會(huì)仙濕地小流域土壤養(yǎng)分時(shí)空分布特征

韓 俊 磊，代 俊 峰，謝 曉 琳

(1.桂林理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004； 2.廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004； 3.桂林理工大學(xué) 巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西 桂林 541004)

0 引 言

隨著點(diǎn)源污染治理水平的提高，面源污染日益引起了人們的重視，其中農(nóng)業(yè)面源污染是最主要的面源污染[1-2]。大量研究表明，土壤N、P元素的積累是導(dǎo)致農(nóng)業(yè)面源污染的主要原因[3-5]，因此探究土壤氮磷含量的時(shí)空分布特征是控制農(nóng)業(yè)面源污染的關(guān)鍵。對(duì)于流域內(nèi)的小流域或局部區(qū)域而言，土壤中富集的氮磷在降雨徑流和灌溉排水作用下，進(jìn)入地表、地下水體加劇了水體污染。土壤養(yǎng)分的含量受土壤本身的物理化學(xué)性質(zhì)、地形、氣候、人類活動(dòng)等因子的多重影響[6-9]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)小流域土壤養(yǎng)分的研究，主要關(guān)注土壤養(yǎng)分的空間分布[10-13]，關(guān)于土壤養(yǎng)分在耕地-消落帶-河流沉積物方向上的變化研究較少，三者間的養(yǎng)分分布規(guī)律以及之間的關(guān)系尚不清晰。

會(huì)仙濕地作為漓江流域最大的巖溶地貌原生態(tài)濕地，被譽(yù)為“漓江之腎”，是熱帶、亞熱帶巖溶地貌中最具研究?jī)r(jià)值的典型濕地，也是主要的生態(tài)脆弱帶。而由于巖溶發(fā)育地區(qū)土壤養(yǎng)分水平較低，施用N、P肥增產(chǎn)效果明顯，但不合理施肥會(huì)導(dǎo)致N、P及有機(jī)質(zhì)流失造成水體富營(yíng)養(yǎng)化，因此有必要對(duì)會(huì)仙濕地小流域的土壤養(yǎng)分進(jìn)行研究。學(xué)者們已分析了會(huì)仙濕地的土壤養(yǎng)分和微生物群落特征[14-19]，但對(duì)會(huì)仙濕地土壤養(yǎng)分的空間變化研究較少。本文研究會(huì)仙濕地小流域河道沉積物-消落帶-耕地的土壤養(yǎng)分時(shí)空分布格局及其變化特征，為會(huì)仙濕地農(nóng)業(yè)面源污染控制和肥料管理提供參考。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

選取漓江流域會(huì)仙巖溶濕地作為研究小流域。會(huì)仙巖溶濕地位于桂林市峰林平原與峰叢洼(谷)地的過(guò)渡地段、漓江流域與柳江流域的分水嶺地段，區(qū)域面積為376.42 km2，地理坐標(biāo)為東經(jīng)110°09′50″～110°14′30″，北緯25°05′20″～25°06′45″，海拔介于150～160 m之間，區(qū)域內(nèi)河流以會(huì)仙河、睦洞河、相思江為主，受特殊的地形制約，分別位于會(huì)仙濕地南北兩端的睦洞河與會(huì)仙河(見(jiàn)圖1)，向濕地中心低洼的峰林平原匯集后，通過(guò)西部的相思江流出濕地[20]。該濕地屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均氣溫19.5 ℃，年均降水量為1 835.8 mm。該區(qū)域土壤主要為紅黃壤、沼澤土、水稻土等，其中水稻土母質(zhì)為紅黃壤和沼澤土[21]。

圖1 研究區(qū)域水系和采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of water systems and sampling sites in the study area

