趙天賜，安 嬋，李金升，喬建霞，唐士明,白 鷺， 邵新慶,2，王 堃,2，劉克思,2

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物科技學(xué)院草業(yè)科學(xué)系，北京 100193； 2.河北沽源草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外 科學(xué)觀測(cè)研究站,河北 沽源 076550))

放牧是草地的主要利用方式之一，持續(xù)高強(qiáng)度放牧是導(dǎo)致草地退化的主要因素[1]，而草地退化的直接反應(yīng)就是土壤的理化性質(zhì)發(fā)生改變，土壤理化性質(zhì)是評(píng)價(jià)草地發(fā)育狀況的重要條件。已有研究發(fā)現(xiàn)，重度和中度放牧降低草地土壤中的含水量[2-3]，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分流失，土壤鹽堿化程度加重[4-5]，土壤含水量一定程度上決定著土壤營養(yǎng)狀況和草地生產(chǎn)力[6-7]，土壤pH反映土壤基本特性而電導(dǎo)率(EC)影響植物的生存環(huán)境和生長(zhǎng)[8-9]。湖泊作為濕地生態(tài)系統(tǒng)的一種重要組成，不僅具有提供休閑娛樂的景觀效應(yīng),還具有保護(hù)和改善生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)效應(yīng)[10]，而濕地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)土壤保蓄水，物種多樣性，環(huán)境等都具有保護(hù)作用，且積極影響區(qū)域內(nèi)土壤的理化性質(zhì)[11]。因此，在放牧草地上建造人工湖泊，可與毗鄰區(qū)域形成近似濕地的生態(tài)環(huán)境，并在一定程度上改變毗鄰放牧草地土壤中的含水量、pH、EC和植被多樣性。在河北沽源國家野外觀測(cè)站人工湖毗鄰的放牧草地，研究人工湖對(duì)毗鄰放牧草地的植被生物量、多樣性以及土壤含水量，pH和EC在空間和時(shí)間上的影響，為放牧草地生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定發(fā)展提供一個(gè)可行的數(shù)據(jù)支持。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于河北沽源草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測(cè)站，河北省北部沽源縣城北12 km，E 115°40′，N 41°46′，海拔1 460 m，半干旱大陸季風(fēng)氣候，年均氣溫1℃，最冷月(1月)平均氣溫-18.6℃，最熱月(7月)平均氣溫17.6℃。年降水量為350～450 mm，年蒸發(fā)量為1 700～2 300 mm，年大風(fēng)日數(shù)50～80 d，無霜期為80～110 d，年日照時(shí)數(shù)2 930 h，主要土壤類型為栗鈣土。草地初始的主要植物有羊草(Leymuschinensis)、堿茅(Puccinelliadistans)、蘆葦(Phragmites australis)、星毛委陵菜(Potentillaacaulis)、堿蓬(Suaedaglauca)、馬藺(Irislactea)，試驗(yàn)點(diǎn)草地屬于天然草地、中度放牧，植被覆蓋度為80%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與取樣測(cè)定

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2013進(jìn)行整理和分析，用SPSS 21.0進(jìn)行方差分析，單因子分析土壤含水量、pH、EC和在不同湖距上植被的變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 湖距對(duì)土壤含水量的影響

2014年草地土壤含水量隨著湖距增加土壤含水量減少(表1)。0～10 cm土層，土壤含水量在30 m處達(dá)到最大值39%，隨著距離增加，600 m土壤含水量達(dá)到最低值10.70%，比距離10 m處下降62%。10～20 cm同樣隨著距離增加土壤含水量下降57%。20～40 cm土層，近湖區(qū)土壤含水量高于遠(yuǎn)湖區(qū)，最小值也在距湖600 m處。

