重庆笋溪河流域河岸带水体-土壤-植物的氮磷特征及影响因素

孟 海，王海燕，侯文宁，赵 晗，宁一泓

(森林培育与保护教育部重点实验室，北京林业大学林学院，北京 100083)

河岸带是衔接“水—陆”生态系统的重要枢纽。其中，以河流为主的水体和受流水作用的土壤是该系统物质循环和能量交换的重要媒介，而植物在二者的交互作用和水文地理的影响下，表现出区域特有的植物群落特征。根据我国农业面源污染问题的相关研究，流域内污染源的控制和削减是生态治理的关键。河岸带具有水陆横向交替、河水径向汇集和山川垂直分布的空间特性，将流域内的地形因子和氮、磷元素紧密地联系在一起，映射出重要的环境信息，对从流域源头控制农业面源污染物具有重要参考。

目前，关于河岸带氮、磷的研究多集中在相对独立的水域或陆地生态系统，如对河流、湖泊等水体中单一营养元素的存在形态及分布状况，营养物质在水体—沉积物间的释放、迁移和转化，以及通过模型对陆地生态系统的土壤侵蚀、水土流失和营养物质运移过程进行模拟和估算等。这些研究或侧重水体氮磷的迁移转化，或侧重估算整个陆源性氮、磷对水体的输入，但尚未从流域生态的视角去综合分析氮磷在一个时期内“水体—土壤—植物”中的分布状况。此外，流域的地形地貌以及河流上下游特征是引起土地利用方式和河岸带生境不同的主要因素，也将影响河岸带水体—土壤—植物体系的氮磷分布格局，需要进行量化分析。因此，在流域尺度上研究河岸带不同介质中氮磷的分布特征及影响因素，更能完整地反映整个流域内的氮磷特性，对于科学指导人类活动和合理防控流域面源污染具有重要的生态学意义。

笋溪河位于重庆市江津区，其流域健康状况对三峡库尾地区的农业面源污染防控具有重要的参考价值。三峡库区的氮磷污染负荷具有明显的时空差异性，且研究多集中于库区腹地的降雨径流、土地利用及其水土流失等某单一过程或单一尺度，库尾地区的研究相对较少。此外，库区景观格局变化对农业面源污染的影响机制需要进一步研究。笋溪河流域河岸带受华蓥山脉断裂及川东褶皱带的影响，从上游到下游具有多个典型的地形地貌和相对固定的农业生产结构，土地利用类型相对稳定，表现出一定的生态适应性，对农业氮磷污染和水土流失防控具有直接现实性。因此，本研究以笋溪河干流河岸带为研究对象，在同一时期内采集水体、土壤和植物样品，分析水体、土壤和植物中的氮、磷含量特征及其影响因素，探讨氮磷在河岸带各圈层中的分布规律、相关性以及对环境因子的响应程度，以期为库区农业面源污染防控提供思路。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

笋溪河流域位于重庆市江津区(图1)。流域面积约1 190 km，属川东丘陵，海拔180～1 700 m，地势南高北低。河流自南向北流向，从四面山流出，途径四面山镇、傅家镇、蔡家镇、嘉坪镇、夹滩镇，并于支坪镇汇入綦江。流域温度和降水随海拔梯度变化明显，其年均气温13.7 ℃，年平均降水量1 522.3 mm，属北半球亚热带季风性湿润气候区。河岸带土地利用以耕地和天然林地为主，土壤受红色砂岩层的张力和外营力冲蚀切割的作用，发育类型多样，基本呈酸性或微酸性。流域内植物种类丰富，具有典型的亚热带常绿阔叶林特征，河岸带主要是以慈竹()等竹类植物为主。

1.2 样点选择与区段划分

依据《环境影响评价技术导则 地表水环境》(HJ 2.3—2018)、《环境影响评价技术导则 土壤环境》(HJ 964—2018)和《生物多样性观测技术导则 陆生维管植物》(HJ 710.1—2014)，在兼顾笋溪河实际情况和可操作性的基础上，从河流的发源地四面山北麓开始布设河岸带样点，顺流而下至汇入綦江，共设置44个样点(图1)。样点间隔>3 km，位置为28°31′14″—28°46′00″N，106°17′22″—106°30′00″E。于2021年5月下旬枯水期结束前，同步采集河岸带样点的水体、土壤及植物样品，并记录样点的地形环境，具体包含海拔、坡度和坡向3个定量因子，坡位和地形地貌2个定性因子。根据3个定量因子，在R软件中进行样点的聚类分析，最终将笋溪河沿河流域分为上、中、下游(表1)。

