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(yíng)養(yǎng)化

第二次全國(guó)湖泊調(diào)查顯示，我國(guó)138個(gè)面積大于10 km2的湖泊中超過(guò)富營(yíng)養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)的占85.4%，且40.1%的湖泊達(dá)到了重富營(yíng)養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)[1]。在我國(guó)統(tǒng)計(jì)的湖泊中，因氮磷污染而富營(yíng)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(duì)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的分析有重要意義。

1.1.1 富營(yíng)養(yǎng)化的定義

湖泊富營(yíng)養(yǎng)化是指由于人類活動(dòng)，使湖泊中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大量增長(zhǎng)，導(dǎo)致藻類等水生生物過(guò)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(yíng)養(yǎng)化的成因

國(guó)際上關(guān)于富營(yíng)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(huì)”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(guò)量繁殖引起水體富營(yíng)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(guò)多排入水體消耗水中的氧造成水中魚(yú)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(yíng)養(yǎng)化的關(guān)系

湖泊中限制藻類繁殖的營(yíng)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(lái)說(shuō)，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(zhǎng)時(shí)，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(shí)，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(yíng)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(yíng)養(yǎng)化的湖泊水庫(kù)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(yíng)養(yǎng)化的主要因素，對(duì)于亞熱帶、溫帶地區(qū)的湖泊等水體而言，磷才是富營(yíng)養(yǎng)化的主要限制因素[15,16]，蔡龍炎等[17]在我國(guó)湖泊氮磷時(shí)空分布的研究中經(jīng)過(guò)對(duì)全國(guó)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(yíng)養(yǎng)化與內(nèi)源磷釋放

湖泊內(nèi)源磷是營(yíng)養(yǎng)物經(jīng)過(guò)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(huì)釋放出來(lái)并造成湖泊磷增長(zhǎng)。

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(dòng)等都對(duì)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(lái)源

近年來(lái)，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(lái)源，中國(guó)主要湖泊中超過(guò)50%的磷來(lái)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(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自60年代以來(lái)，由于化肥的施用和畜牧業(yè)發(fā)展造成我國(guó)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(zhǎng)由原來(lái)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(duì)磷肥的利用率低，一般情況下，通過(guò)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(zhǎng)，農(nóng)民仍偏愛(ài)施加氮、磷肥，造成土壤中磷元素盈余[27]，土壤中的磷通過(guò)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(guò)土壤向水生生態(tài)系統(tǒng)移動(dòng)[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(wàn)t[31]，對(duì)水體水質(zhì)造成很大影響。

因此，控制湖泊周邊磷的來(lái)源成為控制湖泊富營(yíng)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(guó)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(huì)對(duì)磷元素的空間分布帶來(lái)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(duì)土壤的吸附作用都有顯著的影響[35]。

錢(qián)進(jìn)等[36]發(fā)現(xiàn)降雨、河水水位以及地下水水位對(duì)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(huì)降低土壤對(duì)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(guò)土壤磷元素淋失臨界值時(shí)，流向水體中的磷含量上升[38]，這個(gè)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(shí)，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(lái)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?rùn)，旱雨季節(jié)分明，植被稀疏，土壤主要為沙壤土。

采樣過(guò)程嚴(yán)格遵守HJ/T166—2004《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[39]，采用網(wǎng)格布點(diǎn)法采集40個(gè)樣品，每個(gè)采樣點(diǎn)采用對(duì)角線法進(jìn)行布點(diǎn)，設(shè)5個(gè)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(cè)定采用HJ 632—2011《土壤總磷的測(cè)定 堿熔-鉬銻抗分光光度法》[40]。

樣品pH值測(cè)定采用NY/T 1121.2—2006《土壤檢測(cè)第2部分：土壤pH的測(cè)定》[41]。

樣品陽(yáng)離子交換量測(cè)定采用LY/T 1243—1999《森林土壤 陽(yáng)離子交換量的測(cè)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(guò)對(duì)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(gè)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(guó)土壤總磷的范圍值200～1000 mg/kg，我國(guó)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(duì)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(jí)和Ⅵ級(jí)，其中，40個(gè)樣點(diǎn)中，Ⅴ級(jí)的土壤樣點(diǎn)僅為2個(gè)，研究區(qū)總磷含量絕大部分為Ⅵ級(jí)，屬于總磷含量缺乏區(qū)域。

表2 全國(guó)第二次土壤普查土壤養(yǎng)分分級(jí)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(wú)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(shí)GPS定位得到的經(jīng)緯度和對(duì)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(shì)，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(yáng)離子交換率（CEC）及土壤pH對(duì)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(zhǎng)，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(méi)有明顯相關(guān)性。

表4 研究區(qū)域磷含量與pH值、陽(yáng)離子交換量之間的相關(guān)性

表5 CEC分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

陽(yáng)離子交換量（CEC）是指土壤能吸附和交換的陽(yáng)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(jí)標(biāo)準(zhǔn)[43]。在該研究區(qū)陽(yáng)離子交換量平均值為10.6 mmol/kg，由圖4可看出，陽(yáng)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(yáng)離子交換量均小于100 mmol/kg，根據(jù)分級(jí)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(yáng)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(cè)，研究區(qū)域土壤磷含量偏低是由于土壤陽(yáng)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(guó)土壤總磷的范圍值200～1000 mg/kg；

⑵ 從克里金分布圖來(lái)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(shì)；

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(wú)明顯相關(guān)性；

⑷ 該研究區(qū)陽(yáng)離子交換量均值為10.6 mmol/kg，且所有樣點(diǎn)陽(yáng)離子交換量均小于100 mmol/kg，陽(yáng)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）。