福建某濱海湖泊周邊土壤磷元素空間分布研究

黃武鴻，劉艷丹，甘暉

（福建師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，福建 福州 350007）

1 前言

1.1 磷與湖泊富營養(yǎng)化

第二次全國湖泊調(diào)查顯示，我國138個面積大于10 km2的湖泊中超過富營養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)的占85.4%，且40.1%的湖泊達(dá)到了重富營養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)[1]。在我國統(tǒng)計(jì)的湖泊中，因氮磷污染而富營養(yǎng)化的湖泊占56%[2]，因此研究湖泊周邊土壤磷的空間分布對湖泊富營養(yǎng)化的分析有重要意義。

1.1.1 富營養(yǎng)化的定義

湖泊富營養(yǎng)化是指由于人類活動，使湖泊中營養(yǎng)物質(zhì)大量增長，導(dǎo)致藻類等水生生物過度增殖，水質(zhì)變差、水生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞的現(xiàn)象[3,4]。

1.1.2 富營養(yǎng)化的成因

國際上關(guān)于富營養(yǎng)化的成因有兩種解釋，一種是由荷蘭科學(xué)家馬丁·肖頓在“磷酸鹽技術(shù)研討會”上提出的食物鏈理論，其認(rèn)為水域食物鏈中浮游生物減少或攝入食物變少將造成藻類過量繁殖引起水體富營養(yǎng)化。另一種更為眾人廣泛認(rèn)可的生物周期理論則認(rèn)為，氮、磷過多排入水體消耗水中的氧造成水中魚類死亡，其尸體腐爛又造成水體進(jìn)一步被污染[5]。

1.1.3 磷與富營養(yǎng)化的關(guān)系

湖泊中限制藻類繁殖的營養(yǎng)物質(zhì)主要為氮和磷[6]，藻類和總磷密切相關(guān)[7,8]。

一般來說，藻類繁殖最適宜的氮磷比為16∶1[9]，但通常認(rèn)為藻類生長時，氮磷比大于40為磷限制，小于10為氮限制，但楊文等[10]在研究藻華池塘里的浮游植物群落時，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)氮磷比小于10為磷限制；同樣，Lv Jin等[11]在富營養(yǎng)化湖泊的調(diào)查中也發(fā)現(xiàn)，即使大多數(shù)的湖泊氮磷比低于10，總磷與葉綠素a的相關(guān)性也始終高于總氮。這主要是因?yàn)楹?nèi)固氮藍(lán)藻在一定程度上補(bǔ)充了氮源，使得磷的影響變得更大[12,13]。

在富營養(yǎng)化的湖泊水庫中，磷濃度限制的情況占80%，另外10%與氮磷濃度有關(guān)[14]。氮通常是熱帶和干燥地區(qū)限制湖泊富營養(yǎng)化的主要因素，對于亞熱帶、溫帶地區(qū)的湖泊等水體而言，磷才是富營養(yǎng)化的主要限制因素[15,16]，蔡龍炎等[17]在我國湖泊氮磷時空分布的研究中經(jīng)過對全國主要湖泊分布區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果也證明葉綠素a和總磷的R值達(dá)到0.425，而和總氮的R值僅為0.124，磷起著主要的限制作用。

1.1.4 湖泊富營養(yǎng)化與內(nèi)源磷釋放

湖泊內(nèi)源磷是營養(yǎng)物經(jīng)過一系列的物理、化學(xué)等變化后，沉積于湖底的底泥磷[18]，這些內(nèi)源磷在某些適當(dāng)?shù)沫h(huán)境條件下會釋放出來并造成湖泊磷增長。

影響沉積物內(nèi)源磷釋放的主要因素很多，大量研究中發(fā)現(xiàn)諸如某些金屬元素、溫度、pH、溶解氧、磷的存在形態(tài)、擾動等都對內(nèi)源磷的釋放有很大影響[19-25]。

1.2 湖泊周邊土壤中磷的來源

近年來，由于工業(yè)廢水和生活廢水等點(diǎn)源污染得到控制，農(nóng)業(yè)面源污染成為地表水中磷輸入的最重要來源，中國主要湖泊中超過50%的磷來源于此[26]。