注：采样点n=44。

表1 笋溪河样点信息

1.3 样品采集与测定

河岸带样点附近，距离河岸3～5 m内的河流即为水质采样点，用聚乙烯瓶采集。现场测定水体pH、温度、电导率和溶解氧，同时用聚乙烯瓶装好待测水样，滴加硫酸，调节pH为2左右，低温保存于便携式冰箱，及时带回实验室，分析水体总氮(WTN)、硝酸盐(WNN)、总磷(WTP)和可溶性磷酸盐(WDP)。

在河岸带样点100 m范围内，沿河岸“S”形随机布设5点采集0—20，20—40 cm的混合土样，其中新鲜土壤样品存于便携式冰箱，用于硝态氮(SNN)的测定；另一部分土样经风干、磨细过筛后测定全氮(STN)、全磷(STP)和有效磷(SAP)，其中STN1、SNN1、STP1和SAP1表示0—20 cm土壤养分，STN2、SNN2、STP2和SAP2表示20—40 cm土壤养分。

植物样品的采集基于河岸带土壤样点和竹林的聚群分布特征。在土壤样点附近，随机选取3～5株1年生幼竹(慈竹)，分叶片(L)、分枝(B)和茎竿(S)采集混合样品，测定植物全氮(PN)和全磷(PP)，其中PLN、PBN和PSN表示植物叶片氮、分枝氮和茎竿氮，PLP、PBP和PSP表示植物叶片磷、分枝磷和茎竿磷。

1.4 统计方法

采用Excel 2019和R 4.1.1软件处理数据并绘制图表。其中，Excel 2019用于数据整理和描述性统计，R软件进行聚类分析、相关分析和冗余分析及其蒙特卡罗(Monte Carlo)置换检验。

2 结果与分析

2.1 河岸带水体、土壤和植物的氮磷含量特征

笋溪河河岸带水体氮含量高，磷含量低，而氮变异程度低于磷，且受河流区段的影响(表2)。从上游到下游，WTN、WNN、WTP和WDP的含量均呈先减后增、总体变大的现象。根据GB 3838—2002，笋溪河上游WTN均值为1.43 mg/L，中游为1.36 mg/L，属Ⅳ类水质，而下游为2.86 mg/L，属劣Ⅴ类水质；河流WTP含量均值未超出地表Ⅱ类水质0.10 mg/L的限值。河流整体表现高氮低磷、下游氮磷积聚的特征。笋溪河上、中游WNN的含量略小于WTN，而WDP在全河段WTP含量中占比近半，说明水体氮的形态以硝酸盐为主，且上、中游表现明显，而水体中磷的形态组成相对稳定。同时，WTN和WNN从中等变异转为弱变异，WTP和WDP从强变异转为中等变异，且WTN、WTP和WDP的变异系数均随河流下行而递减，WNN则表现为先减后增、总体变小。说明随区段下行，样点数增大，水体氮、磷含量的差异逐渐减小。

表2 笋溪河河岸带水体氮磷统计

河岸带土壤氮磷含量受河流区段影响呈现不同的变化规律(表3)。各河段样点土壤0—20 cm的STN、SNN、STP和SAP的含量均高于20—40 cm，河岸带土壤氮磷表层富集明显。STN含量的变化趋势与WTN相同，表现出随河流区段下移先减后增，总体增大，而SNN、STP和SAP含量则逐渐递增，说明STN与WTN存在较高的关联度，且下游河段土壤氮磷的含量较高。河岸带土壤氮磷含量变化的差异较大，其中STN和STP均为中等变异，STN在上游样点的变异性依次高于下游和中游，而STP除河段外，还受土层影响，其0—20 cm的变异随河段下移而减小，20—40 cm的变异则先增后减；SNN的变异性在各河段均高于STN，而SAP的变异性在上游小于STP，在中、下游大于STP。

