退耕對滇池湖濱土壤理化性質與無機磷分布的影響

李建查, 張國盛, 倪振偉, 薛江雪

(1.云南大學 環境科學與生態修復研究所, 云南 昆明 650091; 2.云南省農業科學研究院熱區生態農業研究所, 云南 元謀 651300)

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退耕對滇池湖濱土壤理化性質與無機磷分布的影響

李建查1,2, 張國盛1, 倪振偉1, 薛江雪1

(1.云南大學 環境科學與生態修復研究所, 云南 昆明 650091; 2.云南省農業科學研究院熱區生態農業研究所, 云南 元謀 651300)

摘要：[目的] 明晰退耕對滇池湖濱土壤理化性質和土壤磷素形態分布的影響，進而評價退耕的土壤恢復效應和環境效應。 [方法] 采用空間代替時間的研究方法，對比研究滇池湖濱緩沖帶和設施農田剖面土壤理化性質以及無機磷剖面分布特征，并且以滇池湖濱3個區域(牛戀、海埂、興隆)相同退耕方式為對照進行研究。 [結果] 退耕3 a后，牛戀緩沖帶淺表地下水埋深明顯變淺，土壤有機碳和全氮含量明顯增加，土壤全磷，Olsen-P，Al-P和Fe-P含量均明顯降低，O-P含量明顯增加。但是淺表地下水埋深較深的海埂緩沖帶土壤理化性質和無機磷組分沒有發生明顯變化。興隆緩沖帶土壤有機碳和全氮含量明顯降低。3 a內退耕沒有直接對土壤理化性質和無機磷組分產生明顯影響，淺表地下水埋深改變是影響土壤恢復和無機磷組分變化的直接原因之一。 [結論] 滇池湖濱緩沖帶和設施農田土壤磷素均存在淋失風險，退耕活動通過抬高淺表地下水位加速土壤磷素淋失從而降低土壤潛在淋失風險。

關鍵詞：緩沖帶; 設施農田; 土壤理化性質; 土壤無機磷

滇池湖濱是滇中蔬菜、花卉的主產地之一。由于長期高強度施肥，而磷當季利用率僅有10%~25%，因此，大量磷就以各種化學形態的無機磷累積在土壤中，成為滇池水體污染負荷的重要來源之一。而緩沖帶的建設被認為是削減農田面源污染輸出的有效途徑，因此，自2009年滇池流域開展了“四退三還”治理工程，環湖100～200 m范圍內約2 000 hm2湖濱農田退耕并建設成緩沖帶，旨在實現土壤恢復和生物多樣性恢復，并削減農業面源污染輸出。緩沖帶主要通過吸附沉淀和植物吸收等途徑削減來自上游農田磷污染負荷。但是有研究表明，當土壤中所吸持的磷含量達到飽和或地下水埋深較淺時，淋溶損失成為土壤磷素向水體流失的重要途徑[1-3]。滇池湖濱土壤吸持大量磷素，淺表地下水埋深較淺，土壤磷素淋溶流失可能是滇池水體污染負荷的重要面源輸送途徑。然而研究土壤磷素形態及剖面分布對了解土壤磷素流失特征有重要的科學意義。土壤理化性質是土壤系統中極其重要的因子，對比研究緩沖帶和農田土壤理化性質，對于認識退耕過程土壤恢復有重要科學意義。因此，本研究采用空間代替時間的研究方法，對滇池南部湖濱農田與緩沖帶剖面土壤理化性質以及土壤磷素剖面分布特征對比研究，選擇滇池南部3個區域(牛戀、海埂、興隆)的相同退耕方式相互對照研究，以期揭示滇池湖濱退耕過程中土壤恢復狀況和土壤磷素分布特征，初步探討退耕過程中土壤磷素環境效應變化規律，為深入探討滇池湖濱退耕建設緩沖帶提供基礎數據支持。

