王春雪,岳學(xué)文,李 坤,李義林,潘志賢,方海東,李建查,史亮濤*

(1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所,云南 元謀 651300;2.元謀干熱河谷植物園,云南 元謀 651300)

湖泊水質(zhì)退化已成為國(guó)際上關(guān)注的熱點(diǎn)問題,特別是具有戰(zhàn)略意義和典型生境的湖泊,更加成為水安全保障和科學(xué)研究關(guān)注的熱點(diǎn)[1〗。水質(zhì)惡化可能產(chǎn)生嚴(yán)重的生態(tài)和環(huán)境影響,并會(huì)導(dǎo)致污染暴露和水資源脆弱等問題[2〗。高原湖泊與一般湖泊相比,其獨(dú)特的發(fā)育成因和自然地理特征導(dǎo)致了生物類型和生態(tài)環(huán)境的特殊性,其生態(tài)價(jià)值更加顯著,對(duì)其流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重要影響[3〗。云南的高原湖泊是云南省極為寶貴的自然資源,由于獨(dú)特的自然條件、經(jīng)緯度地帶性規(guī)律,所以其具有豐富的生物多樣性。但是,高原太陽輻射強(qiáng)、日照時(shí)間長(zhǎng),致使湖泊蒸發(fā)量大、水量減小、流動(dòng)性弱,最終導(dǎo)致水體抗污染能力差、生態(tài)敏感性增強(qiáng)[3〗。環(huán)境壓力的逐步增加,生態(tài)日益脆弱,使得高原湖泊流域的生態(tài)環(huán)境修復(fù)成為云南亟待解決的問題[3〗。

杞麓湖是云南九大高原湖泊之一,位于通海縣境內(nèi),是滇中經(jīng)濟(jì)區(qū)和玉溪市生態(tài)環(huán)境建設(shè)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)及文化發(fā)展的重要依托和基礎(chǔ)[2]。該湖泊具有多種生態(tài)功能,但是,流域內(nèi)人口的增加和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)加劇了可用水壓力,同時(shí),“十二五”期間的連續(xù)干旱等加劇了流域內(nèi)的生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn),生態(tài)保護(hù)形勢(shì)嚴(yán)峻[4]。而且,杞麓湖是封閉型湖泊,沒有出湖河流,導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在湖泊中積累,增大了其治理難度[2]。農(nóng)業(yè)是杞麓湖流域的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),流域蔬菜的種植面積達(dá)到了50%以上。通?？h的壩區(qū)蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展早、面積大,整個(gè)壩區(qū)1年基本上實(shí)施蔬菜連作,形成了玉溪市乃至云南省最大的蔬菜種植基地[5]。在杞麓湖流域內(nèi)年蔬菜種植面積約為1.33萬hm2,每年產(chǎn)生的廢棄菜葉約為38萬t。蔬菜種植產(chǎn)業(yè)的施肥量、用藥量大,流失嚴(yán)重。農(nóng)業(yè)面源污染和村鎮(zhèn)生活污染對(duì)杞麓湖污染的“貢獻(xiàn)率”達(dá)到80%以上。該流域內(nèi)農(nóng)業(yè)面源污染嚴(yán)重,入湖河流的水質(zhì)污染嚴(yán)重,直接向湖中輸入大量污染物,污染物以有機(jī)污染、氮和磷污染為主[6]。

目前,杞麓湖是云南省九大高原湖泊中污染較為嚴(yán)重的4個(gè)湖泊之一[7]。自20世紀(jì)80年代以來,杞麓湖出現(xiàn)了富營(yíng)養(yǎng)化,湖泊流域的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境受到制約[2]。由生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的2019年的《生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示,杞麓湖水質(zhì)處于劣Ⅴ類。農(nóng)田中的氮、磷會(huì)隨著地表徑流進(jìn)入水體,還會(huì)隨著水在土壤中淋溶,最終導(dǎo)致土壤質(zhì)量降低、水體富營(yíng)養(yǎng)化等農(nóng)業(yè)面源污染問題[8]。農(nóng)業(yè)面源污染占了入湖污染總量的85%以上,是杞麓湖的主要污染來源。2017年,杞麓湖流域農(nóng)作物單位面積的化肥施用量達(dá)516.69 kg/hm2,嚴(yán)重超出了國(guó)際公認(rèn)的施肥生態(tài)安全上限(225 kg/hm2),也嚴(yán)重超出了全國(guó)平均施肥量(262 kg/hm2),導(dǎo)致了嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)面源污染[9]。因此,要把整治農(nóng)業(yè)面源污染放在保護(hù)杞麓湖的首位[6]。

