人造湖對毗鄰退化草地土壤含水量、電導率和pH的影響

安嬋，喬建霞，商建英,2，李金升，趙天賜，唐士明,邵新慶,3，黃頂,3，王堃,3,劉克思,3*

(1.中國農業大學動物科技學院草業科學系，北京 100193;2.中國農業大學資源與環境學院,北京 100193; 3.河北沽源草地生態系統國家野外科學觀測研究站, 河北 沽源 076550)

北方草原是我國重要的放牧區，但是由于諸多自然因素與人為因素的干擾，使草原呈現出不同程度的退化狀態[1]。針對這種狀況，草地管理者采取了各種措施延緩草地退化或對退化草地進行恢復，這其中包括圍封、翻耕、補播、施肥、灌溉等[2-4]。有研究證明，圍封的確對退化草地植物、土壤有所改善[5]，但圍封必然會降低牧場的利用面積和效率。長期研究證明松土、補播、施肥、灌溉等措施有增產、提高土壤肥力等作用，但是草原面積廣闊，松土、施肥等措施成本高[3]。湖泊作為濕地生態系統的一種重要組成，不僅具有提供休閑娛樂的景觀效應，還具有保護和改善生態系統環境的生態效應[6-7]。有研究表明，濕地生態系統對土壤保蓄水、物種多樣性、環境等都具有保護作用，且影響區域內土壤的理化性質[8-9]。

放牧是草地的主要利用方式之一，持續過高的放牧強度是導致草地退化的主要因素，而草地退化的直接反應就是土壤的理化性質發生改變。許多研究已經發現，草地退化降低草地土壤中的含水量[10]，致使土壤中pH和電導率升高[11-12]。草地土壤含水量改變會導致土壤營養狀況和草地生產力發生變化[13]。土壤pH可以反映出土壤的基本特性[14]，土壤電導率對于確定土壤植被營養和生長有重大意義[15]。在退化草地上建造人工湖泊，就可能使其與毗鄰退化草地形成濕地生態系統，從而改善退化草地的生態環境，提高草地土壤中的含水量和改善土壤理化性質，加速退化草地恢復和增強草地的可持續性，但關于此方面的研究幾乎沒有?；诖?，研究人造湖對毗鄰退化草地土壤理化性質空間和時間上的影響，為更好改善退化草地生態環境提供理論依據和數據支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地位于河北沽源草地生態系統國家野外站，距河北省北部沽源縣城北12 km，東經115°40′，北緯41°46′，海拔1460 m。氣候為半干旱大陸季風氣候帶，冬季漫長，夏季無暑，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350～450 mm，且多集中于6-9月，占全年降水量的79%，年蒸發量為1700～2300 mm。無霜期為80～110 d，年日照時數為2930 h，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(Phragmitesaustralis)、星毛委陵菜(Potentillaacaulis)、堿蓬(Suaedaglauca)、馬藺(Irislactea)等。

1.2 實驗設計與取樣設定

2013年6月，在河北沽源國家野外觀測站的放牧草地區建造一個面積約13.3 hm2(480 m×277 m)，深2 m的人工湖泊并在年底完成湖蓄水。為研究人工湖對退化草地土壤含水量、pH、電導率(electronic conductivity，EC)在時間和空間上的影響，在人工湖東側的退化放牧草地(草地覆蓋度低于40%)上，以湖泊中心位置延展，按照離湖邊距離(10、60、100、150、250、600 m)于2013年7月分別放置一個2 m×2 m×2 m的鐵籠，形成籠內外相對獨立的環境，籠外保持原有的放牧狀態，籠內形成免放牧干擾的環境，防止放牧動物的踐踏和排泄影響采樣區樣品的準確性。對于籠內的植物，在植物最大生長期(7月中旬)刈割至籠外植物的高度，盡可能模擬退化草地的本身狀態。在2014、2015和2016年植物的生長旺季(7月下旬)，從鐵籠內分別隨機選取3個采樣點進行土壤取樣。在每個取樣點，用取土器按0～10 cm，10～20 cm，20～40 cm和40～60 cm分層取土。取出的同層土樣，迅速混合均勻，分成2份，1份放入準備的鋁盒(鋁盒稱重編號W3)蓋封好，1份放入牛皮紙袋。放入鋁盒的那份帶回實驗室迅速稱重W1，然后和放入牛皮紙袋的那份一起放入60 ℃烘箱烘為恒重。烘完后，鋁盒的部分重新稱重W2，通過計算得出土壤含水量[含水量=[(W1-W2)/(W1-W3)]×100%。牛皮紙袋部分土樣在實驗室內進一步處理測定土壤pH和電導率EC。pH和EC用電位法測定：稱取5 g干土放入離心管中，再加入25 mL的去離子水(水土比為5∶1)，振蕩機振蕩1 h，靜止1 h后用酸度計(FE30-K, METTER TOLEDO)和電導率儀(FE30-K, METTER TOLEDO)分別測定pH和EC。