2015年，隨著距湖越遠(yuǎn)，土壤含水量同樣呈現(xiàn)降低現(xiàn)象。0～10 cm土層土壤含水量在距離上表現(xiàn)顯著的差異，距離湖泊30 m到600 m處，含水量減少60%。10～60 cm 3個(gè)土層在距離上含水量均有減少但差異不明顯，但從距湖近30 m到600 m處，3個(gè)土層土壤含水量均有降低37%，34%和22%。

2016年，土壤含水量在0～10 cm同樣是距湖越近土壤含水量越高，土壤含水量最大值是距湖30 m處10～20 cm土層，隨著距離的增加，土壤含水量減少了42%。20～60 cm土層間含水量差異不顯著。但數(shù)值有降低趨勢(shì)。結(jié)果顯示人工湖對(duì)含水量的影響是越靠近湖泊，含水量越高。上層(0～20 cm)含水量在距離上的變化大于下層(20～60 cm)。

2.2 湖距對(duì)土壤pH的影響

2014年，隨著湖距的增加，pH值趨于減少(表2)。0～10 cm表層，距湖10 m處pH最大值9.61、隨著湖距增加，在100 m處最小值7.59，pH相對(duì)減少了21%。10～20、20～40、40～60 cm土層隨著湖距越遠(yuǎn)，pH出現(xiàn)降低。pH最大值出現(xiàn)在距湖10 m處，最小值出現(xiàn)距湖較遠(yuǎn)的250 m、400 m處。

表1 2014～2016年7月的土壤含水量

注：不同小寫字母表示同一年不同距離的方差分析(P<0.05)

2015年，土壤pH在各土層上表現(xiàn)不一致，隨著距離增加而增加，pH值出現(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)。0～10 cm土層，pH值最小值8.39出現(xiàn)在距湖30 m處。100 m距離后差異不顯著。10～20 cm土層，在距離30 m處出現(xiàn)最低值，與距湖60 m、100 m土壤pH差異顯著(P<0.05)，遠(yuǎn)湖區(qū)pH沒有差異。20～60 cm土層，pH值隨距離增加呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)，從30 m到600 m土壤pH的值分別上升12%、13%。

2016年，0～10 cm土層土壤pH出現(xiàn)先升高，隨著距離增加又降低的趨勢(shì)，但0～10 cm土層其余各湖距間pH表現(xiàn)不顯著。10～20 cm土層pH在距離上也是出現(xiàn)波動(dòng)，但總體是降低趨勢(shì)，20～40、40～60 cm土層，隨著距離的增加，土壤pH出現(xiàn)升高，最小值9.22、9.02出現(xiàn)在距湖30 m、60 m處。

表2 2014～2016年7月土壤的pH

2.3 湖距對(duì)土壤EC的影響

2014年土壤電導(dǎo)率隨著湖距增加而顯著增加，隨著土層深度增加EC值減小(表3)。表層最小EC值在離湖距離30 m處，為1 474 us/cm。而EC最大4 603 us/cm出現(xiàn)在距湖250 m處。EC值增加了68%。土層深度為10～20 m土壤電導(dǎo)率隨著距離變化呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，且最大值2 129 us/cm(600 m)與最小值469 us/cm(30 m)電導(dǎo)率的變化為77%。20～40、40～60 cm土層的土壤EC值在距離結(jié)果表現(xiàn)為距湖越近，電導(dǎo)率值越小。

2015年，0～10 cm土層土壤的EC值是隨著湖距的變化呈先增大再減少的趨勢(shì)。離湖100 m處出現(xiàn)最大值，為4 413 us/cm，最小值(714 us/cm)就是距離在400 m處。20～40 cm、40～60 cm土層，除距湖30 m處值較大外，其余EC值總體隨著距離的增加出現(xiàn)升高，從30 m到600 m，土壤EC值分別增加了59%、45.6%。

