重慶筍溪河流域河岸帶水體-土壤-植物的氮磷特征及影響因素

孟 海，王海燕，侯文寧，趙 晗，寧一泓

(森林培育與保護教育部重點實驗室，北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，北京 100083)

河岸帶是銜接“水—陸”生態(tài)系統(tǒng)的重要樞紐。其中，以河流為主的水體和受流水作用的土壤是該系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量交換的重要媒介，而植物在二者的交互作用和水文地理的影響下，表現(xiàn)出區(qū)域特有的植物群落特征。根據(jù)我國農(nóng)業(yè)面源污染問題的相關(guān)研究，流域內(nèi)污染源的控制和削減是生態(tài)治理的關(guān)鍵。河岸帶具有水陸橫向交替、河水徑向匯集和山川垂直分布的空間特性，將流域內(nèi)的地形因子和氮、磷元素緊密地聯(lián)系在一起，映射出重要的環(huán)境信息，對從流域源頭控制農(nóng)業(yè)面源污染物具有重要參考。

目前，關(guān)于河岸帶氮、磷的研究多集中在相對獨立的水域或陸地生態(tài)系統(tǒng)，如對河流、湖泊等水體中單一營養(yǎng)元素的存在形態(tài)及分布狀況，營養(yǎng)物質(zhì)在水體—沉積物間的釋放、遷移和轉(zhuǎn)化，以及通過模型對陸地生態(tài)系統(tǒng)的土壤侵蝕、水土流失和營養(yǎng)物質(zhì)運移過程進行模擬和估算等。這些研究或側(cè)重水體氮磷的遷移轉(zhuǎn)化，或側(cè)重估算整個陸源性氮、磷對水體的輸入，但尚未從流域生態(tài)的視角去綜合分析氮磷在一個時期內(nèi)“水體—土壤—植物”中的分布狀況。此外，流域的地形地貌以及河流上下游特征是引起土地利用方式和河岸帶生境不同的主要因素，也將影響河岸帶水體—土壤—植物體系的氮磷分布格局，需要進行量化分析。因此，在流域尺度上研究河岸帶不同介質(zhì)中氮磷的分布特征及影響因素，更能完整地反映整個流域內(nèi)的氮磷特性，對于科學(xué)指導(dǎo)人類活動和合理防控流域面源污染具有重要的生態(tài)學(xué)意義。

筍溪河位于重慶市江津區(qū)，其流域健康狀況對三峽庫尾地區(qū)的農(nóng)業(yè)面源污染防控具有重要的參考價值。三峽庫區(qū)的氮磷污染負荷具有明顯的時空差異性，且研究多集中于庫區(qū)腹地的降雨徑流、土地利用及其水土流失等某單一過程或單一尺度，庫尾地區(qū)的研究相對較少。此外，庫區(qū)景觀格局變化對農(nóng)業(yè)面源污染的影響機制需要進一步研究。筍溪河流域河岸帶受華鎣山脈斷裂及川東褶皺帶的影響，從上游到下游具有多個典型的地形地貌和相對固定的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，土地利用類型相對穩(wěn)定，表現(xiàn)出一定的生態(tài)適應(yīng)性，對農(nóng)業(yè)氮磷污染和水土流失防控具有直接現(xiàn)實性。因此，本研究以筍溪河干流河岸帶為研究對象，在同一時期內(nèi)采集水體、土壤和植物樣品，分析水體、土壤和植物中的氮、磷含量特征及其影響因素，探討氮磷在河岸帶各圈層中的分布規(guī)律、相關(guān)性以及對環(huán)境因子的響應(yīng)程度，以期為庫區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染防控提供思路。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

筍溪河流域位于重慶市江津區(qū)(圖1)。流域面積約1 190 km，屬川東丘陵，海拔180～1 700 m，地勢南高北低。河流自南向北流向，從四面山流出，途徑四面山鎮(zhèn)、傅家鎮(zhèn)、蔡家鎮(zhèn)、嘉坪鎮(zhèn)、夾灘鎮(zhèn)，并于支坪鎮(zhèn)匯入綦江。流域溫度和降水隨海拔梯度變化明顯，其年均氣溫13.7 ℃，年平均降水量1 522.3 mm，屬北半球亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候區(qū)。河岸帶土地利用以耕地和天然林地為主，土壤受紅色砂巖層的張力和外營力沖蝕切割的作用，發(fā)育類型多樣，基本呈酸性或微酸性。流域內(nèi)植物種類豐富，具有典型的亞熱帶常綠闊葉林特征，河岸帶主要是以慈竹()等竹類植物為主。

