卿小燕，郭 蕾，趙克瓊，吳曉妮

(1.云南高科環(huán)境保護(hù)科技有限公司，云南 昆明 650000；2.云南省昆明市盤龍區(qū)水務(wù)局，云南 昆明 650051；3.昆明學(xué)院 農(nóng)學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院,云南 昆明 650214)

面源污染一直是水體富營養(yǎng)化的主要來源，由于污染源頭多、范圍廣、污染的產(chǎn)生和輸移過程復(fù)雜、時空變動不確定等特點(diǎn)，成為湖泊污染削減和環(huán)境治理的難題[1-3]。作為土壤中的主要生態(tài)因子，氮與磷因不同土地利用方式而導(dǎo)致其生態(tài)系統(tǒng)中元素生物地球化學(xué)循環(huán)各異，加上外部的人為耕作制度與管理措施更加劇了土壤氮、磷含量的諸多不確定性[4-6]。目前，很多研究已對不同流域內(nèi)的不同土地利用方式下的土壤理化性質(zhì)進(jìn)行了分析，如在流域或集水區(qū)尺度上對不同土地利用類型土壤氮、磷的研究[7-8]。大多數(shù)研究結(jié)果表明，不同土地利用方式對土壤養(yǎng)分含量具有顯著的影響。土壤中養(yǎng)分含量的高低作為面源污染的“源”常常決定了面源污染輸移過程中的強(qiáng)度和通量[9]。因此，了解流域內(nèi)重點(diǎn)保護(hù)區(qū)或脆弱區(qū)內(nèi)不同土地利用類型及其變化對土壤理化性質(zhì)的影響，對掌握土壤肥力現(xiàn)狀、合理管理土地資源、改善水質(zhì)環(huán)境等具有重要意義。

松華壩水源保護(hù)區(qū)是我國第一個飲用水資源保護(hù)區(qū)，既是昆明市重要飲用水源地，也是滇池水源最主要的匯水區(qū)，松華壩水庫水體的水質(zhì)直接影響著滇池水體水質(zhì)。因此，松華壩水源保護(hù)區(qū)水資源保護(hù)利用和水環(huán)境污染防治工作尤為重要。但由于該區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)面源污染導(dǎo)致過量營養(yǎng)元素輸入到水體中，增加了該水庫水質(zhì)富營養(yǎng)化狀態(tài)的風(fēng)險，進(jìn)而威脅昆明市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會穩(wěn)定[10]。為了減少農(nóng)業(yè)面源污染對水體的影響，部分農(nóng)田實(shí)施了“退耕還林還濕地”，以期減少氮、磷污染的輸移。為了了解不同農(nóng)田利用方式下土壤理化性質(zhì)的變化，本研究選取傳統(tǒng)種植的農(nóng)田(菜地與玉米種植)及“田改林”地為研究對象，對其主要理化性質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測分析，為探明不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分變化及農(nóng)業(yè)面源污染防控提供科學(xué)依據(jù)，并支持該區(qū)域生態(tài)清潔小流域的建設(shè)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于昆明市主城區(qū)東北部13 km處，地處鐵沖小流域(102°45′55″～102°50′15″ E，25°22′24″～25°26′13″ N)，屬松華壩水庫水源區(qū)。該小流域?qū)俦眮啛釒Ш团瘻貛Щ旌闲蜌夂颍骄０?250 m，屬淺切割低山丘陵中輕度流失區(qū)。多年平均氣溫13.5 ℃,流域降水集中，干濕季節(jié)分明，多年平均降雨量為1042.5 mm。一般雨季(5～10月)降水占全年降水量的87%。該小流域土壤主要是由砂巖、砂頁巖、灰?guī)r風(fēng)化形成的紅壤和紅壤性水稻土。山地區(qū)的主要植被為常綠闊葉林、落葉闊葉林、針葉林、灌木林地。由于位于昆明市重點(diǎn)水源保護(hù)區(qū)，流域內(nèi)農(nóng)田種植方式主要以傳統(tǒng)蔬菜、玉米(Zeamays)、蠶豆(Viciafaba)、馬鈴薯(Solanumtuberosum)等糧食作物為主，重點(diǎn)保護(hù)區(qū)內(nèi)的農(nóng)田根據(jù)政策退田還林，主要種植楊樹(PopulusL.)、中山杉(Ascendensmucronatum)等喬木。

