福建某滨海湖泊周边土壤磷元素空间分布研究

2020-04-17黄武鸿刘艳丹甘晖

福建轻纺 2020年4期

黄武鸿，刘艳丹，甘晖

（福建师范大学环境科学与工程学院，福建福州 350007）

1 前言

1.1 磷与湖泊富营养化

第二次全国湖泊调查显示，我国138个面积大于10 km2的湖泊中超过富营养化标准的占85.4%，且40.1%的湖泊达到了重富营养化标准[1]。在我国统计的湖泊中，因氮磷污染而富营养化的湖泊占56%[2]，因此研究湖泊周边土壤磷的空间分布对湖泊富营养化的分析有重要意义。

1.1.1 富营养化的定义

湖泊富营养化是指由于人类活动，使湖泊中营养物质大量增长，导致藻类等水生生物过度增殖，水质变差、水生态系统遭到破坏的现象[3,4]。

1.1.2 富营养化的成因

国际上关于富营养化的成因有两种解释，一种是由荷兰科学家马丁·肖顿在“磷酸盐技术研讨会”上提出的食物链理论，其认为水域食物链中浮游生物减少或摄入食物变少将造成藻类过量繁殖引起水体富营养化。另一种更为众人广泛认可的生物周期理论则认为，氮、磷过多排入水体消耗水中的氧造成水中鱼类死亡，其尸体腐烂又造成水体进一步被污染[5]。

1.1.3 磷与富营养化的关系

湖泊中限制藻类繁殖的营养物质主要为氮和磷[6]，藻类和总磷密切相关[7,8]。

一般来说，藻类繁殖最适宜的氮磷比为16∶1[9]，但通常认为藻类生长时，氮磷比大于40为磷限制，小于10为氮限制，但杨文等[10]在研究藻华池塘里的浮游植物群落时，发现该地区氮磷比小于10为磷限制；同样，Lv Jin等[11]在富营养化湖泊的调查中也发现，即使大多数的湖泊氮磷比低于10，总磷与叶绿素a的相关性也始终高于总氮。这主要是因为湖内固氮蓝藻在一定程度上补充了氮源，使得磷的影响变得更大[12,13]。

在富营养化的湖泊水库中，磷浓度限制的情况占80%，另外10%与氮磷浓度有关[14]。氮通常是热带和干燥地区限制湖泊富营养化的主要因素，对于亚热带、温带地区的湖泊等水体而言，磷才是富营养化的主要限制因素[15,16]，蔡龙炎等[17]在我国湖泊氮磷时空分布的研究中经过对全国主要湖泊分布区的数据进行分析，结果也证明叶绿素a和总磷的R值达到0.425，而和总氮的R值仅为0.124，磷起着主要的限制作用。

1.1.4 湖泊富营养化与内源磷释放

湖泊内源磷是营养物经过一系列的物理、化学等变化后，沉积于湖底的底泥磷[18]，这些内源磷在某些适当的环境条件下会释放出来并造成湖泊磷增长。

影响沉积物内源磷释放的主要因素很多，大量研究中发现诸如某些金属元素、温度、pH、溶解氧、磷的存在形态、扰动等都对内源磷的释放有很大影响[19-25]。

1.2 湖泊周边土壤中磷的来源

近年来，由于工业废水和生活废水等点源污染得到控制，农业面源污染成为地表水中磷输入的最重要来源，中国主要湖泊中超过50%的磷来源于此[26]。

湖泊流域通常为人口密集、种植业发达地区，随着种植业发展，化肥施用量不断上升，土壤中磷的累积导致磷的流失量急剧增长。据统计，自60年代以来，由于化肥的施用和畜牧业发展造成我国重要流域的磷元素平均增加了12倍，而化肥施用造成的磷元素增长由原来的占比10%增至60%[27]，成为最主要的农业面源污染。

一方面，作物对磷肥的利用率低，一般情况下，通过作物的当季利用以及后季利用，仍然有大概占施肥总量75%～90%的磷在土壤中滞留富集[28]，此外，即使土壤中有效磷大幅增长，农民仍偏爱施加氮、磷肥，造成土壤中磷元素盈余[27]，土壤中的磷通过降水径流、土壤侵蚀等作用，以水溶态和颗粒态形式进入湖泊中，造成湖泊污染[29]。

另一方面，大量使用有机肥使得土壤的固磷能力下降，特别是如果土壤中的铁（Fe）、铝（Al）和钙（Ca）的吸收能力饱和，使磷更容易通过土壤向水生生态系统移动[30]。据统计，全世界每年从土壤迁移到水体中的磷（以P2O5计）高达三四百万t[31]，对水体水质造成很大影响。

因此，控制湖泊周边磷的来源成为控制湖泊富营养化的关键[32,33]。

1.3 湖泊周边土壤磷的空间分布

全国第二次土壤普查资料显示，磷的空间分布与气候和土壤的地球化学类型有关，随着降水及气温的升高磷元素密度逐渐降低[34]。

此外，磷的迁移会对磷元素的空间分布带来很大的影响，土壤滞留磷主要是由于土壤的吸附作用，矿物颗粒、土壤粒度、氧化还原电位、温度等对土壤的吸附作用都有显著的影响[35]。

