柴河流域典型景觀類型土壤氮磷含量的空間變異特征①

吳曉妮，付登高，劉興祝，宗德志，劉永權

(1 云南省高校特色生物資源開發與利用重點實驗室，昆明 650214；2 云南大學環境科學與生態修復研究所，昆明 650091；3 昆明市滇池水生態恢復重點實驗室，昆明 650214)

柴河流域典型景觀類型土壤氮磷含量的空間變異特征①

吳曉妮1,3，付登高2*，劉興祝1,3，宗德志1，劉永權1

(1 云南省高校特色生物資源開發與利用重點實驗室，昆明 650214；2 云南大學環境科學與生態修復研究所，昆明 650091；3 昆明市滇池水生態恢復重點實驗室，昆明 650214)

為了從流域尺度了解柴河流域土壤氮、磷含量的空間變異特征，在柴河流域選擇 6個景觀類型，并根據每個景觀類型內不同土地利用方式及景觀位置，共進行了 72個樣點的表層土壤采集，并對土壤有機質、氮、磷含量進行了測定。結果表明，磷素主要以磷礦區及富磷區林地區域含量較高，其中磷礦區土壤全磷含量平均高達20 g/kg，富磷區林地有效磷含量平均為3 687.7 mg/kg；而氮素則表現為溝渠和柴河河道底泥的含量較高，柴河底泥中全氮及堿解氮含量高達2.99 g/kg和631.8 mg/kg。相同景觀類型下不同土地利用方式土壤氮磷含量在富磷區、坡耕地及壩平地均表現出較高的差異。嵌套方差分析表明景觀類型及土地利用方式或所處的景觀位置對土壤有機質及氮磷含量均具有顯著的影響。以上結果表明柴河流域內土壤養分含量空間變異程度較高，不同景觀類型和土地利用方式共同決定了土壤氮磷含量的變異。因此，在面源污染輸移風險評估及防控時應同時結合景觀類型及土地利用類型進行分析，并在此基礎上探討主要影響因素。

柴河流域；景觀類型；土地利用方式；土壤養分含量

中國湖泊水體富營養化現象日趨嚴重，其中面源污染成為湖泊污染削減和環境治理的難題[1–2]。從流域尺度研究非點源污染物氮、磷流失是目前國內外的熱點。土壤氮素與磷素作為生態系統中極為重要的生態因子，在不同景觀類型及土地利用方式下由于土壤動植物群落數量性質有較大差異，且耕作制度與管理措施各異，直接影響到土壤中氮磷的礦化、運輸與植物的吸收，最終造成土壤氮、磷含量的諸多不確定性[3–5]。因此，土壤中氮磷含量的高低一定程度上能夠反映土壤對水體富營養化的貢獻潛力。相關研究表明流域氮磷物質的輸出與景觀格局、土地利用及管理等緊密相關[6–8]，受區域景觀格局及土地覆蓋類型的影響這種相關存在一定的空間差異[9–10]。目前大多數研究關注不同尺度下土地利用方式或景觀類型之間土壤氮磷含量的比較分析，如在流域尺度對壩平地、大棚土壤、林地、坡耕地、臺地、湖濱土壤 6 種不同景觀類型土壤氮磷的研究[11]，在農村尺度下對不同土地利用方式對土壤氮磷的影響[12]。但在大多數較宏觀尺度上，雖景觀類型與土地利用方式多存在相似之處，但二者仍存在一定的差異。相同景觀類型下可能存在不同的土地利用方式，同一土地利用方式可能處于不同景觀類型單元內。因此，結合景觀類型及土地利用方式探討土壤氮磷含量的變化能更好地指導流域內土地利用方式及景觀格局的優化及其對徑流水質的管理。

柴河是滇池重要入湖河流之一，其柴河流域占滇池流域總面積的 7.5%。流域內面源污染問題突出，且存在大量的富磷礦區、林地、臺地、農業種植區等多種景觀單元，每種景觀類型單元內存在不同土地覆被方式，已有研究對不同景觀類型的徑流氮磷含量進行了報道[11]，但流域內景觀類型及不同土地利用方式對其貢獻還不明晰。因此，在流域尺度上了解不同景觀類型及各個景觀類型內不同土地覆被或景觀位置條件下的土壤含量變化特征對了解景觀格局對氮磷輸出的影響，建立流域土地利用景觀格局與氮磷輸出的關聯，實現小流域最佳管理模式將提供一定科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