1.2 樣品的采集與測定

基于前期不同土地利用格局，選擇廣泛分布的蔬菜種植地(蔬菜地)、玉米種植地(玉米地)、田改林地(林地)作為主要土地利用類型，每種利用類型選擇3塊代表性樣地(20 m×20 m)，每個樣地之間相距至少1 km。土地利用情況及人工管理措施等見表1。分別于2018年7月、9月、11月對每個樣地內(nèi)土壤進(jìn)行采樣，樣品采集按照S形多點(diǎn)混合的原則。每一點(diǎn)根據(jù)土壤深度采0～20 cm和20～40 cm土壤層的樣品。所有樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，去除作物根系、石礫、有機(jī)殘體等雜物后，過篩保存并進(jìn)行相關(guān)的指標(biāo)分析。

表1 不同土地利用類型樣地的基本情況

土壤樣品測定包括物理性質(zhì)(容重、含水量及其土壤持水性能)和化學(xué)性質(zhì)(pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、全磷和有效磷)。其中容重、含水量、持水性能采用環(huán)刀法測定；pH值利用酸度計進(jìn)行測定；土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定；土壤全氮采用半微量凱氏定氮法測定；土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮分別采用紫外分光光度法和納氏比色法測定；土壤全磷和有效磷分別采用酸溶-鉬銻抗比色法和雙酸浸提-鉬銻抗比色法測定[11]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

為了比較不同土地利用方式、采樣時間、土壤深度對不同土壤參數(shù)的影響，利用多元方差分析(Three-way ANOVA)進(jìn)行統(tǒng)計，并利用方差分析，重點(diǎn)比較不同土地利用方式之間土壤理化性質(zhì)的差異。數(shù)據(jù)使用SPSS 21.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。為了解不同土地利用方式對土壤理化性質(zhì)的綜合影響，本研究采用均值化評價方法[12]，計算公式為：X=Xi/Mi，其中X為量綱化后的值；Xi為實(shí)際土壤某理化參數(shù)值；Mi為土壤某理化參數(shù)均值。

按各項(xiàng)土壤各參數(shù)得分逐項(xiàng)相加得出不同土地利用方式對土壤理化性質(zhì)的綜合影響系數(shù)：W=X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9，其中，W為土地利用方式對土壤理化性質(zhì)的綜合影響系數(shù)；X1～X9分別為無量綱化的土壤容重、含水量、pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、全磷和有效磷；為了量化9個土壤理化參數(shù)在綜合影響系數(shù)中的相對貢獻(xiàn)，分別用X1～X9除以W得出每個參數(shù)指標(biāo)的相對貢獻(xiàn)比例。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式下土壤理化性質(zhì)的多因素方差分析

多因素方差分析表明，不同土地利用方式、月份、土壤深度及其交互作用對大多數(shù)土壤理化性質(zhì)具有顯著的影響(表2)。從表2可看出，土地利用方式和土壤深度對所有9個理化參數(shù)均有顯著影響(P<0.01)；除pH值和有機(jī)質(zhì)外，月份對其他7個理化參數(shù)也具有顯著影響(P<0.05)。除此之外，土地利用方式與月份、土地利用方式與土深的交互作用對大多數(shù)土壤理化性質(zhì)也具有顯著影響；相比而言，月份與土深、土地利用方式與月份和土深的交互作用對土壤理化性質(zhì)影響相對較小。雖然月份與土深對土壤理化性質(zhì)具有顯著影響，但由于月份與土壤深度相對是不可控因素，故本研究重點(diǎn)分析不同土地利用方式對土壤理化性質(zhì)的影響。

