鄒 凌，趙培飛，李少明，戴 敏，蔣亞蓮，王麗花，田 敏，楊志國，李紳崇*，王繼華

(1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院花卉研究所/國家觀賞園藝工程技術(shù)研究中心，云南 昆明 650205；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)，云南 昆明 650205；3.云南省氣象局，云南 昆明 650034)

【研究意義】農(nóng)藥和化肥的使用極大地提高了農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，但是同時(shí)也帶來了一些負(fù)面效應(yīng)。這些負(fù)面效應(yīng)主要包括農(nóng)藥在農(nóng)產(chǎn)品上的殘留和對(duì)環(huán)境的污染[1]。由于中國在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中某些粗放的管理方式，一些淡水湖泊受到了不同程度的污染。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是當(dāng)?shù)厝嗣裰匾纳罱M成部分和經(jīng)濟(jì)保障。滇池、洱海、撫仙湖依次是云南省面積最大的3個(gè)淡水湖泊。星云湖緊鄰撫仙湖南部是云南第七大湖泊。陽宗海是云南第九大湖泊。在這些湖泊周邊，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)多。根據(jù)2015年中國環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的“中國環(huán)境狀況公報(bào)”，滇池的水質(zhì)被界定為重度污染，陽宗海的水質(zhì)被界定為輕度污染，洱海和撫仙湖的水質(zhì)為優(yōu)。星云湖的水質(zhì)被界定為劣5類水平[2]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】這些湖泊的沉積物和水體中均含有農(nóng)藥殘留[3-5]。而且，在臨近這些湖泊水體的區(qū)域，化肥的施用量大，例如：在撫仙湖周邊所做的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在該地區(qū)化肥施用量平均值為3900 kg/hm2[6]；在滇池東北部對(duì)不同農(nóng)戶化肥施用量所做的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，在該地區(qū)化肥施用量在1800～7500 kg/hm2[7]。因此，農(nóng)藥和化肥粗放的使用是這些湖泊水體潛在的污染源?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】云南省的地理多樣性豐富，因此，我們可以推斷各湖泊周邊土壤的理化性質(zhì)存在差異。不同土壤的理化性質(zhì)可以影響到農(nóng)藥和化肥施用的效能。土壤陽離子交換容量CEC可以反應(yīng)土壤吸附離子的能力，對(duì)于化肥的施用有重要的指示意義，例如：在CEC低的土壤中，因其吸附營養(yǎng)元素離子的能力較弱，多余的離子會(huì)隨降雨或者灌溉用水流失[1]。土壤黏粒(Clay)含量和CEC與達(dá)到防控效果所需的農(nóng)藥量呈正相關(guān)關(guān)系[8-13]。土壤質(zhì)地對(duì)化肥和農(nóng)藥[10,13]的使用量也有顯著的影響，例如：在沙與壤土組分高的土壤中，水分過多會(huì)造成農(nóng)藥和化肥的流失，導(dǎo)致效能降低，在黏粒組分高的土壤中，水分過少會(huì)導(dǎo)致農(nóng)藥和化肥不能有效地在土壤中溶解和擴(kuò)散，從而降低效能。土壤的pH對(duì)土壤中不同的營養(yǎng)元素釋放和農(nóng)藥效能有影響[1,14]?！緮M解決的關(guān)鍵問題】土壤的CEC、pH、質(zhì)地為短期內(nèi)不易改變的特質(zhì)，量化這些指標(biāo)將為因地制宜地施用化肥和農(nóng)藥提供理論基礎(chǔ)。至今，還未有文獻(xiàn)對(duì)這些區(qū)域的CEC、pH、質(zhì)地做過系統(tǒng)性的研究。在本研究中，我們將對(duì)以上湖泊周邊靠近水體的農(nóng)業(yè)土壤隨機(jī)采樣并量化以上指標(biāo)，從而為發(fā)展當(dāng)?shù)丨h(huán)境友好的農(nóng)業(yè)提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

經(jīng)過對(duì)滇池、洱海、撫仙湖、星云湖、陽宗海不同位點(diǎn)(圖1)的采樣，根據(jù)對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)部門人員的采訪，農(nóng)用土地的用途主要有以下幾個(gè)類別：濕地公園、花卉種植、煙草種植、主糧種植、蔬菜種植、果園、人造林地、葡萄種植園、草莓種植業(yè)。在本研究中，采取土樣的位點(diǎn)都保持同種作物和相應(yīng)的種植方式至少兩年。每個(gè)位點(diǎn)設(shè)置3個(gè)重復(fù)，分別隨機(jī)采集0～40 cm不同深度的土壤樣本，并記錄以下信息：①土地的用途；②作物種類；③坐標(biāo)。所有樣品在室溫下(20～22 ℃)風(fēng)干，去除草根石塊，磨碎，然后過直徑為2 mm篩網(wǎng)。