1.3 數據分析

采用Microsoft Excel 2010整理試驗所測得的數據并進行初步分析，用SPSS 21.0進行方差分析，分析土壤各理化性質在距離湖泊由近及遠的不同距離上的變化和在年際的變化，從而綜合評價人工湖對退化草地土壤理化性質的影響。用Sigma Plot 10.0繪制圖形。

2 結果與分析

2.1 土壤理化性質隨湖距的空間變化

2.1.1土壤含水量隨湖距的空間變化 2014年土壤含水量在人工湖周圍不同距離上及不同土層間變化顯著(表1)。在距離上，隨著距離的增加，4個土層均是顯著降低的。0～10 cm土層在距離湖泊10 m處土壤含水量為34%，隨著距離的增加，在距離湖泊600 m處的土壤含水量降為17%，相比10 m處降低了50%。10～60 cm各土層土壤含水量在距湖600 m處相對于10 m處分別下降了40%(10～20 cm層)，26%(20～40 cm層)和29%(40～60 cm層)。數據顯示，2013年建湖后，2014年土壤含水量在距離上已經有顯著的變化，且上層土壤含水量在距離上的變化幅度大于下層土壤。

表1 2014-2016年土壤含水量在離湖不同距離變化Table 1 The variation of soil moisture at different distance from lake in 2014-2016 (%)

注：表中不同小寫字母代表同一土層在不同距離間差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母代表同距離不同年際間在0.05水平上顯著, 下同。

Note： The different small letters mean the significant differences among the same layers with different distances (P<0.05), the different capital lerrers represent the significant differences among the same distance with different years (P<0.05), the same below.

2015年土壤含水量在距離上沒有2014年土壤含水量的變化趨勢顯著，但是總的來說，離湖泊近的草地土壤含水量顯著高于遠距離的，尤其是距離小于100 m的土壤含水量顯著高于距離大于100 m的土壤含水量(表1)。例如0～10 cm土層的土壤含水量從距離湖泊10 m處29%的土壤含水量下降到600 m處的15%，土壤含水量降低了48%。數據顯示，距離湖泊前100 m的土壤含水量在土層間的變化很明顯，而100 m之后的草地土壤含水量的變化幅度小于距離湖泊近的。

2016年土壤含水量變化與前兩年類似，隨距湖距離的增加，含水量顯著降低(表1)。0～10 cm土層的土壤含水量從距離湖泊60 m處的39%下降到600 m處的15%，降低了62%。10～60 cm各土層的土壤含水量從10 m處的35%(10～20 cm)、25%(20～40 cm)、33%(40～60 cm)下降到600 m處的18%(10～20 cm)、15%(20～40 cm)、16%(40～60 cm)。數值顯示人工湖對上層土壤含水量的影響在距離上明顯高于下層土壤。