表2 土地利用方式(LU)、月份(M)及土壤深度(SL)影響土壤理化性質(zhì)的方差分析

2.2 不同土地利用方式對土壤物理性質(zhì)的影響

不同土地利用方式下的土壤容重見圖1。從不同土地利用方式來看，7月份林地土壤容重顯著高于農(nóng)田土壤(菜地與玉米地)；9月份林地土壤容重仍保持最高，11月份3種土地利用方式下土壤表層的容重未呈現(xiàn)顯著差異。從不同土壤深度來看，20～40 cm土層的土壤容重整體上高于表層0～20 cm的土壤。從時間動態(tài)來看，在主要生長期內(nèi)農(nóng)田(菜地與玉米地)土壤的容重呈增加趨勢，而林地土壤容重相對保持恒定。在農(nóng)田種植過程中，常通過人為松土改善土壤通氣狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致土壤容重較低，而林地由于無松地現(xiàn)象，故土壤容重較高[13]。

通過對比不同土地利用方式下土壤的涵養(yǎng)能力發(fā)現(xiàn)：玉米地的飽和含水量和田間持水量最高，其次為菜地，林地的土壤飽和含水量及田間持水量最低(圖2)。方差分析表明，農(nóng)田土壤的飽和含水量顯著高于林地，玉米地的田間持水量顯著高于林地，這主要是由于農(nóng)田松土導(dǎo)致較低的容重所致[13]。不同土地利用方式下土壤含水量的變化特征表明：在7月份3種土地利用方式下的土壤含水量相似，無顯著差異(P>0.05)；在9月和11月林地的土壤含水量顯著高于農(nóng)田；從不同土層來看，土壤表層的土壤含水量普遍低于20～40 cm土層；從時間動態(tài)變化來看，3種土地利用方式下土壤水分呈現(xiàn)先增加后減低的趨勢(圖3)?？傮w來看，林地的土壤含水量比農(nóng)田高，說明林地由于具有較多的地上植被，水分涵養(yǎng)能力較高，水分蒸散發(fā)相對較少；而農(nóng)田地表相對裸露性較高，水分散失較多，導(dǎo)致地表的土壤水分含量明顯低于林地[8,13]。

圖2 不同土地利用方式下土壤飽和含水量及田間持水量比較

圖3 不同土地利用方式下土壤含水量及其變化

不同土地利用方式下土壤pH值對比發(fā)現(xiàn)：林地的pH值稍高于農(nóng)田(菜地與玉米地)，7月與9月，20～40 cm土壤層的pH值比表層0～20 cm土層略高，而11月份，20～40 cm土壤層的pH值比表層0～20 cm土層略低(圖4)；通過方差分析表明：7月和9月份林地20～40 cm土壤層的pH值顯著高于農(nóng)田，而在11月份，林地0～20 cm土層的pH值顯著高于菜地與玉米地0～20 cm土壤層(P<0.05)；整體而言，pH值相對保持穩(wěn)定，其變異程度較低(圖4)。不同土地管理方式是導(dǎo)致土壤pH值發(fā)生變化的重要因素。在農(nóng)田土壤中由于使用化肥，導(dǎo)致土壤pH值降低，尤其是氮肥，在轉(zhuǎn)化過程中常伴隨NH4+和H+的釋放，導(dǎo)致土壤pH值降低，相對而言，林地pH值相對保持穩(wěn)定，可能與林地內(nèi)腐殖層的有機(jī)質(zhì)分解有關(guān)[14-15]。

圖4 不同土地利用方式下土壤pH值及其變化

2.3 不同土地利用方式下對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

通過比較不同土地利用方式下土壤有機(jī)質(zhì)含量，可發(fā)現(xiàn)林地土壤中的有機(jī)質(zhì)含量普遍高于農(nóng)田(菜地與玉米地)(圖5)，這與不同土地管理方式有關(guān)，農(nóng)田由于人為取走地上蔬菜及玉米，導(dǎo)致無凋落物輸入，即便蔬菜地有少量農(nóng)家肥輸入，但輸入量仍少于無人為干擾的林地，林地內(nèi)樹種為落葉闊葉樹種，每年旱季大量凋落物輸入土壤，導(dǎo)致有較高的凋落物層，進(jìn)而提高了土壤有機(jī)質(zhì)的含量[8,15]，土壤表層有機(jī)質(zhì)含量高于底層主要與凋落物及農(nóng)家肥直接輸入到地表層密切有關(guān)；通過動態(tài)變化來看，有機(jī)質(zhì)含量變化幅度并不明顯(圖5)。

