趙天賜，安 嬋，李金升，喬建霞，唐士明，羅紅霞，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)觀測研究站, 河北 沽源 076550）

我國草地面積廣闊，是畜牧業(yè)生產(chǎn)的重要基地，也是我國畜牧業(yè)發(fā)展的重要組成部分，但是由于人為因素和自然因素的干擾，退化草地已占我國草地總面積的50%以上[1]，并且仍在逐年惡化。土壤作為陸地生物的主要棲息地，在整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)功能維持中扮演著重要的角色。在草地退化中，土壤的理化性質(zhì)會(huì)發(fā)生極大改變，這種改變會(huì)嚴(yán)重影響草地生態(tài)系統(tǒng)的功能[2]。對未退化、輕度退化、中度退化和重度退化4種不同退化類型草地的土壤理化性質(zhì)及土壤養(yǎng)分的比較研究表明，未退化草地的有機(jī)碳養(yǎng)分顯著高于其他退化草地，退化草地土壤中碳、氮、磷均顯著降低[3]。研究表明，三江源地區(qū)退化草地的土壤碳、氮和地上生物量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，土壤有機(jī)碳和全氮可以作為該地區(qū)草地退化程度的直接體現(xiàn)[4]。土壤有機(jī)碳對土壤肥力、土壤生產(chǎn)力、碳循環(huán)都有重要的作用[5]。氮是構(gòu)成生命的要素，是植物的必需營養(yǎng)元素，也是保證草地生產(chǎn)力的必要條件[6-7]。土壤的生物地理化學(xué)循環(huán)也與土壤有機(jī)物的營養(yǎng)循環(huán)緊密相關(guān)[8]，所以土壤中碳、氮狀況反映了土壤的健康狀況，可作為退化草地恢復(fù)的重要指標(biāo)。湖泊作為濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成，具有改善周圍小氣候，提高物種多樣性及提升土壤營養(yǎng)的能力[9-10]。在退化草地上建造人工湖泊，就可能使人工湖泊與毗鄰?fù)嘶莸匦纬山鼭竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)，從而可能改善毗鄰?fù)嘶莸氐纳L環(huán)境，積極影響退化草地土壤中營養(yǎng)的流動(dòng)，加快退化草地的修復(fù)。基于此，分析人工湖對毗鄰不同退化程度草地土壤有機(jī)碳、全氮的影響，評估草地在人工湖影響下的生態(tài)和生產(chǎn)恢復(fù)狀況，為草地管理和草地恢復(fù)給出一個(gè)可選擇的有效策略，可為更好地利用和改善放牧草地提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

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)國家野外站，河北省北部沽源縣城北 12 km，115°40′ E，41°46′ N，海拔 1 460 m。氣候?yàn)榘敫珊荡箨懠撅L(fēng)氣候帶，年平均氣溫約1 ℃，最冷月(1月)平均氣溫-18.6 ℃，最熱月(7月)平均氣溫17.6 ℃。年降水量在350～450 mm，且降水多集中于6-9月，占全年降水量的 79%，年蒸發(fā)量為 1 700～2 300 mm，是降水的4～5倍。終年盛行西北風(fēng)，年大風(fēng)日數(shù)50～80 d，沙塵暴日數(shù) 10～25 d，無霜期 80～110 d，年日照時(shí)數(shù)2 930 h，主要土壤類型為栗鈣土。草地初始植物主要有羊草(Leymus chinensis)、堿茅(Puccinellia distans)、蘆葦 (Phragmites australis)、星毛委陵菜(Potentilla acaulis)、堿蓬(Suaeda glauca)、馬藺(Iris lactea)等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與取樣測定

2013年6月，在河北沽源國家野外觀測站的放牧草地區(qū)建造一個(gè)面積約13.3 hm2、深2 m的人工湖泊，并在年底完成蓄水。2013年7月，為研究人工湖對毗鄰不同退化放牧草地土壤碳、氮在時(shí)間和空間上的影響，在人工湖東側(cè)(植被蓋度平均 ≤50%，為重度退化草地，HG)、南側(cè)(植被蓋度平均 ≥ 80%，為輕度退化草地，LG)的放牧草地上按照不同湖距 (10、60、100、150、250、600 m)分別 依 次 放 置 6 個(gè) 2 m × 2 m× 2 m 鐵 籠 。 分 別于2014年、2015年和2016年植物生長旺季(7月下旬)從放牧草地放置鐵籠區(qū)域采取相應(yīng)的土壤樣品。為使LG與HG植被狀況保持一致，剪去LG樣點(diǎn)內(nèi)的植被，在鐵籠內(nèi)分別隨機(jī)選取3個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行土壤取樣。在每個(gè)取樣點(diǎn)，用取土器按0-10和10-20 cm分層取土，取出的同層土樣，一部分放入鋁盒，另一部分放入牛皮紙袋，全部帶回實(shí)驗(yàn)室在65 ℃烘箱烘至恒重，鋁盒中土壤測定土壤含水量，紙袋中土壤過2 mm篩，測定土壤碳、氮含量；土壤含水量采用干濕法；土壤有機(jī)碳含量采用TOC測碳儀測定；全氮含量采用凱氏定氮法測定。HG和LG兩者的差異性=(最大值-最小值)/最小值。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用 Microsoft Excel 2010 進(jìn)行整理和初步分析，SPSS 21.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，雙因素相關(guān)性分析：土壤含水量、有機(jī)碳、全氮與湖距、年際、土層相關(guān)性分析。單因數(shù)方差分析：土壤含水量、碳和氮在不同湖距上的變化。采用Sigma Plot 10.0繪制折線圖。

