滇池流域大棚土壤磷素空间分布特征研究*

杨浩瑜 ，张 敏，邓 洪，刘惠见，张乃明 ，包 立

(1.云南农业大学 资源与环境学院，云南 昆明 650201；2.云南省土壤培肥与污染修复工程实验室，云南 昆明 650201)

滇池是西南地区最大的淡水湖，其半封闭的湖体结构、流入的河流交换周期长，导致水体污染物滞留时间长，滇池水体富营养化非常严重。中国已将滇池水污染问题定位为全国水污染防治的重点[1]。磷不仅是造成湖泊富营养化的主要营养成分，还是富营养化的限制因子[2]，磷肥和有机磷农药中的磷素随土壤下渗和地表径流进入水体[3]。据统计，1980—2010 年，中国农田的磷肥施用量增长了2 倍[4]，而磷肥利用率不到20%[5]，长期过量的施用磷肥会导致土壤中磷素通过径流等方式向水体迁移，进而造成水质污染。有研究[6-10]统计了2002—2017 年部分关于有机磷农药赋存的文献，发现国内土壤中含有机磷农药十几种，并通过不同途径分配到其他环境介质中，对人体和生态环境产生危害。

设施栽培具有良好的可控性，可人工调节大棚内温度、湿度等因素[11]。由于其可减少气候对作物生长的限制并有较高经济效应，在全球有着很好的发展前景。随着农业产业结构的调整，中国的设施栽培规模也得到迅速发展。至2016年，中国设施农业面积已达5 872 万hm2，居全球第一，其中95%以上是利用聚烯烃温室大棚膜覆盖[12-14]。滇池流域是全国最典型的大棚种植区之一，其大棚面积占区域种植面积的80%以上[15]。有研究表明：2014 年滇池流域入湖污染物中来源于农业面源污染的总磷达175 t[16]。因此，设施农业的发展应该与水质保护相协调。

关于滇池流域不同土壤利用方式的土壤磷积累方面已有大量研究[17-18]，而对于滇池大棚土壤磷素的空间分布的研究鲜有报道[19-20]。本研究以滇池全流域的大棚土壤为供试土壤，并对大棚土壤的磷素空间分布特征进行研究分析，为滇池流域农田磷素养分管理以及面源污染防治提供依据，并为流域大棚土壤质量的改良和修复提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

滇池流域面积约为2 920 km2，面源污染主要集中于雨季，即每年的5—10 月。

1.2 样品采集

如图1 所示：于2014 年6—10 月，在滇池流域的大棚中采用随机多点混合采样法得到102 个0～20 cm 的表层土壤样本，风干去除石砾、有机残体和作物根系等非土壤物质。风干后土样分别过1 mm 和0.25 mm 筛后装袋保存。

1.3 样品分析与方法

土壤全磷使用高氯酸—硫酸消煮，钼锑抗比色紫外分光光度法测定；土壤有效磷采用碳酸氢钠浸提，钼蓝比色紫外分光光度法测定；土壤水溶性磷使用蒸馏水提取，钼锑抗比色法测定[21]。

1.4 数据处理

为保证数据的可靠性，对受人为影响较重的采样点进行检验处理并剔除异常样本。采用3 倍标准差法处理样本数据，±3S为标准，表示某指标所有样点的平均值，S为标准差，超出该范围的数据则需剔除[22]。所有试验数据采用Excel 2013、SPSS 23.0 等软件进行分析与统计；利用ArcGIS 10.0 对全磷、速效磷和水溶性磷的分布进行普通克里格插值，建立滇池流域大棚土壤磷素空间分布图。应用半方差分析其空间结构，其中C0表示块金值，代表由试验误差和随机因素引起的变异；C为偏基台值，代表由非人为的区域因素(空间自相关部分)引起的变异；块金效应代表了无法解释的或随机的变异，通常由测定误差或土壤性质的微变异所造成(表1)。

