会仙湿地小流域土壤养分时空分布特征

韩 俊 磊，代 俊 峰，谢 晓 琳

(1.桂林理工大学 环境科学与工程学院，广西 桂林 541004； 2.广西环境污染控制理论与技术重点实验室，广西 桂林 541004； 3.桂林理工大学 岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心，广西 桂林 541004)

0 引 言

随着点源污染治理水平的提高，面源污染日益引起了人们的重视，其中农业面源污染是最主要的面源污染[1-2]。大量研究表明，土壤N、P元素的积累是导致农业面源污染的主要原因[3-5]，因此探究土壤氮磷含量的时空分布特征是控制农业面源污染的关键。对于流域内的小流域或局部区域而言，土壤中富集的氮磷在降雨径流和灌溉排水作用下，进入地表、地下水体加剧了水体污染。土壤养分的含量受土壤本身的物理化学性质、地形、气候、人类活动等因子的多重影响[6-9]。目前，国内外对小流域土壤养分的研究，主要关注土壤养分的空间分布[10-13]，关于土壤养分在耕地-消落带-河流沉积物方向上的变化研究较少，三者间的养分分布规律以及之间的关系尚不清晰。

会仙湿地作为漓江流域最大的岩溶地貌原生态湿地，被誉为“漓江之肾”，是热带、亚热带岩溶地貌中最具研究价值的典型湿地，也是主要的生态脆弱带。而由于岩溶发育地区土壤养分水平较低，施用N、P肥增产效果明显，但不合理施肥会导致N、P及有机质流失造成水体富营养化，因此有必要对会仙湿地小流域的土壤养分进行研究。学者们已分析了会仙湿地的土壤养分和微生物群落特征[14-19]，但对会仙湿地土壤养分的空间变化研究较少。本文研究会仙湿地小流域河道沉积物-消落带-耕地的土壤养分时空分布格局及其变化特征，为会仙湿地农业面源污染控制和肥料管理提供参考。

1 研究方法

1.1 研究区概况

选取漓江流域会仙岩溶湿地作为研究小流域。会仙岩溶湿地位于桂林市峰林平原与峰丛洼(谷)地的过渡地段、漓江流域与柳江流域的分水岭地段，区域面积为376.42 km2，地理坐标为东经110°09′50″～110°14′30″，北纬25°05′20″～25°06′45″，海拔介于150～160 m之间，区域内河流以会仙河、睦洞河、相思江为主，受特殊的地形制约，分别位于会仙湿地南北两端的睦洞河与会仙河(见图1)，向湿地中心低洼的峰林平原汇集后，通过西部的相思江流出湿地[20]。该湿地属于亚热带季风气候，多年平均气温19.5 ℃，年均降水量为1 835.8 mm。该区域土壤主要为红黄壤、沼泽土、水稻土等，其中水稻土母质为红黄壤和沼泽土[21]。

图1 研究区域水系和采样点分布Fig.1 Distribution of water systems and sampling sites in the study area

1.2 样品采集

通过实地调查和水系分析，选取会仙岩溶湿地比较闭合的小流域，结合小流域河流流向、土地利用类型等实际情况，在研究区内根据每条河流的上、中、下游选取9个代表性采样点，研究区域水系分布、土地利用和采样点如图1所示，同时利用GPS记录采样点的经纬度并记录采样点周边环境信息(见表1)。于2018年7月至2020年11月每个季度进行采样，其中耕地土壤及消落带土壤，在每块样地按照对角线原则选择3个采样点，用洛阳铲采集表层土壤(0～10 cm)并进行混合，河道沉积物用柱状采泥器进行采集，每个采样断面设置3个采样点并采集0～10 cm的沉积物，最后将各点沉积物进行混合，所有土壤样品都装入自封袋中。将采集的样品放置在阴凉处自然风干，去除样品中的砾石、动植物残体。风干后的样品研磨过100目筛，保存待测。

