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再生水补水条件下土壤全氮空间分布特征
熊凯1,2,3, 宫兆宁1,2,3, 张磊1,2,3, 赵文吉1,2,3     
1. 首都师范大学资源环境与旅游学院, 北京 100048;
2. 三维信息获取与应用教育部重点实验室, 北京 100048;
3. 资源环境与地理信息系统北京市重点实验室, 北京 100048
摘要: 土壤中的氮素是植物生长发育的基础,由于城市湿地土壤受特殊水文条件影响,土壤全氮(TN)的分布规律和影响机制较为复杂,因此研究土壤TN的空间分布特征具有重大的生态意义。本文以再生水为主要补给水源的北京门城湖湿地公园为研究区,运用ArcGIS和地统计学对该区土壤TN的空间分布特征进行研究。结果表明:研究区土壤TN质量分数较高,差值明显,变异系数达47.35%;比较不同的植物群落区可知,香蒲群落区土壤TN质量分数最高。对影响研究区土壤TN分布的因素分析得出:土壤TN、全磷(TP)质量分数呈极显著正相关关系(r=0.81,P < 0.01);TN、土壤有机质(SOM)质量分数呈显著正相关关系(r=0.62,P < 0.05);气候因子中,湿度和温度对TN分布同样影响显著。水质参数中,再生水出水口处测得的土壤TN的指标数值更高,随出水口距离的增加,参数值总体呈下降趋势且逐步趋于稳定,说明植被对湿地土壤中氮素空间分布的调整具有重要作用。
关键词: 土壤     全氮     空间分异     北京门城湖     再生水    
Spatial Distribution of Total Soil Nitrogen Under Reclaimed Water Recharge
Xiong Kai1,2,3, Gong Zhaoning1,2,3, Zhang Lei1,2,3, Zhao Wenji1,2,3     
1. College of Resources Environment & Tourism, Capital Normal University, Beijing 100048, China;
2. Key Laboratory of 3D Information Acquisition and Application of Ministry, Beijing 100048, China;
3. Base of the State Laboratory of Urban Environmental Processes and Digital Modeling of Beijing, Beijing 100048, China
Supported by International Science and Technology Cooperation Program of China (2014DFA21620)
Abstract: Nitrogen is essential for plant growth and development; therefore, it is of great significance to study the spatial distribution characteristics of nitrogen in soil supplied by recycled water. Soil tolal nitrogen(TN) is complex for its distribution and mechanism under the influence of hydrological conditions to a urban wetland. Taking Beijing Mencheng Lake Wetland Park as the study area, where the reclaimed water is the main water supply, we studied the spatial distribution characteristics of the total soil TN content using ArcGIS and Geo-statistics. The results show that the total soil TN content is high in the study area with a large range coefficient of variation of 47.35%. Among different plant communities in the area, the total soil TN content in typha community is the highest. The total phosphorus is closely correlated with TN (r=0.79, P < 0.01); and soil organic matter is also obviously positively correlated with TN (r=0.58, P < 0.05). Among the climate factors, temperature and humidity affect the distribution of total soil TN significantly in the study area. In addition, the soil TN measured at the reclaimed water outlet is higher than that in the other areas. With the increase of distance away from the outlet, the TN declines in general, and becomes stable. Our study indicates that vegetation plays an important role in adjusting soil nitrogen in the wetland treated with recycled water.
Key words: soil     total nitrogen     spatial distribution     Mencheng Lake, Beijing     reclaimed water    

0 引言

城市湿地公园在湿地系统中生态效益强大,同时其也具有景观价值和科普教育价值。近年来,日趋突出的水资源贫乏问题给湿地生态系统的稳定性造成了严重危害;而再生水作为普遍使用的技术,已成为解决此问题的首选。但是,由于水中氮、磷等营养盐浓度较高,往往使水体出现富营养化的状况,导致水质恶化。氮是影响和限制城市湿地生态系统植被生长、苗木更新及土壤生物过程等的重要因素,阐明氮素的空间分布特征对于区域空间氮素含量的预测、生态系统响应的科学阐述都具有重要的科学意义。近年来,随着科学技术的发展,国内外专家学者对湿地土壤全氮(TN)含量空间分布特征的研究日益关注,在其空间转变领域的研究成果层出不穷,且都具有一定的影响力[1-4],但在深度方向的研究比较弱[5-7]