圖1 土壤水分含量與距湖距離的相關性Fig.1 Correlation between soil moisture and distance from lake

通過對2014、2015和2016年的不同土層在距湖不同距離上的變化趨勢綜合回歸分析發現：4個土層的土壤含水量和離湖距離均有顯著的線性相關關系(圖1，P<0.05)，其中0～10 cm土層由離湖不同的距離解釋70%。10～60 cm各土層由離湖不同距離分別解釋了44%(10～20 cm)、19%(20～40 cm)、32%(40～60 cm)。由此可以看出，表層土壤水分和離湖距離的相關性高于下層土壤。

2.1.2土壤pH隨湖距的空間變化 人工湖對距湖不同距離的退化草地土壤pH產生了一定的空間影響(表2)。2014年，0～10 cm土層土壤pH隨著距湖泊距離的增加而升高，其中，距離湖泊600 m處土壤pH達到最大值10.5，相比近湖區增加了11%左右。10～60 cm各土層土壤pH從距湖10～600 m土壤分別增加了16%(10～20 cm)、12%(20～40 cm)、11%(40～60 cm)。

2015年，土壤pH變化趨勢和2014年相似(表2)。0～10 cm土層土壤pH在距湖600 m處達到最大值10.1。10～60 cm各土層土壤pH從距湖10～600 m分別升高了12%(10～20 cm)、11%(20～40 cm)、10%(40～60 cm)。

2016年，土壤pH在離湖不同距離上的變化動態同2014和2015年有差異，但也表現出一定的變化規律(表2)。0～40 cm土層的土壤pH隨離湖距離的增加，先顯著降低后顯著升高，在距湖100 m處達到最小值為8.39(0～10 cm)、8.71(10～20 cm)和8.87(20～40 cm)，最大值是距湖最遠的600 m處為10.0(0～10 cm)、10.1(10～20 cm)和10.0(20～40 cm)。整體來說，土壤pH值對人工湖泊在距離上產生的效應不同。

通過對2014、2015和2016年土壤pH在離湖距離上的綜合回歸分析發現：土壤pH和離湖的距離呈極顯著的線性相關關系(圖2，P<0.05)。4個土層的土壤pH隨著離湖距離的增加顯著升高可由離湖不同的距離分別解釋了50%、38%、34%、32%。以上分析說明，建湖后短期內，上層土壤(0～10 cm和10～20 cm)pH值在距離上的變化和離湖距離的相關性高于下層土壤。

表2 2014-2016年土壤pH值在離湖距離上的變化Table 2 The variation of soil pH values at different distance from lake in 2014-2016

圖2 土壤pH與距湖距離的相關性Fig.2 Correlation between soil pH and distance from lake

2.1.3EC隨湖距的空間變化 2014年土壤EC在距離上體現出先升高后降低的變化規律(表3)。0～60 cm各層土壤EC在距湖100 m處達到了最大7910、 2516、 1757、1247 μS·cm-1。除0～10 cm土層，EC值在250 m處達到最小1436 μS·cm-1，20～60 cm各土層的土壤EC在距離上的變化趨勢一致。距湖10 m處EC最小。

2015年土壤EC隨著距離的增加先出現升高的趨勢，均在距湖100 m處達到最大值，后又下降。10～60 cm在距湖10 m處為EC最小值，分別為712、445、335 μS·cm-1。0～10 cm土層在距湖250 m處達到最小1127 μS·cm-1。

2016年土壤EC與2014和2015年變化趨勢基本一致(表3)。0～10 cm土層土壤EC在距湖10 m處最小，隨著距離的增加土壤EC值顯著升高并在距湖100 m處達到最大值，而后隨著距離的增加顯著降低?？傮w說明人工湖對不同距離上的EC值影響不同。

表3 2014-2016年土壤EC值在離湖距離上的變化Table 3 The variation of EC at different distance from lake in 2014-2016 (μS·cm-1)

