2018, Vol. 39
2. 河南大学环境与规划学院, 开封 475004;
3. 许昌学院城市与环境学院, 许昌 461000
2. College of Environment and Planning, Henan University, Kaifeng 475004, China;
3. Department of Urban and Environmental Science, Xuchang University, Xuchang 461000, China
磷素是引起水体富营养化的重要营养因子.土壤中磷素会通过地表侵蚀、径流和淋溶作用等进入水体, 成为受纳水体富营养化重要的污染源[1~3].土壤中磷素积累到一定限度时, 其释放潜力会随之提高, 增加受纳水体富营养化风险.目前, 关于土壤磷的研究多集中在农田、菜地及靠近水域的消落带[4~7], 而对城市土壤关注较少[8, 9].城市土壤是一个独特的生态系统, 与农田及菜地土壤不同, 人类通过生产或生活消费产生的磷素进入城市土壤后, 由于缺少磷素的输出途径, 多数情况下城市土壤只能作为磷素循环过程的终端.因而, 一些城市土壤磷含量明显高于农业土壤, 呈现出显著的磷富集特征[9, 10], 致使土壤磷素流失风险增加.
土壤磷流失临界值的确定是评价磷素流失风险的常用方法.确定土壤磷素流失临界值的方法包括田间实际观测和实验室模拟, 虽然前者与实际情况较为相符, 但现有的田间试验很难做到一种土壤既有较大的磷素水平差异, 又有足够的田间尾水磷素测定数据来估计两者的关系, 并且布置田间试验耗时长、工作量大, 难以大规模进行[11]; 而后者是根据土壤速效磷(Olsen-P)和易解吸磷(CaCl2-P)之间的关系, 确定土壤磷流失临界值[12], 该方法相对简单, 易于操作.
开封市是一个拥有2 700多年历史的文化名城, 市内拥有众多的城市湖泊和河流, 水域面积所占的比例高达7.4%[13].同时, 这些河流和湖泊亦是一个重要的旅游资源.研究开封城市土壤磷素的赋存特征及流失风险, 一方面可以提高对城市水体污染源的认识, 同时也为进一步保护城市水环境, 制定和完善水体污染防治政策和法规提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 样品采集与处理采样点的布设遵循“随机和等量”的原则, 同时统筹兼顾各种土地利用类型及其代表性.以500 m的网格划分整个开封市区, 然后在上述每个网格中心附近选取代表性绿地, 按“梅花形”布设5个子样点, 采集表层(0~10 cm)土壤样品.将其混合后, 按“四分法”舍弃多余样品, 最后保留1 kg左右的样品.共采集到96个土壤样品, 其中文教区39个、工业区20个、居民区16个、休闲区26个, 开发区5个(图 1).将采集的土样剔除枯枝落叶、根茎、动物残体等杂物后, 自然风干, 然后研磨过筛, 室温储存以备分析.
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图 1 开封城市及开发区土壤采样点分布 Fig. 1 Map of study area and sampling sites in Kaifeng City |
土壤pH按照1:2.5水土比混合, 用磁力搅拌器搅拌2 min, 静置0.5 h后采用pH计测定[14].土壤有机质采用重铬酸钾滴定法测定[14].土壤全磷(TP)的测定采用高氯酸-硫酸消解然后钼酸铵比色法[14].土壤无机磷(IP)的测定采用1 mol·L-1盐酸提取[14]; Olsen-P采用pH=8.5的0.5 mol·L-1NaHCO3溶液提取(GB 12297-1990); CaCl2-P利用0.01 mol·L-1 CaCl2溶液按照1:10土液比, 在20℃条件下振荡提取60 min[14]; IP、Olsen-P和CaCl2-P提取液均在6 000 r·min-1下离心10 min, 然后用Waterman GF-C滤膜过滤, 最后用分光光度法测定.