1.2 樣點選擇與區(qū)段劃分

依據(jù)《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 地表水環(huán)境》(HJ 2.3—2018)、《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 土壤環(huán)境》(HJ 964—2018)和《生物多樣性觀測技術(shù)導(dǎo)則 陸生維管植物》(HJ 710.1—2014)，在兼顧筍溪河實際情況和可操作性的基礎(chǔ)上，從河流的發(fā)源地四面山北麓開始布設(shè)河岸帶樣點，順流而下至匯入綦江，共設(shè)置44個樣點(圖1)。樣點間隔>3 km，位置為28°31′14″—28°46′00″N，106°17′22″—106°30′00″E。于2021年5月下旬枯水期結(jié)束前，同步采集河岸帶樣點的水體、土壤及植物樣品，并記錄樣點的地形環(huán)境，具體包含海拔、坡度和坡向3個定量因子，坡位和地形地貌2個定性因子。根據(jù)3個定量因子，在R軟件中進行樣點的聚類分析，最終將筍溪河沿河流域分為上、中、下游(表1)。

注：采樣點n=44。

表1 筍溪河樣點信息

1.3 樣品采集與測定

河岸帶樣點附近，距離河岸3～5 m內(nèi)的河流即為水質(zhì)采樣點，用聚乙烯瓶采集?，F(xiàn)場測定水體pH、溫度、電導(dǎo)率和溶解氧，同時用聚乙烯瓶裝好待測水樣，滴加硫酸，調(diào)節(jié)pH為2左右，低溫保存于便攜式冰箱，及時帶回實驗室，分析水體總氮(WTN)、硝酸鹽(WNN)、總磷(WTP)和可溶性磷酸鹽(WDP)。

在河岸帶樣點100 m范圍內(nèi)，沿河岸“S”形隨機布設(shè)5點采集0—20，20—40 cm的混合土樣，其中新鮮土壤樣品存于便攜式冰箱，用于硝態(tài)氮(SNN)的測定；另一部分土樣經(jīng)風(fēng)干、磨細過篩后測定全氮(STN)、全磷(STP)和有效磷(SAP)，其中STN1、SNN1、STP1和SAP1表示0—20 cm土壤養(yǎng)分，STN2、SNN2、STP2和SAP2表示20—40 cm土壤養(yǎng)分。

植物樣品的采集基于河岸帶土壤樣點和竹林的聚群分布特征。在土壤樣點附近，隨機選取3～5株1年生幼竹(慈竹)，分葉片(L)、分枝(B)和莖竿(S)采集混合樣品，測定植物全氮(PN)和全磷(PP)，其中PLN、PBN和PSN表示植物葉片氮、分枝氮和莖竿氮，PLP、PBP和PSP表示植物葉片磷、分枝磷和莖竿磷。

1.4 統(tǒng)計方法

采用Excel 2019和R 4.1.1軟件處理數(shù)據(jù)并繪制圖表。其中，Excel 2019用于數(shù)據(jù)整理和描述性統(tǒng)計，R軟件進行聚類分析、相關(guān)分析和冗余分析及其蒙特卡羅(Monte Carlo)置換檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 河岸帶水體、土壤和植物的氮磷含量特征

