唐 丹，張展羽，夏繼紅，楊 潔，盛麗婷，陳曉安,

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098; 2.江西省水土保持科學(xué)研究院，江西 南昌 330029)

鄱陽湖流域是江西省重要農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)區(qū)，耕地面積占流域總土地面積的42.1%[10]，化肥和農(nóng)藥施用量的增加使水環(huán)境中的污染風(fēng)險(xiǎn)驟增[11]。近年來，鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的建設(shè)取得了顯著成效[12]，但是關(guān)于應(yīng)用濱岸帶技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染進(jìn)行治理的研究尚不完備。本研究以鄱陽湖周邊土壤、水體為研究對(duì)象，在調(diào)查取樣的基礎(chǔ)上分析鄱陽湖濱岸帶中N素的分布特征，并探討濱岸帶中N素運(yùn)移凈化的影響因素，以期為鄱陽湖濱岸帶的建設(shè)提供參考。

1 樣品采集與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

鄱陽湖(28°22′N～29°45′N，115°47′E～116°45′E)位于長(zhǎng)江中下游南岸，江西省北部，是我國第一大淡水湖。鄱陽湖流域面積達(dá)16.22×104km2，與贛江、撫河、信江、饒河、修水(以下稱“五河”)尾閭相接，湖水調(diào)蓄后經(jīng)湖口注入長(zhǎng)江，是一過水性、吞吐型、季節(jié)性的淺水湖泊[13-14]。研究區(qū)內(nèi)屬溫暖濕潤的亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫16.5～17.8℃，年均降雨量為1 570 mm，具有降雨年際變化大的特點(diǎn)，入湖徑流主要集中在6—9月，約占全年降雨的60.7%[15-16]。4—9月份因“五河”來水增多和長(zhǎng)江干流洪水倒灌，水位上漲、湖面擴(kuò)大，湖泊面積最大時(shí)可達(dá)4 000 km2，10月后穩(wěn)定退水，湖面縮小成一線，湖泊面積最小時(shí)不足500 km2[17-18]。

1.2 樣點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)鄱陽湖周邊地形、濱岸帶結(jié)構(gòu)與建設(shè)管理情況以及土地利用類型，圍繞鄱陽湖共設(shè)置14個(gè)采樣點(diǎn)，具體位置和基本情況見圖1和表1。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，鄱陽湖濱岸帶主要分為兩類：堤岸式濱岸帶(D)，包括采樣點(diǎn)S1、S6、S7、S8、S9、S10、S14；灘地式濱岸帶區(qū)(T), 包括采樣點(diǎn)S2、S3、S4、S5、S11、S12、S13。采樣時(shí)間為2015—2016年，分別在鄱陽湖漲潮前后的5月份和10月份現(xiàn)場(chǎng)采樣，利用GPS記錄經(jīng)緯度坐標(biāo)，保證采樣地點(diǎn)的一致。

圖1 鄱陽湖濱岸帶采樣點(diǎn)位置

編號(hào)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度植被類型植被覆蓋度代表性周邊用地S1D較短b+c適中贛江中支入湖口水田S2T一般b+c適中修水入湖口旱地S3T較長(zhǎng)b密集湖區(qū)濱岸水田S4T較長(zhǎng)b+c適中湖區(qū)濱岸旱地S5T一般a無湖區(qū)濱岸沙場(chǎng)S6D一般b+c密集贛江南支入湖口水田S7D一般b適中贛江南支入湖口水田S8D短b適中撫河入湖口水田S9D較短b稀疏湖區(qū)濱岸水田S10D較短b密集饒河入湖口水田S11T較長(zhǎng)b+c稀疏湖區(qū)濱岸旱地S12T較長(zhǎng)a無湖區(qū)濱岸林地S13T一般b稀疏湖區(qū)濱岸城區(qū)S14D短a無湖區(qū)濱岸城區(qū)