表1 土壤理化性質(zhì)與湖距、年際、土層相關(guān)性分析Table 1 Correlation analysis of soil physical and chemical properties with distance and by years and layers

表2 不同湖距上不同退化程度土壤含水量的變化Table 2 Change of soil moisture of different degraded grasslands in different distances from lake%

2 結(jié)果與分析

2.1 不同退化草地土壤含水量對人工湖的空間響應(yīng)

分析發(fā)現(xiàn)，土壤含水量、有機(jī)碳和全氮與湖距的相關(guān)性極顯著 (P＜0.01)，其次是土層間顯著 (P ＜0.05)，而年際間相關(guān)性不顯著 (P ＞ 0.05)(表 1)。土壤含水量在不同退化程度草地上隨著湖距的增加總體表現(xiàn)出減少趨勢(表2)。

2014年，0-10 cm土層LG、HG土壤含水量總體隨著湖距的增加而降低，LG在距湖600 m處較10 m處土壤含水量減少了71%，HG土壤含水量在600 m 處較 10 m 處減少了 50%。10-20 cm 土層，LG土壤含水量隨著湖距的增加而減少。

2015年LG、HG土壤含水量變化高于2014年，距離上出現(xiàn)近湖區(qū)(小于150 m)含水量高于遠(yuǎn)湖區(qū)(大于150 m)。LG土壤含水量在0-10和10-20 cm土層整體高于HG。2015年，10-20 cm層HG土壤含水量在距湖100 m處達(dá)到最大值。

2016年，0-10 cm土層，隨著湖距的增加，LG土壤含水量在600 m處較10 m處減少了46%，HG土壤含水量在600 m處較10 m處減少了48%。結(jié)果顯示，近湖區(qū)域(小于150 m)土壤含水量高于遠(yuǎn)湖區(qū)域 (大于 150 m)。10-20 cm 土層，LG、HG土壤含水量在10 m處比600 m處分別高47%和48%。距湖越近，草地土壤含水量越高。

建湖3年后，HG和LG在不同土層土壤含水量的差異性由2014年10%、30%、60%、40%減少到2016年7%、4%、5%、24%，表明人工湖對退化草地土壤含水量存在改善作用。

表3 不同湖距上不同退化草地土壤有機(jī)碳含量的變化Table 3 Change of soil organ carbon of different degraded grasslands in distances from the lakeg·kg-1

2.2 不同退化草地土壤有機(jī)碳對人工湖的空間響應(yīng)

2014年，0-10 cm土層不同退化草地土壤有機(jī)碳在距離上表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律(表3)，在相同湖距下，LG土壤有機(jī)碳含量顯著高于HG(P＜0.05)；HG土壤有機(jī)碳隨湖距的增加先增加后減少。HG在距湖100 m處土壤有機(jī)碳達(dá)到最大值，為23.29 g·kg-1，距湖 600 m 處土壤有機(jī)碳含量比距湖 100 m處降低了80%。0-10 cm土層，LG總體隨湖距增加呈現(xiàn)上升趨勢，在距湖60 m處土壤有機(jī)碳含量最大，為 26.9 g·kg-1；在 10-20 cm 土層，HG 土壤有機(jī)碳含量整體上隨湖距的增加降低，從距湖10 m處到 600 m 處土壤有機(jī)碳顯著降低 79%(P＜0.05)，且10-20 cm土層的土壤有機(jī)碳明顯低于表層。在LG隨著湖距增加土壤有機(jī)碳含量也增加。到距湖150 m 處出現(xiàn)最大值，為 17.04 g·kg-1，比距湖 10 m處土壤有機(jī)碳增加了44%。HG土壤有機(jī)碳含量顯著低于 LG(P＜0.05)。