筍溪河河岸帶水體氮含量高，磷含量低，而氮變異程度低于磷，且受河流區(qū)段的影響(表2)。從上游到下游，WTN、WNN、WTP和WDP的含量均呈先減后增、總體變大的現(xiàn)象。根據(jù)GB 3838—2002，筍溪河上游WTN均值為1.43 mg/L，中游為1.36 mg/L，屬Ⅳ類水質(zhì)，而下游為2.86 mg/L，屬劣Ⅴ類水質(zhì)；河流WTP含量均值未超出地表Ⅱ類水質(zhì)0.10 mg/L的限值。河流整體表現(xiàn)高氮低磷、下游氮磷積聚的特征。筍溪河上、中游WNN的含量略小于WTN，而WDP在全河段WTP含量中占比近半，說明水體氮的形態(tài)以硝酸鹽為主，且上、中游表現(xiàn)明顯，而水體中磷的形態(tài)組成相對穩(wěn)定。同時，WTN和WNN從中等變異轉(zhuǎn)為弱變異，WTP和WDP從強變異轉(zhuǎn)為中等變異，且WTN、WTP和WDP的變異系數(shù)均隨河流下行而遞減，WNN則表現(xiàn)為先減后增、總體變小。說明隨區(qū)段下行，樣點數(shù)增大，水體氮、磷含量的差異逐漸減小。

表2 筍溪河河岸帶水體氮磷統(tǒng)計

河岸帶土壤氮磷含量受河流區(qū)段影響呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律(表3)。各河段樣點土壤0—20 cm的STN、SNN、STP和SAP的含量均高于20—40 cm，河岸帶土壤氮磷表層富集明顯。STN含量的變化趨勢與WTN相同，表現(xiàn)出隨河流區(qū)段下移先減后增，總體增大，而SNN、STP和SAP含量則逐漸遞增，說明STN與WTN存在較高的關(guān)聯(lián)度，且下游河段土壤氮磷的含量較高。河岸帶土壤氮磷含量變化的差異較大，其中STN和STP均為中等變異，STN在上游樣點的變異性依次高于下游和中游，而STP除河段外，還受土層影響，其0—20 cm的變異隨河段下移而減小，20—40 cm的變異則先增后減；SNN的變異性在各河段均高于STN，而SAP的變異性在上游小于STP，在中、下游大于STP。

表3 筍溪河河岸帶土壤氮磷統(tǒng)計

河岸帶竹林的氮、磷營養(yǎng)特征受河流區(qū)段和自身營養(yǎng)器官的影響(表4)。從上游到下游PLN、PBN、PSN、PBP和PSP含量逐漸增大，而PLP含量逐漸減小；植物氮磷均表現(xiàn)出葉片>分枝>莖竿；PLN和PLP的變異均呈遞減趨勢；PBN和PBP的變異則先增后減，總體遞減；PSN和PSP的變異先減后增，總體遞減。

表4 筍溪河河岸帶竹林氮磷統(tǒng)計

2.2 河岸帶水體、土壤和植物氮磷含量與地形的相關(guān)分析

氮和磷是陸地生態(tài)系統(tǒng)中的限制性養(yǎng)分元素，廣泛存在于無機界和有機體中。河岸帶水體、土壤和植物中的氮磷在各圈層的物質(zhì)循環(huán)中相互作用，存在一定的相關(guān)性，且受地形因素的影響。各河段的相關(guān)性分析存在多種因素的影響，為了減小誤差，以下均為河岸帶全河段的氮磷分析。

河岸帶水體、土壤和植物氮與地形的相關(guān)分析(表5)顯示，WTN與WNN、STN1與SNN1、STN2與SNN2、PLN與PBN及PBN與PSN均呈顯著正相關(guān)，說明氮在水體、土壤和植物不同營養(yǎng)器官中均有一定的存在形式，且通過含氮物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化形成較強的正向相關(guān)性。此外，WTN與STN2呈顯著正相關(guān)(<0.05)，與PLN、PBN和PSN呈顯著正相關(guān)(<0.01，<0.01和<0.001)，與海拔呈顯著負相關(guān)(<0.05)；WNN與PLN呈顯著正相關(guān)(<0.01)。表明水體與植物的氮相關(guān)性高于水體與土壤，水體總氮對海拔的響應(yīng)強烈。SNN1與PBN和PSN，SNN2與PSN均呈顯著正相關(guān)，土壤硝態(tài)氮對植物分枝和莖竿有顯著影響，且隨土層深度增加影響減弱。地形對植物氮的影響較為明顯，其中海拔與PLN、PBN和PSN呈顯著負相關(guān)(<0.05，<0.05和<0.001)，坡度與PSN呈顯著負相關(guān)(<0.001)。