注：濱岸帶植被類型：a為無，b為草本，c為灌木；緩沖帶長(zhǎng)度：<5 m 為短，5～10 m為較短，10～30 m為一般，>30 m為較長(zhǎng)；植被覆蓋情況：<10%為無，10%～30%為稀疏，30%～70%為適中，>70%為密集。

1.3 樣品采集

在所選濱岸帶布設(shè)土壤采樣點(diǎn)，對(duì)灘地式濱岸帶分臨水、中段、耕地3個(gè)地帶取樣，對(duì)堤岸式濱岸帶按其結(jié)構(gòu)分區(qū)分別在臨水區(qū)、臨水護(hù)坡、背水護(hù)坡、背岸用地取樣。每個(gè)采樣點(diǎn)取表層0～20 cm深度土壤裝入自封袋中。所有土樣帶回室內(nèi)，進(jìn)行風(fēng)干、過篩等預(yù)處理后采用凱氏定N法測(cè)定土壤全N質(zhì)量比。同時(shí)，在所選勘測(cè)點(diǎn)采集近岸湖水和內(nèi)陸周邊田間、池塘水或灌渠水等，采集水樣前對(duì)水樣瓶進(jìn)行3次以上潤洗，加酸保存，帶回室內(nèi)，采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度計(jì)法測(cè)定水中TN質(zhì)量濃度。

1.4 研究方法

1.4.1 N素凈化規(guī)律的分析方法

N素從周邊水體進(jìn)入到近岸水體的過程中，濱岸帶起到了良好的阻控作用。為了定量分析N素凈化效果，采用凈化率來表征，計(jì)算公式為

(1)

式中：E為濱岸帶N素凈化率，%；WTN-Z為周邊水體TN質(zhì)量濃度，mg/L；WTN-H為近岸湖水TN質(zhì)量濃度，mg/L。

為研究堤岸式和灘地式兩種濱岸帶結(jié)構(gòu)在N素運(yùn)移規(guī)律上的差異，對(duì)兩者采用了非參數(shù)K-S檢驗(yàn)[19]，其檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Dmn的計(jì)算式為

Dmn=max[|Sm(x)-Rn(x)|]

(2)

式中：Sm(x)、Rn(x)為兩個(gè)樣本的累計(jì)分布函數(shù)；m、n為兩個(gè)樣本的容量。根據(jù)Dmn和K-S統(tǒng)計(jì)量臨界值Dmn,α的相對(duì)大小可判斷研究樣本之間的差異情況，α一般選為0.01或0.05，若Dmn≥Dmn,0.01，則差異性極顯著，若Dmn≥Dmn,0.05則差異性顯著，否則不存在顯著性差異。

1.4.2 N素凈化效果影響因素的分析方法

影響N素凈化效果的因素包括濱岸帶的結(jié)構(gòu)、水文情況、土壤性質(zhì)、土地利用格局、植被種類及覆蓋度等，從可控性以及簡(jiǎn)易性的角度，本研究選取了濱岸帶的結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)度、植被類型、植被覆蓋度、周邊用地以及土壤性質(zhì)6個(gè)因素。其中，土壤性質(zhì)采用土壤K值來表征，計(jì)算公式為

(3)

式中：STN-L為臨水區(qū)土壤TN質(zhì)量比，mg/g；STN-Z為周邊用地土壤TN質(zhì)量比，mg/g。

表2 水體TN質(zhì)量濃度空間分布統(tǒng)計(jì)

由于影響因素較多，故采用主成分分析法對(duì)其進(jìn)行整理和排序。上述6個(gè)因素中濱岸帶結(jié)構(gòu)、植被類型、周邊用地等屬于分類變量，故需要對(duì)其進(jìn)行賦值。按照賦值越高，越有利的原則，設(shè)濱岸帶結(jié)構(gòu)中灘地式為1，堤岸式為0；植被類型中，設(shè)無植被為0，草本植被為0.5，草本植被加木本植被為1；周邊用地中，設(shè)林地為1，沙地為0.5，耕地、水田、城區(qū)為0。