2015年，0-10 cm土層HG、LG土壤有機(jī)碳在距離上呈先升后降的趨勢，LG土壤有機(jī)碳含量隨著湖距增加在距湖150 m處達(dá)到最大值，為26.86 g·kg-1，湖距由 10 m 到 600 m，土壤有機(jī)碳含量增加了32%。HG土壤有機(jī)碳最大值出現(xiàn)在距湖60 m處，在距湖 600 m 處有機(jī)碳最低，為 3.72 g·kg-1；10-20 cm土層，LG土壤有機(jī)碳含量隨著湖距增加先增加后減小，在距湖150 m處達(dá)到最大值，為21.76 g·kg-1。HG土壤有機(jī)碳含量在近湖區(qū)高于遠(yuǎn)湖區(qū)。研究發(fā)現(xiàn)，在2015年，HG表層土壤在距湖 10 m、60 m和 100 m 處樣點(diǎn)土壤有機(jī)碳含量大于2014年，說明隨著建湖時(shí)間延長，人工湖對HG土壤有機(jī)碳的影響程度更大。

2016年，HG、LG隨著湖距增加土壤有機(jī)碳含量呈現(xiàn)減少趨勢。LG在距湖10 m處土壤有機(jī)碳含量出現(xiàn)最大值，為26.52 g·kg-1。HG土壤有機(jī)碳含量在距湖 60 m 處出現(xiàn)最大值，為 33.09 g·kg-1。10-20 cm土層，HG土壤有機(jī)碳含量表現(xiàn)出隨湖距增加而逐漸減少的趨勢，有機(jī)碳含量低于2014、2015年，LG土壤有機(jī)碳含量隨著湖距增加出現(xiàn)波動(dòng)，在距湖 150 m 處出現(xiàn)最大值，為 16.62 g·kg-1，其后隨著湖距增加而減少，距湖60 m處土壤有機(jī)碳含量在 2016年(16.56 g·kg-1)比 2014年(13.46 g·kg-1)提高了23%。

總體表明，不同退化草地土壤有機(jī)碳含量在距離上呈現(xiàn)近湖區(qū)大于遠(yuǎn)湖區(qū)的趨勢。LG土壤有機(jī)碳含量大于HG，表層土壤(0-10 cm)有機(jī)碳含量大于下層土壤 (10-20 cm)。

表4 不同湖距上不同退化程度草地土壤全氮含量的變化Table 4 Change of soil total nitrogen of different degraded grasslands in distance from the lake g·kg-1

2.3 不同退化草地土壤全氮對人工湖的空間響應(yīng)

2014年，0-10 cm土層(表4)，土壤全氮含量隨湖距增加呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢。LG、HG 土壤全氮含量差異顯著 (P＜0.05)。湖距由 10 m增加至600 m，輕度放牧草地土壤全氮含量減少了76%，重度放牧草地減少了11%。10-20 cm土層，LG、HG土壤全氮含量差異顯著。土壤全氮最大值均出現(xiàn)在距湖100 m處。

2015年，0-10 cm土層，輕度退化草地土壤全氮含量在距湖 60 m 處達(dá)到最大值 (3.73 g·kg-1)，比距湖10 m處增加了25%；重度退化草地土壤全氮含量最大值出現(xiàn)在 150 m 處 (3.12 g·kg-1)。10-20 cm土層，輕度退化草地在距湖100 m處土壤全氮達(dá)到最大值，為 2.38 g·kg-1，比距湖 10 m 處增加了 23%。重度退化草地最大值出現(xiàn)在距湖150 m處(2.67 g·kg-1)，比距湖10 m處增加了69%。

2016年，0-10 cm土層，輕度退化草地土壤全氮含量隨湖距的增加而降低，在距湖60 m處達(dá)到最大值(3.75 g·kg-1)。重度退化草地土壤全氮含量隨湖距增加而降低，在距湖600 m處土壤全氮含量最低(2.16 g·kg-1)。結(jié)果表明，重度退化草地表層土壤全氮含量大于輕度退化草地。在10-20 cm土層，輕度退化草地土壤全氮含量隨湖距增加而降低，在距湖 600 m 處土壤全氮含量最低 (0.40 g·kg-1)。重度退化草地土壤全氮含量隨湖距增加，呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在距湖150 m處土壤全氮含量達(dá)到最高 (2.26 g·kg-1)。

總體來說，輕度退化草地土壤全氮含量高于重度退化草地。近湖區(qū)(小于150 m)土壤全氮含量高于遠(yuǎn)湖區(qū)(大于150 m)，說明人工湖的存在能夠提高毗鄰?fù)嘶莸赝寥廊俊?/p>