1.3 土壤磷素流失风险评价采用“突变点”方法计算土壤磷素流失临界值, 以此来评价开封城市土壤磷素流失风险.具体计算方法是以土壤的Olsen-P含量为横轴, CaCl2-P含量为纵轴, 采用分段线性模型拟合.以不偏离突变点为基础, 分别计算突变点前后的两段关系方程, 使高Olsen-P含量与CaCl2-P之间的关系方程斜率最大, 相关系数最高; 而低Olsen-P含量与CaCl2-P之间的关系方程斜率最小.再根据这两个方程计算其交点, 交点对应的Olsen-P含量即为土壤磷流失的临界值[12, 15].
1.4 数据的分析与处理样品分析均为3次重复的平均值.本研究中TP和Olsen-P的空间分布图基于反距离加权插值法, 利用ArcGIS 10.0软件绘制.其他数据处理及图表绘制分别采用Excel 2003和Origin 9.0完成.
2 结果与分析 2.1 开封城市土壤pH值及有机质的含量开封城市土壤pH值均明显高于7, 土壤碱化现象较为严重, 一方面与其成土母质关系密切, 同时城市化过程中水泥和石灰残渣等建筑垃圾也会提高土壤的pH值.从土壤pH值的空间分布看, 休闲区及工业区部分采样点土壤pH值空间变异明显高于其他功能区(图 2).土壤有机质在不同功能区含量变化范围为4.69~159.56 g·kg-1, 均值为33.80 g·kg-1, 工业区土壤有机质均值最大, 为64.8 g·kg-1, 并且采样点之间差异亦最大; 开发区土壤有机质含量最低, 为19.1 g·kg-1, 其他功能区土壤有机含量基本相当, 约为26.6~28.9 g·kg-1, 属低有机质土壤(图 2).这可能与开封城市土壤形成的背景土壤(潮土)自身的腐殖质化过程较弱有关.
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图 2 开封城市各功能区土壤pH和有机质含量箱须图 Fig. 2 Box-whisker plots of soil pH and organic matter in different regions of Kaifeng City |
开封城市土壤的TP为400~1 427 mg·kg-1, 均值为677 mg·kg-1(图 3).不同功能区土壤TP含量均值以居民区为最高, 达752 mg·kg-1, 但空间变异最大; 其他功能区土壤TP平均值较接近, 变化幅度均在10%以内.土壤IP含量在326~1 254 mg·kg-1, 均值为565 mg·kg-1, 占TP的65%~99%, 此表明IP是开封城市表层土壤磷的主要组成部分.在不同功能区, 土壤IP含量变化范围和TP变化基本上相一致, 最大值亦出现在居民区, 为652 mg·kg-1, 其他功能区IP的含量范围为526~570 mg·kg-1.土壤Olsen-P含量变化范围是3.41~115 mg·kg-1, 均值为23.1 mg·kg-1, 最高值是最低值的34倍, 空间变异非常大.在不同功能区中, 居民区Olsen-P含量仍是最高, 均值为31.7 mg·kg-1.但与TP和IP不同, 休闲区的Olsen-P含量远高于其他功能区, 这可能和休闲区草地管理过程中施肥有关.土壤CaCl2-P是指易从土壤中进入溶液或者地表径流的磷素, 其含量大小代表从固相向液相的磷迁移量.开封城市表层土壤中CaCl2-P含量为0.01~9.40 mg·kg-1, 平均值为1.05 mg·kg-1, 变异系数高达143.96%.在不同功能区中, CaCl2-P的分布与速效磷相同, 休闲区和居民区含量平均值最高, 分别为1.36 mg·kg-1和1.32 mg·kg-1, 郊区含量平均值最低, 仅为0.22 mg·kg-1(图 3).
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图 3 开封城市不同功能区土壤中不同形态磷分布 Fig. 3 Concentrations of different types of P in soils in Kaifeng City |
将各功能区土壤不同形态磷与有机质的含量进行相关分析, 仅居民区与开发区土壤TP与有机质的含量呈显著正相关, 其他形态的磷含量与有机质的关系均不显著(表 1).