2 鄱陽湖濱岸帶中N素的分布特征

2.1 土壤中N素的分布特征

對(duì)采集的土樣進(jìn)行TN質(zhì)量比的測(cè)定，并取均值進(jìn)行分析，圖2為濱岸帶各采樣點(diǎn)土壤TN質(zhì)量比的空間分布。由圖2可知，鄱陽湖濱岸帶中土壤TN質(zhì)量比平均值為(0.721±0.275)mg/g(共98個(gè)樣本)，空間變異性較大。這主要與兩方面因素有關(guān)：一是土地利用方式，二是土壤性質(zhì)。土壤顆粒中砂含量較大時(shí)，可吸附的N營養(yǎng)鹽會(huì)較少，土壤TN質(zhì)量比較低，同時(shí)植被的配置、水文情況等也會(huì)對(duì)其造成一定的影響。

圖2 鄱陽湖采樣點(diǎn)土壤TN質(zhì)量比分布

2.2 水體中N素的分布特征

鄱陽湖各采樣點(diǎn)近岸及內(nèi)陸周邊水體TN質(zhì)量濃度在汛期前后變化見表2和圖3。水體TN質(zhì)量濃度的變異系數(shù)范圍為72.5%～87.2%，屬于中等變異,說明空間分布不均，變異性較大。汛期前，近岸湖水TN質(zhì)量濃度為(1.862±1.623)mg/L，內(nèi)陸周邊水體TN質(zhì)量濃度為(2.780±2.107)mg/L；汛期后, 近岸湖水TN質(zhì)量濃度為(1.630±1.396)mg/L，內(nèi)陸周邊水體TN質(zhì)量濃度為(2.470±1.790)mg/L。對(duì)比汛期前后TN質(zhì)量濃度可知，各采樣點(diǎn)汛前5月水體TN質(zhì)量濃度均高于汛后10月，這主要是由于春季是鄱陽湖地區(qū)農(nóng)業(yè)活動(dòng)的繁忙時(shí)節(jié)，人類活動(dòng)導(dǎo)致外源輸入N素較多[20]，而汛期大量降雨稀釋并攜帶走了水體中累積的N素，導(dǎo)致水體TN質(zhì)量濃度下降。從全年來看，鄱陽湖近岸湖水和內(nèi)陸周邊水體TN質(zhì)量濃度都比較高，水體N素富營養(yǎng)化問題仍然存在。此外，對(duì)比各采樣點(diǎn)內(nèi)陸周邊水體和近岸湖水發(fā)現(xiàn)，內(nèi)陸周邊水體TN質(zhì)量濃度總要高于近岸湖水，這表明經(jīng)過濱岸帶的凈化作用，水體中TN質(zhì)量濃度有不同程度的削減。