圖5 不同土地利用方式下土壤有機(jī)質(zhì)含量及其變化

不同土地利用類型下，土壤全氮、硝態(tài)氮及銨態(tài)氮的變化特征見圖6。不同土地利用方式比較可以發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田(菜地與玉米地)0～20 cm土壤的全氮、硝態(tài)氮及銨態(tài)氮含量在7、9、11月份均顯著高于林地，對于20～40 cm土層除11月份外，其他月份也表現(xiàn)為農(nóng)田土壤全氮、硝態(tài)氮及銨態(tài)氮含量顯著高于林地，一方面與農(nóng)田施肥有關(guān)，另一方面與林地植物生長對土壤氮吸收及氮礦化速率增加有關(guān)。5～10月份是該區(qū)域生長期，水熱條件良好，林地氮礦化速率增加并伴隨植物快速生長，故導(dǎo)致土壤氮含量降低[16]；對于不同土層而言，3種土地利用方式尤其是農(nóng)田土壤，其表層的全氮、硝態(tài)氮及銨態(tài)氮含量均高于底層土壤；從時間動態(tài)變化來看，農(nóng)田土壤硝態(tài)氮含量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，這可能與土壤微生物有關(guān)，尤其是硝化細(xì)菌。9月份硝態(tài)氮含量高一方面與施肥有關(guān)，另一方面與土壤硝化作用的影響也有一定關(guān)系[17]。相對而言，銨態(tài)氮在時間動態(tài)上變化幅度較小。

圖6 不同土地利用方式下土壤全氮、硝態(tài)氮及銨態(tài)氮含量及其變化

對比不同土地利用方式下的土壤全磷及有效磷變化，從圖7可以發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田(菜地與玉米地)土壤全磷含量顯著高于林地土壤，其中表層土壤與底層土壤全磷含量差異不大，在生長期內(nèi)土壤全磷相對保持穩(wěn)定，變化幅度較小(圖7)。而對于有效磷而言，除7月份菜地與林地表層土壤有效磷無顯著差異外，其他月份及土壤層次下農(nóng)田(菜地與玉米地)土壤有效磷含量均顯著高于林地土壤(P<0.05)；土壤表層有效磷含量除9月份的林地外，其他表層土壤有效磷含量均明顯高低20～40 cm土層；從動態(tài)變化看，農(nóng)田土壤表層的有效磷含量呈增加趨勢，而20～40 cm土層的有效磷相對變化幅度不大，相對保持穩(wěn)定(圖7)。農(nóng)田全磷及有效磷含量比林地高的主要原因主要與農(nóng)田施肥有關(guān)。與全磷相比，土壤有效磷含量受人為耕作、施肥等措施的影響更為顯著。隨著雨季的進(jìn)行，農(nóng)田表層土有效磷呈現(xiàn)增加的趨勢，而林地表層土壤有效磷呈現(xiàn)先下降后增加的趨勢?？傮w而言，土壤有效磷含量的變化與施肥及林地礦化及徑流養(yǎng)分流失等相關(guān)[8,15,18]。

圖7 不同土地利用方式下土壤全磷及有效磷含量及其變化

2.4 不同土地利用方式對土壤理化性質(zhì)的綜合影響

對比不同土地利用類型對土壤理化性質(zhì)的綜合影響系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，所有月份及不同土壤層次內(nèi)的綜合影響系數(shù)依次為菜地、玉米地、林地(表3)，說明農(nóng)田土壤理化性質(zhì)比林地較好。但對不同土壤參數(shù)在綜合影響中的貢獻(xiàn)比進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，菜地和玉米地中有效態(tài)氮、有效磷占據(jù)最高的貢獻(xiàn)比，而林地中有機(jī)質(zhì)及含水量占據(jù)最高的貢獻(xiàn)比(表3)。通過對3個月進(jìn)行綜合分析，同樣發(fā)現(xiàn)農(nóng)田對土壤理化性質(zhì)的綜合影響比林地高，其中表層與底層土壤中菜地中硝態(tài)氮在綜合影響中的貢獻(xiàn)比最高，分別為0.14和0.15；玉米地中有效磷的貢獻(xiàn)比最高，在表層與土壤底層其貢獻(xiàn)比分別為0.14和0.15；對于林地，有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)比最高，分別為0.17和0.15。通過表3可以發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田理化性質(zhì)較好，可利用有效態(tài)氮、有效態(tài)磷貢獻(xiàn)比例較高；而林地理化性質(zhì)相對農(nóng)田而言較差，但有機(jī)質(zhì)貢獻(xiàn)比例較高。