表5 筍溪河河岸帶水體、土壤和植物氮與地形的相關(guān)分析

河岸帶水體、土壤和植物中的磷具有一定的相關(guān)性，同時也響應(yīng)海拔、坡度和坡向的變化(表6)。WTP與WDP、STP1與SAP1、STP2與SAP2、PLP與PBP及PBP與PSP均呈顯著正相關(guān)，說明含磷物質(zhì)在水體、土壤和植物不同營養(yǎng)器官中的遷移轉(zhuǎn)化過程表現(xiàn)出較強的正向相關(guān)性。

表6 筍溪河河岸帶水體、土壤和植物磷與地形的相關(guān)分析

同時，WTP與STP1、STP2、SAP1和SAP2均呈顯著正相關(guān)(<0.001)，WDP與SAP1和SAP2均呈顯著正相關(guān)(<0.01)，而水體與植物的磷相關(guān)性不顯著(>0.05)，表明水體與土壤的磷相關(guān)性較高。土壤與植物間僅SAP1和SAP2與PSP呈顯著正相關(guān)(<0.05)，說明土壤有效磷對植物莖竿磷含量有顯著影響。此外，海拔與WTP、STP1、STP2、SAP1、SAP2和PSP均呈顯著負相關(guān)，而坡度和坡向分別與PSP呈顯著負相關(guān)(<0.05)，地形因素對植物莖竿磷含量的影響較大。

2.3 河岸帶水體、土壤和植物氮磷含量與地形的冗余分析

依據(jù)河岸帶水文過程，以WTN、WNN、WTP和WDP為響應(yīng)變量，土壤和植物的氮磷含量及地形因子為環(huán)境解釋變量進行冗余分析(圖2)，結(jié)果顯示，2個典范軸的解釋比例分別為89.39%和7.23%，解釋了筍溪河河岸帶水體氮磷變異的96.62%，較好地反映土壤和植物中的氮磷及海拔、坡度和坡向?qū)λw氮磷的影響。其中，SAP1與SAP2在RDA1軸的投影較長，土壤有效磷對水體的影響較大，海拔與坡度在RDA2軸的投影較長，對RDA2軸的貢獻較大。WTN與WNN呈負相關(guān)，WTP與WDP呈正相關(guān)，且相關(guān)程度均較高，表明河岸帶水體氮磷在與環(huán)境因子的回歸關(guān)系中，總氮與硝酸鹽間相互約束，存在限制行為，而總磷和可溶性磷酸鹽相互促進，協(xié)同性較好。此外，WTN與STN1、STN2、SNN1、SNN2、PLN、PBN和PSN均呈正相關(guān)，而WNN與WTN相反，且二者均與SNN1和SNN2的相關(guān)程度較強，說明水體總氮、土壤氮和植物氮同向積聚增大，水體氮對土壤硝態(tài)氮響應(yīng)強烈。WTP和WDP均與STP1、STP2、SAP1、SAP2、PBP和PSP呈正相關(guān)，且與PBP和PSP的相關(guān)程度較高，顯示水體磷受植物分枝磷和莖竿磷影響較大。WTN和WNN對坡向的響應(yīng)強烈，其后依次為海拔、坡度，而WTP和WDP對坡度的響應(yīng)強烈，其次為海拔、坡向。

圖2 筍溪河河岸帶水體氮磷與環(huán)境因子的冗余分析

Monte Carlo置換檢驗進一步說明環(huán)境因子對響應(yīng)變量的影響(表7)。土壤和植物中的氮磷與3個地形因子對水體氮磷變異的總可解釋度為64.91%(=0.419 7)。置換檢驗顯示，SNN1、STP1、STP2、SAP1和SAP2對水體氮磷含量的變異均具有顯著的影響(<0.05，<0.01，<0.05，<0.001和<0.01)，其中，SAP2對水體氮磷含量特征變異的解釋度最大，為25.11%，其后依次為SAP1，STP2，STP1和SNN1，累計69.14%。表明土壤氮磷是水體氮磷變異的主導(dǎo)因素，且土壤磷的變異解釋累計為66.09%，對水環(huán)境的影響較大，與相關(guān)分析的結(jié)果一致(表5)。此外，植物氮磷和地形因子對水體氮磷的變異也有一定解釋力，但在置換檢驗中均未達到顯著水平(>0.05)，其中植物氮的變異解釋累計為18.87%，水體與植物的磷相關(guān)性較強，與相關(guān)分析結(jié)果相同(表6)；海拔對水體氮磷的影響較大，為8.09%。

