高原湖泊杞麓湖流域典型蔬菜地土壤及周边水质特征

王春雪,岳学文,李 坤,李义林,潘志贤,方海东,李建查,史亮涛*

(1.云南省农业科学院 热区生态农业研究所,云南 元谋 651300;2.元谋干热河谷植物园,云南 元谋 651300)

湖泊水质退化已成为国际上关注的热点问题,特别是具有战略意义和典型生境的湖泊,更加成为水安全保障和科学研究关注的热点[1〗。水质恶化可能产生严重的生态和环境影响,并会导致污染暴露和水资源脆弱等问题[2〗。高原湖泊与一般湖泊相比,其独特的发育成因和自然地理特征导致了生物类型和生态环境的特殊性,其生态价值更加显著,对其流域经济发展有重要影响[3〗。云南的高原湖泊是云南省极为宝贵的自然资源,由于独特的自然条件、经纬度地带性规律,所以其具有丰富的生物多样性。但是,高原太阳辐射强、日照时间长,致使湖泊蒸发量大、水量减小、流动性弱,最终导致水体抗污染能力差、生态敏感性增强[3〗。环境压力的逐步增加,生态日益脆弱,使得高原湖泊流域的生态环境修复成为云南亟待解决的问题[3〗。

杞麓湖是云南九大高原湖泊之一,位于通海县境内,是滇中经济区和玉溪市生态环境建设、社会经济及文化发展的重要依托和基础[2]。该湖泊具有多种生态功能,但是,流域内人口的增加和农业生产活动加剧了可用水压力,同时,“十二五”期间的连续干旱等加剧了流域内的生态安全风险,生态保护形势严峻[4]。而且,杞麓湖是封闭型湖泊,没有出湖河流,导致营养物质在湖泊中积累,增大了其治理难度[2]。农业是杞麓湖流域的基础产业,流域蔬菜的种植面积达到了50%以上。通海县的坝区蔬菜产业发展早、面积大,整个坝区1年基本上实施蔬菜连作,形成了玉溪市乃至云南省最大的蔬菜种植基地[5]。在杞麓湖流域内年蔬菜种植面积约为1.33万hm2,每年产生的废弃菜叶约为38万t。蔬菜种植产业的施肥量、用药量大,流失严重。农业面源污染和村镇生活污染对杞麓湖污染的“贡献率”达到80%以上。该流域内农业面源污染严重,入湖河流的水质污染严重,直接向湖中输入大量污染物,污染物以有机污染、氮和磷污染为主[6]。

目前,杞麓湖是云南省九大高原湖泊中污染较为严重的4个湖泊之一[7]。自20世纪80年代以来,杞麓湖出现了富营养化,湖泊流域的社会、经济可持续发展和生态环境受到制约[2]。由生态环境部发布的2019年的《生态环境状况公报》显示,杞麓湖水质处于劣Ⅴ类。农田中的氮、磷会随着地表径流进入水体,还会随着水在土壤中淋溶,最终导致土壤质量降低、水体富营养化等农业面源污染问题[8]。农业面源污染占了入湖污染总量的85%以上,是杞麓湖的主要污染来源。2017年,杞麓湖流域农作物单位面积的化肥施用量达516.69 kg/hm2,严重超出了国际公认的施肥生态安全上限(225 kg/hm2),也严重超出了全国平均施肥量(262 kg/hm2),导致了严重的农业面源污染[9]。因此,要把整治农业面源污染放在保护杞麓湖的首位[6]。

笔者选择杞麓湖流域典型的蔬菜地块和其邻近的水体作为研究对象,研究了同一时期耕层土壤养分参数与水质参数各自的特征,以及它们之间的关系,并提出了有关土地利用和水体保护的合理建议,以期为杞麓湖流域的生态和经济建设提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