1材料與方法

1.1　研究區概況

研究區位于昆明市滇池南部湖濱區(24°70′09″N,102°69′18″E),海拔1 892 m。當地氣候屬于大陸性季風季候，雨季集中在6—10月，年平均氣溫15 ℃。該區域土地利用方式主要是設施農田和退耕建設的緩沖帶。設施農田以大棚蔬菜和花卉種植為主；湖濱緩沖帶由2009年退耕的設施農田構成，以人工種植的柳樹(Salixbabylonica)和中山杉(Ascendensmucronatum)為建群種的植物群落為主。根據不同區域相同退耕方式(興隆，位于滇池南偏東部；海埂，位于滇池南部；牛戀，位于滇池南偏西部)及其土地利用方式，在研究區選擇6塊樣地:興隆緩沖帶(XL-B)、興隆農田(XL-F)、海埂緩沖帶(HG-B)、海埂農田(HG-F)、牛戀緩沖帶(NL-B)和牛戀農田(NL-F)。牛戀農田與緩沖帶有地表水的交換，NL-F排出的灌溉水排入排水溝儲存，再經過NL-B進入XL-F灌溉；海埂緩沖帶(HG-B)與其農田(HG-F)沒有地表水的交換；興隆緩沖帶(XL-B)與興隆農田(XL-F)也沒有地表水的交換。相同區域的不同土地利用方式的土壤為對照研究，不同區域的相同退耕方式相互對照。各樣地淺表地下水埋深如表1所示。牛戀緩沖帶淺表地下水埋深顯著較農田的低，海埂緩沖帶和興隆緩沖帶與其農田淺表地下水埋深均沒有明顯差異。

表1　各樣地淺表地下水埋深

注：不同上標小寫字母表示同一列數據間存在顯著差異(p<0.05),不同大寫字母表示同一行數據間存在顯著差異(p<0.05)。

1.2　樣品采集和處理

2012年3月對滇池湖濱區緩沖帶和農田均各布置5個土壤采樣點。每個土壤采樣點采取0—20，20—40，40—60，60—80，80—100 cm土層的土壤。土樣風干磨碎過2 mm土樣篩。

1.3　分析測定與統計方法

土壤有機碳采用重鉻酸鉀外加熱法測定；土壤密度采用比重瓶法測定；土壤機械組成采用比重計法測定；pH值采用水土比5∶1電極法測定；土壤全磷采用HClO4-H2SO4消煮；土壤有效磷(Olsen-P)采用0.5 mol/lNaHCO3提取；用鉬銻抗比色法測磷；土壤無機磷形態采用張守敬和Jackson的分組方法分析，先用1 mol/L NH4Cl提取水溶性磷，之后用0.5 mol/L NH4F提取Al-P,再用0.1 mol/L NaOH提取Fe-P,繼續用0.3 mol/L檸檬酸鈉和連二亞硫酸鈉提取O-P，最后用0.5 mol/L H2SO4提取Ca-P；用鉬銻抗比色法測定以上提取液中的磷。

數據分析采用SPSS 19.0統計軟件進行方差分析和LSD 0.05多重比較。

2結果與分析

2.1　土壤理化性質

滇池湖濱區緩沖帶和農田土壤剖面有機碳含量隨土壤深度增加而減少(圖1)，但是牛戀緩沖帶土壤剖面深處存在高有機碳含量土層，這可能與其早期埋藏層有關。緩沖帶與農田土壤有機碳含量對比分析結果顯示：興隆緩沖帶有機碳含量顯著低于其農田，這與該區農田施加有機肥以及緩沖帶進行放牧活動有關。雖然海埂緩沖帶人為活動減少，但是，由于地下水位埋深較深，植被覆蓋率恢復較低，土壤有機物分解作用強，導致緩沖帶有機碳含量略微高于其農田，但是差異不顯著。牛戀緩沖帶有機碳含量顯著高于其農田，是農田的2.9倍。李麗等研究表明，土壤淹水條件下能提高土壤有機碳含量[4]，并且只有牛戀緩沖帶淺表地下水埋深顯著低于其農田。這說明3 a內退耕沒有直接對土壤有機碳含量產生明顯影響，而是通過改變地下水埋深影響緩沖帶土壤有機碳含量。