筆者選擇杞麓湖流域典型的蔬菜地塊和其鄰近的水體作為研究對(duì)象,研究了同一時(shí)期耕層土壤養(yǎng)分參數(shù)與水質(zhì)參數(shù)各自的特征,以及它們之間的關(guān)系,并提出了有關(guān)土地利用和水體保護(hù)的合理建議,以期為杞麓湖流域的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

杞麓湖流域位于滇中地區(qū)通?？h(102°34′～102°52′E,24°6′～24°12′N),屬于亞熱帶半濕潤(rùn)高原季風(fēng)氣候區(qū)。盆地內(nèi)早晚溫差大、四季溫差小、雨熱同季、干濕季分明,年平均降雨量為900 mm,年均氣溫為16 ℃,年日照時(shí)間為2274 h,降水主要集中于5～10月[10]。盆地內(nèi)地勢(shì)由東北向西南逐漸升高,坡度為3°～10°,海拔為1796～1820 m,土壤類型為水稻土[11]。湖泊最高水位是1796 m,其水域面積是37.26 km2,容水量是1.676億m3[2],占通海水資源總量的1/2。流域總面積為354.94 hm2,總?cè)丝跒?4.09萬人,聚集著通?？h全縣93%的人口,灌溉9667 hm2的耕地[6]。區(qū)域內(nèi)的主要作物為蔬菜、糧食、烤煙、油料和花卉。該流域是一個(gè)典型高原湖盆地,中部湖泊,湖周圍平壩區(qū)主要分布在湖泊的西北南三面。流域內(nèi)地形復(fù)雜、溝壑縱橫,土質(zhì)、降雨、氣溫、濕度等異質(zhì)性強(qiáng)[4]。流域包括7個(gè)街道及鄉(xiāng)鎮(zhèn)，以及60個(gè)社區(qū)[12]。杞麓湖流域有紅旗河、者灣河、中河、大新河等14條入湖河流。其中,紅旗河、者灣河、中河、大新河是最主要的4條入湖河流,年均徑流量為5985萬m3,占流域年均徑流量的71%[6]。

1.2 樣品采集與分析

于2020年10月流域內(nèi)農(nóng)田蒜苗采收后進(jìn)行耕層土壤樣品和水樣的采集工作,在杞麓湖沿線共采集了10個(gè)土樣和對(duì)應(yīng)同區(qū)域的10個(gè)水樣。每個(gè)土樣采集點(diǎn)采用棋盤法,采集深度為0～30 cm,共采集5個(gè)樣品；再采用四分法留取1 kg的土樣,同時(shí)記錄采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度和海拔高度。將土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后進(jìn)行風(fēng)干、剔除雜質(zhì)等處理,研磨后分別過0.25 mm和2 mm孔徑的尼龍篩，最后進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定。采集0～50 cm深水體的水樣,同一地點(diǎn)采集5個(gè)水樣,放入盆中混合,再用聚乙烯瓶收集水樣500 mL,帶回實(shí)驗(yàn)室于4 ℃冷藏,在48 h內(nèi)完成水樣指標(biāo)的測(cè)定。樣品采集點(diǎn)和采集點(diǎn)的具體信息見圖1和表1。

表1 采樣點(diǎn)概況

圖1 杞麓湖流域及采樣點(diǎn)示意圖

土壤pH值采用pH計(jì)測(cè)定;全氮(TNS)含量采用凱氏定氮儀測(cè)定;全磷(TPS)含量采用酸溶鉬銻抗比色法測(cè)定;有機(jī)質(zhì)(SOM)含量采用重鉻酸鉀法測(cè)定;速效磷(APS)含量采用雙酸浸提比色法測(cè)定;有效氮(ANS)含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定[13]。水質(zhì)總氮(TNW)含量測(cè)定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法;總磷(TPW)含量測(cè)定采用鉬酸銨分光光度法;化學(xué)需氧量(CODCr)測(cè)定采用重鉻酸鉀法。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel和SPSS軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析。采取5級(jí)指標(biāo)分級(jí)法[5]對(duì)土壤養(yǎng)分指標(biāo)ANS、APS進(jìn)行等級(jí)劃分。根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn),將土壤養(yǎng)分指標(biāo)SOM、TNS、TPS劃分為6級(jí)[14-15],具體見表2。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838─2002)將水體TNW、TPW、CODCr含量分為5級(jí),見表3。

表2 土壤參數(shù)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表3 水質(zhì)指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) mg/L