1.2 樣品采集

通過(guò)實(shí)地調(diào)查和水系分析，選取會(huì)仙巖溶濕地比較閉合的小流域，結(jié)合小流域河流流向、土地利用類型等實(shí)際情況，在研究區(qū)內(nèi)根據(jù)每條河流的上、中、下游選取9個(gè)代表性采樣點(diǎn)，研究區(qū)域水系分布、土地利用和采樣點(diǎn)如圖1所示，同時(shí)利用GPS記錄采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度并記錄采樣點(diǎn)周邊環(huán)境信息(見(jiàn)表1)。于2018年7月至2020年11月每個(gè)季度進(jìn)行采樣，其中耕地土壤及消落帶土壤，在每塊樣地按照對(duì)角線原則選擇3個(gè)采樣點(diǎn)，用洛陽(yáng)鏟采集表層土壤(0～10 cm)并進(jìn)行混合，河道沉積物用柱狀采泥器進(jìn)行采集，每個(gè)采樣斷面設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn)并采集0～10 cm的沉積物，最后將各點(diǎn)沉積物進(jìn)行混合，所有土壤樣品都裝入自封袋中。將采集的樣品放置在陰涼處自然風(fēng)干，去除樣品中的礫石、動(dòng)植物殘?bào)w。風(fēng)干后的樣品研磨過(guò)100目篩，保存待測(cè)。

表1 采樣點(diǎn)基本情況

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

土壤各檢測(cè)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)使用Excel 2016進(jìn)行處理，并用Origin 2017進(jìn)行繪圖，利用IBM SPSS statistics 22對(duì)研究區(qū)土壤氮磷含量進(jìn)行經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)分析和檢驗(yàn)，具體對(duì)滿足正態(tài)性分布的數(shù)據(jù)采用單因素方差分析，其模型可表述為

(1)

式中：Xij為因素A在第i個(gè)水平下的第j次反應(yīng)變量；μ為總和均值；ai表示因素A在i水平下的效應(yīng)；εij為試驗(yàn)的隨機(jī)誤差；ni為進(jìn)行了ni次獨(dú)立試驗(yàn)。

對(duì)不滿足正態(tài)性分布的數(shù)據(jù)采用曼-惠特尼U檢驗(yàn)，其模型可表述為

(2)

式中：R1為樣本1各項(xiàng)等級(jí)和；R2為樣本2各項(xiàng)等級(jí)和；n，m分別為樣本的項(xiàng)數(shù)。最終通過(guò)z值判斷數(shù)據(jù)之間是否存在差異性。

對(duì)河道沉積物、消落帶、耕地三者的有機(jī)質(zhì)、氮、磷等指標(biāo)使用被廣泛用于度量變量之間相關(guān)程度的皮爾遜相關(guān)系數(shù)進(jìn)行分析，相關(guān)系數(shù)表達(dá)式為

(3)

應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)分析中的反距離權(quán)重法在ArcGIS軟件中對(duì)沉積物各指標(biāo)進(jìn)行可視化處理。反距離權(quán)重法的公式為

(4)

式中：z0為預(yù)測(cè)值；zi為第i個(gè)實(shí)測(cè)值；di為預(yù)測(cè)點(diǎn)與已知點(diǎn)的距離；s為周圍樣點(diǎn)的數(shù)量；k為距離的冪。預(yù)測(cè)值大小都介于已知的最大、最小值之間。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同區(qū)域的土壤養(yǎng)分特征

根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查技術(shù)規(guī)程規(guī)定的養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表2)，會(huì)仙濕地的SOM(30.76～35.75 g/kg)屬于較豐富級(jí)別，TN(1.74～2.16 g/kg)屬于豐富和較豐富水平，TP(0.87～1.10 g/kg)屬于缺的范圍。

表2 土壤養(yǎng)分含量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表3 沉積物、消落帶、耕地養(yǎng)分指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2 土壤養(yǎng)分隨季節(jié)變化特征

受水熱條件、植物生長(zhǎng)變化等影響，土壤養(yǎng)分含量會(huì)出現(xiàn)一定的季節(jié)性變化[22-24]。如圖2所示，河道沉積物、消落帶土壤、耕地土壤的TN、SOM和NO3--N含量在不同季節(jié)間存在顯著差異。