20世纪70年代,地统计学成功地被引入到土壤科学领域,80年代以来,半方差图和Kriging插值法由于其在土壤特性的空间推求方面有很好的作用而被大量推广使用[8]。国内运用以上方法进行的研究有:彭佩钦等[9]以洞庭湖为研究对象,对其土壤中的TN、全磷(TP)等元素做了研究,并分析整理了TN、TP等元素在水体中的时空分布特点;程先富等[10]分析了土壤TN和有机质(SOM)的时空变化特点;王淑英等[11]采用Kriging最优内插值和地统计学方法对北京市平谷区土壤TN和SOM进行了空间分布的分析;陈肖等[12-15]运用ArcGIS与地统计学相联合的方法在区域尺度上分别对云贵地区、长江东部地区、南方丘陵区、江西省赣州市、重庆市江津区土壤SOM和TN的空间分异进行了剖析。国外对土壤TN分布开展的研究有:Grunwald等[16]等在佛罗里达一亚热带湿地中采样,利用地统计学原理研究变异性与生物地球化学土壤特征之间的关系,并将土壤中TP的空间变异性及分布进行了分析,验证了区域内农田土壤TN的空间变异特征;Mishra等[17]采用网格法对孟加拉地区土壤TN进行分析,发现土壤TN的空间自相关距离在24 m左右,展示了较强的空间相关性;Yavitt等[18]在区域尺度上研究了巴拿马热带潮湿森林0~10 m层次土壤TN含量空间分布符合指数函数模型;Souza等[19]采用地统计学方法从不同景观尺度研究巴西中部地区土壤TN的空间分布,并结合矿物性质,综合分析了土壤元素的空间变化。但综合来看,从流域尺度上整体量化不同因素对土壤TN分布影响程度的研究还较少,且未讨论人类活动影响较大的城市湿地区域TN的分布特征。

本文针对以再生水为补给水源的北京市门城湖公园为研究区,应用地统计学和3S技术对该区土壤TN的时空分布特征进行研究,并分析其养分的特征差别,以期为研究水土变化以及环境质量变化提供依据和参考。

1 研究区概况

研究区位于北京市门头沟区东部和石景山西部的门城湖湿地公园内,主要范围由三家店往南一直到电灰管桥上游,见图 1。门城湖全长5.24 km,宽度平均为170 m,水深1.5~2.5 m,水体面积为6.7×105 m2,蓄水量为1.6×106 m3。该区属于中纬度大陆季风气候,年平均气温为11.8 ℃,平均降水量463 mm,降雨的高峰期为7月底到8月初,多年平均降水量为528.70 mm。近年来,永定河及其沿岸的生态环境日益恶化,其流域内水量衰减,水质变差,防洪堤坝被损坏,门城湖作为永定河流经门头沟区内的重要一部分,北京市一直对其进行环境的治理与恢复。目前,门城湖治理修复工程主要由防洪工程、堤防生态修复、河床及滩地生态修复和水质改善工程4部分组成,其主要水源由再生水、雨洪水以及地表水组成。本区的地貌类型为滨海低地湿地和泻湖湿地,受再生水影响显著,在同类湿地中具有代表性,有利于开展再生水影响下土壤全氮含量的研究。

图 1 研究区地理位置及采样点分布图 Figure 1 Location, distribution of soil sampling sites
2 研究方法 2.1 样品采集