研究區位于云南省中部、滇池南岸的晉寧縣，屬于滇池流域的柴河子流域，地理位置 24°36′ ~ 24°37′N，102°41′ ~ 102°42′E，海拔1 936 ~ 2 236 m，屬丘陵地帶，亞熱帶高原季風氣候。多年平均年降水量900 mm，降雨量年內分配極不均勻，具有干、濕季分明的氣候特點，雨季(5—10月)受孟加拉灣和北部灣海洋暖濕氣流的影響，降雨豐沛，平均降雨量為780 mm，降水量占全年降雨量的 86.7%，該時期的降雨能形成較明顯的地表徑流，加上較強的人為農業活動，易形成比較嚴重的面源污染；干季(10月至次年4月)受印度大陸干暖氣流和我國北部干冷氣流的影響，干旱少雨，平均降雨量為120 mm，降水量占全年降雨量的13.3%。柴河自東南向西北匯入滇池，全長48 km，流域面積為306 km2。該區域主要景觀類型以山地、坡耕地、壩平地為主，其中大多數山地位于晉寧磷礦帶上。該區域土壤類型為山地黃紅壤、棕紅壤。

1.2 樣品的采集及試驗方法

本研究在前期調查的基礎上，結合研究目的及流域現實地形地貌特點，選擇6種景觀類型，分別為磷礦區、富磷區林地、坡耕地、壩平地、農田溝渠及柴河河道。根據每個景觀類型結構特點，在每個景觀類型下結合土地利用方式及所處的景觀位置又進行了二次分類，分類及土壤采樣數量為：磷礦區為磷礦開采廢棄地(n= 5)；富磷區林地根據土地覆被情況包括云南松林(n= 3)、華山松林(n= 3)、針闊混交林(n= 3)、旱冬瓜林(n= 3)及桉樹林(n= 3)；坡耕地根據土地利用方式分為露天蔬菜(n= 6)、露天作物(n= 6)及經果林(n= 4)；壩平地根據土地利用方式分為露天蔬菜(n= 6)、設施大棚蔬菜(n= 6)及設施大棚花卉(n= 6) 3種；溝渠根據所處景觀位置不同分為大棚區農田溝渠(n= 6)和露天區農田溝渠(n= 6)；柴河河道根據所處景觀位置分為上游(n= 3)和下游(n= 3)進行河道土壤底泥取樣。總計6個景觀類型、15個土地利用方式或景觀位置，共采集0 ~ 20 cm層土壤樣品72個，所有樣品帶回實驗室自然風干后進行分析。其中土壤全氮采用半微量凱氏定氮法測定，土壤堿解氮采用堿解擴散吸收法測定，土壤全磷采用酸溶–鉬銻抗比色法測定，土壤有效磷采用雙酸浸提–鉬銻抗比色法測定，土壤有機質采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定[13]。

1.3 數據分析

利用方差分析說明不同景觀類型土壤養分之間的差異，并根據平均值及標準差計算變異系數。另外利用方差分析對相同景觀類型下不同土地利用方式下土壤養分含量進行差異分析。利用嵌套方差分析對景觀類型及土地利用方式或景觀位置對土壤養分的影響進行了統計。為了了解景觀類型之間及相同景觀類型下不同土地利用方式或景觀位置條件下土壤綜合養分含量的高低，根據系統攝動分析評價原理，把不同類型土壤作為被選系統，土壤全氮、堿解氮、全磷、有效磷、有機質作為分析指標，權重向量按照等權重，所有指標類型越大越好，根據攝動分析原理攝動值越低，表明其綜合養分含量就越高，攝動分析原理及分析方法參見參考文獻[14]。

