張聞濤, 邢 奕, 盧少勇, 趙 斌, 薛 巍

(1.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院, 北京 100083;

2.中國環(huán)境科學(xué)研究院 環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 國家環(huán)境保護(hù)湖泊污染

控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖泊環(huán)境研究中心 洞庭湖生態(tài)觀測研究站 湖泊工程技術(shù)中心, 北京 100012)

洱海緩沖帶土壤特性的空間分布

張聞濤1, 邢 奕1, 盧少勇2, 趙 斌2, 薛 巍2

(1.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院, 北京 100083;

2.中國環(huán)境科學(xué)研究院 環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 國家環(huán)境保護(hù)湖泊污染

控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖泊環(huán)境研究中心 洞庭湖生態(tài)觀測研究站 湖泊工程技術(shù)中心, 北京 100012)

摘要：[目的] 了解洱海緩沖帶內(nèi)土壤特性空間分布狀況，進(jìn)而為緩沖帶面源污染治理、精細(xì)農(nóng)業(yè)與植被布局等提供參考。[方法] 采集80個緩沖帶表層土壤樣品，測定其含水率、有機(jī)質(zhì)、全磷、全氮、氨氮和硝氮的含量，并應(yīng)用傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。[結(jié)果] (1) 土壤中含水率、有機(jī)質(zhì)、全磷、全氮、氨氮和硝氮各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)特性均通過K—S檢驗(yàn)，呈正態(tài)分布； (2) 洱海緩沖帶土壤中養(yǎng)分水平較高；氨氮和硝氮的變異系數(shù)大于100%，屬強(qiáng)變異性； (3) 有機(jī)質(zhì)南部略低，東西向呈東西高，中部低，全氮、全磷南北向呈南北低，中部高，東西向變化不大； (4) 有機(jī)質(zhì)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，而全氮和全磷空間相關(guān)性弱。[結(jié)論] 緩沖帶農(nóng)田格局和遷移轉(zhuǎn)化是影響土壤特性空間分布的兩個重要因素。

關(guān)鍵詞：洱海; 土壤; 有機(jī)質(zhì); 氮; 磷

土壤并非均質(zhì)體，而是時空連續(xù)的變異體，同一時刻的土壤特性在不同的空間位置上具明顯差異。在不同尺度等級上，土壤空間異質(zhì)性均存在[1-3]。國內(nèi)外學(xué)者自20世紀(jì)60年代提出土壤性質(zhì)的空間變異性以來，對土壤養(yǎng)分的空間變異與分布做了大量研究，Kriging內(nèi)插、Cokriging內(nèi)插、Punctual Kriging內(nèi)插等技術(shù)得到較好的應(yīng)用[4-7]。從湖泊最低水位往陸域，湖濱緩沖帶依次分為湖濱帶(湖泊最低水位和最高水位之間的區(qū)域)，緩沖帶內(nèi)圈、緩沖帶中圈和緩沖帶外圈。湖濱緩沖帶是湖泊的重要生態(tài)屏障，緩沖帶是流域入湖污染負(fù)荷的重要削減區(qū)域。現(xiàn)有的湖泊流域的緩沖帶均存在一定的不合理性，主要來自人類自古以來臨水而居的習(xí)慣，也與之前的科技與經(jīng)濟(jì)水平欠發(fā)達(dá)有關(guān)，很多村落、養(yǎng)殖和重污染高產(chǎn)農(nóng)田均距湖很近。緩沖帶的空間結(jié)構(gòu)，緩沖帶內(nèi)、中、外圈如何布設(shè)更合理，現(xiàn)狀不合理的布局如何進(jìn)行污染控制和生態(tài)化完善等問題都依賴于對土壤特性的了解，需要明晰目前緩沖帶內(nèi)土壤污染狀況。湖泊湖濱緩沖帶土壤性質(zhì)空間變異的研究主要集中在不同環(huán)境因子(如：不同植被類型、地貌特征、濕度和氣溫等)對土壤特性空間分布的影響。王秋光和董思遠(yuǎn)等[8-9]研究表明，太湖不同植被類型對不同土壤特定影響大小有別；翟紅娟等[10]報(bào)道了異龍湖湖濱帶土壤在不同環(huán)境梯度下養(yǎng)分的空間變異性，表明不同環(huán)境因子對土壤特性影響較大。本研究運(yùn)用傳統(tǒng)描述統(tǒng)計(jì)、地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS相結(jié)合的方法，以洱海緩沖帶為研究對象，分析緩沖帶內(nèi)土壤特性空間分布，結(jié)果將為緩沖帶面源污染治理、精細(xì)農(nóng)業(yè)與植被布局以及為類似區(qū)域的相關(guān)研究的開展提供參考。