表3 笋溪河河岸带土壤氮磷统计

河岸带竹林的氮、磷营养特征受河流区段和自身营养器官的影响(表4)。从上游到下游PLN、PBN、PSN、PBP和PSP含量逐渐增大，而PLP含量逐渐减小；植物氮磷均表现出叶片>分枝>茎竿；PLN和PLP的变异均呈递减趋势；PBN和PBP的变异则先增后减，总体递减；PSN和PSP的变异先减后增，总体递减。

表4 笋溪河河岸带竹林氮磷统计

2.2 河岸带水体、土壤和植物氮磷含量与地形的相关分析

氮和磷是陆地生态系统中的限制性养分元素，广泛存在于无机界和有机体中。河岸带水体、土壤和植物中的氮磷在各圈层的物质循环中相互作用，存在一定的相关性，且受地形因素的影响。各河段的相关性分析存在多种因素的影响，为了减小误差，以下均为河岸带全河段的氮磷分析。

河岸带水体、土壤和植物氮与地形的相关分析(表5)显示，WTN与WNN、STN1与SNN1、STN2与SNN2、PLN与PBN及PBN与PSN均呈显著正相关，说明氮在水体、土壤和植物不同营养器官中均有一定的存在形式，且通过含氮物质的迁移转化形成较强的正向相关性。此外，WTN与STN2呈显著正相关(<0.05)，与PLN、PBN和PSN呈显著正相关(<0.01，<0.01和<0.001)，与海拔呈显著负相关(<0.05)；WNN与PLN呈显著正相关(<0.01)。表明水体与植物的氮相关性高于水体与土壤，水体总氮对海拔的响应强烈。SNN1与PBN和PSN，SNN2与PSN均呈显著正相关，土壤硝态氮对植物分枝和茎竿有显著影响，且随土层深度增加影响减弱。地形对植物氮的影响较为明显，其中海拔与PLN、PBN和PSN呈显著负相关(<0.05，<0.05和<0.001)，坡度与PSN呈显著负相关(<0.001)。

表5 笋溪河河岸带水体、土壤和植物氮与地形的相关分析

河岸带水体、土壤和植物中的磷具有一定的相关性，同时也响应海拔、坡度和坡向的变化(表6)。WTP与WDP、STP1与SAP1、STP2与SAP2、PLP与PBP及PBP与PSP均呈显著正相关，说明含磷物质在水体、土壤和植物不同营养器官中的迁移转化过程表现出较强的正向相关性。

表6 笋溪河河岸带水体、土壤和植物磷与地形的相关分析

同时，WTP与STP1、STP2、SAP1和SAP2均呈显著正相关(<0.001)，WDP与SAP1和SAP2均呈显著正相关(<0.01)，而水体与植物的磷相关性不显著(>0.05)，表明水体与土壤的磷相关性较高。土壤与植物间仅SAP1和SAP2与PSP呈显著正相关(<0.05)，说明土壤有效磷对植物茎竿磷含量有显著影响。此外，海拔与WTP、STP1、STP2、SAP1、SAP2和PSP均呈显著负相关，而坡度和坡向分别与PSP呈显著负相关(<0.05)，地形因素对植物茎竿磷含量的影响较大。

2.3 河岸带水体、土壤和植物氮磷含量与地形的冗余分析

依据河岸带水文过程，以WTN、WNN、WTP和WDP为响应变量，土壤和植物的氮磷含量及地形因子为环境解释变量进行冗余分析(图2)，结果显示，2个典范轴的解释比例分别为89.39%和7.23%，解释了笋溪河河岸带水体氮磷变异的96.62%，较好地反映土壤和植物中的氮磷及海拔、坡度和坡向对水体氮磷的影响。其中，SAP1与SAP2在RDA1轴的投影较长，土壤有效磷对水体的影响较大，海拔与坡度在RDA2轴的投影较长，对RDA2轴的贡献较大。WTN与WNN呈负相关，WTP与WDP呈正相关，且相关程度均较高，表明河岸带水体氮磷在与环境因子的回归关系中，总氮与硝酸盐间相互约束，存在限制行为，而总磷和可溶性磷酸盐相互促进，协同性较好。此外，WTN与STN1、STN2、SNN1、SNN2、PLN、PBN和PSN均呈正相关，而WNN与WTN相反，且二者均与SNN1和SNN2的相关程度较强，说明水体总氮、土壤氮和植物氮同向积聚增大，水体氮对土壤硝态氮响应强烈。WTP和WDP均与STP1、STP2、SAP1、SAP2、PBP和PSP呈正相关，且与PBP和PSP的相关程度较高，显示水体磷受植物分枝磷和茎竿磷影响较大。WTN和WNN对坡向的响应强烈，其后依次为海拔、坡度，而WTP和WDP对坡度的响应强烈，其次为海拔、坡向。