圖1 中國云南省滇池、洱海、撫仙湖、星云湖、陽宗海及采樣位點(diǎn)Fig.1 Dianchi lake, Erhai lake, Fuxian lake, Xingyun lake and Yangzong lake in Yunnan province, China and soil-sampling locations

表1 不同流域基本信息

注：N/A表示無信息。年降雨量基于1986-2015年30年的平均值(數(shù)據(jù)來源于云南省氣象局)。撫仙湖和星云湖在同一個(gè)流域，撫仙湖水流向星云湖。

Note: N/A is not available. Annual rainfall in different regions surrounding lakes and near the river was an averaged value of 30-year data (1986-2015) (data were obtained from Department of Meteorology, Yunnan province). Fuxian and Xingyun lakes are in the same watershed, with Fuxian lake feeding Xingyun lake.

1.2 土壤pH、CEC、質(zhì)地測(cè)定

陽離子交換容量 (CEC)測(cè)量依據(jù)Page (1982)的方法[15](5 g土樣)。土壤pH(土︰水=1︰2.5)測(cè)定采用pH測(cè)試儀(Mettle-Toledo Inc. Greifensee, Switzerland)進(jìn)行測(cè)量。土壤質(zhì)地測(cè)量依據(jù)Klute(1986)的方法[16]。根據(jù)樣品中所測(cè)砂、粉粒、黏粒的組分，依據(jù)美國農(nóng)業(yè)部所制的土壤質(zhì)地三角圖對(duì)土壤樣品進(jìn)行歸類。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用軟件為R。因變量: CEC、pH、砂、粉粒、黏粒組分。對(duì)因變量與自變量：不同區(qū)域(各個(gè)湖泊周邊區(qū)域)、位點(diǎn)、土地用途、有機(jī)肥是否使用、不同作物種類所組成的矩陣進(jìn)行方差分析。當(dāng)P< 0.05，自變量對(duì)因變量的影響為顯著。post hoc分析則通過計(jì)算最小顯著差異(L.S.D.)進(jìn)行比對(duì)。為搞清楚各因變量之間的關(guān)系，對(duì)滇池、洱海、撫仙湖、星云湖、陽宗海各采樣位點(diǎn)不同因變量平均數(shù)進(jìn)行了相關(guān)性分析。而后運(yùn)用主成分分析(PCA: Principal component analysis)對(duì)各因變量的權(quán)重進(jìn)行了研究。最后，分別對(duì)砂、粉粒、黏粒和陽離子交換容量進(jìn)行了回歸分析。

圖中同一指標(biāo)帶有相同小寫字母表示差異不顯著(P≥0.05)，下同Values of the same variable with same letters are not significantly different(P≥0.05). The same as below圖2 各區(qū)域周邊土壤的pH和陽離子交換容量(CEC)Fig.2 pH and CEC in different regions

2 結(jié)果與分析

2.1 不同區(qū)域土壤CEC、pH、砂、粉粒、黏粒組分的差異

陽宗海西南村落里的土壤CEC值24 cmol/kg(圖2)，為所有區(qū)域最高。其次為滇池周邊的區(qū)域21 cmol/kg，撫仙湖和星云湖16 cmol/kg，洱海12 cmol/kg。就湖泊水體體積而言(表1)，撫仙湖水體的體積遠(yuǎn)超過其它湖泊。在滇池流域，農(nóng)田面積為最大，約為洱海、撫仙湖和星云湖流域農(nóng)田面積的10倍。在這些區(qū)域，年降雨量都超過800 mm。

在撫仙湖和星云湖周邊的土壤中，pH7.2，中性，顯著高于(P< 0.01)其它區(qū)域的pH值(圖2)。洱海與滇池周邊土壤pH為6.8，中性。陽宗海西南角村落的土壤pH為5.5，為中等酸性。在洱海周邊的土壤中，砂和粉粒組分(P< 0.05)顯著高于其它湖邊區(qū)域的土壤(圖3)，而其黏粒組分則顯著低于其它湖邊區(qū)域的土壤(P< 0.05)，為壤土。在滇池、撫仙湖、星云湖周邊的土壤中，粉粒的組分分別高于砂和黏粒的組分，為輕壤土。在陽宗海周邊的土壤中，黏粒的組分大于45 %，高于粉粒和砂的組分，為黏土。pH值在各湖邊區(qū)域無明顯空間分布特征(圖4)。在洱海周邊，東部位點(diǎn)土壤的CEC值比西部CEC值要高(圖4)；在滇池周邊，東北部位點(diǎn)的土壤CEC值略比其它位點(diǎn)的CEC值要高一些。