1材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

洱海流域位于云南省大理白族自治州境內(nèi)，是云南省第二大高原淡水湖泊，地理坐標(biāo)為東經(jīng)100°05′—100°17′，北緯25°36′—25°58′之間。流域面積2 565 km2，全年日照時數(shù)平均為2 250～2 480 h，占可照時數(shù)的47%～56%，年平均氣溫15 ℃，相對濕度63.1%。風(fēng)向?yàn)槲髂舷?，平均風(fēng)速2.4 m/s[11-13]。土壤類型有紅壤、紫色土、棕壤、暗棕壤、水稻土、石灰?guī)r土、亞高山草甸土等。洱海緩沖帶全線長度共128 km，總面積約94 km2。北岸、西岸的湖岸較緩，緩沖帶較寬，東岸的湖岸較陡，緩沖帶較窄。緩沖帶內(nèi)農(nóng)業(yè)區(qū)土地主要種植類型有水稻、大蒜、玉米和蔬菜等[14-15]，緩沖帶內(nèi)及緩沖帶上游不遠(yuǎn)處的養(yǎng)殖強(qiáng)度比較高。

1.2　樣品采集與分析

于2013年7月在洱海緩沖帶內(nèi)布設(shè)采樣點(diǎn)(圖1)，用GPS記錄點(diǎn)位信息，采集表層土壤樣品(土壤層為0—20 cm)。采樣時，以采樣點(diǎn)為中心，在半徑100 m范圍內(nèi)隨機(jī)采集2～3個樣，然后將其等量均勻作為一個土壤樣，共采集80個土壤樣品。將所采集樣品去除枯枝等異物，部分樣品(約5 g)采用稱量法測含水率，采用靛酚藍(lán)比色法測氨氮，紫外分光光度法測硝氮[16]。其余樣品經(jīng)風(fēng)干、研磨及過篩后，采用重鉻酸鉀容量法測有機(jī)質(zhì)，采用凱氏定氮法測全氮[17]，采用酸溶—鉬銻抗比色法測全磷。

注：1.永安江； 2.彌苴河； 3.羅時江； 4.霞移溪； 5.萬花溪； 6.陽溪； 7.茫涌溪； 8.錦溪； 9.靈泉溪； 10.白石溪； 11.雙鴛溪； 12.隱仙溪； 13.梅溪； 14.桃溪； 15.中和溪； 16.白鶴溪； 17.龍溪； 18.清碧溪； 19.莫?dú)埾担?20.葶冥溪； 21.陽南溪； 22.波羅江。

圖1洱海土壤采樣點(diǎn)分布圖

1.3　數(shù)據(jù)處理與分析

土壤樣點(diǎn)信息空間變異性的各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)特征值(均值、標(biāo)準(zhǔn)差、峰度、偏度和變異系數(shù)等)用SPSS 13.0軟件分析，土壤特性空間插值相關(guān)參數(shù)用ArcGIS 9.2軟件地統(tǒng)計(jì)學(xué)模塊計(jì)算。

由于特異值的存在會造成變量連續(xù)表面的中斷，使試驗(yàn)半方差函數(shù)發(fā)生畸變，甚至?xí)谏w變量固有的空間結(jié)構(gòu)特征，故采用域法識別特異值[18]，在區(qū)間ā±3s(ā為樣本平均值，s為標(biāo)準(zhǔn)差)以外的數(shù)據(jù)定為特異值，用正常最大值和最小值代替特異值。

2結(jié)果與討論

2.1　土壤特性的描述性統(tǒng)計(jì)