图1 大棚土壤取样点Fig.1 Sampling points of greenhouse soil

表1 块金效应与空间相关性Tab.1 Nugget effect and spatial correlation

2 结果与分析

2.1 滇池流域大棚土壤各磷素含量及相关性分析

如表2 所示：所有大棚土壤样品全磷的含量分布区间为0.99～2.34 g/kg，平均值为1.34 g/kg；全磷含量与2011 年滇池周边设施大棚种植区土壤和废弃大棚区土壤[23]相比分别下降了43.28%和21.64%。所有大棚土壤样品中有效磷含量范围为35.14～181.33 mg/kg，平均值为62.94 mg/kg。大棚土壤样品中水溶性磷含量范围为12.99～94.56 mg/kg，平均值为26.40 mg/kg。有效磷和水溶性磷变异系数分别为0.75 和1.00，高于全磷的变异系数0.26 。

表2 滇池流域大棚土壤磷素累积特征Tab.2 Greenhouse soil phosphorus accumulation characteristics of Dianchi Lake basin

从全国第二次土壤普查养分分级标准来看，本次采集的滇池流域大棚土壤样本全磷和有效磷均为一级(表3)。

对滇池大棚土壤中全磷、有效磷和水溶性磷之间进行相关性分析，得到研究区域内大棚土壤全磷与有效磷含量呈显著正相关关系(R2=0.965 4)，与水溶性磷含量也呈正相关关系(R2=0.968 6)(图2)。

表3 全国第二次土壤普查养分分级标准Tab.3 The second national soil census nutrient grading standard

图2 大棚土壤全磷含量与有效磷及水溶性磷含量相关性Fig.2 Correlation between total phosphorus content (TP) and file contents of available phosphorus (AP) and water-soluble phosorus (WSP) in greenhouse soils of Dianchi Lake

2.2 滇池流域大棚土壤磷素空间分布

在对研究区内大棚土壤磷素做空间插值前需进行正态分布检验，对于非正态分布序列通过对数方法进行标准化处理。所有数据均符合正态分布，进而进行地理统计学普通克里金插值分析。

从表4 可见：总体来看，滇池流域大棚土壤磷素与模拟试验变异函数拟合较好(决定系数R2均在0.7 以上)。块金效应［C0/(C+C0)］可用来表明系统变量的空间相关性的程度[24]。土壤全磷和有效磷的块金效应分别为0.108 和0.027，具有很强空间相关性，受结构性因素(自然因素)的影响较大；水溶性磷的块金效应达到0.434，属中等空间自相关，受耕作等人为因素影响的程度大。

表4 滇池流域大棚土壤磷素地统计学分析Tab.4 Greenhouse soil phosphorus in Dianchi Lake basin geostatistical analysis

利用普通克里金插值，得到滇池流域大棚土壤全磷、有效磷和水溶性磷的空间分布情况，如图3 所示。土壤全磷含量高值区主要分布在滇池东岸呈贡区马料河、洛龙河和捞渔河流域周边的斗南、金马铺和上蒜村等地，以及滇池北部盘龙区盘龙江流域松华坝附近，以上所有样点全磷含量均高于1 g/kg；土壤有效磷含量高值区主要分布在滇池西岸西山区、东岸呈贡区和官渡区宝象河流域周边，样点有效磷含量均高于40 mg/kg；土壤水溶性磷含量高值区和有效磷一样，主要分布在滇池东西两岸。滇池流域大棚土壤全磷，有效磷和水溶性磷的空间分布状况基本一致，均表现出东岸种植区含量普遍高于其他地区。说明其存在一定的相关性，但具体的分布变化状况又各有特点，因此，对滇池流域大棚土壤的研究要根据不同的磷形态来进行。

图3 滇池流域土壤全磷、有效磷和水溶性磷空间分布图Fig.3 The spatial distribution of soil total phosphorus (TP),available phosphorus (AP) and water-soluble phosphorus (WSP) in Dianchi Lake basin