表1 采样点基本情况

1.3 实验方法

1.4 数据分析与处理

土壤各检测指标原始数据使用Excel 2016进行处理，并用Origin 2017进行绘图，利用IBM SPSS statistics 22对研究区土壤氮磷含量进行经典统计学分析和检验，具体对满足正态性分布的数据采用单因素方差分析，其模型可表述为

(1)

式中：Xij为因素A在第i个水平下的第j次反应变量；μ为总和均值；ai表示因素A在i水平下的效应；εij为试验的随机误差；ni为进行了ni次独立试验。

对不满足正态性分布的数据采用曼-惠特尼U检验，其模型可表述为

(2)

式中：R1为样本1各项等级和；R2为样本2各项等级和；n，m分别为样本的项数。最终通过z值判断数据之间是否存在差异性。

对河道沉积物、消落带、耕地三者的有机质、氮、磷等指标使用被广泛用于度量变量之间相关程度的皮尔逊相关系数进行分析，相关系数表达式为

(3)

应用地统计分析中的反距离权重法在ArcGIS软件中对沉积物各指标进行可视化处理。反距离权重法的公式为

(4)

式中：z0为预测值；zi为第i个实测值；di为预测点与已知点的距离；s为周围样点的数量；k为距离的幂。预测值大小都介于已知的最大、最小值之间。

2 结果与分析

2.1 不同区域的土壤养分特征

根据全国第二次土壤普查技术规程规定的养分分级标准(见表2)，会仙湿地的SOM(30.76～35.75 g/kg)属于较丰富级别，TN(1.74～2.16 g/kg)属于丰富和较丰富水平，TP(0.87～1.10 g/kg)属于缺的范围。

表2 土壤养分含量分级标准

表3 沉积物、消落带、耕地养分指标描述性统计结果

2.2 土壤养分随季节变化特征

受水热条件、植物生长变化等影响，土壤养分含量会出现一定的季节性变化[22-24]。如图2所示，河道沉积物、消落带土壤、耕地土壤的TN、SOM和NO3--N含量在不同季节间存在显著差异。

注：不同的小写字母表示河道沉积物、消落带、耕地不同季节之间的差异显著性(p<0.05)。

河道沉积物与消落带土壤中SOM含量季节性差异较为明显，其中河道沉积物SOM含量表现为春季最高，秋季最低，有研究表明沉积物SOM来源受陆源输入影响较大[25-26]，沉积物SOM的季节性变化可能是由于春季农业活动剧烈，人工施肥导致河道沉积物SOM来源增加。而在秋季研究区降雨量大，降雨的增多增加了河流流量，在水流作用下河道沉积物颗粒更易再次悬浮，导致SOM含量输出较大，同时农业活动结束导致陆源输入的SOM减少，最终造成SOM含量秋季最低的结果。消落带土壤中SOM含量表现为夏季最低，冬季最高，这是由于夏季消落带植物生长旺盛，对土壤养分吸收较多，而且降雨导致消落带土壤SOM流失较为严重，降雨导致河流水位上升(见图3)，消落带出现间歇的淹没，土壤与水体直接接触，养分向水体释放，SOM含量下降；而在冬季消落带植物大量凋萎，养分重新回到土壤，SOM含量增加。

图3 各采样点水位变化Fig.3 Water level changes of sampling points

比较相同季节不同年份的土壤养分含量变化，沉积物中TP含量在2019年春到2020年春有显著降低趋势(曼-惠特尼U检验，下同，p<0.05，见图4)，NH4+-N含量在2019年春到2020年春和2018年冬到2020年冬均显著降低。耕地土壤中NH4+-N含量在2018年冬季到2020年冬季显著下降，NO3--N含量显著上升，其他养分含量不同年份之间均无显著性差异(p>0.05)。