如圖2所示，土壤全氮含量與土壤有機碳含量變化趨勢一致，并且土壤全氮與有機碳含量極顯著正相關(r=0.971**,n=35)。緩沖帶和農田土壤密度變化趨勢均與土壤有機碳含量變化趨勢相反，并且土壤密度與有機碳含量呈極顯著負相關關系(r=-0.746**,

n=35)。各緩沖帶與其農田土壤pH值介于6.2～7.2，差異均不顯著。滇池湖濱緩沖帶及農田土壤質地均為黏土。牛戀緩沖帶0—40 cm砂粒含量顯著高于其農田，粉粒含量顯著低于其農田，黏粒含量沒有顯著差異。海埂和興隆緩沖帶和農田土壤各粒級含量均無顯著差異。這與牛戀緩沖帶較細顆粒在水動力作用下向深層土壤遷移有關。

注：HL-B為牛戀緩沖帶，NL-F為牛戀農田，HG-B為海梗緩沖帶，HG-F為海梗農田，XL-B為興隆緩沖帶，XL-F為興降農田區。下同。

圖1不同土地利用方式土壤有機碳

圖2　不同土地利用方式土壤理化性質

研究表明3 a內退耕沒有對土壤質地產生明顯影響。有研究表明，土壤黏粒、有機碳和全氮是評價土壤恢復的有效指標[5]。這表明3 a內退耕沒有直接對土壤恢復產生效應，而淺表地下水埋深可能是影響滇池湖濱緩沖帶土壤恢復的重要因素之一。

2.2　土壤磷素分布

興隆農田、海埂農田、牛戀農田以及興隆緩沖帶各土層全磷含量差異不顯著，海埂緩沖帶土壤全磷富集在土壤表層，牛戀緩沖帶0—40 cm土層全磷含量顯著高于其他各土層(圖3)。說明滇池湖濱農田土壤全磷淋失嚴重，導致土壤剖面全磷含量差異不顯著[6]。這可能與農田大量施肥、頻繁耕作和灌溉等因素導致磷素強烈淋溶下移有關。雖然緩沖帶已經沒有施肥，但是興隆和海埂區緩沖帶土壤表層全磷含量與其對應農田均差異不顯著。

雖然牛戀湖濱緩沖帶土壤不再有磷肥施入，但是其0—40 cm土層全磷含量與農田土壤的差異不顯著，這與農田灌溉水經過緩沖帶表土輸入有關。牛戀緩沖帶40—100 cm土層土壤全磷含量顯著低于農田，比農田低23.7%，但是興隆和海埂緩沖帶土壤全磷含量與其對應農田差異均不顯著。說明地下水埋深是影響土壤剖面全磷含量的關鍵因素之一。這與漬水還原條件下，土壤磷素含量降低[7]的研究結果一致。

