淹水落干對(duì)巢湖圩堤消落區(qū)土壤營(yíng)養(yǎng)成分的影響

匡 武，吳添天，張彥輝，嚴(yán)云志，芮 明

(1.安徽省環(huán)境科學(xué)研究院，安徽省污水處理技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230022;2.安徽師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，安徽蕪湖 241000)

消落區(qū)作為湖泊水體的最后一道生態(tài)屏障，對(duì)湖泊水質(zhì)安全起著重要的作用。Svensson等［1－2］早已研究表明，濕地土壤中的磷會(huì)向上覆水中釋放，而土壤氮素流失的多少取決于土壤的抗侵蝕能力［3］。由于消落區(qū)土壤在生態(tài)系統(tǒng)中的重要性，近年來(lái)也受到越來(lái)越多的關(guān)注。在國(guó)內(nèi)，對(duì)消落區(qū)的研究多以三峽庫(kù)區(qū)消落區(qū)為研究對(duì)象。程瑞梅等［4］對(duì)三峽庫(kù)區(qū)消落區(qū)土壤的理化性質(zhì)進(jìn)行了調(diào)查研究，結(jié)果表明季節(jié)性水淹導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)被破壞，土壤質(zhì)量逐漸變差。詹艷慧等［5］研究了淹水－落干對(duì)三峽消落區(qū)土壤氮素和磷素等溫吸附、解吸特性的影響，結(jié)果表明吸附一定量氨氮、磷的消落區(qū)土壤再淹后水中磷、氨氮均會(huì)再次逐漸釋放到上覆水中，且土壤吸附外源氮磷越多，淹水釋放強(qiáng)度越大。消落區(qū)作為水陸結(jié)合帶，與水體的關(guān)系必然十分緊密。在降雨過(guò)程中，消落區(qū)豐富的植被可減少雨水在地表的流失和對(duì)表土的沖刷，從而減少對(duì)水體的污染［6］。經(jīng)歷水位漲、落后，消落區(qū)土壤的物理性狀會(huì)發(fā)生很大改變，消落區(qū)土壤養(yǎng)分含量總體呈下降趨勢(shì)，植物種類數(shù)量可能會(huì)急劇減少［7］。為保護(hù)水體的健康，對(duì)相應(yīng)消落區(qū)環(huán)境的改善尤為必要。范小華等［8］提出利用生物緩沖帶、復(fù)合生態(tài)、坡地農(nóng)業(yè)、流域生態(tài)學(xué)、人工濕地及生態(tài)河堤等技術(shù)對(duì)消落區(qū)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行保護(hù)與調(diào)控的措施。巢湖作為受污染嚴(yán)重的“三湖”之一，其治理狀況一直受到地區(qū)乃至全國(guó)的關(guān)注。為全面、切實(shí)、有效地開展治理巢湖的工作，進(jìn)行巢湖圩堤消落區(qū)的植被恢復(fù)及生態(tài)系統(tǒng)重建，發(fā)揮消落區(qū)植被在防治水土流失和土地退化［9］、提高土壤肥力、降低水體污染等方面的重要作用，就顯得十分必要［10］。有研究表明，巢湖流域的土地利用方式與地表徑流中營(yíng)養(yǎng)鹽的輸入之間存在明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系［11］。在不同的土地利用類型下，水相中磷素遷移通量(指隨地表徑流遷移的單位面積磷素流失量)也存在顯著差異［12］。通過(guò)分析巢湖西北部圩堤消落區(qū)土壤中有機(jī)質(zhì)及氮磷在不同自然區(qū)域與人工修復(fù)區(qū)域的含量特征，筆者研究了淹水前后各種條件下消落區(qū)土壤中有機(jī)質(zhì)及氮磷的變化規(guī)律，力圖為巢湖圩堤消落區(qū)重建與生態(tài)功能恢復(fù)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況 研究區(qū)域位于巢湖西北部圩堤。土壤類型以黃褐土與水稻土為主，土壤母質(zhì)以黃土母質(zhì)與流水沖積、沉積母質(zhì)為主。氣候?qū)倥瘻貛н^(guò)渡性的副熱帶季風(fēng)氣候區(qū)溫和濕潤(rùn)，年平均溫度15～16℃;流域內(nèi)降水量年際變化較大，多年平均降水量為1 100 mm，夏季6～8月占年降水量的39%;流域主導(dǎo)風(fēng)向，夏季為東南風(fēng)，冬季為東北風(fēng);多年平均濕度77%，最大濕度81%。

1.2 樣點(diǎn)設(shè)置與樣品采集、分析 樣點(diǎn)設(shè)置充分考慮巢湖目前的水位波動(dòng)情況。2008年巢湖最低水位8.30 m，最高水位9.53 m。根據(jù)氣象資料，合肥市降雨多集中在5～8月;5～12月水位較低，消落區(qū)大部分露出;8月由于大量雨水的緣故，水位升高，消落區(qū)被淹沒;12月消落區(qū)已落干。因此，選擇5、8和12月在巢湖西北部圩堤消落區(qū)進(jìn)行土壤調(diào)查，并且采集樣品。

