個社區(qū)[12]。杞麓湖流域有紅旗河、者灣河、中河、大新河等14條入湖河流。其中,紅旗河、者灣河、中河、大新河是最主要的4條入湖河流,年均徑流量為5985萬m3,占流域年均徑流量的71%[6]。

1.2 樣品采集與分析

于2020年10月流域內農(nóng)田蒜苗采收后進行耕層土壤樣品和水樣的采集工作,在杞麓湖沿線共采集了10個土樣和對應同區(qū)域的10個水樣。每個土樣采集點采用棋盤法,采集深度為0～30 cm,共采集5個樣品；再采用四分法留取1 kg的土樣,同時記錄采樣點的經(jīng)緯度和海拔高度。將土壤樣品帶回實驗室后進行風干、剔除雜質等處理,研磨后分別過0.25 mm和2 mm孔徑的尼龍篩，最后進行相關指標的測定。采集0～50 cm深水體的水樣,同一地點采集5個水樣,放入盆中混合,再用聚乙烯瓶收集水樣500 mL,帶回實驗室于4 ℃冷藏,在48 h內完成水樣指標的測定。樣品采集點和采集點的具體信息見圖1和表1。

表1 采樣點概況

圖1 杞麓湖流域及采樣點示意圖

土壤pH值采用pH計測定;全氮(TNS)含量采用凱氏定氮儀測定;全磷(TPS)含量采用酸溶鉬銻抗比色法測定;有機質(SOM)含量采用重鉻酸鉀法測定;速效磷(APS)含量采用雙酸浸提比色法測定;有效氮(ANS)含量采用堿解擴散法測定[13]。水質總氮(TNW)含量測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法;總磷(TPW)含量測定采用鉬酸銨分光光度法;化學需氧量(CODCr)測定采用重鉻酸鉀法。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel和SPSS軟件對試驗數(shù)據(jù)進行整理分析。采取5級指標分級法[5]對土壤養(yǎng)分指標ANS、APS進行等級劃分。根據(jù)全國第二次土壤普查設定的標準,將土壤養(yǎng)分指標SOM、TNS、TPS劃分為6級[14-15],具體見表2。根據(jù)《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838─2002)將水體TNW、TPW、CODCr含量分為5級,見表3。

表2 土壤參數(shù)的分級標準

表3 水質指標的分級標準 mg/L

2 結果與分析

2.1 流域內土壤因子特征

土壤的pH值對于土壤中微量元素和養(yǎng)分的有效性具有重要的影響[16],因此,研究土壤養(yǎng)分首先要了解pH值狀況[15]。由表4可知,土壤pH值的變化范圍是6.5～8.3,平均值為7.72,整體處于中性狀態(tài)。變異系數(shù)能夠反映各樣本數(shù)據(jù)變量在空間上的離散程度[17]。土壤pH值的變異系數(shù)為6.9%,是土壤指標中變異最小的參數(shù)。

土壤SOM的含量直接影響耕地的質量和功能,同時也影響陸地碳庫的豐缺[18-19]。在本研究中,土壤SOM含量的變化范圍是9.07～126 g/kg,平均值為42.45 g/kg,變異系數(shù)為80.3%,為土壤指標中變異最大的參數(shù)。流域土壤SOM含量的均值為1級,極為豐富,但是變異系數(shù)的高值反映出流域內有機質的分布不均衡：較低SOM含量出現(xiàn)在杞麓湖東北部(4、5號采樣點),為中下水平,其中采樣點4甚至是缺的水平;其次是杞麓湖北部的采樣點(6、7號采樣點)，SOM含量表現(xiàn)為中上水平;較高SOM含量出現(xiàn)在湖體西部(8、9號采樣點),其中8號采樣點的SOM含量甚至高達126 g/kg。

N是植物生長必需的重要元素之一,土壤中的N在土壤肥力中起著極其重要的作用,而土壤的TNS含量是衡量土壤N供應能力的重要指標[20]。從表4可以看出：土壤TNS含量的變異范圍為0.67～5.71 g/kg,均值為2.47 g/kg,整體處于1級(極豐富)水平,然而其變異系數(shù)較大(62.7%),說明TNS分布極為不均,其較低值出現(xiàn)在杞麓湖東北部(4、5號采樣點),處于中下到缺的水平;較高值出現(xiàn)在西部(8、9號采樣點),顯著高于極豐富水平。ANS含量的均值為177.30 mg/kg,處于2級(豐富)水平；但其變異系數(shù)較大，為56.9%,變異范圍為65～401 mg/kg,其較高點和較低點的分布規(guī)律與TNS相似。