2 結果與分析

2.1 不同景觀類型土壤養分含量及其空間變異特征

不同景觀類型土壤氮、磷含量及其空間變異特征見表1，從表1可以看出：有機質平均含量以富磷區林地含量最高，磷礦區有機質最低，其空間變異以富磷區林地的有機質變異程度最高，而磷礦區的空間變異最小。對氮素而言，柴河底泥的氮素含量最高，磷礦區的氮素含量最低，空間變異程度以磷礦區變異程度最大；對磷素而言，磷礦區和富磷區林地的磷素含量較高，壩平地的磷素含量較低，空間變異程度以富磷區林地變異程度最大。攝動分析結果表明不同景觀類型土壤綜合肥力高低順序依次為：富磷區林地>柴河底泥>溝渠底泥>磷礦區>壩平地>坡耕地，其中壩平地與坡耕地綜合肥力相當(表1)。

2.2 相同景觀類型下不同土地利用方式或所處景觀位置土壤養分含量變異特征

相同景觀類型下不同土地利用方式或所處景觀位置土壤養分含量變異特征見表2。其中富磷區桉樹林所有土壤養分含量均最低，磷素含量以云南松林最高，針闊混交林的有機質及全氮含量最高，堿解氮含量以旱冬瓜林最高。綜合5種養分攝動分析表明富磷區不同植物群落土壤綜合肥力順序為：云南松林>華山松林>針闊混交林>旱冬瓜林>桉樹林，其中云南松林與華山松林土壤綜合肥力相當，針闊混交林和旱冬瓜林綜合肥力相當，桉樹林綜合最差。

坡耕地不同土地利用方式中有機質含量露地蔬菜顯著高于露地作物和經果林；全氮含量露地農田顯著高于經果林，但堿解氮恰好相反，經果林的堿解氮含量顯著高于露地蔬菜和作物；全磷含量以經果林最高，有效磷則表現為露地作物最高；攝動分析表明坡耕地不同土地利用方式土壤綜合肥力順序為：露地蔬菜>露地作物>經果林。

表1 不同景觀類型土壤氮、磷含量Table 1 Soil nutrient contents of the different landscape types in Chaihe Catchment

表2 相同景觀類型下不同土地利用方式或景觀位置土壤養分含量變化特征Table 2 Soil nutrient contents of the different soil use pattern and landscape position on landscape types

壩平地不同土地利用方式中有機質含量以露地蔬菜最高，但與設施蔬菜與花卉的差異不顯著；全氮含量設施蔬菜土壤顯著高于露地蔬菜和設施花卉，堿解氮3種不同利用方式之間均具有顯著差異；磷含量均表現為設施蔬菜土壤含量最高，設施花卉土壤最低，且3種土地利用方式之間均具有顯著差異；攝動分析表明壩平地不同土地利用方式土壤綜合肥力順序為：設施蔬菜>露地蔬菜>設施花卉。

所處不同景觀位置的溝渠土壤有機質含量以露天農田區的溝渠含量較高，但與大棚區溝渠土壤含量差異并不顯著；氮磷含量都表現為大棚區溝渠土壤大于露天農田區溝渠土壤，但僅全磷含量具有顯著差異。攝動分析表明溝渠土壤綜合養分含量為大棚區農田溝渠>露天區農田溝渠。

柴河底泥根據其所在景觀位置表現為下游底泥中所有養分含量均高于上游底泥；其中有機質含量之間具有顯著差異，而氮磷含量差異并不顯著。攝動分析表明柴河底泥土壤綜合養分含量為柴河下游>柴河上游。

2.3 景觀類型及土地利用方式或景觀位置對土壤

養分的影響分析

景觀類型及土地利用方式或所處景觀位置對土壤養分的嵌套方差分析結果表明：景觀類型及土地利用方式或所處景觀位置對土壤磷含量均具有極顯著的影響，且二者之間的影響貢獻基本相似；對氮素而言，景觀類型對土壤氮含量的影響大于土地利用方式或景觀位置；對土壤有機質而言，景觀類型對土壤有機質的影響小于土地利用方式或景觀位置。總體而言，除土地利用方式或景觀位置對堿解氮影響不顯著外，景觀類型及土地利用方式或景觀位置對其他養分含量均具有顯著的影響(表3)。