2.2 土壤理化性質的年際變化

2.2.1土壤水分的年際變化 土壤水分在不同土層不同的離湖距離隨建湖的年限產生不同的動態(表1)。在距湖10 m處，土壤水分2016年在各土層(除了20～40 cm土層)有一定的升高，2014和2016年統計差異不顯著但都略高于2015年。在距湖60 m處，土壤水分在10～20 cm土層中隨年限的增長有一定的下降，但在其他3個土層中2014和2016年沒有差異但都顯著高于2015年。在距湖100 m處，0～20 cm層中土壤水分在3年間變化不大，但在20～60 cm層土壤水分2014和2016年沒有差異且都顯著高于2015年。在距湖150和250 m處，2014年土壤水分在各土層都略高于2015和2016年，2015和2016年間沒有差異。在距湖600 m處，從2014到2016年土壤水分在0～20 cm層變化不大，但在20～60 cm層中顯著下降。土壤水分受到降水、地下水和蒸發等的影響，從人工湖毗鄰退化草地土壤水分在不同空間的年際動態變化看，人工湖在一定程度上削弱了年際間降水和蒸發不同對土壤水分的影響，特別是對離人工湖更近的草地部分(小于100 m)。在距湖小于100 m的草地土壤各層中，2014和2016年土壤水分差異基本不顯著，但在距湖大于150 m草地土壤中，2014年土壤水分在20～60 cm土層中顯著高于2016年。

2.2.2土壤pH的年際變化 0～10 cm層的土壤pH在距湖60、100和600 m處都是隨著建湖年限的增加顯著降低，距湖100 m處2014年pH為9.34，2016年為8.39，兩年內降低了10%。距湖600 m處兩年間降低了5%(表2)。2015和2016年土壤pH顯著低于建湖初年2014年。距湖150 m和距湖250 m處雖然方差分析在年際間沒有顯著的差異，但是從數值上來看是降低的。10～20 cm土層的土壤pH在年際間除了距湖10 m處外(10 m處有增加的趨勢)，都沒有顯著的差異。20～40 cm土層的土壤pH的年際變化在不同距離上有不同的變化動態，距湖60和100 m土壤pH隨著建湖年限的積累顯著降低，而距湖10、150和250 m處隨著建湖年限的積累，土壤pH顯著升高。40～60 cm土層的土壤pH表現為距湖近的(10 和60 m)和距湖遠的(距湖600 m)土壤pH隨著建湖年限的積累顯著降低，而距湖100、150 和250 m的距離上的土壤pH是隨著建湖年限的積累顯著升高的。對4個土層不同距離上的土壤pH的年際變化動態分析表明，上層土壤(0～10 cm和10～20 cm)中一般隨著建湖年限的增加，土壤pH顯著降低。下層土壤(20～40 cm和40～60 cm)中距離湖泊近的和距離湖泊最遠的土壤pH隨著建湖年限的增加而顯著降低，而處于中間距離(距湖100 、150和250 m)是隨著年限的增加而顯著增加。由以上的分析可以看出來，年際間土壤pH在4個土層間的動態是不同的，上層土壤pH有降低的趨勢，而下層土壤在不同距離上有不同的變化趨勢。

2.2.3土壤EC的年際變化 土壤EC的年際變化動態在4個土層間是不同的(表3)。0～10 cm土層土壤EC除了150 m處外，其他距離上的土壤EC隨著建湖年限的增加顯著降低。其中距湖10 m處在年際間的變化最顯著，2016年相對2014年降低了59%。10～20 cm土層土壤EC在年際間只有在距湖100和150 m處隨著建湖年限的增加土壤EC顯著升高，其他距離上的土壤EC沒有顯著的年際間差異。20～40 cm土層土壤EC在年際間有非常顯著的變化，在距湖各個距離上都是隨著建湖年限的增加，土壤EC值顯著升高，各土層的土壤EC在2016年分別相對2014年升高了36%、27%、22%、18%、30%、25%。40～60 cm土層的土壤EC在年際間不同距離上變化不同。在距湖10和600 m處電導率在年際上是顯著降低的，其他距離土壤EC隨著建湖年限的增加而顯著升高。由此可以看出，上層土壤(0～10 cm)EC隨年限的增加顯著降低，下層土壤特別是20～40 cm土層的土壤EC在年際間隨著建湖年限的積累顯著升高。說明從建湖后，原本積累在上層土壤的土壤鹽分向下層運移。對于植物根系活動的土壤區域來說，土壤EC值降低，土壤鹽分降低，有利于地上植物的生長。