土壤磷化物是一種沉積性礦物,多以難溶性狀態(tài)存在,P的風化、富集、淋溶、遷移是由多種因素共同作用的,對植物生長具有重要影響[21]。表4中TPS的均值為2.44 g/kg,變異范圍為1.39～3.77 g/kg,變異系數(shù)為33.2%,變異程度較低。TPS的平均值總體處于1級,呈極豐富狀態(tài)；TPS的較高含量出現(xiàn)在杞麓湖北部和西部(6、7、9號采樣點),較低含量出現(xiàn)在東北部(4、5號采樣點)。APS含量的均值為98.72 mg/kg,變異范圍為48.0～154.3 mg/kg,變異系數(shù)為30.9%,變異程度較低。

表4 杞麓湖流域農(nóng)田土壤理化特征

2.2 杞麓湖的水質特征

水體富營養(yǎng)化是湖泊水質惡化的表現(xiàn)形式[2]。其中,水體的TNW、TPW、CODCr是評價水體是否富營養(yǎng)化的重要指標。表5顯示了杞麓湖水體的水質特征,其中TNW含量的平均值為7.21 mg/L,變異范圍為2.56～32.3 mg/L,變異系數(shù)為130.6%,變異程度相當高,所有水質取樣點的TNW含量均顯著高于地表劣Ⅴ類水標準,其中紅旗河(采樣點9)入湖口的TNW含量甚至達到了32.3 mg/L,超出劣Ⅴ類水水質TN標準20倍之多。六一龍?zhí)稖?采樣點1)的TNW含量也超出劣Ⅴ類水標準8倍。水體TPW含量的平均值為0.23 mg/L,整體處于劣Ⅴ類水水平,變異范圍為0.07～0.76 mg/L,變異系數(shù)為94.3%,變異程度高。湖泊東北部(采樣點4、5)的TPW含量較低,處于地表Ⅳ類水范圍。CODCr的平均值為39.53 mg/L,變異范圍為34.1～42.8 mg/L,變異系數(shù)為12.9%,變異程度較低,所有取樣點水質均為劣Ⅴ類。

表5 杞麓湖流域的水質參數(shù)特征 mg/L

2.3 土壤與水質參數(shù)間的相關性分析

土壤參數(shù)和水質參數(shù)間的相關性分析可以找到兩者間的內在聯(lián)系。表6顯示了對應的土壤和水質參數(shù)間的相關關系,在土壤因子間SOM與TNS、ANS呈極顯著正相關關系,TNS和ANS呈極顯著正相關關系。在水質因子間TNW和TPW呈極顯著正相關關系。在土壤因子和水質因子間，APS和TNW呈顯著正相關關系。

表6 土壤因子與水質參數(shù)間的相關系數(shù)

3 討論

3.1 杞麓湖流域耕層土壤的養(yǎng)分特征

了解一個區(qū)域土地利用方式下土壤的養(yǎng)分狀況,能夠為該區(qū)合理施肥、土壤養(yǎng)分管理、面源污染控制提供科學依據(jù)[15]。土壤SOM含量代表了土壤的碳儲量,是評價土壤養(yǎng)分供給能力和肥力的重要指標,在耕地質量、氣候變化、環(huán)境保護和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展方面有著至關重要的作用[14]。本研究發(fā)現(xiàn),杞麓湖東部和北部的耕層土壤SOM含量處于較低的水平,而西部和南部處于較高的水平。與全國第二次土壤普查結果比較,杞麓湖流域耕層SOM含量的平均值(42.45 g/kg)顯著高于全國平均水平(24.65 g/kg),接近SOM含量最高的省份黑龍江的平均水平(40.43 g/kg),顯著高于云南省的平均水平(35.37 g/kg)[14]。秦發(fā)侶等[11]對整個流域土壤的研究發(fā)現(xiàn),2008、2011、2013和2015年四年的杞麓湖盆地土壤SOM含量均由西南向中部再向東北部,呈現(xiàn)出低-高-低的分布,幾年間高值核心區(qū)的位置不變,但是范圍在擴大,這與本研究的結果相似。流域中耕層土壤N和P含量偏高主要是由施肥導致的。沐嬋等[5]研究發(fā)現(xiàn),通海壩區(qū)蔬菜田耕作層土壤的ANS含量在61～355 mg/kg,平均為170 mg/kg,其中2/3以上的土壤的ANS含量在150～355 mg/kg，其平均值與最低值與本研究的結果相近,但其最高值低于本研究的。在其他研究中,APS含量在40～627 mg/kg,平均值為112.0 mg/kg,均處于很高的水平[5]。本研究APS含量的最高值為154.3 mg/kg,遠低于以上研究結果,這可能是由采集時間及范圍不同導致的。