注：不同的小写字母表示相同季节不同年份的差异显著性(p<0.05)；箱体上下边界分别代表75%分位数和25%分位数，箱体的延伸线代表1.5IQR范围，中位数在箱体内用一条横线表示，·表示平均数，下同。

2.3 不同河流河道沉积物(土壤)养分变化

各河流河道沉积物上游至下游养分含量分布特征见图5，除pH外，会仙河与相思江土壤养分含量沿程变化都大致呈现“V”字形趋势，该变化趋势与采样点位置距离乡镇远近、河道河床变化有密切联系。相思江X1点有上游工业区、鱼塘、养殖业产生的废水汇入，故养分含量较高，而X3点河道突然变窄，水流较快，泥沙不易堆积，X4点虽距离X3点较近，却由于靠近江头村且有会仙河汇入，故X4河道沉积物养分再次升高。会仙河H1点靠近会仙镇且附近村庄多，河道较宽，水流慢，多方面影响下，H1点河道沉积物相对河流其他采样点养分偏高，H2点进入了会仙湿地，受人类活动的影响减少，沉积物中养分有所降低，H5点河底与河岸高程较大，河水与消落带土壤接触面积大，使得河道沉积物养分沿程有所增加。而睦洞河却大致呈倒“V”字形，M2点沉积物养分相对M1、M3点偏高，这是由于M2点位于睦洞河河段形态多变段且沿途拦河矮坝较多，河水流速缓慢，泥沙相对容易堆积，N、P养分在此段聚集造成沉积物养分含量偏高，另外睦洞河下游耕地面积大幅度减少，林地、草地面积增加[31]，减少了养分的输入，导致M3点的沉积物养分含量偏低。

图5 河道沉积物养分含量变化Fig.5 Changes in nutrient content of river sediments

图6 河道沉积物养分空间分布Fig.6 Spatial distribution of soil nutrient content

2.4 沉积物-消落带-耕地土壤养分变化

图7 土壤养分含量(河道沉积物-消落带-耕地)变化Fig.7 Changes of soil nutrient content (Sediment-Water-level-fluctuating zone-Farmland)

其中河道沉积物、消落带土壤、耕地土壤的SOM含量都与TN显著正相关，Pearson相关系数分别为0.823，0.965，0.766(p<0.01)，这种情况可能与土壤中的有机质主要来源于植物枯落物以及动物残骸，土壤中有机质的累计与分解对N含量具有重要的影响；而耕地土壤pH与SOM含量呈负相关(Pearson相关系数为-0.425，p=0.024)。该结果与戴万宏等[33]关于土壤有机质含量与酸碱度关系的研究结果相同，即随着土壤pH的升高，有机质含量明显降低。

表4 土壤养分变化比例

3 结 论

(1) 漓江流域会仙湿地小流域的土壤中TN和SOM含量总体上处于较高水平，随降雨灌溉容易流失，进而引发水体富营养化，存在较高的水环境释放风险。

(2) 会仙湿地小流域沉积物、消落带、耕地养分含量均有一定的季节性变化，受年份影响较小；沉积物养分含量变化受施肥和河流流量影响；而消落带由于地处河流与耕地的过渡地带，且受降雨和作物成长的影响较大，其养分含量变化随季节变化幅度明显；耕地土壤受人类活动和N、P素养分自身特点影响(P在土壤中移动性较小，N受微生物和植物的影响较大)，N素随季节变化较明显。

(3) 河道沉积物养分含量与其距离乡镇等人口密集区远近和河道河床变化有密切关系，最终导致不同河流呈现的变化趋势不同。用ArcGIS对沉积物养分进行反距离权重插值，也发现土壤养分在研究区东南角居民居住相对集中的乡镇偏低，而在中上部的农业种植区域(会仙湿地核心地区)较高。

致 谢

本研究的野外采样和室内分析受广西环境污染控制理论与技术重点实验室科教结合科技创新基地和南方石山地区矿山地质环境修复工程技术创新中心的支持。