由表1可見，含水率變化范圍為0.22%～38.02%，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、氨氮和硝氮含量變化范圍分別為0.91～83.2 g/kg，0.35～4.75 g/kg，0.17～2.36 g/kg，0.15～47.13 mg/kg和1.88～195.28 mg/kg。土壤各指標(biāo)的變異系數(shù)從小到大依次為：全磷<全氮<有機(jī)質(zhì)<含水率<硝氮<氨氮。全氮和全磷的變異系數(shù)相對較低，說明緩沖帶內(nèi)農(nóng)田施肥水平差別不大。含水率、有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷變異系數(shù)在10%～100%間，具中等變異性。氨氮和硝氮變異系數(shù)均大于100%，具強(qiáng)變異性，與昆明地區(qū)柴河流域土壤氮的統(tǒng)計(jì)結(jié)果類似[19]。從變異系數(shù)強(qiáng)度看，在土壤特性指標(biāo)滿足相同精度的要求下，在同一區(qū)域氨氮和硝氮的采樣密度，應(yīng)該高于土壤含水率、有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷。

Kolmogorov—Smirnov法是檢驗(yàn)樣本(n>50)正態(tài)性的，K—S值越小其正態(tài)性越顯著[20]。經(jīng)單樣本K—S檢驗(yàn)，置信度為95%。土壤含水率、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、氨氮和硝氮均符合正態(tài)分布要求。按平均值看，根據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)(表2)，洱海緩沖帶土壤的有機(jī)質(zhì)處于三級標(biāo)準(zhǔn)，全氮處于二級標(biāo)準(zhǔn)，全磷處于一級標(biāo)準(zhǔn)，總體來看，養(yǎng)分水平較高，

表1　土壤特性的基本統(tǒng)計(jì)特征(樣本數(shù)為80)

表2　全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)　g/kg

2.2　土壤特性的趨勢分析

對研究區(qū)的土壤特性描述只能概括全貌，不能反映局部的變化特征。運(yùn)用ArcGIS 9.2軟件的地統(tǒng)計(jì)學(xué)模塊，可獲得土壤特性趨勢特征參數(shù)及異向性分布特征參數(shù)。

分析結(jié)果表明，含水率南北向呈南北低，中部高的規(guī)律，東西向呈東西低，中部高的規(guī)律；有機(jī)質(zhì)南部略低，東西向呈東西高，中部低。全氮南北向呈南北低，中部高的規(guī)律，東西向變化不大；全磷變化規(guī)律與全氮相似；氨氮從北向南呈降低趨勢，東西向呈東西高，中部低的規(guī)律；硝氮從北向南變化不明顯，從東向西有升高趨勢。

2.3　土壤特性的空間變異結(jié)構(gòu)和空間分布格局

根據(jù)洱海緩沖帶內(nèi)各個樣點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出各個特性的實(shí)際半方差函數(shù)值，選擇合適的多個模型擬合。根據(jù)平均預(yù)測誤差(mean error)越接近“0”越好，預(yù)測誤差的均方根(root-mean-square)和平均預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)差(average standard error)越小越好，平均標(biāo)準(zhǔn)差(root-mean-square standardized)越接近“1”越好的原則，選擇最佳擬合模型。

土壤特性的空間相關(guān)性的強(qiáng)弱可根據(jù)塊金值與基臺值之比C0/(C0+C)來劃分，若比值<25%，說明系統(tǒng)具強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，25%～75%間，表明系統(tǒng)具中等空間相關(guān)性，比值>75%，說明空間相關(guān)性弱[21]。由表3可見，洱海緩沖帶土壤有機(jī)質(zhì)有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，其性質(zhì)主要受內(nèi)在因子(土母質(zhì)、氣候、土壤類型等)的影響。而全氮和全磷空間相關(guān)性弱，其受隨機(jī)因素如施肥、耕作措施等的影響較大。

表3　土壤特性理論半方差模型及其擬合參數(shù)

Kriging法適合研究空間分布上既有隨機(jī)性又有結(jié)構(gòu)性，或空間相關(guān)性和依賴性的自然現(xiàn)象。因此根據(jù)計(jì)算得到的半方差理論模型，用Kriging法進(jìn)行最優(yōu)內(nèi)插，獲得洱海緩沖帶內(nèi)土壤特征空間分布圖(附圖5—6)。從附圖5—6可見，全氮和全磷含量西部和北部較高，與洱海流域的農(nóng)田分布有關(guān)。洱海緩沖帶內(nèi)西部農(nóng)田占緩沖帶內(nèi)農(nóng)田總面積的61%，北部農(nóng)田占緩沖帶內(nèi)農(nóng)田總面積的14%，主要種植水稻、豆類、麥類和大蒜等[22-23]，大量施用氮、磷，施肥量較高[24-25]。氨氮含量在緩沖帶外圈較大，內(nèi)圈相對較低，而硝氮的變化規(guī)律恰好相反，這與兩方面因素有關(guān)：一方面，外圈的污染負(fù)荷高，主要來自種植、生活和養(yǎng)殖，而在內(nèi)圈，污染負(fù)荷低；另一方面，從外圈到內(nèi)圈的遷移過程中，氨氮被氧化成硝氮也是重要原因。