1.2.1 樣點(diǎn)設(shè)置。研究采樣位置位于巢湖西北部消落區(qū)。樣點(diǎn)分布及基本信息見圖1、表1。土壤樣點(diǎn)按照自然條件與人工修復(fù)區(qū)域布置。

①自然區(qū)域。天然崩岸區(qū)(BA)，是巢湖西北岸天然形成的崩岸的一段，在該研究前還沒有采取人工修復(fù)措施;農(nóng)田挺水植被區(qū)(NT)，湖向帶以蘆葦為主，陸向帶為大片農(nóng)田，主要種植有油菜、花生、棉花、紅薯等多種經(jīng)濟(jì)作物。

②人工修復(fù)區(qū)域。根據(jù)不同的修復(fù)方案，人工修復(fù)區(qū)域包括灌草挺水植被區(qū)(GT)、自組織濕地恢復(fù)區(qū)(ZZZ)、拋石防護(hù)林區(qū)(PF)、拋石灌草區(qū)(PG)。消落區(qū)上方超過(guò)巢湖水位上限處作為對(duì)照組，同步取樣為參照。

1.2.2 樣品采集與分析。按照《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 166)的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行采樣。在陸地部分，使用工兵鏟挖掘0～10 cm土壤;在消落區(qū)被水淹后，使用彼得遜采泥器采集土壤。

①土壤預(yù)處理。在土樣風(fēng)干后，剔除石塊、根系、動(dòng)植物殘?bào)w等明顯雜物后倒入陶瓷研缽中研細(xì)，過(guò)100目篩，充分混勻后放入聚乙烯自封袋內(nèi)，待測(cè)。

②分析方法。將干燥樣品于550℃灼燒3 h，計(jì)算失重，得有機(jī)質(zhì)含量［13－14］;全磷采用堿融 －鉬銻抗比色法測(cè)定［15］;全氮采用半微量凱氏法測(cè)定［15］;磷分級(jí)方法為Goltman改進(jìn)法［16］。數(shù)據(jù)分析應(yīng)用SPSS 21.0和Excel 2003、Origin 8.0完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 消落區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)及氮磷空間分布特征 由表2可知，研究區(qū)域消落區(qū)和對(duì)照組土壤有機(jī)質(zhì)含量均值分別為(41.54±18.87)和(36.86±18.44)g/kg，分布范圍分別在10.34～93.83和6.64～89.72 g/kg之間。正態(tài)檢驗(yàn)結(jié)果表明，消落區(qū)及對(duì)照組土樣中的有機(jī)質(zhì)含量均服從正態(tài)分布，消落區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)均值在置信度0.95下的置信區(qū)間為(32.52，41.19)，對(duì)照組土壤有機(jī)質(zhì)均值在置信度0.95下的置信區(qū)間為(37.60，45.72)，消落區(qū)土壤樣品有機(jī)質(zhì)含量的變異系數(shù)(50.0%)比其上方土壤樣品(45.4%)大。這說(shuō)明消落區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量離散程度較高，淹水落干的過(guò)程對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響形式較復(fù)雜。這與各個(gè)樣點(diǎn)的自然環(huán)境、受到污染的方式種類等因素有關(guān)?？傮w上，消落區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)均值大于未淹水土壤中有機(jī)質(zhì)均值，表明干濕交替(淹水落干)使得消落區(qū)土壤中有機(jī)質(zhì)含量增加。

表1 樣點(diǎn)信息

表2 研究區(qū)域有機(jī)質(zhì)及氮磷含量的統(tǒng)計(jì)分析

研究區(qū)域消落區(qū)和對(duì)照組土壤全氮含量均值分別為(420.05±323.54)和(417.99±232.42)mg/kg，分布范圍分別在84.76～2 130.04和78.31～1 360.04 mg/kg之間。經(jīng)過(guò)k－s檢驗(yàn)，對(duì)照組土壤中全氮含量服從正態(tài)分布，其均值在置信度0.95下的置信區(qū)間為(368.46，467.53)，消落區(qū)土壤中全氮含量不服從正態(tài)分布。消落區(qū)土壤樣品全氮含量的變異系數(shù)(77.0%)明顯比對(duì)照組土壤樣品(55.6%)大，兩者都大于有機(jī)質(zhì)的變異系數(shù)?？梢?，全氮在研究區(qū)域內(nèi)的分布相對(duì)有機(jī)質(zhì)更不均衡，其中消落區(qū)土壤表現(xiàn)更明顯。這說(shuō)明長(zhǎng)期反復(fù)落干－淹水－落干的過(guò)程對(duì)土壤中全氮含量的影響較顯著;落干－淹水－落干的過(guò)程使得消落區(qū)不同樣點(diǎn)土壤中全氮含量差異增大，空間異質(zhì)性得到增強(qiáng)。

