2021, Vol. 42
2. 武夷学院生态与资源工程学院, 武夷山 354300
2. College of Ecology and Resource Engineering, Wuyi University, Wuyishan 354300, China
氮、磷既是土壤中的养分元素, 又是水体中的限制性营养元素, 土壤和沉积物氮磷的分布调节着流域的生产力和生态系统功能[1].土壤和沉积物中的氮磷有效态是指能够进入环境并被吸收利用的氮磷, 直接影响植物和微生物的生长状态[2].土壤和沉积物有效态氮磷的分布不仅受制于流域氮磷的输入, 还受到它们理化性质的影响.因此, 研究不同流域水陆过渡带土壤和沉积物的有效态氮磷分布是评估流域环境现状的重要内容.
土壤和沉积物有效态氮磷可反映自然因素和人类活动方式对流域环境的影响.Huang等[3]的研究表明, 有效态氮磷含量及其分布与气候特征和植被覆盖等自然因素存在相关性, 但由于植被生长/凋落对土壤养分需求/供给的不确定性, 土壤有效态氮磷与生源要素的相关性较为复杂.Li等[4]的研究表明, 土壤性质、地形条件和植被分布等对区域氮磷分布均有显著贡献, 其中土壤变量贡献值最高.Zhao等[5]的研究表明, 洱海沉积物表层氮磷主要受人类活动和湖泊生态系统的双重影响, 表层沉积物磷氮的形态组成特征与当地人为活动的输入有关, 内源输入增加有利于有效态氮磷沉积.水陆过渡带(滨岸带)氮磷形态的转化及迁移程度均强于一般的陆地环境, 因此研究水陆过渡带氮磷分布及其环境效应还应考虑流域环境条件.有研究发现水陆间生源要素关系密切, 土壤磷增加将会导致沉积物磷含量升高[6], 上游滨岸带土壤有效态氮磷的陆源输入是沉积物氮磷的重要来源[7], 可以调节下游的养分输出[8]; 土壤有效态氮磷含量与地表径流氮磷形态存在一定的相关性[9], 干湿交替下的流域沉积物氮磷释放与其形态组成有关[10].
由此可知, 流域水陆过渡带的土壤和沉积物的氮磷有密切的联系, 然而以往对它们有效态分布和对比的研究较少, 二者在流域水陆过渡带的迁移变化及相关关系尚待深入分析, 且缺乏大流域尺度氮磷有效态对环境因素的响应研究[11].因此, 本文选定土壤性质和人类扰动有明显差异的闽江上游、太湖西部和洪泽湖西部这3个研究区的水陆过渡带, 对土壤和沉积物氮磷的有效态分布进行分析, 并探索其相互关系和影响因素, 考察流域环境对土壤和沉积物营养元素可利用性的影响, 以期为不同流域土壤养分管理和水生态环境保护提供依据.
1 材料与方法 1.1 研究区域概况研究区域包括闽江上游流域(东经118.035°~118.192°, 北纬25.795°~27.929°), 太湖西部流域(东经119.361°~120.130°, 北纬30.276°~31.546°), 洪泽湖西部流域(东经117.689°~118.464°, 北纬33.386°~33.716°), 采样点均分布在河流水陆交互带.
本研究3个区域的自然环境及社会经济活动有明显差异.就自然环境而言, 闽江上游水系含建溪、富屯溪、沙溪三大支流, 年平均气温为18.5℃, 年降水量约1 700~1 900 mm, 全年无霜期约为305 d[12]; 这一区域多为低山丘陵地貌, 山地丘陵占比高于90%; 森林覆盖率达75%, 土壤类型包括红壤、黄红壤和水稻土等, 以红壤居多, 土壤结构疏松, 多成碎屑状[13].太湖西部研究区主要涵盖溧宜河、合溪和东西苕溪等水系, 年平均降水量为1 100~1 400 mm, 降雨的季节性明显; 土壤类型以水稻土为主, 成土母质为黄土、冲积土和湖泊沉积物等[14].洪泽湖研究区年平均降水量约为927 mm[15], 土壤类型为褐土, 土壤母质以石灰岩为主, 土壤粘化作用明显, 洪泽湖西部的样点主要沿安河、濉河和淮河这3条河流分布, 地势平坦且主要为农业区.
闽江上游主要流经南平市和三明市的21县区, 经济作物如茶园和烟草等分布较广, 经济上主要为农业和旅游产业, 工矿企业受到限制[16].太湖西部研究区工农业发达, 人口较稠密, 农业主要种植方式为水稻和冬小麦轮作, 肥料的施用量较大[14].洪泽湖支流流经泗县、泗洪县和盱眙县等地, 以农业为主要产业, 耕地面积广, 粮食作物种植比重高, 经济作物比重低; 洪泽湖西部地区如泗洪县和泗阳县禽畜养殖比重较高[17].