杞麓湖流域位于滇中地区通海县(102°34′～102°52′E,24°6′～24°12′N),属于亚热带半湿润高原季风气候区。盆地内早晚温差大、四季温差小、雨热同季、干湿季分明,年平均降雨量为900 mm,年均气温为16 ℃,年日照时间为2274 h,降水主要集中于5～10月[10]。盆地内地势由东北向西南逐渐升高,坡度为3°～10°,海拔为1796～1820 m,土壤类型为水稻土[11]。湖泊最高水位是1796 m,其水域面积是37.26 km2,容水量是1.676亿m3[2],占通海水资源总量的1/2。流域总面积为354.94 hm2,总人口为24.09万人,聚集着通海县全县93%的人口,灌溉9667 hm2的耕地[6]。区域内的主要作物为蔬菜、粮食、烤烟、油料和花卉。该流域是一个典型高原湖盆地,中部湖泊,湖周围平坝区主要分布在湖泊的西北南三面。流域内地形复杂、沟壑纵横,土质、降雨、气温、湿度等异质性强[4]。流域包括7个街道及乡镇，以及60个社区[12]。杞麓湖流域有红旗河、者湾河、中河、大新河等14条入湖河流。其中,红旗河、者湾河、中河、大新河是最主要的4条入湖河流,年均径流量为5985万m3,占流域年均径流量的71%[6]。

1.2 样品采集与分析

于2020年10月流域内农田蒜苗采收后进行耕层土壤样品和水样的采集工作,在杞麓湖沿线共采集了10个土样和对应同区域的10个水样。每个土样采集点采用棋盘法,采集深度为0～30 cm,共采集5个样品；再采用四分法留取1 kg的土样,同时记录采样点的经纬度和海拔高度。将土壤样品带回实验室后进行风干、剔除杂质等处理,研磨后分别过0.25 mm和2 mm孔径的尼龙筛，最后进行相关指标的测定。采集0～50 cm深水体的水样,同一地点采集5个水样,放入盆中混合,再用聚乙烯瓶收集水样500 mL,带回实验室于4 ℃冷藏,在48 h内完成水样指标的测定。样品采集点和采集点的具体信息见图1和表1。

表1 采样点概况

图1 杞麓湖流域及采样点示意图

土壤pH值采用pH计测定;全氮(TNS)含量采用凯氏定氮仪测定;全磷(TPS)含量采用酸溶钼锑抗比色法测定;有机质(SOM)含量采用重铬酸钾法测定;速效磷(APS)含量采用双酸浸提比色法测定;有效氮(ANS)含量采用碱解扩散法测定[13]。水质总氮(TNW)含量测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法;总磷(TPW)含量测定采用钼酸铵分光光度法;化学需氧量(CODCr)测定采用重铬酸钾法。

1.3 数据分析

采用Excel和SPSS软件对试验数据进行整理分析。采取5级指标分级法[5]对土壤养分指标ANS、APS进行等级划分。根据全国第二次土壤普查设定的标准,将土壤养分指标SOM、TNS、TPS划分为6级[14-15],具体见表2。根据《地表水环境质量标准》(GB 3838─2002)将水体TNW、TPW、CODCr含量分为5级,见表3。

表2 土壤参数的分级标准

表3 水质指标的分级标准 mg/L

2 结果与分析

2.1 流域内土壤因子特征

土壤的pH值对于土壤中微量元素和养分的有效性具有重要的影响[16],因此,研究土壤养分首先要了解pH值状况[15]。由表4可知,土壤pH值的变化范围是6.5～8.3,平均值为7.72,整体处于中性状态。变异系数能够反映各样本数据变量在空间上的离散程度[17]。土壤pH值的变异系数为6.9%,是土壤指标中变异最小的参数。

土壤SOM的含量直接影响耕地的质量和功能,同时也影响陆地碳库的丰缺[18-19]。在本研究中,土壤SOM含量的变化范围是9.07～126 g/kg,平均值为42.45 g/kg,变异系数为80.3%,为土壤指标中变异最大的参数。流域土壤SOM含量的均值为1级,极为丰富,但是变异系数的高值反映出流域内有机质的分布不均衡：较低SOM含量出现在杞麓湖东北部(4、5号采样点),为中下水平,其中采样点4甚至是缺的水平;其次是杞麓湖北部的采样点(6、7号采样点)，SOM含量表现为中上水平;较高SOM含量出现在湖体西部(8、9号采样点),其中8号采样点的SOM含量甚至高达126 g/kg。

N是植物生长必需的重要元素之一,土壤中的N在土壤肥力中起着极其重要的作用,而土壤的TNS含量是衡量土壤N供应能力的重要指标[20]。从表4可以看出：土壤TNS含量的变异范围为0.67～5.71 g/kg,均值为2.47 g/kg,整体处于1级(极丰富)水平,然而其变异系数较大(62.7%),说明TNS分布极为不均,其较低值出现在杞麓湖东北部(4、5号采样点),处于中下到缺的水平;较高值出现在西部(8、9号采样点),显著高于极丰富水平。ANS含量的均值为177.30 mg/kg,处于2级(丰富)水平；但其变异系数较大，为56.9%,变异范围为65～401 mg/kg,其较高点和较低点的分布规律与TNS相似。