湖泊流域通常為人口密集、種植業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)，隨著種植業(yè)發(fā)展，化肥施用量不斷上升，土壤中磷的累積導(dǎo)致磷的流失量急劇增長。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自60年代以來，由于化肥的施用和畜牧業(yè)發(fā)展造成我國重要流域的磷元素平均增加了12倍，而化肥施用造成的磷元素增長由原來的占比10%增至60%[27]，成為最主要的農(nóng)業(yè)面源污染。

一方面，作物對磷肥的利用率低，一般情況下，通過作物的當(dāng)季利用以及后季利用，仍然有大概占施肥總量75%～90%的磷在土壤中滯留富集[28]，此外，即使土壤中有效磷大幅增長，農(nóng)民仍偏愛施加氮、磷肥，造成土壤中磷元素盈余[27]，土壤中的磷通過降水徑流、土壤侵蝕等作用，以水溶態(tài)和顆粒態(tài)形式進(jìn)入湖泊中，造成湖泊污染[29]。

另一方面，大量使用有機(jī)肥使得土壤的固磷能力下降，特別是如果土壤中的鐵（Fe）、鋁（Al）和鈣（Ca）的吸收能力飽和，使磷更容易通過土壤向水生生態(tài)系統(tǒng)移動[30]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界每年從土壤遷移到水體中的磷（以P2O5計(jì)）高達(dá)三四百萬t[31]，對水體水質(zhì)造成很大影響。

因此，控制湖泊周邊磷的來源成為控制湖泊富營養(yǎng)化的關(guān)鍵[32,33]。

1.3 湖泊周邊土壤磷的空間分布

全國第二次土壤普查資料顯示，磷的空間分布與氣候和土壤的地球化學(xué)類型有關(guān)，隨著降水及氣溫的升高磷元素密度逐漸降低[34]。

此外，磷的遷移會對磷元素的空間分布帶來很大的影響，土壤滯留磷主要是由于土壤的吸附作用，礦物顆粒、土壤粒度、氧化還原電位、溫度等對土壤的吸附作用都有顯著的影響[35]。

錢進(jìn)等[36]發(fā)現(xiàn)降雨、河水水位以及地下水水位對土壤磷素空間分布的影響顯著不同。羅敏[37]在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥的施加會降低土壤對磷的吸附量，重碳酸根、草酸處理后的土壤磷的釋放率加大，從而使磷向水體中遷移。

表1 表層土壤磷元素含量描述性統(tǒng)計(jì)

當(dāng)土壤中的磷超過土壤磷元素淋失臨界值時，流向水體中的磷含量上升[38]，這個臨界值主要受土壤有機(jī)質(zhì)和活性鐵鋁的限制，土壤的有機(jī)質(zhì)越高，土壤磷元素淋失臨界值則越大，土壤中的磷元素越不容易流失，同時，該臨界值與活性鐵鋁含量呈顯著正相關(guān)（P＜0.01）。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 材料與方法

2.1.1 樣品采集與制備

土壤樣品來自某濱海湖泊周邊，該研究區(qū)屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，溫?zé)釢駶?，旱雨季?jié)分明，植被稀疏，土壤主要為沙壤土。

采樣過程嚴(yán)格遵守HJ/T166—2004《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[39]，采用網(wǎng)格布點(diǎn)法采集40個樣品，每個采樣點(diǎn)采用對角線法進(jìn)行布點(diǎn)，設(shè)5個分點(diǎn)，樣品取自表層土壤（0～20 cm），將各分點(diǎn)采集到的土壤充分混合，用四分法處理土樣后取大約1 kg土樣裝袋，貼上標(biāo)簽，封存。各采樣點(diǎn)使用GPS定位，便于后期分析磷的空間分布。

2.1.2 樣品分析

樣品總磷測定采用HJ 632—2011《土壤總磷的測定 堿熔-鉬銻抗分光光度法》[40]。

樣品pH值測定采用NY/T 1121.2—2006《土壤檢測第2部分：土壤pH的測定》[41]。

樣品陽離子交換量測定采用LY/T 1243—1999《森林土壤 陽離子交換量的測定》[42]。

2.2 結(jié)果與分析

常規(guī)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)處理軟件處理得到，磷元素空間分布分析采用克里金插值法得到。