1.2 样品采集与预处理本研究工作自2015年4月至2017年10月分别于3个研究区的河流滨岸带和邻近河流同步采集土壤样品及沉积物样品.采样点根据卫星地图初步布设样点后, 现场根据实际交通及地理位置确定.闽江上游共设置了55个采样点, 分别为建溪18个点、富屯溪20个点、沙溪17个点; 太湖西部共设置102个采样点, 其中东苕溪26个点、西苕溪25个点、合溪24个点和溧宜河27个点; 洪泽湖西部共设置了36个采样点, 分别为安河11个点、濉河12个点和淮河13个点(见图 1).
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图 1 研究区位置及样品分布示意 Fig. 1 Study area and sampling site distribution |
在清除凋落物后, 用铲子挖掘0~20 cm表层土壤, 每一采样点在30 m2内采集3处样品组成一个混合样品.在土壤采样点邻近的河流中, 以抓斗式采样器采集沉积物, 采样深度为0~10 cm, 同样采集3处沉积物组成混合样.采集的样品剔除碎石及植物根块, 放置在低温冷藏柜及时运到实验室, 部分土样自然风干后过2 mm筛用于pH值测定, 其余样品自然风干后磨碎, 过100目筛, 在纸质样品袋中低温下保存待测.
1.3 样品测定指标与测定方法土壤及沉积物样品测定指标包括pH值、有机质、常量元素(Fe、Al、Ca)、总氮(TN)、总磷(TP)、有效氮和有效磷.有机质采用烧失量法测定[18], pH值采用电极法测定(1∶5, 质量体积比)测定, 常量元素采用PW2424型X射线荧光仪(荷兰PANalytical公司)测定, 总氮采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定, 总磷采用钼锑抗比色法测定[19], 有效氮采用碱解扩散法测定, 有效磷采用Bray I法测定[20].
1.4 数据统计及分析方法利用Excel 2016对实验数据进行统计, 利用Origin2017制图和数据拟合分析, 利用SPSS 24进行单因素方差分析, 利用Canoco 5.0进行冗余分析.
2 结果与分析 2.1 不同研究区滨岸带土壤和邻近沉积物的理化性质滨岸带土壤理化性质测定结果如表 1所示, 闽江上游、太湖西部和洪泽湖西部样品的pH值分别为5.67~6.10、6.13~6.40和8.04~8.09.3个研究区土壤有机质含量大小为太湖西部＞洪泽湖西部＞闽江上游.Al2O3占比大小为太湖西部＞洪泽湖西部＞闽江上游, 闽江上游和太湖西部流域土壤Al2O3占比均低于对应的沉积物, 洪泽湖则相反.Fe2O3含量为闽江上游＞洪泽湖西部＞太湖西部.洪泽湖西部土壤CaO含量显著高于闽江上游及太湖西部土壤.
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表 1 闽江上游、太湖西部和洪泽湖西部研究区的土壤及沉积物理化性质1) Table 1 Physicochemical properties of soil and sediment in MJU, THW, and HZW |
3个研究区沉积物pH值分别为5.56~5.98、6.97~7.00和8.00~8.14, 其pH值及有机质的大小关系与土壤相似.沉积物Al2O3占比为闽江上游＞太湖西部＞洪泽湖西部.洪泽湖西部研究区Al2O3占比低于太湖及闽江流域, 且差异性较显著.沉积物Fe2O3含量为太湖西部＞洪泽湖西部＞闽江上游, 这与土壤稍有不同.洪泽湖西部CaO含量显著高于太湖西部及闽江上游流域, 其大小顺序与土壤相似.
2.2 不同研究区土壤和沉积物中总氮与总磷含量分布3个研究区土壤和沉积物中总氮与总磷含量如图 2所示.闽江上游、太湖西部和洪泽湖西部土壤的总氮含量均值分别为1 048、1 410和1 092 mg·kg-1, 土壤的总磷含量依次为736、1 002和655 mg·kg-1, 土壤总氮和总磷含量均为太湖西部流域最高, 3个流域整体总氮总磷含量均属于中等程度空间变异[21].