圖3 各區(qū)域周邊土壤的砂、粉粒、黏粒的組分Fig.3 Proportions of sand, silt, clay in regions surrounding lakes

圖4 各區(qū)域不同位點(diǎn)pH、CEC、土壤質(zhì)地空間分布Fig.4 Spatial distribution of sampling locations with pH，CEC and soil texture

表2 土壤樣品中各變量的主成分分析(PCA)結(jié)果

注：圖中的數(shù)字為Pearson相關(guān)性系數(shù)r，灰色的圓代表正相關(guān)，黑色代表負(fù)相關(guān)。不顯著的相關(guān)關(guān)系被×所覆蓋(P>0.05)

Note: The values at lower part of the matrix are Pearson correlation coefficients. Gray color represents positive correlation; Black represents negative correlation. Insignificant correlations were covered by crosses (P>0.05).

在洱海周邊的土壤，其土壤質(zhì)地有明顯的空間分布特征(圖4)，主要表現(xiàn)為在其西部的位點(diǎn)，土壤中砂和粉粒組分較高，土壤質(zhì)地主要為壤土、砂質(zhì)壤土、粉質(zhì)壤土；在其東部的位點(diǎn)，大部分土壤中黏粒的組分較高，為黏土、黏質(zhì)壤土、壤土。在撫仙湖北部的位點(diǎn)，土壤中砂和粉粒組分高，為壤土。在撫仙湖和星云湖東南部的位點(diǎn)，土壤中黏粒組分高，為黏土。在滇池周邊的位點(diǎn)，土壤質(zhì)地?zé)o明顯空間分布特征。

圖中的數(shù)字為Pearson相關(guān)性系數(shù)r，灰色的圓代表正相關(guān)，黑色代表負(fù)相關(guān)。不顯著的相關(guān)關(guān)系被×所覆蓋(P>0.05)The values at lower part of the matrix are Pearson correlation coefficients. Gray color represents positive correlation; Black represents negative correlation. Insignificant correlations were covered by crosses (P>0.05)圖5 各區(qū)域周邊土壤CEC、pH、 砂、粉粒、黏粒組分之間的相關(guān)性分析Fig.5 Pair-wise correlations between dependent variables: CEC, pH, sand, silt and clay in soils of different regions

圖6 以自然對(duì)數(shù)為底數(shù)轉(zhuǎn)化的砂、粉粒、黏粒的值與陽離子交換容量的回歸分析Fig.6 Regression analyses on natural-log transformed values of sand, silt, clay versus CEC

2.2 土壤CEC、pH、砂、粉粒、黏粒組分之間的相關(guān)性及其權(quán)重

pH值與其它因變量之間無顯著的相關(guān)性(圖5，P> 0.05)。砂和粉粒之間成正比，但是分別和CEC之間成反比。黏粒分別和砂、粉粒成反比，但是和CEC之間成正比。CEC、砂、粉粒、黏粒組分兩兩之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系，為找到一個(gè)權(quán)重較大的指標(biāo)提供了前提。主成分分析結(jié)果(表2)表明：主成分1(PC1)一共解釋了81 %的差異。因此CEC、砂、粉粒、黏粒中任意一個(gè)自變量與PC1載荷值的絕對(duì)值越大，該自變量的權(quán)重就越大。黏粒與PC1的載荷值的絕對(duì)值最大為0.53，而后砂為0.51，粉粒為0.49，CEC為0.47。因此黏粒的權(quán)重最大。CEC與砂為負(fù)相關(guān)(圖6)，R2為0.45。CEC與粉粒為負(fù)相關(guān)，R2為0.39。CEC與黏粒為正相關(guān)，R2為0.56。因此，在砂、粉粒、黏粒這3個(gè)指標(biāo)中，用黏粒來預(yù)測(cè)CEC的值較為準(zhǔn)確。