2 結(jié)果與分析

2.1 流域內(nèi)土壤因子特征

土壤的pH值對(duì)于土壤中微量元素和養(yǎng)分的有效性具有重要的影響[16],因此,研究土壤養(yǎng)分首先要了解pH值狀況[15]。由表4可知,土壤pH值的變化范圍是6.5～8.3,平均值為7.72,整體處于中性狀態(tài)。變異系數(shù)能夠反映各樣本數(shù)據(jù)變量在空間上的離散程度[17]。土壤pH值的變異系數(shù)為6.9%,是土壤指標(biāo)中變異最小的參數(shù)。

土壤SOM的含量直接影響耕地的質(zhì)量和功能,同時(shí)也影響陸地碳庫的豐缺[18-19]。在本研究中,土壤SOM含量的變化范圍是9.07～126 g/kg,平均值為42.45 g/kg,變異系數(shù)為80.3%,為土壤指標(biāo)中變異最大的參數(shù)。流域土壤SOM含量的均值為1級(jí),極為豐富,但是變異系數(shù)的高值反映出流域內(nèi)有機(jī)質(zhì)的分布不均衡：較低SOM含量出現(xiàn)在杞麓湖東北部(4、5號(hào)采樣點(diǎn)),為中下水平,其中采樣點(diǎn)4甚至是缺的水平;其次是杞麓湖北部的采樣點(diǎn)(6、7號(hào)采樣點(diǎn))，SOM含量表現(xiàn)為中上水平;較高SOM含量出現(xiàn)在湖體西部(8、9號(hào)采樣點(diǎn)),其中8號(hào)采樣點(diǎn)的SOM含量甚至高達(dá)126 g/kg。

N是植物生長(zhǎng)必需的重要元素之一,土壤中的N在土壤肥力中起著極其重要的作用,而土壤的TNS含量是衡量土壤N供應(yīng)能力的重要指標(biāo)[20]。從表4可以看出：土壤TNS含量的變異范圍為0.67～5.71 g/kg,均值為2.47 g/kg,整體處于1級(jí)(極豐富)水平,然而其變異系數(shù)較大(62.7%),說明TNS分布極為不均,其較低值出現(xiàn)在杞麓湖東北部(4、5號(hào)采樣點(diǎn)),處于中下到缺的水平;較高值出現(xiàn)在西部(8、9號(hào)采樣點(diǎn)),顯著高于極豐富水平。ANS含量的均值為177.30 mg/kg,處于2級(jí)(豐富)水平；但其變異系數(shù)較大，為56.9%,變異范圍為65～401 mg/kg,其較高點(diǎn)和較低點(diǎn)的分布規(guī)律與TNS相似。

土壤磷化物是一種沉積性礦物,多以難溶性狀態(tài)存在,P的風(fēng)化、富集、淋溶、遷移是由多種因素共同作用的,對(duì)植物生長(zhǎng)具有重要影響[21]。表4中TPS的均值為2.44 g/kg,變異范圍為1.39～3.77 g/kg,變異系數(shù)為33.2%,變異程度較低。TPS的平均值總體處于1級(jí),呈極豐富狀態(tài)；TPS的較高含量出現(xiàn)在杞麓湖北部和西部(6、7、9號(hào)采樣點(diǎn)),較低含量出現(xiàn)在東北部(4、5號(hào)采樣點(diǎn))。APS含量的均值為98.72 mg/kg,變異范圍為48.0～154.3 mg/kg,變異系數(shù)為30.9%,變異程度較低。

表4 杞麓湖流域農(nóng)田土壤理化特征

2.2 杞麓湖的水質(zhì)特征

水體富營(yíng)養(yǎng)化是湖泊水質(zhì)惡化的表現(xiàn)形式[2]。其中,水體的TNW、TPW、CODCr是評(píng)價(jià)水體是否富營(yíng)養(yǎng)化的重要指標(biāo)。表5顯示了杞麓湖水體的水質(zhì)特征,其中TNW含量的平均值為7.21 mg/L,變異范圍為2.56～32.3 mg/L,變異系數(shù)為130.6%,變異程度相當(dāng)高,所有水質(zhì)取樣點(diǎn)的TNW含量均顯著高于地表劣Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn),其中紅旗河(采樣點(diǎn)9)入湖口的TNW含量甚至達(dá)到了32.3 mg/L,超出劣Ⅴ類水水質(zhì)TN標(biāo)準(zhǔn)20倍之多。六一龍?zhí)稖?采樣點(diǎn)1)的TNW含量也超出劣Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)8倍。水體TPW含量的平均值為0.23 mg/L,整體處于劣Ⅴ類水水平,變異范圍為0.07～0.76 mg/L,變異系數(shù)為94.3%,變異程度高。湖泊東北部(采樣點(diǎn)4、5)的TPW含量較低,處于地表Ⅳ類水范圍。CODCr的平均值為39.53 mg/L,變異范圍為34.1～42.8 mg/L,變異系數(shù)為12.9%,變異程度較低,所有取樣點(diǎn)水質(zhì)均為劣Ⅴ類。