3 討論

從研究退化草地土壤理化性質(土壤含水量、酸堿度和EC)對人工湖泊在距離上的反映結果來看，人工湖泊對退化草地有一定的影響。首先，在距離上土壤含水量表現出隨著離湖距離的增加而顯著降低的趨勢，2014和2016年的土壤含水量在距離上變化趨勢一致。這種在距離上的變化說明建湖后湖泊影響著周圍退化草地土壤的含水量，距湖越近其含水量越高。在土層間，2014和2016年的土壤含水量表現為上層土壤在距離上的變化更顯著，降低幅度更大，下層土壤含水量在距離上變化幅度較小，說明湖泊對周圍退化草地土壤含水量的影響上層土壤大于下層土壤。土壤pH在人工湖泊的影響下在距離上隨著距離的增加而顯著增加，說明提高土壤含水量對土壤降堿有一定的促進作用。關于土壤水分對土壤pH的影響，王赟峰[16]研究表明水分管理對土壤pH的影響作用顯著。土壤含水量過多會致使土壤中形成厭氧環境，從而產生二氧化碳和還原態物質，厭氧環境下土壤中產生的物質會影響土壤的酸堿度[17-18]。Hefting等[19]研究認為不論是酸性土壤還是堿性土壤，土壤含水量高使得土壤出現厭氧情況后，土壤pH都會朝著中性的趨勢變化。本實驗區域為退化鹽堿性草地，初始pH為8～10，隨著距湖泊的距離越來越大，土壤含水量降低，土壤pH顯著升高。這與上述結論一致，對堿性土壤增加土壤水分可降低土壤pH。土壤EC在人工湖泊的影響下在距離上呈先增高后降低的趨勢，在距湖100 m處達到最大值。土壤的EC受水分影響特別大，有句形容土壤鹽分受水分影響的話 “鹽隨水來，鹽隨水走”很形象地說明了水分對土壤鹽分運動的影響[20]。導致土壤EC隨距離動態變化的原因可能是隨著建湖年限增加，水分在距離上會由高向低處運移，鹽分也隨著水分運動。所以造成100 m后土壤EC高于距離100 m前，土壤水分將鹽分蒸發到地表，使EC值升高。有關研究發現水分和高溫條件下的蒸發力是土壤鹽分運移的主要條件[21]。在距離湖泊100 m以外，EC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而帶到地表，所以，導致土壤EC值降低。但100 m處隨建湖年限的增加，表層土壤(0～10 cm)的EC隨著建湖年限的增加顯著降低，而下層土壤(特別是20～40 cm)的EC隨著建湖年限的增加顯著升高，這種變化說明土壤鹽分由上層土壤下滲到下層。土壤水鹽運動規律就是鹽分隨水分蒸發到地表和隨水分下滲到地下的過程[22]，湖泊的建立使毗鄰草地上層土壤的鹽分隨水分下滲到下層土壤，使得上層土壤的鹽分降低，將更適合植物生長和草地恢復。

4 結論

人工湖泊對毗鄰退化草地的土壤理化性質產生一定的積極影響，在距湖泊10～600 m形成一定的變化趨勢。土壤水分在距離上隨著離湖距離的增加顯著降低，土壤pH隨著距離的增加顯著升高，而土壤EC在距離上先升高在距湖100 m處達到最大后降低。土壤水分、pH和距離有顯著的線性相關關系，說明湖泊對毗鄰草地土壤水分和pH造成顯著的影響。在建湖3年這個短時期內，形成了(特別是上層土壤)靠近湖泊的土壤水分高，其次就是土壤pH小，EC低的特點，以上說明人工湖對毗鄰退化草地改善存在一定的積極作用。