圖3　不同土地利用方式土壤磷素剖面分布

滇池湖濱土壤有效磷主要富集在土壤表層。對土壤表層Olsen-P含量分析結果顯示：興隆緩沖帶土壤表層Olsen-P含量顯著低于農田，比農田低80.4%，這與興隆農田土壤施有機肥提高土壤磷素有效性有關。雖然退耕3 a后，海埂農田正常進行施肥活動，而海埂緩沖帶土壤不再施磷肥，但是海埂緩沖帶土壤表層Olsen-P含量與農田含量差異不顯著。牛戀緩沖帶土壤表層Olsen-P含量顯著低于農田，比農田低35.6%，這是因為漬水還原條件下，土壤磷素有效性降低[8]，同時，牛戀農田土壤大量施磷肥，提高其土壤磷素有效性。對土壤剖面Olsen-P含量分析結果也呈現出一致的變化趨勢。說明施加有機肥以及改變淺表地下水埋深也是影響土壤磷素有效性的關鍵因素。興隆緩沖帶、海埂緩沖帶和牛戀緩沖帶表層土壤Olsen-P含量超出土壤磷素淋失“突變點”60 mg/kg[9-11]的樣點占總數的百分數分別為20%，40%，20%，而興隆農田、海埂農田和牛戀農田土壤達100%，40%，40%。興隆農田土壤磷素淋失強烈，這可能與興隆農田大量施加有機肥，增加土壤磷素淋失風險有關。興隆農田退耕3 a后土壤磷素潛在淋失風險明顯降低，海埂沒有明顯變化，牛戀有所降低。因為興隆農田退耕后，雖然淺表地下水埋深沒有明顯改變，但是其土壤有機碳含量明顯降低，導致土壤Olsen-P含量明顯降低；海埂農田退耕后，土壤有機碳含量沒有明顯變化，其淺表地下水埋深也沒有明顯改變；牛戀農田退耕后，雖然土壤有機碳含量顯著提高，但是由于退耕引起淺表下水埋深明顯變淺，土壤磷素淋溶流失，導致現存的土壤Olsen-P含量降低，并且其較淺地下水埋深對土壤磷素淋溶的影響強度超過土壤有機碳含量對土壤磷素淋溶的影響強度。說明滇池湖濱緩沖帶和農田土壤磷素均存在淋失風險，3 a內退耕活動沒有直接改變土壤磷素淋失風險，而是通過抬高地下水位加速土壤磷素淋失從而降低土壤潛在淋失風險。

滇池湖濱緩沖帶和農田土壤無機磷均以Ca-P為主，其含量占無機磷總量的56%～81%，O-P次之，Al-P和Fe-P含量最低，分別占無機磷總量的12%～24%，5%～10%和2%～10%，各無機磷組分不同程度地聚集在0—40 cm土層。對緩沖帶和農田0—40 cm土層的Fe-P對比分析表明，興隆緩沖帶和海埂緩沖帶土壤Fe-P含量與各自對應農田差異均不顯著，但是牛戀緩沖帶土壤Fe-P含量顯著低于其農田，比農田低80.5%。這說明淺表地下水埋深是影響土壤Fe-P含量的關鍵因素之一。這與漬水還原條件下，磷素會被還原釋放[12-13]的研究結果一致。Al-P含量對比分析結果與土壤Fe-P含量變化趨勢一致，這可能與二者在土壤中的存在方式較為相似有關。說明牛戀緩沖帶剖面土壤全磷損失的主要途徑是Fe-P和Al-P的淋溶損失。對緩沖帶和農田0—40 cm土層的O-P對比分析表明，興隆緩沖帶土壤O-P含量顯著低于其農田，比農田低42.5%。海埂緩沖帶土壤O-P含量高于其農田，但差異不顯著。牛戀緩沖帶土壤O-P含量顯著高于其農田，比農田高72.2%。滇池湖濱土壤O-P含量變化趨勢與土壤有機碳含量變化趨勢一致，研究還發現土壤有機碳含量與土壤O-P含量顯著正相關(r=0.491**，n=35)。說明土壤有機碳是影響土壤O-P的關鍵因素之一，這與楊麗娟等研究結果一致[14]。緩沖帶和農田剖面土壤Fe-P，Al-P，O-P含量也表現出類似的變化趨勢。對緩沖帶和農田0—40 cm土層Ca-P對比分析表明，海埂農田、興隆農田與其對應緩沖帶土壤Ca-P含量沒有明顯差異，牛戀緩沖帶0—40 cm土層Ca-P含量顯著高于農田，這與農田排灌水經過緩沖帶表土再一次輸入農田，導致緩沖帶截留其中的磷有關。剖面土壤Ca-P對比分析顯示，牛戀農田、海埂農田與緩沖帶土壤Ca-P含量沒有明顯差異，興隆緩沖帶Ca-P含量顯著低于農田，這與興隆農田土壤磷素強烈淋溶下移有關。3 a內退耕沒有直接對土壤無機磷組分產生顯著影響，而淺表地下水埋深可能是影響無機磷組分變化的重要因素之一。