图2 笋溪河河岸带水体氮磷与环境因子的冗余分析

Monte Carlo置换检验进一步说明环境因子对响应变量的影响(表7)。土壤和植物中的氮磷与3个地形因子对水体氮磷变异的总可解释度为64.91%(=0.419 7)。置换检验显示，SNN1、STP1、STP2、SAP1和SAP2对水体氮磷含量的变异均具有显著的影响(<0.05，<0.01，<0.05，<0.001和<0.01)，其中，SAP2对水体氮磷含量特征变异的解释度最大，为25.11%，其后依次为SAP1，STP2，STP1和SNN1，累计69.14%。表明土壤氮磷是水体氮磷变异的主导因素，且土壤磷的变异解释累计为66.09%，对水环境的影响较大，与相关分析的结果一致(表5)。此外，植物氮磷和地形因子对水体氮磷的变异也有一定解释力，但在置换检验中均未达到显著水平(>0.05)，其中植物氮的变异解释累计为18.87%，水体与植物的磷相关性较强，与相关分析结果相同(表6)；海拔对水体氮磷的影响较大，为8.09%。

表7 水体氮磷的冗余分析置换检验结果

3 讨 论

3.1 河岸带水体、土壤和植物的氮磷状况

在自然降水、土地利用、径流侵蚀及人为活动的影响下，河岸带水体、土壤和植物中的氮磷含量各异。水体通常对陆源性氮磷具有稀释消解的作用，而植物从环境中吸收氮磷，因此笋溪河河岸带水体氮磷的含量依次小于土壤和植物，并呈现上游小、下游大的氮磷空间分布特征，这与前人的研究结果相同。笋溪河水质由氮含量决定，这与三峡库区其他流域水体高氮低磷的研究结果一致。河岸带水体氮以硝酸盐形态为主，而可溶性磷酸盐含量在总磷中占比近半，这与王宏等在长江沱江流域的研究结果相同，与黄河水环境的研究结果不同。同时，笋溪河河岸带土壤受流水作用和植物侵扰，氮磷含量相对贫乏，与李锐等江津区河岸带和库区其他河流河岸带土壤氮磷含量相近。河岸带竹林叶片氮磷的含量均值与四川盆地南麓的高山竹林叶片氮磷含量相近。

河岸带水体、土壤和植物中的氮磷含量受河流升降、径流冲刷和淹水状态变化的影响，在一个时期内表现出不同程度的变异性。重庆笋溪河流域受河流水文地理和三峡大坝调洪蓄水的影响，河岸带水体总磷的变异程度高于总氮，这与三峡库区部分河流氮磷变异特征相同。随着河流区段下行，水体氮磷的变异均呈递减趋势，可能与下游河水流量相对充沛有关。河岸带上、下游土壤全氮的变异程度高于全磷，硝态氮的变异程度高于有效磷，同时受土层深度的影响，这与蔡雅梅等河岸带土壤氮磷空间分布的部分研究结果一致。此外，水体和土壤中的氮磷变异高于植物氮磷，说明水体和土壤中的氮磷易受环境变化的影响，存在较高的流失风险，这与河岸带河水入渗土壤、氮磷在水体和土壤界面的吸附与交换有关。