注：不同的小寫字母表示河道沉積物、消落帶、耕地不同季節(jié)之間的差異顯著性(p<0.05)。

河道沉積物與消落帶土壤中SOM含量季節(jié)性差異較為明顯，其中河道沉積物SOM含量表現(xiàn)為春季最高，秋季最低，有研究表明沉積物SOM來(lái)源受陸源輸入影響較大[25-26]，沉積物SOM的季節(jié)性變化可能是由于春季農(nóng)業(yè)活動(dòng)劇烈，人工施肥導(dǎo)致河道沉積物SOM來(lái)源增加。而在秋季研究區(qū)降雨量大，降雨的增多增加了河流流量，在水流作用下河道沉積物顆粒更易再次懸浮，導(dǎo)致SOM含量輸出較大，同時(shí)農(nóng)業(yè)活動(dòng)結(jié)束導(dǎo)致陸源輸入的SOM減少，最終造成SOM含量秋季最低的結(jié)果。消落帶土壤中SOM含量表現(xiàn)為夏季最低，冬季最高，這是由于夏季消落帶植物生長(zhǎng)旺盛，對(duì)土壤養(yǎng)分吸收較多，而且降雨導(dǎo)致消落帶土壤SOM流失較為嚴(yán)重，降雨導(dǎo)致河流水位上升(見(jiàn)圖3)，消落帶出現(xiàn)間歇的淹沒(méi)，土壤與水體直接接觸，養(yǎng)分向水體釋放，SOM含量下降；而在冬季消落帶植物大量凋萎，養(yǎng)分重新回到土壤，SOM含量增加。

圖3 各采樣點(diǎn)水位變化Fig.3 Water level changes of sampling points

比較相同季節(jié)不同年份的土壤養(yǎng)分含量變化，沉積物中TP含量在2019年春到2020年春有顯著降低趨勢(shì)(曼-惠特尼U檢驗(yàn)，下同，p<0.05，見(jiàn)圖4)，NH4+-N含量在2019年春到2020年春和2018年冬到2020年冬均顯著降低。耕地土壤中NH4+-N含量在2018年冬季到2020年冬季顯著下降，NO3--N含量顯著上升，其他養(yǎng)分含量不同年份之間均無(wú)顯著性差異(p>0.05)。

注：不同的小寫字母表示相同季節(jié)不同年份的差異顯著性(p<0.05)；箱體上下邊界分別代表75%分位數(shù)和25%分位數(shù)，箱體的延伸線代表1.5IQR范圍，中位數(shù)在箱體內(nèi)用一條橫線表示，·表示平均數(shù)，下同。

2.3 不同河流河道沉積物(土壤)養(yǎng)分變化

各河流河道沉積物上游至下游養(yǎng)分含量分布特征見(jiàn)圖5，除pH外，會(huì)仙河與相思江土壤養(yǎng)分含量沿程變化都大致呈現(xiàn)“V”字形趨勢(shì)，該變化趨勢(shì)與采樣點(diǎn)位置距離鄉(xiāng)鎮(zhèn)遠(yuǎn)近、河道河床變化有密切聯(lián)系。相思江X1點(diǎn)有上游工業(yè)區(qū)、魚塘、養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生的廢水匯入，故養(yǎng)分含量較高，而X3點(diǎn)河道突然變窄，水流較快，泥沙不易堆積，X4點(diǎn)雖距離X3點(diǎn)較近，卻由于靠近江頭村且有會(huì)仙河匯入，故X4河道沉積物養(yǎng)分再次升高。會(huì)仙河H1點(diǎn)靠近會(huì)仙鎮(zhèn)且附近村莊多，河道較寬，水流慢，多方面影響下，H1點(diǎn)河道沉積物相對(duì)河流其他采樣點(diǎn)養(yǎng)分偏高，H2點(diǎn)進(jìn)入了會(huì)仙濕地，受人類活動(dòng)的影響減少，沉積物中養(yǎng)分有所降低，H5點(diǎn)河底與河岸高程較大，河水與消落帶土壤接觸面積大，使得河道沉積物養(yǎng)分沿程有所增加。而睦洞河卻大致呈倒“V”字形，M2點(diǎn)沉積物養(yǎng)分相對(duì)M1、M3點(diǎn)偏高，這是由于M2點(diǎn)位于睦洞河河段形態(tài)多變段且沿途攔河矮壩較多，河水流速緩慢，泥沙相對(duì)容易堆積，N、P養(yǎng)分在此段聚集造成沉積物養(yǎng)分含量偏高，另外睦洞河下游耕地面積大幅度減少，林地、草地面積增加[31]，減少了養(yǎng)分的輸入，導(dǎo)致M3點(diǎn)的沉積物養(yǎng)分含量偏低。