表3 土壤養分的嵌套方差分析Table 3 Nested ANOVA analysis of soil nutrient contents

3 討論

土壤養分含量高低及其空間變異程度不僅可以反映土壤本身養分儲量及植物可利用態量的大小，也間接反映各個景觀類型及不同利用方式人為管理程度及降雨徑流輸送污染物強度和通量[15–16]。根據本研究結果，富磷區林地有機質含量較高，主要由于林地存在大量凋落物積累導致有機質含量較高，而其他景觀類型由于本身景觀屬性特征及人為干擾強度及管理措施等方面導致地表幾乎無凋落物存在；磷礦區土壤磷含量高主要是受到當地土壤母質的影響，由于處于我國的三大磷礦帶，土壤磷素背景值含量很高[17]。但是由于不同群落類型及其生物學屬性特征導致富磷區林地的有效磷空間變異程度較高。磷礦區由于受到人類高強度開發后，地表基本沒有植被覆蓋，因此有機質含量較低，其空間變異程度也最小。對氮素而言，柴河底泥的氮素含量最高，主要由于柴河匯集了流域內大量徑流，隨徑流攜帶的大量土壤顆粒在徑流輸移過程中，慢慢沉淀最終導致河道底泥本身氮磷含量較高，因此河道底泥的疏浚被看作是減少污染物進入滇池的一個重要措施[18]。利用攝動分析對不同景觀類型土壤綜合肥力進行分析表明富磷區林地肥力最好，可能原因不僅是本身土壤磷素含量高，另外由于植被的作用，其有機質及氮素積累程度也較高，使得富磷區林地綜合肥力較好。壩平地與坡耕地綜合肥力相對較差的主要原因在于受到人為影響程度較強，高強度的人為管理措施，使得土壤質量下降，養分容易流失[19]。從所研究的 6 種景觀來看，富磷區由于較高的磷素背景值，加上較高的坡度，因此富磷山區的植被保護及撫育、恢復是面源污染控制的主要措施[17,20]，對于坡耕地、壩平地而言，盡管二者綜合土壤養分含量并不高，坡度也較小，但受人為干擾及降雨的影響較大，加上土壤質量下降其養分固持能力不高，可能導致大量養分的流失，因此可能成為非點源的主要潛在性污染源，應重點給予重視[19]。磷礦區綜合養分居中，主要是磷素含量高而氮素缺乏，雖綜合養分不高，但其磷素含量卻極高，較少的水土流失即可導致徑流中磷素含量較高，因此有效地控制磷礦區的水土流失，是有效控制面源磷輸移的主要環節之一[17,20]。

在相同景觀類型下，不同土地利用方式或景觀位置對土壤氮磷含量存在較大的影響。其中富磷區內磷素、坡耕地及壩平地的氮磷含量均表現出較明顯的差異，說明相同景觀區域斑塊內，不同土地利用方式或景觀位置極大地改變了土壤氮磷養分庫的含量，主要原因可能有兩個方面：一是自然條件下植被群落結構的復雜程度，二是土地人為的種植模式及管理方式。植物群落結構在富磷區對土壤氮磷有顯著的影響，而人類管理耕作措施(如水肥施用等)在坡耕地及壩平地的影響較強[17,21–23]。攝動分析結果表明富磷區的云南松林、坡耕地中的露天蔬菜、壩平地中的設施蔬菜、大棚區的農田溝渠及柴河下游的底泥綜合養分最高，說明這幾種土地利用類型及流域內某些空間位置的面源污染輸移應是該流域面源污染防控需要重點關注的。但是需要說明的是，土壤養分含量的高低是多個因素共同作用影響的過程，氮磷含量的空間變異還取決于土壤本身的類型、物理性質及人為干擾及水肥管理措施等等。