3結(jié) 論

(1) 通過對洱海緩沖帶土壤特性的描述性統(tǒng)計(jì)分析可見，各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)特征均能通過K—S檢驗(yàn)，為正態(tài)分布。其中，氨氮和硝氮的具強(qiáng)變異性?？傮w上，洱海緩沖帶土壤養(yǎng)分水平較高，這與洱海流域農(nóng)業(yè)活動(養(yǎng)殖和種植)強(qiáng)及土壤本底有關(guān)。

(2) 洱海緩沖帶土壤特性的趨勢性分析表明，有機(jī)質(zhì)南部略低，東西向呈東西高，中部低，全氮、全磷南北向呈南北低，中部高，東西向的變化不大。

(3) 洱海緩沖帶土壤的有機(jī)質(zhì)的空間相關(guān)性強(qiáng)烈，而全氮和全磷空間相關(guān)性弱。受農(nóng)田格局影響，全氮和全磷含量西部和北部較南部的高。氨氮含量在緩沖帶外圈較高，內(nèi)圈相對較低，而硝氮的變化規(guī)律相反，是受遷移轉(zhuǎn)化影響的結(jié)果。

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Spatial Variability of Soil Properties in Erhai Lake Buffer Belt

ZHANG Wentao1, XING Yi1, LU Shaoyong2, ZHAO Bin2, XUE Wei2

(1.SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China; 2.StateKeyLaboratoryofEynvironmentalCriteriaandRiskAssessment,StateEnvironmentalProtectionKeyLaboratoryforLakePollutionControl,ResearchCentreofLakeEnvironment,StateEnvironmentalProtectionScientificObservationandResearchStationforLakeDongtinghu(SEPSORSLD),

EngineeringandTechnologyCentreofLake,ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing100012,China)

Abstract：[Objective] In order to study the spatial variability of soil properties in the buffer belt of Erhai Lake, and then provide reference for controlling non-point source pollution and pricision agricultural planning and layout. [Methods] 80 soil samples in the buffer belt of Erhai Lake were collected. Soil moisture, total soil organic matter, total nitrogen, total phosphorus, ammonia nitrogen and nitrate nitrogen were measured. The spatial distribution patterns of soil parameters were analyzed by using traditional statistical and geo-statistical methods. [Results] (1) All statistical characteristics passed through the K—S test and thus indicated normal distribution; (2) The nutrient contents in the soil were high. The coefficient of variation of ammonia nitrogen and nitrate nitrogen were higher than 100%, indicating a strong variability;. (3) Soil organic matter in south was slightly lower than that in north. In east-west direction, organic matter in the east and west was higher than that in the middle. By contrast, the content of total nitrogen and total phosphorus in south and north was lower than that in the middle; (4) Total soil organic matter showed a strong spatial correlation, whereas total nitrogen and total phosphorus showed weak spatial correlations. [Conclusion] Farmland layout and the migration and conversion of the buffer zone were two important factors affecting the spatial variability of soil properties.

Keywords:Erhai Lake; soil; organic matter; nitrogen; phosphorus

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)02-0147-04

中圖分類號：X53

通信作者：盧少勇(1976—),男(漢族),湖南省郴州市人,博士，研究員,主要從事水污染防治與水環(huán)境生態(tài)修復(fù)研究。E-mail:lushy2000@163.com。

收稿日期：2014-04-30修回日期：2014-06-11
資助項(xiàng)目：國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)“洱海低污染水處理及緩沖帶構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)及工程示范(2012ZX07105-002)， 水陸交錯帶水生植被重建工程技術(shù)研究”(2013ZX07101-014)； 中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)(2012-YSKY-14)
第一作者：張聞濤(1988—),男(漢族),內(nèi)蒙古赤峰市人,博士研究生,研究方向?yàn)樗鷳B(tài)修復(fù)。E-mail:sunzhangwentao@163.com。