不同退化程度草地土壤碳、氮对人工湖的时空响应

赵天赐，安 婵，李金升，乔建霞，唐士明，罗红霞，白 鹭，邵新庆,2，王堃,2，刘克思,2

（1. 中国农业大学动物科技学院 草业科学系，北京 100193；2. 河北沽源草地生态系统国家野外科学观测研究站, 河北 沽源 076550）

我国草地面积广阔，是畜牧业生产的重要基地，也是我国畜牧业发展的重要组成部分，但是由于人为因素和自然因素的干扰，退化草地已占我国草地总面积的50%以上[1]，并且仍在逐年恶化。土壤作为陆地生物的主要栖息地，在整个陆地生态系统功能维持中扮演着重要的角色。在草地退化中，土壤的理化性质会发生极大改变，这种改变会严重影响草地生态系统的功能[2]。对未退化、轻度退化、中度退化和重度退化4种不同退化类型草地的土壤理化性质及土壤养分的比较研究表明，未退化草地的有机碳养分显著高于其他退化草地，退化草地土壤中碳、氮、磷均显著降低[3]。研究表明，三江源地区退化草地的土壤碳、氮和地上生物量呈显著正相关关系，土壤有机碳和全氮可以作为该地区草地退化程度的直接体现[4]。土壤有机碳对土壤肥力、土壤生产力、碳循环都有重要的作用[5]。氮是构成生命的要素，是植物的必需营养元素，也是保证草地生产力的必要条件[6-7]。土壤的生物地理化学循环也与土壤有机物的营养循环紧密相关[8]，所以土壤中碳、氮状况反映了土壤的健康状况，可作为退化草地恢复的重要指标。湖泊作为湿地生态系统的重要组成，具有改善周围小气候，提高物种多样性及提升土壤营养的能力[9-10]。在退化草地上建造人工湖泊，就可能使人工湖泊与毗邻退化草地形成近湿地生态系统，从而可能改善毗邻退化草地的生长环境，积极影响退化草地土壤中营养的流动，加快退化草地的修复。基于此，分析人工湖对毗邻不同退化程度草地土壤有机碳、全氮的影响，评估草地在人工湖影响下的生态和生产恢复状况，为草地管理和草地恢复给出一个可选择的有效策略，可为更好地利用和改善放牧草地提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于河北沽源草地生态系统国家野外站，河北省北部沽源县城北 12 km，115°40′ E，41°46′ N，海拔 1 460 m。气候为半干旱大陆季风气候带，年平均气温约1 ℃，最冷月(1月)平均气温-18.6 ℃，最热月(7月)平均气温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%，年蒸发量为 1 700～2 300 mm，是降水的4～5倍。终年盛行西北风，年大风日数50～80 d，沙尘暴日数 10～25 d，无霜期 80～110 d，年日照时数2 930 h，主要土壤类型为栗钙土。草地初始植物主要有羊草(Leymus chinensis)、碱茅(Puccinellia distans)、芦苇 (Phragmites australis)、星毛委陵菜(Potentilla acaulis)、碱蓬(Suaeda glauca)、马蔺(Iris lactea)等。

1.2 试验设计与取样测定

2013年6月，在河北沽源国家野外观测站的放牧草地区建造一个面积约13.3 hm2、深2 m的人工湖泊，并在年底完成蓄水。2013年7月，为研究人工湖对毗邻不同退化放牧草地土壤碳、氮在时间和空间上的影响，在人工湖东侧(植被盖度平均 ≤50%，为重度退化草地，HG)、南侧(植被盖度平均 ≥ 80%，为轻度退化草地，LG)的放牧草地上按照不同湖距 (10、60、100、150、250、600 m)分别 依 次 放 置 6 个 2 m × 2 m× 2 m 铁 笼 。 分 别于2014年、2015年和2016年植物生长旺季(7月下旬)从放牧草地放置铁笼区域采取相应的土壤样品。为使LG与HG植被状况保持一致，剪去LG样点内的植被，在铁笼内分别随机选取3个采样点进行土壤取样。在每个取样点，用取土器按0-10和10-20 cm分层取土，取出的同层土样，一部分放入铝盒，另一部分放入牛皮纸袋，全部带回实验室在65 ℃烘箱烘至恒重，铝盒中土壤测定土壤含水量，纸袋中土壤过2 mm筛，测定土壤碳、氮含量；土壤含水量采用干湿法；土壤有机碳含量采用TOC测碳仪测定；全氮含量采用凯氏定氮法测定。HG和LG两者的差异性=(最大值-最小值)/最小值。

1.3 数据分析

数据采用 Microsoft Excel 2010 进行整理和初步分析，SPSS 21.0进行数据分析，双因素相关性分析：土壤含水量、有机碳、全氮与湖距、年际、土层相关性分析。单因数方差分析：土壤含水量、碳和氮在不同湖距上的变化。采用Sigma Plot 10.0绘制折线图。

表1 土壤理化性质与湖距、年际、土层相关性分析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变化Table 2 Change of soil moisture of different degraded grasslands in different distances from lake%