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图 2 闽江上游、太湖西部和洪泽湖西部研究区土壤及沉积物总氮和总磷含量 Fig. 2 Total nitrogen and total phosphorus content in soil and sediment samples from MJU, THW, and HZW |
闽江上游、太湖西部及洪泽湖西部沉积物总氮含量分别为779、1 075和1 132 mg·kg-1, 闽江、太湖和洪泽湖沉积物总磷含量分别为524、792和687 mg·kg-1.洪泽湖沉积物总氮含量较高, 太湖沉积物总磷含量较高.太湖西部和闽江上游均为土壤氮磷含量高于沉积物氮磷, 而洪泽湖西部则为沉积物氮磷含量高于土壤氮磷, 表明洪泽湖西部沉积物中外源输入和细粒氮磷含量显著高于太湖和闽江研究区[22].
2.3 不同研究区土壤和沉积物中有效氮与有效磷含量3个研究区土壤和沉积物中有效氮与有效磷含量如图 3所示.从中可知, 这些土壤和沉积物有效氮和有效磷含量的变化范围及差异明显大于总氮和总磷.
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图 3 研究区土壤及沉积物有效氮、有效磷含量分布及占比 Fig. 3 Distribution and proportions of available nitrogen and phosphorus in soils and sediments in the study area |
闽江上游、太湖西部和洪泽湖西部土壤有效氮含量(mg·kg-1)分别为: 13.0(6.21~24.9)、71.1 (34.9~142)和37.6(18.8~58.2); 土壤有效磷含量(mg·kg-1)分别为: 2.63(1.08~5.75)、23.8 (12.5~46.9)和15.7(5.85~19.5).土壤有效氮和有效磷均值大小均为太湖研究区＞洪泽湖研究区＞闽江研究区.单因素方差分析结果表明, 闽江上游流域土壤有效氮和有效磷与太湖西部和洪泽湖西部样品的差异显著(P < 0.05), 太湖与洪泽湖样品的差异性相对较小.
闽江上游、太湖西部和洪泽湖西部沉积物有效氮含量(mg·kg-1)为: 9.68 (4.81~19.2)、61.5(31.09~114)和61.2(29.04~94.58); 有效磷含量为: 3.35(1.60~6.66)、32.28(16.5~66.5)和23.90(9.77~41.1).闽江上游流域和太湖西部流域土壤有效氮高于沉积物有效氮, 而洪泽湖与之相反, 洪泽湖西部沉积物有效磷含量均高于土壤有效磷.
闽江上游、太湖西部和洪泽湖西部研究区土壤和沉积物有效态氮磷占比不同.闽江上游、太湖西部和洪泽湖西部研究区土壤有效氮占比分别为: 1.24%(0.426~1.88%)、5.14%(4.24~8.23%)和3.50%(1.65~5.33%); 沉积物有效氮占比分别为: 1.25%(0.501~2.25%)、5.74%(3.49~8.02%)和5.52%(3.11~8.90%).闽江上游、太湖西部和洪泽湖西部研究区土壤有效磷占比分别为: 0.355%(0.213~0.626%)、2.41%(1.60~4.20%)和2.40%(1.11~5.02%); 沉积物有效磷占比分别为: 0.648%(0.365~1.02%)、4.16%(1.29~7.91%)和3.75%(1.69~8.47%).土壤和沉积物有效态氮磷占比均为太湖研究区>洪泽湖研究区>闽江上游研究区, 有效氮占比高于有效磷占比.太湖西部和洪泽湖西部流域沉积物有效态氮磷占比均高于土壤占比, 表明沉积物中氮磷生物有效性高于土壤.
3 讨论 3.1 不同流域土壤与沉积物性质对氮磷及其有效态分布的影响为探究3个研究区土壤和沉积物性质对总氮、总磷、有效氮和有效磷的影响, 对这些参数进行冗余分析, 结果如图 4所示.
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图 4 研究区氮磷元素与理化性质的冗余分析 Fig. 4 Redundant analysis of nitrogen and phosphorus and physicochemical properties in the study area |
土壤样品冗余分析表明, 3个研究区pH值与有效态氮磷的相关性存在差异, pH值对闽江研究区氮磷影响较大, 与太湖和洪泽湖研究区氮磷相关性较小, 而闽江土壤整体呈酸性, 太湖和洪泽湖地区土壤中性偏碱性, 这表明在酸性条件下土壤有效态氮磷对酸碱度变化更为敏感.土壤有机质总量为太湖研究区最高, 但洪泽湖研究区有机质与有效态氮磷相关性明显更高, 这可能与洪泽湖研究区内滨岸带水产养殖分布密集有关, 水产养殖会促进土壤有机质和无机盐间的转化[23], 并通过改变浮游生物量影响有效态氮磷的产生和吸收[24].闽江研究区土壤有机质总量偏低且与氮磷有效态相关性较小.闽江研究区植被以杉木林和毛竹林为主, 而杉木林凋落物有机质难于分解, 毛竹林凋落物虽易分解但对有效磷存在抑制作用[25].