研究區(qū)域消落區(qū)和對(duì)照組土壤有機(jī)磷含量均值分別為(114.62±137.35)和(99.67±99.56)mg/kg，分布范圍分別在16.28～757.09和17.35～544.06 mg/kg之間。消落區(qū)和對(duì)照組土壤全磷含量均值分別為(330.38±223.69)和(288.42±201.90)mg/kg，分布范圍分別在(83.13～1 144.11)和(49.85～1 068.97)mg/kg之間。通過(guò) k－s正態(tài)性檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)消落區(qū)土壤中的全磷含量服從正態(tài)分布，而消落區(qū)土壤中的有機(jī)磷和對(duì)照組土壤中的有機(jī)磷、全磷含量都不服從正態(tài)分布。消落區(qū)土壤全磷均值在置信度0.95下的置信區(qū)間為(277.82，382.95)。消落區(qū)土壤中有機(jī)磷含量的變異系數(shù)為119.8%，屬于強(qiáng)變異程度;對(duì)照組土壤中有機(jī)磷含量為99.9%，屬于中等變異強(qiáng)度，已較接近強(qiáng)變異程度。這說(shuō)明有機(jī)磷在研究區(qū)域內(nèi)的分布相當(dāng)不均衡。這與研究區(qū)域受湖水漲落、植被覆蓋、人為干擾等因素密切相關(guān)，消落區(qū)土壤有機(jī)磷的分布尤為如此。消落區(qū)土壤中全磷含量的變異系數(shù)(67.7%)小于對(duì)照組土壤中全磷含量變異系數(shù)(70.0%)，說(shuō)明消落區(qū)由于湖水漲落引起的干濕交替可減小不同采樣點(diǎn)之間土壤全磷含量差異。

2.2 淹水前后消落區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量變化 由圖2可知，在夏季水位上漲后，拋石防護(hù)林區(qū)的拋石堤岸易于受到湖水的拍打沖擊，使得該處局部水體運(yùn)動(dòng)劇烈，有機(jī)質(zhì)隨表層土壤被上覆水沖刷攜帶入湖，使得8月淹水期間的有機(jī)質(zhì)含量較5月有所降低。豐富的有機(jī)質(zhì)可以促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)形成，改善土壤物理性質(zhì)，可見與拋石堤岸相比，以挺水植物作為消落區(qū)水陸“屏障”更有利于消落區(qū)的水土保持和有機(jī)質(zhì)的積累，從而改善消落區(qū)底質(zhì)。在淹水條件下天然崩岸區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)增加比其他樣點(diǎn)明顯，該樣點(diǎn)附近有居民居住和施工工地，由此可推測(cè)該樣點(diǎn)夏季有機(jī)質(zhì)含量的明顯增加與周邊區(qū)域產(chǎn)生的生產(chǎn)、生活污染有關(guān)?？梢?，人為因素是土壤有機(jī)質(zhì)含量增加的一個(gè)重要因素。

淹水落干后土壤有機(jī)質(zhì)含量比淹水前都有所增加。在研究期間，各個(gè)樣點(diǎn)的土壤有機(jī)質(zhì)基本都處于積累狀態(tài)。這說(shuō)明淹水落干的過(guò)程有利于消落區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加，增幅為27.7%～236.0%。

2.3 淹水前后消落區(qū)土壤全氮含量變化 由圖3可知，除農(nóng)田挺水植被區(qū)外，淹水條件下土壤全氮含量比之前未淹水條件下的有所增加。分析認(rèn)為，巢湖水體夏季富營(yíng)養(yǎng)化狀況嚴(yán)重，在淹水狀態(tài)下上覆水中的氮必然會(huì)影響被淹沒的土壤氮含量;另一方面，該次研究區(qū)域都或多或少受到人為干擾，所以全氮含量受到人為因素和自然因素的雙重影響，夏季暴雨頻繁，大量的硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、氨及銨根離子會(huì)隨著暴雨徑流遷移到消落區(qū)的上覆水中。在農(nóng)田挺水植被區(qū)中，淹水條件下全氮含量顯著減小。該樣點(diǎn)附近為大片農(nóng)田，故該處受農(nóng)業(yè)耕作的影響尤為嚴(yán)重。土壤吸附的氨氮越多，淹水釋放總氮亦越多［5］。在淹水條件下，該樣點(diǎn)土壤中的全氮含量顯著減小，土壤向上覆水中釋放大量的氮，增大巢湖水體富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)。

