洱海緩沖帶土壤特性的空間分布

張聞濤, 邢 奕, 盧少勇, 趙 斌, 薛 巍

(1.北京科技大學 土木與環境工程學院, 北京 100083;

2.中國環境科學研究院 環境基準與風險評估國家重點實驗室 國家環境保護湖泊污染

控制重點實驗室 湖泊環境研究中心 洞庭湖生態觀測研究站 湖泊工程技術中心, 北京 100012)

洱海緩沖帶土壤特性的空間分布

張聞濤1, 邢 奕1, 盧少勇2, 趙 斌2, 薛 巍2

(1.北京科技大學 土木與環境工程學院, 北京 100083;

2.中國環境科學研究院 環境基準與風險評估國家重點實驗室 國家環境保護湖泊污染

控制重點實驗室 湖泊環境研究中心 洞庭湖生態觀測研究站 湖泊工程技術中心, 北京 100012)

摘要：[目的] 了解洱海緩沖帶內土壤特性空間分布狀況，進而為緩沖帶面源污染治理、精細農業與植被布局等提供參考。[方法] 采集80個緩沖帶表層土壤樣品，測定其含水率、有機質、全磷、全氮、氨氮和硝氮的含量，并應用傳統統計學和地統計學方法對數據進行分析。[結果] (1) 土壤中含水率、有機質、全磷、全氮、氨氮和硝氮各項統計特性均通過K—S檢驗，呈正態分布； (2) 洱海緩沖帶土壤中養分水平較高；氨氮和硝氮的變異系數大于100%，屬強變異性； (3) 有機質南部略低，東西向呈東西高，中部低，全氮、全磷南北向呈南北低，中部高，東西向變化不大； (4) 有機質表現出強烈的空間相關性，而全氮和全磷空間相關性弱。[結論] 緩沖帶農田格局和遷移轉化是影響土壤特性空間分布的兩個重要因素。

關鍵詞：洱海; 土壤; 有機質; 氮; 磷

土壤并非均質體，而是時空連續的變異體，同一時刻的土壤特性在不同的空間位置上具明顯差異。在不同尺度等級上，土壤空間異質性均存在[1-3]。國內外學者自20世紀60年代提出土壤性質的空間變異性以來，對土壤養分的空間變異與分布做了大量研究，Kriging內插、Cokriging內插、Punctual Kriging內插等技術得到較好的應用[4-7]。從湖泊最低水位往陸域，湖濱緩沖帶依次分為湖濱帶(湖泊最低水位和最高水位之間的區域)，緩沖帶內圈、緩沖帶中圈和緩沖帶外圈。湖濱緩沖帶是湖泊的重要生態屏障，緩沖帶是流域入湖污染負荷的重要削減區域。現有的湖泊流域的緩沖帶均存在一定的不合理性，主要來自人類自古以來臨水而居的習慣，也與之前的科技與經濟水平欠發達有關，很多村落、養殖和重污染高產農田均距湖很近。緩沖帶的空間結構，緩沖帶內、中、外圈如何布設更合理，現狀不合理的布局如何進行污染控制和生態化完善等問題都依賴于對土壤特性的了解，需要明晰目前緩沖帶內土壤污染狀況。湖泊湖濱緩沖帶土壤性質空間變異的研究主要集中在不同環境因子(如：不同植被類型、地貌特征、濕度和氣溫等)對土壤特性空間分布的影響。王秋光和董思遠等[8-9]研究表明，太湖不同植被類型對不同土壤特定影響大小有別；翟紅娟等[10]報道了異龍湖湖濱帶土壤在不同環境梯度下養分的空間變異性，表明不同環境因子對土壤特性影響較大。本研究運用傳統描述統計、地統計學和GIS相結合的方法，以洱海緩沖帶為研究對象，分析緩沖帶內土壤特性空間分布，結果將為緩沖帶面源污染治理、精細農業與植被布局以及為類似區域的相關研究的開展提供參考。

1材料與方法

1.1　研究區概況

洱海流域位于云南省大理白族自治州境內，是云南省第二大高原淡水湖泊，地理坐標為東經100°05′—100°17′，北緯25°36′—25°58′之間。流域面積2 565 km2，全年日照時數平均為2 250～2 480 h，占可照時數的47%～56%，年平均氣溫15 ℃，相對濕度63.1%。風向為西南向，平均風速2.4 m/s[11-13]。土壤類型有紅壤、紫色土、棕壤、暗棕壤、水稻土、石灰巖土、亞高山草甸土等。洱海緩沖帶全線長度共128 km，總面積約94 km2。北岸、西岸的湖岸較緩，緩沖帶較寬，東岸的湖岸較陡，緩沖帶較窄。緩沖帶內農業區土地主要種植類型有水稻、大蒜、玉米和蔬菜等[14-15]，緩沖帶內及緩沖帶上游不遠處的養殖強度比較高。