2016年，0～20 cm土層EC隨湖距增加而出現(xiàn)先增加后減少的變化，0～10 cm土層EC在湖距250 m處達(dá)到最大值2 096 us/cm。10～20 cm土層電導(dǎo)率則在250 m處為最大值。20～40 cm、40～60 cm土層離湖由近及遠(yuǎn)(30 m到600 m)EC值出現(xiàn)增加，分別增加了74%、51%。土壤EC值在深度上的變化是隨著土層深度加深而降低。

2.4 人工湖湖距對(duì)植被特征的影響

2014年，植被覆蓋度在不同樣點(diǎn)的差異較大，距湖100 m植被覆蓋度大于100 m后的樣點(diǎn)。2015年，植被覆蓋度從100 m樣點(diǎn)處開始增加，距湖30，150和600 m植被覆蓋度比2014年都增加，不同湖距樣點(diǎn)間植被蓋度特異性有減弱趨勢(shì)。2016年距離150 m后樣點(diǎn)與近湖樣點(diǎn)的植被蓋度相接近，2016年不同距離樣點(diǎn)覆蓋度比2014年增加6%(150 m)、10%(250 m)、17%(400 m)、15%(600 m)。植被生物量隨著時(shí)間增加而增加，生物量在30、60、250、600 m處比2014年升高了92%、85%、73%、72%。建湖初期，放牧草地上植被多樣性隨著湖距增加各樣點(diǎn)存在較大差異(表4)，特別是距湖150 m、250 m處simpson指數(shù)明顯低于其他樣點(diǎn)。60 m與100 m處樣點(diǎn)的simpson指數(shù)相差33%。2015年，不同距離上樣點(diǎn)的simpson指數(shù)有明顯升高，60 m與100 m處樣點(diǎn)simpson指數(shù)相差20%。其中，距湖150 m、250 m處simpson指數(shù)相比2014年增加79%、62%。說明人工湖不僅提高草地的多樣性，而且減弱草地上各距離間植被多樣性的差異。隨著建湖年限的增加，到2016年，不同湖距的樣點(diǎn)simpson指數(shù)呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，除距湖較遠(yuǎn)的400 m、600 m外。結(jié)果顯示出距湖30，60和150 m處simpson指數(shù)比2015年分別升高22%，33%和22%。離湖越遠(yuǎn)，simpson指數(shù)在年際間變化趨勢(shì)不同。表明建立人工湖時(shí)間的延長(zhǎng)增加了草地植被蓋度、生物量、多樣性等，其中距離越近越顯著。

