水库型水源地迎水坡氮磷空间分布及其对土地利用的响应

杨陆波，夏继红，杨萌卓，朱星学，李朝达，秦如照，刘秀君

(河海大学农业科学与工程学院，南京 210098)

饮用水源地水质安全对保障社会健康发展有着重要影响[1,2]，随着社会发展对各种资源的需求不断增加，水源地周围环境面临的风险也越来越大。因此加强饮用水源地的保护和监管已成为当前社会发展的重点和热点。已有学者对饮用水源地周边的土壤侵蚀特征[3]、景观格局[4]、土壤安全[5]等问题进行了研究。很多学者重点关注了饮用水源地土壤安全[5,6]，尤其是从水源地周边重金属分布特征开展了研究，但对水源地土壤中氮磷含量分布特征的研究还较少。珊溪水库是浙江省饮用水水源水资源保障体系的主要组成部分[7]，水体环境质量已得到很好重视，但是由于库区土壤作为储存氮磷等营养物质的重要场所[8]，积累在土壤中的氮磷会在雨水的淋洗、溶解等多种途径下进入水体[9]，导致水体富营养化[10,11]，从而威胁水安全。水体富营养化已成为当前饮用水源地面临的较为突出的问题[12,13]，因此，研究珊溪水库周边土壤氮磷含量分布特征具有一定的现实意义。本文将以珊溪水库周边的土壤为研究对象，探讨不同土地利用方式下土壤氮磷含量的空间差异特征以及其对不同土地利用方式的响应程度，以期为饮用水源地保护与治理提供基础支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

珊溪水库位于浙江省温州市，是温州市城区及周边县区居民的主要饮用水源地。研究区位于东经119°46′9.43″～120°3′8.58″，北纬27°31′48.98″～27°44′48.79″，属于副热带季风气候，年平均气温为19.6 ℃，年平均相对湿度为83%，年平均水温为19.6 ℃，年平均降水量为达到1 876.9 mm，其中春夏两季雨量占全年降水量的74.7%。

1.2 采样点布置及取样方法

选取珊溪水库的核心区域为监测取样区域，结合土地利用方式、地理空间位置、汇流条件等因素，将珊溪水库分为黄坦坑、峃作口、莒江溪、三插溪、库尾区、远坝汇水区、近坝区7个监测区，每个监测区布置2～4个监测断面，共布置18个监测取样断面，断面布置如图1所示。其中黄坦坑包括4、5号两个取样断面，峃作口包括8、9号两个取样断面，莒江溪包括10～12号3个取样断面，三插溪包括13、14号两个取样断面。库尾区包括15～18号4个取样断面，远坝汇水区包括3、6、7号3个取样断面，近坝区包括1、2号两个取样断面。依据监测断面所包含的土地利用方式，在每一种土地利用方式下各布置1个监测点，此外根据地形地貌判断采样难度以确定每个断面上最终的监测点数量。监测点布置在水库周边150 m范围内，采样时沿监测断面对裸地(接近消落带)、灌木杂草地(位于林地边缘)、林地、园地四种土地利用方式的表层土壤(0～20 cm)进行采样，样品采集于2019年4月完成，共采集31个土样，其中裸地3个，林地17个，园地7个，灌木杂草地4个。

图1 监测断面分布图

1.3 样品测定方法

采集的土样在实验室经自然风干、剔除石块根系等杂质、研磨、配置溶液后，测定碱解氮(AN)、总氮(TN)、速效磷(AP)、总磷(TP)。碱解氮(AN)采用氢氧化钠碱解扩散法测定。总氮(TN)采用半微量凯氏定氮法测定，速效磷(AP)采用盐酸-氟化铵浸提分光光度法测定，总磷(TP)采用高氯酸-浓硫酸法测定。

1.4 数据统计分析方法

应用Microsoft Excel 2016和SPSS 21.0软件进行数据分析，采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和Duncan法比较不同数据组间的差异。利用Origin 9.1绘制数据分析图，使用ArcGIS 10.2对各指标进行反距离权重插值。

2 结果与分析

2.1 土壤氮磷含量基本特征

采用平均值和中位数反映土壤样品氮磷含量的中心趋向分布，用标准差和变异系数(CV)反映土壤样品氮磷含量的变异程度，并采用单样本柯尔莫哥洛夫-斯米诺夫(K-S)方法检验数据是否服从正态分布。研究区所有土壤样品氮磷含量的极小值、极大值、中位数、标准差和CV等基本统计指标如表1所示。

表1 研究区土壤养分特征统计

由表1可知：AP含量介于0.97～26.19 mg/kg，TP含量介于56.93～625.39 mg/kg，AN含量介于52.43～186.59 mg/kg，TN含量介于440.16～2 394.46 mg/kg。从变异系数CV值来看，仅AP的CV值大于100%，为123.39%，表明AP呈强变异程度。TP、AN、TN的CV值分别为71.64%、34.32%、41.19%，均介于10%～100%之间，表明三者的空间变异程度均为中等变异[14]，其变异程度顺序为TP>TN>AN。同时，K-S检验(显著性水平为0.05)发现，除AP含量服从对数正态分布外，其余指标均服从正态分布。