土壤磷化物是一种沉积性矿物,多以难溶性状态存在,P的风化、富集、淋溶、迁移是由多种因素共同作用的,对植物生长具有重要影响[21]。表4中TPS的均值为2.44 g/kg,变异范围为1.39～3.77 g/kg,变异系数为33.2%,变异程度较低。TPS的平均值总体处于1级,呈极丰富状态；TPS的较高含量出现在杞麓湖北部和西部(6、7、9号采样点),较低含量出现在东北部(4、5号采样点)。APS含量的均值为98.72 mg/kg,变异范围为48.0～154.3 mg/kg,变异系数为30.9%,变异程度较低。

表4 杞麓湖流域农田土壤理化特征

2.2 杞麓湖的水质特征

水体富营养化是湖泊水质恶化的表现形式[2]。其中,水体的TNW、TPW、CODCr是评价水体是否富营养化的重要指标。表5显示了杞麓湖水体的水质特征,其中TNW含量的平均值为7.21 mg/L,变异范围为2.56～32.3 mg/L,变异系数为130.6%,变异程度相当高,所有水质取样点的TNW含量均显著高于地表劣Ⅴ类水标准,其中红旗河(采样点9)入湖口的TNW含量甚至达到了32.3 mg/L,超出劣Ⅴ类水水质TN标准20倍之多。六一龙潭沟(采样点1)的TNW含量也超出劣Ⅴ类水标准8倍。水体TPW含量的平均值为0.23 mg/L,整体处于劣Ⅴ类水水平,变异范围为0.07～0.76 mg/L,变异系数为94.3%,变异程度高。湖泊东北部(采样点4、5)的TPW含量较低,处于地表Ⅳ类水范围。CODCr的平均值为39.53 mg/L,变异范围为34.1～42.8 mg/L,变异系数为12.9%,变异程度较低,所有取样点水质均为劣Ⅴ类。

表5 杞麓湖流域的水质参数特征 mg/L

2.3 土壤与水质参数间的相关性分析

土壤参数和水质参数间的相关性分析可以找到两者间的内在联系。表6显示了对应的土壤和水质参数间的相关关系,在土壤因子间SOM与TNS、ANS呈极显著正相关关系,TNS和ANS呈极显著正相关关系。在水质因子间TNW和TPW呈极显著正相关关系。在土壤因子和水质因子间，APS和TNW呈显著正相关关系。

表6 土壤因子与水质参数间的相关系数

3 讨论

3.1 杞麓湖流域耕层土壤的养分特征

了解一个区域土地利用方式下土壤的养分状况,能够为该区合理施肥、土壤养分管理、面源污染控制提供科学依据[15]。土壤SOM含量代表了土壤的碳储量,是评价土壤养分供给能力和肥力的重要指标,在耕地质量、气候变化、环境保护和农业可持续发展方面有着至关重要的作用[14]。本研究发现,杞麓湖东部和北部的耕层土壤SOM含量处于较低的水平,而西部和南部处于较高的水平。与全国第二次土壤普查结果比较,杞麓湖流域耕层SOM含量的平均值(42.45 g/kg)显著高于全国平均水平(24.65 g/kg),接近SOM含量最高的省份黑龙江的平均水平(40.43 g/kg),显著高于云南省的平均水平(35.37 g/kg)[14]。秦发侣等[11]对整个流域土壤的研究发现,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东北部,呈现出低-高-低的分布,几年间高值核心区的位置不变,但是范围在扩大,这与本研究的结果相似。流域中耕层土壤N和P含量偏高主要是由施肥导致的。沐婵等[5]研究发现,通海坝区蔬菜田耕作层土壤的ANS含量在61～355 mg/kg,平均为170 mg/kg,其中2/3以上的土壤的ANS含量在150～355 mg/kg，其平均值与最低值与本研究的结果相近,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,平均值为112.0 mg/kg,均处于很高的水平[5]。本研究APS含量的最高值为154.3 mg/kg,远低于以上研究结果,这可能是由采集时间及范围不同导致的。