1.2　樣品采集與分析

于2013年7月在洱海緩沖帶內布設采樣點(圖1)，用GPS記錄點位信息，采集表層土壤樣品(土壤層為0—20 cm)。采樣時，以采樣點為中心，在半徑100 m范圍內隨機采集2～3個樣，然后將其等量均勻作為一個土壤樣，共采集80個土壤樣品。將所采集樣品去除枯枝等異物，部分樣品(約5 g)采用稱量法測含水率，采用靛酚藍比色法測氨氮，紫外分光光度法測硝氮[16]。其余樣品經風干、研磨及過篩后，采用重鉻酸鉀容量法測有機質，采用凱氏定氮法測全氮[17]，采用酸溶—鉬銻抗比色法測全磷。

注：1.永安江； 2.彌苴河； 3.羅時江； 4.霞移溪； 5.萬花溪； 6.陽溪； 7.茫涌溪； 8.錦溪； 9.靈泉溪； 10.白石溪； 11.雙鴛溪； 12.隱仙溪； 13.梅溪； 14.桃溪； 15.中和溪； 16.白鶴溪； 17.龍溪； 18.清碧溪； 19.莫殘系； 20.葶冥溪； 21.陽南溪； 22.波羅江。

圖1洱海土壤采樣點分布圖

1.3　數據處理與分析

土壤樣點信息空間變異性的各項統計特征值(均值、標準差、峰度、偏度和變異系數等)用SPSS 13.0軟件分析，土壤特性空間插值相關參數用ArcGIS 9.2軟件地統計學模塊計算。

由于特異值的存在會造成變量連續表面的中斷，使試驗半方差函數發生畸變，甚至會掩蓋變量固有的空間結構特征，故采用域法識別特異值[18]，在區間ā±3s(ā為樣本平均值，s為標準差)以外的數據定為特異值，用正常最大值和最小值代替特異值。

2結果與討論

2.1　土壤特性的描述性統計

由表1可見，含水率變化范圍為0.22%～38.02%，有機質、全氮、全磷、氨氮和硝氮含量變化范圍分別為0.91～83.2 g/kg，0.35～4.75 g/kg，0.17～2.36 g/kg，0.15～47.13 mg/kg和1.88～195.28 mg/kg。土壤各指標的變異系數從小到大依次為：全磷<全氮<有機質<含水率<硝氮<氨氮。全氮和全磷的變異系數相對較低，說明緩沖帶內農田施肥水平差別不大。含水率、有機質、全氮和全磷變異系數在10%～100%間，具中等變異性。氨氮和硝氮變異系數均大于100%，具強變異性，與昆明地區柴河流域土壤氮的統計結果類似[19]。從變異系數強度看，在土壤特性指標滿足相同精度的要求下，在同一區域氨氮和硝氮的采樣密度，應該高于土壤含水率、有機質、全氮和全磷。

Kolmogorov—Smirnov法是檢驗樣本(n>50)正態性的，K—S值越小其正態性越顯著[20]。經單樣本K—S檢驗，置信度為95%。土壤含水率、有機質、全氮、全磷、氨氮和硝氮均符合正態分布要求。按平均值看，根據全國第二次土壤普查養分分級標準(表2)，洱海緩沖帶土壤的有機質處于三級標準，全氮處于二級標準，全磷處于一級標準，總體來看，養分水平較高，

表1　土壤特性的基本統計特征(樣本數為80)

表2　全國第二次土壤普查養分分級標準　g/kg

2.2　土壤特性的趨勢分析

對研究區的土壤特性描述只能概括全貌，不能反映局部的變化特征。運用ArcGIS 9.2軟件的地統計學模塊，可獲得土壤特性趨勢特征參數及異向性分布特征參數。

分析結果表明，含水率南北向呈南北低，中部高的規律，東西向呈東西低，中部高的規律；有機質南部略低，東西向呈東西高，中部低。全氮南北向呈南北低，中部高的規律，東西向變化不大；全磷變化規律與全氮相似；氨氮從北向南呈降低趨勢，東西向呈東西高，中部低的規律；硝氮從北向南變化不明顯，從東向西有升高趨勢。

2.3　土壤特性的空間變異結構和空間分布格局

根據洱海緩沖帶內各個樣點的試驗數據，計算出各個特性的實際半方差函數值，選擇合適的多個模型擬合。根據平均預測誤差(mean error)越接近“0”越好，預測誤差的均方根(root-mean-square)和平均預測標準差(average standard error)越小越好，平均標準差(root-mean-square standardized)越接近“1”越好的原則，選擇最佳擬合模型。