3.2 河岸带水体、土壤和植物氮磷的影响因素

河岸带作为水陆生态系统的过渡带，水体、土壤和植物中的氮磷通过各圈层的物质循环，具有一定的相关性，同时受到海拔、坡度和坡向的影响。笋溪河河岸带水体和土壤中的氮磷通常具有多种形态，且同一介质中的不同氮磷形态往往具有较高的相关性，这与徐兵兵等水体氮磷形态研究的结果相同。氮磷是农业面源污染的限制性养分元素，其地球生物化学循环有所不同。河岸带水文作用强烈，从笋溪河上游到下游，水体氮磷含量积聚增大；土壤受干湿交替和径流冲刷，氮素通过硝化、反硝化作用及生物消耗，变化较大，而主要来源于含磷矿物风化的磷，在与水体不断相互作用中含量趋于一致；植物受营养过程和季节周期影响，生长中不断从环境吸收氮磷营养物质，富集相对稳定。因此，笋溪河河岸带水体与植物间的氮相关性高于水体与土壤，而与土壤间的磷相关性高于植物，这与河岸带植物和土壤对水文响应的结果相同，也与冗余分析(图2和表7)的结果相似。笋溪河流域地形因子对河岸带水体、土壤和植物中氮磷的影响以负相关为主。其中，海拔对河岸带水体总磷、土壤全磷和有效磷均有显著影响，这可能是海拔对降水和温度具有调控作用，进而促进土壤微生物对磷的分解、释放，再通过地表径流和地下入渗与水体建立强相关。此外，坡度对河岸带植物分枝氮磷均有显著影响，而坡向对植物磷有显著影响，与坡度和坡向可以改变植物对光照、水分和养分物质的需求，进而对植物的营养过程产生限制作用的研究结果相同。

河岸带水文变化是驱动水体、土壤和植物氮磷循环的基础，水体氮磷的变化，反映了水体响应及适应环境变化的能力。笋溪河河岸带各圈层氮磷的相关分析(表5和表6)与冗余分析结果相近。其中，水体总氮与硝酸盐在相关分析时显著正相关，冗余分析时负相关；而水体总磷和可溶性磷酸盐在响应环境变量的2种分析中，结果表现相同，这与相关分析以统计为主，而环境因素考虑较少，冗余分析内部多元线性回归相互约束，考虑环境变量影响的方法有关。说明生态系统内部存在多种相互作用的机制，水生态系统的变化与水体氮磷总量及其形态组分高度相关，同时受土壤氮磷、植物氮磷和地形因子的影响。这与蔡雅梅等在汾河河岸带氮磷的研究结果相似。基于冗余分析整体，Monte Carlo检验表明，土壤氮磷是众多环境因子中影响水体氮磷的主体(表7)，且土壤硝态氮、全磷和有效磷的变异解释进一步表明对水体氮磷的影响程度，这与前人对河岸带水体与土壤氮磷物质的相关分析一致。检验显示，植物氮磷和地形因子对引起水体氮磷变化的解释相对较小，且不显著，与相关分析(表5和表6)近似。水体氮磷含量的变化是众多环境因子共同作用的。本研究只涉及土壤和植物氮磷及3个定量地形因子，后续研究需要将更多的定性因子进行转化放入定量分析中。

4 结 论

(1)笋溪河河岸带水体、土壤和植物的氮、磷含量受河流区段的影响均表现为上游小、下游大；与地表水环境质量标准对比，水体呈高氮、低磷的含量特征，上游和中游属Ⅳ类水质，下游属劣Ⅴ类水质，且水体氮以硝酸盐为主。应重点加强全河段氮污染物的削减和防控，并控制下游的陆源性氮输入。

(2)笋溪河河岸带水体、土壤和植物中的氮、磷彼此间存在一定的相关性，且对海拔响应强烈。同时，土壤氮磷、植物氮磷和地形因子对水体氮磷的影响程度依次变小(=0.419 7)，土壤氮磷是水体氮磷变异的主导因素。

(3)笋溪河河岸带水体氮磷对环境变量的响应存在较大差异。水体氮对植物氮的响应强烈，冗余分析置换检验中植物氮的总变异解释为18.87%，其中植物茎竿氮的解释最高，为9.16%；水体磷对土壤磷的响应强烈，土壤磷的总变异解释为66.09%，且20—40 cm的土壤有效磷解释最大，为25.11%。