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表 1 各功能区土壤不同形态磷与有机质含量的相关系数 Table 1 Correlations of different types of P and organic matter in Kaifeng City |
2.3 开封城市土壤磷素空间分布及流失风险分析
基于反距离加权插值法, 利用ArcGIS 10.0绘制出开封城市土壤TP和Olsen-P的空间分布图(图 4).由图 4可见, 开封城市土壤TP和Olsen-P均呈现出东高西低, 中心老城区高于新城区的分布特征, 这与开封城市工业布局及人口分布相吻合, 开封东区是老工业集中区, 中心城区人口密度较高, 而西部城区开发历史相对较短.
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图 4 开封城市土壤全磷和速效磷的空间分布 Fig. 4 Spatial distribution of TP and Olsen-P in surface soils in Kaifeng City |
开封城市土壤Olsen-P和CaCl2-P的分段回归方程分别为：
y=0.030 4x+0.094 3
y=0.077 2x-0.943 7,
式中, x代表土壤Olsen-P的浓度, y代表土壤CaCl2-P的浓度.两个回归方程的交点所对应的Olsen-P含量, 即土壤磷素流失临界值, 为22.18 mg·kg-1(图 5).该临界值在Rothamsted试验站不同试验地土壤磷素流失临界值(10~119 mg·kg-1)的变化范围内[12], 但略低于曾报道的北方不同土壤磷素流失临界值(23~60 mg·kg-1)[4, 16~18], 这表明开封城市土壤磷素淋失风险较高.
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图 5 开封城市表层土壤Olsen-P与CaCl2-P含量的关系 Fig. 5 Relationship between Olsen-P and CaCl2-P concentrations in surface soils in Kaifeng City |
为了更加确切地反映土壤磷素流失风险的空间差异, 本文把开封城市土壤磷素流失临界值和其他学者对北方土壤研究结果相结合, 将开封城市土壤磷素对受纳水体的潜在影响程度划分为3个等级, 即低风险(Olsen-P < 2.18 mg·kg-1)、中等风险(22.18 < Olsen-P < 60 mg·kg-1)和高风险(Olsen-P>60 mg·kg-1).依据该标准, 计算所属不同风险等级的采样点占总样品量的比例, 结果表明：居民区中、高风险水平样品所占比例最大, 多达43.7%;其次是休闲区, 中、高风险水平样品所占比例的达42.3%;而开发区和工业区缺少磷素流失高风险的样品.总体来看, 低风险水平所占比例为66.4%, 中、高风险水平样品所占比例分别为26.4%和7.3%(表 2).从流失风险等级空间分布看, 中心城区表层土壤磷素流失风险最高, 其次东部表层土壤磷素流失风险高于西部城区(图 6), 这也和土壤TP及Olsen-P的空间分布特征较为一致.
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表 2 开封城市不同功能区表层土壤磷素流失风险百分比/% Table 2 Risk of phosphorus loss in different soils in Kaifeng City/% |
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图 6 开封城市表层土壤磷素流失风险等级空间分布 Fig. 6 Distribution of the risk of phosphorus loss in surface soils in Kaifeng City |
城市土壤广泛分布于公园、道路、体育场、城市河道、城郊、垃圾填埋场、废弃工厂、矿山周围, 受人类活动影响强烈.它与农业土壤不同, 其缺少磷元素的输出途径, 例如农作物的收割, 日积月累会导致土壤养分循环失衡, 对城市水体存在潜在的污染威胁.开封城市土壤TP均值为677 mg·kg-1, 目前虽缺少其背景值, 但成杭新等[19]分析计算郑州市土壤磷素背景值范围是345~573 mg·kg-1, 平均值是459 mg·kg-1.郑州市和开封市相邻, 土壤均是河流沉积物受地下水位季节变化和耕作活动影响而形成的潮土, 因此两区域的土壤磷素背景值应基本相同.由此可知, 在人类活动的影响下, 开封城市土壤磷素的积累效应明显.