为全面研究门城湖湿地公园水体富营养化情况下的土壤分布特征及区域分布差异性,结合地形特点、补水口位置以及湿地植被分布情况进行布点。已有研究[20]表明,补水口下游2 km范围内水质状况较差,之后逐渐好转。因此采样时沿计划路线,距补水口2 km范围内稠密布点,随着距离增加采样点逐渐稀疏。沿河流流水的方向在河流的两岸、河内的岛屿,以及岸边构筑物处布置采样点。采样时间为2015年5月,此期间水位较低、植被较少、便于样本的采集。在采集样本时候,应根据“随机” “等量”等原则;同时,在采集点布局设计的时候,还要兼顾到不同的群落以及水分梯度设计采样剖面,避开路边、沟边和肥堆等特殊部位。依据湖内的地势情况,采样点布局需垂直于水陆交界线,形成一个采样剖面。每个采样点分为4层进行样品采集,采样深度分别为0~10、10~20、20~30、30~40 cm,采样点共计120个。样品采集时,采样点要兼顾整个研究区域,从而能为后续的分析提供充分的数据支持。此外,采样时,同步测定样品点的电导率、温度以及湿度,并记录下对应的GPS坐标和其他特征信息。而后,于阴凉处自然风干采集的样品,剔除样品中的叶残体、沙砾、植物根等后用研磨器磨碎,再过2 mm筛子去除较大颗粒杂质,经过充分混匀后用于后续分析。

水样采集的是距水面10 cm左右的表层水。将采集的水样装入准备好的采样瓶内,放入实验室的冰箱内保存,以便不影响日后测量TN质量分数时的准确度。水质监测指标包括溶解氧(DO)、叶绿素a(Chl-a)、总溶解固体(TDS)、TN的质量分数和pH,其中DO、Chl-a、TDS质量分数和pH采用HYDROLAB DataSonde 5X多参数及叶绿素水质分析仪现场测定,TN质量分数指标由室内分析实验测得。

2.2 实验方法

本研究的理化性质指标为:w(SOM)、w(TN)、w(TP)、pH、全盐量和含水率,指标分析方法均依照国标法进行测定(表 1)。

表 1 土壤理化性质的分析方法 Table 1 Determination methods of soil physicochemical characteristics
分析项目 分析方法 分析依据[21]
w(SOM) 重铬酸钾氧化-外加热法 LY/T1237-1999《森林土壤有机质测定》
w(TN) 半微量凯氏法 LY/T1228-1999《森林土壤全氮的测定》
w(TP) 酸溶-钼锑抗比色法 LY/T1232-1999《森林土壤全磷的测定》
pH 电位法 LY/T1239-1999《森林土壤pH值的测定》
全盐量 质量法 LY/T1251-1999《森林土壤水溶性盐分分析》
含水率 质量法 LY/T1213-1999《森林土壤含水量的测定》
2.3 数据处理

使用SPSS17.0对实验数据展开单因素方差分析与相关性分析,选用差异显著性水平为0.05;采用Microsoft Excel 2007进行数据分析与作图。运用经典统计分析方法,分析本研究采集的土壤样品的理化性质分布状况。

3 结果与分析 3.1 土壤有效样本养分统计特征

对测试所得实验数据,先剔除所有偏差较大的异常值,然后依照统计学分析方法,对有效指标展开最小值、最大值、平均值和标准差的统计以及简单分析,结果见表 2。数据分布的集中趋势采用中位数与平均值进行衡量,而离散程度则用变异系数与标准差进行表征。研究区土壤w(TN)的最小值为0.103 g/kg,最大值为1.568 g/kg,平均值为0.760 g/kg。在土壤养分的描述统计中,除pH值外,其他指标的平均值均大于中位数值,且最小值与最大值之间有着较大差异,则表明土壤养分含量的中心偏向正态分布。而w(TP)与pH值的变异系数较小,分别为18.23%和2.50%。变异系数更大的是土壤w(TN)和w(SOM),其分别为47.35%和28.34%。主要是由于采样区受到土地利用类型的差异以及人类活动的干扰,因此导致土壤w(TN)分布具有较高的异质性。