3 讨论

本研究结果表明：滇池流域大棚土壤全磷、有效磷和水溶性磷都处于极高水平。主要是因为滇池流域是昆明主要的花卉和蔬菜种植基地，近年来大棚中化肥的施用量增长较快，施用强度也逐渐增高，但是以增加矿物磷养分的施用量以期获得高产[25]的同时，磷的利用率很低，导致大量磷素以各种形态累积在土壤中[26]。随着2012 年“四退三还”工作执行以来，滇池湖岸线周边约有87 万m2大棚被拆除并恢复为湿地，随着大棚栽培的减少，磷素含量也随之降低。

土壤中的速效磷是全磷的一部分，而速效磷中又包含易被植物吸收的水溶性磷[27]。研究区全磷与有效磷、水溶性磷的正相关关系与很多研究结果相一致：土壤中磷素含量与径流进入水体中磷素的浓度呈显著正相关[28-29]，同时土壤水溶性磷含量与全磷的淋溶损失也具有正相关性[30-31]。

全流域尺度上，全磷含量最高，变幅最大，累积量最大的地区为东岸湖滨大棚种植区，显著高于其他区域。这是因为滇池东岸上蒜村为富磷区，本身磷背景值较高，加之花卉和蔬菜的种植导致该区域全磷含量偏高。除此之外滇池东岸的斗南和马金铺片区也有着较长的花卉和蔬菜种植历史，大量的化肥施用也是增加大棚土壤中全磷含量的原因之一。同时，全磷在西岸也有较高累积，但变化程度不大。滇池北部松华坝片区全磷含量也高于平均水平，主要是因为该区域的耕地农药施用量为139 t，但利用率仅为20%～30%。滇池流域大面积的大棚土壤磷素含量非常高，因而磷进入滇池引发水体富营养化的风险同样很大。

土壤有效磷分布具有明显的空间特征，土壤有效磷是土壤磷素养分供应水平高低的指标，土壤磷素含量高低在一定程度反映了土壤中磷素的贮量和供应能力[32]。根据已有研究表明[33]：滇池流域的红壤中有效磷＜40 mg/kg 时，对环境中的水体富营养化没有显著的影响；流域红壤有效磷介于40～70.9 mg/kg 之间时，对滇池水环境有一定的影响；土壤有效磷＞70.9 mg/kg 时，对滇池流域水体环境富营养化具有显著影响。从整个区域尺度看，有效磷含量高的区域为流域西岸大棚典型种植区和东岸呈贡种植区，有效磷含量均高于70.9 mg/kg。滇池东岸宝象河流域西南角有效磷含量明显高于其他地区，最高值达到176.4 mg/kg；而宝象河东北角含量较低，大致在30～40 mg/kg。在滇池南部的东大河流域，大棚土壤有效磷含量呈现由西南向东北递增的趋势，西南部背离滇池的山区有效磷含量最低，小于40 mg/kg。滇池北部的盘龙江流域大棚土壤有效磷含量也介于52.4～89.7 mg/kg 之间，对滇池水环境有显著影响。总体来看，有效磷在大棚的累积不如全磷显著，但利用率低的区域，流失风险依然很大。

土壤水溶性磷分布具有明显的空间特征，从整个区域尺度看，水溶性磷的含量较高，其中东岸大棚区的含量最高，但变幅最大，受人为因素的影响也最为明显，一旦离开大棚区，水溶性磷的含量迅速下降。土壤水溶性磷是土壤磷素进入水体引起水体富营养化的直接指标，这也说明大棚区域的磷流失风险高于其他土地利用类型。

4 结论

在滇池流域，大棚土壤中的磷素显著累积，全磷和有效磷含量均属于《全国第二次土壤普查养分分级标准》中的一级水平，水溶性磷含量也处于极高水平；大棚土壤中全磷与有效磷、水溶性磷均呈现显著正相关的关系；从地统计学分析来看，大棚土壤全磷和有效磷受自然因素的影响较大，水溶性磷受人为因素的影响较大；从空间分布看，全磷含量在滇池东岸大棚区最高，有效磷含量在滇池西岸和东岸大棚区最高，水溶性磷含量分布情况与有效磷呈相同趋势；磷素的累积对滇池环境影响严重，存在较高的流失风险。