3 討 論

3.1 遭受著農(nóng)業(yè)面源污染威脅的湖泊水體

在滇池、洱海、撫仙湖、星云湖、陽宗海周邊，都存在著一定規(guī)模的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。可溶性的營養(yǎng)離子和污染物能隨降雨和灌溉用水滲入到地下水體；附著在土壤顆粒上的污染物容易被降雨沖刷到附近的水體中，是重要的污染源[17]。這些湖泊周邊年降雨量大，因此為污染物移動(dòng)到水體中創(chuàng)造了條件。一些近期的研究表明：這些湖泊的水體或者沉積物中含有農(nóng)藥殘留[2-5]，而且，在這些區(qū)域化肥用量巨大[6-7]。水體的體積可以一定程度作為衡量該水體面臨污染時(shí)所具有的緩沖能力。滇池水體的體積低于洱海和撫仙湖，但其流域內(nèi)農(nóng)田的面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它湖泊。因此滇池面臨農(nóng)業(yè)面源污染的體量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他湖泊。滇池的水中平均含總氮6.5 mg/L和總磷0.17 mg/L，為重度富營養(yǎng)化；對(duì)應(yīng)的，洱海分別為0.48和0.04 mg/L[18]，為中度富營養(yǎng)化；撫仙湖分別為0.15和 0.007 mg/L[19]，為貧營養(yǎng)化；星云湖分別為 2 和 0.18 mg/L[20]，為重度富營養(yǎng)化。

3.2 不同湖泊周邊土壤的CEC、 pH、質(zhì)地對(duì)精細(xì)化施用化肥和農(nóng)藥的指示意義

總的來說，撫仙湖和星云湖周邊的土壤呈微堿性；滇池和洱海的呈微酸性；靠近陽宗海西南部的土壤呈中等酸性。如果土壤中鋁的含量高，經(jīng)過水解反應(yīng)后，土壤的pH會(huì)下降。距陽宗海西部1000 m的鋁電解廠是否與此有關(guān)聯(lián)，還未有報(bào)道。云南部分地貌為喀斯特，撫仙湖和星云湖流域含有大量石灰?guī)r[21]，這有可能是該區(qū)域土壤pH呈微堿性的部分原因。土壤的pH對(duì)農(nóng)藥效能影響主要依據(jù)特定農(nóng)藥的酸堿度；例如：含有官能團(tuán)COOH和NHSO2弱酸性農(nóng)藥被土壤顆粒吸附的可能性與土壤的pH的關(guān)系為負(fù)相關(guān)；弱堿性的農(nóng)藥被土壤顆粒吸附的可能性與土壤的pH也呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但是這種影響與弱酸性的農(nóng)藥相比起來，權(quán)重較小，因?yàn)檫@種影響通常是土壤有機(jī)質(zhì)、黏粒含量、pH三者的協(xié)同效應(yīng)；pH對(duì)非離子化的農(nóng)藥沒有影響[14]。由此，從農(nóng)藥的效能來看，在陽宗海西南部的土壤中，應(yīng)該避免施用含有官能團(tuán)COOH和NHSO2弱酸性的農(nóng)藥。pH對(duì)土壤中不同營養(yǎng)元素諸如：K、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn的釋放和植物的吸收也有重要的作用[1]。pH對(duì)有效磷的釋放影響研究得最為清楚，當(dāng)pH等于6.5的時(shí)候，磷被吸附和以沉淀形式的量最小，所以植物可利用的磷最多；當(dāng)pH小于6.5的時(shí)候，磷主要是以磷酸鐵和磷酸鋁的沉淀而存在，且易被吸附在氧化物和黏土的顆粒上；當(dāng)pH大于6.5的時(shí)候，磷主要以磷酸鈣的沉淀而存在，且易被吸附在碳酸鈣的顆粒上[1]。因此，土壤pH的范圍是影響土壤肥力和農(nóng)藥使用的一個(gè)重要指標(biāo)?？赏ㄟ^施用一定量的CaCO3來提高土壤的pH值，也可通過施用酸性的化肥或者物質(zhì)來降低pH[1]。

在CEC值和黏粒組分低的土壤中，土壤對(duì)離子和帶電荷的分子吸附能力弱；在這些湖泊周邊的區(qū)域年均降雨量都大于800 mm，加上灌溉用水，如果每一次施用量大，沒有被吸附的營養(yǎng)元素離子或者農(nóng)藥的分子容易隨著土壤中的水流失到水體中。所以在該類土壤中，化肥或者農(nóng)藥的施用應(yīng)少量多次施來達(dá)到更大的效能，從而減少污染源。反之，在CEC值和黏粒組分高的土壤中，化肥或者農(nóng)藥的施用應(yīng)相對(duì)集中施來達(dá)到化肥和農(nóng)藥應(yīng)有的效能?？拷栕诤Ｎ髂喜康耐寥乐?，CEC值和黏粒的組分在本研究所調(diào)查的區(qū)域內(nèi)最高，對(duì)于滇池、撫仙湖和星云湖周邊的土壤其CEC值和黏粒組分次之。對(duì)于洱海周邊的土壤來說，其CEC值和黏粒組分最小，砂和粉粒的組分最高。在洱海周邊，CEC和質(zhì)地的空間分布有一定特征?？拷Ｎ鞑康耐寥繡EC和黏粒組分明顯低于東部的土壤。已有的研究結(jié)果表明：具體化肥或者農(nóng)藥的施用量可以根據(jù)不同土壤的CEC、質(zhì)地建立模型，以找到最經(jīng)濟(jì)的施用量[22-23]。