表 2 土壤养分描述统计 Table 2 Soil nutrient description statistics
wB/(g/kg) pH
TN TP SOM
最小值 0.103 0.105 1.80 6.20
最大值 1.568 1.430 6.13 7.82
平均值 0.760 0.659 2.54 7.03
中位值 0.690 0.560 2.48 7.22
标准差 0.359 0.120 0.72 0.18
变异系数/% 47.35 18.23 28.34 2.50
3.2 不同植被群落下全氮分布特征

通过典型植物群落对所采集的土壤样品进行分类,用以研究土壤肥力的空间分异特征。由于能作用到植物群落的分布格局及其演替过程的是土壤养分的变化,因此对其拥有富集作用的是植物群落。研究区湿地植被类型丰富,按照水分由高到低,植被类型依次分布有沉水植物、浮水植物以及挺水植物。如图 2所示:湿地植被表现出显著的带状分布,其中水陆交接的浅水区主要为沉水植物与浮水植物的混合分布;伴随着水位上升,逐步过渡到挺水植物。因为浮水植物和沉水植物带主要分布在水较深且不易采集样品的水体区域,因此在采集样品期间,挺水植物为主要研究对象,其中以芦苇群落(Comm.Phragmites australis)和香蒲群落(Comm.Typha angusitifolia)为主。

图 2 采样区湿地分布结构图 Figure 2 Wetland distribution structure diagram in the study area

分别对芦苇群落和香蒲群落的各40个样本进行统计:香蒲群落区的土壤w(TN)为0.339~1.568 g/kg,平均值为0.930 g/kg;芦苇群落区土壤w(TN)为0.286~1.487 g/kg,平均值为0.857 g/kg。芦苇和香蒲植物群落区土壤w(TN)在其表层(0~10 cm)最高,随着土层深度增加,质量分数变低。因为再生水中含有大量的有机物质和氮磷物质,土壤胶体会对这些有机物质和氮磷元素进行吸附,使得土壤中w(TN)升高。作为衡量土壤肥力的一个重要指标,土壤w(TN)的提高会导致土壤肥力的显著提升,且岸边的挺水植物会对土壤TN进行固持吸收,成为其生长所必需的营养物质,这就导致土壤TN在植物的根系部分(0~10 cm)形成累积。

3.3 土壤全氮分布影响因素

土壤w(TN)受输出量与输入量两方面的影响,一直处于动态变化过程中。其中输出量为TN分解转化,被植物吸收利用,但地形因子、土壤理化性质等生物或非生物条件会作用于其分解的过程,最终导致其结果的改变。由于研究区土壤存在特殊水文条件的影响以及人类活动的干扰,土壤中的w(TN)会受到更为复杂的影响。下文结合研究区的土壤TP、TN、电导率等物理化学特性和植被因子,分析典型区域土壤TN分布的影响因素。

3.3.1 土壤理化性质对全氮的影响

表 3是研究区土壤各理化指标相关分析结果。由表 3可知,土壤中的w(TN)与w(TP)正相关尤其明显,相关系数为0.81(P < 0.01),并且与土壤w(SOM)表现为明显的正相关(r=0.62,P < 0.05);这表明研究区土壤w(TP)、w(SOM)与w(TN)具有相同的变化趋势,并且与w(TN)互为影响。首先,大分子的氮素对土壤中的磷有较强的吸附保留能力,而磷元素的积累又能促进氮素的生成;其次,土壤的湿度与w(TN)在0.05水平上呈现显著的负相关关系(r=-0.54),则说明湿度对w(TN)有较大的影响,湿度较大时,土壤的通气状况受到影响,限制土壤中氧气的流动,抑制植物根系中氧的供应,由于反硝化细菌是厌氧细菌,在缺氧的条件下反硝化作用将土壤中的硝酸氮还原成气态氮,释放到空气中,从而使得土壤w(TN)降低;再者,w(TN)与pH值和电导率的相关性很差,这表明pH值和电导率对该研究区土壤w(TN)影响较弱。