2.3　土壤理化性質及土壤磷素之間相關性分析

相關性分析表明(表2)：除Fe-P外，其它各形態磷均與土壤有機碳和全氮含量呈現顯著或極顯著正相關關系，土壤有機碳影響土壤磷素形態變化,這與楊麗娟等研究結果一致[14]。土壤無機磷與土壤pH值負相關，土壤pH值影響土壤無機磷含量。土壤無機磷含量與土壤密度負相關，這與土壤密度受土壤有機碳含量影響有關。說明土壤有機碳含量、pH值和土壤密度對土壤磷素形態變化有影響。Olsen-P含量與土壤全磷、Al-P，Fe-P，O-P和Ca-P含量顯著或極顯著正相關性，Olsen-P含量與土壤Al-P，Fe-P和Ca-P的相關性均高于與土壤全磷的相關性，說明土壤磷素有效性主要受控于土壤無機磷，這與楊麗娟等研究結果一致[14]。

表2　土壤理化性質及土壤磷素之間相關性

注：**在0.01水平(雙側)上顯著相關； *在0.05水平(雙側)上顯著相關，N=35。

3結 論

退耕3 a后，牛戀緩沖帶淺表地下水埋深明顯變淺，其土壤有機碳和全氮含量明顯增高，土壤全磷、Olsen-P，Al-P和Fe-P含量明顯降低，而O-P含量增加。但是海埂緩沖帶和興隆緩沖帶淺表地下水埋深與其對應農田沒有顯著差異，其土壤理化性質和無機磷組分與其對應農田的沒有顯著差異。這表明3 a內退耕沒有直接對土壤恢復和無機磷組分產生效應，而淺表地下水埋深可能是直接影響土壤恢復和土壤磷素形態分布的重要因素之一。3 a內退耕通過抬高地下水位加速土壤磷素淋失從而降低土壤潛在淋失風險。土壤有機碳含量、土壤密度和pH值等緩沖帶土壤恢復有效指標對土壤磷素組分有顯著影響。因此，短期內，滇池湖濱建設應該通過控制其地下水埋深來權衡土壤恢復和土壤磷素淋失。

[參考文獻]

[1]單艷紅,楊林章,王建國.土壤磷素流失途徑、環境影響及對策[J].土壤,2004,36(6):602-608.

[2]Hesleth N, Brooks P C. Development of an indicator for risk of phosphorus leaching[J]. J. Environ Qual., 2000,29(1):105-110.

[3]Djodjic F, Borling K, Bergstrom L. Phosphorus leaching in relation to soil type and soil phosphorus content[J]. J. Environ. Qual., 2004,33(2):678-684.

[4]李麗,高俊琴,雷光春,等.若爾蓋不同地下水位泥炭濕地土壤有機碳和全氮分布規律[J].生態學雜志,2011,30(11):2445-2449.

[5]張平究,趙永強,孟向東,等.退耕還湖后安慶沿江濕地土壤理化性質變化[J].土壤通報,2011,42(6):1319-1323.

[6]邱亞群,甘國娟,劉偉,等.湖南典型土壤磷素剖面分布特征及其流失風險[J].中國農學通報,2012,28(8):223-227.

[7]向萬勝,童成立,吳金水,等.濕地農田土壤磷素的分布、形態與有效性及磷素循環[J].生態學報,2001,21(12):2067-2073.

[8]張楊珠,蔣有利,黃運湘,等.稻作制、有機肥和地下水位對紅壤性水稻土磷的吸持作用的影響[J].土壤學報,1998,35(3):328-336.

[9]Heckrath G, Brookes P C, Poulton P R, et al. Phosphorus leaching from soils containing different phosphorus concentrations in the broad balk experiment[J]. J. Environ. Qual., 1995,24(3):904-910.