表5 杞麓湖流域的水質(zhì)參數(shù)特征 mg/L

2.3 土壤與水質(zhì)參數(shù)間的相關(guān)性分析

土壤參數(shù)和水質(zhì)參數(shù)間的相關(guān)性分析可以找到兩者間的內(nèi)在聯(lián)系。表6顯示了對(duì)應(yīng)的土壤和水質(zhì)參數(shù)間的相關(guān)關(guān)系,在土壤因子間SOM與TNS、ANS呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,TNS和ANS呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。在水質(zhì)因子間TNW和TPW呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。在土壤因子和水質(zhì)因子間，APS和TNW呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

表6 土壤因子與水質(zhì)參數(shù)間的相關(guān)系數(shù)

3 討論

3.1 杞麓湖流域耕層土壤的養(yǎng)分特征

了解一個(gè)區(qū)域土地利用方式下土壤的養(yǎng)分狀況,能夠?yàn)樵搮^(qū)合理施肥、土壤養(yǎng)分管理、面源污染控制提供科學(xué)依據(jù)[15]。土壤SOM含量代表了土壤的碳儲(chǔ)量,是評(píng)價(jià)土壤養(yǎng)分供給能力和肥力的重要指標(biāo),在耕地質(zhì)量、氣候變化、環(huán)境保護(hù)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展方面有著至關(guān)重要的作用[14]。本研究發(fā)現(xiàn),杞麓湖東部和北部的耕層土壤SOM含量處于較低的水平,而西部和南部處于較高的水平。與全國(guó)第二次土壤普查結(jié)果比較,杞麓湖流域耕層SOM含量的平均值(42.45 g/kg)顯著高于全國(guó)平均水平(24.65 g/kg),接近SOM含量最高的省份黑龍江的平均水平(40.43 g/kg),顯著高于云南省的平均水平(35.37 g/kg)[14]。秦發(fā)侶等[11]對(duì)整個(gè)流域土壤的研究發(fā)現(xiàn),2008、2011、2013和2015年四年的杞麓湖盆地土壤SOM含量均由西南向中部再向東北部,呈現(xiàn)出低-高-低的分布,幾年間高值核心區(qū)的位置不變,但是范圍在擴(kuò)大,這與本研究的結(jié)果相似。流域中耕層土壤N和P含量偏高主要是由施肥導(dǎo)致的。沐嬋等[5]研究發(fā)現(xiàn),通海壩區(qū)蔬菜田耕作層土壤的ANS含量在61～355 mg/kg,平均為170 mg/kg,其中2/3以上的土壤的ANS含量在150～355 mg/kg，其平均值與最低值與本研究的結(jié)果相近,但其最高值低于本研究的。在其他研究中,APS含量在40～627 mg/kg,平均值為112.0 mg/kg,均處于很高的水平[5]。本研究APS含量的最高值為154.3 mg/kg,遠(yuǎn)低于以上研究結(jié)果,這可能是由采集時(shí)間及范圍不同導(dǎo)致的。