3 討論

在草地上建立人工湖，必定會(huì)影響退化草地的土壤水分狀況。本研究中，隨著湖距的增加，土壤含水量呈現(xiàn)減少趨勢，表層土壤含水量高于下層土壤。人工湖建立后，人工湖水分按照一定速率向退化草地遷移，水分經(jīng)由近湖區(qū)向遠(yuǎn)湖區(qū)擴(kuò)散，導(dǎo)致土壤水分含量在近湖區(qū)大于遠(yuǎn)湖區(qū)。對于土層間含水量的差異，可能的原因是表層土壤的保水性高于下層，使得上層土含水量高于下層[11]。輕度退化草地土壤含水量一般高于重度退化草地[12]。土壤含水量以2015年最大，主要是2015年夏季樣品的采集時(shí)間為2015年7月27日，由國家草地野外站提供的相關(guān)降水?dāng)?shù)據(jù)可以得到，采樣當(dāng)天有0.3 mm的降水量，采樣前（2015年7月20日）到采樣時(shí)累積降水量38.7 mm。降水對土壤含水量產(chǎn)生了一定影響。在人工湖的影響下，土壤有機(jī)碳和全氮隨著湖距增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，且表層土壤含量高于下層。由于植被枯落物和根系分布于表層，使得0-10 cm土壤有機(jī)碳和全氮含量高于10-20 cm土層。土壤水分的變化在土壤碳、氮的動(dòng)態(tài)中扮演重要的作用。有研究發(fā)現(xiàn)，濕地土壤水分變化導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量隨之改變[13]。過高水分對有機(jī)碳礦化有顯著的抑制作用，土壤高水位成為當(dāng)前土壤有機(jī)碳、氮的主要限制因素。其次，水分高會(huì)導(dǎo)致厭氧微生物消耗碳、氮含量增加[14]。在近湖區(qū)，土壤處于水浸條件，有機(jī)碳礦化被抑制，使得土壤有機(jī)碳含量較低。土壤碳、氮含量存在顯著相關(guān)性[15]，土壤水分分布對土壤碳循環(huán)固定和分布有顯著的影響[16]，草地土壤水分含量的降低會(huì)直接導(dǎo)致土壤有機(jī)碳、全氮含量降低[17-18]。由此，以湖泊為中心，距湖越遠(yuǎn)，土壤有機(jī)碳和全氮含量逐漸降低[19]。草地土壤氮凈礦化和硝化速率隨著田間持水量的增加而明顯增加，田間持水量為9.5%時(shí)，凈硝化速率和凈礦化速率最大，說明土壤氮礦化速率與土壤水分有明顯相關(guān)性[20-21]。測定鹽堿地水分調(diào)控對土壤鹽分與養(yǎng)分的影響顯示，速效養(yǎng)分均在滴頭周圍形成累積區(qū)，土壤水分調(diào)控改善了土壤理化性質(zhì)[22]。隨著沙化程度增強(qiáng)，草地草本群落由濕生型向旱生型轉(zhuǎn)變，沙化草地土壤水分、土壤碳和氮含量降低[23]。本研究結(jié)果與劉萍萍等[24]對濕地湖泊的研究結(jié)果一致，湖泊由近及遠(yuǎn)對土壤的理化性質(zhì)有顯著的影響，土壤含水量越高，土壤養(yǎng)分含量高。養(yǎng)分的變化有一定的聯(lián)動(dòng)性，這也正好能夠解釋碳、氮在距離上的變化趨勢基本上是一致的。土壤養(yǎng)分含量隨著草地退化程度的增加而降低[25-26]。本研究也表明，輕度退化草地土壤碳、氮含量總體高于重度退化草地，且重度退化草地表層土壤有機(jī)碳含量在年際間有增加趨勢，這可能是因?yàn)榻ê蟛莸刂脖簧w度增加，凋落物增加，能夠使土壤有機(jī)碳增加。

4 結(jié)論

本研究對河北沽源不同退化程度草地土壤含水量及碳、氮含量對湖泊湖距及建湖年限的時(shí)空響應(yīng)進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，建湖3年來，土壤含水量隨建湖年際增加出現(xiàn)上升趨勢，在2015年最高。土壤含水量、有機(jī)碳和全氮含量均形成近湖效應(yīng)，距湖越近，含量越高。重度退化草地、輕度退化草地表層土壤(0-10 cm)養(yǎng)分含量高于下層土壤(10-20 cm)。重度退化草地(HG)養(yǎng)分低于輕度退化草地(LG)。土壤有機(jī)碳在0-10 cm土層的年際間是增加的。總體來說，人工湖泊對退化草地土壤含水量以及近湖區(qū)土壤有機(jī)碳和全氮產(chǎn)生一定積極作用，但還需進(jìn)一步延長時(shí)間尺度，評估人工湖對草地的影響。