表 3 研究区土壤物理化学性质相关性矩阵 Table 3 Correlation matrix among soil physical and chemical properties in the study area
w(TN) w(SOM) w(TP) pH 电导率 湿度
w(TN) r 1
P
w(SOM) r 0.62* 1
P 0.01
w(TP) r 0.81 ** 0.46 1
P 0.01 0.10
pH r -0.02 -0.18 0.39 1
P 0.96 0.48 0.09
电导率 r 0.27 0.43* 0.01 -0.59* 1
P 0.38 0.01 0.97 0.03
湿度 r -0.54* 0.21 0.49 0.19 0.03 1
P 0.02 0.59 0.04 0.49 0.86
  注:r为相关系数;P为显著性水平;**表示相关性在0.01水平上极显著;*表示相关性在0.05水平上显著。
3.3.2 温度对土壤全氮的影响

温度对土壤中的微生物以及酶活性有较大的影响,一般情况下,25~35 ℃最适合微生物生命活动。而土壤TN的分解速度与温度呈负相关关系:温度上升,土壤有机氮分解速度就会加快;当温度低于0 ℃或高于35 ℃时,微生物的活性就会被抑制,则TN的降解速度就会明显降低。土壤的温度与w(TN)在0.05水平上呈现显著的负相关关系(r=-0.508),则说明温度对w(TN)有显著影响,其线性关系为y=-0.18x+20.68(决定系数R2=0.257)。表明出露区温度越高,则TN的分解速率就会越快。

通过分析发现,温度升高导致土壤w(TN)下降的主要有以下两方面的原因:首先,研究区土壤平均温度为17.03 ℃时,满足土壤微生物生命活动所需温度范围,而且该研究区为湿地生态系统,微生物的多样性比一般生态系统多,温度上升更容易促进土壤有机氮的降解,进而促进土壤TN的流失;其次,温度升高会加剧土壤TN的矿化,使得土壤中有机态含氮化合物转化为无机态氮,如铵态氮、硝态氮,无机态氮是植物生长过程中所必需的元素,矿化后的无机态氮被该研究区的植物吸收或被淋失后,就会导致土壤氮素的降低。

3.3.3 河流水质对土壤全氮的影响

研究区水质基本理化特征见表 4。再生水补水下,水质呈现出偏碱性的性质,其pH平均值是9.34,已经明显不在地表水环境质量标准Ⅴ类水质的限定值范围之内,且pH整体的较高标准差是0.32,空间差异性小。而当溶解氧的质量浓度为2.54~10.59 mg/L时,其pH值已经超过了地表水环境容量Ⅰ类标准,其标准差2.03,存在一定的差异性;研究区水体溶解氧状况总体较好时,均值为6.23 mg/L,符合Ⅱ类水的标准。对叶绿素a而言,其质量浓度平均值为15.80 μg/L,总体来说,其含量更为丰富,但其标准差达到了10.80 μg/L,说明个体互相存在着较大的差异性。TDS质量浓度为0.79~1.02 g/L,均值为0.93 g/L且空间差异很小。地表水环境质量标准Ⅴ类为2.00 mg/L,但是本试验中水体氮质量浓度较高,最低值都为5.73 mg/L,均值达到16.50 mg/L,超出Ⅴ类标准8倍以上;这表明该区域水体w(TN)严重超标,会使水体形成富营养化,导致生态环境恶化。

表 4 研究区河流水质理化特征 Table 4 River water quality of the physical and chemical properties in the study area
水质参数 pH ρ(DO)/
(mg/L)
ρ(Chl-a)/
(μg/L)
ρ(TDS)/
(g/L)
ρ(TN)/
(mg/L)
最小值 8.73 2.54 2.48 0.79 5.73
最大值 9.95 10.59 36.48 1.02 25.10
均值 9.34 6.23 15.80 0.93 16.50
标准差 0.32 2.03 10.80 0.06 5.11
Ⅴ类标准 6.00~9.00 2.00 - - 2.00
  注:样本数均为40。