表7 水體氮磷的冗余分析置換檢驗結(jié)果

3 討 論

3.1 河岸帶水體、土壤和植物的氮磷狀況

在自然降水、土地利用、徑流侵蝕及人為活動的影響下，河岸帶水體、土壤和植物中的氮磷含量各異。水體通常對陸源性氮磷具有稀釋消解的作用，而植物從環(huán)境中吸收氮磷，因此筍溪河河岸帶水體氮磷的含量依次小于土壤和植物，并呈現(xiàn)上游小、下游大的氮磷空間分布特征，這與前人的研究結(jié)果相同。筍溪河水質(zhì)由氮含量決定，這與三峽庫區(qū)其他流域水體高氮低磷的研究結(jié)果一致。河岸帶水體氮以硝酸鹽形態(tài)為主，而可溶性磷酸鹽含量在總磷中占比近半，這與王宏等在長江沱江流域的研究結(jié)果相同，與黃河水環(huán)境的研究結(jié)果不同。同時，筍溪河河岸帶土壤受流水作用和植物侵擾，氮磷含量相對貧乏，與李銳等江津區(qū)河岸帶和庫區(qū)其他河流河岸帶土壤氮磷含量相近。河岸帶竹林葉片氮磷的含量均值與四川盆地南麓的高山竹林葉片氮磷含量相近。

河岸帶水體、土壤和植物中的氮磷含量受河流升降、徑流沖刷和淹水狀態(tài)變化的影響，在一個時期內(nèi)表現(xiàn)出不同程度的變異性。重慶筍溪河流域受河流水文地理和三峽大壩調(diào)洪蓄水的影響，河岸帶水體總磷的變異程度高于總氮，這與三峽庫區(qū)部分河流氮磷變異特征相同。隨著河流區(qū)段下行，水體氮磷的變異均呈遞減趨勢，可能與下游河水流量相對充沛有關(guān)。河岸帶上、下游土壤全氮的變異程度高于全磷，硝態(tài)氮的變異程度高于有效磷，同時受土層深度的影響，這與蔡雅梅等河岸帶土壤氮磷空間分布的部分研究結(jié)果一致。此外，水體和土壤中的氮磷變異高于植物氮磷，說明水體和土壤中的氮磷易受環(huán)境變化的影響，存在較高的流失風(fēng)險，這與河岸帶河水入滲土壤、氮磷在水體和土壤界面的吸附與交換有關(guān)。

3.2 河岸帶水體、土壤和植物氮磷的影響因素

河岸帶作為水陸生態(tài)系統(tǒng)的過渡帶，水體、土壤和植物中的氮磷通過各圈層的物質(zhì)循環(huán)，具有一定的相關(guān)性，同時受到海拔、坡度和坡向的影響。筍溪河河岸帶水體和土壤中的氮磷通常具有多種形態(tài)，且同一介質(zhì)中的不同氮磷形態(tài)往往具有較高的相關(guān)性，這與徐兵兵等水體氮磷形態(tài)研究的結(jié)果相同。氮磷是農(nóng)業(yè)面源污染的限制性養(yǎng)分元素，其地球生物化學(xué)循環(huán)有所不同。河岸帶水文作用強烈，從筍溪河上游到下游，水體氮磷含量積聚增大；土壤受干濕交替和徑流沖刷，氮素通過硝化、反硝化作用及生物消耗，變化較大，而主要來源于含磷礦物風(fēng)化的磷，在與水體不斷相互作用中含量趨于一致；植物受營養(yǎng)過程和季節(jié)周期影響，生長中不斷從環(huán)境吸收氮磷營養(yǎng)物質(zhì)，富集相對穩(wěn)定。因此，筍溪河河岸帶水體與植物間的氮相關(guān)性高于水體與土壤，而與土壤間的磷相關(guān)性高于植物，這與河岸帶植物和土壤對水文響應(yīng)的結(jié)果相同，也與冗余分析(圖2和表7)的結(jié)果相似。筍溪河流域地形因子對河岸帶水體、土壤和植物中氮磷的影響以負相關(guān)為主。其中，海拔對河岸帶水體總磷、土壤全磷和有效磷均有顯著影響，這可能是海拔對降水和溫度具有調(diào)控作用，進而促進土壤微生物對磷的分解、釋放，再通過地表徑流和地下入滲與水體建立強相關(guān)。此外，坡度對河岸帶植物分枝氮磷均有顯著影響，而坡向?qū)χ参锪子酗@著影響，與坡度和坡向可以改變植物對光照、水分和養(yǎng)分物質(zhì)的需求，進而對植物的營養(yǎng)過程產(chǎn)生限制作用的研究結(jié)果相同。