根据全国土壤营养盐质量分数分级标准, 开封城市土壤TP水平以3级和4级为主, 分布面积分别占城市总面积的54.5%和31.6%, 整体来看, 土壤磷含量处于中上水平, 这也和河南省土壤全磷水平等级相一致[20].与其他城市相比[10, 21~23], 开封城市土壤磷素水平背景值偏低, 这可能与开封周边土壤成土母质为粉砂质和砂质黄河冲积物有关.与TP不同, 开封城市土壤的Olsen-P基本上与其他城市持平[23~26], Olsen-P水平以2级和3级为主, 分布面积分别占城市总面积的39.1%和44.7%, 这可能和绿地管理过程中施用磷肥有关, 休闲区土壤Olsen-P含量高于其他功能区也证明了这一点.因此, 在保证绿化植物得到充分养分的前提下, 要减少磷肥的使用, 降低水土磷素流失风险.
对于城市土壤来说, 影响磷素含量与空间分布的因素不仅包括成土母质、土壤质地及土壤有机质等自然因素, 还包括人类活动、土地利用方式等非自然因素.居民区土壤不同形态磷的含量均高于其他功能区的原因, 可能与居民区人口密度大、日常生活垃圾堆放及生活污水排放等因素有关.土壤磷素流失受多种因素共同制约, 包括土壤pH、有机质以及不同的交换态离子含量等.已有研究表明, 土壤磷素流失临界值与pH呈抛物线型关系.土壤pH < 6.0时, 随土壤pH升高其临界值增加; 而当土壤pH>6.0时, 随土壤pH升高其临界值减小[27].开封城市土壤pH为8.42, 明显高于6.0, 这可能是影响开封城市表层土壤Olsen-P偏低的一个重要因素.目前, 学界对土壤有机质含量与磷吸附特性之间的关系看法并不完全一致.部分学者认为, 土壤有机质和活性铝的含量存在显著正相关关系, 土壤有机质含量越高, 金属离子吸附固定磷的能力越强, 固相态的磷就越难以进入液相状态[28]; 但有的学者观点与此相反, 认为土壤有机质可以降低铁铝的活性, 导致土壤吸附固定磷能力减小, 磷可更容易从固相流失进入液相, 使得临界值减小[29].对于开封城市土壤磷素而言, 仅居民区和开发区土壤TP和有机质关系显著, 其他形态磷与有机质虽然呈正相关, 但均不具有统计上的显著性.从流失风险空间分布看, 居民区和休闲区中高风险点所占比例较大, 工业区和休闲区则缺少高风险点, 这与土壤有机质含量的空间分布完全不同, 表明城市土壤有机质对土壤磷素流失风险的影响较小.
4 结论(1) 开封城市表层土壤TP变化幅度为400~1 427 mg·kg-1, 其中IP占65%~99%; Olsen-P和CaCl2-P含量变化范围分别为3.41~115.03 mg·kg-1和0.01~9.40 mg·kg-1.与土壤磷素背景值相比, 开封城市土壤磷素呈现明显集聚; 但与国内其它城市相比, 开封城市表层土壤TP含量偏低, 而Olsen-P的水平与其它城市基本上持平.
(2) 开封城市土壤TP和Olsen-P均呈现出东高西低、中心老城区高于新城区的空间分布格局; 在不同的功能区分布上, 居民区土壤各磷素形态含量水平均最高.
(3) 开封城市土壤磷素流失临界值对应的Olsen-P含量22.18 mg·kg-1, 66.4%的样点属于磷素流失的低风险水平; 26.4%的样品属于中风险水平; 7.3%的样品属于高风险水平.开封城市水体主要集中在市中心, 外源磷对湖泊水体磷负荷的贡献应该引起重视.
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