与铁铝氧化物等金属氧化物结合转化为难溶性磷酸盐是有效磷固存的重要方式, 冗余分析表明, 3个研究区土壤有效磷与铁铝氧化物均为正相关, 但是影响程度存在差异.其中铁铝氧化物与闽江有效态磷相关性最强, 这表明温暖潮湿地区铁、铝原子更易形成对磷吸附性很强的铁铝氧化物晶体[26], 因为闽江研究区气候相对温暖潮湿且阔叶林植被提高了土壤水源涵养能力.太湖研究区金属氧化物对有效态氮磷的影响程度高于洪泽湖, 采样时发现洪泽湖研究区除刺槐、泡桐和白杨等零星树木外, 耕地作物分布广泛, 且施肥量偏大, 农业活动周期性氮磷养分输入影响氮磷与金属矿物的相关性[27].洪泽湖研究区土壤氧化钙含量很高且与有效磷含量呈现正相关, 而氧化钙与太湖和闽江有效磷呈负相关, 这应当与洪泽湖地区碱性土壤母质有关.除闽江研究区外, 金属氧化物对土壤有效氮的影响程度均较低, 一方面氮素相对于磷素稳定性较差, 另一方面反映了人类活动强度对有效氮的干扰, 除农业面源输入氮素外, 太湖研究区城市扩张导致水陆交互带植被覆盖显著降低, 一定程度上亦会影响氮素周转[28].
各流域沉积物冗余分析表明, 金属氧化物对沉积物氮磷及其有效态影响程度小于对土壤氮磷的影响.有研究表明, 若沉积物富含铁铝氧化物, 有效态养分释放可能会因吸附和絮凝作用而受到抑制, 铁氧化物颗粒可以吸收可溶性磷并沉淀至沉积物中[29], 但本研究中铁铝氧化物与沉积物有效态氮磷为正相关或相关性较弱, 表明铁铝氧化物对有效态氮磷的影响受到其他因素干扰.一方面水-沉积物界面氧化还原电位、pH值、盐度和金属离子影响氮磷沉降[30], NO3-还原会引起Fe2+氧化, 从而增加沉积物中PO43-的固定, SO42-浓度过高会增加水体中的PO43-及NH4+[31].另一方面太湖及洪泽湖流域大量船只通行造成水流扰动及不同种类经济作物生长也会影响有效态氮磷的吸附及释放.
由图 4中箭头方向可知, 太湖及洪泽湖沉积物中有机质与有效态氮磷均为正相关, 而在闽江沉积物中为负相关.闽江沉积物中总有机质含量较低, 分解低碳养分残留物可持续供应无机磷, 而大分子养分残留与矿化释放磷较少[32], 沉积物中有机质可与无机质形成复合胶体, 并与腐殖质结合, 为磷酸盐提供吸附点位, 并且有机质释放的氢离子促使铁和铝矿物表面质子化, 可提高金属矿物对磷酸盐的吸附性[33].
3.2 土壤氮磷有效态与沉积物氮磷有效态的关联性分析为探究滨岸带土壤中有效态氮磷对沉积物中有效态氮磷的影响, 分别对闽江上游、太湖西部和洪泽湖西部流域土壤有效态氮磷及对应的沉积物指标进行线性拟合分析, 结果如图 5所示.
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图 5 研究区土壤及沉积物有效氮和有效磷的关联性分析 Fig. 5 Correlation analysis of available nitrogen and phosphorus in soil and sediments in the study area |
结果表明, 不同流域土壤有效态氮磷与沉积物氮磷含量均具有较强的正相关性.有效氮拟合直线斜率为: 洪泽湖西部(1.23) > 太湖西部(0.79) > 闽江上游流域(0.75);有效磷拟合直线斜率为: 洪泽湖西部(1.23) > 太湖西部(1.22) > 闽江上游流域(0.76).同一流域沉积物有效氮磷含量随土壤有效氮、磷增长而增加的趋势近似, 增长趋势为洪泽湖>太湖>闽江.洪泽湖西部和太湖西部水陆交互带存在大量农田, 土壤有效氮磷含量较高, 从而增加了沉积物有效氮磷富集风险[34].闽江上游流域土壤有效磷对沉积物有效磷和有效磷相关性效果较差, 闽江上游林地植被凋落物分解速率相对较低, 导致有效磷浓度整体较低, 且闽江上游流速较快, 沉积物氮磷易受水力扰动再悬浮[11].闽江和太湖流域土壤有效氮含量均高于沉积物含量, 沉积物有效态氮磷与土壤有效态氮磷相关性极强, 表明沉积物中有效态氮磷主要来源于土壤输入, 有效态氮磷在土壤和沉积物介质间发生了迁移作用.而洪泽湖研究区土壤有效态含量低于沉积物含量, 由于近岸农作物和水生植物吸收了更多的有效态氮磷, 且有机质转化速率较高.