(a) 5月份

(b) 10月份

3 鄱陽湖濱岸帶N素的運(yùn)移凈化及影響因素

3.1 N素的運(yùn)移凈化

3.1.1 N素的運(yùn)移

從本質(zhì)上來講，N素的產(chǎn)生、遷移與轉(zhuǎn)化過程是其從土壤圈向其他圈層特別是水圈擴(kuò)散的過程，因此用土壤TN質(zhì)量比的分布情況來表征N素在濱岸帶中的運(yùn)移過程(圖4)。由于灘地式和堤岸式兩種濱岸帶結(jié)構(gòu)對(duì)N素的阻控機(jī)理不同，因此N素在兩種結(jié)構(gòu)下所表現(xiàn)出的運(yùn)移規(guī)律具有較大差異。從總體上來說，周邊用地中土壤TN質(zhì)量比高于臨水區(qū)，這主要是土壤吸附、植被吸收、微生物降解等物理-化學(xué)-生物作用降低了從周邊用地遷移到臨水區(qū)過程中水體的TN質(zhì)量濃度[21]。在灘地式濱岸帶中，耕地區(qū)土壤TN質(zhì)量比為0.446～1.112 mg/g，并且隨緩沖帶寬度增加而降低；在堤岸式濱岸帶中，背岸用地土壤TN質(zhì)量比在0.757～1.886 mg/g，高于其他區(qū)的土壤TN質(zhì)量比，但無明顯的遞減規(guī)律，其中S7、S14和S1樣點(diǎn)臨水區(qū)的土壤TN質(zhì)量比高于背水護(hù)坡和臨水護(hù)坡，這可能是水土流失將護(hù)坡中的N帶入到堤壩兩側(cè)土壤并經(jīng)過長(zhǎng)期累積所致。研究表明，在淹水條件下，土壤中TN質(zhì)量比越低，對(duì)水體中N的吸附能力就越強(qiáng)，釋放N的能力越弱[22]，因此，在強(qiáng)降雨過程下，相比于堤岸式結(jié)構(gòu)，灘地式濱岸帶能夠降低向水體中釋放N營養(yǎng)鹽的風(fēng)險(xiǎn)，有利于湖泊水體凈化。

(a) 灘地式濱岸帶采樣點(diǎn)

(b) 堤岸式濱岸帶采樣點(diǎn)

3.1.2 N素的凈化

周邊水體和近岸湖水中的TN質(zhì)量濃度受多種因素的影響，通過對(duì)二者進(jìn)行Person相關(guān)性分析可知，相關(guān)系數(shù)為0.9，在0.01水平上相關(guān)，故采用二者的凈化率E值來表征N素在濱岸帶中的凈化效果，E值的分布及變化趨勢(shì)見圖5。由圖5可看出，各采樣點(diǎn)5月和10月E值總體相差不大，但各個(gè)采樣點(diǎn)之間具有明顯不同。為檢驗(yàn)這些差異是隨機(jī)樣點(diǎn)的差異還是結(jié)構(gòu)不同所造成的差異，對(duì)兩種濱岸帶結(jié)構(gòu)下的E值進(jìn)行K-S檢驗(yàn)，結(jié)果見表3。兩者的K-S檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z值為1.604，漸近顯著性水平值為0.012，均小于0.05，表明灘地式和堤岸式兩種濱岸帶結(jié)構(gòu)對(duì)E值影響顯著。汛期前，灘地式濱岸帶和堤岸式濱岸帶的E值分別為0.466±0.122和0.214±0.129，汛期后，兩者E值分別為0.479±0.149和0.232±0.093，表明灘地式濱岸帶的凈化效果優(yōu)于堤岸式且空間差異較小。這一方面是因?yàn)樵诘贪妒綖I岸帶中，地表對(duì)N素的阻控過程被弱化，且鄱陽湖堤岸帶多為硬質(zhì)護(hù)坡，隔絕了原土壤的物質(zhì)交換作用[23]，導(dǎo)致對(duì)N素的吸附效果不佳，進(jìn)一步降低了濱岸帶的凈化作用；另一方面鄱陽湖濱岸帶的寬度多表現(xiàn)為灘地式大于堤岸式，而流經(jīng)濱岸帶的含N水體的凈化效果與濱岸緩沖帶的寬度正相關(guān)[24]，因此灘地式濱岸帶凈化效果明顯。

圖5 鄱陽湖5月和10月E值分布

采樣月份濱岸結(jié)構(gòu)樣本數(shù)E平均值標(biāo)準(zhǔn)差Z顯著性5T70.4660.122D70.2140.1291.6040.01210T70.4790.149D70.2320.0931.6040.012

3.2 N素凈化效果的影響因素

將濱岸帶的結(jié)構(gòu)b1、長(zhǎng)度b2、植被類型b3、植被覆蓋度b4、周邊用地b5以及土壤性質(zhì)b6等因子所對(duì)應(yīng)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，得到各影響因素的標(biāo)準(zhǔn)值b1z、b2z、b3z、b4z、b5z、b6z，并通過軟件進(jìn)行“降維”。將以上6個(gè)因子進(jìn)行主成分分析，得出特征值和方差貢獻(xiàn)的結(jié)果(表4)，一般選取特征值大于1的主成分，這表示該主成分的解釋能力比直接引入原變量的平均解釋能力大。在本研究中，特征值大于1的兩個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為79.293%，