2.2 土壤氮磷含量空间分布特征

为分析各区域间土样氮磷含量的差异，显著性水平设置为0.05，对不同采样区的土样氮磷含量进行单因素方差分析，结果表明：不同采样区TP含量的显著性P值为0.003，存在极显著差异(P<0.01)，TN含量的显著性P值为0.016，表示存在显著差异(P<0.05)。AP与AN含量显著性P值分别为0.389、0.093，表示其差异性不显著。为更直观反映各指标的空间分布特征，将各断面土样氮磷含量取平均值，基于ArcGIS的反距离权重插值方法对各土样指标进行插值，得到各指标的空间差异性水平分布，如图2-图5所示。

图2 速效磷空间分布云图

图3 总磷空间分布云图

图4 碱解氮空间分布云图

图5 总氮空间分布云图

就磷含量空间分布而言，由图2可以看出，AP含量在峃作口区、近坝区2号断面以及库尾区的15号断面附近较高，介于5.69～12.13 mg/kg。由图3可以看出，TP含量在峃作口区较高，介于363.38～481.60 mg/kg，而且空间分布范围较大，在库尾区的15号断面附近，虽然TP含量较高，介于265.14～363.38 mg/kg，但涉及范围较小。就氮含量空间分布而言，由图4可以看出，AN含量在三插溪区、峃作口区9号断面附近以及远坝汇水区7号断面附近较高，介于120.82～186.57 mg/kg。由图5可以看出，TN含量在三插溪区以及峃作口区的9号断面附近较高，介于1 380.87～2 394.15 mg/kg。对比图2、图3、图4、图5，可以看出，峃作口区的土壤氮磷含量处于较高水平，尤其是磷素含量在所有分区中最高。黄坦坑区、库尾库区、莒江溪区的土壤氮磷含量处于较低水平。相比其他区域，三插溪区氮含量较高，作为水库取水口的近坝区，虽然只有AP含量相对较高，但须加强监测。

2.3 土壤氮磷含量空间差异性对土地利用方式的响应

土地利用方式是影响土壤氮磷含量的重要因素之一[15]，本研究中不同土地利用方式下土壤氮磷含量差异性如图6、图7所示。

注：a、b、ab分别表示不土地利用类型下氮磷含量差异显著(P<0.05)。

图7 不同土地利用方式下的氮含量

由图6可知：不同土地利用方式下，AP含量表现为园地(6.9 mg/kg)>灌木杂草地(5.26 mg/kg)>林地(4.01 mg/kg)>裸地(1.61 mg/kg)，其差异不显著。不同土地利用方式下，TP含量表现为灌木杂草地(304.49 mg/kg)>园地(276.96 mg/kg)>林地(170.61 mg/kg)>裸地(82.41 mg/kg)，裸地TP含量与林地相比差异不明显，但与灌木杂草地、园地相比差异明显，林地TP含量与裸地、园地、灌木杂草地相比差异不明显。由图7可以看出：不同土地利用方式下，AN含量表现为灌木杂草地(111.34 mg/kg)>林地(111.26 mg/kg)>园地(90.73 mg/kg)>裸地(65.59 mg/kg)，TN含量表现为灌木杂草地(1 225.39 mg/kg)>林地(1 197.28 mg/kg)>园地(916.83 mg/kg)>裸地(720.20 mg/kg)。可见，AN和TN含量差异均不显著。

裸地相比于其他土地利用方式，土壤氮磷含量较低，主要是由于位于高地的林地和灌木杂草地截留了部分氮磷。其次，裸地临近水边缘，受水流作用相对较大，土壤中部分氮磷素会被水流带走。灌木杂草地除AP外，其余养分含量较大，主要是由于灌木杂草地近地面覆被密度较大，形成了较为密实的生物垫，对地表降雨径流、泥沙、面源污染等拦截能力较强[16,17]，这与LUZ等人的研究结论一致[18]。另外，由于地面枯枝落叶分解也产生了部分氮磷，所以灌木杂草地的氮磷含量相对较高。对园地、林地而言，园地的磷素含量高于林地，而氮素含量比林地低。主要是由于园地耕作方式为旱作，通气条件较好，耕层有机质分解较快，氮素相对容易流失，所以相比林地，园地氮素含量水平较低[19]。可见，土壤对磷的吸附能力与植被类型和覆盖有着直接关系[20]，加之园地人类活动干扰较为强烈，也是导致园地磷素含量高于林地的原因之一。

3 结 论

(1)珊溪水库迎水坡土壤AP含量介于0.97～26.19 mg/kg，TP含量介于56.93～625.39 mg/kg，AN含量介于52.43～186.59 mg/kg，TN含量介于440.16～2 394.46 mg/kg。土壤氮磷含量存在强变异性和中等变异性，表现为：AP(123.39%)>TP(71.64%)>TN(41.19%)>AN(34.32%)。

(2)珊溪水库迎水坡土壤氮磷含量空间高值区和低值区较为集中，对比图2-图5可知：水库北面和西北土壤氮磷含量较高，西南含量较低。具体表现为：在峃作口区和库尾区的15号断面附近，土壤AP、TP含量均较高，近坝区2号断面附近，土壤AP含量较高，但是其位置靠近取水口，也应该加强管理。在三插溪区和峃作口区的9号断面附近，土壤AN、TN含量均较高，在远坝汇水区7号断面附近，土壤AN含量较高。黄坦坑区、莒江溪区以及库尾区的大部分区域土壤氮磷含量较低。

(3)珊溪水库迎水坡面不同土地利用方式下的氮磷含量分布特征为：离水较近的裸地氮磷含量较低，位于林地边缘的灌木杂草地氮磷含量较高。除园地AP外，林地、园地的土壤氮磷含量均介于裸地和灌木杂草地之间。

□