表3 2014～2016年7月不同湖距的土壤EC值

表4 2014～2016年不同湖距的植被生物量、蓋度、多樣性

3 討論

人工湖泊對(duì)放牧草地土壤理化性質(zhì)(土壤含水量、酸堿度和EC)、以及植被蓋度、生物量、多樣性具有一定影響。放牧草地土壤含水量隨著湖泊的距離的增加呈減少的趨勢(shì)，說明湖泊水分運(yùn)移是隨著距離增加出現(xiàn)減少的。而水分運(yùn)移需要一定的條件[12]，如土壤間梯度差異，距湖近樣點(diǎn)與湖泊存在一定的水勢(shì)差，水分運(yùn)移速率相對(duì)加快。導(dǎo)致近湖區(qū)草地含水量高于遠(yuǎn)湖區(qū)。土壤pH在人工湖泊的影響下，建湖初期表現(xiàn)為越靠近人工湖，pH值越高，分析可能是由于是建湖初期，離湖越近，越靠近水源，家畜飲水增加踩踏靠近人工湖試驗(yàn)點(diǎn)的頻繁。許多研究表明，家畜踩踏使土壤緊實(shí)度、容重增加[13-14]，家畜排泄在靠近水源區(qū)分解會(huì)對(duì)土壤化學(xué)組成產(chǎn)生影響[15]。除人工湖放牧草地的影響外，草地土壤pH的變化還受到氣候因素的影響。隨著建湖年限的增加，2015年土壤pH產(chǎn)生一定改變，近湖區(qū)樣點(diǎn)pH值相對(duì)低于遠(yuǎn)湖區(qū)，說明土壤pH隨著土壤含水量的變化而變化，2016年，土壤pH在距離上表現(xiàn)更顯著。研究發(fā)現(xiàn)，在一定程度上增加土壤含水量，土壤pH會(huì)相對(duì)降低[16]，通過人工注水等方式修復(fù)退化濕地等研究發(fā)現(xiàn)，隨著恢復(fù)年限增加，土壤pH隨著含水量的增加而降低[17-18]。對(duì)于土壤EC和土壤水分的關(guān)系解釋最合理的是“鹽隨水來，鹽隨水去”[19-20]。反映了土壤的EC易受水分的影響。試驗(yàn)中，2014年土壤EC在人工湖泊的影響下在距湖前100 m處土壤EC小于100 m后樣點(diǎn)處土壤電導(dǎo)率值。而2015年土壤EC隨距離動(dòng)態(tài)變化出現(xiàn)先增加而減少的原因可能是在距離湖泊100 m之內(nèi)，土壤含水量高于其后距離，土壤水分將下層鹽分蒸發(fā)到地表，使EC值達(dá)到最大。有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)水分和高溫條件下的蒸發(fā)力是土壤鹽分運(yùn)移的主要條件[20]，而在距離湖泊100 m以外，土壤水分隨距離的增加而顯著降低，而EC也隨著距離的增加而顯著降低，可能是由于在100 m以外，土壤含水量少，無法將地下的鹽分通過蒸發(fā)而帶到地表，所以，放牧草地土壤含水量越高，土壤EC值也越低。隨建湖年限的增加，削弱了土壤的鹽分在距離上的差異性，并相對(duì)降低了土壤表層鹽分，對(duì)于淺根系區(qū)域來說，將更適合植物的生長(zhǎng)和草地恢復(fù)。植被生物量以及蓋度、多樣性均隨著建湖年際的增加而增加，說明改變土壤含水量導(dǎo)致放牧草地植被基本特征也發(fā)生改變，對(duì)云貴高原恢復(fù)濕地研究中發(fā)現(xiàn)，隨著恢復(fù)時(shí)間的增加，改變?cè)兄脖坏臄?shù)量并增加了植被的多樣性，植被數(shù)量從修復(fù)前的10科、11屬、14種增加到15科、21屬、26種[22]。在塔里木河岸植被特征研究中，以河域?yàn)橹行南蛲庋诱?，發(fā)現(xiàn)距離河岸越遠(yuǎn)，灌木、草本的頻度、蓋度、密度在一定程度上減少，物種多樣性指數(shù)也明顯降低。說明植物數(shù)量特征、物種多樣性指數(shù)因土壤水分降低產(chǎn)生一定程度的退化，因此，植被特征與土壤水分分布格局存在一定的相關(guān)性，并且成為表層土壤水分制約植被數(shù)量發(fā)展的因子，也是植被格局形成和演變的主要因素，且兩者屬于正相關(guān)性[23-24]。

4 結(jié)論

人工湖泊對(duì)毗鄰放牧草地的土壤理化性質(zhì)，植被特征產(chǎn)生一定的積極影響，草地含水量在3年內(nèi)增加了45%(0～10 cm,600 m)。2016年土壤pH隨著距離的增加而升高，pH在10～20 cm土層的30 m處為9.41，到距湖600 m處，pH上升到9.88。土壤電導(dǎo)率隨著年際的增加，表層土壤鹽分降低，底層鹽分出現(xiàn)上升現(xiàn)象。說明人工湖對(duì)草地土壤鹽分有向下運(yùn)移的作用，利于植物生長(zhǎng)。草地覆蓋度在距離上的差異從20%減少到2%(2014年)，生物量和多樣性在距離上的差異同樣減弱，植物基本特征對(duì)人工湖存在積極響應(yīng)。人工湖對(duì)毗鄰放牧草地有一定的改善作用。