[10]王彩絨,胡正義,楊林章,等.太湖典型地區蔬菜地土壤磷素淋失風險[J].環境科學學報,2005,25(1):76-80.

[11]呂家瓏,Fortune S, Brooks P C.土壤磷淋溶狀況及其Olsen磷“突變點”研究[J].農業環境科學學報,2003,22(2):142-146.

[12]何電源.潛育性和次生潛育化水稻土的形成及改良途徑的研究總結報告[J].農業現代化研究,1984(6):1-20.

[13]Edward M, Thomas W. Soil and Their Management: A Sino-European Perspective[M].London and New York: Elsevier Applied Science, 1999:321-338.

[14]楊麗娟,李天來,周崇峻.塑料農田內長期施肥對菜地土壤磷素組成及其含量影響[J].水土保持學報,2009,23(5):205-208.

Effect of Restoration on Soil Physicochemical Properties and Distribution of Soil Inorganic Phosphorus in Dianchi Lake Catchment

LI Jiancha1,2, ZHANG Guosheng1, NI Zhenwei1, XUE Jiangxue1

(1.InstituteofEnvironmentalSciencesandEcologicalRestoration,YunnanUniversity,Kunming,Yunnan650091,China; 2.HotRegionEco-agricultureResearchInstitute,YunnanAcademyofAgriculturalSciences,Yuanmou,Yunnan651300,China)

Abstract：[Objective] In order to clarify the effect of restoration on soil physicochemical properties and distribution of soil inorganic phosphorus at Dianchi lake catchment, to assess the effects of restoration on soil recover and environment. [Methods] The way of space-time substitution was used. Soil physicochemical properties and phosphorus fractions were compared between vegetable field and riparian buffer in soil profile at Dianchi lake catchment. Three areas with similar restoration type were used to compare with each other in the Dianchi riparian. [Results] After the 3 years since restored from field, shallow groundwater level was shallower in Niulian buffer than in Niulian field. The content of soil organic carbon and nitrogen were more in Niulian buffer than in Niulian field, the content of total phosphorus, Olsen-P, Al-P and Fe-P were less in Niulian buffer than in Niulian field, the content of O-P was more in Niulian buffer than in Niulian field. The shallow groundwater level in Haigeng buffer was similar to shallow groundwater level in Haigeng field, but compared with Haigeng field, soil physicochemical properties and soil inorganic phosphorus fractions had no significant change in Haigeng buffer. Compared with Xinglong field, content of soil organic carbon and nitrogen decreased significantly in Xinglong buffer. The restoration had no significant effect on soil restoration and soil inorganic phosphorus fractions directly in 3 years. But changing shallow groundwater level had a significant effect on soil physicochemical properties and distribution of soil inorganic phosphorus directly in 3 years. [Conclusion] Buffer and vegetable field had risk of phosphorus leaching loss in the Dianchi riparian. Restoration enhanced the speed of phosphorus leaching and reduced potential leaching risk through raising shallow groundwater level.

Keywords:buffer; vegetable field; soil physicochemical properties; soil inorganic phosphorus

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)03-0095-06

中圖分類號：S153.6+1， S151.9+3

通信作者：張國盛(1971—),男(漢族),甘肅省隴南市人,博士，副教授,主要從事土壤生態和水土資源保護研究。E-mail:gshzhang@ynu.edu.cn。

收稿日期：2014-04-04修回日期：2014-04-20

資助項目：國家自然科學資助項目“以本地及外來植物為優勢種的植物群落對滇中土壤質量影響的比較研究”(31060085); 國家科技重大專項“滇池流域萬畝農田面源污染綜合控制技術與工程示范”(2012 ZX07102-003-01)

第一作者：李建查(1988—),女(彝族),云南省宣威市人,碩士研究生,主要研究方向為污染生態學。E-mail:921271713@qq.cm。