嵌套方差分析表明景觀類型及土地利用方式或所處景觀位置均對土壤有機質及氮磷含量具有顯著的影響，這說明柴河流域內不同景觀類型和土地利用方式或所處流域內的空間位置共同決定了土壤氮磷含量的變異程度。因此，在流域尺度上探討面源污染輸移風險時，單獨通過景觀類型或土地利用類型分析或模擬會降低評估的準確性，根據嵌套分析結果建議結合景觀類型及土地利用類型進行分析以提高在面源污染輸移風險評估及防控中的精確性，并在此基礎上探討主要防控環節及主要影響因素[24–25]。

4 結論

1) 柴河流域內磷素主要以磷礦區及富磷區林地區域含量較高，而氮素則主要以溝渠土壤和柴河河道底泥的含量較高；富磷區林地的磷素及磷礦區的氮素具有較高的空間變異。

2) 相同景觀類型下不同土地利用方式或景觀位置對土壤氮磷含量存在較高的影響，其中富磷區內磷素、坡耕地及壩平地的氮磷均表現出顯著差異。

3) 柴河流域內富磷區的云南松林、坡耕地中的露天蔬菜種植區及壩平地中的設施蔬菜種植區土壤與大棚區的農田溝渠及柴河下游的底泥綜合養分最高，其面源污染輸移風險較高。

4) 景觀類型及土地利用方式或所處景觀位置均對土壤養分含量具有顯著影響，因此建議在面源污染輸移風險評估及防控時應同時結合景觀類型及土地利用類型、流域內所處的空間位置進行分析。

另外，由于本研究只對土壤養分進行了測定分析，但面源污染輸出不僅受到土壤源強的影響，另外還受到降雨、地形、下墊面屬性、人為管理方式等因素的影響，因此需要結合降雨對面源污染輸移進行監測分析，才能更準確地對柴河流域內的面源污染進行評估，并指導流域內面源污染的防控及管理。

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Spatial Variability of Soil Nitrogen and Phosphorus in the Typical Landscape Units in Chaihe Catchment

WU Xiaoni1,3, FU Denggao2*, LIU Xingzhu1,3, ZONG Dezhi1, LIU Yongquan1
(1Key Laboratory of Special Biological Resource Development and Utilization of Universities in Yunnan Province,Kunming650214,China; 2Institute of Environmental Sciences and Ecological Restoration,Yunnan University,Kunming650091,China; 3Kunming Key Laboratory of Hydroecology Restoration of Dianchi Lake,Kunming650214,China)

In order to understand spatial variability characteristics of soil nitrogen and phosphorus contents in the typical landscape units in Chaihe catchment, 72 surface soil samples were collected from the lands different in landscape and land-use types in Chaihe catchment. The contents of nitrogen, phosphorus, and organic matter of the soils were analyzed. Results showed that the soils in phosphorus mining area and forests of phosphorus-enriched area contained the higher phosphorus. The average contents of total phosphorus and available phosphorus were 20 g/kg and 3 687.7 mg/kg, respectively. The soils in sediments of ditches and Chaihe River contained the higher nitrogen. The average contents of total nitrogen and available nitrogen reached 2.99 g/kg and 631.8 mg/kg, respectively. The great variation of the contents of soil nitrogen and phosphorus were found in different land-use types in phosphorus mining area, slope farmland, and flatland. The results of nested ANOVA analysis of soil nutrient contents suggested that landscape, land-use and land spatial location co-determine the variability of soil nitrogen, phosphorus and organic matter contents in the catchment. It is, therefore, necessary to combine landscape with land-use and land spatial location together in risk assessment and control of non-point source pollution in Chaihe catchment.

Chaihe catchment; Landscape unit; Land-use type; Soil nutrient content

S158；S181

10.13758/j.cnki.tr.2016.06.021

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07102-003)、國家自然科學基金項目(31360152)、云南省應用基礎研究項目(2014FD040)、昆明學院校級科研項目(XJL13012)和云南省高校特色生物資源開發與利用重點實驗室開放基金項目(GXKM201506)資助。

* 通訊作者(dgfu@ynu.edu.cn)

吳曉妮(1987—)，女，陜西鎮安人，碩士，助教，主要研究方向為面源污染防控及生態修復。E-mail: wuxiaoxiaoni@163.com