淹水后落干的土壤中全氮含量比淹水前高。經(jīng)淹水－落干對(duì)氨氮的吸附能力得到增強(qiáng)［5］;另一方面，陸生植物已死或凋落的生物殘?bào)w在土壤中經(jīng)微生物分解會(huì)有氮的產(chǎn)生，從而增加土壤中全氮含量。

2.4 淹水前后消落區(qū)土壤有機(jī)磷含量變化 由圖4可知，消落區(qū)在淹水條件下的有機(jī)磷含量比之前未淹水條件下的有所增加。有研究表明，有機(jī)磷在整個(gè)淹水期先降低后升高，有機(jī)磷淹水前期以溶解為主，后期以閉蓄為主，淹水初期閉蓄態(tài)磷釋放，而淹水后期有機(jī)磷增加可能是一部分鐵磷轉(zhuǎn)化的結(jié)果［17］。

除天然崩岸區(qū)外，落干后土壤中有機(jī)磷含量比淹水狀態(tài)下有所減少。消落區(qū)研究區(qū)域內(nèi)除天然崩岸以外的樣點(diǎn)，均有大量自然生長(zhǎng)或人工種植的蘆葦及其他挺水植物。相關(guān)研究表明，有機(jī)磷含量降低主要是由于蘆葦根際間有大量微生物，落干后良好的通氣狀況能促進(jìn)微生物的活性，大量微生物分解有機(jī)質(zhì)的活動(dòng)使有機(jī)磷礦化，從而使得土壤中有機(jī)磷含量減少［18］。天然崩岸區(qū)無(wú)挺水植物生長(zhǎng)，微生物對(duì)有機(jī)磷的礦化作用較小，故隨著土壤有機(jī)質(zhì)的積累，有機(jī)磷含量也有所增加。

2.5 淹水前后消落區(qū)土壤全磷含量變化 由圖5可知，淹水期間消落區(qū)內(nèi)各樣點(diǎn)土壤全磷含量比之前落干狀態(tài)下均有所增加。夏季暴雨頻繁，消落區(qū)上方表層土壤中的磷素隨暴雨沖刷作用流入消落區(qū)。由于消落區(qū)土壤對(duì)磷的吸附作用，土壤中全磷含量有所增加。在淹水后落干的條件下，除天然崩岸區(qū)外，其他樣點(diǎn)的土壤全磷含量都有所降低。這是由于消落區(qū)中植被生長(zhǎng)對(duì)磷的需求使得土壤中全磷含量降低，而天然崩岸區(qū)沒有人工種植的植被，土表為裸露狀態(tài)，故外來(lái)的磷素只能富集在土壤中，當(dāng)土壤中磷素積累到一定程度后，等到下一次淹水，土壤就有可能會(huì)向上覆水釋磷。

3 結(jié)論

(1)研究區(qū)域消落區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)均值為(41.54±18.87)g/kg，含量在10.34～93.83 g/kg之間;全氮含量均值為(420.05±323.54)mg/kg，含量在84.76～2 130.04 mg/kg之間;有機(jī)磷含量均值為(114.62±137.35)mg/kg，含量在16.28～757.09 mg/kg之間;全磷含量均值為(330.38±223.69)mg/kg，含量在83.13～1 144.11 mg/kg之間。

(2)總體來(lái)看，人類活動(dòng)以及淹水落干過(guò)程有利于消落區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加。淹水落干過(guò)程有利于土壤對(duì)氮素的吸附，使得土壤中全氮含量增加。

(3)淹水落干過(guò)程能夠增強(qiáng)消落區(qū)土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、有機(jī)磷的空間異質(zhì)性，其中消落帶土壤中有機(jī)磷含量的變異系數(shù)為119.8%，屬于強(qiáng)變異程度。淹水落干過(guò)程可以減小消落區(qū)內(nèi)不同樣點(diǎn)之間土壤全磷含量差異。

(4)在淹水期間，風(fēng)浪使得湖水劇烈波動(dòng)，從而沖刷消落區(qū)土壤，并且攜帶有機(jī)質(zhì)進(jìn)入湖體。挺水植物能夠保護(hù)土壤，從而減少有機(jī)質(zhì)的流失。此外，不同人工修復(fù)區(qū)域的不同類型植被客觀上增強(qiáng)了消落區(qū)的空間異質(zhì)性，有利于保護(hù)消落區(qū)的生物多樣性，同時(shí)可形成優(yōu)美的湖濱帶景觀。

(5)在農(nóng)業(yè)過(guò)程中，氮肥施用對(duì)消落區(qū)土壤中氮的增加影響顯著。在淹水條件下，消落區(qū)土壤會(huì)向上覆水中釋氮。

(6)在淹水后落干的條件下，植被攝磷使得土壤中全磷含量降低，無(wú)植被覆蓋的土地磷素會(huì)富集，在下次淹水時(shí)有可能會(huì)向上覆水釋磷。

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