3.2 杞麓湖水體的富營(yíng)養(yǎng)化特征

有研究表明,杞麓湖流域的污染存在空間分布不均的特點(diǎn),在人口耕地集中的西部、南部和北部區(qū)域是流域主要的污染區(qū),其中,以西南部的湖濱農(nóng)業(yè)區(qū)的入湖污染負(fù)荷最高。杞麓湖水質(zhì)常年保持在Ⅴ類和劣Ⅴ類間,水環(huán)境處于嚴(yán)重超負(fù)荷狀態(tài),超標(biāo)物以氮化物為主,流域內(nèi)高量(516.69 kg/hm2,20%折純)的化肥施用是造成N高污染的主要原因[12]。本研究也發(fā)現(xiàn),TNW和TPW含量在杞麓湖的東部水體較低,而在西部和北部水體較高,尤其是紅旗河入河口的TNW和TPW含量分別高達(dá)32.30和0.76 mg/L。王萬賓等[9]的研究結(jié)果表明,2016～2018年,紅旗河TNW含量、TPW含量和CODCr的平均值分別為11.82、0.61、32.14 mg/L,TNW、TPW含量均處于劣Ⅴ類水平,超標(biāo)率分別是100.00%和63.89%。該研究中紅旗河TNW含量與本研究的差異較大,但均屬于劣Ⅴ類水范疇。此外,其他研究也表明,近幾年紅旗河等主要的入湖河道污染較嚴(yán)重,水質(zhì)均為劣Ⅴ類[9]。2010～2019年,杞麓湖的主要入湖河流水質(zhì)多為劣Ⅴ類,主要的超標(biāo)污染因子為TNW、TPW、CODCr等[6]。杞麓湖水質(zhì)處于中度～重度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)[22]。而本研究發(fā)現(xiàn)杞麓湖東部的TPW含量達(dá)到了地表水Ⅳ類的水平。

3.3 水體參數(shù)與土壤因子間的相關(guān)性

在前人的研究中,土壤SOM含量與TPS、TNS含量為極顯著正相關(guān)關(guān)系,這表明土壤SOM的輸入與土壤N、P的來源密切相關(guān)[23]。另外,林圣玉[24]的研究表明,南方紅壤果園土壤SOM含量與TNS、TPS含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。朱永青等[15]研究發(fā)現(xiàn)TNS含量與SOM含量間的相關(guān)系數(shù)為0.858,說明土壤SOM和TNS的累積具有高度的同步性。本研究發(fā)現(xiàn)土壤SOM含量與TNS和ANS含量均呈極顯著正相關(guān),這說明土壤SOM含量與施加N肥密不可分,N大部分以有機(jī)的形態(tài)存在,導(dǎo)致土壤SOM和TNS含量均屬于中等變異；而TNS含量與ANS含量也呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,這表明土壤中高N含量導(dǎo)致了植物可利用態(tài)N含量的增加。朱永青等[15]的研究表明,太滆運(yùn)河流域土壤pH值與TNS含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,土壤TNS含量與TPS和SOM含量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。不同地區(qū)的土壤養(yǎng)分間的相關(guān)性有差異,這說明不同土壤類型間的養(yǎng)分供給關(guān)系和其內(nèi)在聯(lián)系存在著機(jī)理上的不同。本研究還發(fā)現(xiàn)TNW含量與TPW含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,這說明流域內(nèi)進(jìn)入水體的N、P污染存在著協(xié)同性。另有研究表明,各水質(zhì)指標(biāo)間無顯著的線性相關(guān)關(guān)系[23]。這可能與不同地區(qū)的水體污染類型和污染源供給方式不同有關(guān)。

4 結(jié)論

杞麓湖流域的耕層土壤養(yǎng)分含量存在著湖體東部和北部較低,而西面和南面較高的規(guī)律,其中土壤TNS、TPS、SOM含量這3個(gè)參數(shù)具有一致性的特征。流域內(nèi)土壤TNS、TPS、SOM整體處于極豐富的狀態(tài),說明土壤中的養(yǎng)分含量已經(jīng)處于供大于求的狀態(tài)。為了提高蔬菜產(chǎn)量,仍然大量施用化肥和農(nóng)藥,勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致農(nóng)業(yè)面源污染的持續(xù)發(fā)生,杞麓湖水體質(zhì)量進(jìn)一步惡化的嚴(yán)重后果。

鑒于此,我們認(rèn)為,可以選擇生物量大、生長(zhǎng)迅速的牧草,如黑麥草、菊苣、紫花苕等,將其與蔬菜及糧食作物輪作,起到活化并大量利用土壤中氮、磷的作用,使得土壤得到休養(yǎng)生息。同時(shí),降低化肥的施用量,采取豆科牧草還田,或增加有機(jī)肥投入的措施,在經(jīng)過幾年的土壤改良后,再進(jìn)行綠色蔬菜甚至有機(jī)蔬菜產(chǎn)業(yè)基地的打造。

要對(duì)紅旗河等高污染負(fù)荷的入湖河流實(shí)行截污處理,建造種植有水生植物的生態(tài)溝塘,使以前直接入湖的污染河流水體經(jīng)過溝塘,經(jīng)過初步凈化后再流入杞麓湖,可以大幅降低入湖的N、P含量。對(duì)杞麓湖本體也可采用生物浮床技術(shù),選擇對(duì)NP吸收和吸附能力強(qiáng)的植物進(jìn)行湖體原位修復(fù)。