表3 不同土地利用類型對土壤理化性質(zhì)的綜合影響系數(shù)及土壤參數(shù)在綜合影響中的貢獻(xiàn)比

從土壤理化性質(zhì)來看，基于不同土地利用類型對土壤理化性質(zhì)的綜合影響系數(shù)及各個參數(shù)在其中的貢獻(xiàn)比例，可以看出該流域內(nèi)農(nóng)田土壤理化性質(zhì)要好于林地，這主要與農(nóng)田人為管理措施密切相關(guān)，外源性可利用性的氮、磷養(yǎng)分的輸入及外部松土等措施增加了土壤理化性質(zhì)[8,15,17]。相對而言，林地只能通過自身生物地球化學(xué)循環(huán)來改善自身土壤理化性質(zhì)，由于林地幾乎無人為干擾，加上原來立地殘留的土壤養(yǎng)分，導(dǎo)致林地生長速率較快，進(jìn)而形成較高的凋落物層，提升了土壤的有機(jī)質(zhì)含量，但林地對原有農(nóng)田土壤的改善效益，一方面需要較長時間得以體現(xiàn)，另一方面無外部養(yǎng)分的輸入也是導(dǎo)致林地土壤理化性質(zhì)低于農(nóng)田的另一主要原因[8,15,16]。

從面源污染輸移及防控角度分析，農(nóng)田盡管具有較好的土壤理化性質(zhì)，但養(yǎng)分多以有效利用態(tài)存在，加上地上無較好的地被層及良好的群落結(jié)構(gòu)，氮、磷養(yǎng)分極易通過地表或地下徑流向外輸出，進(jìn)而增加水體的富營養(yǎng)化風(fēng)險[18]；而林地卻可以通過良好的群落結(jié)構(gòu)減少地表徑流量的產(chǎn)生，并通過積累有機(jī)質(zhì)慢慢改善土壤理化性質(zhì)及土壤結(jié)構(gòu)，進(jìn)而有效提升土壤質(zhì)量，達(dá)到減少養(yǎng)分向外輸出的風(fēng)險[8]。但由于農(nóng)田改林地的時間不長，故產(chǎn)生的生態(tài)效益還需要慢慢進(jìn)行積累。本研究主要側(cè)重面源污染輸移過程中的土壤面源污染物的“源強(qiáng)”的分析，但面源污染的輸移也取決于氮、磷養(yǎng)分的“流”和“匯”，因此，還需要對不同土地利用方式進(jìn)行面源污染輸移過程及土壤對養(yǎng)分截留能力等方面的監(jiān)測與評估，才能更全面地了解不同土地利用類型對面源污染防控的綜合效益[2,9]，進(jìn)而有效地指導(dǎo)區(qū)域生態(tài)建設(shè)與生態(tài)管理。

3 結(jié)論

(1)土地利用方式、土壤深度及時間均顯著影響土壤理化性質(zhì)。

(2)林地土壤容重、含水量及有機(jī)質(zhì)含量高于農(nóng)田土壤(菜地與玉米地)，而農(nóng)田土壤氮、磷含量(全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、全磷和有效磷)含量高于林地。

(3)土地利用類型對土壤理化性質(zhì)的綜合影響系數(shù)從高到低依次為菜地、玉米地、林地，其中農(nóng)田土壤有效態(tài)氮、有效態(tài)磷及林地土壤有機(jī)質(zhì)含量在綜合影響中貢獻(xiàn)比例在所有理化參數(shù)中最高。

(4)從土壤理化性質(zhì)看，人為管理措施是導(dǎo)致農(nóng)田理化性質(zhì)較好的主要原因；從面源污染防控角度看，農(nóng)改林可有效降低土壤養(yǎng)分源強(qiáng)，降低向外輸移的風(fēng)險。同時還應(yīng)結(jié)合氮、磷養(yǎng)分的“流-匯”等過程，綜合評估不同土地利用方式的面源污染防控的綜合效益。