河岸帶水文變化是驅(qū)動水體、土壤和植物氮磷循環(huán)的基礎(chǔ)，水體氮磷的變化，反映了水體響應(yīng)及適應(yīng)環(huán)境變化的能力。筍溪河河岸帶各圈層氮磷的相關(guān)分析(表5和表6)與冗余分析結(jié)果相近。其中，水體總氮與硝酸鹽在相關(guān)分析時顯著正相關(guān)，冗余分析時負相關(guān)；而水體總磷和可溶性磷酸鹽在響應(yīng)環(huán)境變量的2種分析中，結(jié)果表現(xiàn)相同，這與相關(guān)分析以統(tǒng)計為主，而環(huán)境因素考慮較少，冗余分析內(nèi)部多元線性回歸相互約束，考慮環(huán)境變量影響的方法有關(guān)。說明生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部存在多種相互作用的機制，水生態(tài)系統(tǒng)的變化與水體氮磷總量及其形態(tài)組分高度相關(guān)，同時受土壤氮磷、植物氮磷和地形因子的影響。這與蔡雅梅等在汾河河岸帶氮磷的研究結(jié)果相似。基于冗余分析整體，Monte Carlo檢驗表明，土壤氮磷是眾多環(huán)境因子中影響水體氮磷的主體(表7)，且土壤硝態(tài)氮、全磷和有效磷的變異解釋進一步表明對水體氮磷的影響程度，這與前人對河岸帶水體與土壤氮磷物質(zhì)的相關(guān)分析一致。檢驗顯示，植物氮磷和地形因子對引起水體氮磷變化的解釋相對較小，且不顯著，與相關(guān)分析(表5和表6)近似。水體氮磷含量的變化是眾多環(huán)境因子共同作用的。本研究只涉及土壤和植物氮磷及3個定量地形因子，后續(xù)研究需要將更多的定性因子進行轉(zhuǎn)化放入定量分析中。

4 結(jié) 論

(1)筍溪河河岸帶水體、土壤和植物的氮、磷含量受河流區(qū)段的影響均表現(xiàn)為上游小、下游大；與地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對比，水體呈高氮、低磷的含量特征，上游和中游屬Ⅳ類水質(zhì)，下游屬劣Ⅴ類水質(zhì)，且水體氮以硝酸鹽為主。應(yīng)重點加強全河段氮污染物的削減和防控，并控制下游的陸源性氮輸入。

(2)筍溪河河岸帶水體、土壤和植物中的氮、磷彼此間存在一定的相關(guān)性，且對海拔響應(yīng)強烈。同時，土壤氮磷、植物氮磷和地形因子對水體氮磷的影響程度依次變小(=0.419 7)，土壤氮磷是水體氮磷變異的主導(dǎo)因素。

(3)筍溪河河岸帶水體氮磷對環(huán)境變量的響應(yīng)存在較大差異。水體氮對植物氮的響應(yīng)強烈，冗余分析置換檢驗中植物氮的總變異解釋為18.87%，其中植物莖竿氮的解釋最高，為9.16%；水體磷對土壤磷的響應(yīng)強烈，土壤磷的總變異解釋為66.09%，且20—40 cm的土壤有效磷解釋最大，為25.11%。