表4 特征值和方差貢獻(xiàn)表

故提取B1和B2作為新的因子。B為綜合因子，計(jì)算公式為

B=0.476 28B1+0.316 65B2

(4)

計(jì)算出各采樣點(diǎn)的B值見表5，其中，S12、S11的B值最高，S8的B值最低，這說明S12、S11處的凈化能力最好，S8處最弱。進(jìn)一步對(duì)比各樣點(diǎn)的B值和E值，兩者的趨勢(shì)基本一致，個(gè)別樣點(diǎn)的波動(dòng)可能是由于此分析方法純粹從數(shù)學(xué)角度出發(fā)，缺少考慮生態(tài)效應(yīng)所致[25]。因此，用綜合因子B能在一定程度上描述濱岸帶的凈化效果，由于B與B1、B2有關(guān)，故B1、B2為影響濱岸帶凈化效果的主要因素。

表5 各樣點(diǎn)的E值與B值

為了進(jìn)一步明確B1、B2與原因子之間的關(guān)系，用方差極大法對(duì)因子荷載矩陣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，得到結(jié)果見表6。從表6中可看出，B1在濱岸帶結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)度以及土壤K值3個(gè)因子上有較大荷載(荷載絕對(duì)值大于0.8)，反映了濱岸帶凈化效果與濱岸帶構(gòu)成的關(guān)系，故B1與濱岸帶結(jié)構(gòu)形式相關(guān)。B2在植被類型及覆蓋度2個(gè)因子上有較大荷載，表現(xiàn)了凈化效果與植被的關(guān)系，故B2與濱岸帶的植被配置有關(guān)。另外，B1的貢獻(xiàn)率大于B2的貢獻(xiàn)率，說明濱岸帶結(jié)構(gòu)形式和植被配置對(duì)凈化效果都能產(chǎn)生較大影響，但是在本次研究中，結(jié)構(gòu)形式的影響大于植被配置，故改良濱岸帶的結(jié)構(gòu)能在一定程度上提高濱岸帶的凈化效果，改善入湖水體的水質(zhì)狀況。

表6 旋轉(zhuǎn)后荷載矩陣

4 結(jié) 論

a. 鄱陽湖濱岸帶中各樣點(diǎn)土壤TN質(zhì)量比平均值為(0.721±0.275)mg/g，空間差異性較大。汛期前，近岸湖水TN質(zhì)量濃度為(1.862±1.623)mg/L，內(nèi)陸周邊水體TN質(zhì)量濃度為(2.780±2.107)mg/L；汛期后,近岸湖水TN質(zhì)量濃度為(1.630±1.396)mg/L，內(nèi)陸周邊水體TN質(zhì)量濃度為(2.470±1.790)mg/L。各樣點(diǎn)呈現(xiàn)汛前水體TN質(zhì)量濃度均高于汛后、周邊水體TN質(zhì)量濃度高于近岸湖水的特征。

b. 鄱陽湖濱岸帶中各樣點(diǎn)周邊用地土壤TN質(zhì)量比均高于臨水區(qū)。在灘地式濱岸帶中，土壤TN質(zhì)量比隨緩沖帶寬度增加而降低，且土壤TN質(zhì)量比普遍低于堤岸式結(jié)構(gòu)，表明灘地式濱岸帶有利于降低向水體中排放N營養(yǎng)鹽的風(fēng)險(xiǎn)。

c. 濱岸帶的結(jié)構(gòu)形式和植被配置都能對(duì)凈化率產(chǎn)生較大影響，但是結(jié)構(gòu)形式的影響大于植被配置，因此改良濱岸帶的結(jié)構(gòu)能在一定程度上改善入湖水體的水質(zhì)狀況。

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