3.3 流域环境对水陆过渡带氮磷有效态的影响分析3个研究区水陆过渡带有效态氮磷总量均为太湖西部 > 洪泽湖西部 > 闽江上游, 其中闽江流域有效态氮磷总量显著较低, 这应当是流域自然环境和社会环境共同作用的结果.3个研究区气候条件、水文条件、植被种类等自然环境存在较大差异.3个研究区中, 闽江研究区水陆过渡带土壤质地疏松, 砂粒含量较高, 因而受到的水力侵蚀程度最大, 有效态氮磷易溶于水体而流失[35], 此外, 闽江研究区主要植被毛竹林和杉木林产生的凋落物返回土壤的有效态养分含量较耕地作物偏低.本研究表明, 土壤和沉积物性质对氮磷有效态的影响程度以及土壤和沉积物有效态氮磷间的关联性存在较大差异, 即在不同的自然条件下, 环境因子对人类活动的响应及其对氮磷有效态的影响不尽相同.
太湖西部氮磷和有效态氮磷含量均高于其他两个流域.太湖西部流域人口密度高、经济较为发达.水陆过渡带生产生活累积排放的氮磷总量相对较高, 土壤和沉积物性质与有效态氮磷的相关性偏低.闽江上游研究区植被茂密, 居民住宅距离河岸较远, 且较为分散, 相应的有效态氮磷占比均较低.这表明水陆过渡带氮磷有效态分布与人类活动强度变化趋于一致[36].闽江上游研究区土壤有效态氮磷与土壤性质的相关性相对较高, 反映了水陆过渡带在人为干扰较小的情况下土壤性质显著影响有效态氮磷分布.
洪泽湖西部流域水陆过渡带多有芦苇和水花生等植物, 河岸带宽窄不一, 以农田及草地为主, 林地较少, 多处存在鱼类和螃蟹等水产养殖以及禽畜养殖, 施肥等人类活动直接影响水陆过渡带生态环境, 促进表层沉积物中氮磷的富集[37], 同时降低了有效态氮磷与土壤性质的相关性, 增强了土壤有效态氮磷与沉积物间的关联性, 反映出近岸农业生产对水陆过渡带氮磷周转影响极大.
太湖流域苕溪支流作为水源保护地区, 近年来加大了水土保持和水污染治理的力度, 水质整体较好[38], 对应于其上游沉积物氮磷含量未见显著增高.闽江上游主要流经地区均为人类活动强度较弱的地区[39], 闽江上游流域水陆过渡带的有效氮、磷含量均显著低于其他两个流域, 这表明整体生态环境特点与水陆过渡带有效态氮磷含量有关联.
此外, 3个研究区滨岸带沉积物有效态氮磷占比均高于邻近土壤, 这体现了水陆过渡带土壤养分向水体及沉积物中的迁移, 有效态氮磷稳定性相对较低, 因而与土壤相比, 沉积物中富集氮磷物质更易成为水体的潜在污染源[40].
4 结论(1) 太湖西部研究区土壤氮磷总量均高于其他两个流域.洪泽湖土壤总氮总磷分布与闽江上游差异性较小, 洪泽湖西部沉积物氮磷含量均高于土壤.水陆过渡带物质有效态氮磷分布趋势整体与总氮总磷分布趋势一致.太湖西部和洪泽湖西部有效态氮磷占比远高于闽江上游流域, 沉积物有效态氮磷占比高于土壤.
(2) 3个研究区土壤理化性质如pH值、有机质及金属氧化物等对土壤氮磷元素及其有效态均有重要影响, 但影响程度不尽相同.闽江土壤中铁铝氧化物与氮磷元素相关性更强, 而洪泽湖和太湖研究区有效态氮磷与土壤性质相关性较低.
(3) 沉积物有效态氮磷含量和水陆过渡带土壤密切相关, 二者的分布趋势大体一致, 可见滨岸带中土壤有效态氮磷含量分布将对附近水体水质产生显著影响.
(4) 流域环境条件对水陆过渡带氮磷分布具有较大的影响, 氮磷分布与人类活动方式密切相关, 外源物质输入会导致水陆过渡带氮磷总量及其有效态的大量增加, 在不同的自然条件下, 环境因子对人类活动的响应及其对氮磷有效态的影响差异较大.
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