由于出水口排放的再生水中含有大量的氮元素,导致研究区域内河流水质呈现明显的富营养化状态。图 3更加直观清晰地展示了水质参数和土壤TN的空间分布状况。从图 3可以看出,再生水出水口处水质参数和土壤TN的指标呈现一致性,随着与出水口距离的增加,参数值总体呈下降趋势并且逐步趋于稳定。通过分析发现主要有以下几方面的原因。

a.TN; b.Chl-a; c.DO; d.TN. 图 3 研究区水质参数和土壤氮素空间分布图 Figure 3 Water quality parameters and total nitrogen in soil spatial distribution

1) 该研究区的上游地区是再生水排放的出水口,该河段河水中TN的质量分数要远高于河流两岸土壤中,土壤胶体对再生水中的氮素具有一定的吸附作用。研究表明,再生水中的TN质量分数越高,土壤胶体的吸附作用越强。该研究区两岸生长大量的挺水植物,如芦苇、香蒲,这些植物的根系十分发达,具有十分发达的通气组织,导致小范围内土壤孔隙度增大,氧气含量高,形成有利于氨氮进行硝化作用的空间,产生的硝酸盐又被植物固持,这就起到了植物固氮的效果。

2) 随着上游土壤对再生水中氮素的吸附和芦苇香蒲等挺水植物对氮素的固持,导致该研究区下游水中的TN质量分数急剧下降,土壤和挺水植物对再生水中氮素的吸附作用和固氮效果越来越弱,使得土壤中的氮素趋于稳定。这表明土壤TN质量分数与该区域人为因素密不可分,同时也说明土壤和植被对调整湿地土壤中TN的空间分布具有一定的作用。

4 结论与展望

1) 研究区所有样本的土壤w(TN)为0.103~1.568 g/kg,变异系数达47.35%。说明研究区受再生水补水的影响,导致土壤养分的分布具有较高的异质性。芦苇和香蒲植被群落区土壤w(TN)在表层(0~10 cm)最高,且明显高于下层土壤。

2) 分析研究区土壤物理化学特性、温度以及环境因子对土壤w(TN)变化的影响,结果表明:土壤w(TN)与w(TP)、w(SOM)显著正相关,说明研究区土壤的w(SOM)、w(TP)和w(TN)三者有相同的变化趋势,且互为影响;土壤的湿度、温度与w(TN)呈负相关关系,说明当湿度、温度变大时,会导致土壤w(TN)降低;w(TN)与pH值和电导率的相关性很差,表明pH值和电导率对该研究区w(TN)影响较弱。

3) 在出水口处土壤w(TN)最高,随着距离的增加,参数值总体呈下降趋势且逐步趋于稳定,说明土壤w(TN)与人类的活动、土壤吸附和植被的固持有密不可分的关系。

本次研究讨论了研究区土壤TN的分布特征以及可能的影响因素,而再生水用于补充河道水的条件下土壤TN等营养元素的动态变化以及循环机理有待进一步的研究与分析。

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http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.201706206
吉林大学主办、教育部主管的以地学为特色的综合性学术期刊
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文章信息

熊凯, 宫兆宁, 张磊, 赵文吉
Xiong Kai, Gong Zhaoning, Zhang Lei, Zhao Wenji
再生水补水条件下土壤全氮空间分布特征
Spatial Distribution of Total Soil Nitrogen Under Reclaimed Water Recharge
吉林大学学报(地球科学版), 2017, 47(6): 1829-1837
Journal of Jilin University(Earth Science Edition), 2017, 47(6): 1829-1837.
http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.201706206

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收稿日期: 2017-03-23

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