2 结果与分析

2.1 不同退化草地土壤含水量对人工湖的空间响应

分析发现，土壤含水量、有机碳和全氮与湖距的相关性极显著 (P＜0.01)，其次是土层间显著 (P ＜0.05)，而年际间相关性不显著 (P ＞ 0.05)(表 1)。土壤含水量在不同退化程度草地上随着湖距的增加总体表现出减少趋势(表2)。

2014年，0-10 cm土层LG、HG土壤含水量总体随着湖距的增加而降低，LG在距湖600 m处较10 m处土壤含水量减少了71%，HG土壤含水量在600 m 处较 10 m 处减少了 50%。10-20 cm 土层，LG土壤含水量随着湖距的增加而减少。

2015年LG、HG土壤含水量变化高于2014年，距离上出现近湖区(小于150 m)含水量高于远湖区(大于150 m)。LG土壤含水量在0-10和10-20 cm土层整体高于HG。2015年，10-20 cm层HG土壤含水量在距湖100 m处达到最大值。

2016年，0-10 cm土层，随着湖距的增加，LG土壤含水量在600 m处较10 m处减少了46%，HG土壤含水量在600 m处较10 m处减少了48%。结果显示，近湖区域(小于150 m)土壤含水量高于远湖区域 (大于 150 m)。10-20 cm 土层，LG、HG土壤含水量在10 m处比600 m处分别高47%和48%。距湖越近，草地土壤含水量越高。

建湖3年后，HG和LG在不同土层土壤含水量的差异性由2014年10%、30%、60%、40%减少到2016年7%、4%、5%、24%，表明人工湖对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机碳含量的变化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机碳对人工湖的空间响应

2014年，0-10 cm土层不同退化草地土壤有机碳在距离上表现出不同的变化规律(表3)，在相同湖距下，LG土壤有机碳含量显著高于HG(P＜0.05)；HG土壤有机碳随湖距的增加先增加后减少。HG在距湖100 m处土壤有机碳达到最大值，为23.29 g·kg-1，距湖 600 m 处土壤有机碳含量比距湖 100 m处降低了80%。0-10 cm土层，LG总体随湖距增加呈现上升趋势，在距湖60 m处土壤有机碳含量最大，为 26.9 g·kg-1；在 10-20 cm 土层，HG 土壤有机碳含量整体上随湖距的增加降低，从距湖10 m处到 600 m 处土壤有机碳显著降低 79%(P＜0.05)，且10-20 cm土层的土壤有机碳明显低于表层。在LG随着湖距增加土壤有机碳含量也增加。到距湖150 m 处出现最大值，为 17.04 g·kg-1，比距湖 10 m处土壤有机碳增加了44%。HG土壤有机碳含量显著低于 LG(P＜0.05)。

2015年，0-10 cm土层HG、LG土壤有机碳在距离上呈先升后降的趋势，LG土壤有机碳含量随着湖距增加在距湖150 m处达到最大值，为26.86 g·kg-1，湖距由 10 m 到 600 m，土壤有机碳含量增加了32%。HG土壤有机碳最大值出现在距湖60 m处，在距湖 600 m 处有机碳最低，为 3.72 g·kg-1；10-20 cm土层，LG土壤有机碳含量随着湖距增加先增加后减小，在距湖150 m处达到最大值，为21.76 g·kg-1。HG土壤有机碳含量在近湖区高于远湖区。研究发现，在2015年，HG表层土壤在距湖 10 m、60 m和 100 m 处样点土壤有机碳含量大于2014年，说明随着建湖时间延长，人工湖对HG土壤有机碳的影响程度更大。

2016年，HG、LG随着湖距增加土壤有机碳含量呈现减少趋势。LG在距湖10 m处土壤有机碳含量出现最大值，为26.52 g·kg-1。HG土壤有机碳含量在距湖 60 m 处出现最大值，为 33.09 g·kg-1。10-20 cm土层，HG土壤有机碳含量表现出随湖距增加而逐渐减少的趋势，有机碳含量低于2014、2015年，LG土壤有机碳含量随着湖距增加出现波动，在距湖 150 m 处出现最大值，为 16.62 g·kg-1，其后随着湖距增加而减少，距湖60 m处土壤有机碳含量在 2016年(16.56 g·kg-1)比 2014年(13.46 g·kg-1)提高了23%。

总体表明，不同退化草地土壤有机碳含量在距离上呈现近湖区大于远湖区的趋势。LG土壤有机碳含量大于HG，表层土壤(0-10 cm)有机碳含量大于下层土壤 (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变化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对人工湖的空间响应

2014年，0-10 cm土层(表4)，土壤全氮含量随湖距增加呈现出先增加后减少的趋势。LG、HG 土壤全氮含量差异显著 (P＜0.05)。湖距由 10 m增加至600 m，轻度放牧草地土壤全氮含量减少了76%，重度放牧草地减少了11%。10-20 cm土层，LG、HG土壤全氮含量差异显著。土壤全氮最大值均出现在距湖100 m处。