在滇池、撫仙湖、星云湖各個(gè)湖泊周邊區(qū)域內(nèi)，所調(diào)查的指標(biāo)的空間分布無明顯特征。造成此現(xiàn)象的原因可能有以下方面。據(jù)考證，滇池、撫仙湖的面積近代以來在不斷變小[24-25]，在本研究中，距水體近的采樣位點(diǎn)極可能為從前的河床；除此以外，“圍海造田”對(duì)滇池周邊(特別是靠近滇池的東北部)帶來了外源的土壤。研究不同土壤的理化性質(zhì)，因地制宜地施用化肥和農(nóng)藥是減少農(nóng)業(yè)面源污染的重要手段。土壤理化性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定繁冗，不同指標(biāo)可能互相關(guān)聯(lián)，通過統(tǒng)計(jì)分析可以找到權(quán)重大的指標(biāo)。CEC的測(cè)試非常繁冗，因此，找到一個(gè)權(quán)重大且能夠估算CEC的指標(biāo)有一定意義。

3.3 黏粒組分作為估算土壤CEC值的指標(biāo)

CEC與黏粒、粉粒、砂的組分之間兩兩互相關(guān)聯(lián)，這為用黏粒、粉粒、砂的組分來估算CEC提供了可能性。黏粒和CEC之間正相關(guān)的關(guān)系具有普遍性[25-27]。Ersahin等人研究了土耳其Anatolia的農(nóng)業(yè)土壤中黏粒、粉粒、砂組分與CEC之間的關(guān)系，其結(jié)果與本研究結(jié)果一致，即：黏粒組分和砂、粉粒組分比較起來能夠更精確的估算CEC[28]；其建立的回歸方程解釋了48 %的差異，與本研究54 %的結(jié)果相差不大。因此，黏粒組分可以作為一個(gè)較為準(zhǔn)確的指標(biāo)來估算土壤CEC值。此外，黏粒為權(quán)重最大的指標(biāo)，比起其它3個(gè)指標(biāo)能夠更多的反應(yīng)不同土壤的差異。

4 結(jié) 論

滇池、洱海、撫仙湖、星云湖、陽宗海周邊有大量的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。由于很多農(nóng)田靠近水體，年降雨量大，湖中水體面臨農(nóng)業(yè)面源污染的威脅。不同區(qū)域土壤的pH、CEC、土壤質(zhì)地均不相同，為因地制宜、精細(xì)化地施用農(nóng)藥和化肥提供了理論基礎(chǔ)?？拷栕诤Ｎ髂喜康耐寥纏H為中等酸性，因此在該區(qū)域應(yīng)該避免施用含有官能團(tuán)COOH和NHSO2弱酸性農(nóng)藥。陽宗海西南部土壤的CEC值最高，然后依次為滇池、撫仙湖和星云湖、洱海周邊的土壤。因此，施用化肥和農(nóng)藥在CEC值低的土壤應(yīng)遵循“少量多次施”的原則，反之，在CEC值高的土壤應(yīng) “相對(duì)集中施”?？傮w而言，靠近陽宗海西南部的土壤被歸類為黏土；滇池、撫仙湖和星云湖周邊的土壤為黏壤土；洱海周邊為壤土。洱海周邊的土壤CEC值和土壤質(zhì)地具有一定的空間分布特征，表現(xiàn)為西部的土壤CEC值與黏粒含量小于東部區(qū)域，意味著西部區(qū)域土壤中農(nóng)殘和化肥流失到水體的風(fēng)險(xiǎn)更大。在CEC、砂、粉粒、黏粒組分這4個(gè)指標(biāo)中，黏粒組分的權(quán)重最大，意味著黏粒組分可以更多地揭示這些區(qū)域內(nèi)土壤的差異，同時(shí)相較于砂和粉粒，黏粒組分可以更準(zhǔn)確地估算土壤CEC值。