3.2 杞麓湖水体的富营养化特征

有研究表明,杞麓湖流域的污染存在空间分布不均的特点,在人口耕地集中的西部、南部和北部区域是流域主要的污染区,其中,以西南部的湖滨农业区的入湖污染负荷最高。杞麓湖水质常年保持在Ⅴ类和劣Ⅴ类间,水环境处于严重超负荷状态,超标物以氮化物为主,流域内高量(516.69 kg/hm2,20%折纯)的化肥施用是造成N高污染的主要原因[12]。本研究也发现,TNW和TPW含量在杞麓湖的东部水体较低,而在西部和北部水体较高,尤其是红旗河入河口的TNW和TPW含量分别高达32.30和0.76 mg/L。王万宾等[9]的研究结果表明,2016～2018年,红旗河TNW含量、TPW含量和CODCr的平均值分别为11.82、0.61、32.14 mg/L,TNW、TPW含量均处于劣Ⅴ类水平,超标率分别是100.00%和63.89%。该研究中红旗河TNW含量与本研究的差异较大,但均属于劣Ⅴ类水范畴。此外,其他研究也表明,近几年红旗河等主要的入湖河道污染较严重,水质均为劣Ⅴ类[9]。2010～2019年,杞麓湖的主要入湖河流水质多为劣Ⅴ类,主要的超标污染因子为TNW、TPW、CODCr等[6]。杞麓湖水质处于中度～重度富营养化状态[22]。而本研究发现杞麓湖东部的TPW含量达到了地表水Ⅳ类的水平。

3.3 水体参数与土壤因子间的相关性

在前人的研究中,土壤SOM含量与TPS、TNS含量为极显著正相关关系,这表明土壤SOM的输入与土壤N、P的来源密切相关[23]。另外,林圣玉[24]的研究表明,南方红壤果园土壤SOM含量与TNS、TPS含量呈显著正相关关系。朱永青等[15]研究发现TNS含量与SOM含量间的相关系数为0.858,说明土壤SOM和TNS的累积具有高度的同步性。本研究发现土壤SOM含量与TNS和ANS含量均呈极显著正相关,这说明土壤SOM含量与施加N肥密不可分,N大部分以有机的形态存在,导致土壤SOM和TNS含量均属于中等变异；而TNS含量与ANS含量也呈极显著正相关关系,这表明土壤中高N含量导致了植物可利用态N含量的增加。朱永青等[15]的研究表明,太滆运河流域土壤pH值与TNS含量呈显著负相关关系,土壤TNS含量与TPS和SOM含量均呈极显著正相关关系。不同地区的土壤养分间的相关性有差异,这说明不同土壤类型间的养分供给关系和其内在联系存在着机理上的不同。本研究还发现TNW含量与TPW含量呈极显著正相关关系,这说明流域内进入水体的N、P污染存在着协同性。另有研究表明,各水质指标间无显著的线性相关关系[23]。这可能与不同地区的水体污染类型和污染源供给方式不同有关。

4 结论

杞麓湖流域的耕层土壤养分含量存在着湖体东部和北部较低,而西面和南面较高的规律,其中土壤TNS、TPS、SOM含量这3个参数具有一致性的特征。流域内土壤TNS、TPS、SOM整体处于极丰富的状态,说明土壤中的养分含量已经处于供大于求的状态。为了提高蔬菜产量,仍然大量施用化肥和农药,势必会导致农业面源污染的持续发生,杞麓湖水体质量进一步恶化的严重后果。

鉴于此,我们认为,可以选择生物量大、生长迅速的牧草,如黑麦草、菊苣、紫花苕等,将其与蔬菜及粮食作物轮作,起到活化并大量利用土壤中氮、磷的作用,使得土壤得到休养生息。同时,降低化肥的施用量,采取豆科牧草还田,或增加有机肥投入的措施,在经过几年的土壤改良后,再进行绿色蔬菜甚至有机蔬菜产业基地的打造。

要对红旗河等高污染负荷的入湖河流实行截污处理,建造种植有水生植物的生态沟塘,使以前直接入湖的污染河流水体经过沟塘,经过初步净化后再流入杞麓湖,可以大幅降低入湖的N、P含量。对杞麓湖本体也可采用生物浮床技术,选择对NP吸收和吸附能力强的植物进行湖体原位修复。