土壤特性的空間相關性的強弱可根據塊金值與基臺值之比C0/(C0+C)來劃分，若比值<25%，說明系統具強烈的空間相關性，25%～75%間，表明系統具中等空間相關性，比值>75%，說明空間相關性弱[21]。由表3可見，洱海緩沖帶土壤有機質有強烈的空間相關性，其性質主要受內在因子(土母質、氣候、土壤類型等)的影響。而全氮和全磷空間相關性弱，其受隨機因素如施肥、耕作措施等的影響較大。

表3　土壤特性理論半方差模型及其擬合參數

Kriging法適合研究空間分布上既有隨機性又有結構性，或空間相關性和依賴性的自然現象。因此根據計算得到的半方差理論模型，用Kriging法進行最優內插，獲得洱海緩沖帶內土壤特征空間分布圖(附圖5—6)。從附圖5—6可見，全氮和全磷含量西部和北部較高，與洱海流域的農田分布有關。洱海緩沖帶內西部農田占緩沖帶內農田總面積的61%，北部農田占緩沖帶內農田總面積的14%，主要種植水稻、豆類、麥類和大蒜等[22-23]，大量施用氮、磷，施肥量較高[24-25]。氨氮含量在緩沖帶外圈較大，內圈相對較低，而硝氮的變化規律恰好相反，這與兩方面因素有關：一方面，外圈的污染負荷高，主要來自種植、生活和養殖，而在內圈，污染負荷低；另一方面，從外圈到內圈的遷移過程中，氨氮被氧化成硝氮也是重要原因。

3結 論

(1) 通過對洱海緩沖帶土壤特性的描述性統計分析可見，各項統計特征均能通過K—S檢驗，為正態分布。其中，氨氮和硝氮的具強變異性。總體上，洱海緩沖帶土壤養分水平較高，這與洱海流域農業活動(養殖和種植)強及土壤本底有關。

(2) 洱海緩沖帶土壤特性的趨勢性分析表明，有機質南部略低，東西向呈東西高，中部低，全氮、全磷南北向呈南北低，中部高，東西向的變化不大。

(3) 洱海緩沖帶土壤的有機質的空間相關性強烈，而全氮和全磷空間相關性弱。受農田格局影響，全氮和全磷含量西部和北部較南部的高。氨氮含量在緩沖帶外圈較高，內圈相對較低，而硝氮的變化規律相反，是受遷移轉化影響的結果。

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Spatial Variability of Soil Properties in Erhai Lake Buffer Belt

ZHANG Wentao1, XING Yi1, LU Shaoyong2, ZHAO Bin2, XUE Wei2

(1.SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China; 2.StateKeyLaboratoryofEynvironmentalCriteriaandRiskAssessment,StateEnvironmentalProtectionKeyLaboratoryforLakePollutionControl,ResearchCentreofLakeEnvironment,StateEnvironmentalProtectionScientificObservationandResearchStationforLakeDongtinghu(SEPSORSLD),

EngineeringandTechnologyCentreofLake,ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing100012,China)

Abstract：[Objective] In order to study the spatial variability of soil properties in the buffer belt of Erhai Lake, and then provide reference for controlling non-point source pollution and pricision agricultural planning and layout. [Methods] 80 soil samples in the buffer belt of Erhai Lake were collected. Soil moisture, total soil organic matter, total nitrogen, total phosphorus, ammonia nitrogen and nitrate nitrogen were measured. The spatial distribution patterns of soil parameters were analyzed by using traditional statistical and geo-statistical methods. [Results] (1) All statistical characteristics passed through the K—S test and thus indicated normal distribution; (2) The nutrient contents in the soil were high. The coefficient of variation of ammonia nitrogen and nitrate nitrogen were higher than 100%, indicating a strong variability;. (3) Soil organic matter in south was slightly lower than that in north. In east-west direction, organic matter in the east and west was higher than that in the middle. By contrast, the content of total nitrogen and total phosphorus in south and north was lower than that in the middle; (4) Total soil organic matter showed a strong spatial correlation, whereas total nitrogen and total phosphorus showed weak spatial correlations. [Conclusion] Farmland layout and the migration and conversion of the buffer zone were two important factors affecting the spatial variability of soil properties.

Keywords:Erhai Lake; soil; organic matter; nitrogen; phosphorus

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)02-0147-04

中圖分類號：X53

通信作者：盧少勇(1976—),男(漢族),湖南省郴州市人,博士，研究員,主要從事水污染防治與水環境生態修復研究。E-mail:lushy2000@163.com。

收稿日期：2014-04-30修回日期：2014-06-11
資助項目：國家水體污染控制與治理科技重大專項“洱海低污染水處理及緩沖帶構建關鍵技術及工程示范(2012ZX07105-002)， 水陸交錯帶水生植被重建工程技術研究”(2013ZX07101-014)； 中央級公益性科研院所基本科研業務專項(2012-YSKY-14)
第一作者：張聞濤(1988—),男(漢族),內蒙古赤峰市人,博士研究生,研究方向為水生態修復。E-mail:sunzhangwentao@163.com。