3.2 杞麓湖水體的富營養(yǎng)化特征

有研究表明,杞麓湖流域的污染存在空間分布不均的特點,在人口耕地集中的西部、南部和北部區(qū)域是流域主要的污染區(qū),其中,以西南部的湖濱農(nóng)業(yè)區(qū)的入湖污染負荷最高。杞麓湖水質常年保持在Ⅴ類和劣Ⅴ類間,水環(huán)境處于嚴重超負荷狀態(tài),超標物以氮化物為主,流域內高量(516.69 kg/hm2,20%折純)的化肥施用是造成N高污染的主要原因[12]。本研究也發(fā)現(xiàn),TNW和TPW含量在杞麓湖的東部水體較低,而在西部和北部水體較高,尤其是紅旗河入河口的TNW和TPW含量分別高達32.30和0.76 mg/L。王萬賓等[9]的研究結果表明,2016～2018年,紅旗河TNW含量、TPW含量和CODCr的平均值分別為11.82、0.61、32.14 mg/L,TNW、TPW含量均處于劣Ⅴ類水平,超標率分別是100.00%和63.89%。該研究中紅旗河TNW含量與本研究的差異較大,但均屬于劣Ⅴ類水范疇。此外,其他研究也表明,近幾年紅旗河等主要的入湖河道污染較嚴重,水質均為劣Ⅴ類[9]。2010～2019年,杞麓湖的主要入湖河流水質多為劣Ⅴ類,主要的超標污染因子為TNW、TPW、CODCr等[6]。杞麓湖水質處于中度～重度富營養(yǎng)化狀態(tài)[22]。而本研究發(fā)現(xiàn)杞麓湖東部的TPW含量達到了地表水Ⅳ類的水平。

3.3 水體參數(shù)與土壤因子間的相關性

在前人的研究中,土壤SOM含量與TPS、TNS含量為極顯著正相關關系,這表明土壤SOM的輸入與土壤N、P的來源密切相關[23]。另外,林圣玉[24]的研究表明,南方紅壤果園土壤SOM含量與TNS、TPS含量呈顯著正相關關系。朱永青等[15]研究發(fā)現(xiàn)TNS含量與SOM含量間的相關系數(shù)為0.858,說明土壤SOM和TNS的累積具有高度的同步性。本研究發(fā)現(xiàn)土壤SOM含量與TNS和ANS含量均呈極顯著正相關,這說明土壤SOM含量與施加N肥密不可分,N大部分以有機的形態(tài)存在,導致土壤SOM和TNS含量均屬于中等變異；而TNS含量與ANS含量也呈極顯著正相關關系,這表明土壤中高N含量導致了植物可利用態(tài)N含量的增加。朱永青等[15]的研究表明,太滆運河流域土壤pH值與TNS含量呈顯著負相關關系,土壤TNS含量與TPS和SOM含量均呈極顯著正相關關系。不同地區(qū)的土壤養(yǎng)分間的相關性有差異,這說明不同土壤類型間的養(yǎng)分供給關系和其內在聯(lián)系存在著機理上的不同。本研究還發(fā)現(xiàn)TNW含量與TPW含量呈極顯著正相關關系,這說明流域內進入水體的N、P污染存在著協(xié)同性。另有研究表明,各水質指標間無顯著的線性相關關系[23]。這可能與不同地區(qū)的水體污染類型和污染源供給方式不同有關。

4 結論

杞麓湖流域的耕層土壤養(yǎng)分含量存在著湖體東部和北部較低,而西面和南面較高的規(guī)律,其中土壤TNS、TPS、SOM含量這3個參數(shù)具有一致性的特征。流域內土壤TNS、TPS、SOM整體處于極豐富的狀態(tài),說明土壤中的養(yǎng)分含量已經(jīng)處于供大于求的狀態(tài)。為了提高蔬菜產(chǎn)量,仍然大量施用化肥和農(nóng)藥,勢必會導致農(nóng)業(yè)面源污染的持續(xù)發(fā)生,杞麓湖水體質量進一步惡化的嚴重后果。

鑒于此,我們認為,可以選擇生物量大、生長迅速的牧草,如黑麥草、菊苣、紫花苕等,將其與蔬菜及糧食作物輪作,起到活化并大量利用土壤中氮、磷的作用,使得土壤得到休養(yǎng)生息。同時,降低化肥的施用量,采取豆科牧草還田,或增加有機肥投入的措施,在經(jīng)過幾年的土壤改良后,再進行綠色蔬菜甚至有機蔬菜產(chǎn)業(yè)基地的打造。

要對紅旗河等高污染負荷的入湖河流實行截污處理,建造種植有水生植物的生態(tài)溝塘,使以前直接入湖的污染河流水體經(jīng)過溝塘,經(jīng)過初步凈化后再流入杞麓湖,可以大幅降低入湖的N、P含量。對杞麓湖本體也可采用生物浮床技術,選擇對NP吸收和吸附能力強的植物進行湖體原位修復。