2015年，0-10 cm土层，轻度退化草地土壤全氮含量在距湖 60 m 处达到最大值 (3.73 g·kg-1)，比距湖10 m处增加了25%；重度退化草地土壤全氮含量最大值出现在 150 m 处 (3.12 g·kg-1)。10-20 cm土层，轻度退化草地在距湖100 m处土壤全氮达到最大值，为 2.38 g·kg-1，比距湖 10 m 处增加了 23%。重度退化草地最大值出现在距湖150 m处(2.67 g·kg-1)，比距湖10 m处增加了69%。

2016年，0-10 cm土层，轻度退化草地土壤全氮含量随湖距的增加而降低，在距湖60 m处达到最大值(3.75 g·kg-1)。重度退化草地土壤全氮含量随湖距增加而降低，在距湖600 m处土壤全氮含量最低(2.16 g·kg-1)。结果表明，重度退化草地表层土壤全氮含量大于轻度退化草地。在10-20 cm土层，轻度退化草地土壤全氮含量随湖距增加而降低，在距湖 600 m 处土壤全氮含量最低 (0.40 g·kg-1)。重度退化草地土壤全氮含量随湖距增加，呈现先增加后降低的趋势，在距湖150 m处土壤全氮含量达到最高 (2.26 g·kg-1)。

总体来说，轻度退化草地土壤全氮含量高于重度退化草地。近湖区(小于150 m)土壤全氮含量高于远湖区(大于150 m)，说明人工湖的存在能够提高毗邻退化草地土壤全氮含量。

3 讨论

在草地上建立人工湖，必定会影响退化草地的土壤水分状况。本研究中，随着湖距的增加，土壤含水量呈现减少趋势，表层土壤含水量高于下层土壤。人工湖建立后，人工湖水分按照一定速率向退化草地迁移，水分经由近湖区向远湖区扩散，导致土壤水分含量在近湖区大于远湖区。对于土层间含水量的差异，可能的原因是表层土壤的保水性高于下层，使得上层土含水量高于下层[11]。轻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年夏季样品的采集时间为2015年7月27日，由国家草地野外站提供的相关降水数据可以得到，采样当天有0.3 mm的降水量，采样前（2015年7月20日）到采样时累积降水量38.7 mm。降水对土壤含水量产生了一定影响。在人工湖的影响下，土壤有机碳和全氮随着湖距增加呈现先增加后降低的趋势，且表层土壤含量高于下层。由于植被枯落物和根系分布于表层，使得0-10 cm土壤有机碳和全氮含量高于10-20 cm土层。土壤水分的变化在土壤碳、氮的动态中扮演重要的作用。有研究发现，湿地土壤水分变化导致土壤有机碳含量随之改变[13]。过高水分对有机碳矿化有显著的抑制作用，土壤高水位成为当前土壤有机碳、氮的主要限制因素。其次，水分高会导致厌氧微生物消耗碳、氮含量增加[14]。在近湖区，土壤处于水浸条件，有机碳矿化被抑制，使得土壤有机碳含量较低。土壤碳、氮含量存在显著相关性[15]，土壤水分分布对土壤碳循环固定和分布有显著的影响[16]，草地土壤水分含量的降低会直接导致土壤有机碳、全氮含量降低[17-18]。由此，以湖泊为中心，距湖越远，土壤有机碳和全氮含量逐渐降低[19]。草地土壤氮净矿化和硝化速率随着田间持水量的增加而明显增加，田间持水量为9.5%时，净硝化速率和净矿化速率最大，说明土壤氮矿化速率与土壤水分有明显相关性[20-21]。测定盐碱地水分调控对土壤盐分与养分的影响显示，速效养分均在滴头周围形成累积区，土壤水分调控改善了土壤理化性质[22]。随着沙化程度增强，草地草本群落由湿生型向旱生型转变，沙化草地土壤水分、土壤碳和氮含量降低[23]。本研究结果与刘萍萍等[24]对湿地湖泊的研究结果一致，湖泊由近及远对土壤的理化性质有显著的影响，土壤含水量越高，土壤养分含量高。养分的变化有一定的联动性，这也正好能够解释碳、氮在距离上的变化趋势基本上是一致的。土壤养分含量随着草地退化程度的增加而降低[25-26]。本研究也表明，轻度退化草地土壤碳、氮含量总体高于重度退化草地，且重度退化草地表层土壤有机碳含量在年际间有增加趋势，这可能是因为建湖后草地植被盖度增加，凋落物增加，能够使土壤有机碳增加。

4 结论

本研究对河北沽源不同退化程度草地土壤含水量及碳、氮含量对湖泊湖距及建湖年限的时空响应进行分析，结果显示，建湖3年来，土壤含水量随建湖年际增加出现上升趋势，在2015年最高。土壤含水量、有机碳和全氮含量均形成近湖效应，距湖越近，含量越高。重度退化草地、轻度退化草地表层土壤(0-10 cm)养分含量高于下层土壤(10-20 cm)。重度退化草地(HG)养分低于轻度退化草地(LG)。土壤有机碳在0-10 cm土层的年际间是增加的。总体来说，人工湖泊对退化草地土壤含水量以及近湖区土壤有机碳和全氮产生一定积极作用，但还需进一步延长时间尺度，评估人工湖对草地的影响。