2.2.1 土壤磷元素基本特征統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，研究區(qū)樣品的總磷含量主要分布在0～200.0 mg/kg范圍內(nèi)，不呈正態(tài)分布，但經(jīng)過對數(shù)處理后，呈現(xiàn)明顯正態(tài)分布（圖1）。研究區(qū)土壤總磷含量水平低（表1），研究區(qū)共采集40個土壤樣品，土壤總磷最大值為334.8 mg/kg，最小值為25.2 mg/kg，二者之間差值較大；平均含量為（98.9±63.4）mg/kg，總體低于我國土壤總磷的范圍值200～1000 mg/kg，我國土壤的磷含量隨風(fēng)化作用而由北向南逐漸減少，研究區(qū)位于南方，土壤總磷含量偏低；變異系數(shù)為64.1%，即總磷含量相對于其均值的離散程度屬中等水平。

根據(jù)表2，該研究區(qū)土壤磷含量為Ⅴ級和Ⅵ級，其中，40個樣點(diǎn)中，Ⅴ級的土壤樣點(diǎn)僅為2個，研究區(qū)總磷含量絕大部分為Ⅵ級，屬于總磷含量缺乏區(qū)域。

表2 全國第二次土壤普查土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)

2.2.2 土壤磷元素空間分布

常規(guī)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)無法很好的分析土壤磷元素在空間上的分布，故根據(jù)采樣時GPS定位得到的經(jīng)緯度和對應(yīng)總磷含量，采用克里金插值法得到土壤磷元素的分布圖（圖2），由圖能夠看出，總體而言，研究區(qū)總磷含量多呈塊狀以及團(tuán)狀分布，總磷含量高的區(qū)域集中在東南角，且總磷含量由南向北呈現(xiàn)減少的趨勢，總磷含量高于163 mg/kg的區(qū)域范圍極小，絕大多數(shù)區(qū)域的總磷含量處于25～94 mg/kg范圍內(nèi)，總體磷元素含量低。

2.2.3 土壤磷元素空間分布影響因素分析

研究區(qū)內(nèi)總磷空間分布影響因素眾多，包括土壤類型、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤pH、土壤鐵鋁鈣、磷肥施用量等，本文僅就土壤陽離子交換率（CEC）及土壤pH對磷含量空間分布的影響進(jìn)行分析。

由表3可知，研究區(qū)pH值平均值為6.78，多集中于6.5～6.8區(qū)間內(nèi)（圖3），土壤呈中性，有利于微生物生長，變異系數(shù)為3.69%，屬弱變異性（＜10%）；由表4相關(guān)性分析可看出，pH和土壤磷含量分布沒有明顯相關(guān)性。

表4 研究區(qū)域磷含量與pH值、陽離子交換量之間的相關(guān)性

表5 CEC分級標(biāo)準(zhǔn)

陽離子交換量（CEC）是指土壤能吸附和交換的陽離子的量，和土壤保肥能力密切相關(guān)，表5為目前常用的CEC分級標(biāo)準(zhǔn)[43]。在該研究區(qū)陽離子交換量平均值為10.6 mmol/kg，由圖4可看出，陽離子交換量多集中于5.0～17.5 mmol/kg，且該研究區(qū)所有樣點(diǎn)陽離子交換量均小于100 mmol/kg，根據(jù)分級標(biāo)準(zhǔn)，該研究區(qū)屬于土壤保肥能力弱的區(qū)域，由表4可看出陽離子交換量和磷含量在0.01水平（雙側(cè)）上有著較高的正相關(guān)性（r=0.601），由此可推測，研究區(qū)域土壤磷含量偏低是由于土壤陽離子交換量低，土壤保肥能力弱造成的。

3 總結(jié)

⑴ 該濱海湖泊周邊土壤總磷最大值為334.8 mg/kg，最小值為25.2 mg/kg，平均含量為（98.9±63.4）mg/kg，總體低于我國土壤總磷的范圍值200～1000 mg/kg；

⑵ 從克里金分布圖來看，研究區(qū)總磷含量多呈塊狀以及團(tuán)狀分布，總磷含量高的區(qū)域集中在東南角，且總磷含量由南向北呈現(xiàn)減少的趨勢；

⑶ 該區(qū)域土壤呈中性，pH平均值為6.78，與土壤磷元素分布無明顯相關(guān)性；

⑷ 該研究區(qū)陽離子交換量均值為10.6 mmol/kg，且所有樣點(diǎn)陽離子交換量均小于100 mmol/kg，陽離子交換量和研究區(qū)域磷含量在0.01水平（雙側(cè)）上有著較高的正相關(guān)性（r=0.601）。