圖5 河道沉積物養(yǎng)分含量變化Fig.5 Changes in nutrient content of river sediments

圖6 河道沉積物養(yǎng)分空間分布Fig.6 Spatial distribution of soil nutrient content

2.4 沉積物-消落帶-耕地土壤養(yǎng)分變化

圖7 土壤養(yǎng)分含量(河道沉積物-消落帶-耕地)變化Fig.7 Changes of soil nutrient content (Sediment-Water-level-fluctuating zone-Farmland)

其中河道沉積物、消落帶土壤、耕地土壤的SOM含量都與TN顯著正相關(guān)，Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.823，0.965，0.766(p<0.01)，這種情況可能與土壤中的有機(jī)質(zhì)主要來(lái)源于植物枯落物以及動(dòng)物殘骸，土壤中有機(jī)質(zhì)的累計(jì)與分解對(duì)N含量具有重要的影響；而耕地土壤pH與SOM含量呈負(fù)相關(guān)(Pearson相關(guān)系數(shù)為-0.425，p=0.024)。該結(jié)果與戴萬(wàn)宏等[33]關(guān)于土壤有機(jī)質(zhì)含量與酸堿度關(guān)系的研究結(jié)果相同，即隨著土壤pH的升高，有機(jī)質(zhì)含量明顯降低。

表4 土壤養(yǎng)分變化比例

3 結(jié) 論

(1) 漓江流域會(huì)仙濕地小流域的土壤中TN和SOM含量總體上處于較高水平，隨降雨灌溉容易流失，進(jìn)而引發(fā)水體富營(yíng)養(yǎng)化，存在較高的水環(huán)境釋放風(fēng)險(xiǎn)。

(2) 會(huì)仙濕地小流域沉積物、消落帶、耕地養(yǎng)分含量均有一定的季節(jié)性變化，受年份影響較?。怀练e物養(yǎng)分含量變化受施肥和河流流量影響；而消落帶由于地處河流與耕地的過(guò)渡地帶，且受降雨和作物成長(zhǎng)的影響較大，其養(yǎng)分含量變化隨季節(jié)變化幅度明顯；耕地土壤受人類活動(dòng)和N、P素養(yǎng)分自身特點(diǎn)影響(P在土壤中移動(dòng)性較小，N受微生物和植物的影響較大)，N素隨季節(jié)變化較明顯。

(3) 河道沉積物養(yǎng)分含量與其距離鄉(xiāng)鎮(zhèn)等人口密集區(qū)遠(yuǎn)近和河道河床變化有密切關(guān)系，最終導(dǎo)致不同河流呈現(xiàn)的變化趨勢(shì)不同。用ArcGIS對(duì)沉積物養(yǎng)分進(jìn)行反距離權(quán)重插值，也發(fā)現(xiàn)土壤養(yǎng)分在研究區(qū)東南角居民居住相對(duì)集中的鄉(xiāng)鎮(zhèn)偏低，而在中上部的農(nóng)業(yè)種植區(qū)域(會(huì)仙濕地核心地區(qū))較高。

致 謝

本研究的野外采樣和室內(nèi)分析受廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科教結(jié)合科技創(chuàng)新基地和南方石山地區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境修復(fù)工程技術(shù)創(chuàng)新中心的支持。