钱进等[36]发现降雨、河水水位以及地下水水位对土壤磷素空间分布的影响显著不同。罗敏[37]在实验中发现有机肥的施加会降低土壤对磷的吸附量，重碳酸根、草酸处理后的土壤磷的释放率加大，从而使磷向水体中迁移。

表1 表层土壤磷元素含量描述性统计

当土壤中的磷超过土壤磷元素淋失临界值时，流向水体中的磷含量上升[38]，这个临界值主要受土壤有机质和活性铁铝的限制，土壤的有机质越高，土壤磷元素淋失临界值则越大，土壤中的磷元素越不容易流失，同时，该临界值与活性铁铝含量呈显著正相关（P＜0.01）。

2 实验部分

2.1 材料与方法

2.1.1 样品采集与制备

土壤样品来自某滨海湖泊周边，该研究区属南亚热带海洋性季风气候，温热湿润，旱雨季节分明，植被稀疏，土壤主要为沙壤土。

采样过程严格遵守HJ/T166—2004《土壤环境监测技术规范》[39]，采用网格布点法采集40个样品，每个采样点采用对角线法进行布点，设5个分点，样品取自表层土壤（0～20 cm），将各分点采集到的土壤充分混合，用四分法处理土样后取大约1 kg土样装袋，贴上标签，封存。各采样点使用GPS定位，便于后期分析磷的空间分布。

2.1.2 样品分析

样品总磷测定采用HJ 632—2011《土壤总磷的测定碱熔-钼锑抗分光光度法》[40]。

样品pH值测定采用NY/T 1121.2—2006《土壤检测第2部分：土壤pH的测定》[41]。

样品阳离子交换量测定采用LY/T 1243—1999《森林土壤阳离子交换量的测定》[42]。

2.2 结果与分析

常规统计数据采用数据处理软件处理得到，磷元素空间分布分析采用克里金插值法得到。

2.2.1 土壤磷元素基本特征统计分析

统计结果表明，研究区样品的总磷含量主要分布在0～200.0 mg/kg范围内，不呈正态分布，但经过对数处理后，呈现明显正态分布（图1）。研究区土壤总磷含量水平低（表1），研究区共采集40个土壤样品，土壤总磷最大值为334.8 mg/kg，最小值为25.2 mg/kg，二者之间差值较大；平均含量为（98.9±63.4）mg/kg，总体低于我国土壤总磷的范围值200～1000 mg/kg，我国土壤的磷含量随风化作用而由北向南逐渐减少，研究区位于南方，土壤总磷含量偏低；变异系数为64.1%，即总磷含量相对于其均值的离散程度属中等水平。

根据表2，该研究区土壤磷含量为Ⅴ级和Ⅵ级，其中，40个样点中，Ⅴ级的土壤样点仅为2个，研究区总磷含量绝大部分为Ⅵ级，属于总磷含量缺乏区域。

表2 全国第二次土壤普查土壤养分分级标准

2.2.2 土壤磷元素空间分布

常规数据统计无法很好的分析土壤磷元素在空间上的分布，故根据采样时GPS定位得到的经纬度和对应总磷含量，采用克里金插值法得到土壤磷元素的分布图（图2），由图能够看出，总体而言，研究区总磷含量多呈块状以及团状分布，总磷含量高的区域集中在东南角，且总磷含量由南向北呈现减少的趋势，总磷含量高于163 mg/kg的区域范围极小，绝大多数区域的总磷含量处于25～94 mg/kg范围内，总体磷元素含量低。

2.2.3 土壤磷元素空间分布影响因素分析

研究区内总磷空间分布影响因素众多，包括土壤类型、土壤有机质、土壤pH、土壤铁铝钙、磷肥施用量等，本文仅就土壤阳离子交换率（CEC）及土壤pH对磷含量空间分布的影响进行分析。

由表3可知，研究区pH值平均值为6.78，多集中于6.5～6.8区间内（图3），土壤呈中性，有利于微生物生长，变异系数为3.69%，属弱变异性（＜10%）；由表4相关性分析可看出，pH和土壤磷含量分布没有明显相关性。

表4 研究区域磷含量与pH值、阳离子交换量之间的相关性

表5 CEC分级标准

阳离子交换量（CEC）是指土壤能吸附和交换的阳离子的量，和土壤保肥能力密切相关，表5为目前常用的CEC分级标准[43]。在该研究区阳离子交换量平均值为10.6 mmol/kg，由图4可看出，阳离子交换量多集中于5.0～17.5 mmol/kg，且该研究区所有样点阳离子交换量均小于100 mmol/kg，根据分级标准，该研究区属于土壤保肥能力弱的区域，由表4可看出阳离子交换量和磷含量在0.01水平（双侧）上有着较高的正相关性（r=0.601），由此可推测，研究区域土壤磷含量偏低是由于土壤阳离子交换量低，土壤保肥能力弱造成的。